الكهرباء الساكنة و تراكم الشحنة

التعريفات

أنواع من التفريغات

آليات تراكم الشحنة

أنظمة السوائل – تيار التدفق

التعامل مع المواد الصلبة

توازن الشحنات

الربط و التأريض

دراسات حالات

- التعريفات

الموصل

هو مادة غير قادرة على الإحتفاظ بشحنة كهربية كبيرة عندما تكون في اتصال مع الأرض و لها مقدار مقاومية مساوي أو أقل من 10⁴Ω•m

المبددة

هي مادة غير قادرة على الإحتفاظ بشحنة كهربية كبيرة عندما تكون في اتصال مع الأرض و لها مقدار مقاومية أعلى من 10⁴Ω•m ولكن مساوية أو أقل من 10⁹Ω•m والقياس في درجة الحرارة المحيطة والرطوبة النسبية 50%

الغير موصل – العازل

مادة لها مقدار مقاومة أعلى من 10⁹Ω•m

- شرارة التفريغات

- تفريغ الكهرباء الساكنة بين موصلين

- توليد شرارة تفريغات

- تراكم الشحنة على جسم موصل

- شدة المجال الكهربي يتجاوز قوة الغلاف الجوي المحيط

- قابلية الإشتعال – الغازات، الأبخرة، الغبار

- نقل الطاقة – يصل إلى 10.000 mJ

- تفريغ الفرشاة

توليد فرشاة تفريغات

يتحرك القطب الموصل تجاه جسم عازل مشحون.

السطح أو البطانة الغير موصلة يجب أن يكون لها جهد الإنهيار أكبر من 4 KV كيلو فولت و سمك أكبر من 2 مم.

الطلاء العازل يمكن أن يكون طبقة مسحوق صلب.

قابلية الإشتعال – الغازات، الأبخرة، الغبار

نقل الطاقة – يصل إلى 4 mJ

- تفريغ فرشاة منتشر

- توليد تفريغ فرشاة منتشر

شحن ثنائي القطب لمادة عالية المقاومة (غير موصلة) تبطن موصل آخر.

تتجاوز قوة المجال قوة المقاومة الكهربية العالية للمادة. البطانة غير الموصلة  يجب أن يكون لها جهد إنهيار أكبر من 4 kv
قابلية الاشتعال – الغازات، الابخرة ، الغبار

نقل الطاقة – يصل إلى 100.000 mJ

المساهم الرئيسي في اشتعالات الكهرباء الساكنة.

- التفريغ المخروطي الشكل

- توليد تفريغ المخروط

أوعية أكبر من 1 متر مكعب.

معدل الملء السريع نسبياً، أكبر من 0.5 كجم/ثانية.

المقاومة العالية أكبر من (10¹⁰Ωm) لمعظم المنتج ، بقطر أكبر من 1 مم.

تراكم الشحنة في معظم المنتج.

تتجاوز قوة المجال القوة الكهربية للغلاف الجوي المحيط.

فابلية الإشتعال-- غازات،أبخرة،غبار

نقل الطاقة يصل إلى 1000mJ

- قابلية الإشتعال للتفريغات

نوع التفريغ	نقل الطاقة	قابلية الإشتعال
شرارة	> 10,000 mJ	غازات، أبخرة، غبار
فرشاة	> 4 mJ	غازات، أبخرة
فرشاة منتشرة	>100,000 mJ	غازات، أبخرة، غبار
مخروط	> 1,000 mJ	غازات، أبخرة، غبار
هالة	> 0.1 mJ	بعض الغازات مع MIEمنخفض

- تراكم الشحنة

كلما كانت مادتين في اتصال، تنتقل الإلكترونات من سطح إلى آخر. كما يتم انفصال المواد و تبقى أكثرالإلكترونات على سطح واحد من الآخر، مادة واحدة تأخذ شحنة موجبة و الآخرى تأخذ شحنة سالبة.

