Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


П2.1.Воздействие влаги, и конденсирующихся осадков на материалы и устройства энергетических систем



Для понимания явлений, связанных с воздействием влажности на технические системы и используемые в них материалы, необходимо знать свойства воды и ее молекул в трех состояниях: жидком, твердом (лед) и газообразном (пар).

Молекула воды является асимметричной и состоит из двух положительно заряженных атомов водорода, связанных с отрицательно заряженным атомом кислорода (рисунок П2.1.).

Молекулы воды являются диполями и обладают полярным характером. Вода из одного состояния в другое переходит при определенном давлении и температуре. Максимальную плотность, вода имеет в жидком состоянии при +4°С. Масса 1 мл воды, при указанной температуре, равна 1г. Повышение или понижение температуры приводит к расширению воды и уменьшению ее плотности. В жидком состоянии вода характеризуется следующими основными физическими параметрами: плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением. При увеличении температуры значения всех перечисленных параметров уменьшаются.

Как уже указывалось, абсолютно чистой воды в природе не бывает. Она – представляет собой химически активное соединение, легко вступающее в реакции со многими веществами. По количеству содержащихся примесей различают дождевую воду (осадки), воду рек и озер, морскую и подземную воды.

Вода рек и озер содержит растворенные в ней примеси. Так, например, в 1 л воды р. Нил содержится 1, 58 г примесей.

Морская вода характеризуется большим содержанием солей. В среднем можно считать, что в 1 л морской воды содержится от 8 до 39 г растворимых веществ. Вода океанов по своему составу более постоянна, и в 1 г содержится от 33 до 39 г. растворимых веществ, в том числе около 24 г поваренной соли.

Содержание примесей в атмосферных осадках зависит от географических природных зон и степени загрязнения воздуха, поскольку они набирают эти примеси как в слое их образования, так и при выпадении в подоблачном слое.

Знание составов различных вод позволяет учитывать их влияние на свойства и устойчивость материалов, применяемых в конструкциях технических систем, которые могут, как непосредственно погружаться в воду, так и подвергаться воздействию брызг, тумана, дождя и снега.

Влияние воды и влаги на электроизоляционные материалы часто характеризуют понятиями влагостойкость и водостойкость, для оценки которых пользуются рядом физических, электрических и механических параметров. Основным параметром, характеризующим влагостойкость, является степень гигроскопичности материала. Гигроскопичностью принято называть способность материалов поглощать влагу из воздуха. Она характеризуется степенью гигроскопичности ( Г ), которая показывает, какой процент влаги впитывает единица массы сухого материала при пребывании в условиях 97…100% относительной влажности:

где G1 вес увлажненного образца, г; G2 - вес сухого образца, г.

В отличие от влагостойкости водостойкость характеризуется не степенью гигроскопичности, а водопоглощаемостью, которая показывает, какой процент воды впитывает единица массы сухого материала при пребывании в воле:

Водопоглощаемость бумаги доходит до 60%, а у нейтральных диэлектриков около 0…0, 05%. В силу полярного строения молекулы воды притягиваются молекулами полярных веществ (этим объясняется наличие капель воды на поверхности стекла - ионного диэлектрика). Материалы, имеющие нейтральное строение молекул (парафин), не притягивают молекул воды.

Первая форма взаимодействия влаги с материалом характеризуется поглощением влаги различными материалами с разной скоростью. При этом механизм поглощения влаги зависит от свойств материала. Если материалы поглощают влагу из парообразного или жидкого состояний виды своим поверхностным слоем, то это явление носит название адсорбции. Оно характерно для некоторых видов стекла, кварца, керамики и т. д. Когда поглощение влаги изоляционными материалами заключается в проникновении молекул воды в структуру вещества по межмолекулярным каналам, имеет место явление, называемое активированной сорбцией. Оно характерно для многих органических изоляционных материалов, у которых одновременно с диффузией водяных паров происходит частичное растворение вещества.

Если молекулы воды поглощаются поверхностью через капилляры и поры, то имеет место неактивированная сорбция. При высокой влажности материалы с тонкими капиллярами (бумага, картон, дерево) могут поглощать влагу путем капиллярной конденсации.

В некоторых материалах влагопоглощение происходит путем проникновения молекул воды как бы через полупроницаемую мембрану, разделяющую менее концентрированный раствор от более концентрированного. Такой процесс называют осмотическим, и он имеет место в материалах с наполнителем в виде порошка резины. Следует отметить, что проникновению влаги способствует низкая вязкость воды.

Адсорбция паров воды значительна у материалов, имеющих ионное строение, и почти отсутствует у материалов с малополярными или неполярными молекулами.

Поскольку сила притяжения полярной молекулы воды к иону больше, чем к нейтральной молекуле, то возможны два случая притяжения молекул воды к поверхности материала. Если сила притяжения молекул воды к поверхности материала велика, то вода растекается по поверхности, стремясь занять большую площадь. Смачиваемость поверхности материала водой характеризуется краевым углом смачивания (рисунок П2.2.). Большой угол смачивания имеют неполярные органические материалы, такие как полиизобутилен, парафин, фторопласт и др. Малый угол смачивания имеют полярные материалы, к которым относятся твердые органические диэлектрики, содержащие в своем составе гидроксильную группу. Материалы, поверхность которых не смачивается водой, называются гидрофобными, а поверхность которых смачивается - гидрофильными.

