Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
1.9. Рекомбинация Помимо ионизации, при которой возникают новые электроны и ионы, в ионизованном газе идет обратный процесс − воссоединение заряженных частиц при их столкновениях с образованием нейтральных молекул. e + M + → M или M − + M + → M 2 Этот процесс, называемый рекомбинацией, включает в себя большое число разных взаимодействий, приводящих к взаимной нейтрализации заряженных частиц. Если взаимодействующие частицы − ионы, процесс называют ион-ионной рекомбинацией, если одна частица − электрон, а другая положительный ион, то это − электрон-ионная рекомбинация. В общем случае процесс взаимной нейтрализации характеризуют коэффициентом рекомбинации α р , определяемым как число R актов рекомбинации в единице объема газа за единицу времени, при единичной концентрации частиц положительных и отрицательных, то есть ( ) − + = N N P R α . (1.10) При рекомбинации противоположно заряженных частиц образующаяся нейтральная частица обладает энергией, меньшей полной внутренней энергии рекомбинирующих частиц, при этом избыток энергии W освобождается разным способом. Так при ион-ионной рекомбинации может быть: а) трехчастичная рекомбинация А + + B − + C → A + B + (C +W), при которой в процессе взаимодействия участвует третья частица (заряженная или нейтральная), и избыток энергии передается ей. Этот вид рекомбинации наиболее существенен при давлениях порядка атмосферного, поскольку требуется достаточная плотность третьих частиц; б) радиационная рекомбинация А + + B − → AB + h ν, сопровождающаяся излучением и преобладающая при низких давлениях, когда имеет место недостаток третьих частиц; в) диссоциативная рекомбинация (АB) + + C − → A + B + C, имеющая место, если один или оба иона являются молекулярными, а избыток энергии идет на диссоциацию образующейся нейтральной молекулы. При атмосферном давлении в воздухе коэффициент ион-ионной рекомбинации составляет α р = 2,4 ⋅10 -6 см 3 /с. Электрон-ионная рекомбинация имеет значительно меньшую вероятность из-за высокой скорости передвижения электронов, что ограничивает время взаимодействия частиц и время захвата электрона для образования нейтральной частицы. 1.10. Процессы вторичной ионизации Для многих видов разряда пробой всего промежутка возможен только в том случае, если кроме ионизации в объеме газа, имеет место и так называемая вторичная ионизация на катоде, обеспечивающая воспроизводство заряженных частиц в связи с их уходом из промежутка. Процессы на катоде в промежутке при развитии разряда могут быть следующие: а) освобождение вторичных электронов с катода под действием фотоизлучения; б) освобождение электронов под действием прихода на катод положительных ионов; в) освобождение электронов при взаимодействии с поверхностью катода возбужденных атомов и молекул. Кроме того, может происходить освобождение электронов с поверхности электрода и в результате других процессов. Такими процессами являются: а) автоэлектронная эмиссия, если напряженность электрического поля у поверхности электрода очень велика и происходит вырыв электрона из металла; б) термоэлектронная эмиссия, происходящая при специальном нагреве электрода, например, в газоразрядных приборах. Процессы освобождения электронов с катода под действием других частиц (ионов, возбужденных атомов, фотонов) называют процессами вторичной ионизации на катоде, интенсивность которых характеризуют коэффициентом γ, равным отношению числа электронов, освобожденных с катода, к числу взаимодействующих с катодом частиц. В зависимости от рода взаимодействующих частиц различают γ и , γ в , γ ф . При воздействии на катод разных частиц суммарный коэффициент вторичной ионизации на катода γ = γ и + γ в + γ ф (1.11) Помимо процессов на катоде, вторичная ионизация может происходить и в объеме газа. В определенном смысле такой вторичной ионизацией является рассмотренная ранее фотоионизация в объеме газа, так как в отличие от ударной ионизации при столкновении молекул с электронами, ионизация при поглощении фотона является вторичным процессом, следующим за образованием при столкновении возбужденной частицы и последующим испусканием фотона при девозбуждении. Вторичная ионизация на аноде при взаимодействии с ним электронов или отрицательных ионов не имеет значения при рассмотрении процессов разряда, так как освободившиеся с поверхности анода электроны тут же вновь уходят на него. 10. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ЗАРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА 10.1. Основные понятия Статическая электризация − это процессы, которые приводят к образованию, разделению и накоплению зарядов разных знаков. Такие взаимодействия стали привлекать внимание очень давно, но в последнее время это стало особенно актуальным, так как в промышленности стали применять материалы с высоким удельным объемным сопротивлением ρ v ≈ 10 12 Ом ⋅м и удельным поверхностным сопротивлением ρ s ≈ 10 12 Ом. Эти материалы могут сохранять заряд в течение длительного времени, а значит, может накапливаться заряд, который увеличивает напряженность электрического поля. При этом могут возникнуть условия удовлетворяющие возникновению самостоятельного разряда, а значит, может образоваться электрическая искра (пробой промежутка). Статическая электризация, таким образом, может приводить к следующим последствиям: • возникновение разрядов и опасность взрыва или пожара; • электрический разряд не происходит, но образуется электрическое поле, которое может воздействовать на технологический процесс (в текстильной промышленности − распушение нитей в пучке до диаметра 1 м, что затрудняет процесс прядения, в полиграфии − слипание листов бумаги при печатании книг, что приводит к появлению брака); • воздействие на организм человека как микроразрядов, так и электрических полей; • использование зарядов статического электричества для реализации технологических процессов (зарядка в электросепарации, при нанесении порошковых полимерных покрытий и т.д.). • Мы будем рассматривать опасные проявления статического электричества. Опасные условия создаются, если: • в определенном месте происходило накопление заряда; • заряды создают электрическое поле, достаточное для развития разряда; • энергия, выделяемая в канале разряда, оказывается больше, чем минимально необходимая энергия для воспламенения среды. Эти условия не всегда и не везде выполняются, но тем не менее во многих технологических процессах эта вероятность велика. Одним из таких процессов является перекачка нефти и нефтепродуктов по трубопроводам. 10.2. Статическое электричество при перекачке нефти по трубопроводам 10.2.1. Физика образования и накопления заряда При соприкосновении двух тел, отличающихся фазовым состоянием, образуется двойной электрический слой. Различают три причины образования двойного электрического слоя: 1) преимущественное перемещение носителей зарядов из одного тела в другое − диффузия; 2) на границе раздела имеют место абсорбционные процессы, когда заряды одной из фаз преимущественно оседают на поверхности другой фазы; 3) имеет место поляризация молекул хотя бы одной из фаз. Это приводит к поляризации молекул другой фазы. Причем поляризация во второй фазе может быть размытой (диффузной). Двойной электрический слой зависит от удельного сопротивления вещества. Чем больше сопротивление вещества, тем более размытым в глубину является второй электрический слой. Если рассматривать перекачку нефти, то размытый второй электрический слой может уноситься перемещением нефти и накапливаться в бункере. Чем больше скорость перемещения нефти, тем больше электризация нефти. Величина зарядов статического электричества существенно зависит от условий, в которых происходит электризация и, в частности, от того, что поверхности соприкасающихся тел могут быть «загрязнены» другими веществами. Поэтому основой количественного анализа является эксперимент или, в лучшем случае, расчетно- экспериментальные исследования. 