WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации Московский энергетический институт (Технический университет) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие по курсу

«Основы электротехнологии» Под редакцией И.П. Верещагина Москва МЭИ 1999 ПРЕДИСЛОВИЕ Традиционно при подготовке инженеров–технологов круг рассматриваемых электротехнологий ограничивался классическими рамками термических, электрохимических, электросварочных, ультразвуковых и некоторых других широко распространенных технологий. Наряду с этим в последнее десятилетие активно развивались новые электрофизические технологии, в том числе основанные на использовании высоких напряжений. Речь идет не об отдельных экзотических примерах, а о технологиях получивших достаточно широкое промышленное применение.

Курс лекций по технологическим процессам, связанным с применением сильных электрических полей, читался для специалистов по технике высоких напряжений уже более 15 лет. Два года назад впервые для этих же специалистов был прочитан курс лекций по новым электротехнологическим процессам, связанным с применением сильных электрических, магнитных полей и электроразрядной плазмы.

Примерно в то же время было решено расширить содержание курса «Основы электротехнологии», который как базовый курс читается студентам института электротехники МЭИ. Этот курс был разделен на две части, из которых первая включала основы электротермии, а вторая, равная по объему первой - высоковольтные электротехнологии.

Чтение второй части курса и создание соответствующей учебной лаборатории было поручено кафедре техники и электрофизики высоких напряжений. С тех пор накоплен определенный опыт преподавания, совершенствовалась методика чтения разделов курса, связанных с высоковольтными электротехнологиями.

Задачи, преследуемые в этих разделах курса, можно сформулировать следующим образом:

1.Познакомить будущих инженеров электротехников с возможностями новых электротехнологических процессов, основанных на использовании прямого воздействия на материал сильных электрических и магнитных полей, применении плазмы газового разряда для плазмохимических преобразований газовой среды и материалов, электроимпульсных методов воздействия на материал;

2. Заложить основы знаний по физике газового разряда, электрогазодинамике дисперсных систем и физике плазмы, необходимых для более глубокого и систематизированного понимания излагаемого материала;

3. На основе конкретных примеров показать энергетическую, эргономическую и экологическую эффективность новых электротехнологических процессов по сравнению с традиционными.

В связи с тем, что содержание курса базируется на новых разработках, которые отражены только в монографиях и статьях в научно-технических журналах, то до сих пор отсутствует учебник или учебное пособие, которое можно было бы рекомендовать студентам.

Поэтому возникла необходимость в подготовке учебного пособия, что и было осуществлено преподавателями и научными сотрудниками кафедры ТЭВН, которые длительное время работают в области высоковольтных электротехнологий. Авторский коллектив включает к.т.н. ст. преп. Аношина О.А., к.т.н. ст. преп. Белогловского А.А., д.т.н. проф. Верещагина И.П., к.т.н. ст. преп. Калинина А.В., к.т.н. ст. преп. Кривова С.А., к.т.н. доц. Кужекина И.П., к.т.н. доц. Орлова А.В., к.т.н. ст. преп. Панюшкина В.В., к.т.н. снс Соколову М.В., к.т.н. доц. Темникова А.Г. Общая редакция осуществлена проф. Верещагиным И.П.

Текст учебного пособия состоит из 14 глав.

В первых четырех главах изложены в компактной форме сведения из физики газового разряда и физики плазмы, которые используются в технологиях, основанных на действии сильных электрических полей и в плазмо-химических технологиях.

Пятая глава содержит теоретические основы технологий, базирующихся на использовании сильных электрических полей, а в последующих шести главах дано описание конкретных технологий этого типа.

Завершает учебное пособие краткое описание плазмо-химических технологий, технологий, основанных на импульсном воздействии на материалы (электрогидравлическая, электроэррозионная и магнитно-импульсная), а также конструкции и области применения электрогазодинамических устройств.

ВВЕДЕНИЕ Технология – слово греческого происхождения от слова techne, означает искусство, мастерство, умение. В современном понимании, технология – это совокупность методов обработки, изготовления, изменение состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Задача технологии как науки – исследование и выявление физических, химических, механических и иных закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

В условиях рыночной экономики и бурного научно-технического прогресса роль новых технологий трудно переоценить. Современная история экономического развития общества – это история разработки и внедрения новых технологий. Возьмем к примеру историю образования и развития какой-нибудь современной транснациональной корпорации и мы увидим, что это история развития передовых технологий. Только этот путь сегодня может обеспечить возможность развития бизнеса в условиях жесточайшей конкуренции. В качестве примера можно привести фирмы развившиеся на основе новой технологии – электрографии. Сегодня не только фирмы-гиганты развиваются таким образом. Появилось даже новое понятие «патентные технологии», то есть технологии, позволяющие развиваться и даже становиться монополистами достаточно небольшим фирмам овладевшим современными не имеющими аналогов технологиями.

Что же дают новые технологии? Во-первых, создание принципиально новых продуктов, услуг, материалов и оборудования (например лазерные технологии и появление новых информационных технологий). Во-вторых, получение уже известных товаров нового качества (например, кевлара по своим прочностным характеристикам во много раз превосходящего ранее известные материалы). В-третьих, возможность снижения себестоимости производства уже известных продуктов (пример, совершенствования персональных компьютеров).

Высоковольтные технологии можно разделить на следующие группы:

• технологии, основанные на применении сильных электрических полей;

• электроимпульсные технологии;

• плазмохимические технологии.

Технологии, основанные на силовом действии электрического поля на заряженные частицы материалов, находят применение при очистке дымовых газов от частиц золы, при электроокраске и нанесении порошковых полимерных покрытий, как процессы электрографии, разделения диспергированных полезных ископаемых на компоненты и т.д.

Электроимпульсные технологии включают магнитно-импульсное воздействие на материалы, электроэррозионную обработку материалов, использование импульсных разрядов в воде.

Плазмохимические технологии связаны с использованием свойств неравновесной плазмы газового разряда, в том числе для очистки газов от вредных примесей, обработки поверхности металлов и органических материалов, придания новых свойств известным и получения новых материалов и изделий.

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие................................................................................................ Введение...................................................................................................... 1. Электрофизические процессы в газах................................................... 1.1.Характеристики газовой среды...................................................... 1.2. Характеристики ионизованного газа............................................ 1.3. Дрейф заряженных частиц в электрическом поле.