Адсорбция зависит также от состояния поверхности материала. Диэлектрики с грубой, шероховатой, пористой поверхностью сильнее адсорбируют влагу. Очевидно, что при малых краевых углах смачивания на поверхности материала образуется пленка воды, которая ухудшает его электрические параметры, особенно поверхностное сопротивление и пробивное напряжение. Образование на поверхности материала отдельных капель приводит к меньшему ухудшению электрических параметров. Изменение величины поверхностного сопротивления зависит от водопоглощаемости материала, относительной влажности и температуры среды, в которых он находится. Если водопоглощаемость материала мала, то при воздействии 100% - ной относительной влажности и нормальной температуре на поверхности образуется ионизированная проводящая пленка, наличие которой приводит к уменьшению поверхностного сопротивления и поверхностного пробивного напряжения. Помещение материала в среду с нулевой относительной влажностью обеспечивает быстрое восстановление величины поверхностного сопротивления.

При большой влагопоглощаемости материала восстановление свойств происходит медленно (до нескольких десятков минут). Величина изменения поверхностного сопротивления зависит также от длительности пребывания материала во влажной среде. Проникновение влаги в структуру материала определяется так же соотношением давлений паров в воздухе и в материале. Если давление паров воды в материале меньше, чем в воздухе, то влага из воздуха проникает внутрь материала. Когда внешнее давление оказывается равным внутреннему, то процесс проникновения прекращается.

Влагопоглощение за счет явления активной сорбции чаще всего имеет место при увеличении температуры окружающей среды и материала, которое приводит к росту парциального давления паров воды и теплового движения молекул диэлектрика. Рост теплового движения молекул приводит к образованию межмолекулярных промежутков, по которым ускоряется диффузия молекул воды вглубь материала. Образование межмолекулярных промежутков характерно для органических диэлектриков. Вещества с упорядоченным расположением молекул обладают меньшей влагопроницаемостью.

Поскольку в реальных условиях влажность окружающей среды периодически изменяется, то это приводит к соответствующему изменению сопротивления изоляции, а также к общему уменьшению его величины. Указанное уменьшение происходит из-за того, что скорость поглощения влаги материалом больше скорости ее испарения. В результате содержание влаги в материале возрастает. Поглощение влаги всем объемом материала называют абсорбцией. Абсорбированная материалом влага более опасна, чем адсорбированная на поверхности. Для ряда материалов механизм влияния влаги может объясняться действием обоих явлений. Количество влаги, поглощаемой неполярными и слабо полярными материалами, определяется по закону Генри:

где h - коэффициент растворимости, определяемый количеством граммов воды, поглощенным 1см материала при разности давлений в 1мм. рт. ст. (г/см3*мм. рт. ст.); р - давление паров воды (мм рт. ст.).

В полярных материалах из-за сильного взаимодействия полярных радикалов с молекулами воды имеет место некоторое отклонение влагопоглощения, определяемого по закону Генри. Наличие у ряда пластмасс гигроскопических наполнителей (древесной муки, бумаги) приводит к повышенному влагопоглощению.

Изменение содержания влаги в пластмассах вызывает изменение геометрических размеров. При этом из-за неравномерного изменения размеров твердых диэлектриков в них возникают внутренние напряжения, приводящие к короблению, к появлению трещин и к разрушению. Одновременно происходят значительные изменения физико-химических свойств. Образование трещин способствует увеличению проникновения влаги внутрь материала, что ухудшает электрические свойства материалов.

Большой гигроскопичностью и водопоглощаемостью обладают волокнистые материалы. Это хлопчатобумажное и искусственное волокно, натуральный шелк, электроизоляционные бумаги и картоны, ленты и ткани, древесина. Основой большинства этих материалов является целлюлоза, обладающая несимметричными дипольными полярными молекулами и имеющая большое количество капилляров. Одним из широко применяемых видов пластмасс, использующих волокнистые материалы в качестве основы, являются сложные пластмассы (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит и т. п.). Сложным материалам, так же как и многим органическим, свойственно явление сорбции влаги.

Электрические параметры диэлектриков зависят не только от количества поглощаемой влаги, но и от ее распределения в объеме материала. В материалах с волокнистым строением влага распределяется по каналам, замыкающим токоведущие цепи. В большинстве термопластических материалов (полиэтилен, полистирол и др.) влага распределяется в виде разобщенных сферических областей. В некоторых материалах эти области вытягиваются в полости. Таким образом, при одном и том же количестве поглощенной влаги разные материалы будут по-разному менять свои свойства.

Для некоторых материалов процесс обезвоживания (дегидратации) является опасным, так как он может приводить к короблению, к потере прочности, к разрушению и т. д.

Вблизи больших водных поверхностей, часто наблюдается изменение абсолютной влажности окружающей среды. Средние значения абсолютной влажности на уровне земли колеблются от 0, 1 г/м в полярных районах до 30 г/м в тропиках. При этом меняются параметры и такого диэлектрика, как воздух (см. рисунок П2.3.).

Зависимость диэлектрической проницаемости воздуха от температуры и влажности выражается следующей формулой:

где р - давление воздуха, мм рт. ст., е -давление водяных паров, мм рт. ст.; Т – абсолютная температура.

Приведенная формула справедлива при малой влажности или при малом давлении водяных паров.

Следует отметить, что под действием влаги на изоляционные материалы у них ухудшаются не только физико-химические и электрические свойства, а также, ускоряется процесс старения и теплоизоляционные свойства. Известно, что коэффициент теплопроводности воды в 25 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Поэтому при проникновении воды в материал она вытесняет из него воздух, что приводит к росту теплопроводности.

Вторая форма взаимодействия воды с материалом приводит к ускорению процессов коррозии металлов, к гидролизу и способствует распаду некоторых материалов.

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-03-15; Просмотров: 536; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.017 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь