Чувствительность энергонасыщенных материалов (ЭМ) к электрическому импульсу – одна из важнейших их характеристик, поскольку большинство энергонасыщенных материалов являются диэлектриками и, следовательно, обладают высокой способностью к накоплению статических электрических зарядов. Главная опасность состоит в том, что накопленный на стенках оборудования или на поверхности частиц ЭМ статический заряд может превысить электрическую прочность окружающей среды и вызвать электрический разряд, который, в свою очередь, приведет к воспламенению или детонации ЭМ. В этом случае, в момент пробоя в разрядном промежутке образуется тонкий токопроводящий канал холодной плазмы с плотностью тока 104–105 А/см2. За время 0,1–1,0 мкс воздух нагреется до температуры 10000К, что явится причиной образования ударной волны. Если ЭМ (в виде пыли или порошка) окажется непосредственно в разрядном промежутке и попадет под действие ударной волны, то с очень высокой вероятностью произойдет его воспламенение или детонация [3, с. 33-34].
Чаще всего электризация ЭМ наблюдается в такой области их применения, как горная промышленность. Это связано с тем, что в горной промышленности широко используется технология пневматического транспортирования, т.е. транспортирования ЭМ в сыпучем виде под действием сжатого или разреженного газа (чаще всего воздуха), при котором образуется смесь транспортируемого вещества, находящегося в пылеобразном состоянии, и используемого газа (пылегазовая или чаще пылевоздушная смесь – ПВС). В процессе транспортирования происходят многочисленные контакты входящих в состав ПВС гранул ЭМ со стенками транспортировочного канала (трубопровода), неизбежно приводящие к электризации ЭМ. Ситуацию усугубляет то, что многие энергонасыщенные материалы по своей природе являются диэлектриками, в связи с чем их частицы изначально отличаются высокой способностью к электризации. Это свойство ЭМ сочетается с тем фактом, что именно при переведении ЭМ в состояние пылевоздушной смеси чувствительность к электрическим разрядам большинства из них достигает своего максимального значения [5, с. 88].
В связи с описанными выше факторами критерий чувствительности ЭМ, находящегося именно в состоянии пылевоздушной смеси, к электрическим разрядам является основополагающим критерием, необходимым для оценки степени опасности воспламенения ЭМ при производстве или использовании и, следовательно, для разработки соответствующих мер обеспечения электростатической безопасности [1, с. 3].
Чувствительность ЭМ к электрическим разрядам принято характеризовать минимальной энергией воспламенения (МЭВ) — наименьшим значением энергии электрического разряда, способного воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь порошка (пыли) ЭМ с воздухом или другим газом (газовой смесью) [2, с. 6]. В соответствии с данным определением основными задачами, которые должна решать разрабатываемая экспериментальная установка, являются 1) создание пылевоздушной смеси; 2) подача искрового разряда в объем ПВС; 3) расчет энергии поданного искрового разряда и выдача результата; 4) контроль газового состава ПВС и физических параметров ПВС, рабочей среды, влияющих на чувствительность ПВС (температура, влажность, давление).
Разработка структурной схемы экспериментальной установки проводилась путем определения конструкции механической части, обеспечивающей оптимальное решение задач 1 и 2, функциональных блоков, необходимых для решения задач 2 (в части генерации электрического заряда), 3 и 4. Описание выбранных путей решения данных задач приведено ниже.
Важность выбора способа создания ПВС исследуемых ЭМ обусловлена тем, что дисперсный состав ПВС ЭМ является одним из параметров пылевоздушной смеси, значительно влияющих на результаты экспериментов по определению чувствительности ЭМ, вследствие чего ПВС должна иметь достаточно однородные свойства во всем объеме испытательной камеры. Достижение же данного условия в значительной степени осложняется многообразием физических свойств промышленных образцов пылей ЭМ, влияющих на дисперсный состав ПВС. К таким свойствам относятся, к примеру, объёмная и истинная плотности пылевидных веществ, средние размеры и форма частиц, гигроскопичность, электрические свойства и когезия между частицами.
Множественность факторов, которые необходимо учитывать при создании ПВС, явилась причиной разнообразия способов получения ПВС в экспериментальных установках определения чувствительности ЭМ к электростатическим воздействиям. В целом, существующие способы можно разделить на следующие группы [4, с. 71]:
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. Их главным недостатком является расслоение ПВС, 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. Схемы некоторых устройств, реализующих способы данной группы, приведены на рисунке 1 (а, б) [5, с. 72].
Рисунок 1 – Схемы устройств получения ПВС диспергированием: а — устройство вертикального распыления пыли; б – импульсный пневматический распылитель
При вертикальном распылении пыли (рисунок 1-а) во взрывном цилиндре 1 навеска порошка 2 распределяется из конуса 3, установленного в распылительном устройстве 5. Подача пыли осуществляется эжекционной форсункой 4 с помощью источника сжатого воздуха 6.
