Czym wyróżniają się silniki do stref wybuchowych ATEX
Adobe Stock – regulatorZapewnienie bezpieczeństwa w strefach zagrożonych wybuchem jest jednym z istotnych wyzwań współczesnego przemysłu. Silniki elektryczne z certyfikatem ATEX to zaawansowane technologicznie urządzenia, których konstrukcja, dobór materiałów i parametry techniczne zostały podporządkowane jednemu celowi – eliminacji ryzyka zapłonu atmosfery wybuchowej.
Praca w strefach zagrożonych wybuchem wymaga stosowania specjalistycznego sprzętu. Tradycyjne silniki elektryczne mogą generować iskry, łuki elektryczne i nadmiernie rozgrzane powierzchnie. Przez to stają się potencjalnym źródłem zapłonu dla otaczającej atmosfery. Silniki ATEX zaprojektowano z myślą o neutralizacji tych zagrożeń przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności i niezawodności działania.
Europejska dyrektywa ATEX 2014/34/UE i zharmonizowane z przepisami unijnymi normy z rodziny PN-EN 60079 określają rygorystyczne wymagania, które dotyczą urządzeń, jakie pracują w strefach wybuchowych. Silniki ATEX reprezentują najwyższy standard zabezpieczeń przeciwwybuchowych. W tym celu integrują wiele unikatowych rozwiązań konstrukcyjnych, które stanowią o ich przewadze technologicznej.
Specyfika konstrukcyjna silników ATEX
Jednym z najważniejszych elementów silników ATEX jest ognioszczelna obudowa, której zadaniem jest zapewnienie, że ewentualny zapłon wewnątrz silnika nie przeniesie się na otaczającą atmosferę wybuchową. Żeby spełnić to wymaganie, obudowy silników mają precyzyjnie obrobione powierzchnie styku, tzw. szczeliny płomieniowe, których tolerancja wykonania często nie przekracza kilkudziesięciu mikrometrów. Pogrubione ścianki obudowy muszą wytrzymać ciśnienie potencjalnego wewnętrznego wybuchu, a specjalnie zaprojektowane kanały dekompresyjne schładzają gazy, które wydostają się przez szczeliny płomieniowe.
System chłodzenia w silnikach ATEX również podlega daleko idącym modyfikacjom. Zoptymalizowane żebra chłodzące zwiększają powierzchnię oddawania ciepła, a specjalne kanały wentylacyjne wyposażone są w przegrody iskrobezpieczne. Zaawansowane systemy monitorowania temperatury, które wykorzystują czujniki PTC lub Pt100, pozwalają na bieżącą kontrolę parametrów pracy silnika. W bardziej zaawansowanych technologicznie aplikacjach stosuje się też dwustopniowe systemy chłodzenia z rozdzielonymi obiegami, co dodatkowo zwiększa poziom bezpieczeństwa.
Część elektryczna silników ATEX charakteryzuje się natomiast specjalnymi uzwojeniami o zwiększonej izolacji termicznej, najczęściej klasy H, które są przystosowane do maksymalnego dopuszczalnego wzrostu temperatury o 180°C powyżej temperatury otoczenia. Wzmocnione izolacje międzyfazowe i doziemne zapewniają dodatkowe zabezpieczenie przed przebiciami elektrycznymi. Wirnik silnika poddawany jest precyzyjnemu balansowaniu, co minimalizuje wibracje mogące prowadzić do uszkodzeń mechanicznych. W przypadku silników szczotkowych stosuje się zmodyfikowane szczotki i komutatory wykonane z materiałów nieiskrzących, co eliminuje jedno z głównych potencjalnych źródeł zapłonu.