Подвижность............................................................................... 1.4. Коэффициент ударной ионизации.............................................. 1.5. Коэффициент прилипания. Эффективный коэффициент ионизации............................................................. 1.6. Процессы возбуждения................................................................ 1.7. Различные виды ионизации в газах............................................ 1.8. Диссоциация молекул.................................................................. 1.9. Рекомбинация............................................................................... 1.10. Процессы вторичной ионизации............................................... 2. Физика газового разряда....................................................................... 2.1. Развитие разряда в однородном поле при постоянном напряжении..................................................... 2.2. Развитие разряда в резко-неоднородных полях......................... 2.3. Влияние формы воздействиующего напряжения на развитие разряда..................................................................... 3. Основные понятия физики плазмы...................................................... 3.1. Определение плазмы и ее основные свойства........................... 3.2. Дебаевский радиус экранирования............................................. 3.3. Плазма в электрическом поле...................................................... 4. Коронный разряд 4.1. Формы коронного разряда......................................................... 4.2. Униполярный коронный разряд................................................... 5. Технологические процессы, основанные на силовом воздействии электрических полей на материалы 5.1 Введение......................................................................................... 5.2. Зарядка частиц............................................................................. 5.2.1. Ионная зарядка..................................................................... 5.2.2. Индукционная зарядка частиц........................................... 5.2.3. Статическая электризация................................................. 5.3. Движение частиц в электрическом поле................................... 5.4. Коллективные процессы в заряженном аэрозоле...................... 6. Очистка газов от частиц в электрофильтрах................................. 6.1. Задача очистки газов от пыли.................................................... 6.2. Принципиальная схема электрофильтра................................... 6.3. Степень очистки газов в электрофильтре............................... 6.4. Влияние концентрации дисперсной фазы на характеристики коронного разряда и процесс очистки газа электрофильтрами............................................................... 6.5. Формирование слоя частиц на электроде и возникновение обратного коронного разряда 6.6. Конструкция электрофильтров................................................... 7. Нанесение покрытий в электрическом поле...................................... 7.1. Электроокраска.......................................................................... 7.2. Нанесение порошковых покрытий......................................... 8. Электросепарация................................................................................ 8.1. Классификация сепараторов........................................................ 8.2. Сепарация по электропроводности......................................... 8.2.1. Барабанные электростатические сепараторы....................... 8.2.2. Барабанные коронные сепараторы........................................ 8.2.3. Барабанные коронно-электростатические сепараторы....... 8.2.4. Лотковые наклонные электростатические сепараторы....... 8.3. Трибоэлектростатическая сепарация.......................................... 8.4. Пироэлектрическая сепарация.................................................... 8.5. Диэлектрическая сепарация......................................................... 9. Электропечать....................................................................................... 9.1. Применение электропечати......................................................... 9.2. Электрофотография...................................................................... 9.3. Электрокаплеструйная печать..................................................... 10. Нейтрализация зарядов статического электричества..................... 10.1. Основные понятия.................................................................... 10.2. Статическое электричество при перекачке нефти по трубопроводам 10.2.1. Физика образования и накопления заряда........................ 10.2.2. Технологический процесс транспортировки нефти........ 10.2.3. Воспламенение паров нефти.............................................. 10.3. Методы измерения основных параметров, характеризующих статическую электризацию 10.3.1. Измерение токов электризации......................................... 10.3.2. Измерение параметров зарядов и напряженности поля.. 10.4. Способы защиты от разрядов статического электричества.. 11. Обезвоживание нефтепродуктов..................................................... 11.1. Требования содержанию воды и солей в нефтепродуктах... 11.2. Теоретические основы обезвоживания нефтепродуктов...... 11.2.1. Седиментация капель воды в нефтепродукте.................. 11.2.2. Движение заряженных капель в электрическом поле в нефтепродукте 11.2.3. Процессы укрупнения капель воды.................................. 11.2.4. Зарядка капель воды в нефтепродукте.............................. 11.3. Конструкции промышленных технологических установок для обессоливания и обезвоживания нефти и нефтепродуктов......................................................................... 11.4. Технологии обезвоживания нефтепродуктов........................ 11.4.1. Глубокое обезвоживание нефтепродуктов....................... 11.4.2. Сверхглубокое обезвоживание.......................................... 11.4.3. Обезвоживание высокообводненных нефтей и аномально стойких эмульсий 12. Технологии с применением плазмо-химических реакций...... 12.1. Основы плазмо-химических преобразований....................... 12.1.1 Понятие кинетики химических реакций...................... 12.1.2. Особенности плазмо-химических, фото-химических и радиационно-химических реакций 12.2. Генераторы озона и озонные технологии.............................. 12.2.1. Физико-химические и биологические свойства озона 12.2.2. Основные способы получения озона............................. 12.2.3. Технологическое применение озона.............................. 12.3. Технологии конверсии газов в плазме газового разряда...... 12.4. Модификация поверхности материалов в плазме газового разряда........................................................................ 13. Технологии импульсного воздействия на материал...................... 13.1. Введение.................................................................................... 13.2. Электрогидравлическая технология....................................... 13.2.1. Основные сведения............................................................. 13.2.2.Технологические применения разряда в жидкости.......... 13.3. Электроэрозионная обработка материалов............................ 13.3.1. Основные сведения............................................................. 13.3.2. Физические основы электроэрозионной обработки металлов 13.4. Магнитно-импульсная обработка материалов....................... 13.4.1. Основные сведения............................................................. 13.5. Разновидности магнитно-импульсной обработки................. 13.5.3. Генераторы токов для магнитно-импульсной обработки............................................................................. 13.5.4. Технологические особенности.......................................... 14. Аэрозольные электрогазодинамические устройства..................... 14.1 Общая характеристика.............................................................. 14.2. Конденсационные ЭГД-генераторы заряженного аэрозоля...................................................................................... 14.3. ЭГД-генераторы........................................................................ 14.4. ЭГД-компрессор....................................................................... Список литературы................................................................................. 1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗАХ 1.1.Характеристики газовой среды Любая равновесная газовая среда, включая воздух, описывается рядом параметров, используемых при расчетах характеристик электрического разряда в газе. Такими параметрами являются: концентрация молекул или атомов газа - n, равная числу частиц в единице объема, давление газа р, температура газа Т. Эти величины связаны уравнением состояния p = nkT, (1.1) где k - постоянная Больцмана, k = 1,38010-23 Дж/град.

При давлении р0 = 1 атм = 760 мм рт.ст. и температуре Т0 = 0°С = 273 К плотность любого газа имеет вполне определенное значение, называемое числом Лошмидта, n0 = 2,6871019 1/см3. Тогда при любом другом давлении и температуре n = n0 (pT0 ) (p0T) или n = (273p) (273 + T1)p0 (1.2) если температура Т1 в (1.2) имеет размерность градусов Цельсия.

Под воздействием электрического поля в газе начинаются электрофизические процессы, которые могут привести к развитию электрического разряда. В общем случае электрический разряд - это процесс образования под действием приложенного поля такого состояния в ограниченной области газа, при котором в этой области в результате многих процессов, включая ионизацию молекул, резко возрастает количество заряженных частиц (электронов и ионов) и возникает хорошо проводящий канал.

Характер процессов, ведущих к разряду, их интенсивность, форма разряда зависят не только от напряжения U, приложенного к газовому промежутку, но - в первую очередь - от конфигурации электрического поля и распределения в нем напряженности поля E = - d dx (1.3) Различают однородные, слабо-неоднородные поля и резко-неоднородные поля. В первых двух случаях отношение максимальной напряженности поля в промежутке к ее среднему значению, называемое коэффициентом неоднородности поля kн, составляет 1 (однородное поле) или не превышает 1,31,5 (слабо-неоднородное поле). В однородном поле E = U d. В случае большого коэффициента неоднородности (kн 4) поле в промежутке является резко неоднородным.

В зависимости от напряженности электрического поля и степени его неоднородности в газовом промежутке может установиться разная форма электрического разряда. При этом основные электрофизические процессы, приводящие к развитию разряда, во всех газах примерно одинаковы, меняется только их интенсивность. Поэтому, прежде чем рассматривать разные формы разряда, рассмотрим различные электрофизические процессы, которые могут происходить в газе, и их зависимость от напряженности электрического поля.

1.2. Характеристики ионизованного газа Даже в отсутствие внешнего электрического поля в газе, кроме нейтральных молекул или атомов, может быть какое-то число свободных электронов и ионов разного знака. Заряженные частицы возникают либо под действием внешнего источника ионизации (в воздухе это - космическое излучение), либо создаются искусственно в лаборатории облучением промежутка светом ультрафиолетовой лампы. Считается, что в воздухе так называемая фоновая концентрация заряженных частиц составляет примерно 10З 1/смЗ.

В электрическом поле с напряженностьюЕ на заряженную частицу, имеющую заряд q (для электрона это заряд е), действует сила F = qE. (1.4) Под действием этой силы происходит движение заряженных частиц в направлении поля, причем в процессе такого движения заряженные частицы приобретают энергию от поля, равную W = qxE, где x - путь, пройденный частицей в направлении поля. Для электрона эта приобретенная энергия равна W = exE. Скорость движения электронов вдоль поля почти на три порядка больше скорости движения ионов за счет их разных масс, поэтому энергия, набираемая электронами, быстро возрастает.

При движении электронов в газе происходят их столкновения с нейтральными молекулами. Путь между двумя последовательными столкновениями называется длиной свободного пробега электрона. В общем случае эти длины имеют вероятностный характер и определяются функцией распределения энергий электронов. В расчетах часто используется средняя длина свободного пробега е, являющаяся функцией средней энергии электронов. В свою очередь, длина свободного пробега должна определяться плотностью газа, то есть его давлением. Приводимые в литературе значения е1 обычно даются для давления 1 мм рт.ст. и температуры 0°С. Тогда для другого давления р е = е1/р.

Одновременно с приобретением энергии электроны теряют ее при столкновениях с молекулами или атомами газа, причем в зависимости от доли теряемой энергии различают упругие и неупругие столкновения.

При упругих столкновениях доля теряемой электроном и приобретаемой молекулой энергии f mе/M, где mе и M - массы электрона и молекулы, что дает f 10-З. Энергия, переданная в результате большого числа упругих столкновений между многими электронами и молекулами газа, приводит к увеличению кинетической энергии нейтральных молекул, что выражается в повышении температуры газа.

При большой энергии сталкивающегося электрона возможно неупругое столкновение. При неупругих столкновениях электрон передает молекуле большую часть своей энергии, что приводит к переходу молекулы в новое состояние, определяемое значением полученной энергии. Неупругие столкновения могут сопровождаться ионизацией, при которой из нейтральной молекулы образуется положительный ион и свободный электрон, электронным возбуждением молекулы, при котором один из электронов на ее оболочке переходит на более высокий энергетический уровень, или диссоциацией молекулы, при которой молекула распадается на две нейтральные, заряженные или возбужденные частицы.

Особенностью перечисленных видов неупругих столкновений для большинства газов является наличие четко выраженных пороговых энергий: энергии электронного возбуждения - Wв, энергии диссоциации - Wд, энергии ионизации - Wи, ниже которых соответствующие реакции происходить не могут. Это связано со структурой атомов или молекул, с которыми взаимодействует свободный электрон. Их переход в новое состояние при столкновении с электроном возможен только при передаче им энергии, равной или большей пороговой.

Каждый процесс неупругого столкновения характеризуют соответствующим обобщенным коэффициентом, равным числу столкновений данного вида, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля.

1.3. Дрейф заряженных частиц в электрическом поле. Подвижность Полная скорость движения заряженной частицы в электрическом поле w, имеет две составляющие: скорость теплового хаотического движения w и c см/с направленную скорость под действием поля u.

v = w + u. (1.5) Для совокупности заряженных частиц рассматривается средняя скорость всех частиц. Средняя скорость направленного движения w носит название скорости дрейфа. Как показывают экспериментальные данные, эта скорость зависит от отношения Е/n, где n - плотность молекул газа, и от сорта газа. При этом скорость дрейфа электронов существенно выше скорости 10-16 10-15 10-14 E/n, Всм дрейфа ионов.

Рис. 1.1. Скорость дрейфа На рис.1.1 приведена зависимость скорости дрейфа электронов в электронов в воздухе в зависимости от приведенной воздухе от значений Е/n.

напряженности электрического В общем случае скорость дрейфа w = kE, (1.6) где k - носит название подвижности. Особенностью этой величины является то, что и для ионов, и для электронов существует широкая область значений напряженности, при которых в воздухе значения подвижности почти постоянны.

Для ионов в области значений поля, соответствующих развитию разряда, и при нормальных условиях газа значения подвижности в воздухе составляют Ки+ = 2,0 см2/Вс и Ки- = 2,2 см2/Вс.

Для электронов Кэ = (45)102 см2/Вс, что, как видно, на два порядка выше, чем у ионов.

1.4. Коэффициент ударной ионизации Этот коэффициент является самой важной характеристикой, используемой в теории газового разряда и определяющей основную реакцию, приводящую к развитию разряда. Ударная ионизация может быть представлена реакцией вида e + M M+ + 2e, где M - атом или молекула газа.

Коэффициент ударной ионизации равен числу актов ионизации, осуществляемых одним электроном на пути в см вдоль поля. Энергия ионизации - Wи, для большинства газов составляет 1220 эВ:

Газ O2 H2O CO2 N Энергия ионизации, эВ 12,5 12,6 14,4 15, Коэффициент ударной ионизации, обозначаемый обычно и называемый еще первым коэффициентом ударной ионизации Таунсенда, определяется по увеличению тока в промежутке между электродами в результате ионизации молекул газа при столкновениях с электронами. Процесс ионизации ведет к образованию новых свободных электронов.

Эти свободные электроны, в свою очередь, приобретают энергию поля, достаточную для ионизации, то есть для образования новых электронов. Ток, протекающий в промежутке с однородным полем, возрастает и дается выражением i = i0 exp(d), (1.7) где d - длина промежутка (в сантиметрах), а i0 - начальное значение тока.

Так как ионизация происходит при энергии электрона W Wи, а энергия, приобретаемая электроном, зависит от поля и от длины пути свободного пробега, определяемой плотностью газа, то и вероятность ионизации, а следовательно и коэффициент должны зависеть от поля и от концентрации молекул газа n или его давления р. Эксперименты подтверждают, что действительно имеется зависимость /n = f(Е/n) или /р = f(Е/р), причем при давлениях газа порядка атмосферного эта зависимость хорошо описывается уравнением вида N = Aexp[B (E N)], (1.8) где где А и В - константы, зависящие от газа.

На рис. 1.2 приведена экспериментальная зависимость /n = f(Е/n) для воздуха. Отношение E/n часто называют приведенной напряженностью поля.

Как видно по рисунку, возрастание /n с ростом приведенной напряженности E/n становится менее интенсивным, что связано с двумя факторами: если увеличение E/n /n, /n, происходит за счет роста напряженности поля Е при неизменной эфф/n, плотности газа n, то с возрастанием энергии свободных электронов при их см движении, уменьшается время взаимодействия при их столкновениях с 10- /n молекулами, что приводит к уменьшению скорости роста вероятности ионизации;

если рост E/n связан с уменьшением n, то уменьшается число 10- молекул, с которыми сталкивается электрон, а, следовательно, 10- уменьшается и число столкновений, что означает изменение.

10-19 эфф/n 1.5. Коэффициент прилипания. Эффективный /n коэффициент ионизации 10- 10- Уравнение (1.8) соответствует процессам ионизации, происходящим в электроположительных газах, таких как He, Ar, Ne, H2, 10-15 10-14 10-13 E/n, Всм N2. В газах, в состав молекулы которых входят атомы кислорода, фтора и Рис. 1.2. Зависимости коэффициентов ионизации ряда других, при столкновении электрона с молекулой или атомом может и прилипания и эффективного коэффициента происходить процесс захвата электрона с образованием отрицательного ионизации в воздухе от E/n иона.

e + M M- + W.

Устойчивость образовавшихся отрицательных ионов зависит от энергии сродства атома или молекулы к электрону Wп, то есть от энергии, выделяющейся при захвате электрона. Эта энергия должна быть положительной, то есть должна выделяться. Такие газы называются электроотрицательными, а процесс образования отрицательного иона при столкновении электрона с молекулой, - процессом прилипания, характеризуемым коэффициентом, равным числу прилипаний, происходящих на пути в 1 см вдоль поля. Как и для, для коэффициента прилипания существует зависимость /р = f(Е/р) или /n = f(Е/n) (рис. 1.2).

Если часть свободных электронов прилипает к молекулам газа, то число электронов, способных продолжать ударную ионизацию, сокращается, что учитывается введением так называемого эффективного коэффициента ионизации эфф = -. На рис. 1.2 приведена зависимость эфф /n = f(E/n) для воздуха. Значения эфф /n становятся положительными после некоторого порога при котором число ионизаций равно числу прилипаний. Для воздуха это пороговой значение приведенной напряженности равно примерно E/n = 1,210-15 Всм2, что для атмосферного давления составляет Е = 24,5 кВсм.

Особенностью отрицательных ионов является их нестабильность в сильных электрических полях, когда при столкновениях с электронами, ионами и даже нейтральными молекулами происходит отрыв электрона от отрицательного иона с образованием нейтральной молекулы и свободного электрона, так как в этом случае сообщаемая отрицательному иону энергия превышает энергию сродства. Для воздуха порогом распада отрицательных ионов можно считать напряженность поля, превышающую 30 кВ/см.

1.6. Процессы возбуждения Среди процессов неупругого столкновения электронов с молекулами газа имеется большое число видов столкновения, при которых не образуются новые электроны, но которые имеют очень важное значение для развития разряда, так как при этих столкновениях электроны теряют энергию и уменьшается вероятность ионизации. Такими процессами является возбуждение атомов или молекул.

При неупругих столкновениях с электронами атомы или молекулы могут переходить из основного состояния в более высокое энергетическое состояние, что и соответствует процессу возбуждения. Основное состояние характеризуется наименьшей полной энергией атома или молекулы и является единственным стабильным состоянием.

Атом, возбужденный в результате получения энергии, стремится вернуться в исходное состояние, при этом излучается фотон с энергией, зависящей от уровня возбуждения.

Если в атоме при получении им энергии возбуждения осуществляются только электронные переходы, что соответствует электронному возбуждению, то молекулы имеют еще и другие возможности восприятия передаваемой им энергии. Возникает либо вращение молекулы в целом вокруг некоторой оси, либо составляющие ее атомы начинают колебаться по отношению друг к другу;

таким процессам соответствуют вращательное и колебательное возбуждения.

Пороговые энергии возбуждения колебательных и вращательных уровней молекул очень малы: например для азота Wk = 0,29 эВ, а для кислорода Wk = 0,19 эВ.

При возвращении колебательно возбужденных молекул в основное состояние большая часть энергии излучения поглощается газом и переходит в тепловую энергию нейтральных молекул.

Для электронного возбуждения атомов и молекул в газах типа воздуха характерная пороговая энергия электронов, ниже которой возбуждение не происходит, составляет 612 эВ.

1.7. Различные виды ионизации в газах Ударная ионизация в газе, характеризуемая коэффициентом ионизации, является в электрическом поле основным поставщиком свободных электронов. Вместе с тем на условия развития разряда могут оказывать влияние и даже стать определяющими и другие механизмы ионизации молекул и атомов. К их числу относятся фотоионизация и термоионизация.

Источником ионизирующего излучения может быть внешнее излучение, но таким источником может быть и сам газовый разряд, в котором фотоны образуются при возвращении в исходное состояние возбужденных атомов и молекул.

