Электростатическая безопасность пожаро - и взрывоопасных производств (стр. 3 )

1 – 200 мкм; 2 – 150 мкм; 3 – 120 мкм; 4 – 80…100 мкм

Рисунок 5.5 - Зависимость тока электризации подложки I от длины разгонного участка L при скорости потока 10 м/с и различной
дисперсности частиц песка

5.3 Определение электризуемости твёрдых материалов

Основной величиной, характеризующей электризацию диэлектрических поверхностей, является поверхностная плотность зарядов
σ (мкКл/м2). Для оценки величины σ испытываемый образец заряжают разными способами – трением образца или его помещением в электрическое поле. В первом случае потенциал на поверхности образца исследуемого материала определяют после его электризации трением в течение 60 секунд [76]. Серьёзным недостатком указанного метода является изменение рельефа поверхности образца и разрушение поверхностного слоя при трении, что затрудняет получение воспроизводимых результатов. Во втором случае появление электростатических зарядов осуществляется в коронном разряде. При этом устраняются недостатки, присущие методам трения, но искажается истинное значение потенциала на поверхности образца. В работах [76, 77] рассмотрены методы определения электризуемости материалов, в основе которых лежит заряжение исследуемой поверхности материала в поле униполярного коронного разряда с непрерывной регистрацией кинетики возрастания и спада поверхностного потенциала, пропорционального плотности зарядов.

Несмотря на большое разнообразие существующих средств измерения плотности зарядов, сравнивать полученные результаты различных исследователей можно лишь условно.

Анализ литературных источников показал, что перспективным методом для унификации исследований электризации твёрдых материалов является метод контактного механизма электризации, исключающий трение образцов, с формированием двойного электрического слоя [79]. В этом случае модель представляют как плоский конденсатор с разноимёнными заряженными обкладками, при разделении которых образуются заряды противоположного знака. Заряд, оставшийся на одной из обкладок, определяется из уравнения

или , (5.6)

где q0 – начальный заряд, Кл;

q – заряд по истечении времени τ, Кл;

R – сопротивление исследуемого материала, Ом;

С – ёмкость, Ф.

Скорость утечки заряда является логарифмической функцией времени, и константа скорости может быть определена как время t
(RC - постоянная времени), за которое заряд уменьшается до 1/е
(36,8 %) от первоначальной величины.

После разделения поверхностей плотность зарядов практически можно измерить только бесконтактным методом. Поэтому входное сопротивление измерителя должно быть очень высоким. Измерение производится с помощью цилиндра Фарадея [35]. Заряженное тело помещают в замкнутый металлический экран, обладающий известной электрической ёмкостью по отношению к земле. Так как все силовые линии электростатического поля заряженного тела будут замыкаться внутри электропроводящего цилиндра, то заряд на внешней стенке цилиндра Фарадея по величине и знаку будет равен заряду тела. Потенциал цилиндра измеряется статическим вольтметром или электрометром.

Истинное значение максимальной плотности зарядов на образцах после разделения может быть достигнуто только при многократном контактировании двух поверхностей при одних и тех же условиях. Поскольку величина и знак зарядов, оставшихся на поверхности после разделения контактирующих материалов, зависят от многих факторов (природа и проводимость контактирующих материалов, характер контакта между ними, линейные размеры контактных пятен, способ разделения образцов, электрические свойства среды, климатические параметры), то многократное контактирование будет способствовать повышению плотности электростатических зарядов на поверхности до определенной степени насыщения.

С учетом вышесказанного для исследования электризации твёрдых материалов при многократном контактировании была разработана установка УЭТМ, при применении которой значительно повышается достоверность полученных результатов по сравнению с существующими аналогами [76, 79].

Работа установки (рисунок 5.6) заключается в многократном контактировании и последующем разделении посредством вертикального перемещения с помощью кривошипно-шатунного механизма 10 сопрягаемых торцевых поверхностей цилиндрических образцов 4, 5, размещённых соосно в гнёздах изоляторов 11, 12. Изоляторы закреплены на металлических подложках 2, 3, образующих с исследуемой поверхностью образцов плоский конденсатор с расстоянием между обкладками d, намного меньшим линейных размеров обкладок. Верхний исследуемый образец 4 с изолятором 11 и подложкой 2 размещены в цилиндре Фарадея 6, который подключен к образцовому конденсатору 19 и соединён с неподвижной ламелью n-конечного выключателя S1 и с высокоточным электрометром 7 (например, ВК7-9) в комплекте с самописцем 8. Давление на образцы при контактировании осуществляется за счёт изменения груза 18, установленного на корпусе 15 сборки. Следует отметить, что после каждого цикла измерения происходит сброс остаточного заряда на цилиндре Фарадея на «землю» переключателем S1, за счёт чего достигается периодическое измерение каждого цикла (контакт – разрыв) до насыщения поверхности электростатическими зарядами.

