Az aktív ionizátorok működése

Az ipari folyamatok gyakori velejárója az elektrosztatikus feltöltődés, amely az elektrosztatikus kisülésre kényes alkatrészek károsodásától a robbanóképes atmoszféra begyújtásán keresztül emberéleteket és hatalmas vagyoni értékeket veszélyeztető katasztrófákig terjedően változatos módon okozhat kárt. A védekezés egyik módszere a környező gázatmoszféra vezetővé tétele ionizáció útján.

Statikus elektromosság
Az alábbi fejtegetések témáját az úgynevezett ionizátorok adják. Az ionizátorok célja a statikus elektromosság káros hatásainak kiküszöbölése. A statikus elektromosságot nyugvó elektromos töltésként definiáljuk. A statikus elektromosság nem vezető anyagokban és a földtől elszigetelt vezetőkben jelentkezhet. A statikus elektromosság a természetben is megtalálható. A felhők például a zivatarban olyan erősen feltöltődhetnek statikusan, hogy a felhő és a talaj között kisülés történik. Ez különböző töltésű felhők között is bekövetkezhet. Az ilyen légköri kisüléseket nevezzük villámnak.
A különböző iparágak gyártási folyamataiban is gyakran jelentkezik nemkívánatos elektrosztatikus feltöltés. Ezt a fizikai folyamatot a papír- és a fóliagyártásban, a műanyag-feldolgozó iparban, valamint a textiliparban figyelhetjük meg.
A statikus feltöltődés mértékének legfontosabb befolyásoló tényezőjét az adott anyag elektromos vezetőképessége jelenti, de fontos paraméter a feldolgozás sebessége és a levegő páratartalma is. A műszaki gyakorlatban a statikus elektromosság a páratartalom növelésével, nedvesítéssel, lángkezeléssel és ionizátorokkal mérsékelhető vagy küszöbölhető ki.
A HAUG cég ezek közül az ionizáló rendszerek gyártására szakosodott. Ezenkívül olyan eszközöket (ún. feltöltő generátorokat) is gyárt svájci és németországi telephelyén, amellyel valamilyen anyag technológiai célból történő, célirányos elektromos feltöltésére használhatók.

Az elektrosztatikus feltöltődés keletkezése
Korábban a statikus elektromosság kialakulását súrlódási folyamatokkal próbálták magyarázni (innen a „triboelektromosság” elnevezés).
Ma az alábbi elmélettel szolgál a félvezető fizika: ha két anyagot szoros mechanikai érintkezésbe hozunk, a közös határrétegben az elektronok kilépési munkájának különbözősége miatt elektronátmenet következik be. A közös határrétegben, az úgynevezett Helmholtz-kettősrétegben néhány millivolt feszültség alakul ki (1. ábra). A két anyag határrétege síkkondenzátorként fogható fel, amelynek az U feszültsége az 

képlettel határozható meg, ahol Q a kondenzátor töltése, C pedig a kapacitása. A két vezető test szétválasztásakor távolságuk nagyságrendekkel nő meg. A

összefüggés szerint a kondenzátor kapacitása ennek megfelelően csökken. (Itt ε0=8,854·10-12  As/Vm, a vákuum permittivitása, az εr pedig az elválasztóréteg relatív dielektromos állandója, A a kondenzátor felülete, d pedig a távolsága. Ezzel a kontaktjelenséggel megmagyarázható a súrlódás keltette elektromos töltés jelensége is, mivel a súrlódás közben az érintkező felületek folyamatosan változnak.

1. ábra Elektronátmenet

A két tárgy szétválasztásakor a feszültség jelentősen megnövekszik – elérheti, sőt meghaladhatja a 10 kV értéket is –, ha nem kerül sor a töltések kiegyenlítésére (2. ábra)

