Лабораторная работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ И МЕР

ЗАЩИТЫ ОТ ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЙ

Цель работы: исследовать электростатическую искроопасность про­цесса пневмотранспорта диэлектрических материалов, определить чувствительность исследуемого объекта к зажигающему воздействию раз­ряда статического электричества и оценить эффективность применяе­мых мер защиты.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме

диэлектриков или на изолированных проводниках называ­ется статическим электричеством (ГОСТ 12.1.018-86 "ССБТ. Пожарная безопасность. Электростатическая искробезопасность. Общие требо­вания").

При контакте двух разнородных материалов, жидкостей или газов на их поверхностях вследствие действия внутриатомных сил образует­ся двойной электрический слой. На поверхности одного материала в месте контакта преобладают отрицательные заряды, на поверхности другого - положительные. При сохранении контакта суммарный заряд контактирующих материалов будет равен нулю. При механическом разделении поверхностей контактирующих материалов происходит также и разделение зарядов.

Величина остаточного заряда на поверхностях контакта после раз­деления определяется процессами рекомбинации зарядов. Рекомбинация происходит за счет утечки зарядов через омическое сопротивление по­верхностей и за счет ионных процессов в разрядном промежутке. Вели­чина заряда, Кл,

, (1)

где U – потенциал или пробивное напряжение, В; С - электричес­кая емкость заряженных материалов или разрядной цепи, Ф.

По мере разделения поверхностей увеличивается разность потенци­алов между двумя разноименно заряженными поверхностями, и если на­пряженность электрического поля превысит электрическую прочность среды (для воздуха эта величина равна 3000 кВ/м), то происходит разряд статического электричества. Последний может стать причиной взрывов и пожаров, нарушения технологического процесса, брака про­дукции и неблагоприятного воздействия на работающих.

Согласно Правилам^* материалы делятся на электропроводящие с уде­льным сопротивлением £ 10⁵ Ом×м, антистатические (10⁵...10⁸ Ом×м) и диэлектрические ( > 10⁸ Ом×м). С электропроводящих поверхностей заряды при их разделении стекают. Условно принято, что переработка материалов с удельным электрическим сопротивлением менее 10⁵ Ом×м не сопровождается электризацией. На антистатических и тем более диэлектрических поверхностях за­ряды будут сохраняться. Величина заряда определяется природой мате­риала (зарядами двойного слоя, электрическим сопротивлением) и ско­ростью отрыва поверхностей (интенсивностью технологического проце­сса).

Основная опасность накопления зарядов статического электричест­ва связана с возможностью разряда и воспламенения горючих (взрыво­опасных) смесей, при условии, что энергия, выделяемая в искровом разряде, (W) будет больше минимальной энергии зажигания (W_MIN) данной горючей смеси. W_MIN - это наименьшее значение энергии иск­рового электрического разряда, способного воспламенить наиболее легковоспламеняемую смесь газа, пара или пыли с воздухом при норма­льных условиях.

Энергия разряда с заряженной диэлектрической поверхности может быть определена только экспериментально, и величина ее обычно ниже энергии разряда с заряженной проводящей поверхности. Энергию, выде­ляемую в искровом разряде с заряженной проводящей поверхности, Дж, рассчитывают по формуле

. (2)

Состояние объекта, при котором исключается возможность пожара или взрыва от разряда статического электричества, характеризует электростатическую искробезопасность (ЭСИБ). Для обеспечения ЭСИБ объекта в нормальных и аварийных режимах необходимо снизить элект­ростатическую искроопасность объекта и его чувствительность, а так­же чувствительность окружающей и проникающей в него среды, к зажи­гающему воздействию разряда статического электричества. ГОСТ 12.1.018-66 подразделяет объекты по степени ЭСИБ на три класса: Э1 - отсутствует возможность возникновения зарядов статического элект­ричества, способных зажечь среду с W_MIN > 10^-4 Дж; Э2 - имеется возможность возникновения разрядов, способных зажечь среду с W_MIN от 10^-4 до 10^-1 Дж; Э3 - имеется возможность возникновения раз­рядов, способных зажечь среду с W_MIN > 10^-1 Дж. ЭСИБ объекта дости­гается при выполнении соотношения

, (3)

где к - коэффициент безопасности, выбираемый из условий допус­тимой (безопасной) вероятности зажигания (при невозможности опре­деления вероятности принимают равным 0,4).

ЭСИБ объекта обеспечивается снижением электростатической искроопасности объекта (т.е. снижением W), а также снижением чувс­твительности объекта, окружающей и проникающей в них среды к зажи­гающему воздействию зарядов статического электричества (т.е. уве­личением W_MIN). При этом снижение W достигается применением средств защиты от статического электричества в соответствии с ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования». Последние должны исключать возникновение искровых разрядов статического электричества с энергией, превышающей 40% W_MIN окружающей среды.

Снижение чувствительности объектов, окружающей и проникающей в них среды к зажигающему воздействию разрядов статического электри­чества следует обеспечивать: регламентированием параметров производственных процессов (влагосодержания и дисперсности аэровзвесей, давления, температуры среды и др.), влияющих на W, и флегматизацию горючих сред.

Защита от статического электричества обязательно должна быть во всех взрыво- и пожароопасных помещениях и зонах открытых установок, отнесенных Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) к классам:

В-I, В-Iа, В-Iб, В-Iг, В-II, В-IIа, П-I и П-II.

Наиболее распространенным, надежным и основным способом защиты от статического электричества является заземление. Оно должно при­меняться во всех электропроводных элементах технологического обо­рудования и других объектов, на которых возможно возникновение или накопление статического электричества. Величина сопротивления зазе­мляющего устройства, предназначенного исключительно для защиты от статического электричества, должна быть не выше 100 Ом согласно ГОСТ 12.4.124-83. При объединении этих устройств с заземляющими устрой­ствами, предназначенными для защиты человека, электрооборудования или для защиты объекта от вторичных проявлений молнии, сопротивле­ние заземления принимают в соответствии с действующими для этих целей нормами.

Для полной гарантии надежности заземления сопротивление заземляющего устройства, предназначенного исключительно для защиты от статического электричества, должно быть не выше 100 Ом.

Неметаллическое оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление растеканию тока на землю с любых точек его внутренней и внешней поверхности не превышает 10⁷ Ом при относительной влажности воздуха не более 60 %.

В то же время заземление является неэффективной мерой защиты, если аппаратура эмалирована, футерована резиной или другими непро­водящими материалами или в процессе образуются диэлектрические про­дукты, покрывающие внутренние поверхности аппаратов в виде пленок. В этих случаях необходимо уменьшить или полностью устранить элек­тризацию, ограничивая скорости движения материалов, избегая разб­рызгивания струй жидкостей, тщательно очищая стенки оборудования от отложений или проводя процесс в токе инертного газа.

Для снижения удельного электрического сопротивления твердых и жидких материалов применяют антиэлектростатические вещества в виде покрытия, пропитки или добавки, если это возможно по условиям тех­нологического процесса. Они снижают удельное объемное электричес­кое сопротивление материала до 10⁷ Ом×м, а удельное поверхностное электрическое сопротивление до 10⁹ Ом. В качестве таких веществ широко используют аламин 17, сульфонат А, синтанол, олеаты хрома, магния, кобальта, сажу, графит, полигликоли и т.п.

Поддержание относительной влажности воздуха 75% и выше способствует снижению величины зарядов, особенно для веществ хорошо ад­сорбирующих влагу. Для этого используют испарительные или распыли­тельные увлажняющие устройства. Однако увеличение влажности не вли­яет на удельное электрическое сопротивление негигроскопичных (не адсорбирующих влагу) веществ, к которым относятся все виды пласт­масс, синтетические и химические волокна.

Одним из эффективных средств защиты от статического электриче­ства является применение нейтрализаторов, вызывающих ионизацию во­здуха. Ионизированный воздух содержит положительные и отрицатель­ные ионы кислорода и азота, которые под действием электростатичес­кого поля приобретают направленное движение и нейтрализуют заряды на перерабатываемых материалах и веществах.

В зависимости от способа получения ионизированного воздуха раз­личают нейтрализаторы пассивные, использующие энергию образуемого электростатического поля; нейтрализаторы коронного разряда, испо­льзующие энергию электрического поля высокого напряжения, и радио­изотопные нейтрализаторы, использующие для ионизации воздуха альфа-излучения плутония-239 и бетта-излучения прометия–147.

Примером высоковольтного нейтрализатора коронного разряда (ис­пользуемого в данной работе) может служить низкочастотный иониза­тор (ИН-5), использующий энергию электрического поля высокого нап­ряжения. Нейтрализатор этого типа можно использовать при скоростях движения наэлектризованного материала до = 6...6,5 м/с.

Действие статического электричества смертельной опасности для человека не представляет. Искровой разряд статического электричес­тва человек ощущает как укол, толчок, судорогу. При внезапном уко­ле может возникнуть испуг и вследствие рефлекторных движений чело­век может непроизвольно сделать движения, приводящие к падению с высоты, попаданию в опасную зону машин и. др.

К средствам индивидуальной защиты человека от действия электро­статического заряда относятся антиэлектростатическая спецодежда, спецобувь и предохранительные приспособления (кольца, браслеты), которые подлежат заземлению. Электрическое сопротивление между такой одеждой (обувью) и землей обеспечивается в пределах 10⁶ ... 10⁸ Ом, а колец и браслетов - в пределах 10⁶ ... 10⁷ Ом.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Материально-техническое обеспечение занятия

Исследования проводят на учебной установке пневмотранспорта, которая работает по замкнутому циклу циркуляции твердой фазы - сме­си полимерных материалов с размером частиц 3...5 мм. Пневмотранс­порт материала осуществляется воздуходувкой. Режим транспортирова­ния изменяется путем регулирования расхода материала (V_МАТ) с по­мощью шибера.

Для оценки опасности воспламенения горючих смесей разрядами ста­тического электричества в электрическую схему установки подключена камера (бомба) емкостью 1 л с двумя электродами, один из которых присоединен к алюминиевой обкладке бункера, а второй - заземлен. При достижении пробивного напряжения между электродами возникает искровой разряд, который фиксируется пересчетным прибором и киловольтметром. Для снятия зарядов статического электричества футеровка установки может подключаться к заземляющему устройству через включатель заземления. Нейтрализация зарядов статического электричест­ва осуществляется низкочастотным ионизатором типа ИН-5 за счет ме­стной ионизации воздуха при подаче на иглы разрядника высокого пе­ременного напряжения.

2.2. Порядок проведения эксперимента

2.2.1. Ознакомиться с лабораторной установкой и заданием на ис­следование, вариант которого выдает преподаватель. Подготовить ус­тановку к работе: включить установку в сеть, отключить тумблер нейтрализатора 7 (рис.1) и выключатель 8 заземляющего устройства.

2.2.2. Исследовать влияние режимов пневмотранспорта гранулированного полимерного материала на величину заряда и тока электризации, для чего включить тумблеры пневмотранспорта и прибора С-96; открыть шибер 4, поставив его в первое положение, указанное в задании на исследование;

2.2.2.1. Определить расход материала по времени перемещения ма­териала (замеченной гранулы) между двумя горизонтальными рисками на переточной трубе 5 (рис.1). Массу перемещаемого материала на этом участке принять равной Z = 1,0 кг. Время фиксировать секун­домером.

Произвести аналогичные измерения для других положений шибера, указанных в задании на исследование.

2.2.2.2. Включить пересчетный прибор 12 - нажать кнопку «СТОП», прогреть прибор 2 мин, нажать кнопку «сброс» - прибор готов к ра­боте.

2.2.2.3. Для разных расходов материала, заданных положением шибера 4, измерить число импульсов Z_P в течении 2 мин по пересчетному прибору. Для этого нажать кнопку «пуск» и одновременно вклю­чить секундомер. В каждом опыте фиксировать также максимальное значение потенциала U при разряде по шкале киловольтметра 10. После каждого опыта закрывать шибер и выключать воздуходувку на одну минуту для охлаждения. Внести полученные экспериментальные данные в табл.1 протокола работы.

2.2.3. Исследовать воспламеняющую способность искровых разря­дов статического электричества, для чего отвернуть гайку с предо­хранительной трубкой с крышки разрядной камеры (бомбы), включить тумблер пневмотранспорта и опустить резиновый шланг в бомбу для продувки от продуктов сгорания предыдущего опыта (время продувки - 3 мин). Выключить воздуходувку, накапать пипеткой в камеру 11 не более 0,16 мл ацетона, быстро поставить мембрану из кальки под кольцо и затянуть гайку. Включить установку на заданную производи­тельность (см. задание на исследование), зафиксировать взрыв по разрыву мембраны.