На рисунке 5.7а показана кинематическая диаграмма движения поверхности OF нижнего образца, общий прямой ход которого Н составляет 80 мм. ОА – прямой ход образца до контактирования;
АВ (DE) – момент контактирования под нагрузкой Р (кг); ВС (CD) – замыкание цилиндра Фарадея на «землю»; CF – обратный ход образца. Общее время цикла OF составляет 20 с. На рисунке 5.7б показана диаграмма изменения потенциала на образцовом конденсаторе С одного цикла, соответствующая по времени кинематическому движению поверхности образца, а на рисунке 5.7в потенциал на конденсаторе (цилиндре Фарадея) N циклов до насыщения Uнас. При последовательном нагружении образца нагрузками величиной Р1, Р2, Р3 суммарный потенциал образца U(В) также увеличивается, причём значения потенциалов при каждой нагрузке U1, U2, U3 изменяются по экспоненте (рисунок 5.7г).

Рисунок 5.6 – Схема экспериментальной установки для исследования

электризации твёрдых материалов УЭТМ

а – изменение расстояния между образцами при движении нижнего образца (вверх – вниз); б – диаграмма изменения потенциала на
образцовом конденсаторе С за один цикл; в – потенциал электризации на образце за N циклов до насыщения; г – суммарный потенциал
электризации в зависимости от нагрузки Р (кг)

Рисунок 5.7 - Функциональные диаграммы изменения параметров электризации образцов на установке УЭТМ

Ниже приведены в качестве примера данные о плотности зарядов различных пар контактируемых материалов.

σ, мкКл/м2

Полиэтилен – нержавеющая сталь Полистирол – нержавеющая сталь Капролактам – нержавеющая сталь Ацетат целлюлозы – эбонит Нитрат целлюлозы – эбонит Фторопласт – нитрат целлюлозы Фторопласт – полистирол Фторопласт – эбонит Этилцеллюлоза – эбонит

28,0 36,0 42,0 82,0 98,0 190,0 82,0 96,0 98,0

Данная установка может быть использована не только для научных исследований, но и полезна для предприятий – разработчиков химической, текстильной, строительной и других отраслей промышленности. Герметичность корпуса установки позволяет проводить исследования электризации материалов в зависимости от различных факторов окружающей среды.

5.4 Определение минимальной энергии зажигания веществ

Минимальную энергию зажигания учитывают при оценке воспламеняющей способности электростатических разрядов и при разработке мероприятий по электростатической безопасности. Предельно допустимая энергия разряда Wдоп при этом не должна превышать 40 % от минимальной энергии зажигания Wmin.

5.4.1 Воспламенение газовых смесей разрядами статического

электричества

Аппаратура и методики определения минимальной энергии зажигания паро-, газовоздушных смесей достаточно хорошо описаны в работах [4, 13, 15]. Во ВНИИПО (г. Балашиха) была разработана установка для определения минимальной энергии зажигания паро-, газовоздушных смесей [80]. По результатам определения энергии зажигания конденсированными искровыми разрядами горючих газо-, паровоздушных смесей проведена их классификация по категориям воспламеняемости [81].

Исследование воспламеняющей способности разрядов статического электричества во взрывоопасных газовых смесях проводилось во взрывной камере постоянного давления (рисунок 5.8) [82].

Формирование электростатического разряда на электроде 8 достигалось при приближении к нему наэлектризованной полиэтиленовой плёнки 1. Герметичность верхнего торца полиэтиленовой трубки 2 обеспечивалась пробкой 3, в которую были вмонтированы входной 4 и выходной 6 патрубки газовой системы и заземляющий через сопротивление 5. Сменный электрод 8 закреплялся на держаКамера из латекса 9 заполнялась горючей смесью.

Рисунок 5.8 – Схема устройства для оценки воспламеняющей
способности разрядов статического электричества для взрывоопасных газовых смесей

Зависимость энергии зажигания горючих смесей от величины заряда в импульсе для электродов 8 различного радиуса кривизны [83] представлена на рисунке 5.9. Из графика видно, что между энергией зажигания и значением воспламеняющего заряда существует пропорциональная зависимость в широком диапазоне энергий зажигания – от 3∙10-3 до 200 мДж. В этом диапазоне располагаются горючие газопаровоздушные смеси, аэровзвеси и аэрогели.

Из этой зависимости можно определить допустимый заряд в разряде для любой горючей смеси. Опасность разрядов статического электричества, таким образом, оценивается величиной зарядов, которые существуют в реальных условиях, и сравнением их с допустимым зарядом в импульсе qдоп [4].

Рисунок 5.9 – Зависимость заряда в импульсе от энергии зажигания

Для горючих газов и паров

, (5.7)

для пылей

, (5.8)

В таблице 5.3 представлены экспериментально полученные значения минимальных энергий зажигания, соответствующие им значения зарядов в импульсе и рассчитанные по формулам (5.7), (5.8) допустимые заряды в импульсах для некоторых горючих газов и пылей.

При исследовании чувствительности газовых смесей к разрядам статического электричества получена зависимость вероятности воспламенения смеси P от энергии зажигания [14]:

, (5.9)

где А – постоянная (из эксперимента);

tgα – тангенс угла наклона вероятностной прямой;

WЗ – энергия зажигания, мДж.

