Температура электрической искры. Искровой разряд. Опасные тепловые проявления механической энергии

В производственных условиях пожароопасное повышение температуры тел в результате превращения механической энергии в тепловую наблюдается при ударах твердых тел (с образованием или без образования искр); при поверхностном трении тел во время их взаимного перемещения; при механической обработке твердых материалов режущими инструментами, а также при сжатии газов и прессовании пластмасс. Степень разогрева тел и возможность появления при этом источников зажигания зависит от условий перехода механической энергии в тепловую.

Рис- 5-9. Турбинно-вихревой искрогаситель: / - корпус; 2 - неподвижная турбина; 3 - траектория движения твердых частиц

Рис. 5.10. Зависимость температуры стальной искры от усилия и соударяющегося материала (по данным МИХМ): 1 - с абразивным диском; 2 - с металлическим диском. Линейная скорость соударения 5,2 м/с

Искры, образующиеся при ударах твердых тел. При достаточно» сильном соударении некоторых твердых тел высекаются искры (искры удара и трения). Искра в этом случае представляет собой раскаленную до свечения частицу металла или камня. Размеры искр удара и трения зависят от свойств материалов и энергетических характеристик удара, но обычно не превышают 0,1...0,5 мм. Температура искры, кроме того, зависит от процесса взаимодействия (химического и теплового) частицы металла с окружающей средой. Так, при ударе и истирании металлов в среде, не содержащей кислорода или другого окислителя, видимых искр не образуется. Дополнительный разогрев металлических искр удара при полете в окружающей среде происходит обычно в результате окисления их кислородом воздуха. Температура искр нелегированной малоуглеродистой стали может достигать температуры плавления металла (около 1550° С). Она будет возрастать с увеличением в стали содержания углерода, уменьшаться с увеличением легирующих добавок. Зависимость температуры искры от материала соударяющихся тел и прилагаемой удельной нагрузки показана на рис. 5.10. Согласно графикам, температура искры возрастает линейно с увеличением нагрузки, и более высокую температуру имеют искры, образующиеся при ударе стали о корунд, чем при ударе стали о сталь.

В производственных условиях от искр удара воспламеняются ацетилен, этилен, водород, окись углерода, сероуглерод. Искры удара (в определенных условиях) способны воспламенить метано-воздушные смеси. Поджигающая способность искр удара пропорциональна содержанию кислорода в смеси, которую эти искры могут поджечь. Это и понятно: чем больше в смеси кислорода, тем интенсивнее искра горит, тем выше горючесть смеси.

Воспламеняющая способность искр удара устанавливается экспериментально - в зависимости от энергии удара.

Летящая искра непосредственно не воспламеняет пылевоздушные смеси, но, попав на осевшую пыль или на волокнистые материалы, вызывает появление очагов тления. Этим, видимо, объясняется большое количество вспышек и загораний от механических искр в машинах, где имеются волокнистые материалы или отложения мелкой горючей пыли. Так, в размольных цехах мельниц и крупозаводов, в сортировочно-разрыхлительных и угарных цехах текстильных фабрик, а также на хлопкоочистительных заводах более 50% всех загораний и пожаров возникает от искр, высекаемых при ударах твердых тел.

Образуются искры при ударах алюминиевых тел о стальную окисленную поверхность. В этом случае между разогретой алюминиевой частицей и окислами железа происходит химическое взаимодействие с выделением значительного количества тепла:

2А1 + Fe 2 O 3 = А1 2 О 3 + 2Fe + Q.

За счет тепла этой реакции увеличиваются теплосодержание и температура искры.

Искры, образующиеся при работе ударными инструментами (молотками, зубилами, ломами и т. п.), часто вызывают пожаро-взрывоопасные ситуации. Известны случаи вспышек и взрывов в насосных и компрессорных станциях, а также в производственных помещениях при падении инструмента, ударах ключей в момент подтягивания гаек. Поэтому при производстве работ в местах, где возможно образование взрывоопасной смеси паров или газов с воздухом, не следует использовать ударные инструменты из искрообразующих материалов. Искробезопасными считают инструменты, выполненные из бронзы, фосфористой бронзы, латуни, бериллия, алюминиего сплава АКМ-5-2, дюралей с ограниченным (до 1,2... 1,8%) содержанием,магния..(сплав Д-16 и др.) и даже инструменты из высоколегированных сталей.. Использование омедненного инструмента не достигает цели, ибо мягкий слой меди быстро истирается. При пользовании стальными инструментами следует оберегать их от падения и по возможности заменять ударные операции) безударными (например, рубку металла зубилом заменить распиловкой и т. п.), а для рассеивания горючих паров или газов у мест производства работ применять передвижные вентиляционные агрегаты.

