«Основы электротехнологий. Электротехнологические...

«Основы электротехнологий. Электротехнологические процессы и аппараты»

Электронно-ионные технологии (технологии на основе коронного разряда).Физические основы и техническая реализация

ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтные технологии:

• технологии, основанные на применении сильных электрических полей (электронно-ионные технологии)

• электроимпульсные технологии

• плазмохимические технологии

Если частицам мелкодробленого

(диспергированного) материала сообщен

некоторый заряд, то на эти частицы в

электрическом поле действует сила

F = Eq, которая заставляет частицы двигаться.

ВВЕДЕНИЕ

Преимущества

• Непосредственное воздействие электрической энергии на обрабатываемый материал (без дополнительных потерь, сопровождающих эти промежуточные трансформации)

• Все вещества в природе (проводящие, полупроводящие, диэлектрические) могут тем или иным способом быть заряжены и далее подвергнуты силовому воздействию электрического поля. (универсальность методов рассматриваемой технологии)

• Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное управление процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пределах величины напряжения (возможность обеспечения высокого класса точности)

ВВЕДЕНИЕ

К недостаткам можно отнести то, что наиболее эффективное воздействие электрических полей на сырье проявляться в случае, если последнее находится в диспергированном состоянии.

В тоже самое время огромная же масса обрабатываемого сырья по своей природе либо уже находится в диспергированном состоянии, либо легко может быть приведена в такое состояние при добыче и последующей обработке (добыча полезных ископаемых).

ВВЕДЕНИЕ

Формы силового воздействия электрического поля на частицы сырья и конечный результат

Частицы вещества при помещении их в электрическое поле поляризуются. Если они продолговатой формы, то возникают силы, ориентирующие частицы по силовым линиям поля. Эта способность лежит в основе технологий изготовления текстильных и композиционных материалов - Электропрядение

Так как свойства отдельных частиц отличаются, то возникают силы, которые кроме ориентации заставляют частицы двигаться с различными скоростями и по различным траекториям. Это позволяет осуществлять сепарацию и классификацию частиц по диэлектрическим свойствам, электропроводности и размерам - Электросепарация

При наличии избыточного электрического заряда частицы независимо от физических свойств будут двигаться в электрическом поле по направлению к электродам, имеющим заряд противоположный по знаку заряду частиц. Это позволяет выделять частицы из несущей их газовой среды, т.е. осуществлять очистку газа от жидких и твердых диспергированных материалов – Электрофильтрация

Частицы, осаждаясь на электрод, удерживаются на его поверхности за счет сил зеркального отображения, создавая плотный слой. При этом имея одноименный заряд, частицы расталкиваются и обеспечивают равномерность покрытия - Нанесение полимерных порошковых покрытий



Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность фотополупроводников, с заряженными частицами проявляющих материалов приводит к их избирательному осаждению - Электропечать

Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными зарядами позволяет произвести однородное смешивание материалов

Воздействие сильного поля коронного разряда на сельскохозяйственную продукцию с целью увеличения сроков его хранения.

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики)

Коронный разряд это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях.

Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода).

Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.


В технологических процессах главную роль играет внешняя зона коронного разряда

.

;0

;

;0

EkJ

Jdiv

gradE

Ediv

Система уравнений поля для внешней зоны коронного разряда

(1)

(2)

(3)

(4)


Граничные условия: (1) – (2) значения потенциалов электродов: коронирующего 1 = U и некоронирующего 2 = 0

(3) - производная потенциала у поверхности коронирующего электрода равна начальной напряженности независимо от интенсивности коронного разряда:

00Er rr

.


Подвижность ионов определяется как скорость движения ионов в поле единичной напряженности и зависит от времени существования ионов.

С течением времени подвижность ионов уменьшается за счет увеличения эквивалентной массы ионов в результате присоединения нейтральных молекул к первичному иону или электрону.

В диапазоне времен до 0,5 мс подвижности положительных и отрицательных ионов постоянны и составляют:k+ = 2,1 см2/(Вс),

k = 2,24 см2/(Вс).

Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами

0

1 rEdr

d

r(1) (5)

rJA 2(4)

rkEA 2 (6)

(4) (5) rE

Er

r

rrdr

k

ArErEd

00 002


rE

Er

r

rrdr

k

ArErEd

00 002

2

200

2

0

0

12

r

rE

r

r

k

AE

При r >> r0

2

0

00

2

r

rE

k

AE

(7)

(8)


Для интенсивного коронного разряда, когда U >> U0 (U0 начальное напряжение)

k

AE

02(9)

E

E0

R r0

R

r0

r

r

1

2

(1) - электростатическое поле(2) - поля при униполярном коронном разряде между коаксиальными цилиндрами


Распределения напряженности поля при коронном разряде для системы «проводплоскость»

E

E0

h x r0

1

2

y

x

h

r0

1 электрический 2 при коронный разряд


0

0

298,013,30

rE

0ln000 r

RrEU

начальная напряженность промежутка

начальное напряжение

Uнач(+) > Uнач(-)


Uр(-) > Uр(+)1150

900

600

750

450

300

150

50 100 150 200

Uр, кВ

L, см

1

2

Разрядные напряжения воздушных промежутков

стержень-плоскость при отрицательной (1)

и положительной (2) полярностях постоянного

напряжения питания стержня

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Структурная схема типовой технологической установки

Зарядноеустройство

Камераорганизации

движения частиц

Камераформирования

готового продукта

Источниквысокого

напряжения

Зарядка частиц(ИОННАЯ)

Увеличение заряда частицы определяется количеством ионов, попадающих на частицу в единицу времени

S

sdfedt

dq(11)

Поток ионов на частицу определятся движением ионов под действием электрического поля и движением, вызванным диффузией ионов за счет градиента концентрации ионов:

nDEnkf grad (12)

Зарядка частиц(ИОННАЯ)

Выделяется 2 механизма зарядки частиц:

«ударная» зарядка – это зарядка частица за счет осаждения ионов под действием электрического поляDgradn << nkE

«диффузионная» зарядка - это зарядка частица за счет осаждения, когда преобладает движение ионов под действием диффузионного механизмаDgradn >> nkE

Для условий, наблюдаемых в аппаратах электронно-ионной технологии, когда Е ~ (13) кВ/см:- при размерах частиц 2а << 0,1 мкм - преобладает «диффузионный» механизм зарядки,- для частиц размером 2а >> 1 мкм - преобладает «ударная» зарядка.

Зарядка частиц(УДАРНАЯ ИОННАЯ)

3пвн EEEEE q (13)

а

ЕвнА


coscos

2

12cos внвнвнпппвн kEEEEE

(14)

232121 k- коэффициент, учитывающий относительную диэлектрическую проницаемость частицы

204 a

qEq

(15)

Для малых размеров частиц полем зеркального отображения иона можно пренебречь


Е (11) и (12)

dsa

qEnkek

dt

dq2

0вн

4cos

(16)

20

0 )(4 m

m

qtqq

ken

dt

dq

(17)

вн2

04 Eakqm - максимальный заряд частицы


kten

ktenqtq m

00

0

4)(

(18)

3k

Для проводящей частицы можно считать, что

вн2

012 Eaqm (19)


При биполярной короне

kenken

kenken

qq m

1

1

пред

v+ = en+k+

v = enk

- проводимости, определяемые положительными и отрицательными зарядами

(20)

qпред < qm

Зарядка частиц(ДИФФУЗИОННАЯ)

Для малых частиц (2а << 0,1 мкм)

s

dsa

qkn

dr

dnDΦ )

4(

20

(21)

AcAEken

t i ln)( 00

0

(22)

где Ei интегральная показательная функция;

А = kq/(D40a);

c0=0,577 постоянная Эйлера

Зарядка частиц(ДИФФУЗИОННАЯ)

