NTP 0827: Electricidad estática en polvos combustibles (I): características de las descargas electrostáticas - Año 2009

Las NTP son guías de buenas prácticas. Sus indicaciones no son obligatorias salvo que estén recogidas en una disposición normativa vigente. A efectos de valorar la pertinencia de las recomendaciones contenidas en una NTP concreta es conveniente tener en cuenta su fecha de edición.

1. INTRODUCCIÓN

El fenómeno de la electricidad estática puede ser fuente de ignición cuando se manifiesta en presencia de atmósferas explosivas de gases, vapores y nieblas inflamables o de polvos combustibles, pudiendo dar lugar a incendios y explosiones. Estos accidentes pueden ocurrir en la industria farmacéutica, agropecuaria, alimentaria, automovilística y, en general, en todas las operaciones que manipulen materia combustible finamente dividida (desde polvo fino hasta gránulos, fibras o virutas de tamaño inferior a 0,5 mm). Las partículas pueden ser de productos variados tanto orgánicos como inorgánicos. Ejemplos diversos son la leche en polvo, el toner de las impresoras láser, el polvo de aluminio y magnesio de la mecanización de piezas, el pienso, el serrín, el polvo de trituración de plásticos, etc.

2. GENERACIÓN Y ACUMULACIÓN DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS. DISIPACIÓN Y TIEMPO DE RELAJACIÓN

La carga electrostática generada por contacto y roce de partículas con superficies de diferentes materiales es un fenómeno frecuente en los procesos con polvos. Ocurre si la resistividad volumétrica (resistividad o resistencia específica) del polvo es superior a unos 108 Ω·m, valor que es sobrepasado por la mayoría de sustancias orgánicas. Las operaciones de manipulación y transporte implican procesos de separación entre las propias partículas y entre éstas y las superficies de los equipos y conducciones de la instalación. En la Tabla 1 se presentan valores, para diferentes operaciones, de densidad de carga por unidad de masa en C/kg, adquirida por polvos de resistividad media (106 a 1010 Ω·m), rango donde se encuentran la mayoría de polvos orgánicos naturales. Este parámetro es importante al considerar el nivel de acumulación de carga en polvos.

La carga generada en un elemento no conductor queda retenida debido a su propia resistencia. La carga de las partículas, especialmente si están depositadas en un recipiente de recogida, se va disipando o descargando (proceso de relajación) a una determinada tasa, el valor de la cual depende de la resistencia de las partículas componentes del sistema.

El tiempo que tarda la carga en decaer a un valor igual a su valor original dividido por el número e (2,718) recibe el nombre de tiempo de relajación (τ):

Ejemplo: Un polvo con resistividad volumétrica ρv de 1010 Ω·m y una permitividad relativa ε de 2 necesitaría un tiempo de relajación:

1. La conversión de unidades demuestra que Ω·F = V/A·C/V = C/A = C/(C/s) = s.

Esto significa que después de transcurridos unos 0,2 s, aproximadamente dos tercios (1−1/2,718) de la carga se habrán descargado desde el polvo a granel hacia tierra.

Se debe observar que, siendo el aire muy mal conductor (resistividad del aire: 2·1013 a 4·1013 Ω·m), el decaimiento de la carga acumulada en un polvo en suspensión en el aire (nube de polvo) no está influenciado por la resistividad volumétrica del polvo.

Los niveles de carga a que se puede llegar, tanto en el polvo a granel depositado o en suspensión en aire, están limitados por el desencadenamiento de la descarga electrostática. Esto ocurrirá cuando el campo eléctrico alcance la intensidad de disrupción dieléctrica del aire 3 MV/m (rigidez dieléctrica o voltaje de ruptura), sea en el borde del montón de polvo depositado en un recipiente o en la nube de polvo.

3. TIPOS DE DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS

En general todas las partículas, incluyendo gránulos, virutas y fibras, se cargan fácilmente durante el transporte a través de tuberías y conductos. Esto ocurre en mayor grado cuando las partículas permanecen bien separadas unas de otras, como en el transporte neumático. Los polvos se pueden inflamar más fácilmente por descargas electrostáticas cuando están en suspensión en el aire, en forma de partículas finas o en estado de baja turbulencia que cuando están depositados en forma de capa. Estas descargas pueden adoptar diferentes formas con poder de ignición también distinto (Tabla 2).