Искры, образующиеся при попадании в машины металла или камней. В аппараты с мешалками для растворения или химической обработки твердых веществ в растворителях (например, целлулоидной массы в спирте, ацетилцеллюлозы в ацетоне, каучука в бензине, нитроклетчатки в спирто-эфирной смеси и т. п.), в машины ударно-центробежного действия для измельчения, разрыхления и смешивания твердых горючих веществ (молотковые и ударно-дисковые мельницы, дробилки кормов, хлопкоочистительные и трепальные машины и т. п.), в аппараты-смесители для перемешивания и составления порошковых композиций, в аппараты центробежного -действия для перемещения газов и паров (вентиляторы, газодувки, центробежные компрессоры) могут попасть вместе с обрабатываемыми продуктами куски металла или камни, в результате чего образуются искры. Поэтому обрабатываемые продукты следует просеивать, провеивать, промывать либо использовать магнитные, гравитационные или инерционные улавливатели.

Рис. 5.11. Камнеуловитель: / - пневматический трубопровод; 2 - бункер; 3 - наклонные поверхности; 4 - разгрузочный люк

Особенно трудно очистить волокнистые материалы, так как твердые примеси запутываются в волокнах. Так, для очистки хлопка-сырца от камней перед поступлением его в машины устанавливают гравитационные или инерционные камнеуловители (рис. 5.11).

Металлические примеси в сыпучих и волокнистых материалах улавливают также магнитными уловителями (сепараторами). На рис. 5.12 изображен магнитный уловитель, наиболее широко применяемый в мукомольном и крупяном производстве, а также на комбикормовых заводах. На рис. 5.13 показан разрез электромагнитного сепаратора с вращающимся барабаном.

Следует отметить, что эффективность работы уловителей зависит от их расположения, скорости движения, равномерности и толщины слоя продукта, характера примесей. Устанавливают их, как правило, в начале технологической линии, перед машинами ударного действия. Сепараторы обычно предохраняют машины и от механических повреждений. Их установка диктуется также санитарно-гигиеническими требованиями.

Рис. 5.12. Магнитный сепаратор с постоянными магнитами: / - корпус; 2 - постоянные магниты; 3 - сыпучий материал

Рис. 5.13. Электромагнитный сепаратор с вращающимся барабаном: / - корпус; 2 -неподвижный электромагнит; 3 - поток продукта; 4 - регулировочный винт; 5 - вращающийся барабан из не

магнитного материала; 6 - труба для очищенного продукта; 7 - труба для уловленных примесей

Если есть опасность попадания в машину твердых немагнитных примесей, осуществляют, во-первых, тщательную сортировку сырья, во-вторых, внутреннюю поверхность машин, о которую эти примеси могут удариться, футеруют мягким металлом, резиной или пластмассой.

Искры, образующиеся при ударах подвижных механизмов машин об их неподвижные части . В практике нередко бывает так, что ротор центробежного вентилятора соприкасается со стенками кожуха или быстровращающиеся пильчатые и ножевые барабаны волок но отделительных и трепальных машин ударяются о неподвижные стальные решетки. В таких случаях наблюдается искрообразование. Оно возможно и при неправильной регулировке зазоров, при деформации и вибрации валов, изнашивании подшипников, перекосах, недостаточном креплении на валах режущего инструмента и т. п. В таких случаях возможно не только искрообразование, но и поломка отдельных частей машин. Поломка узла машины, в свою очередь, может быть причиной образования искр, так как частицы металла попадают при этом в продукт.

Основные пожарно-профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования искр удара и трения, сводятся к тщательной регулировке и балансировке валов, правильному подбору подшипников, проверке величины зазоров между вращающимися и неподвижными частями машин, их надежному креплению, исключающему возможность продольных перемещений; предотвращению перегрузки машин.

Перед пуском в работу машина, в которой возможно соударение вращающихся частей о неподвижные, должна проверяться (в неподвижном состоянии, а затем на холостом ходу) на отсутствие перекосов и вибраций, прочность крепления вращающихся частей, наличие необходимых зазоров. В процессе работы при появлении постороннего шума, ударов и сотрясений надо остановить машину для устранения неполадок.

Повышенные требования по искробезопасности предъявляются к производственным помещениям с наличием ацетилена, этилена, окиси углерода, паров сероуглерода, нитросоединений и подобных им легковоспламеняющихся или нестойких веществ, полы и площадки в которых делают из материала, не образующего искр, или выстилают резиновыми ковриками, дорожками и т. п. Пол помещений, где обрабатывается нитроклетчатка, кроме того, поддерживают в увлажненном состоянии. Тележки и вагонетки должны иметь на колесах ободы из мягкого металла или резины.

Всякое перемещение соприкасающихся друг с другом тел требует затраты энергии на преодоление работы сил трения. Эта энергия в основном превращается в теплоту. При нормальном состоянии и правильной эксплуатации трущихся тел выделяющееся тепло Q т p своевременно отводится специальной системой охлаждения Q охл, а также рассеивается в окружающую среду Q OkP:

Q тр = Q охл + Q окр.

Нарушение этого равенства, то есть увеличение тепловыделения или уменьшение теплоотвода и теплопотерь, ведет к повышению температуры трущихся тел. По этой причине происходят загорания горючей среды или материалов от перегрева подшипников машин, сильно затянутых сальников, барабанов и транспортерных лент, шкивов и приводных ремней, волокнистых материалов при наматывании их на вращающиеся валы инструмента и механически обрабатываемых твердых горючих материалов.

