Лабораторная работа № 11 исследование процесса образования и накопления зарядов статического электричества

Цель 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.