10.2.2. Технологический процесс транспортировки нефти Статическая зарядка топлив стала резко проявляться примерно с 60-х − 70-х годов, когда начало применяться чистое топливо для улучшения экономичности работы и ресурса двигателей. На рис.10.1 показана технологическая цепочка транспортировки нефти. ρ х Накопи- тельный резервуар Насос Фильтр для очистки Сепаратор для очистки от воды Приемный резервуар Нейтрализатор статического электричества без нейтрализатора с нейтрализатором Рис.10.1. Нарастание плотности заряда в нефти при прохождении по тракту Нарастание плотности заряда в нефти происходит в технологических устройствах, где осуществляется контакт нефти с материалами, приводящим к ее зарядке, и где увеличивается скорость течения нефти. Спад заряда наблюдается при движении нефти по заземленным трубопроводам. При движении нефти по технологическому тракту вплоть до приемного резервуара опасности от накопления заряда статического электричества практически нет, так как воздушных промежутков в аппаратах здесь нет и нет возможности возникновения электрического пробоя в газе. Иная ситуация существует в приемном резервуаре, где обязательно наличие газового пространства над поверхностью нефти. Заряд, накапливаемый в приемном резервуаре, можно определить из условия его увеличения за счет втекания в резервуар заряженной нефти с учетом релаксации (стекания) заряда на заземленные конструкции резервуара: релакс вх общ dt dQ dt dQ dt dQ + = Здесь релаксация заряда происходит по экспоненциальной зависимости: ( ) τ t e Q t Q − = 0 , где τ = εε 0 / γ v − постоянная времени релаксации, а ε и γ − соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость нефти. Отсюда: τ τ τ Q e Q dt dQ t − = − = − 0 релакс Перепишем исходное уравнение, учитывая, что вх вх I dt dQ = , где I вх − ток зарядов статического электричества на входе в резервуар. τ Q I dt dQ − = вх общ Решением дифференциального уравнения является: ( ) τ τ t e I Q − − = 1 вх На рис. 10.2 приведены зависимости изменения плотности и суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре. t Q dQ/dt I вх τ 0 Q Рис. 10.2. Зависимость суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре от времени наполнения Из зависимостей видно, что скорость роста заряда экспоненциально падает, а суммарный объемный заряд, увеличиваясь, экспоненциально стремится к предельному значению, определяемому произведением I вх τ. Поэтому для уменьшения заряда, накапливаемого в приемном резервуаре, есть два пути. Первый заключается в снижении постоянной времени релаксации путем добавления в нефть специальных присадок, увеличивающих ее проводимость. Данное направление выбрала голландская фирма «Shell». Недостатком метода является непрерывный контроль за количеством присадки в нефти и точная его дозировка, так как при очистке нефти фильтрами одновременно происходит удаление присадки. Второй путь заключается в непосредственном уменьшении заряда, находящегося в приемном резервуаре. С этой целью используют специальные устройства, называемые нейтрализаторами статического электричества. Схема нейтрализатора статического электричества приведена на рис. 10.3. Рис. 10.3. Нейтрализатор статического электричества Вокруг электродов, имеющих форму игл, в результате процессов ионизации образуются области с повышенным содержанием ионов, имеющих заряд противоположного знака избыточному заряду нефти (в нашем случае положительных ионов). В результате рекомбинации отрицательных и положительных ионов избыточный заряд нефти уменьшается. Для решения задачи по предотвращению возгорания паров нефти из-за разрядов статического электричества необходимо определить величину и распределение зарядов в приемном резервуаре в зависимости от параметров системы транспортировки, рассчитать распределение поля и определить возможность возникновения разрядов и воспламенения паров в зависимости от минимальной энергии, необходимой для воспламенения. Если вероятность воспламенения велика, то должны использоваться нейтрализаторы или вводиться ограничения на режимы перекачки (например, ограничения скорости перекачки). Опасность возникновения разрядов статического электричества зависит от размера и формы используемых резервуаров (рис. 10.4). ε ж ε в а) б) в) г) Рис. 10.4. Виды резервуаров а) прямоугольный; б) горизонтальный цилиндрический; в) вертикальный цилиндрический; г) вертикальный цилиндрический с ценральной стойкой 10.2.3. Воспламенение паров нефти Заряд нефти, поступающей в резервуар, распределен по объему неравномерно. Это связано с релаксацией заряда на заземленные стенки