2. ábra Szétválasztás és maradék töltés

A statikus elektromosság mérése
A statikus elektromosság közvetett úton, az általa kiváltott hatások alapján mérhető. Ma ehhez térerősségmérő-készülékeket használunk, amelyek az influencia (töltésmegosztás) vagy a modulációs mérési módszert alkalmazzák. Ezek a ké­szülékek érintésmentesen mérik az elektromos tér nagyságát és előjelét.
Az influencia-elvű műszerek az elektrosztatikus mezőnek a töltött testre gyakorolt hatása ered­ményeképpen létrejövő megosztott töltéseket mérik. A modulá­ció­mérők mechanikai modulációval alakítják át mérhető változó értékké az időben állandó elektrosztatikus mezőt. Ezt az elvet követi a rotációs voltmérő is, amelyben egy forgó szárny modulálja a kapacitást. A C kondenzátor Q töltése pedig a 

összefüggés alapján a rákapcsolt U feszültséggel arányos. A (3) egyenletet idő szerint differenciálva

A kondenzátor esetében a rákapcsolt U feszültség és a lemezek közötti E elektromos térerősség összefüggését az

egyenlet írja le. A lemezek távolsága d. Állandó feszültség esetén a (4) és (5) egyenletekből az 

adódik. A kapacitásváltozásból eredően folyó i áram értéke tehát az E elektromos térerősséggel arányos.

Az elektrosztatikus feltöltődés által előidézett zavarok
Az elektrosztatikus feltöltődés – például a textiliparban – különböző okokból nemkívánatos.

• Cséveállvány
Nagymértékű elektrosztatikus feltöltődés következik be a fonál orsóról való lecsévélődésekor. Amikor a fonál a vezetőszemen áthalad, további elektrosztatikus feltöltődés alakul ki. A feltöltött anyag vonzza a környezetében található szennyeződés részecskéit. Az azonos polaritással feltöltött fonalak taszítják, az ellentétesen feltöltöttek vonzzák egymást. Az elektrosztatikusan keltett erő a fonalat mechanikai igénybevételnek teszi ki,
a fonalak csapódnak, a következmény pedig gyakoribb fonalszakadás (3. ábra).
• Lehúzókészülékek
A statikusan feltöltött áru csak egyenetlenül húzható le. A feltöltődés során keletkező erők azt eredményezik, hogy az áru
a hengerekre vagy a görgőkre csavarodik.
• Dolgozók
Az elektrosztatikusan feltöltött áruhoz közeledő személyek nagyon kellemetlen áramütéseket szenvedhetnek el.

 3. ábra Felvetőgép passzív ionizátora

Ionizátorok
Az ionizátorok ionokat, tehát elektromosan feltöltött atomokat és molekulákat állítanak elő. Az elektromosan semleges atomok esetében az atommagban található protonok száma megegyezik az atom héját alkotó elektronok számával. Az ionok esetében ezzel szemben az elektronok száma ennél nagyobb vagy kisebb. Mivel az elektronok negatív töltést hordoznak, negatív ion keletkezik, ha az elektronok száma a héjban növekszik. A pozitív ion a megfelelő elektromosan semleges atomhoz képest egy vagy több elektronnal kevesebbet tartalmaz.
Az ionizáló készülékek a levegő gáznemű alkotórészeit ionizálják. A levegőben található szilárd részecskék és a vízgőz molekulái feltöltődnek.
Az ionizátorok elektródái különböző kivitelekben készülnek.
A leggyakoribbak a rúd alakú elektródával ellátott típusok (4. ábra).

4. ábra HAUG nagyfeszültségű tápegység és ionizáló rúd

• Passzív ionizátorok
A passzív ionizátorok fémcsúcsai össze vannak kötve a földdel. Ha egy ilyen ionizátort (5. ábra) feltöltött anyag mellé helyezünk, az ionizátor csúcsai körül koronakisülés keletkezik, amely ionokat hoz létre. A passzív ionizátorok hatása korlátozott – rendszerint csak aktív ionizátorokkal együtt használatosak (6. ábra).
• Aktív ionizátorok
Az aktív ionizátorok különböző kivitelekben készülnek. Leggyakrabban a váltakozó áramú készülékek használatosak.
A HAUG aktív ionizálóiban váltakozó áramú (50 Hz) transzformátorok állítják elő a kb. 7 kV-os ionizáló feszültséget (7. ábra).

