CC BY
70
В. Н. ВЕРЁВКИН, д-р техн. наук, старший научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, г. Балашиха, Россия
А. Г. МАРКОВ, преподаватель кафедры специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
УДК 621.316.9
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ И ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
Рассмотрены вопросы физики процессов электризации и результаты исследования, направленные на обеспечение электростатической искробезопасности промышленных установок пневмо-транспортирования мелкодисперсных и гранулированных материалов. Приведены результаты расчета тока электризации двухфазного пневмотранспортного потока и плотности тока электризации поверхностей ограничивающих поток стенок. Рассмотрены предельные параметры процессов электризации и тем самым введен новый принцип их расчета.
Ключевые слова: электризация; статическое электричество; система электростатической искробезопасности; электростатика; пневмотранспорт.
Одна из причин возникновения аварийных ситуаций, пожаров и взрывов — проявление зажигающей способности разрядов статического электричества [1-3]. Опасность их возникновения всегда существует не только там, где обращаются вещества, материалы или изделия, чувствительные к зажигающему воздействию разрядов статического электричества, но и там, где разрабатываются, внедряются или эксплуатируются образцы новой техники, новые технологические процессы, в которых подобная опасность непредсказуема и, как правило, оказывается неожиданной для специалистов.
При проектировании линий внутрицехового транспорта необходимо учитывать, допустимо ли применение диэлектрических материалов для трубопроводов, так как применение труб из диэлектрика может быть ограничено возможностью его разрушения электрическим разрядом. Этот разряд может возникнуть вследствие процессов электризации и образования разности потенциалов, превышающей электрическую прочность стенки трубопровода. Необходимо также учитывать, что при эксплуатации в линиях внутрицехового транспорта возможно создание условий для возникновения на поверхности трубопровода скользящих искровых разрядов с большой зажигающей способностью.
Так, при первой же попытке эксплуатации труб Ду 200 из стекла 13в, смонтированных в аэрозоль-транспортной линии на хлебозаводе, они были разрушены в процессе разгрузки муки из муковоза в силос. Авария произошла из-за электризации стенок труб из стекла транспортируемым двухфазным потоком и нарастания поверхностной плотности зарядов вплоть до образования разности потенциа-
© Верёвкин В. Н., Марков А. Г., 2012
лов, соответствующей их электрической прочности, следствием чего явился пробой и разрушение стенок труб.
Внутрицеховая система пневмотранспорта была смонтирована из труб Ду 50 из стекла 13в, и при пневмотранспортировании по ним муки разрушений и пробоев стенок труб не наблюдалось, но в цехе стояла "канонада" скользящих искровых разрядов.
Возможно, при электризации труб Ду 50 энергии статического электричества было недостаточно для пробоя стенок труб, но достаточно для одновременного возникновения сдвоенных зеркальных искровых каналов по их внутренней и наружной поверхностям.
Взрывы во всасывающих рукавных фильтрах типа ФВК от разрядов статического электричества с металлических каркасных колец рукавов на корпус фильтра происходили при освоении:
1) производства:
- эмульсионного полистирола с минимальной энергией зажигания аэровзвеси 1,8 мДж;
- цинеба с минимальной энергией зажигания аэровзвеси 13,5 мДж;
2) технологии нанесения в электростатическом поле на трубы большого диаметра полимерных антикоррозионных покрытий из порошков с минимальной энергией зажигания аэровзвеси 5 мДж.
В связи с этим особую актуальность приобрели исследования, направленные на обеспечение пожа-ровзрывобезопасности объектов, подвергающихся воздействию процессов электризации. Были разработаны стенды и методы проведения экспериментальных исследований [4-18]. В результате этих исследований были подготовлены материалы, послу-
жившие методической основой для разработки первого в стране ГОСТ 12.1.018-79 ССБТ "Статическое электричество. Искробезопасность. Общие требования". За ним (в развитие и взамен его) последовали ГОСТ 12.1.018-86, ГОСТ 12.1.018-92 и, наконец, действующий и ныне ГОСТ 12.1.018-93 ССБТ "Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования" [19], а также ГОСТ Р 52274-2004 "Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний" [2].
Внедрение системы электростатической искро-безопасности (ЭСИБ) позволило свести к минимуму число случаев пожаровзрывоопасных проявлений статического электричества, а имевшие место единичные аварии происходили только вследствие нарушений требований действующей нормативно-технической документации и подтверждали правильность ее положений.
Система ЭСИБ должна учитывать:
• условия электризации объекта;
• чувствительность веществ и материалов к зажигающему или инициирующему взрыв воздействию разрядов статического электричества;
• зажигающую способность разрядов статического электричества.
