ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ ВУГЛЕВОДНЕВИХ ПАЛИВ
ЯК СПОСІБ ОТРИМАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ВИСОКИХ НАПРУГ

ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ ВУГЛЕВОДНЕВИХ ПАЛИВ ЯК СПОСІБ ОТРИМАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ВИСОКИХ НАПРУГ

Обосновано получение электрической энергии с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях и применение зарядов статического электричества в положительных целях. Приведено разработку технологического способа и устройства получения электрической энергии с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях.

The receipt of electric energy from the division of charges in dielectric liquids and application of charges static electricity in positive aims is grounded. Development of technological method and device of receipt electric energy is resulted from the division of charges in dielectric liquids.

Загострення енергетичних проблем спонукає до пошуку нових джерел енергії, які мають в повній мірі задовольняти потреби людства в необхідній тепловій та електричній енергії, та забезпечувати причому високу екологічну чистоту, простоту і безпеку в обслуговуванні. Науковці всіх країн працюють над створенням альтернативних палив в порівнянні з вуглеводневим паливом, а також над пошуком альтернативних видів енергії.

Парадоксальним є те, що деякі фізичні явища, відомі людству з дуже давніх пір, у даний час є найменш вивченими, як наприклад статична електризація, перші згадування про яку зазначені у Фалеса Милетського близько 2500 років тому. Власне з класичного досвіду по електризації янтарю об вовну почалося вивчення статичної електрики, з цього досвіду починається наше знайомство з ним у школі. Довгий час існувала думка про безперспективність практичного застосування цього явища, що надовго відсторонило до нього інтерес дослідників. Інтенсивне вивчення електризації почалося на початку ХХ століття, коли, у зв'язку з бурхливим технічним прогресом, почали виявлятися наслідки утворення електростатичних зарядів: вибухи, пожежі, то що. Відомо досить багато випадків негативного прояву електризації у різних областях промисловості [1, 2]: хімічній, текстильній, целлюлозо-бумажній, гумовій, у хірургічних клініках, вугільних шахтах, на транспорті і багатьох інших. За статистичними даними, збиток, що наносить статична електрика лише, наприклад, на підприємствах США, які мають справу з пилом різних речовин, складає близько 100млн. доларів у рік [2]. Найбільш небезпечною електризація є в галузях промисловості, пов'язаних з виробництвом і споживанням великої кількості легкозаймистих речовин, зокрема вуглеводневих рідин. Не випадково одними з ініціаторів систематичному вивченню електризації нафтопродуктів, були найбільші нафтові фірми "Шелл" і "Esso", які створили цільові лабораторії для вивчення причин виникнення статичної електрики та удосконалення методів з її ліквідації.

Тож багатіше джерело електричної енергії – статична електрика не може оставатися без уваги, а проблеми які виникли на ринку енергоносіїв заставляють не боротися зі статичною електрикою, а працювати над способами корисного її застосування. Використання статичної електрики, яка виникає в технологічному обладнанні внаслідок розподілу зарядів при терті діелектричної рідини об поверхню обладнання, як позитивне явище є актуальним і новим, так як отримання електричної енергії без вагомих затрат енергоносіїв та окислювачів – це нагальна тема сьогодення.

ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ

Метою даної роботи є обґрунтування можливості застосування статичної електрики для отримання електричної енергії з розподілу зарядів в діелектричних рідинах.