Таблица 5.3 – Экспериментальные и допустимые значения зарядов
в импульсе для некоторых горючих смесей

Смесь горючего с воздухом	Wmin, мДж	Заряд, мкКл
экспериментальный	допустимый
Водород 20 объёмн. %	0,01	0,007	0,003
Водород 50 объёмн. %	0,08	0,039	0,011
Метан 8,5 объёмн. %	0,32	0,074	0,020
Полипропилен эмульсионный	3,40	0,972	0,113
Полистирол эмульсионный	1,80	0,515	0,060
Поливинилбутираль	8,80	2,510	0,292
Полиформальдегид	7,50	2,140	0,250
Фталиевый ангидрид	2,30	0,660	0,080
Мука пшеничная	11,50	3,290	0,384

Экспериментальные исследования минимальных энергией зажигания бинарных и сложных горючих смесей (топливо1 + воздух + топливо2) в диапазоне значений коэффициентов избытка воздуха
α = 0,8…1,2 (наиболее легко воспламеняемые концентрации для большинства горючих смесей обычно близки к стехиометрическим) показаны на рисунке 5.10, и все экспериментальные точки удовлетворительно описываются уравнением [4]:

, (5.10)

где lкр – критическое межэлектродное расстояние, мм.

Уравнение, аппроксимирующее опытные данные более чем по 30 топливовоздушным смесям и по трём важнейшим газам (водород, метан, этилен) в широком диапазоне соотношений горючего и воздуха, удобно для практического применения и может использоваться для предварительного аналитического расчёта минимальных энергий зажигания горючих смесей, применяющихся в технологических процессах.

○ – метан + воздух + этилен; ● – метан + воздух + водород;
∆ - этилен + воздух + водород; ■ – метан + воздух.

Рисунок 5.10 – Зависимость минимальной энергии зажигания Wmin
от критического межэлектродного расстояния lкр при изменении
коэффициента избытка воздуха a от 0,8 до 1,2 [4]

5.4.2 Определение минимальных энергий зажигания
пылевоздушных смесей

Опасность воспламенения (взрыва) аэровзвесей характеризуется рядом факторов:

а) химическими и физическими свойствами веществ аэровзвесей;

б) размерами и формой частиц, дисперсным составом аэровзвесей;

в) нижним концентрационным пределом воспламенения;

г) условиями проведения эксперимента (размером испытательной камеры, природой и мощностью источника зажигания и др.).

В литературе рассматриваются различные методы исследования воспламенения горючих пылей. В этих методах существенную роль играет способ создания аэровзвеси с достаточно однородными свойствами во всём объёме испытательной камеры. Сложность проблемы обусловлена в значительной мере многообразием физических свойств промышленных образцов пылей. Объёмная и истинная плотности пылевидных веществ, средние размеры и форма частиц, дисперсность, гигроскопичность, электрические свойства и когезия между частицами – все эти факторы могут влиять на процесс получения аэровзвесей. Для создания аэровзвеси применяют способы, которые можно разделить на следующие группы [84]:

1) диспергирование, достигаемое механическим возмущением или перемешиванием пыли в сосуде;

2) диспергирование пыли под воздействием импульса воздушной струи;

3) методы электростатического взвешивания;

4) механическая подача пыли в пространство с неподвижным воздухом или в регулируемый поток воздуха.

Способы первой группы основаны на применении вентиляторов или мешалок. К недостатку указанных методов относится расслоение аэровзвеси, приводящее к неравномерному распределению концентрации, непостоянству дисперсного состава, вызываемому инерционными силами, возникающими при механическом перемешивании.

Способы второй группы основаны на распылении навески порошка под давлением воздуха. При повышенном давлении воздуха, поступающего из ресивера, частицы удерживаются во взвешенном состоянии, создавая равномерную концентрацию. При вертикальном распылении пыли [80] равномерность концентрации во взрывном цилиндре 1 (рисунок 5.11а) достигается за счёт распределения навески порошка 2 в конусе 3, установленном в распылительном устройстве 5. Подача пыли осуществляется эжекционной форсункой 4 с помощью источника сжатого воздуха 6.

При горизонтальном распылении пыли для определения в лабораторных условиях качества осланцевания горных выработок и взрывоопасных свойств угольной пыли применяют импульсные пневматические дозаторы (рисунок 5.11б) [86], в которых навеска вещества 2 распыляется в трубе 1 (из тугоплавкого стекла) с помощью поршня 5, приводящегося в движение пружиной 6, при этом давление порции воздуха в камере обеспечивается скоростью перемещения поршня и калиброванным соплом 4. Недостатком данного устройства является то, что струя аэровзвеси направляется на источник зажигания 7, но не заполняет весь объём трубы, что приводит к значительным погрешностям при создании равномерной концентрации пыли.

а - устройство вертикального распыления пыли; б – импульсный
пневматический дозатор; в – импульсный пневматический
распылитель; г – устройство электростатического взвешивания
пылевидных материалов

Рисунок 5.11 – Схемы устройств получения аэровзвесей пылей

Наиболее равномерное распределение пыли в объёме обеспечивается импульсным пневматическим распылителем (рисунок 5.11в) [87]. Равномерность распределения частиц в камере 1 осуществляется программным устройством 2, обеспечивающим движение частиц по вертикали вращающимся перфоратором 3, в котором количество, диаметр и распределение отверстий выполнено по специальному алгоритму, соответствующему заданной концентрации с определённым размером и весом частиц. Подсчёт частиц при фотографировании различных сечений по объёму показал равномерность концентраций частиц на любых участках сечения. Недостатком данного метода является использование дорогого оборудования и отложение частиц на стенках камеры за счёт электростатического притяжения.