Физика процессов электризации
Электризация проявляется в пространственном разделении положительных и отрицательных электрических зарядов, накоплении зарядов одного знака или преобразовании различных форм энергии в энергию электростатического поля.
Наиболее часто электризация происходит тремя путями [20-24]:
• незаряженные тела взаимно заряжаются при отсутствии внешних электрических полей;
• заряды передаются от заряженных тел к незаряженным;
• тела заряжаются при наличии внешнего поля (заряжение по индукции, вследствие поляризации и в короне).
После приведения в соприкосновение двух первоначально не заряженных нейтральных тел через границу, разделяющую их, в местах соприкосновения происходит преимущественный переход ионов или электронов из одной фазы в другую. Такой переход обусловлен различием химического состава или физического состояния контактирующих тел либо их поверхностей и завершается установлением термодинамического равновесия. В нормальном равновесном состоянии положительные и отрицательные электрические заряды распределены как бы в два пространственно разделенных слоя, воспроизводящих поверхность границы раздела и уда-
ленных друг от друга на расстояния, несоизмеримо малые по сравнению с линейными размерами взаимодействующих тел. Образование таких двойных электрических слоев на межфазных границах является основной причиной микроразделения положительных и отрицательных электрических зарядов.
Двойной электрический слой — это пространственное распределение положительных и отрицательных электрических зарядов на межфазной границе [20-25].
Известны различные механизмы образования двойных электрических слоев или элементарные механизмы электризации. Двойные электрические слои формируются в результате: химических реакций [23-25]; избирательной адсорбции ионов одного знака, например вследствие образования потенциалов адсорбции дипольными молекулами, ориентированными на одной из контактирующих поверхностей [23, 24].
Электризация может быть вызвана также контактной разностью потенциалов или донорно-акцептор-ным взаимодействием соприкасающихся поверхностей [20-22].
В реальных условиях одновременно (мозаичные двойные электрические слои) или последовательно действуют несколько элементарных механизмов электризации. Изучение этих механизмов дает основание для разработки методов определения параметров двойного электрического слоя взаимодействующих материалов, знака и "истинной" плотности электрических зарядов а0 контактирующих между собой пар материалов или коэффициентов генерирования ж [26].
Порядок применения данных о параметрах двойного электрического слоя позволяет решать вопросы по допустимости применения конструкционных материалов в зависимости от их электрической прочности [11, 13, 14], возможности выбора рецептур поверхностно-активных веществ и технологии их применения, а также от рекомендаций по защите от опасных проявлений статического электричества на основе подбора оптимального сочетания и размещения материалов на участках контактного взаимодействия потоков с ограничивающими их поверхностями.
Микроразделение электрических зарядов на межфазной границе — это первый этап электризации. Последующее макроразделение зарядов противоположных знаков происходит вследствие массопе-реноса носителей электрических зарядов в пограничном слое или вследствие пространственного разделения контактирующих поверхностей, сохраняющих противоположно заряженные обкладки двойного электрического слоя. Поэтому первоначально не заряженные, находившиеся в соприкосновении
тела после их разделения становятся заряженными. Их заряды равны по величине и противоположны по знаку.
Макроразделение положительных и отрицательных электрических зарядов становится возможным вследствие того, что кулоновские силы их взаимопритяжения убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между заряженными частицами, а ван-дер-ваальсовы силы межмолекулярного притяжения убывают обратно пропорционально данному расстоянию в седьмой степени. Поэтому межфазная граница разделяет заряженные обкладки двойного электрического слоя, а удаляющиеся друг от друга, находившиеся во взаимном соприкосновении первоначально нейтральные тела становятся электрически заряженными.
Электризация может происходить при перемещении твердых и сыпучих материалов, жидкостей или многофазных сред относительно твердых поверхностей, при диспергировании жидкой или твердой фазы в жидкости или газе, при смешении или разделении фаз и при многих других процессах.
Участки поверхностей, на которых осуществляется разделение положительных и отрицательных электрических зарядов, составляют одно из звеньев замкнутого контура электрического тока в аппарате или технологической линии. В следующем звене появление электрического конвекционного тока обусловлено направленным механическим перемещением носителей электрических зарядов, которыми являются частички твердой фазы, капли жидкости, пузырьки газа, твердые тела, элементы объема жидкости или многофазной системы.
Полный замкнутый контур (рис. 1-4), моделирующий протекание возникающего в процессах электризации электрического тока в аппарате или в технологической линии, включает ряд последовательных звеньев:
• разделение зарядов в системе поток - стенка;
• конвекционный ток;
• токи смещения, электропроводимости и электрических разрядов.
Рис. 1. Модель электризации при соударении одиночной незаряженной частицы со стенкой: а0 — плотность зарядов двойного электрического слоя; а — плотность зарядов на поверхности ограничивающей поток стенки; Е—напряженность внешнего электростатического поля
Измерение или расчет тока в одном из последовательных звеньев позволяет определить значение тока в полном замкнутом контуре.
В качестве примера может рассматриваться физическая модель расчета тока электризации двухфазного пневмотранспортного потока. За основу мо-
/\s\s\
Рис. 2. Принципиальная схема электрообмена потока со стенкой: 11 и 12 — ток потока в сечениях соответственно 51 и 52; 13 — ток заряжения потока на участке поверхности трубы длиной dx; Р — внутренний диаметр трубы; d — толщина стенки
II
III
IV
Люл
а < > © © © © © © © ©©©© ©©©©© о 88
II
Ш
IV I
I
( © © ©©©© ©©©©©
о
Рис. 3. Принципиальная схема электропереноса в двухфазном потоке, ограниченном электропроводящей стенкой (а) и диэлектрической стенкой с проводящим покрытием (б): I — участок потока с нулевой объемной плотностью электрических зарядов; II — участок электризации потока (звено контура электрического тока с разделением электрических зарядов в системе поток - стенка); III — участок потока с ненулевой объемной плотностью электрических зарядов (звено контура с конвекционным электрическим током); IV — участок снижения объемной плотности электрических зарядов потока (звено контура нейтрализации электрических зарядов потока); V — звено контура токов смещения и электропроводимости
; А 'р
-'С х /п ^
Рис. 4. Принципиальная схема замкнутого контура электрического тока (к схеме электропереноса на рис. 3, б): I—ток потока; 1з — ток заряжения потока; 1р — ток разряжения потока; 1$ , 1$ и 1$3 — токи на поверхности стенки трубопровода; 1Г1 и 1Г — токи объемной электропроводимости стенки трубопровода; 1С1 и 1С2 — токи смещения; 1п—ток в электропроводящем покрытии
дели приняты закономерности контактной электризации твердых частиц потока, соприкасающихся с ограничивающими поток стенками (см. рис. 1).
На площади контакта твердой частицы с ограничивающей поток поверхностью формируется двойной электрический слой. Поверхность, являющаяся границей контактирующих твердых материалов, разделяет также электрические заряды "обкладок" двойного электрического слоя. Поэтому после разделения соприкасавшихся поверхностей первоначально нейтральные тела становятся электрически заряженными. Знак образовавшихся на них зарядов определяется действующим элементарным механизмом электризации.
Плотность зарядов а, образующихся после разделения единичного контактного пятна на площади его поверхности, зависит:
• от плотности зарядов двойного электрического слоя а0;
• от плотности зарядов на поверхностях частицы ач и ограничивающей поток стенки ат перед их соприкосновением;
• от напряженности внешнего электростатического поля Е, например поля электрических зарядов транспортируемого потока;
• от линейных размеров и формы контактного пятна (рис. 5);
• от электростатических свойств контактирующих материалов, включая относительную диэлектрическую проницаемость е, удельные объемное (рг) и поверхностное (р$) сопротивления и время релаксации х или полуутечки х05 электрических зарядов и от электростатических и электропрочностных свойств электризующейся среды или среды, в которой производится разделение контактирующих поверхностей.
При этом необходимо учитывать, что разделение поверхностей происходит по границе, разделяющей взаимодействующие материалы. Такой подход допустим при отсутствии процессов истирания, механической эрозии, плавления или адгезии.
ЗКГ6 1(Г5 10м
Радиус контактного пятна г, м
Рис. 5. Зависимость плотности зарядов а(еаш)-1 от радиуса контактного пятна г. Плотность зарядов а определяется на участке: а - Ь — двойным электрическим слоем на границе контакта материалов; Ь - с — электрической прочностью воздуха и наименьшей диэлектрической проницаемостью контактирующей пары материалов
Площадь единичного контакта $0 (м2) в соответствии с теорией контакта Герца зависит от плотности материала частицы, ее максимального сечения, амплитуды пульсационной скорости и от характеристик упругих свойств стенки и частицы.