АНАЛІЗ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ПУБЛІКАЦІЙ

Сучасні високопродуктивні насоси й устаткування дозволяють робити заправку великого літака за 20-40 хвилин. Обов’язковим елементом системи заправки вважається фільтр тонкого очищення з волокнистих пластиків з пропускною здатністю (3-4 тис. л/хв), високим ступенем очищення і малою вартістю. Однак у момент заправлення літаків саме він призводить до інтенсивної появи зарядів статичної електрики [3]. Виявлено випадки прояву статичних зарядів на сітці в перекачувальному насосі літака, а також прогоряння фільтрувального папера у фільтрі бензозаправників. Значного прояву статична електрика набула на автозаправних станціях при заправці автомобільного транспорту та при перекачці світлих нафтопродуктів. Внаслідок цього, зафіксовано безліч випадків самозаймання технологічного обладнання та автомобілів саме під час виконання процесу заправки [3]. Як відомо, електризація діелектричних рідин пов’язана з появою подвійних електричних шарів на поверхнях розділу двох рідких середовищ, чи на границях поділу рідина - тверде тіло. Подвійний електричний шар – просторовий розподіл електричних зарядів різних знаків, „нерухомо” зв’язаних зі стінкою труби (шар Гельмгольца – 10-6 м) і дифузійного шару іонів протилежного знаку (шар Гуі) [4]. За рахунок руху рідини відносно стінки труби і переміщення зарядів шару Гуі в ємкість, виникає різниця потенціалів між трубою і ємністю. При терті рідин об метали в процесах течії чи розбризкування виникає електризація діелектричних рідин за рахунок електролітичного поділу зарядів на границі метал - рідина.

Електризація при терті двох рідких діелектриків - наслідок існування подвійних електричних шарів на поверхні розділу рідин з різними діелектричними проникностями, рідина з більшої діелектричною проникливістю заряджається позитивно, а з меншої - негативно (правило Коена) [4]. Заряди статичної електрики спостерігаються при взаємному терті двох діелектриків, чи напівпровідників металів різного хімічного складу, чи однакового складу, але різної щільності, при терті металів об діелектрики, при терті двох однакових діелектриків, при терті рідких діелектриків один об одного, чи об поверхню твердих тіл і ін. При цьому електризуються обидва тіла; а їхні заряди однакові по величині і протилежні за знаком. В зв’язку з тим, що вуглеводневі палива за своєю фізичною природою мають низьку питому електропровідність, вони активно електризуються, зберігають і накопичують електричний заряд. При визначеній щільності електростатичного заряду напруженість електричного поля може досягнути критичних значень і виникне електричний розряд.

На поверхні поділу тверде тіло-рідина, у результаті процесів адсорбції утворюються подвійні електричні шари. Природа сил у кожному шарі різна і залежить від властивостей твердої поверхні і рідини. При фізичній адсорбції діють сили Ван-дер-Ваальса: індукційні, орієнтаційні чи дисперсійні [5]. Принципи електролітичного розподілу зарядів на межі розподілу рідина–тверде тіло є фундаментальною основою теоретичних і експериментальних досліджень трибоелектричних процесів. Контактування поверхонь тертя і діелектричних рідин в цілому, а їхніх атомів і молекул зокрема в трибоелектричних процесах розглядається з позиції електролітичної взаємодії. Поява електричних зарядів внаслідок тертя та розподілу зарядів на межі рідина–тверде тіло можлива тільки лише за рахунок речовини та енергії, різності густини речовини. Виходячи з цього, буде доцільно розробити принципово нові способи отримання такої енергії з розподілу зарядів в діелектричних рідинах.

На наш погляд, в даному випадку доцільно буде розглядати статичну електрику, точніше трибоелектрику, яка виникає в трубопроводах та технологічному обладнанні при терті об їх поверхні діелектричної рідини (в нашому випадку це: нафта, рідкі вуглеводневі палива, різного роду оливи, масла).

Відомо, що виникнення електростатичних зарядів обумовлене наступними умовами: наявність одного з механізмів утворення зарядів, течія, розпилення, дроблення і т.д.; наявність умов для їхнього нагромадження; утворення електростатичного поля з максимальною напруженістю на одній з ділянок, що перевищує пробивну напруженість середовища на цій ділянці; наявність вибухонебезпечної концентрації парів у місці пробою; утворення іскрового пробою з енергією, більшою мінімального значення енергії запалення даного середовища. Достатньою умовою є одночасне існування всіх зазначених вище умов. Кожний із зазначених факторів є складною функцією зовнішніх впливів, конструкції устаткування електрофізичних властивостей рідини. У даний момент ми маємо досить чітку картину умов виникнення статичної електрики в діелектричних рідинах у залежності від різних факторів: фізичних властивостей самої рідини, температури і тиску [6].

Багатьма вченими світу досліджено характеристики розрядів в вуглеводневих парах [6], розроблено методики розрахунку електростатичних полів, правда для найпростіших випадків, які дають збіг з результатами експерименту. У противагу цьому, питання про умови утворення і нагромадження зарядів є поки недостатньо вивчене. Спроби теоретично обґрунтувати електризацію рідин привели до розбіжностей з даними експерименту. Причому не зовсім зрозуміло, що більш помилково: основні допущення, покладені в основу теорії, методика експерименту, чи те й інше разом.

Всі можливі механізми зарядження можна класифікувати на наступні групи:

  1. Електризація при контакті з твердою поверхнею:

    1. при течії рідини в трубах;

    2. при фільтрації;

    3. при осадженні зважених часточок;

    4. при дробленні від удару об тверду поверхню.

  2. Електризація при контакті з рідиною, що не змішується.

  3. Електризація при контакті з газом:

    1. розпилення рідини в газі;

    2. барботування рідини газом.

Вирішальними при експлуатації діелектричної рідини виявляються два механізми: утворення заряду при течії по трубах і фільтрації. Дослідженнями науковців встановлена якісна картина поводження палива в цих випадках, на підставі яких можна зробити наступний висновок: електризація діелектричних рідин визначається трьома факторами - фізичними властивостями рідини, конструктивними особливостями устаткування і комплексом зовнішніх умов [7]. Дослідження електризації рідини звичайно проводилися в комплексі, тобто без винятку якого-небудь з цих факторів. У результаті висновки, отримані з такого роду експериментів часто суперечать один одному. Так неодноразово висловлювалося припущення про те, що матеріал пристроїв практично не робить впливу на ступінь електризації, однак практичні результати показують зворотнє [7].

Важко заперечувати той факт, що в однакових умовах різні рідини електризуються неоднаково. Це дає підставу припускати, що така властивість рідин існує і може бути визначена при наявності відповідних експериментальних даних. Концепції, покладені в основу явища, роблять непоясненим той факт, що чисті вуглеводні не електризуються. Приведені вище приклади не є переліком всіх протиріч і невідповідностей, а лише коротка ілюстрація недосконалості наших знань у даній області. По визнанню багатьох дослідників вивчення питання статичної електризації, і не тільки рідин, знаходяться в стадії нагромадження експериментального матеріалу [7].

На паливопідприємствах нейтралізація зарядів статичної електрики при наповненні паливом заправників, автоцистерн на пунктах наливу здійснюється індукційними нейтралізаторами статичної електрики (ІНСЕТ), які встановлюються після фільтрів на лінії видачі нафтопродукту. Наявність нейтралізатора дозволяє збільшити продуктивність наповнення цистерн паливом на 70% (з врахуванням можливості обладнання). Але ІНСЕТ не є єдиним засобом боротьби з зарядами статичної електрики. Так, наприклад, на автозаправних станціях успішно застосовують у цих випадках єдину металізацію конструкцій для вирівнювання потенціалів, або просто заземлюють небезпечні ділянки для стікання зарядів в землю [8]. Враховуючи актуальність проблеми захисту палив від накопичення статичного струму в авіаційні палива добавляють комплексні присадки “Assa”, „Сигбол”, які мають антистатичні властивості. У концентрації 0,003 % вони підвищують електропровідність нафтопродуктів і зменшують електризацію.

Приведені вище засоби захисту від електростатичних зарядів не є досить ефективними, так антистатичні присадки лише зменшують електризацію нафтопродуктів, підвищуючи їх електропровідність, але не виключають появу електростатичних зарядів і вимагають від експлуатанта додаткових витрат на їх придбання. Застосування ІНСЕТ дозволяє відводити заряди статичної електрики від об’єктів їх утворення в землю, але не використовувати це джерело енергії в корисних для людства цілях.

В результаті теоретичного дослідження було розроблено та апробовано пристрій та спосіб отримання електричної енергії високих напруг [9], які базуються на позитивному використанні зарядів статичної електрики, отриманих за допомогою ІНСЕТ при експлуатації вуглеводневих палив.