- آليات تراكم الشحنة

- الإتصال و الإحتكاك

- الطبقة المزدوجة

- الحث

- النقل

- الشحن بالاتصال و الاحتكاك

نقل الغبار

مثل . النقل الهوائي للبودرة/ المواد الصلبة

صب البودرة

مثل. صب المواد الصلبة أسفل المزالق و الأحواض

التروس و الأحزمة

مثل. نقل الشحنة من سطح لآخر

- شحن الطبقة المزدوجة

بسبب الإحتكاك و الحركة على الأسطح بمقياس الميكرو

• سائل-سائل
• سائل-صلب
• صلب-صلب
• غاز-سائل
• غاز-صلب

- الحث

عندما يخضع موصل معزول لمجال كهربي ينمي شحنة قطبية على الجسم. إذا كان الجسم مؤرض تقترب الشحنات من مصدر التأريض و تتدفق بعيداً عن الجسم مع اشارة صافي شحنة معاكسة.

- الشحن بالنقل

النتائج المستفادة من الغبار المشحون، والجزيئات السائلة و الصلبة تستقر على السطح و تنقل شحناتها إلى السطح الجديد.

معدل تراكم الشحنة هو دالة معدل النقل.

- عمليات معالجة السوائل

العديد من عمليات معالجة السوائل يمكن أن تولد كهرباء ساكنة. وهذه تكون مشكلة عندما يتم استخدام أنابيب غير موصلة (مبطنة بالزجاج أو التفلون) دون الربط الكافي.

- تدفق السائل في الأوعية

عندما يتدفق سائل داخل وعاء فإنه يحمل شحنة يمكن أن تتراكم في الخزان إذا كان الخزان غير مؤرض بشكل صحيح.

التفتيش الروتيني للتأريض يقلل من الشحنة التي تؤدي للحرائق و الأنفجارات بسبب تفريغ الشرارة من الخزان المشحون.

- رش التعبئة

عند تساقط سوائل(أو مواد صلبة) غير موصلة خلال الهواء يلتقط شحنة ساكنة كبيرة.

عندما يكون هناك رش أو رذاذ تتراكم الشحنة الساكنة.وهذا يمكن أن يكون مصدر للشرارات.

- رش السوائل

عند رش السوائل في الهواء يمكن أن تتراكم شحنة ثابتة بسرعة إلى حد ما في بعض السوائل. السوائل الغير موصلة عادة ما تتراكم عليها الشحنة الثابتة بسرعة أكبر.

- تدفق التيار

عند تدفق سائل أو مادة صلبة، يوجد نقل للاكترونات من سطح لآخر لأنها تلامس بعضها البعض

للسوائل يمكن قياس التيار المتدفق I_s باستخدام المعادلة 12-7 للتدفق الطبقي

حيث f هو عامل الإحتكاك المروحي

رقم رينولدز

εr ثابت العزل الكهربي جدول 1.2

ζ هو قيم جهد زيتا ل 0.01 إلى 0.1 (في أسوء حالة)

للتدفق المضطرب استخدم المعادلة 14-7.

حيث

δ=√Dmτ

Dm معدل الإنتشار الجزيئي

τ زمن الاسترخاء= εoεr/γc

γc موصلية محددة mho/cm (جدول 1-7)

- هبوط الجهد الكهروستاتيكي

للتدفق خلال الانابيب الغيرموصلة (المبطنة بالزجاج، التفلون) هبوط الجهد يمكن أن يزيد بتدفق السائل.

V=IsR

حيث R يمكن حسابها من موصلية السائل

R=L/γcA

حيث :

L طول الأنبوب الغير موصل

γc موصلية محددة للسائل (جدول 1-7)

A مساحة التدفق المقطعية

- تراكم الشحنة بـ Is

- يمكن للشحنات أن تتراكم كنتيجة لتيار التدفق

بافتراض أن تيار تدفق ثابت

الشحنة المتراكمة بفعل التعامل مع المواد الصلبة

دائما ما يساء تقريبا تعريف الأشكال الهندسية الصلبة، لذلك تحتاج إلى أن تستند إلى حسابات تجريبية. عمليات المعالجة الصلبة لديها سعات شحنة مختلفة تحدد تجريبيا.