Если на единицу площади ограничивающей поток поверхности за единицу времени приходится N соударений, то обновляющаяся за единицу времени площадь контакта потока с этой поверхностью Р (м2/(м2-с)) выражается произведением
Р =N$0, (1)
а плотность тока электризации j (А/м2) — произведением
j = Р а, (2)
где а — плотность заряда на поверхности частицы после ее контакта со стенкой, Кл/м2. При пневмотранспортировании гранул поток на участке линии длиной до 10 м не успевает зарядиться до насыщения, поэтому оказывается возможным расчет плотности тока электризации по аналитической формуле. Например, для вертикального участка транспортной линии [5, 28]:
j = 0,35[(5Ч +5т)учV2]0,4у С1,8¡Кр х а
при
а [1§(Я^8)]1,8
а = /($ 0),
(3)
(4)
где 5ч, 5т—постоянные материалов соответственно частицы и стенки трубы в теории контакта Герца, Па-1;
уч — плотность материала частицы; у—усредненная по сечению трубы скорость несущего газового потока, м/с; С — отношение амплитуд пульсационных скоростей частицы и газового потока;
¡ — коэффициент скольжения; Кр — расходная объемная концентрация твердой фазы, м3/м3;
а — диаметр частицы, м; Яе — число Рейнольдса применительно к диаметру трубы и усредненной по сечению трубы скорости несущего газового потока; 50 — характеристический линейный размер контактного единичного пятна, м. Конечные формулы позволяют осуществлять расчет плотности тока по механическим и гидродинамическим характеристикам труб и транспортируемых материалов и средней скорости газового потока. При этом необходимо учитывать влияние объемной плотности зарядов ядра потока и плотности зарядов на стенке на плотность тока электризации и электрический конвекционный ток потока [27].
Те же принципы расчета используются при определении плотности тока как произведения интенсивности обновления контактов на плотность зарядов, образующуюся на разделяемых поверхностях. Этот расчет следует применять для описания процессов электризации при трении твердых поверхностей и при скольжении плотного слоя относительно ограничивающих поток поверхностей или поверх-
а = ст0(1-/Л)
Л
г>1С{хЬ12, ••• Тр ...,т„)
ст = а0
X
п:
Контакт потока частиц с поверхностью
П_
Контакт двух поверхностей
Частицы мелкие Оу = = а0- аЕ - СТ]
Т
г >тС{%ъ%2,... .VI)
г<%С(хт,1т+ь
ОоС{а01, Сю, ••
S=Z,S¡ 1 = 1
Частицы крупные °0 =/№ г)
-о1-а2
Частные особенности (плавление, истирание и т. п.)
Электризация пневмотранс-портным потоком
т
Частный случай п = 2
Определение ав
с учетом электростарения конструкционного материала
Электризация трением скольжения
Методы определения а, а, Р, т, £р, ж
Определение условий возникновения разрядов и пробоя конструкционных материалов
Рис. 6. Схема исследований закономерностей контактной электризации
ностей рабочих органов машин и аппаратов.
Экспериментальные исследования (рис. 6) были выполнены на лабораторных и промышленных установках при перемещении мелкодисперсных и гранулированных материалов в широком диапазоне концентраций со скоростями от десятых долей до десятков метров в секунду по трубам из различных материалов с диаметрами от 30 до 200 мм.
Данные исследования позволили уточнить области применения аналитических расчетных зависимостей, выявить специфические особенности процессов электризации некоторых веществ, например способных плавиться в точках контакта при соударении гранул с твердыми поверхностями (рис. 7 и 8), и получить новые теоретические обобщения эмпирических результатов.
Расчет плотности тока электризации по эмпирическим формулам возможен в следующих случаях:
1) при пневмотранспортировании гранул:
- для вертикальной пневмотранспортной линии:
j=Avl'tD¡KV; (5)
- для горизонтальной пневмотранспортной линии (см. рис. 8):
j = BvDiKv, (6)
где А и В — размерные экспериментально определяемые значения;
2) при пневмотранспортировании мелкодисперсных материалов в коротких трубопроводах:
] = Ш|ДУ
(7)
где ж—размерный экспериментально определяемый коэффициент;
5-104
Число Рейнольдса
Рис. 7. Зависимость отношения плотности тока электризации к объемной концентрации твердой фазы от числа Рейнольдса при пневмотранспортировании гранулированного полипропилена по трубам: 1 — усредненное значение зависимости плотности тока от числа Рейнольдса; 2 — максимальное значение зависимости плотности тока от числа Рейнольдса
200
100
£
20
10
10
20 30
Скорость, м/с
40 60
Рис. 8. Зависимость отношения тока электризации к объемной концентрации твердой фазы от скорости воздуха в горизонтальном трубопроводе при пневмотранспортировании суспензии полипропилена по трубам: 1 —из стали, Ду 0,036; 2 — из дюралюминия, Ду 0,026; 3 — из винипласта, Ду 0,031; 4 — из оргстекла, Ду 0,022
| — расходная массовая концентрация твердой фазы, кг/кг.
При анализе процессов взаимной электризации твердых тел учитывается инвариантность параметров двойного электрического слоя контактирующей пары материалов [28]:
а0 = ач + аЕ + а,
(8)
где а0 — истинная плотность зарядов двойного электрического слоя, Кл/м2; ач — плотность зарядов, сохраняющаяся после соприкосновения со стенкой на площади контактного пятна частицы, Кл/м2; а — коэффициент поляризации частиц [29], Ф/м; Е — напряженность внешнего по отношению к контактирующей частице электростатического поля, В/м;
а — плотность зарядов на диэлектрической поверхности стенки, Кл/м2.