Возникающие фотоны поглощаются газом, причем механизм фотопоглощения чрезвычайно разнообразен и зависит от энергии фотона и структуры молекулы.

Наибольшее практическое значение для развития разряда имеет поглощение фотона с последующей ионизацией молекулы - фотоионизация. Для осуществления фотоионизации нужно, чтобы энергия фотона h Wи. Молекулярные газы для фотоионизации требуют ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. При ультрафиолетовом излучении атом ионизуется путем выбивания одного из самых внешних электронов. Рентгеновское излучение взаимодействует преимущественно с более сильно связанными внутренними электронами.

Если в газе имеются молекулы разных сортов, отличающиеся разными значениями энергий ионизации и возбуждения, и если энергия электронного возбуждения одних молекул больше энергии ионизации других, то при девозбуждении молекул одного сорта может происходить фотоионизация молекул другого сорта, что имеет место, например, в воздухе при развитии разряда.

При повышении температуры газа до нескольких тысяч градусов возможно осуществление целого ряда реакций, в результате которых образуются положительные ионы и электроны. При высокой температуре за счет большой кинетической энергии частиц возможны неупругие столкновения между собой нейтральных молекул, которые приводят к возбуждению и диссоциации сталкивающихся частиц. В последнем случае молекула распадается на составляющие ее атомы или группы атомов, причем продукты диссоциации, обладающие чаще всего более низкими энергиями ионизации, чем сложная молекула, претерпевают ионизацию при последующих столкновениях.

В смесях газов, таких как воздух, при возвращении термически возбужденных молекул одного сорта (азота) в основное состояние происходит излучение с последующим поглощением фотонов молекулами другого сорта (кислорода), в результате чего также может быть ионизация. Таким образом под термической ионизацией понимается целая совокупность процессов, приводящих к ионизации при высокой температуре газа. Интенсивность термической ионизации характеризуют степенью ионизации m, равной отношению числа (концентрации) ионизованных частиц в единице объема газа nи к числу (концентрации) всех частиц в единице объема - n, так что m = nи/n.

Если газ находится в условиях теплового равновесия, когда средняя тепловая энергия частиц разного сорта (нейтральных молекул, электронов, ионов) одинакова, то для определения степени ионизации m по известной температуре Т можно пользоваться уравнением Саха:

2, p[m2 (1- m2)]= AT exp(Wи kT), (1.9) где р - давление газа, мм рт.ст.;

Wи - энергия ионизации газа, эВ;

k - постоянная Больцмана, эВ/К;

постоянная А = 2,410-4. Обычно даже при температурах порядка 10000 К степень ионизации газа еще очень мала и не превышает 0,1.

1.8. Диссоциация молекул Еще одним видом неупругого столкновения электронов с молекулами газа является столкновение приводящее к диссоциации молекулы, при котором молекула распадается на отдельные атомы или группы атомов. В общем виде эта реакция записывается как e + M2 M + M + e.

Этот процесс имеет большое значение как для развития разряда, так и при технологическом использовании электрических разрядов, когда в разряде получают частицы определенного сорта.

Энергии диссоциации молекул обычно выше энергии электронного возбуждения и ниже энергии ионизации молекулы. При столкновении электронов с молекулой с ее диссоциацией электрон теряет энергию, что препятствует его участию в ионизации и затрудняет развитие разряда, но продукты диссоциации могут принимать участие в цепочке последующих реакций, включая химические превращения, на которых и основывается электротехнология.

Вероятность прямого разбиения молекулы при столкновении с электроном очень мала, так как мало время передачи энергии от электрона молекуле и его недостаточно для ее разбиения на атомы и их ухода друг от друга. Обычно диссоциация идет двухступенчатым путем: сначала происходит возбуждение электронных состояний молекулы, а затем распад возбужденной молекулы на атомы.

1.9. Рекомбинация Помимо ионизации, при которой возникают новые электроны и ионы, в ионизованном газе идет обратный процесс - воссоединение заряженных частиц при их столкновениях с образованием нейтральных молекул.

e + M+ M или M- + M+ M2.

Этот процесс, называемый рекомбинацией, включает в себя большое число разных взаимодействий, приводящих к взаимной нейтрализации заряженных частиц.

Если взаимодействующие частицы - ионы, процесс называют ион-ионной рекомбинацией, если одна частица - электрон, а другая положительный ион, то это - электрон-ионная рекомбинация. В общем случае процесс взаимной нейтрализации характеризуют коэффициентом рекомбинации р, определяемым как число R актов рекомбинации в единице объема газа за единицу времени, при единичной концентрации частиц положительных и отрицательных, то есть P = R (N+ N-). (1.10) При рекомбинации противоположно заряженных частиц образующаяся нейтральная частица обладает энергией, меньшей полной внутренней энергии рекомбинирующих частиц, при этом избыток энергии W освобождается разным способом. Так при ион-ионной рекомбинации может быть:

а) трехчастичная рекомбинация А+ + B- + C A + B + (C +W), при которой в процессе взаимодействия участвует третья частица (заряженная или нейтральная), и избыток энергии передается ей. Этот вид рекомбинации наиболее существенен при давлениях порядка атмосферного, поскольку требуется достаточная плотность третьих частиц;

б) радиационная рекомбинация А+ + B- AB + h, сопровождающаяся излучением и преобладающая при низких давлениях, когда имеет место недостаток третьих частиц;

в) диссоциативная рекомбинация (АB)+ + C - A + B + C, имеющая место, если один или оба иона являются молекулярными, а избыток энергии идет на диссоциацию образующейся нейтральной молекулы.

При атмосферном давлении в воздухе коэффициент ион-ионной рекомбинации составляет р = 2,410-6 см3/с.

Электрон-ионная рекомбинация имеет значительно меньшую вероятность из-за высокой скорости передвижения электронов, что ограничивает время взаимодействия частиц и время захвата электрона для образования нейтральной частицы.

1.10. Процессы вторичной ионизации Для многих видов разряда пробой всего промежутка возможен только в том случае, если кроме ионизации в объеме газа, имеет место и так называемая вторичная ионизация на катоде, обеспечивающая воспроизводство заряженных частиц в связи с их уходом из промежутка. Процессы на катоде в промежутке при развитии разряда могут быть следующие:

а) освобождение вторичных электронов с катода под действием фотоизлучения;

б) освобождение электронов под действием прихода на катод положительных ионов;

в) освобождение электронов при взаимодействии с поверхностью катода возбужденных атомов и молекул.

Кроме того, может происходить освобождение электронов с поверхности электрода и в результате других процессов. Такими процессами являются:

а) автоэлектронная эмиссия, если напряженность электрического поля у поверхности электрода очень велика и происходит вырыв электрона из металла;

б) термоэлектронная эмиссия, происходящая при специальном нагреве электрода, например, в газоразрядных приборах.

Процессы освобождения электронов с катода под действием других частиц (ионов, возбужденных атомов, фотонов) называют процессами вторичной ионизации на катоде, интенсивность которых характеризуют коэффициентом, равным отношению числа электронов, освобожденных с катода, к числу взаимодействующих с катодом частиц. В зависимости от рода взаимодействующих частиц различают и, в, ф. При воздействии на катод разных частиц суммарный коэффициент вторичной ионизации на катода = и + в + ф. (1.11) Помимо процессов на катоде, вторичная ионизация может происходить и в объеме газа. В определенном смысле такой вторичной ионизацией является рассмотренная ранее фотоионизация в объеме газа, так как в отличие от ударной ионизации при столкновении молекул с электронами, ионизация при поглощении фотона является вторичным процессом, следующим за образованием при столкновении возбужденной частицы и последующим испусканием фотона при девозбуждении.

Вторичная ионизация на аноде при взаимодействии с ним электронов или отрицательных ионов не имеет значения при рассмотрении процессов разряда, так как освободившиеся с поверхности анода электроны тут же вновь уходят на него.

10. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ЗАРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА 10.1. Основные понятия Статическая электризация - это процессы, которые приводят к образованию, разделению и накоплению зарядов разных знаков. Такие взаимодействия стали привлекать внимание очень давно, но в последнее время это стало особенно актуальным, так как в промышленности стали применять материалы с высоким удельным объемным сопротивлением v 1012 Омм и удельным поверхностным сопротивлением s 1012 Ом. Эти материалы могут сохранять заряд в течение длительного времени, а значит, может накапливаться заряд, который увеличивает напряженность электрического поля.

При этом могут возникнуть условия удовлетворяющие возникновению самостоятельного разряда, а значит, может образоваться электрическая искра (пробой промежутка).