Q= كثافة الشحنة × معدل الشحنة × الزمن

الجدول 5-7

العملية	كثافة الشحنة كولوم/كجم
الغربلة	10-9 to 10-11
الصب	10-7 to 10-9
طحن	10-6 to 10-7
الإنزلاق إلى أسف المنحدر	10-5 to 10-7
النقل الهوائي	10-5 to 10-7

- السعة الكهربية

السعة C=Q/V ، للكرة C= 4p εoεrr ، للألواح C=εoεr A/l

حيث C هي السعة الكهربية، فاراد او كولوم/ فولت

εr ثابت العزل الكهربائي النسبي الذي هو خاصية السائل أو الغاز

εo ثابت السماحية = 2.2 × 10^-12 كولوم/فولت.قدم=8.85 × 10^{-12 كولوم/فولت.قدم=8.85 × 10-14 s/Ω.cm}

^{r هو قطر الكرة بالمتر}

^{A هو مساحة سطح اللوح بالمتر المربع}

^{L هو سمك اللوحة بالمتر}

^{O هو الشحنة بالكولوم}

^{V هو فرق الجهد}

- سعة الأجسام المختلفة

الجدول 7-6
الجسم	السعة (فارارد)
صفيحة صغيرة	5 × 10-12
دلو	10 × 10-12
برميل	100 × 10-12
شخص	200 × 10-12
سيارة	500 × 10-12
صهريج شاحنة	1000 × 10-12

- الطاقة الكهروستاتيكية المخزنة

E=Q²/2C الوحدات > كولوم/(كولوم/فولت)=(كولوم.فولت)=جول

E=Q²/2C الوحدات > (كولوم/فولت) (فولت)²=(كولوم.فولت)=جول

E=Q²/2C الوحدات > (كولوم × فولت)=(كولوم.فولت)=جول

- حسابات

تحديد السعة، C، لجسم أو حاوية محتويات، المعبر عنها بفاراد أو كولوم لكل فولت.

تحديد الشحنة المتراكمة، Q، المعبر عنها بالكولوم.

حساب الطاقة المتراكمة، E، المعبر عنها ب جول أو ميغاجول.

مقارنة بالنثريات من الغبار أو البخار.

- مثال – التعامل مع المواد الصلبة

تحديد المخاطر المحتملة للنقل الهوائي البودرة الجافة (بودرة جافة مع حجم جسيمات أكبر من 1 مم) بمعدل 30.000 كجم /ساعة في وعاء معدني له حجم 70 متر مكعب.

المعطيات: البودرة لها كثافة في المعظم 600 كجم/متر مكعب؛ الوعاء له هندسة كروية؛ ويتم دفع 70 متر مكعب بودرة في الوعاء. البودرة قابلة للإشتعال مع نثريات ب 20 ميجا جول.

- الحل

- تحديد قطر الكرة:

- تحديد السعة

C= 4p εoεr r

εr =

1 للهواء (جدول 1-7) تحدث الشرارة داخل فجوة الهواء

- تحديد كتلة التغذية:

- حساب الشحنة المتراكمة (جدول 5-7)

حساب الطاقة:

وهذا أكبر من نثريات البودرة. إذا كان هناك مايكفي من الهواء فهذا خطر جداً.

هذه الشحنة الكلية التي يمكن أن تذهب داخل الوعاء في حين الملء. تفريغات متعددة قد تحدث، وبالتأكيد لن يكون هناك تفريغات كومة مخروطية (إلا إذا وصلت بالأرض).

- مثال – التعامل مع السوائل

تحديد الجهد المتزايد بين فوهة الشحن و الخزان المؤرض والشحنة المتراكمة خلال عمليات الملء عند 150 جالون في الدقيقة.

معلومات إضافية:

طول خرطوم غير موصل 20 قدم

قطر خرطوم 2 بوصة

موصلية السائل 10-8 MHO /cm

انتشارية السائل 2.2x10-5-1 cm2sec

ثابت العزل الكهربائي 25.7

الكثافة 0.88 G/CM3

اللزوجة 0.60 سنتي بواز

النثريات 0.10 ميغا جول

- الحل

الإجراء

- حساب انخفاض الجهد باستخدام

V = ISR (Eq. 7-17)

- حساب R باستخدام المعادلة. 7-18

- حساب IS باستخدام المعادلة. 7-12 أو 7-14

- حساب Q باستخدام Q = IST

- حساب

E = (QV / 2)

