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Statische Elektrizität


Statische Elektrizität

Durchschauen - Überwachen - Anwenden
1. Aufl.

von: Günter Lüttgens, Wolfgang Schubert, Sylvia Lüttgens, Ulrich von Pidoll, Stefan Emde

97,99 €

Verlag: Wiley-VCH
Format: EPUB
Veröffentl.: 06.11.2019
ISBN/EAN: 9783527821518
Sprache: deutsch
Anzahl Seiten: 494

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Beschreibungen

Verständnis und Kontrolle statischer Elektrizität sind von elementarer Bedeutung in vielen Industriezweigen, in erster Linie mit Blick auf die potentiellen Gefahren. Daher sind die Erkennung und Vermeidung von Gefahren durch statische Aufladungen immer wichtiger geworden und haben die Entwicklung neuer und präziser Messmethoden befördert. Andererseits können statische Aufladungen auch nutzbringend eingesetzt werden. Vielfältige Anwendungen werden beschrieben. Statische Elektrizität ? Durchschauen ? Überwachen ? Anwenden informiert zunächst über Brand- und Explosionsgefahren. Entstehung von Aufladung und daraus resultierende Entladungserscheinungen werden veranschaulicht. Ein großer Teil des Buches befasst sich mit Messtechnik, Vermeidung von Gefahren und Störungen sowie Beseitigung unerwünschter Aufladung. Fallstudien und Beschreibung von Demonstrationsexperimenten vermitteln den Bezug zur Praxis. Ohne Normen geht es nicht; auch darüber wird berichtet. Der stetig zunehmenden Anwendung statischer Elektrizität ist ein eigenes Kapitel über den gezielten Einsatz von Aufladungen vorbehalten und soll die Kreativität der Leser anregen. Zu guter Letzt sind im Mathematischen Werkzeugkasten alle relevanten Formeln einsortiert. * Praxisperspektive: geschrieben von Autoren mit langjähriger Forschungs- und Beratungserfahrung * Durchblick: Beschreibung von Demonstrationsexperimenten zur besseren Veranschaulichung * Fallstudien: aus den Fehlern Anderer lernen * Zusatzmaterial: kurze Videos zeigen die - teils drastischen - Auswirkungen statischer Aufladungen
Geleitwort v Danksagung xv Liste der Autoren xvii Vorbemerkungen xxi 1 Grundwissen zu Brand und Explosion, Gefahreneinschatzung 1 1.1 Grundlegendes zu Brand- und Explosionsvorgangen 1 1.2 Explosionsgrenzen 6 1.2.1 Explosionsgrenze bei Gasen 6 1.2.2 Flammpunkt 6 1.2.3 Mindestzündenergie 10 1.2.4 Explosionsgrenze bei Stauben 12 1.2.5 Einteilung in Explosionsgruppen 13 1.3 Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen 13 1.3.1 Zündgefahr durch Büschelentladungen 14 1.3.2 Hybridgemische 14 1.4 Perspektive zur Gefahrenbeurteilung 15 1.5 Sicherheitstechnische Bewertung in Bezug auf elektrostatische Zündgefahren 17 1.5.1 Anforderungen an Arbeitsmittel (Auszug aus BetrSichV [6]) 17 1.5.2 Einteilung explosionsgefahrdeter Bereiche in Gefahrenzonen 17 1.6 Gerateschutzniveau (EPL) 19 1.6.1 Geratekategorien 20 1.6.2 Zusammenfassung 21 1.7 Explosionsgefahren in den Griff bekommen 21 1.7.1 Primarer Explosionsschutz 21 1.7.2 Sekundarer Explosionsschutz 22 1.7.3 Tertiarer (konstruktiver) Explosionsschutz 22 1.8 Zündquellenarten 23 2 Entstehung elektrostatischer Aufladungen 27 2.1 Ursprung 27 2.2 