隔爆型电气设备的隔爆外壳通常由壳体和壳盖组成；壳体和壳盖的衔接部位是一种所谓的“法兰”结构，在防爆电气专业中，被称为“隔爆接合面”。这里用一个标准的球形隔爆外壳进行描述，如图3.2所示。
隔爆外壳的隔爆性能主要是由隔爆接合面来实现的。隔爆外壳内发生爆炸后，爆炸生成物企图通过外壳的隔爆接合面缝隙窜出外壳来点燃外壳周围的爆炸性气体-空气混合物。然而，接合面的缝隙阻止了爆炸火焰，降低了爆炸生成物的能量。这个就是所谓的“缝隙隔爆原理”。
图3.2 隔爆外壳
1—隔爆外壳的上半球 2—隔爆外壳的下半球 3—法兰（隔爆接合面） 4—隔爆间隙，上下半球之间的缝隙
1.火焰在狭窄缝隙中的传播
为了说明隔爆外壳中爆炸火焰在狭窄缝隙中的传播过程，这里建立一个火焰传播模型，如图3.3所示。
在火焰传播模型图中，爆炸性气体-空气混合物相对于火焰通道壁是静止的，而火焰以很大的速度在通道中心向爆炸性气体-空气混合物传播。火焰在通道中心传播时通道壁的熄焰效果最小。此时，可以认为爆炸性气体-空气混合物是以某一速度（通常认为是火焰传播速度）进入火焰面的。爆炸生成物的热膨胀形成了相对于通道壁的气体流。由于通道壁的器壁粘阻作用，接近通道壁的气体流速减小。于是，火焰面就形成了一种凸向爆炸性气体-空气混合物的凸形面。由于通道壁的散热作用，在通道壁附近，化学反应速度降低，完成化学反应的时间增长，而在通道中心区反应进行得很快。这样一来，火焰面就成为一个很长的凸形面。
从图3.3中可以看出，无论是气体流，还是火焰面后面的一段通道壁，都有同样的温度Tu。最大燃烧速度Sumax对应于等温线的拐点处。在图3.3中，T1min是火焰边沿的温度，Tbmax是混合物燃烧的最终温度。如果进一步缩小通道的直径，则爆炸生成物在通道壁上的热损失就增加，火焰面就更加凸出。当直径缩小到某一个值时，火焰就不能通过通道了。此时，通道的这个直径被称为熄焰直径。
图3.3 火焰传播模型
2.爆炸生成物在狭窄缝隙中的冷却
为了说明狭窄缝隙对爆炸生成物（主要是指燃烧火焰形成的炽热气体流）的冷却作用，人们进行了一系列的试验研究。
在试验时，人们使用钢质法兰的球形外壳，法兰的宽度为25mm。外壳内充满9.5%的甲烷-空气混合物，点燃源位于法兰间隙平面上距法兰内边沿20mm处，测温传感器安装在正对法兰间隙的进口处和出口处（图3.4）。
试验结果得到了炽热气体流的温度与时间的关系曲线，如图3.5所示。根据这条曲线，就可以求得爆炸产生的最高温度和爆炸过程持续的时间以及爆炸过程中气体流的平均温度。
图3.4 试验外壳与温度测定
1、2—温度传感器 3—点燃源
图3.5 炽热气体流的温度与持续时间的关系曲线
1—缝隙进口处的温度 2—缝隙出口处的温度
首先，我们来确定爆炸性气体-空气混合物发生爆炸时产生的热量。
为了计算简便起见，把外壳法兰周长分为若干个小的单元dp（图3.6）。从正对点燃源处法兰元dp中喷出的炽热气体流，可以认为是一个平行平面气体流。在它的横截面上具有同样的温度、速度和压力。
在发生爆炸时，由于所取法兰元dp正对点燃源，所以从法兰元dp上喷出的炽热气体流要比其他地方喷出的多。另外，在发生爆炸时外壳内全部容积都形成了炽热气体，从外壳中喷出，所以，从法兰元dp处喷出的气体总量为
式中 Vh——从法兰元dp喷出的炽热气体的体积（折合到标准状态下）（m3）；
V——外壳的净容积（即爆炸前混合物的体积）（m3）；
P——法兰的周长（m）；
dp——法兰元的长度（m）。
在试验时，使用的球形外壳的容积为4.8L。从而，我们可以知道，V=4.8×10-3m3，P=0.195πm=0.612m，并假定dp=1cm=0.01m。将这些数值代入式（3.4）中，计算便可以得到
Vh=7.83×10-5m3
图3.6 法兰元
在试验时，使用的混合物是浓度为9.5%的甲烷-空气混合物（甲烷的单位放热量为892.6kJ/gmol），则体积为Vh的甲烷-空气混合物点燃后所释放的热量（Q1）为
Q1=0.095×892.6/22.4×1000Vh=3786Vh
或Q1=3786×7.83×10-5MJ=296.4kJ
接着，我们将计算炽热气体流（体积为Vh）在通过法兰元dp时总的热量损失。
为此，可以使用下面的热力学公式求得总的热损失量（Q2）：
Q2=CpVh（t1-t2） （3.5）(www.xing528.com)
式中 Q2——总的热损失量（kJ）；
Cp——在常温常压下气体的比热容[kJ/（kg·K）]；
Vh——从法兰元喷出的气体量（m3）；
t1，t2——分别为隔爆外壳缝隙进口处和出口处的平均温度（℃）。
按照式（3.5）进行计算时，平均温度t1和t2是根据图3.5按照均值定理求得的。在外壳缝隙为0.5mm、甲烷-空气混合物浓度为9.5%的情况下，计算得到外壳缝隙的进口处平均温度为1440℃，出口处平均温度为700℃。