Методы электростатического взвешивания [88] используют эффект движения частиц в однородном электростатическом поле. Аэровзвесь создаётся в диэлектрическом цилиндре 1, выполненном из органического стекла (Н=188 мм, d = 77 мм) (рисунок 5.11г). Торцы цилиндра выполнены из нержавеющей стали в виде электродов Роговского, к одному (нижнему 4) подводится высокое напряжение от высоковольтного источника 3, а другой (верхний 2) заземлён. Как показали результаты измерения [88], способ электростатического взвешивания пылевидных материалов обеспечивает равномерное распределение частиц в объёме. Способ пригоден только для металлических и полупроводящих порошков, обладающих электрической проводимостью.

К способам четвертой группы можно отнести создание аэровзвесей с помощью вибросит, механических транспортёров (ковшей) или других методов подачи пыли в реакционный сосуд. На рисун-
ке 5.12а представлено устройство виброситового дозирования пылевидных материалов. Исследуемый порошок распыляется из стакана 3 посредством вибродозатора 1 и в свободном падении ссыпается в пылесборник 6, проходя через электроды, один из которых заземлён, а другой находится под напряжением источника питания 4. Искровой разряд между электродами образуется в момент выхода диэлектрической заслонки 5 из межэлектродного пространства под действием электромагнита 7.

а – устройство виброситового дозирования порошка; б – устройство циклической подачи порошка

Рисунок 5.12 – Принципиальные схемы устройств для определения
минимальной энергии зажигания пылевоздушных смесей

Оригинальная конструкция установки получения пылевоздушной смеси и проведения испытаний по определению чувствительности к электрическому разряду разработана в ДНИХТИ (г. Дзержинск) и оформлена отраслевым стандартом. Устройство (рисунок 5.12б) работает по принципу циклической подачи порошка в межэлектродное пространство из опрокидывающихся поочерёдно ковшей 5, которые установлены на вращающемся коромысле 3. Опрокидывание ковшей осуществляется за счёт прокатывания оси 4 ковшей (ковши на осях закреплены неподвижно) по поверхности копира 1, закреплённого на оси, смещённой относительно центра вращения. Синхронизация двигателя 11, вращающего коромысла, опрокидывание ковшей, управление виброситом 6 и вибратором 7, сближением высоковольтного электрода 12 и подача напряжения от источника питания 9 (заряд – разряд) осуществляется блоком управления 10, связанным с контактной группой 2, установленной на копире и осях ковшей. Остановка двигаосуществляется при воспламенении пылевоздушной смеси, которое фиксируется фотодатчиком 8.

Для исследования чувствительности к электрическому разряду аэровзвесей в зависимости от различных факторов, в том числе от состава газовой среды и давления, в НПО «Алтай» разработана лабораторная установка, позволяющая проводить испытания небольших навесок горючих пылей (рисунок 5.13).

Рисунок 5.13 – Принципиальная схема установки для определения
минимальной энергии зажигания горючих пылей

Аэровзвесь исходного порошка создается в диэлектрической прозрачной сборке 1 (объём V = 3,5 см3), установленной на якорь 6 электромагнита, частота вибрации которого регулируется генератором. Для исключения выхода пыли наружу сборка накрывается крышкой 7 из мелкоячеистой сетки. Расстояние между электродами регулируется электродом 2, закреплённым в сборке резьбовым соединением. Заданная концентрация создается с помощью вентилятора 5. Сборка, электромагнит и вентилятор размещены в герметичной стальной испытательной камере 4 со смотровым окном. Подача инертного газа с ресивера и вакуумирование камеры насосом 8 контролируется образцовым манометром 3. В качестве источника напряжения используется высоковольтная установка АИ-70. Для исключения потерь в контуре конденсатор СК соединен со сборкой через вакуумный выключатель
ВВ-20. Воспламенение аэровзвесей фиксируется визуально через смотровое окно.

Энергия искрового разряда, выделившаяся в межэлектродном промежутке, определяется как:

(5.10)

где U1, U2 – напряжения до и после разряда соответственно, В.

На рисунке 5.14 приведены зависимости минимальной энергии зажигания от концентрации К (кг/м3) порошка циркония, давления
р (мм. рт. ст.) в камере и содержания кислорода в среде азота. Приведена зависимость содержания кислорода в среде азота, достаточная для воспламенения различных аэровзвесей циркония. Полученные зависимости характерны для многих горючих пылей.

На воспламенение аэровзвесей существенно влияет содержание инертного газа в воздухе. При содержании кислорода менее 10 % в среде азота пылевоздушные смеси циркония практически не воспламенялись. Минимальным взрывобезопасным содержанием кислорода в среде азота является 10 % при объемной концентрации пыли 50 кг/м3. При снижении давления в камере от атмосферного до 400 мм. рт. ст. и содержании кислорода равном 21% минимальная энергия зажигания циркония увеличивается на несколько порядков (прямая на рисунке 5.14). Результаты испытаний пылей циркония на данной установке позволили разработать рекомендации по безопасной технологии использования аэровзвесей циркония в производстве (рисунок 5.15).