конструкции. Поэтому, чем дальше рассматриваемый объем нефти от стенки резервуара, тем больше заряд в объеме. Кроме того, на поверхности нефти заряд релаксирует медленнее (особенно при приближении уровня к верхней стенке резервуара) в связи с влиянием большой величины емкости между поверхностью нефти и верхней стенкой. Это означает, что на поверхности нефти в наиболее удаленной точке от стенок резервуара накапливается большой заряд, который создает электрическое поле между этой точкой поверхности нефти и заземленными стенками резервуара. По мере накопления заряда растет напряженность электрического поля вплоть до значения равного величине, при которой начинается разряд. В развивающемся разряде выделяется энергия, накопленная в нефти. Для того, чтобы пары нефти воспламенились, необходима определенная энергия равная минимальной энергии воспламенения. Для разных веществ она различается: Минимальная энергия воспламенения паро-воздушных и кислородных (в скобках) смесей (мДж) Ацетилен 0,011 (0,0002) Метан 0,29 (0,0027) Ацетон 0,25 Пентан 0,18 Бензин Б-70 0,15-0,394 Толуол 0,60 Бензин "Калоша" 0,234-0,309 Пропан 0,25 (0,0021) Водород 0,013 Топливо Т-1 0,202 Гексан 0,23 Сероуглерод 0,077 Гептан 0,24 Этан 0,24 Керосин 0,48 Этилен 0,1 Этиловый спирт 0,14 Энергия, выделяющаяся при прибое газового промежутка, определяется по формуле: ∫ = Uidt W , где соответственно U − напряжение на промежутке и i − ток, протекающий через промежуток. Микроразряды статического электричества не приводят к сколь-нибудь заметному изменению напряжения из-за очень малой длительности самих разрядов и их малой энергии. Тогда приближенно можно считать, что U ≈ const. Следовательно ∫ = = Uq Idt U W , т.е. энергия пропорциональна величине заряда, протекающего через канал. На рис. 10.5 показаны зависимости величины зарядов, приводящих к воспламенению паров нефтепродуктов, от диаметра заземленного шара при положительном и отрицательном зарядах статического электричества. зона воспламенения воспламенение маловероятно зона воспламенения воспламенение маловероятно q мкКл d сф мм 10 20 30 40 0,6 1,0 0,4 0,3 0,25 5 10 20 40 d сф мм q мкКл Рис.10.5. Воспламеняющие способности разрядов в зависимости от диаметра заземленного шара Воспламеняющую способность разрядов статического электричества обычно определяют, помещая заземленный сферический электрод вблизи поверхности жидкости. Видно, что воспламеняющая способность разрядов резко снижается, если диаметр сферы становится меньше 20 мм. Наименьшее значение воспламеняющего заряда соответствует электроду диаметром 20 ÷30 мм. При отрицательной полярности заряда нефти и нефтепродукта энергия воспламенения ниже, чем при положительной. В табл. 10.1 представлены параметры групп топлив по воспламеняемости. Таблица 10.1 Группы топлив по уровню воспламеняемости Топливо ″ + ″ Топливо ″ − ″ Группы топлив Температ. вспышки Вероятн. образован. горючей смеси Допустим. вероятн. воспламе- нения q, мкКл U доп , кВ q, мкКл U доп , кВ I >50 0 1 не огр. не огр. не огр. не огр. II 35 ÷50 2,1⋅10 -3 4,7 ⋅10 -5 < 0,31 <84 <0,07 <31 III 20 ÷35 1,2⋅10 -1 8,3 ⋅10 -7 <0,20 <60 <0,046 <27 IV 18 ÷20 0,95 10 -7 <0,16 <54 <0,04 <25 γ =10 пСм/м 5 3 1 0,5 Р доп м 3 /час 10000 1000 100 10 0 100 200 ρ ж мкКл/м 3 Рис. 10.6. Зависимость допустимой скорости перекачивания нефтепродуктов от накапливаемого удельного заряда и проводимости нефтепродуктов Исследования показали, что процесс заполнения резервуара является безопасным, если потенциал на поверхности жидкости не больше 25 кВ для ″−″ заряженного топлива и не больше 54 кВ − для ″+″ заряженного топлива. Исходя из режимов работы перекачивающих нефтепродукты систем и условий их безопасной работы, определяется допустимая производительность при накоплении определенного заряда в нефтепродуктах (рис. 10.6). 10.3. Методы измерения основных параметров, характеризующих статическую электризацию Все теоретические рассуждения из-за множества влияющих неопределенных факторов дают только качественное представление. Для количественной оценки статической опасности электризации необходимы экспериментальные исследования в данных условиях. Разработаны соответствующие методики. |