Статическая электризация, таким образом, может приводить к следующим последствиям:

• возникновение разрядов и опасность взрыва или пожара;

• электрический разряд не происходит, но образуется электрическое поле, которое может воздействовать на технологический процесс (в текстильной промышленности - распушение нитей в пучке до диаметра 1 м, что затрудняет процесс прядения, в полиграфии - слипание листов бумаги при печатании книг, что приводит к появлению брака);

• воздействие на организм человека как микроразрядов, так и электрических полей;

• использование зарядов статического электричества для реализации технологических процессов (зарядка в электросепарации, при нанесении порошковых полимерных покрытий и т.д.).

• Мы будем рассматривать опасные проявления статического электричества. Опасные условия создаются, если:

• в определенном месте происходило накопление заряда;

• заряды создают электрическое поле, достаточное для развития разряда;

• энергия, выделяемая в канале разряда, оказывается больше, чем минимально необходимая энергия для воспламенения среды.

Эти условия не всегда и не везде выполняются, но тем не менее во многих технологических процессах эта вероятность велика. Одним из таких процессов является перекачка нефти и нефтепродуктов по трубопроводам.

10.2. Статическое электричество при перекачке нефти по трубопроводам 10.2.1. Физика образования и накопления заряда При соприкосновении двух тел, отличающихся фазовым состоянием, образуется двойной электрический слой.

Различают три причины образования двойного электрического слоя:

1) преимущественное перемещение носителей зарядов из одного тела в другое - диффузия;

2) на границе раздела имеют место абсорбционные процессы, когда заряды одной из фаз преимущественно оседают на поверхности другой фазы;

3) имеет место поляризация молекул хотя бы одной из фаз. Это приводит к поляризации молекул другой фазы.

Причем поляризация во второй фазе может быть размытой (диффузной).

Двойной электрический слой зависит от удельного сопротивления вещества. Чем больше сопротивление вещества, тем более размытым в глубину является второй электрический слой.

Если рассматривать перекачку нефти, то размытый второй электрический слой может уноситься перемещением нефти и накапливаться в бункере. Чем больше скорость перемещения нефти, тем больше электризация нефти.

Величина зарядов статического электричества существенно зависит от условий, в которых происходит электризация и, в частности, от того, что поверхности соприкасающихся тел могут быть «загрязнены» другими веществами. Поэтому основой количественного анализа является эксперимент или, в лучшем случае, расчетно экспериментальные исследования.

10.2.2. Технологический процесс транспортировки нефти Статическая зарядка топлив стала резко проявляться примерно с 60-х - 70-х годов, когда начало применяться чистое топливо для улучшения экономичности работы и ресурса двигателей. На рис.10.1 показана технологическая цепочка транспортировки нефти.

Нейтрализатор статического Фильтр Накопи- электричества Сепаратор для для тельный очистки от воды Приемный Насос очистки резервуар резервуар без нейтрализатора с нейтрализатором х Рис.10.1. Нарастание плотности заряда в нефти при прохождении по тракту Нарастание плотности заряда в нефти происходит в технологических устройствах, где осуществляется контакт нефти с материалами, приводящим к ее зарядке, и где увеличивается скорость течения нефти. Спад заряда наблюдается при движении нефти по заземленным трубопроводам.

При движении нефти по технологическому тракту вплоть до приемного резервуара опасности от накопления заряда статического электричества практически нет, так как воздушных промежутков в аппаратах здесь нет и нет возможности возникновения электрического пробоя в газе. Иная ситуация существует в приемном резервуаре, где обязательно наличие газового пространства над поверхностью нефти.

Заряд, накапливаемый в приемном резервуаре, можно определить из условия его увеличения за счет втекания в резервуар заряженной нефти с учетом релаксации (стекания) заряда на заземленные конструкции резервуара:

dQ dQ dQ = +.

dt dt dt общ вх релакс Здесь релаксация заряда происходит по экспоненциальной зависимости:

-t Q(t) = Q0e, где = 0/v - постоянная времени релаксации, а и - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость нефти.

Отсюда:

dQ Q0 -t Q = - e = -.

dt релакс dQ Перепишем исходное уравнение, учитывая, что = Iвх, где Iвх - ток зарядов статического электричества на dt вх входе в резервуар.

dQ Q = Iвх - dt общ Решением дифференциального уравнения является:

-t Q = Iвх(1- e ).

На рис. 10.2 приведены зависимости изменения плотности и суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре.

I вх Q Q dQ/dt 0 t Рис. 10.2. Зависимость суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре от времени наполнения Из зависимостей видно, что скорость роста заряда экспоненциально падает, а суммарный объемный заряд, увеличиваясь, экспоненциально стремится к предельному значению, определяемому произведением Iвх.

Поэтому для уменьшения заряда, накапливаемого в приемном резервуаре, есть два пути. Первый заключается в снижении постоянной времени релаксации путем добавления в нефть специальных присадок, увеличивающих ее проводимость. Данное направление выбрала голландская фирма «Shell». Недостатком метода является непрерывный контроль за количеством присадки в нефти и точная его дозировка, так как при очистке нефти фильтрами одновременно происходит удаление присадки.

Второй путь заключается в непосредственном уменьшении заряда, находящегося в приемном резервуаре. С этой целью используют специальные устройства, называемые нейтрализаторами статического электричества. Схема нейтрализатора статического электричества приведена на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Нейтрализатор статического электричества Вокруг электродов, имеющих форму игл, в результате процессов ионизации образуются области с повышенным содержанием ионов, имеющих заряд противоположного знака избыточному заряду нефти (в нашем случае положительных ионов). В результате рекомбинации отрицательных и положительных ионов избыточный заряд нефти уменьшается.

Для решения задачи по предотвращению возгорания паров нефти из-за разрядов статического электричества необходимо определить величину и распределение зарядов в приемном резервуаре в зависимости от параметров системы транспортировки, рассчитать распределение поля и определить возможность возникновения разрядов и воспламенения паров в зависимости от минимальной энергии, необходимой для воспламенения. Если вероятность воспламенения велика, то должны использоваться нейтрализаторы или вводиться ограничения на режимы перекачки (например, ограничения скорости перекачки). Опасность возникновения разрядов статического электричества зависит от размера и формы используемых резервуаров (рис. 10.4).

в ж а) б) в) г) Рис. 10.4. Виды резервуаров а) прямоугольный;

б) горизонтальный цилиндрический;

в) вертикальный цилиндрический;

г) вертикальный цилиндрический с ценральной стойкой 10.2.3. Воспламенение паров нефти Заряд нефти, поступающей в резервуар, распределен по объему неравномерно. Это связано с релаксацией заряда на заземленные стенки конструкции. Поэтому, чем дальше рассматриваемый объем нефти от стенки резервуара, тем больше заряд в объеме. Кроме того, на поверхности нефти заряд релаксирует медленнее (особенно при приближении уровня к верхней стенке резервуара) в связи с влиянием большой величины емкости между поверхностью нефти и верхней стенкой.

Это означает, что на поверхности нефти в наиболее удаленной точке от стенок резервуара накапливается большой заряд, который создает электрическое поле между этой точкой поверхности нефти и заземленными стенками резервуара. По мере накопления заряда растет напряженность электрического поля вплоть до значения равного величине, при которой начинается разряд. В развивающемся разряде выделяется энергия, накопленная в нефти. Для того, чтобы пары нефти воспламенились, необходима определенная энергия равная минимальной энергии воспламенения. Для разных веществ она различается:

Минимальная энергия воспламенения паро-воздушных и кислородных (в скобках) смесей (мДж) Ацетилен 0,011 (0,0002) Метан 0,29 (0,0027) Ацетон 0,25 Пентан 0, Бензин Б-70 0,15-0,394 Толуол 0, Бензин "Калоша" 0,234-0,309 Пропан 0,25 (0,0021) Водород 0,013 Топливо Т-1 0, Гексан 0,23 Сероуглерод 0, Гептан 0,24 Этан 0, Керосин 0,48 Этилен 0, Этиловый спирт 0, Энергия, выделяющаяся при прибое газового промежутка, определяется по формуле:

W =, Uidt где соответственно U - напряжение на промежутке и i - ток, протекающий через промежуток.

Микроразряды статического электричества не приводят к сколь-нибудь заметному изменению напряжения из-за очень малой длительности самих разрядов и их малой энергии. Тогда приближенно можно считать, что U const.

Следовательно W = U Idt = Uq, т.е. энергия пропорциональна величине заряда, протекающего через канал.