En las descargas en forma de chispa, la energía desprendida por la chispa entre un cuerpo conductor y otro conductor unido a tierra se calcula con la ecuación:

En la Tabla 3 se presentan valores típicos de capacidades de elementos conductores usuales.

Un ejemplo de este cálculo se puede aplicar a un bidón metálico, situado sobre una superficie aislante, que se está llenando con polvo desde una trituradora, molino, tolva, etc. En bibliografía especializada se indica un valor aproximado de la corriente de carga procedente del polvo de 10−7 A. La resistencia R de fuga del bidón a tierra a causa de la superficie aislante la suponemos de 1011 Ω; y la capacidad C del bidón de unos 50 pF. El voltaje máximo que puede alcanzar el bidón es:

y la energía máxima liberada en una descarga en chispa sería:

El poder de ignición de las descargas en chispa se puede estimar comparando la energía desprendida, con la Energía Mínima de Ignición (EMI) del polvo procesado. Los valores de la EMI que se encuentran en la bibliografía corresponden a la mezcla que más fácilmente da lugar a la ignición (concentración óptima). Para los polvos com bustibles varía desde valores inferiores a 1 mJ hasta otros por encima de 10 J.

A título de referencia se presenta, en la Tabla 4, valores de EMI de algunos polvos.

Las condiciones necesarias para que ocurra una descarga en forma de brocha propagante son:

• Densidad de carga superficial mayor que 2,5x10 −4 C/m2 .
• Espesor de la lámina aislante menor que 8 mm.
• Voltaje mínimo de perforación de 4 kV entre las dos caras de la lámina aislante.

La energía liberada en este tipo de descarga se puede estimar suponiendo que la lámina cargada (con polaridad de signos contrarios en sus dos caras), se comporta como un condensador plano paralelo con la lámina como dieléctrico. Por ejemplo, en una lámina de permitividad relativa ε = 2, densidad de carga superficial σ = 10−3 C/m2 , espesor d = 75 µm, y área A = 0,5 m2 , la energía almacenada W estaría calculada por:

Si este valor se compara con la EMI de polvos se puede ver el poder de ignición de la descarga considerada.

Respecto las descargas en forma de cono, como referencia para silos con diámetros comprendidos entre 0,5 y 3 m y con polvo de tamaños entre 0,1 y 3 mm, la energía liberada en este tipo de descargas, se puede estimar mediante la fórmula numérica:

• W = 5,22 · D3,36 d1,46
• W = límite superior de la energía de la descarga en cono (mJ)
• D = diámetro del silo conductor conectado a tierra (m)
• d = mediana de la distribución del tamaño de las partículas del polvo (mm)

Según se deduce de la fórmula anterior, las descargas en cono procedentes de polvo más grueso son de mucha mayor energía que las de polvo fino. Por tanto la situación más peligrosa se tiene cuando se manipulan gránulos (mayor generación de carga) junto a polvo fino (mayor facilidad de ignición) formando una nube con polvo de baja energía mínima de ignición. No hay riesgo de ignición si las partículas son sólo gránulos de tamaño mayor de 500 µm (0,5 mm).

Según bibliografía especializada, este fenómeno sólo se ha observado en operaciones de llenado y vaciado con materias granulares poliméricas en silos y grandes contenedores. Las descargas desde el polvo depositado sólo se pueden esperar con polvo grueso de diámetros entre 1 y 10 mm.

En llenados de silos con gránulos de poliéster se ha observado un descenso súbito del campo eléctrico al tiempo de una señal de radiofrecuencia indicadora de que ha ocurrido una descarga. Existen aparatos que detectan las descargas electrostáticas.

El especialista Maurer indica que se necesitan mayores caudales de llenado (de hasta 28.000 kg/h) para generar descargas en partículas poliméricas de 800 µm de diámetro (0,8 mm) que con partículas de mayor tamaño de unos 3 mm de diámetro. La resistividad del polvo también juega un papel esencial. Thorpe ha demostrado que el fenómeno no se ha observado cuando la resistividad del material a granel es inferior a 1010 Ω·m.