Рис. 5.14. Схема подшипника скольжения: / - шип вала; 2 - корпус подшипника; 3 - станина

Загорание от перегрева подшипников машин и аппаратов. Наиболее пожароопасны подшипники скольжения сильно нагруженныхи высокооборотистых валов. Плохое качество смазки рабочих поверхностей, их загрязнение, перекосы валов, перегрузка машины и чрезмерная затяжка подшипников - все это может явиться причиной перегрева подшипников. Очень часто корпус подшипника загрязняется отложениями горючей пыли (древесной, мучной, хлопковой). Это также создает условия для их перегрева Примерную величину температуры подшипника скольжения (см. рис. 5.14) можно определить расчетным путем. Температура поверхности подшипника при нарушении режима его работы изменяется во времени. Для отрезка времени dx можно написать следующее уравнение теплового баланса:

d Q t р = dQ нагр+ dQ oxл+ dQ 0 K p, (5.7)

где dQ T p - количество тепла, выделяющегося при работе подшипника;

dQ нагр - количество тепла, идущего на нагревание подшипника; dQoxл - количество тепла, отводимого принудительной системой охлаждения; d Q 0 K p - потери тепла поверхностью подшипника в окружающую среду.

Количество тепла, выделяющегося при трении поверхностей, определяется по формуле

Q тр =f тр Nl ,

где f тр - коэффициент трения; N - нагрузка; / - относительное перемещение поверхностей.

Тогда применительно к подшипнику (для вращательного движения) работа сил трения определяется выражением

dQ т p =f Tp Nd III /2πndτ = πf ТР Nd III ndτ, (5.8)

где п - частота вращения вала (1/с); d - диаметр шипа вала. Предполагая коэффициент трения величиной постоянной и обозначив произведение постоянных величин а, будем иметь:

dQ Tp = adτ. (5.9)

Количество тепла, затрачиваемого на нагревание подшипника dQ нагр при повышении температуры на dT, будет равно:

dQ narp = mcdT, (5.10)

где т - масса нагреваемых деталей подшипника; с - средняя удельная теплоемкость материала подшипника.

Количество тепла dQ 0 XJI , отводимого принудительной системой охлаждения, можно принять равным нулю, что соответствует наиболее опасному режиму работы подшипника.

Количество тепла dQoup, теряемого поверхностью подшипника в окружающую среду, будет равно:

dQ окр = α(T п-T B)Fdτ, (5.11)

где α - коэффициент теплоотдачи поверхностью подшипника и средой; Т п и Т в - температура поверхности подшипника и воздуха; F - поверхность теплообмена (поверхность подшипника, омываемая окружающим воздухом).

Подставляя найденные значения dQ Tp , dQ narv и dQ 0 Kp в уравнение.(5.7), получим уравнение

adτ = mcdT+a(T n -T B)Fdτ, (5.12)

решение которого при начальных условиях аварии (Т П = Т В) дает:

Коэффициент а определяют из условий теплоотдачи от поверхности цилиндра в окружающую среду при свободной конвекции воздуха.

Полученное уравнение (5.13) дает возможность определить температуру подшипника в любой момент времени аварийного режима его работы или определить продолжительность аварийного режима, в течение которого температура поверхности подшипника достигает опасной величины.

Максимальную температуру подшипника (при τ = ∞) можно определить по формуле

Чтобы избежать пожаровзрывоопасной ситуации, в данном случае вместо подшипников скольжения применяют подшипники качения, систематически их смазывают, контролируют температуру.

В сложных машинах (турбинах, центрифугах, компрессорах) контроль температуры подшипников осуществляют с помощью систем КИПиА.

Визуальный контроль температуры подшипников осуществляют нанесением термочувствительных красок, изменяющих свой цвет при нагревании, на корпуса подшипников. Предотвратить перегрев подшипников позволяют системы принудительной смазки, устройство которых должно обеспечивать контроль наличия масла, замену отработанного масла свежим (с заданными рабочими характеристиками), быстрое и легкое удаление подтеков масла с частей машины.

В качестве примера можно привести модернизацию системы смазки подшипников сушильных цилиндров и сукноведущих валиков бумаго- и картоноделательных машин на целлюлозно-бумаж ном комбинате в Архангельской области. В результате этой модернизации пожары и загорания в соответствующих системах практически прекратились.

Первоначально для визуального контроля за поступлением масла в подшипники были предусмотрены капельницы. Помещены они были под кожухами машин, в зоне высоких температур, что практически исключало возможность систематического контроля. По (предложению объектовой пожарной части и пожарно-технической комиссии предприятия капельницы заменили ротаметрами, вынесенными за пределы машины. Это позволило визуально контролировать поступление масла, уменьшить количество разъемных соединений в маслосистеме, тем самым сократив масляные подтеки на станинах и узлах подшипников.