На рис. 10.5 показаны зависимости величины зарядов, приводящих к воспламенению паров нефтепродуктов, от диаметра заземленного шара при положительном и отрицательном зарядах статического электричества.

q мкКл мкКл q 1, 0, 0, зона зона воспламенения воспламенения 0,6 воспламенение 0,25 воспламенение d сф маловероятно маловероятно d сф 10 20 30 40 5 10 20 40 мм мм Рис.10.5. Воспламеняющие способности разрядов в зависимости от диаметра заземленного шара Воспламеняющую способность разрядов статического электричества обычно определяют, помещая заземленный сферический электрод вблизи поверхности жидкости. Видно, что воспламеняющая способность разрядов резко снижается, если диаметр сферы становится меньше 20 мм. Наименьшее значение воспламеняющего заряда соответствует электроду диаметром 2030 мм. При отрицательной полярности заряда нефти и нефтепродукта энергия воспламенения ниже, чем при положительной. В табл. 10.1 представлены параметры групп топлив по воспламеняемости.

Таблица 10. Группы топлив по уровню воспламеняемости Вероятн. Допустим.

Топливо + Топливо - Группы Температ. образован. вероятн.

q, Uдоп, q, Uдоп, топлив вспышки горючей воспламе мкКл кВ мкКл кВ смеси нения I >50 0 1 не огр. не огр. не огр. не огр.

II < 0,31 <84 <0,07 < 3550 2,110-3 4,710- III <0,20 <60 <0,046 < 2035 1,210-1 8,310- IV 0,95 10-7 <0,16 <54 <0,04 < м3/час Р доп =10 пСм/м 0, ж 0 мкКл/м Рис. 10.6. Зависимость допустимой скорости перекачивания нефтепродуктов от накапливаемого удельного заряда и проводимости нефтепродуктов Исследования показали, что процесс заполнения резервуара является безопасным, если потенциал на поверхности жидкости не больше 25 кВ для - заряженного топлива и не больше 54 кВ - для + заряженного топлива.

Исходя из режимов работы перекачивающих нефтепродукты систем и условий их безопасной работы, определяется допустимая производительность при накоплении определенного заряда в нефтепродуктах (рис. 10.6).

10.3. Методы измерения основных параметров, характеризующих статическую электризацию Все теоретические рассуждения из-за множества влияющих неопределенных факторов дают только качественное представление. Для количественной оценки статической опасности электризации необходимы экспериментальные исследования в данных условиях. Разработаны соответствующие методики.

10.3.1. Измерение токов электризации а) Для жидких и сыпучих диэлектриков измерение токов осуществляют путем секционирования и изолирования отдельных секций трубопроводов и оборудования (рис. 10.7).

Накопи Фильтр Сепаратор тельный Приемный Насос резервуар резервуар I I 4 I I I I 1 2 3 вх I ф I с Рис. 10.7. Измерение токов электризации для жидких и сыпучих материалов Суммарный входной ток в резервуар является суммой токов электризации:

Iвх= I1+ I2+ I3+ Iф+ I4+ Iс+ I5.

б) При движении диэлектрических нитей или лент измеряется ток, протекающий в цепи заземления элементов устройств, при трении о которые происходит электризация материалов (рис.10.8).

В пределе плотность заряда на изолированной ленте может достигать величины max= 26,5 мкКл/м2, которые удается нанести на изолированную ленту. Если плотность заряда I превышает это значение, то напряженность электрического поля оказывается достаточной для возникновения электрических разрядов, которые эти заряды нейтрализуют. Практически удается Рис. 10.8. Электризация получить заряд с практ= 12 мкКл/м2.

нитей и лент 10.3.2. Измерение параметров зарядов и напряженности поля 1) Использование зондов.

V экран зонд а заряженное изделие Рис. 10.9. Измерение заряда с помощью зонда В качестве зонда обычно используется металлический диск небольшого размера, располагаемый параллельно поверхности заряженного изделия (рис. 10.9). Зонд окружен заземленным экраном, чтобы исключить искажение поля на краях зонда. Тогда можно четко определить часть поверхности изделия, заряд которой за счет электростатической индукции наводит заряд на зонде. Она равна площади поверхности зонда.

Если U - потенциал зонда, измеренный вольтметром, то наведенный на зонде заряд будет равен qнав = CзU, где Сз - емкость зонда.

Соответственно, плотность заряда на изделии будет равна qнав =, Sз где Sз - площадь поверхности зонда.

По измеренной плотности заряда можно определить напряженность поля у поверхности изделия.

E =.

V С помощью зондов можно измерять напряженность электрического поля U=Ea, где а - расстояние от датчика до наэлектризованной поверхности, Сизм а также плотность заряда =0Е.

2) Использование «клетки Фарадея» (рис. 10.10).

Для измерения заряда наэлектризованной жидкости или сыпучего Рис. 10.10. Измерение заряда с помощью материала, в особенности в тех случаях, когда трубопровод или резервуар «клетки Фарадея» нельзя изолировать от земли, определенный объем этой жидкости или сыпучего материала помещают в изолированную банку или сосуд и измеряют потенциал этого сосуда относительно заземленного экрана (рис. 10.10).

Заряд пробы равен q = CU, где С - емкость между сосудом и заземляющим экраном. Плотность объемного заряда будет равна q =, Vпроб где Vпроб - объем жидкости или сыпучего материала.

3) Использование флюксметров.

Схема флюксметра приведена на рис.10.11. Прибор состоит из неподвижного измерительного электрода, на котором наводится индуцируемый внешним электрическим полем заряд, и вращающегося электрода. Вращающийся электрод периодически перекрывает измерительный электрод от действия внешнего поля. Когда измерительный электрод открыт, на нем наводится заряд, когда он закрыт, то заряд стекает. Амплитуда тока пропорциональна напряжению поля. Ток усиливается с помощью усилителя и подается на регистрирующий прибор. Градуировка флюксметров производится в однородном постоянном электрическом поле:

Е = U/H, где Н - расстояние между флюксметром и электродом, создающим внешнее поле.

Флюксметры используют для измерения напряженности поля в танкерах, в емкостях сыпучих материалов, вблизи поверхности пленки и т.д.

Усили тель форма электродов Е Рис. 10.11. Измерение напряженности электрического поля с помощью флюксметров 10.4. Способы защиты от разрядов статического электричества Способы защиты:

- предотвращение накопления зарядов статического электричества путем увеличения проводимости материалов (присадки, влажность), - нейтрализация зарядов статического электричества с помощью специальных устройств.

1. Заземление.

Заземление не является защитой от зарядов статического электричества, но оно необходимо для ограничения предельного заряда, который может накапливаться на изоляционных материалах и передаваться на проводящие конструкции установок. Для статического электричества заземленным считается объект, который имеет сопротивление Rзаземл.< 107 Ом при относительной влажности меньше 60%.

Постоянная времени стекания заряда с объекта = RC должна быть достаточно малой и составлять: = 10-1 с - для невзрывоопасных помещений, = 10-3 с - для взрывоопасных помещений.

2. Увеличение проводимости диэлектрических материалов.

1) Использование поверхностно активных веществ - ПАВ. Диэлектрические вещества покрывают пленкой ПАВов, имеющих высокую проводимость. Недостатком является ухудшение действия ПАВов со временем.

2) Антистатические присадки, добавляемые в диэлектрические вещества и влияющие на их объемную проводимость. Добавляются в жидкие топлива, могут добавляться и в твердые материалы. Например, в полиэтилен добавляют сажу. Недостатком является влияние присадок на структуру веществ, ухудшая их качество.

3) Увлажнение воздуха. Наличие паров воды в воздухе более 70% приводит к быстрому стеканию ИВН зарядов статического электричества, благодаря появлению пленки влаги на поверхности.

Е 3. Применение нейтрализаторов зарядов статического электричества.

Е 1) Индукционные (пассивные) нейтрализаторы.

Рис. 10.12. Схема Индукционные (пассивные) нейтрализаторы пассивного Рис. 10.13. Схема активного (рис. 10.12.) представляют собой заземленный нейтрализатора нейтрализатора электрод в виде одной или ряда игл, размещенный над заряженной поверхностью изделия. Электрическое поле создается между заряженным изделием и заземленным коронирующим электродом. Ионы коронного разряда под действием электрического поля движутся к заряженной поверхности изделия и разряжают ее.

Недостатком является невозможность полного снятия заряда с изделия. Это связано с необходимостью некоторого «избыточного» заряда на изделии позволяющего получить напряженность превышающую напряженность, при которой возникает коронный разряд.

2) Высоковольтные (активные) нейтрализаторы.

В нейтрализаторах данного типа на коронирующий высоковольтный электрод подают потенциал от источника высокого напряжения (рис. 10.13.).

В этой связи нейтрализаторы получили название - активные. Наличие высоковольтного источника обеспечивает устойчивую генерацию ионов независимо от наличия зарядов на изделии. Коронный разряд может создаваться между игольчатым электродом и некоронирующим заземленным электродом, выполненным в виде кольца, в отверстии которого размещается коронирующий электрод. Если необходимо снимать заряды определенного знака, то применяют источники постоянного напряжения. Для снятия Источник любых знаков заряда на изделии используют источники переменного напряжения.