Kraftwirkungen im elektrischen Feld 29 2.3 Aufladung infolge Kontakt und Trennung 30 2.4 Doppelschichtladung 30 2.5 Wovon hangt die Höhe der Aufladung ab? 33 2.6 Versuch einer Systematik 35 2.7 Aufladung strömender Flüssigkeiten 38 2.7.1 Aufladung von Flüssigkeiten beim Zerstauben (Atomisieren) 39 2.8 Aufladung strömender Gase 40 2.9 Aufladung disperser Systeme 42 2.10 Reduzierung der Aufladungstendenz 43 2.10.1 Verringerung des elektrischen Widerstandes 43 2.10.2 Leitfahigkeit und Aufladung bei Flüssigkeiten 44 2.10.3 Einfluss der Oberflachenstruktur bei festen Stoffen 46 2.11 Elektrisches Feld 46 2.11.1 Feldlinien 46 2.11.2 Aquipotentiallinien und -flachen 48 2.11.3 Feldstarke 50 2.11.4 Gefahren durch elektrostatische Felder? 50 2.12 Influenz (auch „elektrostatische Induktion“ genannt) 50 2.12.1 Aufladung einer Person durch Influenz 53 2.12.2 Bildladung (auch Spiegelladung genannt) 54 2.12.3 Influenzmaschine 55 2.12.4 Kelvin’scher Wassertropfengenerator 56 2.13 Kapazitat und Kondensator 57 2.14 Aufladungsphanomene an Materialbahnen 58 2.14.1 Entstehungsmechanismen 58 2.15 Elektrete 65 3 Messtechnik 69 3.1 Einleitende Überlegungen zu elektrostatischen Messungen 69 3.2 Gegenüberstellung: Elektrostatik – Elektrotechnik 72 3.3 Elektrostatische Messungen soweit es Sicherheitsaspekte betrifft 73 3.4 Widerstand versus Leitfahigkeit 74 3.5 Oberflachenwiderstand und Volumenwiderstand 74 3.5.1 Widerstand im Materialinnern oder an der Oberflache? 75 3.5.2 Messung des elektrischen Widerstandes an festen Objekten 77 3.5.3 Messspannungen – Messelektroden 78 3.5.4 Oberflachenwiderstand, Elektroden und Messschaltung 81 3.5.5 Volumenwiderstand, Elektroden und Messschaltung 83 3.5.6 Erdableitwiderstand 84 3.5.7 Elektroden zur Widerstandsmessung an Pulvern (Stauben, Schüttgütern) 85 3.6 Beziehung zwischen Widerstandswerten und Aufladungseigenschaften 86 3.6.1 Reib-Trenn-Apparatur zur Erzeugung reproduzierbarer Aufladungen 86 3.6.2 Übertragene Ladung 87 3.7 Leitfahigkeit von Flüssigkeiten 95 3.7.1 Widerstand von Schüttgütern 97 3.7.2 Ladungsrelaxation bei Flüssigkeiten und Pulvern (Schüttgüter) 98 3.8 Messung von Kapazitaten 98 3.8.1 Messung der Kapazitat (Aufladeverfahren) 100 3.8.2 Messung der Permittivitatszahl 101 3.9 Faraday-Becher und -Kafig 101 3.9.1 Faraday-Becher bzw. -Zylinder 101 3.9.2 Faraday-Kafig 101 3.10 Messung der Aufladung fallender Tropfen 102 3.11 Durchschlagspannung 104 3.12 Spannungsmessung mit statischen Voltmetern 104 3.13 Messung der elektrischen Feldstarke 105 3.13.1 Influenz-Elektrofeldmeter 106 3.13.2 Weitere Anwendungen für Influenz-Elektrofeldmeter 115 3.14 Weitere messtechnische Anwendungen 118 3.14.1 Oberflachenladungsmessung an bewegten Bahnen 118 3.14.2 Prüfung elektrostatisch ableitfahiger Schutzkleidung 119 3.14.3 Prüfverfahren zur Bestimmung der Ableitfahigkeit 121 3.14.4 Aufladung pulverförmiger Schüttgüter 123 3.14.5 Aufladung bei Flüssigkeiten 124 3.14.6 Ermittlung der Staubaufladung beim Versprühen 124 3.15 Ladungszerfallmessung (Relaxationszeit) 126 3.16 Einflussgrößen 129 3.16.1 Temperatur 130 3.16.2 Feuchtigkeit 131 3.16.3 