Кроме того, по первоначальному проекту масло в подшипниках заменяли только при планово-предупредительных ремонтах или планово-техническом обслуживании. Контролировать наличие смазки при эксплуатации машины было трудно. Исправность подшипников проверяли «на слух». При реконструкции машин была смонтирована централизованная система смазки: из емкости (10 м 3), установленной в отдельном помещении, шестеренчатым насосом отфильтрованное масло стали подавать в напорные трубопроводы и через ответвления - к ротаметрам, от ротаметров - к подшипникам. Пройдя через подшипник, масло попадало в отстойник и фильтр, где очищалось от механических примесей, охлаждалось и снова поступало в рабочую емкость. Давление, температура и уровень масла в баке контролировались автоматически. При остановке маслонасосов и падении давления в напорной линии срабатывала звуковая и световая сигнализация, включались резервные насосы.

Для очистки машин от подтеков масла и оседающей на них пыли оказалось эффективным применение 2%-ного раствора технического моющего средства ТМС-31 (при 50...70° С). По всей длине машины устроена стационарная система для мойки агрегатов и механизмов. Внедрение системы очистки позволило ежесменно, не останавливая машины, смывать подтеки масла и пыль. Кроме того, из производства изъято 10 т керосина, значительно улучшены условия труда работающих.

Перегревы и воспламенения транспортерных лент и приводных ремней наступают в основном в результате длительного проскальзывания ремня или ленты относительно шкива. Такое проскальзывание, называемое буксованием, возникает в силу несоответствия между передаваемым усилием и натяжением ветвей ремня (ленты). При буксовании вся энергия расходуется на трение ремня о шкив, в результате чего выделяется значительное количество тепла. Наиболее часто буксование транспортерных лент, лент элеваторов и ременных передач возникает из-за перегрузки или слабого натяжения ремня. У элеваторов причиной буксования чаще всего является завал башмака, то есть такое состояние, когда ковш элеватора не может пройти сквозь толщу транспортируемого вещества. К перегрузке и буксованию могут привести защемление ленты, перекосы и т. п.

Максимальную температуру барабана или шкива при длительной пробуксовке ленты или ремня можно определить по формуле (5.14).

Во избежание перегревов и загораний транспортерных лент и приводных ремней нельзя допускать работу с перегрузкой; следует контролировать степень натяжения ленты, ремня, их состояние Нельзя допускать завалов башмаков элеваторов продукцией, перекосов лент и трения их о кожухи и другие рядом находящиеся предметы. В некоторых случаях (при использовании мощных высокопроизводительных транспортеров и элеваторов) применяют устройства и приспособления, автоматически сигнализирующие о работе передачи с перегрузкой и останавливающие движение ленты при завале башмака элеватора.

Иногда для уменьшения буксования ремень трансмиссии посыпают канифолью, но это дает лишь кратковременный эффект. Обработка же ремня канифолью способствует образованию зарядов статического электричества, что представляет определенную пожарную опасность. Лучше в этом случае использовать клиноременную передачу.

Загорание волокнистых материалов при наматывании их на валы наблюдается на прядильных фабриках, льнозаводах, а также в комбайнах при уборке зерновых культур. Волокнистые материалы и соломистые продукты наматываются на валы около подшипников. Наматывание сопровождается постепенным уплотнением массы, а затем сильным нагреванием ее при трении о стенки машины, обугливанием и, наконец, воспламенением. Иногда загорание происходит в результате наматывания волокнистых материалов на валы транспортеров, перемещающих отходы и готовую продукцию. На прядильных фабриках загорания часто возникают в результате обрыва шнура или тесьмы, с помощью которых приводятся во вращение веретена прядильных машин.

Наматыванию волокнистых материалов на вращающиеся валы машин способствует наличие увеличенного зазора между валом иподшипником (попадая в этот зазор, волокно заклинивается, защемляется, начинается процесс наматывания его на вал со все более сильным уплотнением слоев), наличие оголенных участков вала, с которыми соприкасаются волокнистые материалы, а также использование влажного и загрязненного сырья.

Для предотвращения наматывания волокнистых материалов на вращающиеся валы машин необходимо защитить валы от непосредственного соприкосновения с обрабатываемыми волокнистыми материалами путем использования втулок (рис. 5.15), цилиндрических и конических кожухов, кондукторов, направляющих планок, противонамоточных щитов и т. п. Кроме того, следует установить минимальные зазоры между цапфами вала и подшипниками, не допуская их увеличения; вести систематическое наблюдение за валами, где может быть наматывание, своевременно очищая их от волокон, защитить их специальными противонамоточными острыми ножами, разрезающими наматываемое волокно. Такую защиту имеют, например, трепальные машины на льнозаводах.

Рис. 5.15. Защита вала от наматывания волокнистых материалов: а - свободно насаженной прямой втулкой; б - неподвижной конусной втулкой; 1 - подшипник; 2 - вал; 3 - защитная втулка

Тепловое проявление механической энергии в условиях производства наблюдается при работе прессов и компрессорных установок. Пожарная опасность этих механизмов рассмотрена в главах 10 и 11 данного учебника.

§ 5.4. Тепловое проявление химических реакций -

Искровой разряд возникает в тех случаях, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Значение зависит от давления газа; для воздуха при атмосферном давлении оно составляет около . С увеличением давления возрастает. Согласно экспериментальному закону Пашена отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно:

Искровой разряд сопровождается образованием ярко светящегося извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Примером можт служить молния; длина ее бывает до 10 км, диаметр канала - до 40 см, сила тока может достигать 100 000 и более ампер, продолжительность импульса составляет около .

Каждая молния состоит из нескольких (до 50) импульсов, следующих по одному и тому же каналу; их общая длительность (вместе с промежутками между импульсами) может достигать нескольких секунд. Температура газа в искровом канале бывает до 10000 К. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Поэтому искровой разряд сопровождается звуковыми явлениями - от слабого треска при искре малой мощности до раскатов грома, сопровождающих молнию.

Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала, получившего название стримера. Этот канал получается путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на пути искры. Родоначальником каждой лавины служит электрон, образующийся путем фотоионизации. Схема развития стримера показана на рис. 87.1. Пусть напряженность поля такова, что электрон, вылетевший за счет какого-либо процесса из катода, приобретает на длине свободного пробега энергию, достаточную для ионизации.

Поэтому происходит размножение электронов - возникает лавина (образующиеся при этом положительные ионы не играют существенной роли вследствие гораздо меньшей подвижности; они лишь обусловливают пространственный заряд, вызывающий перераспределение потенциала). Коротковолновое излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов (это излучение показано на схеме волнистыми линиями), вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые лавины. После перекрывания лавин образуется хорошо проводящий канал - стример, по которому устремляется от катода к аноду мощный поток электронов - происходит пробой.

Если электроды имеют форму, при которой поле в межэлектродном пространстве приблизительно однородно (например, представляет собой шары достаточно большого диаметра), то пробой возникает при вполне определенном напряжении значение которого зависит от расстояния между шарами . На этом основан искровой вольтметр, с помощью которого измеряют высокое напряжение . При измерениях определяется наибольшее расстояние при котором возникает искра. Умножив затем на получают значение измеряемого напряжения.

Если один из электродов (или оба) имеет очень большую кривизну (например, электродом служит тонкая проволока или острие) то при не слишком большом напряжении возникает так называемый коронный разряд. При увеличении напряжения этот разряд переходит в искровой или дуговой.

При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходят не во всем межэлектродном пространстве, а лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность ноля достигает значений, равных или превышающих . В этой части разряда газ светится. Свечение имеет вид короны, окружающей электрод, чем и вызвано название этого вида разряда. Коронный разряд с острия имеет вид светящейся кисти, в связи с чем его иногда называют кистевым разрядом. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной или отрицательной коронах. Между коронирующим слоем и некоронирующим электродом расположена внешняя область короны. Режим пробоя существует только в пределах коронирующего слоя. Поэтому можно сказать, что коронный разряд представляет собой неполный пробой газового промежутка.

В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области короны поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизации или возбуждения молекул.

Поэтому проникшие в эту область электроны дрейфуют под действием ноля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, вследствие чего образуются отрицательные ионы. Таким образом, ток во внешней области обусловливается только отрицательными носителями - электронами и отрицательными ионами. В этой области разряд имеет несамостоятельный характер.

В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду - аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внешней области короны служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду.

Если оба электрода имеют большую кривизну (два коронирующих электрода), вблизи каждого из них протекают процессы, присущие коронирующему электроду данного знака. Оба коронирующих слоя разделяются внешней областью, в которой движутся встречные потоки положительных и отрицательных носителей тока. Такая корона называется двуполярной.

Упоминавшийся в § 82 при рассмотрении счетчиков самостоятельный газовый разряд представляет собой коронный разряд.

Толщина коронирующего слоя и сила разрядного тока растут с увеличением напряжения. При небольшом напряжении размеры короны малы и ее свечение незаметно. Такая микроскопическая корона возникает вблизи острия, с которого стекает электрический ветер (см. § 24).

Корона, появляющаяся под действием атмосферного электричества на верхушках корабельных мачт, деревьев и т. п., получила в старину название огней святого Эльма.

В высоковольтных устройствах, в частности в линиях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока. Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. С этой целью, например, провода высоковольтных линий берут достаточно большого диаметра, тем большего, чем выше напряжение линии.

Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах. Очищаемый газ движется в трубе, по оси которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области короны, оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду. Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при ударах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник.

Искровой разряд

Искрово́й разря́д (искра электрическая) - нестационарная форма электрического разряда , происходящая в газах . Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 . В природе искровые разряды часто возникают в виде молний . Расстояние, «пробиваемое» искрой в воздухе, зависит от напряжения и считается равным 10 кВ на 1 сантиметр.

Условия

Искровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда . В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение очень короткого времени (от несколько микросекунд до нескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искрового разряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа - чаще всего дугового . Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то наблюдается форма самостоятельного разряда, называемая искровым разрядом.

Природа

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок - искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой , в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов , интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии - гром).

Напряжение зажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряженность электрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт на сантиметр (кв/см) в момент пробоя до ~100 вольт на сантиметр (в/см) спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер.

Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд , возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга . Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.