Specjalnie dostosowane do atmosfery wybuchowej są również łożyska w silnikach ATEX. Charakteryzują się one podwyższoną wytrzymałością temperaturową i mechaniczną. System uszczelnień, który obejmuje specjalne uszczelnienia wału silnika oraz rozwiązania labiryntowe, zapobiega przedostawaniu się pyłów i gazów do wnętrza silnika. Materiały o obniżonym współczynniku tarcia minimalizują generowanie ciepła w miejscach krytycznych, co pozwala utrzymać temperaturę powierzchni poniżej wartości granicznych dla danej klasy temperaturowej.
Materiały w służbie bezpieczeństwa
Dobór materiałów w silnikach ATEX stanowi osobne zagadnienie inżynieryjne. Obudowy wykonywane są najczęściej ze stopów aluminium z odpowiednio dobraną zawartością magnezu (poniżej 7,5%), żeliwa sferoidalnego o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej lub stali nierdzewnej w przypadku zastosowań w agresywnym środowisku chemicznym. Powierzchnie zewnętrzne obudowy silników pokrywane są specjalnymi powłokami antykorozyjnymi, które jednocześnie zapewniają odpowiednią odporność na uszkodzenia mechaniczne.
W części elektrycznej stosuje się przewody z izolacją o podwyższonej odporności termicznej i chemicznej. Bezhalogenowe materiały izolacyjne zapewniają, że w przypadku przegrzania nie będą wydzielane toksyczne gazy. W szczególnie wymagających aplikacjach wykorzystuje się przewody z izolacją mineralną, które charakteryzują się wyjątkową odpornością na ekstremalne warunki pracy. Materiały impregnacyjne o podwyższonej przewodności cieplnej pomagają natomiast w efektywnym odprowadzaniu ciepła z uzwojeń.
Uszczelnienia wykonywane są najczęściej z kauczuku fluorowego (Viton) odpornego na węglowodory i wysokie temperatury lub z teflonu w przypadku kontaktu z agresywnymi chemikaliami. Śruby i elementy złączne produkowane są ze stali nierdzewnej A4 lub z mosiądzu w wykonaniu nieiskrzącym. Specjalne pasty montażowe zapobiegają zatarciu i korozji galwanicznej, zachowując jednocześnie integralność połączeń ognioszczelnych.
Smary łożyskowe stosowane w silnikach ATEX charakteryzują się rozszerzonym zakresem temperatur pracy, często od –40°C do +180°C. Pozwala to na niezawodne funkcjonowanie w zmiennych warunkach otoczenia. Farby antyelektrostatyczne zapobiegają gromadzeniu się ładunków, które mogłyby stać się źródłem iskry. W metalowych komponentach unika się pierwiastków tworzących iskry mechaniczne (jak żelazo czy nikiel).
Zaawansowane technologie materiałowe w ATEX
Projektowanie silników do stref zagrożonych wybuchem wymaga nie tylko spełnienia obecnych standardów bezpieczeństwa, ale również przewidywania przyszłych wyzwań eksploatacyjnych. W najnowszych rozwiązaniach ATEX stosuje się materiały kompozytowe wzmacniane włóknami węglowymi lub aramidowymi, które przy zachowaniu wymaganej wytrzymałości mechanicznej pozwalają na znaczącą redukcję masy wirujących elementów. Przekłada się to na zmniejszenie obciążeń łożysk, ograniczenie wibracji oraz wydłużenie żywotności silnika.
Przełomem w dziedzinie uzwojeń są przewody z izolacją nanokompozytową, w których tradycyjne materiały izolacyjne są wzbogacane nanocząsteczkami tlenków metali, zwiększającymi przewodność cieplną przy jednoczesnym zachowaniu lub nawet poprawie właściwości dielektrycznych. Taka konstrukcja umożliwia efektywniejsze odprowadzanie ciepła z uzwojeń, co pozwala na wyższe obciążenie silnika lub redukcję jego wymiarów – przy zachowaniu tej samej mocy.