Рис.1. Схема установки пневмотранспорта для исследования процесса электризации:

1 – бункер; 2 – футеровка бункера; 3 – транспортная труба; 4 – шибер; 5 – переточная труба; 6 – заборник; 7 – низкочастотный ионизатор ИН-5; 8 – включатель заземления; 9 –емкость разрядной цепи C_РАЗР; 10 – электрический вольтметр С-96; 11 – бомба (камера); 12 – пересчетный прибор ПС-100

2.2.4. Исследовать эффективность защиты от зарядов статического электричества с помощью заземления и низкочастотного нейтрализато­ра ИН-5:

2.2.4.1. Поставить шибер 4 на заданную производительность; включить выключатель пневмотранспорта, включить выключателем 8 заземление и убедиться по киловольтметру в отсутствии напряжения. Отсутствие разрядов можно наблюдать также визуально через смотровое окно разрядной камеры. Затем выключить выключатель 8 (рис.1);

2.2.4.2. Оставить шибер 4 на заданной производительности, подключить выключателем нейтрализатор 7 и убедиться в отсутствии статического напряжения по киловольтметру.

2.2.4.3. Выключить установку и убрать рабочее место.

3. Протокол отчета по лабораторной работе №9

^{____________________________________________________________________________}

^{(название лабораторной работы)}

Цель работы________________________________________________________

___________________________________________________________________

Вариант №___________________

1. Исследование влияния режимов пневмотранспорта материала на величину заряда и тока электризации.

Таблица 1

С=10^-9 Ф

I_Э,А

Рис.1 (дать название) V_M, кг/с

Выводы____________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________2. Исследование воспламеняющей способности ацетоновоздушной смеси от разряда статического электричества

Выводы____________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Исследование эффективности защиты от разрядов статического электричества и обеспечение ЭСИБ на установке

1. ________________________________________________________________

^{(по эффективности заземления)}

2. ________________________________________________________________

^{(по нейтрализации зарядов статического электричества)}

3. _________________________________________________________________

Оценка по допуску____________________и зачету________________________

Подпись студента и дата _____________________________________________

Работу проверил преподаватель, дата__________________________________

4. Методика обработки и анализа эксперементальных данных

Обработку экспериментальных данных из табл.1 ведут с применени­ем ЭКВМ по следующей методике.

4.1. Определить основные параметры, характеризующие интенсивность процесса электризации при пневмотранспорте диэлектрических материалов, и полученные значения внести в табл.1 протокола отчета.

4.1.1. Подсчитать производительность установки пневмотранспорта по формуле V_МАТ=Z / t, кг/с, где Z - масса перемещаемого материала, равная 1 кг; t - время перемещения 1 кг материала, с;

4.1.2. Подсчитать количество импульсов за 1 секунду, для чего замеренное количество импульсов разделить на 120;

4.1.3. Рассчитать величину заряда q, Кл, по формуле (1) и то­ка электризации I_Э, А, по формуле I_Э=qZ_P, где Z_P - чис­ло импульсов (разрядов) в секунду при С = 10^-9 Ф.

4.1.4. Построить график зависимости тока электризации от произ­водительности установки по материалу, т.е. I_Э=f(V_МАТ) и сделать вывод о зависимости этих величин.

4.1.5. Рассчитать энергию разряда статического электричества W , Дж, для каждого значения расхода материала по формуле (2). Полученные значения величины энергии электростатического разря­да внести в табл.1 протокола отчета, сравнить с величинами некоторых веществ (см. табл. на панели учебной установки) и сделать вывод, руководствуясь формулой (3), о том, какую горючую смесь (воздух + вещество) способен воспламенить электростатический раз­ряд, полученный в учебной установке.

4.1.6. Рассчитать сопротивление утечки R_УТ , Ом, тока электризации нa землю пo формуле

,

сравнить его с нормативной величиной сопротивления заземляющего устройства, предназначенного для защиты от статического электричества и сделать вывод об обеспечении ЭСИБ.

4.2. Cдeлaть выводы об эффективности применения защитного заземления и высоковольтного нейтрализатора короткого разряда, а также указать возможность обеспечения ЭСИБ по данной установке другими методами и средствами, используя рекомендации соответствующего раздела учебника по БЖД.

* Правила защиты от статического электричества в производствах хи­мической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, - М.: Химия, 1973.