Поведение искрового разряда очень хорошо можно разглядеть на замедленной съёмке разрядов (Fимп.=500 Гц,U=400 кВ) , полученных с трансформатора Тесла. Средний ток и длительность импульсов недостаточна для зажигания дуги, но для образования яркого искрового канала вполне пригодна.

Примечания

Источники

А. А. Воробьев, Техника высоких напряжений. - Москва-Ленинград, ГосЭнергоИздат, 1945.
Физическая энциклопедия, т.2 - М.:Большая Российская Энциклопедия стр.218 .
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М .: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Искровой разряд" в других словарях:

- (искра), неустановившийся электрич. разряд, возникающий в том случае, когда непосредственно после пробоя разрядного промежутка напряжение на нём падает в течение очень короткого времени (от неск. долей мкс до сотен мкс) ниже величины напряжения… … Физическая энциклопедия

искровой разряд - Электрический импульсный разряд в форме светящейся нити, происходящий при высоком давлении газа и характеризующийся большой интенсивностью спектральных линий ионизированных атомов или молекул. [ГОСТ 13820 77] искровой разряд Полный разряд в… … Справочник технического переводчика

- (искра электрическая) нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрическом поле при давлении газа до нескольких атмосфер. Отличается извилистой разветвленной формой и быстрым развитием (ок. 10 7 с). Температура в главном канале … Большой Энциклопедический словарь

Kibirkštinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spark discharge vok. Funkenentladung, f; Funkentladung, f rus. искровой разряд, m pranc. décharge par étincelles, f … Fizikos terminų žodynas

Искра, одна из форм электрического разряда в газах; возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом «треском» искры. В природных условиях И. р. наиболее часто наблюдается в виде молнии… … Большая советская энциклопедия

Искра электрическая, нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрич. поле при давлении газа до неск. сотен кПа. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (ок. 10 7 с), сопровождается характерным звуковым… … Большой энциклопедический политехнический словарь

- (искра электрическая), нестационарный электрич. разряд в газе, возникающий в электрич. поле при давлении газа до неск. атм. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (ок. 10 7с). Темп pa в гл. канале И. р. достигает 10 000 К … Естествознание. Энциклопедический словарь

4.9. На основании собранных данных вычисляют коэффициент безопасности K s в следующей последовательности.
4.9.1. Вычисляют среднее время существования пожаровзрывоопасного события (t0) (среднее время нахождения в отказе) по формуле
(68)
где tj - время существования i -го пожаровзрывоопасного события, мин;
m - общее количество событий (изделий);
j - порядковый номер события (изделия).
4.9.2. Точечную оценку дисперсии (D 0) среднего времени существования пожаровзрывоопасного события вычисляют по формуле
(69)
4.9.3. Среднее квадратическое отклонение () точечной оценки среднего времени существования события - t0 вычисляют по формуле
(70)
4.9.4. Из табл. 5 выбирают значение коэффициента t b в зависимости от числа степеней свободы (m -1) при доверительной вероятности b=0,95.
Таблица 5

m -1	1	2	От 3 до 5	От 6 до 10	От 11 до 20	20
t b	12,71	4,30	3,18	2,45	2,20	2,09

4.9.5. Коэффициент безопасности (K б) (коэффициент, учитывающий отклонение значения параметра t0, вычисленного по формуле (68), от его истинного значения) вычисляют из формулы
(71)
4.9.6. При реализации в течение года только одного события коэффициент безопасности принимают равным единице.
5. Определение пожароопасных параметров тепловых источников интенсивности отказов элементов
5.1. Пожароопасные параметры тепловых источников
5.1.1. Разряд атмосферного электричества
5.l.l.l. Прямой удар молнии
Опасность прямого удара молнии заключается в контакте горючей среды с каналом молнии, температура в котором достигает 30000°С при силе тока 200000 А и времени действия около 100 мкс. От прямого удара молнии воспламеняются все горючие среды.
5.1.1.2. Вторичное воздействие молнии
Опасность вторичного воздействия молнии заключается в искровых разрядах, возникающих в результате индукционного и электромагнитного воздействия атмосферного электричества на производственное оборудование, трубопроводы и строительные конструкции. Энергия искрового разряда превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих веществ с минимальной энергией зажигания до 0,25 Дж.
5.1.1.3. Занос высокого потенциала
Занос высокого потенциала в здание происходит по металлическим коммуникациям не только при их прямом поражении молнией, но и при расположении коммуникаций в непосредственной близости от молниеотвода. При соблюдении безопасных расстояний между молниеотводами и коммуникациями энергия возможных искровых разрядов достигает значений 100 Дж и более, то есть достаточна для воспламенения всех горючих веществ.
5.1.2. Электрическая искра (дуга)
5.1.2.1. Термическое действие токов короткого замыкания
Температуру проводника (t пр), °С, нагреваемого током короткого замыкания, вычисляют по формуле