Elektrostatische Störgrößen 135 3.17 Ermittlung der Mindestzündenergie für brennbare Staube 136 3.18 Ladungsverteilung sichtbar machen 138 3.19 Bild-Nachweise 141 4 Elektrostatische Gasentladungen und von ihnen ausgehende Gefahren 143 4.1 Gasentladungen in der Elektrostatik 144 4.1.1 Entladungsmechanismus 144 4.1.2 Verlauf einer elektrostatischen Gasentladung 145 4.2 Gasentladungsarten 148 4.2.1 Funkenentladungen 149 4.2.2 Gasentladungen, ausgehend von einer Elektrode 151 4.2.3 Gleitentladung 156 4.2.4 Gewitterblitzentladung 164 4.3 Auswirkungen von Gasentladungen 171 4.3.1 Auflistung der von Gasentladungen verursachten Spuren 171 4.3.2 Zusammenfassung 172 4.4 Wie lassen sich zündfahige Gasentladungen vermeiden? 172 4.4.1 Funkenentladungen 172 4.4.2 Coronaentladungen 173 4.4.3 Büschelentladungen 173 4.4.4 Schüttkegelentladungen 173 4.4.5 Gleitstielbüschelentladungen 173 4.5 Beurteilung der von Gasentladungen ausgehenden Zündgefahren 174 4.5.1 Übersicht zu auf Erfahrungen beruhenden Schutzmaßnahmen 176 4.5.2 Wechselbeziehungen zwischen Materialien und Gasentladungen 176 4.5.3 Bewertung mithilfe von Regelwerken 176 4.6 Aus Gasentladungen resultierende Schaden 176 4.6.1 Schaden durch Ozon 178 4.6.2 Anschmutzung 178 4.6.3 Schmelzspuren auf Polymeren 179 4.6.4 Schmelzspuren auf Metallen 179 4.6.5 Perforationen an Polymeren 179 4.6.6 Poren an emaillierten Behaltern 179 4.6.7 Vorbelichtung fotografischen Materials 180 4.6.8 Schaden an Lagerungen von Wellen 181 4.7 Auswirkungen der Elektrizitat auf den menschlichen Organismus 181 4.7.1 Gefahrdung durch Netzwechselstrom 182 4.7.2 Gefahrdung durch statische Elektrizit35;t 182 4.8 Mechanisch erzeugte Funken 183 4.8.1 Begriffsbestimmung 184 4.8.2 Experimentelle Vorgehensweise 185 4.8.3 Kohlenstoffexplosionen 186 4.8.4 Bürgerliche Nutzanwendung 187 4.8.5 Abgrenzung der Zündgefahr 187 4.8.6 Aluminothermische Reaktion 188 4.8.7 Regeln für explosionsgefahrdete Bereiche 188 4.8.8 Ausblick 189 5 Beseitigung störender Aufladungen 193 5.1 Ladungsverteilung 193 5.2 Passive Entladung 195 5.2.1 Untersuchungen zur Coronaeinsatzspannung in Abhangigkeit von Abstand und Art der passiven Entladeelektrode 198 5.2.2 Messaufbau zur Messung der Coronaeinsatzspannung in Abhangigkeit von Abstand und Art der passiven Entladeelektrode 205 5.2.3 Ergebnisse der Messungen an passiven Entladeelektroden 205 5.3 Aktive Entladung 211 5.3.1 Hochspannungsversorgung für aktive Entladeelektroden 211 5.3.2 Funktionsweise aktiver Entladeelektroden 212 5.4 Entladung störend aufgeladener Oberflachen 215 5.4.1 Entladung an Materialbahnen 215 5.4.2 Entladung an bogenförmigen Materialien 227 5.4.3 Entladung von sonstigen Objekten 229 5.4.4 Entladung von Granulat und Vergleichbarem 231 5.5 Mögliche Gefahren durch Entladeelektroden 234 5.6 Entladung in Unterdruckverhaltnissen 236 6 Beschreibung von Demonstrationsexperimenten 241 6.1 Vorbemerkungen 243 6.2 Erforderliche Gerate 244 6.2.1 Statisches Voltmeter 244 6.2.2 Feldstarkemessgerat 245 6.2.3 Bandgenerator 245 6.2.4 Knallrohr 246 6.3 Elektrostatische Kraftwirkungen 247 6.3.1 Rollende Röhren 248 6.3.2 Schwebende