Rewolucyjnym rozwiązaniem w dziedzinie ochrony przeciwwybuchowej są materiały inteligentnie reagujące na zmiany temperatury. Specjalne powłoki naniesione na wewnętrzne powierzchnie obudowy w przypadku nadmiernego wzrostu temperatury przechodzą przemianę endotermiczną, absorbując energię cieplną i obniżając ryzyko osiągnięcia temperatury zapłonu. Podobną funkcję pełnią materiały zmiennofazowe (phase-change material – PCM) zintegrowane z konstrukcją silnika, które działają jak bufory termiczne, stabilizując temperaturę w krytycznych obszarach.
W zakresie łożyskowań coraz częściej stosuje się ceramiczne elementy toczne (zwykle z azotku krzemu Si₃N₄), które charakteryzują się niższym współczynnikiem tarcia, wyższą odpornością na korozję oraz lepszą izolacją elektryczną. Hybrydowe łożyska ceramiczno-stalowe eliminują problemy związane z prądami łożyskowymi, które mogą powodować mikrowyładowania – szczególnie niebezpieczne w atmosferze wybuchowej. Materiały te pozwalają również na pracę z wyższymi prędkościami obrotowymi – przy jednoczesnym wydłużeniu okresów między wymianami smaru.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Zaawansowane stopy aluminium z dodatkiem skandu i cyrkonu stosowane w konstrukcji radiatorów i obudów oferują do 30% wyższą przewodność cieplną w porównaniu z tradycyjnymi stopami, przy zachowaniu wymaganej zawartości magnezu poniżej wartości krytycznej. Technologia druku 3D z proszków metalicznych umożliwia tworzenie skomplikowanych geometrycznie struktur chłodzących o zoptymalizowanej powierzchni wymiany ciepła. Struktury te są niemożliwe do uzyskania tradycyjnymi metodami odlewniczymi. W zakresie powłok ochronnych przełomem jest zastosowanie nanocząsteczkowych warstw diamentopodobnych (diamond like carbon – DLC), które zapewniają doskonałą ochronę przed korozją, współczynnik tarcia oraz zwiększają odporność na ścieranie. Te ultratwarde powłoki, o grubości zaledwie kilku mikrometrów, aplikowane metodą plazmową, chronią krytyczne powierzchnie styku w obudowach ognioszczelnych, wydłużając okresy międzyserwisowe i poprawiając niezawodność całego urządzenia.
Klasyfikacja i oznaczenia – alfabet bezpieczeństwa
Silniki ATEX podlegają ścisłej klasyfikacji według kilku kluczowych parametrów. Rodzaj zabezpieczenia przeciwwybuchowego określa podstawową zasadę ochrony. W tym kontekście wyróżnia się różne typy ochrony.
Do najczęściej stosowanych należą:
- Ex d – wykonanie ognioszczelne,
- Ex e – wykonanie o podwyższonym bezpieczeństwie,
- Ex de – wykonanie kombinowane,
- Ex p – wykonanie z nadciśnieniem,
- Ex n – wykonanie nieiskrzące,
- Ex t – wykonanie pyłoszczelne.
Grupa wybuchowości gazów (IIA, IIB, IIC – od najmniej do najbardziej wybuchowych) lub pyłów (IIIA, IIIB, IIIC) determinuje szczegółowe wymagania konstrukcyjne. Klasa temperaturowa – od T1 (≤ 450°C) do T6 (≤ 85°C) – określa natomiast maksymalną dopuszczalną temperaturę powierzchni urządzenia. Kategorie według ATEX (1, 2 lub 3) wskazują, do jakiej strefy zagrożenia wybuchem (odpowiednio: 0/20, 1/21 lub 2/22) przeznaczony jest dany silnik. Te pozornie skomplikowane oznaczenia stanowią swoisty kod bezpieczeństwa, dzięki któremu można bez problemów i bardzo precyzyjnie dobrać urządzenie do konkretnego zastosowania i warunków pracy.
Zastosowania – od kopalni po piekarnie
Silniki ATEX znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, wszędzie tam, gdzie występuje atmosfera wybuchowa. W przemyśle wydobywczym silniki te napędzają m.in. przenośniki taśmowe, systemy wentylacji i odpylania oraz pompy odwadniające w strefach metanowych. Sektor petrochemiczny wykorzystuje je do napędu pomp procesowych, kompresorów gazów węglowodorowych czy mieszadeł w instalacjach rafineryjnych.
