Лабораторная работа № 11 исследование процесса образования и накопления зарядов статического электричестваЦель работы: исследовать процесс образования электрических зарядов при пневматическом транспортировании диэлектрических ма- териалов; научиться оценивать опасность искровых разрядов с заря- женных поверхностей материалов, оборудования. Приборы и оборудование: лабораторная установка, измеритель электрических зарядов ПК2-3А. 1. Общие положения Интенсификация технологических процессов, увеличение ско- ростей транспортировки и переработки твердых и жидких диэлек- трических материалов приводят к появлению зарядов статического электричества на перерабатываемом материале и поверхностях оборудования. В основе образования статического электричества лежат очень сложные процессы, зависящие от множества факторов. Наиболее рас- пространена гипотеза контактной электризации веществ и материа- лов. Согласно этой гипотезе, электризация возникает при соприкосно- вении двух разнородных веществ в силу неуравновешенности атом- ных и молекулярных сил на поверхности соприкосновения. При этом происходит перераспределение электронов или ионов веществ с обра- зованием двойного электрического слоя с противоположными зна- ками зарядов. Величина контактной разности потенциалов зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся поверхностей, их состоя- ния, величины давления, сжимающего поверхности, от влажности и температуры поверхности и окружающей среды. При разделении поверхностей, между которыми возникла кон- тактная разность потенциалов, каждая из них сохраняет свой заряд, а контактная разность потенциалов по мере уменьшения емкости между поверхностями может достичь десятков и сотен киловольт, и при дос- тижении порогового значения, определяемого электрической прочно- стью газовой среды, возникает искровой заряд (рис. 11.1). v Iи Iо Рис.11.1. Схема электрических явлений при разделении поверхностей контакта твердых тел: v – скорость разделения поверхностей; Iо – ток, обусловленный омической проводимостью разделяющихся поверхностей; Iи – ток ионизации в зазоре между разделяющимися поверхностями Основными величинами, характеризующими способность раз- личных веществ электризоваться, являются их диэлектрическая проницаемость ε и удельное сопротивление ρ. Материалы с одина- ковым удельным электрическим сопротивлением, а также с ρ < 107 Ом ⋅ см практически не электризуются. Величина заряда на поверхности материала зависит также от ско- рости разделения поверхностей, т. е. от интенсивности технологиче- ского процесса. Основная опасность электризации в производственных процес- сах – возможность воспламенения горючей смеси искровыми разря- дами. Однако разряд статического электричества, ощущаемого чело- веком как болезненный укол, может явиться косвенной причиной не- счастного случая. Воспламеняющая способность искровых разрядов зависит от их энергии W, Дж, которая при разряде с проводящей поверхности может быть рассчитана по формуле W = 0,5 ⋅ C ⋅ U2, где С – электрическая емкость заряженной поверхности, Ф; U – по- тенциал заряженной поверхности, В. Условием воспламенения взрывоопасной смеси искрой разряда статического электричества является превышение энергии, выделяе- мой при искровом разряде, над минимальной энергией, необходимой для воспламенения смеси. Минимальная энергия воспламенения различных горючих смесей приведена в табл. 11.1 и 11.2. Таблица 11.1 Минимальная энергия, необходимая для воспламенения паро- и газовоздушных смесей
В производственных условиях часто встречаются случаи возник- новения разрядов между заряженным диэлектриком и заземленным проводником. Энергия искрового разряда с заряженной диэлектриче- ской поверхности значительно меньше энергии разряда с проводящей поверхности, так как разряжается не вся заряженная поверхность ди- электрика, а лишь небольшой участок малой емкости, для которого напряженность электрического поля достигла пробивного значения. Энергия разряда с диэлектрической поверхности может быть опреде- лена лишь экспериментально. Таблица 11.2 Минимальная энергия, необходимая для воспламенения некоторых пылевоздушных смесей
На воспламеняющую способность электрической искры влияет ряд факторов. Наиболее существенные из них – концентрация, темпе- ратура и давление взрывоопасной смеси. Предупреждение накопления зарядов статического электричества на проводящих объектах достигается заземлением оборудования. При этом сопротивление заземляющих устройств не должно превышать 100 Ом. Для предотвращения накопления зарядов статического электриче- ства на диэлектриках применяют индукционные, высоковольтные и радиоизотопные нейтрализаторы. 2. Экспериментальная часть 2.1. Описание лабораторной установки и измерительной техники Лабораторная установка для исследования процесса образования и накопления зарядов статического электричества выполнена из органиче- ского стекла и работает по замкнутому циклу движения твердой фазы (рис. 11.2). В качестве транспортируемого материала используется гра- нулированный полипропилен или другой диэлектрический материал. 3 2 5 1 6 4 Рис. 11.2. Схема лабораторной установки: 1 – шибер; 2 – трубопровод; 3 – циклон; 4 – бункер; 5 – ротаметр; 6 – воздуходувка Частицы транспортируемого материала захватываются потоком воздуха и по трубопроводу 2 подаются в циклон 3, где происходит от- деление их от воздушного потока. Ударяясь о стенки трубопровода и циклона, частицы материала приобретают электрический заряд и, ссыпаясь в бункер 4, передают его металлической футеровке бункера. Измеритель электрических зарядов ПК2-3А (рис. 11.3) предназна- чен для измерения потенциала поверхностной плотности и определе- ния знака заряда. а 1 d 4 3 2 b с Рис. 11.3. Измеритель электрических зарядов ПК2-3А: a – насадка № 1; b – насадка № 2; c – насадка № 3; d – насадка № 4; 1 – регулятор; 2 – стрелочный прибор; 3 – курок; 4 – кнопка Пределы измерения потенциала – от 0 до 50 кВ с поддиапазо- нами 0–1,0 кВ, 10–50 кВ. Пределы измерения плотности заряда – от 0 до 20 мкКл/м. Прибор имеет две сменные насадки и два дополни- тельных диска с комбинированными отверстиями для расширения пределов измерения потенциала. Насадки и диски применяются в соответствии с табл. 11.3.