Соответствующая плотность тока электризации определяется как:
7 = Рач = Р(а0 - аЕ - а).
(9)
Согласно (9) существует принципиальная возможность расчета а0 и Р по диаграмме изменения тока во времени (рис. 9) в цепи заземления проводя-
40 60 80 Длительность, с
Рис. 9. Зависимость тока электризации трубы из стекла 13в длиной 330 мм и диаметром 38 мм от длительности пневмо-транспортирования муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 12 % в двухфазном потоке с массовой концентрацией 1,7 кг/кг и со скоростью 11 м/с
щего наружного покрытия короткого диэлектрического трубопровода. При этом не должно происходить быстрого изменения физико-химических свойств диэлектрической поверхности и должно быть исключено образование покрытий. Если поток во входном сечении не заряжен и в начальный момент времени а = 0, то
СТ0 = 0,5[(/0+ у) г]/(1-у /70); (10)
Р = 2(/0- 7г)/[(/0+ 7г) г], (11)
где/0 и — плотность тока электризации соответственно в начале транспортирования и через время г.
Одной из экспериментально определяемых физических величин, характеризующих электроконтактные свойства взаимодействующих материалов, является равновесная напряженность Ер, создаваемая заряженным до насыщения ядром потока у внутренней поверхности стенки длинной трубы:
Ер = 1р /(л£УЕЕ0) = Qp Д/(4 ББ0) = а0/а, (12)
где I — ток электризации длинной трубы при незаряженном во входном сечении транспортируемом потоке, т. е. при б0 = 0;
0р — объемная плотность зарядов транспортируемого потока в длинном трубопроводе. Локальная интенсивность плотности обновления контактов системы дисперсных тел со стенкой Р может оцениваться также по значениям истинной плотности зарядов двойного слоя а0 и коэффициента генерирования ж:
ж = М^1'8); Р = Ж|ДУ :'8/а0.
(13)
(14)
Значения различных параметров электризации для пшеничной муки высшего сорта (в/с) (рис. 10-13) крупностью 120 мкм и влажностью 12-13 % приведены в табл. 1.
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Длина трубы, м
Рис. 10. Зависимость тока электризации от длины трубы при пневмотранспортировании муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 7,6 % в двухфазном потоке по трубам: 1 — из алюминия, Ду 0,026, Кр = 0,003 м3/м3, со скоростью 15 м/с; 2 — из оргстекла, Ду 0,026, Кр = 0,0025 м3/м3, со скоростью 10 м/с; 3 — тоже, Ду 0,036
10,0
Расстояние от входного сечения, м
Рис. 11. Зависимость плотности тока электризации от координаты длины трубы от входного сечения при пневмотранс-портировании муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 7,6 % в двухфазном потоке по трубам из оргстекла: 1 — Ду 0,026, Кр = 0,003 м3/м3, со скоростью 10 м/с; 2—Ду 0,036, Кр = 0,001 м3/м3, со скоростью 18 м/с
¡4 -
еЗ 2
20 30 40
Скорость, м/с
60
Рис. 12. Зависимость тока электризации от скорости пневмо-транспортирования муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 11 % (1) и 12,5 % (2) в двухфазном потоке по трубе из алюминия Ду 0,026 длиной 2,1 м, Кр = 0,0005^0,005 м3/м3
Вычисленные значения локальной интенсивности плотности обновления контактов Р при скоростях от 11 до 18 м/с и при расходной массовой концент-
0,4
0,3
и е2
0,2
0,1
500 1000
Скорость, м/с
1500
Рис. 13. Зависимость тока электризации от длительности пнев-мотранспортирования муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 11 % для бывшей в эксплуатации трубы из молибденового стекла Ду 0,0288 длиной 0,357 м при относительной влажности воздуха 81 % и температуре 19 °С: 1 —первая серия испытаний; 2 — вторая серия испытаний; * — максимальные значения тока, при которых возникали скользящие искровые разряды
Таблица 1. Параметры электризации для пшеничной муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 12—13 %
Параметр Значение параметра
Коэффициент поляризации а, Ф/м 6-10-9
Истинная плотность зарядов двойного слоя
а0 мкКл/м2, на поверхности:
стекла молибденового (нового) 2450
стекла 13в (нового) 2040
винипласта 1630
полиэтилена 580
дюралюминия 600
стали 1000
Коэффициент генерирования ж при взаимодействии с поверхностью, мкКл-с0,8/м3,8:
стали 0,008
алюминия 0,007
стекла 13в (нового) 0,038
стекла молибденового (старого) 0,032
рации от 1,7 до 3,5 кг/кг изменялись от 0,0038 до 0,0066 м2/(м2-с).