Рисунок 5.14 – Зависимость минимальной энергии зажигания
аэровзвесей циркония от концентрации пыли К (кг/м3), содержания кислорода (%) и давления Р (мм. рт. ст.) в камере

Рисунок 5.15 – Зависимость воспламенения аэровзвесей циркония
от содержания кислорода в среде азота О2 и концентрации пыли К

Размер частиц значительно влияет на процесс воспламенения аэровзвеси. В таблице 5.4 приведены результаты определения минимальной энергии зажигания пылей циркония в зависимости от размера частиц.

Таблица 5.4 – Влияние размера частиц циркония на энергию
зажигания

Размер частиц, мкм	Wmin, мДж
10-13	1,2
13-15	1,4
35-40	4,0
50-60	5,0
105-130	47,0
150-140	67,0
Гранулированный	более 100,0

Как видно из таблицы 5.4, между этими параметрами существует прямо пропорциональная зависимость. Аналогичная зависимость получена для минимальной энергии зажигания аэровзвесей алюминия (рисунок 5.16а) [90, 91] и сплава титана с никелем (рисунок 5.16б) [92].

а – порошка алюминия; б – порошка сплава титана с никелем
(91 % никеля)

Рисунок 5.16 – Зависимость минимальной энергии зажигания
аэровзвесей от размера частиц

При определении минимальной энергии зажигания аэровзвесей следует учитывать влияние дисперсности пылей, влажности и т. д.

Влияние влажности на минимальную энергию зажигания аэровзвесей полиметилметакрилата приводится на рисунке 5.17 и в табли-це 5.5.

Содержание влаги в пыли 0,09; 0,30; 0,42 % (вес.)

Рисунок 5.17 – Зависимость минимальной энергии зажигания

аэровзвесей полиметилметакрилата от концентрации
и влажности пыли

Из рисунка 5.17 и таблицы 5.5 видно, что при увеличении влажности пыли чувствительность аэровзвеси к электростатическим разрядам значительно уменьшается. Выявлено влияние инертных газов на чувствительность к воспламенению аэровзвесей от электростатических разрядов при флегматизации пылевоздушных смесей азотом и углекислым газом.

Необходимо отметить, что не все аэровзвеси при уменьшении содержания кислорода теряют способность воспламеняться. Пыли некоторых металлов могут воспламеняться с последующим взрывом и в отсутствии кислорода. Например, магниевый порошок в чистом азоте воспламеняется со взрывом, при этом создаётся давление 300 кПа, а в чистом аргоне не взрывается, однако при содержании всего 0,5 % кислорода происходит воспламенение, давление взрыва в этом случае составляет 260 кПа [92]. Поэтому при разработке рекомендаций по предотвращению взрывов путём применения флегматизирующих газов необходимы экспериментальные исследования.

Таблица 5.5 – Значения минимальной энергии зажигания аэровзвеси полиметилметакрилата в зависимости от различных факторов

Sуд, м2/г	Влажность, %	Газовая среда	Р, мм. рт. ст.	Wmin, Дж
1,07	0,09	21% О2	760	1,0∙10-3
1,07	0,09	15% О2+N	760	7,8∙10-3
1,07	0,09	10% О2+N	760	7,8∙10-3
1,07	0,09	15% О2+CO2	760	3,4∙10-1
10% О2+CO2	760	1,1∙10-1
1,07	0,09	8% О2+CO2	760	1,1∙10-1
1,07	0,09	5% О2+CO2	760	1,1∙10-1
0,59	0,30	21% О2	760	0.2∙10-1
2,03	0,42	21% О2	760	2,8∙10-2
2,03	0,42	21% О2	749	0,5∙10-2
2,03	0,42	21% О2	737	1,8∙10-2
2,03	0,42	21% О2	710	7,2∙10-2
2,03	0,42	21% О2	665	13,5∙10-2
2,03	0,42	21% О2	570	более 30∙10-2

Изучение пожароопасных свойств пылей на установке (см. рису-
нок 5.13) позволило классифицировать аэровзвеси по группам чувствительности к искре в соответствии с правилами по электростатической безопасности. Эти характеристики дают возможность установить условия работы с пылевидными материалами при различных концентрациях, видах флегматизирующих газов и т. п.

На зажигающую способность искрового разряда кроме описанных выше факторов существенно влияют основные параметры электрической схемы испытательной установки: емкость конденсатора С, активное сопротивление R, индуктивность L разрядного контура, длина искрового промежутка. Чисто ёмкостные разряды, когда L и R контура пренебрежимо малы, характеризуются большой крутизной фронта разрядного тока. Возникающая при этом ударная волна, как показывает высокоскоростная съемка, выталкивает пыль из межэлектродного промежутка [93].

При включении в разрядный контур оптимальной индуктивности (L = 0,1…1 Гн) или активного сопротивления (R = 450…900 кОм) частицы пыли разрядом не разбрасываются. Этим можно лишь отчасти объяснить большую воспламеняющую способность разрядов типа LC и RC по сравнению с ёмкостными разрядами. В этом случае происходит перераспределение энергии, выделившейся в разрядном промежутке (см. рисунок 2.9).

В таблице 5.6 приведены результаты экспериментов по определению минимальной энергии зажигания горючих пылей в зависимости от параметров контура и размеров частиц, проведённых во ВНИИПО (г. Балашиха) [93, 94].