按照式（3.5）进行计算时，气体的比热容Cp通常认为是空气的比热容，因为氮气是爆炸生成物的主要组成成分。
在知道了通过法兰元dp的爆炸生成物产生的热量和损失的热量以后，就可以知道狭窄缝隙对爆炸生成物的冷却程度。
法兰间隙（狭窄缝隙）对爆炸生成物的冷却程度可以用下式表示：
η=Q2/Q1 （3.6）
在试验条件下，η=2.64×10-4Cp（t1-t2）。
根据试验数据进行分析计算，得到了浓度为9.5%的甲烷-空气混合物在各种不同间隙条件下的热损失比（即冷却程度），如表3.3所示。
表3.3 甲烷-空气混合物（9.5%）爆炸生成物通过各种间隙时的数据
注：引用文献中表中个别数据有误，采用时未予修正。
根据表3.3中所示数据可以描绘出热损失比与外壳间隙的关系曲线如图3.7所示。
从表3.3和图3.7中可以看出，在同样实验条件下，随着外壳间隙的增加，外壳内的温度（最大值及平均值）降低，爆炸生成物通过间隙的持续时间减小；随着外壳间隙的增加，外壳间隙出口处的温度升高，爆炸生成物在间隙中的热损失减小。这些结论是一致的。
通过间隙的持续时间减小，说明爆炸生成物与间隙壁（接合面）接触时间少，法兰对爆炸生成物的冷却效果差，因而，间隙出口处的温度就高。
从图3.7中还可以看出，间隙对爆炸生成物的冷却效果与间隙的大小不是一种线性关系，随着间隙的减小，冷却效果明显增大；随着间隙的增大，冷却效果明显减小。
除了上述情况外，人们还研究了炽热气体流通过法兰间隙过程中温度的降低情况。研究结果如图3.8所示。
从图3.8中分析可知，当爆炸生成物通过25mm、0.2mm的间隙时，在最初的5mm路程内温度降低了约60%，而剩余的20mm路程仅仅降低了40%。
图3.7 法兰的冷却效果
1—热损失比与间隙的关系 2—炽热气体流喷出时间与间隙的关系 3—间隙出口处的温度与间隙的关系
图3.8 炽热气体流在间隙中的冷却
1、2—间隙为0.2mm 3、4—间隙为0.5mm
从图3.8中还可以看出，在实验条件下，在间隙宽度大于25mm以后，温度随间隙宽度的增加而减小的曲线趋于平缓。这表明，间隙宽度没有必要增加很大，为确定间隙极限宽度奠定了理论基础。
3.间隙熄焰准则和外部点燃
从前面的叙述可知，热损失比Q2/Q1对火焰在间隙中的熄灭有着本质的影响。研究人员根据大量的试验资料从理论上分析指出，要想熄灭化学计算浓度的饱和烃-空气混合物的火焰，则必须从火焰中夺去23%的热量，而要想熄灭接近爆炸极限下限的浓度不高的混合物的火焰，则必须从火焰中夺去8.3%的热量。这被称为间隙熄焰准则。
人们为了证实这个准则，对化学计算浓度的甲烷-空气混合物（9.5%）进行了爆炸试验。试验确实证实，要想熄灭火焰就必须从火焰中夺去23%的热量；对于5%的这种混合物，至少要夺去8.3%的热量。间隙熄焰准则是正确的。
如果爆炸生成物通过间隙而没有被充分冷却的话，那么，它就会窜出间隙点燃隔爆外壳周围的爆炸性气体-空气混合物。这一现象被称为“传爆”。
隔爆外壳内的爆炸生成物，窜出隔爆外壳的间隙，点燃外部爆炸性气体-空气混合物的情况可以分为两种：由电气放电火花引起的点燃和由弧光短路放电引起的点燃。
在电气放电火花引起点燃的情况下，由于点燃功率小，爆炸性气体-空气混合物发生点燃后的爆炸生成物是火焰和炽热气体流；对于某些碳氢化合物（例如，乙炔）来说，爆炸生成物中还可能包含有炽热的碳粒子。
在这种情况下，对于前者，只要隔爆外壳的间隙足够小就可以防止“传爆”。然而，对于后者，平面式法兰接合面间隙往往不能够阻止碳粒子飞出法兰间隙，于是发生“传爆”。这是因为，飞出法兰间隙的碳粒子只要本身所具有的能量足够大，在同外部混合物接触时就会发生氧化反应，进一步进行燃烧、放热，于是，就点燃了外部的混合物。在这种情况下，人们可以将隔爆外壳的接合面间隙制成所谓的“曲路”结构，阻止炽热的碳粒子通过，降低它的能量，就能达到防止“传爆”的目的。
在弧光短路放电引起点燃的情况下，爆炸性气体-空气混合物被具有强大能量的电弧所点燃。在爆炸生成物中，除了可燃性气体燃烧后产生的爆炸生成物以外，还包含被熔化的短路电极的金属微粒。飞出接合面间隙的金属微粒，不仅本身具有很高的动能和足够的热量（短路电弧给与的），而且像碳粒子那样，在外部混合物中发生氧化、燃烧，于是很容易地就点燃了周围的爆炸性气体-空气混合物。
此外，短路电弧还有可能灼烧附近的绝缘材料，造成附加危险。
在这种情况下，人们应该在隔爆型电气设备中的主电路触点上配置灭弧装置，或者，在可能出现这种情况的间隙处设置炽热颗粒隔离挡板。这样就可以防止在发生弧光短路时爆炸生成物窜出隔爆间隙点燃外壳周围的爆炸性气体-空气混合物。
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