В табл. 2 приведена равновесная напряженность электростатического поля Ер (кВ/м), которая определялась при транспортировании со скоростями от 5 до 60 м/с муки пшеничной высшего, первого и второго сортов с относительной диэлектрической проницаемостью от 5,5 до 7,5 и удельным объемным сопротивлением 100 МОм м по трубам из различных материалов.
Образование аэровзвеси муки в объеме между горизонтальными плоскопараллельными пластина-
Таблица 2. Равновесная напряженность электростатического поля при транспортировании пшеничной муки
Таблица 3. Значения предельных параметров электрической прочности
Материал трубы Ер, кВ/м
Алюминий 102-133
Сталь 155
Оргстекло 42
Оргстекло с проволокой, натянутой вдоль внутренней поверхности 255
Полиэтилен 68
Полиэтилен с проволокой, натянутой вдоль внутренней поверхности 96
Стекло молибденовое 68
ми конденсатора происходит при напряженности электростатического поля 220 кВ/м.
Предельные параметры процессов электризации
Наибольшие предельные значения физических величин, характеризующих процессы электрообмена и электропереноса, совпадают со значениями, соответствующими электропрочностным свойствам среды, в которой происходит электризация, или электропрочностным свойствам взаимно электризующихся материалов. Сложилось направление, согласно которому предельные параметры процессов электризации и электропереноса возможно представлять параметрами электропрочностных свойств диэлектрических материалов, составляющих кольцо значений, включая:
£пр - Спр -у'пр - №уп-р - х(е, р),
(15)
1_
_1
где Е.
пр напряженность, соответствующая электрической прочности, В/м; апр — поверхностная плотность электрических зарядов, соответствующая электрической прочности, Кл/м2;
7пр — плотность тока электризации, соответствующая электрической прочности, А/м2; ЖГпр — объемная плотность электрической энергии электростатического поля, соответствующая электрической прочности, Дж/м3; ЫГпр — объемная плотность мощности электростатического поля, соответствующая электрической прочности, Вт/м3; х — собственное время релаксации электрических зарядов, с.
В табл. 3 представлены значения предельных параметров электрической прочности воздуха в условиях международной стандартной атмосферы на уровне моря [30] и стекла 13в.
Для стекла 13в рг = 4,5102 Ом м при 20 °С; р5 = = 1012 Ом при относительной влажности воздуха
Параметр Значение
воздух стекло 13в
Напряженность, соответствующая электрической прочности, Епр, В/м 3-106 48-106
Поверхностная плотность электрических зарядов, соответствующая электрической прочности, стпр, Кл/м2 26,410-6 210010-6
Плотность тока электризации, соответствующая электрической прочности,]пр, А/м2 100-10-6 10,7-10-6
Объемная плотность электрической энергии электростатического поля, соответствующая электрической прочности, ^>пр, Дж/м3 40 50,4103
Объемная плотность мощности электростатического поля, соответствующая электрической прочности, Nrпv, Вт/м3 300 514
Собственное время релаксации электрических зарядов х, с 0,26 200
95 % и р5 = 4-1014 Ом при относительной влажности воздуха 65 %; е = 5,0.
Электропрочностные свойства воздуха определяют общую предельную для всех конструкционных материалов границу, соответствующую условиям, при которых исключено образование на противоположных поверхностях стенки оборудования из неметаллических материалов (например, материалов с х < 0,26 с) плотностей зарядов положительной и отрицательной полярности, а следовательно, исключена и возможность образования в объеме стенки сильного электростатического поля, достаточного для ее пробоя или возникновения на ее поверхности скользящих искровых разрядов.
Если на подвергающейся электризации поверхности материала с собственным временем релаксации электрических зарядов, превышающем характерное для воздуха значение (х > 0,26 с), формируется поверхностная плотность зарядов одного знака, то на противоположной поверхности стенки из этого материала образуется поверхностная плотность зарядов противоположного знака, а в объеме стенки возникает сильное электростатическое поле. В этом случае индивидуальная, характерная для данного материала граница, соответствующая условию пробоя или условию возникновения скользящих искровых разрядов, а также их зажигающая способность определяются электропрочностными свойствами данного материала.
Выводы
1. Актуальность выполненной разработки действующей системы электростатической искробез-опасности [2] определяется тем, что процессы электризации обуславливают возникновение разрядов статического электричества, способных с определенной вероятностью стать причиной аварийных ситуаций, взрывов или пожаров. Пробой диэлектрических стенок или покрытий оборудования может привести к его разрушению или преждевременному износу.