Таблица 5.6 – Минимальная энергия зажигания горючих пылей
в зависимости от индуктивности и сопротивления разрядного контура и размеров частиц

Вещество	Размер частиц, мкм	Копт, м2/кг	Минимальная энергия зажигания, мДж
L = 0,1-1 Гн	R=450-900 кОм	L= 0 R=0
Ванилин	менее 75	0,12	3,3	9,2	155
Люминал	менее 75	0,11	3,0	14,5	360
Поливинилбутираль	менее 75	0,15	8,8	14,5	360
Поливинилбутираль	75-120	0,17	23,5	23	160
Поливинилбутираль	120-160	0,21	39,0	23	160
Полистирол эмульсионный	менее 75	0,04	1,8	3,6	14,5
Полистирол эмульсионный	75-120	0,05	2,4	5,0	14,5
Полистирол эмульсионный	120-160	0,07	5,2	6,0	14,5
Фталевый ангидрид	менее 75	0,07	2,3	8,0	38
Фенацитин	менее 75	0,12	4,2	16,0	190

Считается, что основной причиной влияния индуктивности и сопротивления на величину минимальной энергии зажигания является увеличение времени разряда до значений, близких времени подготовки аэровзвеси к воспламенению. При больших значениях времени разряда скорость поступления энергии в канал разряда окажется недостаточной для воспламенения пылевоздушной смеси.

Это наглядно иллюстрируется зависимостью минимальной энергии зажигания аэровзвесей алюминия и магния от величины активного сопротивления цепи разряда на рисунке 5.18 [94].

Рисунок 5.18 – Влияние разрядного сопротивления Rк
на минимальную энергию зажигания аэровзвеси алюминия и магния

Из анализа данных (см. рисунок 5.18) видно, что с ростом сопротивления разрядного резистора минимальная энергия зажигания увеличивается. Время индукционного периода зажигания аэровзвесей tз определяется наличием двух составляющих: временем подготовки tпод, в течение которого происходит подсушка вещества и газификация частиц, и временем нагрева образовавшейся пылевоздушной смеси до температуры воспламенения tв. Условием зажигания пылевоздушных смесей при наличии теплового источника является следующее неравенство:

. (5.11)

Для горючих пылей характерно определённое время контакта с каналом искрового разряда, при котором формируется начальное ядро пламени. Чем меньше это время, тем больше должна быть энергия для зажигания аэровзвесей. Поэтому энергия зажигания искрового разряда с увеличением скорости движения аэрозоля должна возрастать. Минимальная энергия зажигания определялась для аэровзвесей, когда частицы пыли поступают в разрядный промежуток со скоростью витания.

В реальных технологических процессах, например, в пневмо-транспорте, сыпучие материалы могут перемещаться со значительно большими скоростями. Поэтому практический интерес представляет определение зависимости энергии зажигания пылевоздушных потоков Wп от их скорости движения. В работе [93] эта зависимость выражена формулой:

Wп = Wmin + kVп, (5.12)

где Wmin – минимальная энергия зажигания неподвижной смеси, мДж;

k – коэффициент, характеризующий физико-химические свойства вещества, Вт∙с2/м;

Vп – скорость пылевоздушного потока, м/с.

Графически эта зависимость для различных полимерных материалов представлена на рисунке 5.19. С увеличением скорости движения аэровзвесей энергия зажигания возрастает.

1 – аэровзвесь поливинилбутираля; 2 – полипропилена;
3 – полистирола

Рисунок 5. 19 - Зависимость энергии зажигания от скорости
пылевоздушного потока

Аналогичная зависимость получена при зажигании движущейся по трубопроводу пропановоздушной смеси (соотношение топливо – воздух равно 0,0835). С увеличением турбулентности энергия зажигания смеси возрастает. Зависимость энергии зажигания газовоздушных смесей от скорости движения характеризуется выражением [95]:

W = Wmin + kV1,5, (5.13)

где Wmin – минимальная энергия зажигания неподвижной смеси, мДж;

V – скорость движения газовой смеси, м/с;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от условий опыта.

5.4.3 Определение минимальных энергий зажигания
пиротехнических составов

Если вопросы зажигания газо-, паро-, пылевоздушных горючих смесей от электростатического разряда подробно освещены в технической литературе, то фундаментальных работ по зажиганию твёрдых и пастообразных пиротехнических материалов практически не имеется.

Ниже рассматриваются установки по исследованию чувствительности твёрдых и пастообразных пиротехнических составов к тепловым источникам.

Отличием твёрдых и пастообразных материалов от пылей является их более сложная гетерогенная система, состоящая из разнородных по физико-химическому составу частиц. Потенциальная опасность взрыва (пожара) пиротехнических составов требует тщательных исследований чувствительности материалов к тепловым источникам. Зажигание пиротехнических составов носит случайный (вероятностный) характер.

Определение минимальной энергии зажигания проводилось методом сканирования разряда по исследуемой поверхности или объёму путём вращения образца с одновременным перемещением высоковольтного электрода. Этот способ реализован в установке, показанной на рисунке 5.20.