При импульсном пневматическом распылении (рисунок 1-б) распределение частиц в камере 1 осуществляется программным устройством 2, обеспечивающим движение частиц по вертикали вращающимся перфоратором 3, в котором количество, диаметр и распределение отверстий определены по специальному алгоритму, соответствующему заданной концентрации с определённым размером и весом частиц.
Недостатком диспергирования пыли под действием импульса воздушной струи является то, что в устройствах, работа которых основана на его использовании, струя ПВС направляется на источник зажигания, но не заполняет весь объём трубы, что приводит к значительным погрешностям при создании равномерной концентрации пыли.
Способы третьей группы основаны на использовании эффекта движения частиц в однородном электростатическом поле. Схема устройства электростатического взвешивания пылевидных материалов приведена на рисунке 2 [5, с. 72]. ПВС создаётся в диэлектрическом цилиндре 1, торцы которого выполнены в виде электродов Роговского. К одному из электродов (нижнему — 4) подводится высокое напряжение от высоковольтного источника 3, а другой (верхний — 2) заземлён.
Электростатическое взвешивание пылевидных материалов обеспечивает равномерное распределение частиц в объёме, однако его существенным недостатком является пригодность только для металлических и полупроводящих порошков, обладающих электрической проводимостью.
Рисунок 2 – Схема устройства электростатического взвешивания пылевидных материалов.
К способам четвертой группы относятся способы создания ПВС с помощью вибросит, механических транспортёров (ковшей) или других устройств механической подачи пыли в реакционный сосуд. Схема устройства, реализующего один из способов данной группы (устройства виброситового дозирования пылевидных материалов) приведена на рисунке 3 [5, с. 73].
Рисунок 3 – Схема устройства виброситового дозирования
пылевидных материалов
Порошок исследуемого ЭМ 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.
Согласно результатам экспериментов, описанных в [5, с. 74] способы создания ПВС путем механической подачи пыли позволяют добиваться высокой однородности ПВС, при этом обладая относительной простотой технической реализации. В связи с этим в основу функционирования механической части экспериментальной установки положен один из способов данной группы, а именно способ циклической подачи порошка в межэлектродное пространство из опрокидывающихся поочерёдно ковшей.
Следующая задача (подача искрового разряда в объем ПВС) решается размещением в рабочей зоне установки (зоне, где создается ПВС) разрядника, состоящего из заземленного электрода и высоковольтного электрода, подключенного к разрядному конденсатору, который, в свою очередь, заряжается от генератора высокого напряжения. Искровой разряд возникает при превышении напряжением на разрядном конденсаторе (высоковольтным электроде) электрической прочности слоя ПВС, находящегося между электродами. При этом получение искровых разрядов возможно одни из следующих способов:
— сближение высоковольтного и заземленного электродов до возникновения разряда при сохранении постоянного уровня напряжения на разрядном конденсаторе;
— постепенное увеличение напряжения на разрядном конденсаторе при сохранении исходного межэлектродного расстояния до возникновения разряда.
При этом энергия получаемого искрового разряда определяется по формуле:
(1)
где: W – энергия искрового разряда [Дж];
Ср – емкость разрядного конденсатор [мкФ];
U1– напряжение на разрядном конденсаторе до разряда [кВ];
U2 – напряжение на разрядном конденсаторе после разряда [кВ].
Таким образом, использование первого способа позволяет определить, достигает ли заданная энергия разряда минимальной энергии воспламенения исследуемого ЭМ. Использование же второго способа позволяет определить, находится ли минимальная энергия воспламенения в границах диапазона энергий, определяемого границами диапазона изменения напряжения на разрядном конденсаторе.
Недостатком первого способа является возможность установления в ходе эксперимента только одной величины разрядной энергии. Недостатком второго способа является ограниченность диапазона разрядных энергий в виду неизменности межэлектродного расстояния (т.е. в рамках одного эксперимента возможно недостижение величины напряжения на разрядном конденсаторе, обеспечивающего получение искрового разряда при данном межэлектродном расстоянии и, следовательно, повтора эксперимента после изменения межэлектродного расстояния вручную).
Комбинирование же этих способов позволит исключить недостатки каждого из них, а при использовании вместо одного разрядного конденсатора набора конденсаторов обеспечит возможность ступенчатого изменения разрядной энергии в широком диапазоне. Реализуемый таким образом порядок определения МЭВ описан ниже.