или излучения Поступление ионов к поверхности изделия обеспечивается за счет поля зарядов статического электричества.

Е 3) Радиоактивные нейтрализаторы.

Ионизация молекул воздуха с образованием + и - ионов происходит за счет энергии радиоактивного или излучения (рис. 10.14.). В зависимости от знака заряда на изделии под действием электрического поля, создаваемого этим зарядом, к Рис. 10.14. Схема поверхности изделия движутся ионы противоположного знака. Недостатком радиоактивного радиоактивных нейтрализаторов является малый ионизационный ток по сравнению с ей ра за ора другими нейтрализаторами.

4) Комбинированные нейтрализаторы - представляют собой комбинацию радиоактивных и пассивных нейтрализаторов.

5) Аэродинамические нейтрализаторы.

воздух Ионы, образуемые в поле коронного разряда, создаваемого в камере, выносятся в область изделия потоком воздуха (рис. 10.15.). Данный тип нейтрализаторов находит применение в тех случаях, когда недопустимо воздействие на изделие световым излучением коронного разряда или потоком радиоактивного излучения, например, нейтрализация зарядов "-" при производстве фотопленок и фотобумаг.

ВН Эффективность нейтрализаторов может быть записана в следующем виде Рис. 10.15. Схема аэродинамического нейтрализатора 1 ост = - 100 %, н где н и ост - начальная и остаточная плотность зарядов статического электричества.

Нейтрализатор, полностью устраняющий электризацию ( = 0), обладает эффективностью = 100 %. Если происходит частичная нейтрализация заряда (ост/нач>0) или перезарядка (ост/нач<0), то < 100 %.

В динамическом режиме, когда происходит непрерывная генерация зарядов статического электричества на поверхности наэлектризованного материала н, то эквивалентная плотность тока на единицу длины, созданная зарядами статического электричества при их перемещении со скоростью V равна Jнач=нV, Тогда эффективность работы нейтрализатора определяется по выражению = Jнейтр/Jнач, где Jнейтр - плотность тока нейтрализатора на единицу длины, определенная из вольт-амперной характеристики.

Вольт-амперные характеристики нейтрализаторов различных типов приведены на рис. 10.16. Из характеристик следует, что наиболее эффективными являются нейтрализаторы I постоянного тока, затем индукционный и переменного тока, и наконец, радиоактивные.

постоянного тока индукционный 2. ФИЗИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА переменного тока 2.1. Развитие разряда в однородном поле радиоактивный при постоянном напряжении U Рис. 10.16. Вольт-амперные характеристики Лавина электронов и условие нейтрализаторов статического электричества самостоятельности разряда.

Разряд в газе начинается с того, что свободные электроны, всегда в некотором количестве имеющиеся в газе, под действием приложенного напряжения приобретают энергию достаточную для ударной ионизации. Если при столкновении электрона с нейтральной молекулой происходит ионизация, то образуется еще один электрон, который так же может ионизовать, и процесс приобретает лавинный характер.

Действительно, пусть n - концентрация электронов. Тогда на пути dx в электрическом поле в результате ионизации образуется dn новых электронов dn = ndx. (2.1) Общее число электронов в лавине на пути dx получается интегрированием (2.1):

n x dn = (2.2) dx или n = n0ex, n n0 где n0 - начальная концентрация электронов.

Выражение (2.2) справедливо в однородном электрическом поле. В неоднородном поле, в котором напряженность в промежутке меняется по пути движения лавины, d n = n0 exp.

dx При ионизации образуются не только электроны, но и положительные ионы, обладающие малой по сравнению с электронами подвижностью, поэтому по мере движения лавины к аноду в ней происходит процесс разделения зарядов.

Электроны уходят на анод, а положительные ионы, подходя к катоду, создают там новые электроны за счет вторичной ионизации. Эти вторичные электроны также могут создавать лавины. Если интенсивность вторичной ионизации слабая и для поддержания воспроизводства электронов требуется действие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным.

В случае, если процессы ионизации развиваются и при прекращении действия внешнего ионизатора, то образуется самостоятельный разряд.

Условие перехода разряда в самостоятельный процесс носит название условия самостоятельности разряда Таунсенда и может быть пояснено следующим образом.

Пусть в результате процессов ударной ионизации в промежутке между электродами формируется лавина электронов, которые под действием поля движутся к аноду. Соответственно положительные ионы движутся к катоду и выбивают вторичные электроны.

Для того, чтобы разряд поддерживался без действия внешнего ионизатора, нужно, чтобы процессы вторичной ионизации, сопровождающие прохождение лавин, обеспечивали возникновение новых лавин. Это означает, что каждая лавина начинающаяся с одного электрона должна обеспечить возникновение хотя бы одного вторичного электрона, дающего начало новой лавине.

Если коэффициент дает число электронов выбиваемых из катода одним положительным ионом, то величина [exp(d)-1], где d - межэлектродное расстояние, обозначает число вторичных электронов образовавшихся в результате прохождения единичной первичной лавины. Так как первичная лавина началась с одного электрона, то для воспроизводства лавин число вторичных электронов должно быть не меньше единицы. Таким образом условие самостоятельности разряда имеет вид (2.3) [exp(d)-1] 1.

Так как обычно exp(d)>>1, то (2.3) можно упростить:

exp(d) 1 или d ln 1.

Так как на катод приходят и выбивают вторичные электроны не только положительные ионы, но и возбужденные метастабильные молекулы и фотоны, то в (2.3) под понимаются все процессы образования вторичных электронов на катоде. В более общем случае вторичная ионизация должна учитывать и процессы в объеме газа, такие как, например, фотоионизация в объеме. Тогда уравнение (2.3) принимает более универсальную форму, применимую и в случае, когда процессы на катоде вообще не принимают участия в развитии разряда, как это имеет место в резко неоднородных полях.

Искровой разряд. Закон Пашена.

При exp(d) 1 ионизация, вызываемая последовательными лавинами, носит нарастающий характер, ток возрастает, что приводит к образованию искрового разряда, или искрового пробоя, при котором возникает тонкий проводящий канал, замыкающий промежуток. Напряжение, при котором для однородного поля выполняется условие (2.3), носит название пробивного напряжения. Так как и /р, и зависят от напряженности поля Е/р, а напряженность определяется приложенным напряжением U и длиной разрядного промежутка d, то для однородного поля можно вывести уравнение зависимости пробивного напряжения от произведения рd вида Uпр = f(pd), которое носит название закона Пашена.

Bpd Uпр = (2.4) ln Apd ln где A и B - постоянные, характеризующие газ.

Эксперименты для разных газов дают хорошее совпадение с такой зависимостью.

В полном соответствии с этой формулой и экспериментальными данными получено простое уравнение для расчета пробивного напряжения в воздухе при давлении, близком атмосферному Uпр = 24,5 pd + 6,4(pd) (2.5) где р - давление газа, атм;

d - расстояние между электродами, см;

U - в кВ.

Зависимость для воздуха, соответствующая (2.4) и (2.5) приведена на рис. 2.1.

U, В пр pd, мм рт.ст.см 0,1 0,5 1 5 10 50 100 500 Рис. 2.1. Зависимость пробивного напряжения в воздухе в однородном поле от произведения pd (закон Пашена) При большой мощности источника напряжения, по каналу искры начинает протекать большой ток, что приводит к разогреву канала и возникновению в нем термической ионизации. Сопротивление канала резко падает, ток еще более возрастает, и возникает дуговой разряд, при котором ток может превышать сотни ампер.

2.2. Развитие разряда в резко-неоднородных полях Резко-неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа игла-плоскость, провод-плоскость, а также стержень-плоскость или шар-плоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами. Особенностью резко-неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникают лавины электронов, и условие самостоятельности разряда выполняется, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка.

Соответствующее значение напряжения (U0) носит название начального напряжения зажигания разряда.

E U Рис. 2.2. Искажения внешнего поля объемным зарядом лавин при положительном напряжении на стержне в промежутке стержень-плоскость напряженность неискаженного поля - - - суммарная напряженность поля При высоких значениях приложенного напряжения разряд в промежутке около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля (в зависимости от полярности электрода) развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах, около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака, который создает собственное поле (рис.2.2), снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и резко усиливающий поле в промежутке перед зарядом.

Если объемный заряд достигает некоторого критического значения, созданное им поле оказывается соизмеримым с внешним полем, при этом перед объемным зарядом напряженность может достигать сотни кВ/см, что обеспечивает там интенсивную ударную ионизацию и создание нового избыточного заряда. Процесс повторяется, и происходит возникновение новой стадии разряда - стримерной, при которой образуются светящиеся каналы, называемые стримерами. Эксперименты показывают, что стример представляет собой тонкий канал частично ионизованного газа, на переднем конце которого расположен избыточный заряд высокой концентрации, называемый головкой стримера. В поле этого заряда идет интенсивная ионизация, образуются лавины, что обеспечивает образование нового избыточного заряда и продвижение стримера в глубь промежутка в соответствии с направлением внешнего поля.