5. ábra Passzív ionizátor

6. ábra Aktív és passzív ionizátor kombinációja

 7. ábra Az aktív ionizátor működési elve

Az aktív ionizátorok működése
Az ionizáló rudakon a nagyfeszültség sok csúcson jelenik meg. Ezek a HAUG termékeiben galvanikusan el vannak választva
a feszültségforrástól, ezért biztonságosan megérinthetők. Minden csúcson pozitív és negatív ionok jönnek létre a váltakozó áramú hálózati feszültség változásának megfelelően: a váltakozó feszültség pozitív félhullámában pozitív ionok, a negatív félhullámban pedig negatív ionok keletkeznek. Ezek az ionok semlegesítik az ionizáló rúd alatt elhelyezkedő anyag töltéseit, mivel az ionokat vonzzák az ellentétes polaritású töltések. A felesleges ionok a rúd palástján át a földbe távoznak. Ezen a módon tehát nem gyűlnek össze nemkívánatos töltések (7. ábra).

Légárammal támogatott aktív ionizátorok
Az előzőkben ismertetett ionizátoroknak – rendszerükből adódóan – van egy hátrányuk: hatótávolságuk viszonylag korlátozott (10…200 mm nagyságrendű). Mivel mindkét polaritású ionokat előállítanak, azok az ionizátortól bizonyos távolságra rekombi­ná­lódnak, azaz az ionizátortól távolodva közömbösítik egymást. Ez a jelenség azzal mérsékelhető, ha az ionokat sűrített levegővel visszük távolabb az ionizátortól (8.ábra). A hatótávolság ezzel kb. 70 cm-ig növelhető.
A sűrített levegőt elsősorban akkor használjuk, ha felületet kell megtisztítani. Az ionizált, sűrített levegő különösen hatékonyan távolítja el a por és szennyeződés részecskéit.
A HAUG számos különböző formában kínál sűrített levegős ionzátorokat. Vannak kézi és állandóan beépített, gyűrű alakú, sűrített levegős ionizátorok. A rúd alakú ionizátorok légbefúvó sorral egészíthetők ki, vagy fúvókákkal ellátott csővel kombinálhatók. (9. ábra)

8. ábra Levegős, Jet-Streamerrel kombinált ionizáló rúd felületek tisztítására és a létrehozott ionok nagy távolságú elvezetésére

9. ábra HAUG-tűs ionizátor légbefúvással és elszívással palackok tisztításához

Pályatisztítók
A papír-, a karton- és a textilfeldolgozás során ma egyre nagyobbak az anyag tisztaságára vonatkozó követelmények. Ez különösen akkor érvényes, ha az anyag továbbfeldolgozásra kerül, a minőségi követelmények pedig magasak.
Ezekben az esetekben használatosak a pályatisztító berendezések. A pályatisztítók különböző technikákat kombinálnak.
A cél a szálak, a finom és a durva por eltávolítása az anyagszállító pályáról. Az anyag felületére tapadt részecskéket a befújt ionizált levegő lesodorja, majd elszívja.
A szennyeződés eltávolítására bizonyos esetekben forgó keféket is felhasználhatnak. 

10. ábra HAUG Statik-Air, Dr. Eschelrich-féle rendszer, pályák és lemezek tisztítására

11. ábra Pályatisztító

A HAUG különböző, 30 cm és 2 m közötti elszívószélességű pályatisztító berendezéseket kínál. A 6. ábrán két ionizáló rúddal rendelkező pormentesítő berendezés látható. A rudak között áramló légsugár meghatározott szögben vezeti a pozitív és negatív ionokat az anyag felületére. A felkavart port és a benne levő porszemcséket a készülék ott szívja el, ahol az ionsugár a felületet éri (10., 11. ábra).

Irodalom
1. Gärtner, R.: Elektrostatische Aufladung und Entladung (A Hadsereg Könyvtára, München, 1991)
2. Gerthsen, Kneser, Vogel: Physik (Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 14. kiadás, 1982)
3. Lüftgens, G., Glor, M.: Elektrostatische Aufladungen begreifen und sicher beherrschen (Expert Verlag, 2. kiadás, 1988)

Szerző: Steffen Ulrich Homolka, Haug Gmbh & Co. KG

Inczédy & Inczédy Kft.
2600 Vác
Katona Lajos utca 1/b.
Tel: +36 27 504 605
mobil: +36 30 269 9997
Fax:+36 27 504 606
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.inczedy.com