(72)
где t н - начальная температура проводника, °С;
I к.з - ток короткого замыкания, А;
R - сопротивление проводника, Oм;
tк.з - время короткого замыкания, с;
С пр - теплоемкость проводника, Дж×кг-1×К-1;
m пр - масса проводника, кг.
Воспламеняемость кабеля и проводника с изоляцией зависит от значения кратности тока короткого замыкания I к.з, т. е. от значения отношения I к.з к длительно допустимому току кабеля или провода. Если эта кратность больше 2,5, но меньше 18 для кабеля и 21 для провода, то происходит воспламенение поливинилхлоридной изоляции.
5.1.2.2. Электрические искры (капли металла)
Электрические искры (капли металла) образуются при коротком замыкании электропроводки, электросварке и при плавлении электродов электрических ламп накаливания общего назначения. Размер капель металла при этом достигает 3 мм (при потолочной сварке - 4 мм). При коротком замыкании и электросварке частицы вылетают во всех направлениях, и их скорость не превышает 10 и 4 м×с-1 соответственно. Температура капель зависит от вида металла и равна температуре плавления. Температура капель алюминия при коротком замыкании достигает 2500 °С, температура сварочных частиц и никелевых частиц ламп накаливания достигает 2100 °C. Размер капель при резке металла достигает 15-26 мм, скорость - 1 м×с-1 температура 1500 °C. Температура дуги при сварке и резке достигает 4000 °С, поэтому дуга является источником зажигания всех горючих веществ.
Зона разлета частиц при коротком замыкании зависит от высоты расположения провода, начальной скорости полета частиц, угла вылета и носит вероятностный характер. При высоте расположения провода 10 м вероятность попадания частиц на расстояние 9 м составляет 0,06; 7м-0,45 и 5 м-0,92; при высоте расположения 3 м вероятность попадания частиц на расстояние 8 м составляет 0,01, 6 м - 0,29 и 4 м- 0,96, а при высоте 1 м вероятность разлета частиц на 6 м- 0,06, 5 м - 0,24, 4 м - 0,66 и 3 м - 0,99.
Количество теплоты, которое капля металла способна отдать горючей среде при остывании до температуры ее самовоспламенения, рассчитывают следующим способом.
Среднюю скорость полета капли металла при свободном падении (wк), м×с-1, вычисляют по формуле
(73)
где g =9,8l м×с-1 - ускорение свободного падения;
Н - высота падения, м.
Объем капли металла (V к), м3, вычисляют по формуле

(74)
где d k - диаметр капли, м.
Массу капли (m k), кг, вычисляют по формуле
(75)
где r - плотность металла, кг×м-3.
В зависимости от продолжительности полета капли возможны три ее состояния: жидкое, кристаллизации, твердое.
Время полета капли в расплавленном (жидком) состоянии (tp), с, рассчитывают по формуле

(76)
где C p - удельная теплоемкость расплава металла, Дж×к-1К-1;
m k - масса капли, кг;
S k=0,785 - площадь поверхности капли, м2;
Т н, Т пл - температура капли в начале полета и температура плавления металла соответственно, К;
Т 0 - температура окружающей среды (воздуха), К;
a - коэффициент теплоотдачи, Вт, м-2 К-1.
Коэффициент теплоотдачи определяют в следующей последовательности:
а) вычисляют число Рейнольдса по формуле
(77)
где d k - диаметр капли м;
v = 15,1×10-6 - коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре 20°С, м-2×с-1.
б) вычисляют критерий Нуссельта по формуле
(78)
в) вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле
, (79)
где lВ=22×10-3 - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт×м-1× -К-1.
Если t£tр, то конечную температуру капли определяют по формуле

(80)
Время полета капли, в течение которого происходит ее кристаллизация, определяют по формуле

(81)
где С кр - удельная теплота кристаллизации металла, Дж×кг-1.
Если tр (82)
Если t>(tр+tкр), то конечную температуру капли в твердом состоянии определяют по формуле
(83)
где С к - удельная теплоемкость металла, Дж кг -1×K-1.
Количество тепла (W ), Дж, отдаваемое каплей металла твердому или жидкому горючему материалу, на который она попала, вычисляют по формуле
(84)
где Т св - температура самовоспламенения горючего материала, К;
К - коэффициент, равный отношению тепла, отданного горючему веществу, к энергии, запасенной в капле.
Если отсутствует возможность определения коэффициента К , то принимают К =1.
Более строгое определение конечной температуры капли может быть проведено при учете зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры.
5.1.2.3. Электрические лампы накаливания общего назначения
Пожарная опасность светильников обусловлена возможностью контакта горючей среды с колбой электрической лампы накаливания, нагретой выше температуры самовоспламенения горючей среды. Температура нагрева колбы электрической лампочки зависит от мощности лампы, ее размеров и расположения в пространстве. Зависимость максимальной температуры на колбе горизонтально расположенной лампы от ее мощности и времени приведена на черт. 3.

Черт. 3

5.1.2.4. Искры статического электричества
Энергию искры (W и), Дж, способной возникнуть под действием напряжения между пластиной и каким-либо заземленным предметом, вычисляют по запасенной конденсатором энергии из формулы
(85)
где С - емкость конденсатора, Ф;
U - напряжение, В.
Разность потенциалов между заряженным телом и землей измеряют электрометрами в реальных условиях производства.