Röhren 249 6.3.3 Elektroskop 250 6.3.4 Darstellung elektrischer Feldlinien auf klassische Weise 250 6.4 Trennaufladung 252 6.5 Aufladung von Partikeln 253 6.5.1 Aufladung einzelner Partikel 253 6.5.2 Aufladung vieler Partikel (Granulat) 255 6.6 Influenz 256 6.6.1 Grundlegender Versuch 256 6.6.2 Elektrostatisches Glockenspiel 257 6.6.3 Praxisversuche zur Influenz 258 6.7 Ableitfahigkeit 259 6.8 Experimente mit dem Knallrohr 261 6.8.1 Personenaufladung 261 6.8.2 Zündspannung 262 6.9 Gasentladungen 263 6.9.1 Funkenentladung 264 6.9.2 Coronaentladung 264 6.9.3 Buschelentladung 265 6.9.4 Zundung durch Büschelentladungen (Modellexperiment) 266 6.9.5 Nachweis des Ionenwindes 267 6.9.6 Superbüschelentladung 267 6.9.7 Gleitstielbüschelentladung 268 6.10 Brand- und Explosionsgefahren 271 6.10.1 Flammpunkt 271 6.10.2 Effekte bei großen Oberflachen 272 6.10.3 Fettes Gemisch 273 6.10.4 Fortschreitende Flammenfront 274 6.10.5 „Umgießen“ von Benzind35;mpfen 275 6.10.6 Sauerstoffbedarf 276 6.10.7 Löschen mitWasser 277 6.10.8 Brennendes Baumwolltuch verbrennt nicht 278 6.10.9 Entflammen fester Brennstoffe 278 7 Fallstudien zu elektrostatisch bedingten Unfallen – Untersuchungsstrategien 281 7.1 Gut zu wissen 281 7.1.1 Erdung 282 7.1.2 Erdung kleiner Objekte 283 7.1.3 Erdung eigensicherer Stromkreise 284 7.2 Untersuchungsstrategie 284 7.2.1 Zündquellenarten 284 7.2.2 Vorgehensweise 286 7.2.3 Voreilige Konsequenz 287 7.3 Zündungen infolge von Büschelentladungen (siehe Abschn. 4.2.2.2) 288 7.3.1 Eintragen von schuppenförmigem Schüttgut in einen Rührwerkkessel 288 7.3.2 PE-Innensack rutscht aus Papiersack 289 7.3.3 Antistatischer PE-Sack verursacht Zündung 290 7.3.4 Leerschütteln eines PE-Sackes 292 7.3.5 Abpumpen von verunreinigtem Toluol 294 7.3.6 Impragnierung von Glasfasern 296 7.3.7 Stichflamme beim Beschicken eines Ruhrwerkkessels 297 7.3.8 Zwei Explosionen in großen Lagertanks 298 7.3.9 Explosion eines geschlossenen Kunststofffasses 301 7.4 Zündungen infolge von Gleitstielbüschelentladungen (siehe Abschn. 4.2.3.1) 302 7.4.1 Explosion in Bahnkesselwagen 302 7.4.2 Metallfass mit Innensack 305 7.4.3 Kunststofffass mit Innensack 306 7.4.4 Kunststoffleitung in einem pneumatischen Fördersystem 307 7.4.5 Brand in Sprühtrocknungsanlage 309 7.5 Zundungen infolge von Funkenentladungen (siehe Abschn. 4.2.1) 312 7.5.1 Einschütten von Pulver in einen Rührwerkbeh35;lter 312 7.5.2 Staubzündung in einem Trockner 313 7.5.3 Zündung an einer Tauchbeschichtung 316 7.5.4 Entleerung eines Trockners 317 7.5.5 PVC-Schlauch vonWasser durchströmt 319 7.5.6 Explosion beim Entleeren eines Metallfasses 320 7.5.7 Schlauchfilter mit Stützkorb 322 7.5.8 Zündung beim Betanken eines Automobils 323 7.5.9 Brande beim Schließen von Gefrierschranken 324 7.5.10 Filtermaterial mit flammfester Ausrüstung 326 7.5.11 Fundsache im Silo 328 7.5.12 Isolierende „Leiterschuhe“ leiten Personenaufladung nicht ab 329 7.5.13 Erdung mit Verspatung 330 7.5.14 Qualm an Tankstellen 331 7.5.15 Bewusstlos im Supermarkt 332 7.5.16 Funken an einem Drosselventil 333 7.5.17 Abfüllen von n-Hexan in Metallfasser 334 7.5.18 Zündung durch eine infolge Influenz aufgeladene Metallplatte 335 7.6 Zündung infolge von Schüttkegelentladungen (siehe Abschn. 