- المقارنة مع النثريات

- حساب المقاومة

- تحديد نوع التدفق (طبقي أو مضطرب)

- حساب تيار التدفق

- حساب انخفاض الجهد،الشحنة المتراكمة والطاقة :

- تحديد زمن الملء

- تحديد الشحنة المتراكمة

- تحديد الطاقة

وهذا أكبر من النثريات، ولذلك يوجد خطر حريق أو إنفجار

- توازن الشحنات

عندما يكون لديك وعاء له مداخل و مخارج متعددة، يمكنك تحديد تراكم الشحنة بواسطة توازن الشحنة.

النظر في تيارات التدفق، في الشحنات المحمولة بعيداً عن تدفقات الخروج، وفقدان الشحنات بفعل الاسترخاء.

حيث

هو التيار الآتي داخل الوعاء

هو التيار المتدفق خارج الوعاء

فقدان التيار بفعل الإسترخاء

زمن الإسترخاء

تعتمد الشحنات المتدفقة خارج الوعاء على الشحنة الموجودة بالفعل في الخزان

حيث
معدل التفريغ خلال مخرج j
حجم الوعاء أو الخزان
الشحنة الكلية في الخزان

وبالتالي يصبح توازن الشحنة

إذا كان التدفق Fj، تيارات التدفق، وأوقات الاسترخاء  ثابتة فإن هذه معادلة خطية مختلفة لها حل :

حيث

تستخدم العلاقة لتحديد الشحنة المتزايدة في الخزان كدالة الزمن النسبي للشحنة الأولية لـ Q0.

ويتم حساب سعة الوعاء كما كان من قبل (عادة تحمل ما يعادل الوعاء الكروي).

الطاقة الاستاتيكية المخزنة في الوعاء يتم حسابها من E=Q²/2C.

الأمثلة 9-7 و 10-7 يتم شرحها بإستخدام العلاقة.

- الترابط و التأريض

تراكم الشحنة ممكن دائماً عندما تتحرك السوائل أو المواد الصلبة. إمكانية التفريغ حاضرة دائماً.

يمكننا القضاء على الشرر إذا تأكدنا أن كل أجزاء النظام ترتبط بموصل.

تاريخيا كان هناك مشكلة صغيرة عندما كانت كل الأنابيب من النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ أو الحديد. تأتي المشكلة عندما تكون الأنابيب أو الأوعية من المبطنة بالزجاج أو التفلون أو مصنوعة من البوليمرات أو متصلة بحشو غير موصل.

لقد كان هناك دائما مشكلة عندما تَصُب إما سائل أو صلب خلال فضاء مفتوح، أي، عملية الملء.

- الترابط

هو إتصال سلك بين جسمين أو أكثر.

فرق الجهد بين جسمين يُخَفَّض إلى الصفر، ومع ذلك قد يكون لديهم فرق جهد بالنسبة إلى الأرض أو جسم غير موصل.

- التأريض

هو إتصال سلك موصل بين جسم مشحون و الأرض.

أي شحنة متراكمة في النظام يتم تصريفها بإتجاه الأرض.

شكل 7-7 و 7-8 يجب أن تقول خرطوم "غير" موصل

- تأريض الأوعية المبطنة بالزجاج

الأوعية المبطنة بالزجاج أو البلاستيك مؤرضة بإستخدام إضافة التنتالوم أو مجس معدني.

وهذا أقل فعالية إذا كان السائل له موصلية منخفضة.

للقضاء على الشحنة الإستاتيكية التي تتراكم من سوائل السقوط الحر خلال الهواء وتستخدم عصا العمق، لاحظ أن الحفرة لمنع عودة الشفط.

ويمكن أن تستخدم زاوية الحديد حتى يمتد السائل لأسفل الزاوية الحديد بدلاً من السقوط الحر.

- دراسات حالة لمصنع إنتاج

وفيما يلي سلسة من دراسات حالة الحوادث التي تحدث في الواقع عند basf و dow و المتشاركة مع عملية sache الكيميائية المشاركين في أمان حلقة العمل.