2. Применено моделирование процессов электризации в аппаратах или в технологических линиях с замкнутым контуром электрического тока, включающим последовательные звенья разделения зарядов. Измерение или расчет тока в одном из последовательных звеньев позволяет определить значение тока в полном замкнутом контуре.
3. Разработаны и апробированы инженерные методы расчета тока электризации двухфазного пнев-мотранспортного потока и плотности тока электризации поверхностей ограничивающих поток стенок. За основу модели расчета приняты закономерности контактной электризации твердых частиц потока, соприкасающихся с ограничивающими поток стенками.
4. Разработаны методы определения: плотности зарядов на площади контактного пятна а; истинной плотности зарядов, соответствующей механизму контактной электризации а0; коэффициента поляризации частиц транспортного двухфазного (газ - твердая фаза) потока а; коэффициента генерирования ж; равновесной напряженности электростатического поля двухфазного потока Е0, напряженности начала
отрыва дисперсных частиц от поверхности под воздействием внешнего электростатического поля Ен и локальной интенсивности плотности обновления контактов р.
5. Определены представленные в данной работе значения физических величин, характеризующих электроконтактные свойства пшеничной муки в/с крупностью 120 мкм и влажностью 12-13 %, включая: коэффициент поляризации а (Ф/м); истинную плотность зарядов двойного слоя а0 (мкКл/м2) на поверхности молибденового стекла (нового), стекла 13в (нового), винипласта, полиэтилена, дюралюминия и стали; коэффициент генерирования ж при взаимодействии с поверхностями стали, алюминия, стекла 13в (нового), стекла молибденового (старого); равновесную напряженность электростатического поля Ер (кВ/м) для труб из алюминия, стали, органического стекла, из органического стекла с проволокой, натянутой вдоль внутренней поверхности, из полиэтилена, из полиэтилена с проволокой, натянутой вдоль внутренней поверхности, и из стекла молибденового, а также напряженность Ен, приводящую к образованию аэровзвеси муки в объеме между горизонтальными плоскопараллельными пластинами.
6. Установлено, что предельные параметры процессов электризации определяются параметрами электропрочностных свойств электризующейся среды, материала ограничивающей поток стенки или среды, в которой производится разделение электростатических зарядов.
7. Установлены значения параметров, характеризующих электропрочностные свойства воздуха и стекла 13в.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. Закон от 22.07.2008 г. № 123-Ф3 ; принят Гос. Думой 04.07.2008 г. ; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. // Собр. законодательства РФ. — 2008. — № 30.
2. ГОСТ Р 52274-2004. Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытания. — Введ. 01.01.2006 г. — М. : ИПК "Изд-во стандартов", 2005.
3. Верёвкин В. Н. Пожаровзрывобезопасность статического электричества // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. — М. : ВИНИТИ, 1995. — № 6. — С. 30-52.
4. Werjowkin W. N.Brandschutztechnische Terminologie der Statistischen Electrizitat. Statishe Electrizitat und Brandschutz. Gesamtredaktion : N. G. Drosdow. Veranwortlich fur die Fachredaktion: Gerhard Rietz. — Berlin : Staatsverlag, 1977. — Anhang. 15. — S. 252-268.
5. Werjowkin W. N.Physikalische Gesetzmaßigkeiten des Entstehens und Abfließens von Electrostatischen Ladungen. Statishe Electrizitat und Brandschutz. Gesamtredaktion : N. G. Drosdow. Veranwortlich fur die Fachredaktion: Gerhard Rietz. — Berlin : Staatsverlag, 1977. — Anhang. 2. — S. 32-102.
6. Werjowkin W. N. Methoden und Gerate fur Elektrostatishe Messungen. Statishe Electrizitat und Brandschutz. Gesamtredaktion : N. G. Drosdow. Veranwortlich fur die Fachredaktion: Gerhard Rietz. — Berlin : Staatsverlag, 1977. — Anhang. 5. — S. 204-227.
7. Верёвкин В. Н. Методы и приборы для электростатических измерений. Статическое электричество в химической промышленности / Под ред. Н. Г. Дроздова. — Л. : Химия, 1971. — Гл. 5. — C. 176-194.
8. Методика определения критического зазора при зажигании аэровзвесей горючих пылей и минимальных значений тока мощности и энергии зажигания горючих газов и паров с воздухом / Под ред. В. Н. Верёкина. — М. : ВНИИПО, 1980. — 34 с.
9. Инструкция по обеспечению соответствия объектов требованиям электростатической искробезопас-ности при обращении с огнеопасными электризующимися или электропроводящими жидкостями / ВерёвкинВ. Н., МотинаЛ. В., МорозВ. А., Попов Б. Г.: утв. ГУПО МВД СССР 02.03.82 г. // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1983. — Вып. 430. — 36 с.