4.2.2.4) 337 7.7 Zweifel an elektrostatischer Zündung 338 7.7.1 Brand in Lösemittelreinigungsanlage 338 7.7.2 Brand im PE-Fass 341 7.7.3 Brand im Rührwerkbehalter 343 7.7.4 Zerknall eines Glasrohres 344 7.8 Merkwürdigkeit an einem Metallrohr beim Ausfließen einer Flüssigkeit 345 8 Gezielter Einsatz von Aufladungen 349 8.1 Nutzanwendungen 349 8.2 Beispiele kreativer Umsetzung zu Nutzanwendungen 351 8.2.1 Anhaftung – Verblockung 351 8.2.2 Anhaften einer Beilage auf einer variablen Unterlage 352 8.2.3 Verblockung mehrerer Papier- oder Folienbahnen zu einem Strang 354 8.2.4 Haften einer Schmelzfahne auf der Kühlwalze 356 8.2.5 TeleskopierfreiesWickeln von Folien 356 8.2.6 In-Mould-Labelling (IML) bzw. In-Mould-Decoration (IMD) 356 8.2.7 Beölen von Metallblechen 359 8.2.8 Applikation von flüssigen Medien auf schnell bewegte Bahnen 360 8.2.9 Trocknung von schnell bewegten Substraten 363 8.2.10 Tiefdruck- und Beschichtungswerke 363 8.2.11 Reduzierung von Partikelnebel im Beschichtungsprozess 368 8.2.12 Nutzung der Aufladung für messtechnische Prozesse 371 8.2.13 Separieren von Stoffgemischen 372 8.2.14 Oberflachenbehandlung mit Coronaanlagen 374 8.3 Zusammenfassung 378 9 Normung im Fachgebiet Elektrostatik, National, Europaisch und International 381 9.1 Was ist Normung? –Warum brauchen wir Normung? 381 9.2 Wer macht Normung? 383 9.2.1 Das Deutsche Institut für Normung (DIN) 384 9.2.2 Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE 384 9.2.3 Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 385 9.2.4 Die Internationale Elektrotechnische Kommission und die Internationale Organisation für Normung 386 9.2.5 Die europaischen Normungsorganisationen 386 9.2.6 Zusammenarbeit der Organisationen in der Gegenuberstellung – Europaisch und International 387 9.2.7 Normungsarbeit der DKE National – Europaisch – International 389 9.3 Bedeutung von Normen 390 9.4 Normung in der Elektrostatik 392 9.4.1 Erlebter Ablauf eines Normungsprojektes 394 9.4.2 Verzeichnis einschlagiger Normen (Stand 2018) 396 9.5 Liste der gangigsten Abkurzungen im Normungsumfeld der IEC 406 9.6 Auffinden von Normen und Literatur 412 9.7 Anmerkung 415 M Mathematischer Werkzeugkasten 417 M.1 Permittivitat ? 421 M.1.1 Bestimmung der Permittivitatszahl eines Materials ?r 421 M.2 Ladung Q 421 M.2.1 Coulomb’sches Gesetz 422 M.3 Spannung U 423 M.4 Homogenes Feld zwischen ebenen Platten 423 M.5 Kapazitat C 423 M.5.1 Energie W gespeichert im Kondensator 423 M.5.2 Aufladespannung Ua(t) und Entladespannung Ue(t) am Kondensator 424 M.5.3 Zeitkonstante ? (allgemein) 425 M.5.4 Konfiguration einiger Kapazitaten 426 M.6 Widerstand – Leitfahigkeit 428 M.6.1 Widerstande 428 M.6.2 Leitfahigkeit ? 430 M.7 Feldkonstanten (Vakuum) 431 Anhang A Permittivitatszahlen ?r 433 Anhang B Brennbare Gase, Dampfe und Staube 435 B.1 Daten brennbarer Gase und Dampfe 435 B.2 Staube 437 Anhang C Daten gangiger Kunststoffe 453 Stichwortverzeichnis 457

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