Если W и³0,4 W м.э.з (W м.э.з ¾ минимальная энергия зажигания среды), то искру статического электричества рассматривают как источник зажигания.
Реальную опасность представляет “контактная” электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами. При соприкосновении человека с заземленным предметом возникают искры с энергией от 2,5 до 7,5 мДж. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека и от потенциала зарядов статического электричества показана на черт. 4.
5.1.3. Механические (фрикционные) искры (искры от удара и трения)
Размеры искр удара и трения, которые представляют собой раскаленную до свечения частичку металла или камня, обычно не превышают 0,5 мм, а их температура находится в пределах температуры плавления металла. Температура искр, образующихся при соударении металлов, способных вступать в химическое взаимодействие друг с другом с выделением значительного количества тепла, может превышать температуру плавления и поэтому ее определяют экспериментально или расчетом.
Количество теплоты, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры t н до температуры самовоспламенения горючей среды t св вычисляют но формуле (84), а время остывания t - следующим образом.
Отношение температур (Qп) вычисляют по формуле
(86)
где t в - температура воздуха, °С.
Коэффициент теплоотдачи (a ), Вт×м-2×К-1, вычисляют по формуле
(87)
где w и - скорость полета искры, м×с-1.
Скорость искры (w и), образующейся при ударе свободно падающего тела, вычисляют по формуле
(88)
а при ударе о вращающееся тело по формуле
(89)
где n - частота вращения, с-1;
R - радиус вращающегося тела, м.
Скорость полета искр, образующихся при работе с ударным инструментом, принимают равной 16 м×с-1, а с высекаемых при ходьбе в обуви, подбитой металлическими набойками или гвоздями, 12 м×с-1.
Критерий Био вычисляют по формуле
(90)
где d и - диаметр искры, м;
lи - коэффициент теплопроводности металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества (t св), Вт м -1×K-1.
По значениям относительной избыточной температуры qп и критерия В i определяют по графику (черт. 5) критерий Фурье.

Черт. 5

Длительность остывания частицы металла (t), с, вычисляют по формуле
(91)
где F 0 - критерий Фурье;
С и - теплоемкость металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, Дж×кг-1×К-1;
rи - плотность металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, кг×м-3.
При наличии экспериментальных данных о поджигающей способности фрикционных искр вывод об их опасности для анализируемой горючей среды допускается делать без проведения расчетов.
5.1.4. Открытое пламя и искры двигателей (печей)
Пожарная опасность пламени обусловлена интенсивностью теплового воздействия (плотностью теплового потока), площадью воздействия, ориентацией (взаимным расположением), периодичностью и временем его воздействия на горючие вещества. Плотность теплового потока диффузионных пламен (спички, свечи, газовой горелки) составляет 18-40 кВт×м-2, а предварительно перемешанных (паяльные лампы, газовые горелки) 60-140 кВт×м-2 В табл. 6 приведены температурные и временные характеристики некоторых пламен и малокалорийных источников тепла.
Таблица 6

Наименование горящего вещества (изделия) или пожароопасной операции	Температура пламени (тления или нагрева), оС	Время горения (тления), мин
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости	880	¾
Древесина и лесопиломатериалы	1000	-
Природные и сжиженные газы	1200	-
Газовая сварка металла	3150	-
Газовая резка металла	1350	-
Тлеющая папироса	320-410	2-2,5
Тлеющая сигарета	420¾460	26-30
Горящая спичка	600¾640	0,33

Открытое пламя опасно не только при непосредственном контакте с горючей средой, но и при ее облучении. Интенсивность облучения (g р), Вт×м-2, вычисляют по формуле

(92)
где 5,7 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт×м-2×К-4;
eпр - приведенная степень черноты системы

(93)
eф - степень черноты факела (при горении дерева равна 0,7, нефтепродуктов 0,85);
eв - степень черноты облучаемого вещества принимают по справочной литературе;
Т ф - температура факела пламени, К,
Т св - температура горючего вещества, К;
j1ф- коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями.
Критические значения интенсивности облучения в зависимости от времени облучения для некоторых веществ приведены в табл. 7.
Пожарная опасность искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также других машин, костров, в значительной степени определяется их размером и температурой. Установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм-800 °С, диаметром 5 мм-600 °С.
Теплосодержание и время остывания искры до безопасности температуры вычисляют по формулам (76 и 91). При этом диаметр искры принимают 3 мм, а скорость полета искры (wи), м×с-1, вычисляют по формуле

(94)
где wв - скорость ветра, м×с-1;
H - высота трубы, м.
Таблица 7

Материал	Минимальная интенсивность облучения, Вт×м-2, при продолжительности облучения, мин
	3	5	15
Древесина (сосна влажностью 12%)	18800	16900	13900
Древесно-стружечная плита плотностью 417 кг×м-3	13900	11900	8300
Торф брикетный	31500	24400	13200
Торф кусковой	16600	14350	9800
Хлопок-волокно	11000	9700	7500
Слоистый пластик	21600	19100	15400
Стеклопластик	19400	18600	17400
Пергамин	22000	19750	17400
Резина	22600	19200	14800
Уголь	¾	35000	35000