A ~ q

n0t, 107 3смс

6

4

2

01 2 3

Зависимость параметра А от времени зарядки и концентрации ионов

0,1 а 1 мкм

Зарядка частиц(ИНДУКЦИОННАЯ)

Движение сферической проводящей частицы в поле плоского конденсатора

12

3 Е

Индукционная зарядка проводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного

коронного разряда

n0

E1

1v1

2=1v2

Eвнa

2b

A

j1

jвн

2с

x

x

y

z

Частицу в виде проводящего полуэллипсоида, находится на поверхности плоского электрода в электрическом поле

(1 , удельные электропроводности v1 = v2 = 0)



Напряженность электрического поля у поверхности проводящего полуэллипсоида Еn

2

12

2

2

2

2

22вн

c

z

b

y

a

x

da

xEE

an

(23)

где a, b, c полуоси эллипсоида, da коэффициент деполяризации эллипсоида в направлении оси x.

Коэффициент деполяризации отражает изменение напряженности поля эллипсоидом в направлении соответствующей оси.

- Для сферы имеем da = db = dc = 1/3.

- Если сфера моделируется полуэллипсоидом, то b/a = c/a = 0,5 и da = 0,172.



Плотность поверхностного заряда связана с напряженностью поля у поверхности электрода:

nE0 (24)

Индукционный заряд полуэллипсоида определяется по формуле

s s

ndsEdsq 0 (25)

(23) (25)ad

bcEq вн0 (26)

Проводящая частица на поверхности электрода в электрическом поле, вектор напряженности которого направлен к поверхности электрода, приобретает отрицательный заряд и на нее действует отрывающая от поверхности электрическая сила

Индукционная зарядка полупроводящей частицы, находящейся на электроде в поле

униполярного коронного разряда

n0

E1

1v1

2=1v2

Eвнa

2b

A

j1

jвн

2с

x

x

y

z

Частица характеризуется определенной величиной удельной объемной электропроводности

v1 и находится в поле униполярного коронного разряда,

v2 0 и Jвн 0

Индукционная зарядка полупроводящей частицы, находящейся на электроде в поле

униполярного коронного разряда

При 1v2 > v1 (частица плохо проводящая)

q > 0, - частица приобретает избыточный положительный заряд и на нее действует прижимающая электрическая сила

При 1v2 < v1 (частица хорошо проводящая)

q< 0 - частица приобретает избыточный отрицательный заряд и на нее действует отрывающая электрическая сила

Статическая электризация

Статическая электризация происходит при контакте и последующем разделении тел, обладающих различными физическими или химическими свойствами. Контактирующие тела приобретают заряды различных знаков.

Материал, для которого работа выхода Авых меньше, при контакте более легко теряет электроны и, таким образом, заряжается положительно.

Для большинства диэлектрических частиц действует правило Коэна - при приведении в контакт и разъединении двух диэлектриков, вещество с большей относительной диэлектрической проницаемостью заряжается положительно.

36

Движение частиц в электрическом поле

вязкости

силы

2

давлениясилы

силывнешние

в

инерциисила

в grad upFdt

ud

Уравнение НавьеСтокса

(32)

0div uУравнение неразрывности течения жидкости:

Распределение скорости воздуха вокруг движущегося тела


ulul

lu

ulu

udt

ud

F

F

в

2

в

2

в

вязкости

инерцииRe (33)

Число Рейнольдса - соотношение между силами инерции и вязкости

a2Re (34)

Для движущейся сферической частицы

aFc 6

sCF вxc 2

(Re)fCx

При Re 0,5:


(35)


Экспериментальная зависимость (Re)fCx

1

10

102

103

10-2 10-1 1 10 102 Re

Cx

Стокс


Зависимость подвижности B от радиуса частиц

200

10080

10 3

40

20

10

8

4

2

110 2 10

1 1 103 3 3 3 3

см2/кВ с

Bq,

a, мкм

1

2


_

+E

Mгд

1

2

Силы, действующие на частицу несферичной формы

«Основы электротехнологий. Электротехнологические...

Documents