Для выявления зависимости вероятности воспламенения пиротехнического состава от межэлектродного расстояния и формы электродов последние выполнены в виде плоских дисков с фаской, представляющей собой часть поверхности прямого конуса. Конструкция электродов получается путём рассечения прямого конуса двумя параллельными плоскостями под острым углом к основанию с удалением верхней и нижней частей конуса. Один из электродов 3 заземлен и закреплён на диэлектрической вращающейся подложке 1, содержащей пиротехнический состав 2. Угол рабочей части электродов изменялся от αmin до αmax за один оборот двигаДвижение высоковольтного электрода 4 в горизонтальной плоскости к электроду 3 осуществляется пружиной 6 и электромагнитом 5, управляемым электронным блоком 9 синхронно с поворотом электрода 4 храповым механизмом 8 на угол β. При повороте электрода 4 на угол β электрод 3 осуществлял один оборот. Автоматизация вращения электродов и подача высоковольтного напряжения осуществлялась блоком управления 9. Сканирование скользящего разряда по исследуемой поверхности пиротехнического состава 2 проводилось в зависимости от межэлектродного расстоя-
ния Н и формы электродов (угла наклона α).

Рисунок 5.20 - Схема установки для определения чувствительности
различных материалов к сканирующему разряду

Определялась вероятностная характеристика частоты загораний в зависимости от величины минимальной энергии зажигания р=f(Wmin) образцов пиротехнических составов, помещаемых в диэлектрическую подложку 1 испытательной сборки.

Пастообразный пиротехнический состав приготовлялся смешением различных горючих порошкообразных компонентов с раствором нитроклетчатки до консистенции густотёртой масляной краски. Для приготовления твёрдых образцов в массу добавляли связующее на основе смеси смолы ЭД-20 с дибутилфталатом.

При воспламенении образцов сборка останавливалась и производился замер расстояния Н и угла α. На рисунке 5.21 приведены зависимости вероятности воспламенения образцов пиротехнических составов с различным содержанием циркония.

Наиболее вероятные значения при воспламенениях оказались в границах сектора электрода 2β=120 град при значениях острых углов электродов α=10…15 град, при которых межэлектродное расстояние составляло от 1 до 3 мм.

Для нахождения зависимости минимальной энергии зажигания от толщины пастообразных и твердых образцов может быть использована установка сканирующего разряда по объёму материала (рисунок 5.22). Эта установка позволяет оценивать энергию зажигания при прохождении электрического разряда через объём исследуемого образца, причём толщина исследуемого образца может изменяться от нуля до некоторого значения h при вращении образца.

Рисунок 5.21 – Вероятность воспламенения образцов твёрдых
пиротехнических составов с различным процентным содержанием
циркония в зависимости от энергии сканирующего поверхностного разряда

Исследуемый материал 2 и металлический заземлённый электрод 3 помещаются во вращающийся с постоянной скоростью диэлектрический ротор 1. Искровой разряд формируется при сближении в вертикальной плоскости с помощью электромагнита 6 высоковольтного электрода 4 с поверхностью образца 2. Сканирование образца искровым разрядом по толщине образца осуществляется перемещением электрода 4 в горизонтальной плоскости реечным механизмом 5. Управление высоковольтным блоком 8, шаговым двигателем 9, реечным механизмом 5 и электромагнитом 6 осуществляется блоком управления 7.

Минимальная энергия зажигания рассчитывается по формуле (5.10), а вероятность зажигания как частное от деления числа воспламенений m на общее число искровых разрядов n в опыте:

р = m/n. (5.14)

Испытания проводились с высоковольтными электродами радиусом r = 1 мм и r = 10 мм.

Рисунок 5.22 – Схема установки для определения минимальной
энергии зажигания твердых и пастообразных материалов при
прохождении электрического разряда через объем образцов

После каждого зажигания измеряли толщину образца h в месте разряда. За результат воспламенения принималось частичное или полное сгорание исследуемого образца.

Результаты определения минимальной энергии зажигания при сканировании электрическими разрядами по поверхности (см. рисунок 5.20) и через объём (см. рисунок 5.22) пастообразных пиротехнических составов приведены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 – Определение минимальной энергии зажигания
пастообразных пиротехнических составов сканирующими
поверхностными и объёмными разрядами

Шифр образца	Вид разряда	Толщина образца h, мм	Радиус электрода r, мм	Вероятность зажигания р	Wmin, мДж
ПП1 ПП1 ПП1	поверхн. объёмн. объёмн.	— 3,0 4,0	— 1,00 10,0	0,40 0,28 0,23	4,5 6,5 13,4
ПП2 ПП2 ПП2	поверхн. объёмн. объёмн.	— 3,0 4,0	— 1,00 10,0	0,40 0,32 0,28	6,2 8,6 13,5
ПП3 ПП3 ПП3	поверхн. объёмн. объёмн.	— 3,0 4,0	— 1,00 10,0	0,38 0,30 0,26	31,7 34,0 78,0

Анализ полученных результатов позволяет предположить, что при прочих равных условиях вероятность зажигания разрядами с электрода радиусом 1 мм больше по сравнению с электродом радиусом
10 мм при меньшей энергии зажигания, а поверхностные разряды более эффективны, чем объемные. Однако в экспериментах не исследована величина энергии зажигания в зависимости от электропроводности образцов, что не позволяет сделать окончательные выводы.

Для определения минимальной энергии зажигания твёрдых пиротехнических составов в виде цилиндрических образцов использована экспериментальная установка, отличающаяся от ранее рассмотренных (рисунок 5.23). Основным конструктивным отличием является наличие фторопластовой матрицы, в которой по окружностям в ячейках помещают исследуемые твёрдые образцы различной толщины. Матрица 2 закрепляется на роторе 1 и содержит 30 ячеек, в которые помещают цилиндрические образцы пиротехнического состава 3 и набор цилиндрических металлических элементов 4 различной высоты, заземленных через металлическое основание ротора. Такая конструкция установки позволяет исследовать на чувствительность к электрическому разряду пиротехнические образцы различной толщины и определенного диаметра, при этом исключается влияние условий зажигания одного образца на другой.

Расстояние между соседними ячейками выбирается из условия исключения прогорания толщины стенки между соседними ячейками при зажигании образца.

Рисунок 5.23 – Схема установки для определения минимальной
энергии зажигания твердых пиротехнических материалов

В ячейках с первой по трицатую помещают цилиндрические образцы с различной высотой от 0,5 до 5,0 мм. Блок управления и остальные элементы устройства аналогичны установке, изображенной на рисунке 5.22.

На рисунке 5.24 приведена зависимость минимальной энергии зажигания пиротехнических составов от толщины образцов Wmin = f(h), полученная на данной установке. Экспериментальные исследования позволяют сделать вывод, что наиболее восприимчивыми к электрической искре являются образцы толщиной в пределах от 1,5 до 4 мм.

´ – ПТ1; · - ПТ2; ○ - ПТ3

Рисунок 5.24 – Зависимость минимальной энергии зажигания
пиротехнических составов от толщины образцов

С точки зрения безопасности при получении и эксплуатации пиротехнических и других взрывчатых веществ, кроме достаточно изученных факторов (удар, трение, электрические или фрикционные искры и т. п.) [96], теоретический и практический интерес представляет совместное воздействие указанных факторов.

На рисунке 5.25 представлена схема экспериментальной установки для определения энергии зажигания твердых материалов при совместном воздействии механического трения и электрического разряда. Такой вид воздействия вполне может возникнуть, например, при электризации материалов с одновременным их перемещением под определённой нагрузкой.

Исследуемый образец материала 3 закрепляется неподвижно на диэлектрической подложке 2, в которой имеется отверстие для высоковольтного электрода 1. Имитатор скольжения 4 с выпуклой обработанной поверхностью из стали периодически двигается с заданным давлением Р (кг/м2) и скоростью V(м/с) в горизонтальном направлении.

1 – высоковольтный электрод; 2 - диэлектрическая подложка;
3 – исследуемый образец; 4 – имитатор скольжения;
5 – высоковольтный источник

Рисунок 5.25 – Устройство для определения энергии зажигания
твёрдых материалов при совместном воздействии электрического
разряда и трения

Подача высоковольтного напряжения от источника питания 5 осуществляется вакуумным выключателем ВВ, который управляется контактной группой SA при воздействии подвижного имитатора 4 в момент совпадения центра имитатора с остриём высоковольтного электрода по оси О – О.

Результаты испытаний пиротехнического состава по чувствительности к механическому воздействию, к электрическому разряду и к совместному воздействию при постоянном давлении имитатора на образец, равном 3 кг/м2, приведены в таблице 5.8. Вероятность воспламенения p в процентах подсчитывалась как частное от деления количества результатов при воспламенениях m на общее число экспериментов n: p = m/n∙100 (%).

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что только при механическом воздействии (трение) на образец со скоростью движения имитатора до 1,8 м/с при давлении на образец 3 кг/м2 пиротехнический состав не воспламеняется. При воздействии на образец электрическим разрядом с энергией до 162 мДж без механического воздействия пиротехнический состав также не воспламенялся. Количество испытаний в первом и во втором случаях составляло не менее 100. При совместном воздействии имитатора трения со скоростью движения 0,8 м/с и более и электрического разряда с энергией 92 мДж и более пиротехнический состав воспламенялся с вероятностью p = 100 %.

Таблица 5.8 – Экспериментальные данные по чувствительности
пиротехнического состава ПТ1 к совместному воздействию

Вид воздействия	V, м/с	С, пФ∙103	U, кВ	W, мДж	p, %
Механическое	0,8	—	—	—	0
Эл. разряд	—	20,0	7,5	112	0
Совместное	0,8	20,0	7,5	112	100
Механическое	1,8	—	—	—	0
Эл. разряд	—	20,0	9,0	162	0
Совместное	1,8	20,0	6,5	92	100
Совместное	1,8	10,0	5,0	47	14
Совместное	1,8	10,0	5,5	57	25
Совместное	1,8	10,0	6,5	68	40
Совместное	1,8	10,0	7,0	93	50
Совместное	1,8	4,7	5,0	33	9
Совместное	1,8	2,8	6,0	31	16
Совместное	1,8	7,8	9,0	27	50

Следовательно, совместное воздействие на пиротехнические составы имеет место, представляет повышенную опасность, и его механизм необходимо подробно изучать для пиротехнических и других взрывоопасных материалов.