В первом цикле выбирается конденсатор наименьшей емкости и напряжение заряда наименьшей величины, что в совокупности определяет минимальную энергию, установленную в 50 мДж. Проведение каждого следующего цикла (при отсутствии воспламенения ПВС ЭМ) происходит с выбором бóльшей величины напряжения до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение (установлено в 10 кВ). Далее происходит включение бóльшего по величине емкости конденсатора, а напряжение заряда снижается таким образом, чтобы обеспечить монотонный ряд повышения энергии воздействия. И с новой величиной емкости формируется дискретное повышение энергии разрядов от эксперимента к эксперименту до достижения или МЭВ или предельного значения напряжения. Так происходит до тех пор, пока не будет определена область энергий устойчивых срабатываний, в окрестности которой возможно наиболее точно определить чувствительности исследуемых ПВС ЭМ путем уменьшения шага приращения зарядного напряжения.
Необходимо отметить, что поскольку в рамках выбранного способа подачи искрового разряда в объем ПВС высоковольтный электрод выполнен подвижным, то в состав конструкции экспериментальной установки был введен соединенный с ним вал, приводимый в движение под действием электромагнита.
Решение задачи расчета энергии поданного искрового разряда и выдачи результата экспериментатору требует введения в состав экспериментальной установки блока обработки измерительной информации и представления результатов. Для выдачи экспериментатору информации об исходе эксперимента (воспламенение/отсутствие воспламенения ПВС) данный блок должен быть оснащен фотодатчиком.
Решение же последней задачи – контроля газового состава ПВС и физических параметров среды требует размещения рабочей зоны установки в герметичной камере, оборудованной необходимыми измерительными преобразователями (газоанализатором, датчиками температуры, давления и влажности) и подключенной через клапан к баллонам с необходимыми газами. Откачка воздуха из рабочей камеры с целью заполнения ее необходимыми газами осуществляется вакуумным насосом. Труба, соединяющая рабочую камеру с насосом, оснащена клапаном.
Наконец, для синхронизации работы приводов подвижных элементов установки, выбора необходимого разрядного конденсатора из набора и обеспечения соответствия величины напряжения на нем значению, установленному оператором (управления генератором высокого напряжения, заряжающего разрядный конденсатор), а также для управления работой газовых клапанов и вакуумного насоса, необходимо использование в составе установки блока управления. Для обеспечения синхронизации работы приводов данный блок должен быть оснащен счетчиком времени. А для обеспечения возможности управления газовыми клапанами они должны быть электромагнитными.
На основании определенных выше конструкции механической части и состава функциональных блоков экспериментальной установки определения чувствительности ЭМ к электрическим разрядам была разработана ее структурная схема, представленная на рисунке 4.
На рисунке 4 приняты следующие условные обозначения: 1 –герметичный корпус рабочей камеры; 2 – входной газовый клапан; 3 – датчик давления; 4 – датчик температуры; 5 – датчик влажности; 6 – газоанализатор; 7 – выходной газовый клапан; 8 – вакуумный насос; 9 – опрокидывающиеся ковши с исследуемым веществом; 10 – воронкообразное вибросито; 11 – вал передачи движения виброситу; 12 – заземленный электрод; 13 – подвижный высоковольтный электрод; 14 – фотодатчик; 15 – двигатель вибрации; 16 –электромагнит перемещения высоковольтного электрода; 17 – источник питания высоковольтного электрода, условно объединяющий генератор высокого напряжения и набор конденсаторов; 18 – электромагнит перемещения высоковольтного электрода; 19 – блок обработки и управления, условно объединяющий блок обработки измерительной информации и представления результатов, блок управления и счетчик времени; 20 – оси ковшей; 21 – вращающееся коромысло; 22 – колеса, прокатывающиеся по копирам; 23 – копиры; 24 – диск для установки копиров; 25 – двигатель вращения.
Кроме того на рисунке 4 тонкими линиями обозначены линии электрической связи между функциональными блоками установки.
Рисунок 4 – Структурная схема экспериментальной установки определения чувствительности энергонасыщенных материалов к электрическим разрядам
Кроме описанных выше функциональных блоков, подвижных механических элементов и приводов, обеспечивающих их перемещение, на схеме показаны введенные в состав установки копиры 23 (с диском для их установки 24) и установленные на осях ковшей колеса 22, прокатывающиеся по копирам. Данные элементы имеют следующее назначение: 1) опрокидывание ковшей 9, закрепленных на осях неподвижно, осуществляется за счет прокатывания колес, которые так же закреплены на осях неподвижно, по копирам, представляющим собой металлические направляющие; 2) при прокатывании колес по копирам, контактная группа, установленная на одном из колес, выдает на блок управления сигнал, позволяющий блоку управления определять момент нахождения ковшей в вертикальном положении (данная информация необходима для синхронизации работы приводов).