В основу винаходу було поставлено задачі: 1. Шляхом створення більш простішого за будовою і економічно ефективнішого пристрою отримання електричної енергії високих напруг забезпечити можливість отримання електричної енергії високих напруг, підвищити ефективність використання пристроїв для зняття зарядів статичної електрики. 2. Удосконалення способу отримання електричної енергії високих напруг шляхом отримання електростатичних зарядів з технологічного обладнання, експлуатація якого пов’язана з вуглеводневими паливами, забезпечити отримання електричної енергії високих напруг без особливих затрат енергоносіїв та окислювачів, повністю або частково вирішити проблему боротьби з зарядами статичної електрики на підприємствах, яким притаманне транспортування діелектричної рідини по трубопроводу.

На рис.1 зображено принципову схему пристрою отримання електричної енергії високих напруг та на рис.2 - принципову схему реалізації способу отримання електричної енергії високих напруг.

Пристрій працює наступним чином: заряди статичної електрики постійно накопичуються в елементах технологічного обладнання і за допомогою ІНСЕТ 1 їх відводять на металеву кулю 2, а далі на розрядник 3, один кінець якого приєднано з кулею 2, а другий з землею 4. До розрядника 3 приєднано навантаження 5, напруга на якому призводить до появи електричного струму в електричному ланцюгу. Змінюючи величину зазору електричного розрядника керують отриманням потрібної величини потенціалу на металевій кулі 2. При виникненні небезпечного рівня потенціалу передбачено повітряний розряд для чого розрядник 3 заземлюють. 

Спосіб отримання електричної енергії високих напруг, який реалізований в пристрої отримання електричної енергії високих напруг може бути пояснений поданим кресленням рис. 2. З технологічного обладнання 1,5,7,10 – задвижки, 2,4 – фільтри, 3 – лічильник, 8 – барабан, 9 – гнучкий трубопровід, 11 – наконечник заправки та трубопроводу заряди статичної електрики відводять ІНСЕТ 6. Але на відміну від стандартного його застосування, коли після нього заряди статичної електрики відводять в землю, в даному способі, заряди статичної електрики від ІНСЕТ 6 відводять до пристрою отримання електричної енергії високих напруг 12, який і дозволяє отримувати електричний струм високих напруг порядком 20-30 кВ.

ВИСНОВКИ

Проведено аналіз явища електризації та об’єктів її виникнення, обґрунтувано отримання електричної енергії з розподілу зарядів в діелектричних рідинах, можливість застосування статичної електрики, як джерела електроенергії. Розроблено принципово новий пристрій та спосіб отримання електричної енергії високих напруг з розподілу зарядів в діелектричних рідинах, реалізація яких прогнозовано повинна дати не тільки дешеву електроенергію, а й дозволити ефективніше використовувати засоби відводу зарядів статичної електрики від пожежонебезпечних та вибухонебезпечних ділянок. На підставі аналізу результатів, отриманих при теоретичних дослідженнях, встановлено оптимальні області практичного застосування отримання електричної енергії з розподілу зарядів в діелектричних рідинах.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Ройзен И.О., Медведева B.C. Статическое электричество и меры по борьбе с ним в химической промышленности. Сб.: Охрана химических предприятий от пожаров и взрывов, НИИТЭХИМ, 1991 г.
2. Электризация диэлектрической жидкости вблизи вращающегося диска. Прибылов В.Н. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1, Математика. Механика. 2003. № 2. C. 39-43. 
3. Сканави Г. И., Физика диэлектриков, (Область слабых полей), М. — Л., 1991 г.
4. Чеботарёв Л.И. Эксплуатация средств топливообеспечения аэропортов. – М.: Воздуш. транспорт, 1993. – 240 с. 
5. Пат. 13487U Україна. H02N 1/00, H02H 1/06. Пристрій для отримання електричної енергії високих напруг / О.М. Зубченко, І.Л. Трофімов, І.А. Кравець.– Чинний від 17.04.2006.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Авторы: І.Л. Трофімов, аспірант, О.Л. Матвєєва, к.т.н., доцент, О.М. Зубченко, к.т.н., доцент,
Національний авіаційний університет, м. Київ.

P.S. Материал защищён
Дата публикации 31.05.2007гг


вверх