10. Верёвкин В. Н. и др. Инструкция по определению минимальной энергии зажигания горючих газов, паров и пылей : утв. ГУПО МВД СССР 13.01.77 г. // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1977.— Вып. 306.— 54 с.
11. Инструкция по установлению соответствия изделий с неметаллическими материалами требованиям электростатической искробезопасности / Верёвкин В. Н., Яйилиян Р. А. : утв. ГУПС МВД СССР 24.08.76 г. // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1976. — Вып. 273. — 44 с.
12. Верёвкин В. Н. и др. Методика определения электрической прочности диэлектрических покрытий // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1974. — Вып. 8.
13. Верёвкин В. Н. Временная инструкция по установлению соответствия аппаратов и технологического оборудования требованиям электростатической искробезопасности // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1974. — Вып. 250. — 21 с.
14. Рекомендации по условиям применения стеклянных трубопроводов для транспортировки сыпучих и волокнистых материалов в зависимости от их электризуемости / Верёвкин В. Н., Горшков В. И. — М.: ВНИИПО, 1972.— 6 с.
15. Инструкция по обеспечению соответствия требованиям электростатической искробезопасности (ЭСИБ) оборудования предприятий по хранению и переработке зерна : утв. 05.12.95 г. АО ФКК "Росхлебопродукт" / Ю. А. Шепаров (АО ФКК "Росхлебопродукт"), В. Л. Конокотин, Б. А. Скори-ков, Л. И. Семенов, А. А. Равдин, В. Н. Верёвкин (АО "ЦНИИпромзернопроект"). — М. : АО ФКК "Росхлебопродукт", 1995. — 65 с.
16. Методика определения удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости стеклоэмале-вых покрытий / Толпекин А. А., Верёвкин В. Н., Сергиенко В. П. // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1974. — Вып. 245. — 13 с.
17. Временная инструкция по измерению плотности тока электризации через стенки трубопроводов из диэлектрических материалов. (№ 27-70) / Верёвкин В. Н., Горшков В. И., Попов Б. Г. // Информ. бюлл. ВНИИПО. — М. : ВНИИПО, 1971. — Вып. 188. — 11 с.
18. Временная инструкция по определению воспламеняющей способности разрядов статического электричества по заряду в импульсе / Верёвкин В. Н., Горшков В. И., Попов Б. Г., Бондарь В. А., Кравченко В. С. // Информ. бюлл. ВНИИПО (№ 26-70). — М.: ВНИИПО, 1970. — Вып. 187. — 17 с.
19. ГОСТ 12.1.018-93. ССБТ. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования. — Введ. 01.01.95 г. — М. : Изд-во стандартов, 1992; ИПК "Изд-во стандартов", 2001.
20. Временная инструкция по определению минимальной энергии зажигания аэровзвесей твердых веществ / Смелков Г. И., Верёвкин В. Н., Фетисов П. А., Кравченко В. С. // Информ. бюлл. ЦНИИПО (№ 22-67) — 1968. — Вып. 129. — 18 с.
21. Дерягин Б. В., Кротова Н. В., Смилга В. П.Адгезия твердых тел. — М. : Наука, 1973. — 20 с.
22. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. — М. : Мир, 1979. — 568 с.
23. Harper W. R. Contact and Frictional Electrification. — Oxford, 1967. — 621 p.
24. Леб Л. Статическая электризация. — М.-Л. : Госэнергоиздат, 1963. — 408 с.
25. Скорчелетти В. В. Теоретическая электрохимия. — М. : Химия, 1974. — 428 с.
26. Веревкин В. Н. Воспламенение горючих смесей разрядами статического электричества. Взрывобез-опасность электрических разрядов и фрикционных искр / Под ред. В. С. Кравченко, В. А. Бондаря. — М. : Недра, 1979. — Ч. 1, гл. 2. — С. 71-164.
27. ВерёвкинВ. Н., Горшков В. И. Электризация муки при пневмотранспорте // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1970. — № 1. — С. 134-138.
28. Верёвкин В. Н. Основные физические закономерности возникновения и рассеяния зарядов статического электричества. Статическое электричество в химической промышленности / Под ред. Н.Г. Дроздова. — Л. : Химия, 1971. —Гл. 2.— С. 27-83.
29. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.Электродинамика сплошных сред. — М. : Физматгиз, 1959. — 532 с.
30. Фабрикант Н. Я.Аэродинамика. — М. : Наука, 1964. — 592 с.
Материал поступил в редакцию 24 января 2012 г.
Электронный адрес авторов: markov01@ya.ru.