Условия применения насадок Таблица 11.3
При измерении поверхностной плотности заряда необходимо вы- полнить следующие действия. 1. На переднюю цилиндрическую часть прибора (рис. 11.3) надеть насадку d (№ 4), предназначенную для измерения плотно- сти заряда. 2. Включить питание прибора нажатием курка 3. Нажать кнопку 4 и установить стрелку на нуль посредством регулятора 1. Отпустить кнопку. При этом стрелка прибора должна остаться в середине шкалы на нуле. Если в момент отпускания кнопки 1 стрелка отойдет от нуля, необходимо операцию установки нуля повторить. 3. Прибор с насадкой поднести к заряженной поверхности так, чтобы насадка касалась ее. Для измерения потенциала заряженной поверхности необходимо на переднюю цилиндрическую часть прибора (рис. 11.3) надеть на- садку а (№ 1). При этом шкала прибора соответствует 1 кВ, и поэтому показания прибора должны быть умножены на 0,1. Установить нуль (аналогично п. 2). Прибор с насадкой № 1 поднести к заряженной поверхности до соприкосновения с ней. Если стрелка прибора зашкаливает, необхо- димо расширить пределы измерения прибора. Для этого устанавли- вают диск b (№ 2) или с (№ 3) в насадку а (№ 1). При этом цифровые показания шкалы прибора умножаются на 1 с диском b и на 5 – с диском с. Определение знака электростатических зарядов производится по отклонению стрелки прибора от середины шкалы (нуля): вправо «+», влево «–». 2.2. Порядок выполнения работы 2.2.1. Исследование процесса образования электростатических зарядов 1. Включить установку в электрическую сеть, подачу напряжения контролировать по индикаторной лампочке. 2. Установить скорость воздушного потока в трубопроводе, рав- ную скорости витания транспортируемого материала (расход возду- ха – около 500 л/мин – контролируется по показаниям ротаметра). Скорость воздушного потока регулируется изменением напряжения, подаваемого на электродвигатель воздуходувки. 3. Приоткрыть шибер трубопровода подачи материала из бункера установки. 4. Произвести измерение поверхностной плотности зарядов, по- тенциалов и знака заряда на поверхности бункера. 5. Увеличить скорость воздуха и количество транспортируемого материала, установив расход воздуха соответственно 600, 700 л/мин и приоткрыв шибер. Произвести аналогичные измерения. Результаты измерений занести в табл. 11.4.
Поверхностная плотность зарядов, потенциалов и знак заряда на поверхности бункера Таблица 11.4
6. Построить графики зависимости поверхностной плотности за- ряда и величин потенциала от скорости воздуха и количества транс- портируемого материала. Сделать соответствующие выводы. 7. Отключить установку. 2.2.2. Оценка опасности искровых разрядов с заряженных поверхностей материалов, оборудования Приняв емкость разрядной цепи (бункер) Сраз = 0,5 ⋅ 10–12 Ф, рас- считать энергию разряда статического электричества Wраз для каждого измеренного значения потенциала по формуле (с. 219). Из табл. 11.1, 11.2 определить вещества, взрывоопасные смеси которых с воздухом могут воспламениться от данных разрядов стати- ческого электричества. В отчете привести конкретные выводы об опасности статического электричества. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Единицы измерения поверхностной плотности заряда и энергии разряда статического электричества. 2. Причина образования статического электричества. По какой формуле можно определить энергию разряда статического элек- тричества? 3. От чего зависит величина заряда на поверхности материала?
ства? Основные пути его нейтрализации. 5. Какие материалы наиболее подвержены электризации? 6. Какие величины можно измерить с помощью прибора ПК2-3А? ЛИТЕРАТУРА 1. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Об- щие требования: ГОСТ 12.1.018-93 ССБТ. – Введ. 01.01.96. – Минск: Госком. по стандартизации: БелГИСС, 1993. – 8 с. 2. Гармаза, А. К. Охрана труда: учеб. пособие для студентов выс- ших учебных заведений по специальностям лесного профиля / А. К. Гармаза, И. Т. Ермак, Б. Р. Ладик. – Минск: БГТУ, 2010. – 366 с. |
| Оглавление| |