Przemysł chemiczny stosuje silniki ATEX w napędach reaktorów, mieszalników i w systemach transportu materiałów sypkich. W przemyśle spożywczym pracują w młynach, piekarniach i rozdrabniaczach zbóż, gdzie istnieje zagrożenie wybuchem pyłów, a nawet w odkurzaczach przemysłowych i urządzeniach do produkcji alkoholu. Mniej oczywiste, ale równie istotne zastosowania obejmują oczyszczalnie ścieków (zagrożenie wybuchem biogazu), składowiska odpadów (metan), magazyny materiałów łatwopalnych oraz lakiernie i malarnie przemysłowe. A więc silniki ATEX stosuje się wszędzie tam, gdzie występują rozpylone substancje łatwopalne.
Przewaga technologiczna a bezpieczeństwo
Nowoczesne silniki ATEX wyróżniają się nie tylko odpowiednim poziomem bezpieczeństwa, ale również wysoką efektywnością energetyczną. Mimo dodatkowych zabezpieczeń przeciwwybuchowych osiągają klasę sprawności IE3 lub nawet IE4, co przekłada się na znaczące oszczędności podczas eksploatacji. Dodatkowo zminimalizować straty mocy pozwala wykorzystanie zaawansowanych materiałów magnetycznych i zoptymalizowanej konstrukcji.
Współczesne silniki ATEX coraz częściej wyposażane są w zaawansowane systemy diagnostyczne, obejmujące czujniki drgań z komunikacją cyfrową, systemy monitorowania temperatury łożysk i uzwojeń oraz układy kontroli stanu izolacji. Integracja z systemami predykcyjnego utrzymania ruchu pozwala na wczesne wykrywanie potencjalnych awarii, co jest szczególnie istotne w strefach zagrożonych wybuchem.
Producenci tego typu silników oferują wiele dodatkowych i często niestandardowych modyfikacji, które można dostosować do specyficznych wymagań klientów. Modyfikacje mogą obejmować wykonania dla skrajnych temperatur otoczenia, adaptacje do pracy w atmosferze agresywnej chemicznie czy wersje przystosowane do współpracy z przemiennikami częstotliwości. Specjalne układy łożyskowania umożliwiają pracę w pozycji pionowej lub przy zwiększonych obciążeniach promieniowych.
Silniki elektryczne ATEX do stref wybuchowych to zaawansowane rozwiązanie techniczne, które łączą najwyższy poziom bezpieczeństwa z niezawodnością i efektywnością operacyjną. Ich specjalna konstrukcja, starannie dobrany zestaw materiałów i innowacyjne rozwiązania technologiczne sprawiają, że są one niezastąpione w aplikacjach przemysłowych o wysokim ryzyku wybuchu. Rozwój technologii przeciwwybuchowych, a może przede wszystkim coraz bardziej rygorystyczne wymagania w zakresie efektywności energetycznej i niezawodności sprawiają, że silniki ATEX podlegają ciągłym udoskonaleniom. Współczesne rozwiązania, oprócz podstawowej funkcji zapobiegania zapłonowi atmosfery wybuchowej, oferują również integrację z systemami automatyki przemysłowej, zaawansowaną diagnostykę i predykcyjne utrzymanie ruchu.
Wybór odpowiedniego silnika elektrycznego do stref zagrożonych wybuchem wymaga szczegółowej analizy warunków pracy, rodzaju substancji niebezpiecznych i specyficznych wymagań dotyczących procesu technologicznego. Profesjonalne doradztwo techniczne oraz dobór właściwego wykonania silnika przeciwwybuchowego gwarantują nie tylko bezpieczeństwo eksploatacji, ale również optymalne parametry pracy napędzanych urządzeń.