Ниже представлен алгоритм функционирования разработанной экспериментальной установки:
- Оператором задаются следующие условия:
– необходимые энергия разряда и напряжение на разрядном конденсаторе;
– амплитуда и частота колебаний вибросита, а также период (длительность) его освобождения от порошка (в соответствии с дисперсным составом порошка исследуемого ЭМ);
– газовый состав ПВС и физические параметры рабочей среды.
Выдается команда «Пуск».
- Приведение физических параметров рабочей среды в соответствие с заданными условиями (откачка воздуха и снижение давления в камере с помощью вакуумного насоса, подача инертных газов и повышение давления открыванием входного газового клапана). В ходе эксперимента информация о параметрах среды выдается на блок управления датчиками температур, давления, влажности и газоанализатором и, при необходимости, условия корректируются.
- Выбор наименьшего конденсатора из набора.
- Включается двигатель вращения.
- Включается генератор высокого напряжения.
- В процессе вращения коромысла оси ковшей доходят до положения контакта колес с копирами, в результате чего, получая сигнал от контактной группы блок управления запускает двигатель вибрации и счетчик времени. Причем, амплитуда и частота вибраций устанавливаются в соответствии с условиями, заданными экспериментатором на шаге 1.
- Счетчик времени (регулируемый) передает информацию о своем состоянии на блок управления. При определенных состояниях счетчика последовательно принимаются следующие решения:
– останов двигателя вращения;
– отключение генератора высокого напряжения;
– запуск разрядника – выдача команды о начале работы электромагнита перемещения высоковольтного электрода, т.е. начало сближения электродов (максимальное сближение электродов регулируемое, составляет от 1 до 6 мм);
– отключение разрядника – возврат высоковольтного электрода в исходное положение (исходное расстояние между электродами – 20 мм).
- Фотодатчик фиксирует/не фиксирует вспышку и передает/не передает сигнал о ее фиксации на блок управления.
- При фиксации вспышки блок управления принимает решение об окончании полуоборота коромысла, при ее отсутствии – о выборе следующего по величине конденсатора из набора и повторении цикла.
- По истечении интервала времени, необходимого для полного освобождения воронкообразного вибросита от порошка, отключается двигатель вибрации. Причем интервал времени от запуска до отключения двигателя вибрации должен соответствовать интервалу времени от включения до переполнения и обнуления счетчика. Именно поэтому счетчик должен быть регулируемым, поскольку, как уже отмечалось, время освобождения вибросита от порошка изменяется в зависимости от дисперсного состава порошка.
Одновременно с отключением двигателя вибрации включается двигатель вращения. Причем, на данном этапе возможны два варианта работы системы:
1) если вспышка была зафиксирована, то двигатель вращения включается с целью окончания полуоборота коромысла, т.е. с целью возвращения пустого и заполненного ковшей в исходные положения. При включении двигателя вращения запускается счетчик времени и двигатель останавливается при определенном его состоянии (записанном в память блока управления). После останова двигателя счетчик времени обнуляется.
2) если вспышка не была зафиксирована, то двигатель вращения включается с целью доведения ковшей до положения контакта колес с копирами и срабатывания контактной группы, т.е. цикл повторяется заново (в этом случае счетчик времени запускается только при срабатывании контактной группы).
Таким образом, в результате проведенной работы были разработаны структурная схема и алгоритм функционирования экспериментальной установки, позволяющей проводить эксперименты по исследованию чувствительности пылевоздушных смесей ЭМ различного дисперсного состава к электрическим разрядам широкого диапазона энергий (от 0,05 до 1 Дж). При этом принятые принципы построения механической части установки позволяют получать ПВС с высокой степенью однородности при различных гранулометрических составах порошка.
Список литературы:
- ГОСТ 12.1.018-93. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. – Взамен 12.1.018-86; введ. 1995-01-01. Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации ; М.: Изд-во стандартов, 1995. – 5 с.
- ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. – Взамен 12.1.044-84; введ. 1991-01-01. – М.: Гос. комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам ; М.: Изд-во стандартов, 1990. – 160 с.
- Девяткин П. Н. Технология и безопасность взрывных работ [Электронный ресурс] : Электронный конспект лекций. – Мурманск: Мурманский гос. тех. ун-т, 2010. 161 с.
- Овчаренко, А.Г., Раско С. Л. Электростатическая безопасность пожаро- и взрывоопасных производств. Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. — Бийск. Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2006. — 156 с.
- Раско С. Л., Овчаренко А. Г. Эксплуатационная безопасность конденсированных взрывчатых веществ: учебное пособие. Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. — Бийск. Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2006. — 147 с.[schema type=»book» name=»РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДАМ» author=»Зубиков Дмитрий Валерьевич, Мощенский Юрий Васильевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]