- عمليات ملئ المواد الصلبة

الحالة

يتم ضخ معظم المنتج الغير موصل من أصل 25 كجم من أكياس PE في الوعاء، التي يجري فيها آثار سائل قابل للإشتعال. وأثناء هز الكيس الفارغ يحدث إشتعال.

السبب

جميع طرق التعامل مع المواد الصلبة الغير موصلة أو معظم المنتجات قد يولد كهرباء ساكنة. بسبب الشحن الإتصالي لمعظم المنتج المنزلق، كلا من معظم المنتج ومواد التعبئة و التغليف أصبحت مشحونة. تفريغ الفرشاة يشكل سطح مزيج الهواء/البخار المشتعل بسوء.

الإحتياطات

إما ملء في المغلق، الوعاء أو تجنب توليد شحنة.

- العامل

الحالة

ملء عامل معظم منتج غير موصل من بين 25 كجم من أكياس PE في مذيب خلاط حر. تم تشغيل نظام العادم. كل المعدات مؤرضة، و الارضية مُبددة للشحنة، يرتدي العامل أحذية مبددة للشحنة. إنفجر وعاء التفاعل أثناء صب المنتج فيه.

السبب

كان إلتفاف البلاستيك التي ربطت الأكياس على المنصة النقالة على الأرض وكان العامل واقف عليها. وسمح هذا بتراكم الشحنة عليه.

الإحتياطات

أضمن دائما الإتصال بالأرض.

- الصمام

الحالة

يتم تثبيت كرة الصمام في نظام جمع النفايات الغازية. أثناء الإنتاج المعتاد وقع إنفجار؛ و تم تدمير نظام الأنابيب.

السبب

يتكون الصمام من أجزاء موصلة و غير موصلة. نقل معلقات الغبار أو قطرات ربما يولد شحنات تتراكم على الكرة و/أو العمود إذا لم ترتبط باﻷرض "ببيت الصمام المعدني". شرارة التفريغ من الكرة المشحونة إلى البيت سببت إنفجار.

الإحتياطات

ضمان الإتصال الأرضي للمعدات الموصلة.

اصطفاف برميل تعبئة معدني

الحالة

تم ملئ سائل نقي في برميل صلب مع بطانة بلاستيك داخلية. لتجنب سقوط الماء خارج البرميل تم إضافة قمع صغير في الفوهة. الفوهة و البرميل و الميزان تم تأريضها كلها. بالرغم من وجود نظام عادم كان هناك إنفجار أثناء ملء البرميل.

السبب

توليد شحنة كهروستاتيكية على سطح الطلاء الغير موصل لا يمكن نقلها. وكان القمع له سعة كافية ومعزول عن الأرض بواسطة حشو PE المبطن. شرارة التفريغ من القمع سببت إنفجار.

الإحتياطات

ضمان الإتصال الأرضي لجميع المعدات.

- تعبئة برميل PE

الحالة

تم فصل مزيج الماء و الهيدروكربون؛ وقد تم إطلاق مرحلة الماء من زمن لآخر في برميل PE يقع تحت الفاصل. خلال هذا الإطلاق وقعت النار في قمة برميل PE.

السبب

ملء الرش لبرميل PE ولدت تراكم شحنة للمادة الجدارية. ولد الإطلاق الغير مقصود لكمية صغيرة من الهيدروكربون ولدت جو قابل للإشتعال بواسطة فرشاة التفريغ.

الجو القابل للإشتعال في البرميل و الإشتعال حدث بواسطة فرشاة التفريغ.

الإحتياطات

تثبيت مؤشر مستوى بحيث لا يحدث إطلاق غير مقصود للمواد الهيدروكربونية.

- إثارة السائل

الحالة

بعد خلط مكثف، تم سكب انتشار قابل للإشتعال غير موصل من وعاء الخلط في برميل PE تم وضعه أسفل. نظام العادم كان في العملية، ولتجنب تراكم الشحنة تم إدراج عصا مؤرضة. و أثناء ملء البرميل حدث الحريق.

السبب

التحريك المكثف للسوائل الغير موصلة أو سوائل المراحل المتعددة يؤدي إلى تراكم شحنة. أدى ملء الرش في البرميل الغير موصل إلى تراكم شحنة عالي على جدران البرميل الداخلية وفرشاة تفريغ من الجدار إلى العصا المؤرضة.

