Statische Elektrizität

Durchschauen - Überwachen - Anwenden

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

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2019
• ISBN drucken: 9783527413720
• eBook-ISBN: 9783527821518
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Energieressourcen

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

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Grundwissen zu Brand und Explosion, Gefahreneinschätzung

Falls statische Elektrizität – wie man ihrem Namen nach annehmen könnte – wirklich statisch wäre, könnte man sie weitgehend ignorieren. Doch wenn sie sich mehr von ihrer dynamischen Seite zeigt, wird sie uns bewusst. Wir nehmen sie wahr als harmlose elektrische Schläge, z. B. beim Aussteigen aus einem Auto, aber auch als tödliche Blitzschläge bei Gewittern (siehe Kapitel 4, Gasentladungen).

Die Absicht dieses Buches ist, darzulegen, dass offensichtlich schwache Entladungserscheinungen durchaus in der Lage sind, brennbare Materialien zu entzünden und somit Schadenfeuer und sogar Personenschaden herbeizuführen. Das führt in manchen Fällen – in denen es an einer plausiblen Erklärung für eine Störung oder auch ein Unfallgeschehen mangelt – sogar dazu, dass die Elektrostatik für Schadensereignisse verantwortlich gemacht wird, die nicht von ihr verursacht wurden.

Die gefahrbringenden Erscheinungen der statischen Elektrizität erstrecken sich über einen weiten Energiebereich:

• In Gewitterblitzen werden Energiebeträge im Bereich von Megajoule freigesetzt.
• Gleitstielbüschelentladungen können einige Joule hervorbringen.
• Büschelentladungen bringen Energien im Bereich von Mikro- bis Millijoule auf.

Dieses Buch soll dazu beitragen, elektrostatische Aufladung besser einzuschätzen, um so zu einer richtigen Beurteilung der von ihr ausgehenden Gefahren zu gelangen. Dazu gehören zunächst Grundkenntnisse über die bei Verbrennungsvorgängen (Bränden und Explosionen) bestehenden Zusammenhänge.

1.1 Grundlegendes zu Brand- und Explosionsvorgängen

Worin unterscheiden sich Brand und Explosion voneinander [

T1]?

Gemeinsam ist beiden das Erscheinungsbild der Flamme, die stets eine schnelle Verbrennung in der Gasphase (Brennstoff-Luft-Gemisch) anzeigt. Die dabei ablaufende chemische Reaktion führt entsprechend der Verbrennungswärme zu einem Anstieg der Temperatur.

Bei einem Brand ist die Flamme „quasi stationär“, z. B. bei einer brennenden Kerze. Dabei überträgt sich die Reaktionswärme ohne Druckanstieg in die Umgebung.

Falls jedoch in einem Raumvolumen eine brennbare Atmosphäre vorliegt (z. B. im Zylinder eines Verbrennungsmotors), kommt es zu einer Explosion, wobei sich eine von der Zündquelle ausgehende Flammenfront durch das gesamte Volumen bewegt. Bei einem stöchiometrischen (siehe Abb. 1.7) Brenngas-Luft-Gemisch breitet sich unter atmosphärischen Bedingungen die Flammenfront mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 m/s aus. Befindet sich die brennbare Atmosphäre in einem abgeschlossenen Volumen, so führt die Ausdehnung des durch die Reaktionswärme erhitzten Gases (exotherme Reaktion) zu einem kurzzeitigen Druckanstieg auf etwa 10 bar, der nach Abkühlung wieder zurückgeht und sogar einen Unterdruck herbeiführt.

Entscheidend ist, dass dieser kurzzeitige Druckanstieg ein zerstörendes Ausmaß annehmen kann, wenn er unkontrolliert stattfindet (z. B. bei einer Gasexplosion in einem Wohnhaus). Die Flammenerscheinung beweist eine exotherme Reaktion (Oxidation der Brennstoffmoleküle) in der Gasphase. Daraus folgt, dass fester oder flüssiger Brennstoff im Allgemeinen erst in die Gasphase überführt werden muss, damit es zu einer Reaktion kommen kann. Bei entzündbaren Flüssigkeiten liegt eine solche molekulare Brennstoff-Sauerstoff-Mischung bereits durch Verdampfung vor. Bei festen oder staubförmigen organischen Brennstoffen wird ein wesentlicher Teil der Zündenergie dafür benötigt, durch Verdampfen, Schmelzen oder Aufspalten (Cracken) gasförmige Kohlenwasserstoffe zu bilden, deren Menge so groß sein muss, dass nach der Zündung des Gemisches in Luft die freigesetzte Wärmeenergie in der Lage ist, die weitere thermische Aufbereitung des Feststoffs zu sichern. Entsprechendes gilt für die Nebel entzündbarer Flüssigkeiten mit hohem Flammpunkt (siehe Abschn. 1.2.2). Bei anorganischen Stäuben einschließlich Metallstäuben muss zur Initiierung der Verbrennung eine meist nicht unerhebliche Aktivierungsenergie für die Verbrennungsreaktion durch die Zündquelle aufgebracht werden. So erklärt sich, weshalb brennbare Gase und Dämpfe eine wesentlich geringere Zündenergie benötigen als flüssige oder feste Brennstoffe.

Wie oft in der Realität gibt es auch hier eine Ausnahme zu beachten: Metallstäube können unmittelbar mit dem Luftsauerstoff heftig reagieren: Es kommt zur Oxidation (Verbrennung) an der Oberfläche z. B. bei Leichtmetallstäuben, wie Aluminium oder auch bei Stahlwolle usw.

Die in einer Flamme freigesetzte Wärme führt sowohl wegen der neu entstehenden Abgase als auch wegen der entstehenden Aufheizung zu einer Volumenvergrößerung (aus einem Volumen Propan und fünf Volumen Sauerstoff werden z. B. drei Volumen Kohlendioxid und vier Volumen Wasserdampf). Hierbei kann eine Verpuffung, eine Explosion oder sogar eine Detonation entstehen. Bei einer Verpuffung führt die Verbrennungsreaktion lediglich zu einer Volumenerweiterung, nicht aber zu einem relevanten Druckaufbau. Die Verbrennungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Flammenfront) beträgt weniger als 1 m/s. Entsprechend gering sind auch Druckanstieg und Geräusch.

Beispielhaft sind Verpuffungen in Feuerungsanlagen, in denen nach einer fehlerhaften Z...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Inhaltsverzeichnis
• Geleitwort
• Danksagung
• Liste der Autoren
• Vorbemerkungen
• 1 Grundwissen zu Brand und Explosion, Gefahreneinschätzung
• 2 Entstehung elektrostatischer Aufladungen
• 3 Messtechnik
• 4 Elektrostatische Gasentladungen und von ihnen ausgehende Gefahren
• 5 Beseitigung störender Aufladungen
• 6 Beschreibung von Demonstrationsexperimenten
• 7 Fallstudien zu elektrostatisch bedingten Unfällen – Untersuchungsstrategien
• 8 Gezielter Einsatz von Aufladungen
• 9 Normung im Fachgebiet Elektrostatik, National, Europäisch und International
• M Mathematischer Werkzeugkasten
• Anhang A: Permittivitätszahlen∊r
• Anhang B: Brennbare Gase, Dämpfe und Stäube
• Anhang C: Daten gängiger Kunststoffe
• Stichwortverzeichnis
• Endbenutzer-Lizenzvereinbarung