الإحتياطات

تحتاج إلى نظام العادم و طريقة الملء آخرى منذ تشكل أجواء متفجرة و كهرباء ساكنة في نفس الوقت وفي نفس المكان.

- عملية ملء الكيس الفائقة

الحالة

تم تطهير وعاء المفاعل بـ N2 وتغذيته بالتولوين(سائل عديم اللون). أثناء عملية التغذية أُعد الراتنج للصب من كيس "معالج مقاوم للكهرباء الساكنة" فائق عبر منفذ الملء. نظام العادم كان يعمل.بمجرد بداية صب المنتج في الوعاء، حدث إنفجار.

السبب

تم توليد تراكم شحنة في كلا من ملء الرش و سكب معظم المنتج. تم تفادي الجو القابل للإشتعال في فراغ الغاز للوعاء. بواسطة تطهير N2، ولكن تم طرد الإطلاق الأول لخليط معظم المنتج toluene/dust/N2 أعلى في الهواء حيث حدث إشتعال إما من شرارة التفريغ من الكيس المعالج الفائق المشحون بما يكفي أو العامل المشحون بفرشاة التفريغ.

الإحتياطات

فقط ينبغي أن يستخدم التعبئة و التغليف مع المعالجة المضادة للكهرباء الساكنة.

- مرشح سلة

الحالة

تم نقل الأصباغ هوائياً من المطحنة النفاثة إلى المرشح. تم تعيين المنتج في المستقر في تبييت المرشح على النار ونقلها خلال الصمام الدوار في الصومعة. و قد تم تأرييض جميع الأجزاء الموصلة بشكل صحيح.

السبب

النقل الهوائي و مجموعة من الجسيمات الناعمة المشحونة هذة تولد تراكم شحنة عالي في المرشحات.شحن عالي للغاية عند الطلاء المطاطي للشفة المعدنية ولد فرشاة تفريغ مكاثرة. و قد أشعلت الجسيمات و سقطت في كومة المسحوق.

الإحتياطات

في النظم حيث معدلات الشحن العالي ممكنة. و يجب تجنب الجمع بين المواد الموصلة والغير موصلة. إستبدال طوق المطاط بآخر موصل.

الحفاظ على مستوى المؤشر

الحالة

تم حجب مستوى المؤشر في وعاء

الحالة

تم حجب مستوى المؤشر في وعاء مضغوط. إجراء الصيانة المعتادة هي سرعة إطلاق المنتج في دلو حتى يتم إزالة الرابط بين المؤشر و الوعاء. إثناء إجراء كهذا حدث حريق و أصيب شخصان.

السبب

إطلاق السائل المضغوط يولد قطرات مشحونة جداً مما يولد كلا من الجو المتفجر في المناطق المحيطة، و فرشاة التفريغ بين الصمام المفتوح و سطح الدلو الغير موصل.

الإحتياطات

لتنظيف فعال لابد من الإطلاق السريع. لتجنب الإشتعال يحتاج إلى تغيير الإجراء لتفريغ الضغط في نظام جمع النفايات الغازية.

 مضغوط. إجراء الصيانة المعتادة هي سرعة إطلاق المنتج في دلو حتى يتم إزالة الرابط بين المؤشر و الوعاء. إثناء إجراء كهذا حدث حريق و أصيب شخصان.

السبب

إطلاق السائل المضغوط يولد قطرات مشحونة جداً مما يولد كلا من الجو المتفجر في المناطق المحيطة، و فرشاة التفريغ بين الصمام المفتوح و سطح الدلو الغير موصل.

الإحتياطات

لتنظيف فعال لابد من الإطلاق السريع. لتجنب الإشتعال يحتاج إلى تغيير الإجراء لتفريغ الضغط في نظام جمع النفايات الغازية.

دراسات حالة

أولئك الذي يتجاهلون التاريخ مصيرهم تكراره.
المصادر:
http://web.mst.edu/~dludlow/classes/che258/Static%20Electricity%20and%20Charge%20Accumulation.ppt