Оценки дают высокую концентрацию электронов в канале стримера nе = 1013 1014 1/см3, при этом велика и концентрация положительных ионов, так что избыточный заряд в канале невелик, а средняя продольная напряженность поля в канале оценивается в 57 кВ/см. Радиус канала стримера по разным оценкам составляет от 30 до 300 мкм.

В резко-неоднородном поле размеры области, занятой разрядом, могут быть меньше длины промежутка, и она располагается вблизи электрода с малым радиусом закругления. Такой разряд называется коронным разрядом. Если он ограничен только лавинной стадией, то это - лавинная корона, если переходит в стримерную стадию, то это - стримерная корона.

Возникновение коронного разряда еще не означает пробоя промежутка, так как разрядная зона занимает его малую часть. Коронный разряд возникает при начальном напряжении, при этом в резко-неоднородном поле начальное напряжение меньше, чем в однородном. В однородном и слабо-неоднородном полях возникновение разряда обязательно приводит к пробою всего промежутка, и начальное напряжение равно пробивному. В резко-неоднородном поле может быть состояние, при котором стримеры достигают противоположного электрода, но пробоя промежутка не происходит, так как не происходит переход в искру. Для образования искры требуется повышение напряжения, чтобы хотя бы один из стримерных каналов превратился в искровой. В искровой стадии происходит резкое увеличение тока, сопровождающееся выделением тепла, газ в канале разогревается и начинается термическая ионизация. Все это соответствует искровому пробою промежутка.

В общем случае поэтапное развитие разряда начиная с электрода с малым радиусом кривизны облегчает продвижение разряда по сравнению с равномерным полем. Поэтому разрядное напряжение промежутков с резко неоднородным полем существенно меньше чем промежутков с однородным полем. Средняя пробивная напряженность для промежутков с резко-неоднородным полем составляет 57 кВ/см.

Перечисленные стадии разряда могут иметь место в промежутках небольшой длины (от 1 до 4050 см) и при давлениях газа порядка атмосферного.

В так называемых длинных промежутках, длина которых 0,5 м и более, или при повышенных (более атмосферного) давлениях газа разряд из стримерной стадии может перейти в лидерную стадию, характеризующуюся образованием мощного ярко светящегося плазменного канала, внутри которого температура газа достигает тысяч градусов, идет термическая ионизация газа и по которому протекает ток в десятки и сотни ампер. При этом в отличие от искры лидер в зависимости от приложенного напряжения может пройти лишь часть промежутка или пересечь весь промежуток, осуществляя полный пробой с переходом в дугу.

2.3. Влияние формы воздействиующего напряжения на развитие разряда Рассмотренные выше стадии разряда осуществляются при воздействии на промежуток постоянного напряжения.

Однако на практике, в особенности при работе электроэнергетических объектов, происходит воздействие на газовый промежуток переменного и импульсного напряжений, что вносит дополнительные особенности в развитие разряда.

В промежутках с однородным полем разряд при переменном напряжении происходит как и при постоянном напряжении при выполнении условия самостоятельности, и начальное напряжение равно пробивному. Однако значения пробивного напряжения, так называемая электрическая прочность промежутка, при переменном напряжении зависят от его частоты f. Вместе с тем, эксперименты показывают, что существует область частот от промышленной частоты f = 50 Гц до некоторой критической частоты, превышающей несколько килогерц, в пределах которой пробивное напряжение практически не зависит от частоты. Это связано с тем, что длительность полупериода воздействующего напряжения превышает время развития разряда, и разряд заканчивается до изменения полярности электрода.

Особый случай для развития разряда представляет воздействие на разрядный промежуток импульсного напряжения. Следует различать по длительности так называемые грозовые импульсы, коммутационные импульсы напряжения, соответствующие тем, что возникают при ударах молнии или при работе коммутирующей аппаратуры в электрических сетях, и U кВ пр наносекундные импульсы, которые находят применение в электротехнологиях.

Особенности развития разряда при импульсном воздействии напряжения определяются ограниченным временем роста напряжения до максимального значения и коротким временем воздействия напряжения.

Для пробоя промежутка при импульсном напряжении требуется более интенсивное развитие ионизационных процессов, которые обеспечили бы время развития разряда, меньшее, чем время действия импульса. Время 50 100 150 d, см разряда, в свою очередь, складывается из времени формирования разряда от момента появления первых эффективных электронов, дающих начало Рис. 2.3. Пробивные напряжения в воздухе в промежутке стержень-плоскость образованию лавин, до пробоя промежутка и так называемого при импульсном воздействии статистического времени запаздывания разряда, равного времени 1 - отрицательное острие 2 - положительное острие ожидания эффективных электронов, если начальная концентрация 3 - пробивное напряжение при f = 60 Гц электронов оказывается недостаточной для интенсивной ионизации.

Из-за статистического запаздывания начала разряда начальное напряжение оказывается выше, чем при воздействии постоянного напряжения, причем это повышение также носит статистический характер и зависит от полярности высоковольтного электрода (рис.2.3).

При воздействии на промежуток импульсного напряжения наносекундной длительности, когда длительность фронта импульса напряжения составляет 1020 нс, а длительность импульса - сотни наносекунд, для того, чтобы развитие разряда произошло за время действия импульса, напряжение должно быть резко увеличено. Это означает большую величину пробивного напряжения (Еср. разр. 20 кВ/см).

3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ 3.1. Определение плазмы и ее основные свойства Плазмой называют ионизованный газ, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные частицы, в котором суммарный заряд в каждой единице объема стремится к нулю, то есть плазма представляет собой электрически нейтральную среду.

В общем случае плазма может состоять из положительно заряженных ионов, отрицательно заряженных частиц - электронов и отрицательных ионов - и нейтральных частиц. Отношение числа электронов nе (или ионов) в единице объема плазмы к полному числу частиц n в этом же объеме m = nе/n называют степенью ионизации плазмы. В предельном случае, когда число нейтральных частиц в плазме стремится к нулю, плазма называется полностью ионизованной, для которой m 1. В технических устройствах, как правило, имеют дело с неполностью или частично ионизованной плазмой, для которой m << 1.

Степень ионизации плазмы в зависимости от условий ее образования и существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда - это слабоионизованный газ со степенью ионизации порядка 10-810-6.

Положительный столб дугового разряда при атмосферном и более высоких давлениях имеет степень ионизации порядка 10-310-1.

В соответствии с величиной концентрацией частиц может быть разреженная плазма, примером которой служит ионосфера Земли, в которой концентрация электронов составляет 105 1/см3, или плазма в столбе тлеющего разряда при низких давлениях газа, и плотная плазма, например, в канале лидера при разряде в длинных воздушных промежутках или в канале молнии, в котором концентрация электронов может достигать (15)1017 1/см3.

В зависимости от условий, в которых образована и находится плазма, различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. В низкотемпературной плазме температура близка к температуре окружающей среды и составляет порядка 300 400 К. В высокотемпературной плазме температура может достигать тысяч и сотен тысяч Кельвинов.

Основное свойство плазмы - стремление к электрической нейтральности - является следствием взаимодействия полей отдельных заряженных частиц. В плазме, являющейся смесью заряженных частиц разного знака, силы притяжения, действующие между разноименно заряженными частицами, уравновешиваются силами отталкивания одноименно заряженных частиц. Учитывая статистический характер распределения частиц в плазме, говорят не о полной электрической нейтральности, а о квазинейтральности плазмы. Квазинейтральность означает, что суммарный заряд каждой единицы объема плазмы q = n+ + n_ + ne 0.

В нейтральном газе мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц является температура газа Т, определяемая из соотношения 1/2 mw2 = 3/2 kT, где m - масса частиц газа, w - средняя скорость их хаотического движения, k - постоянная Больцмана. Таким же образом характеризуют и среднюю энергию частиц плазмы.

В этом случае средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться температурой соответственно Te и Ти.

(mewe ) 2 = 3 2 kTe (mиwи) 2 = 3 2 kTи В слабых электрических полях и в установившемся режиме средние энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны средней энергии нейтральных частиц, что соответствует Te = Tи = Тгаза.

Такое состояние означает полное термодинамическое равновесие, и плазма называется равновесной.

В сильных электрических полях энергия, приобретаемая электронами от поля, оказывается существенно больше энергии ионов из-за сильного различия в скоростях частиц. Энергия электронов при ограниченном времени взаимодействия не успевает выровняться с энергией ионов. Поэтому в такой плазме Te >> Tи = Тгаза. Такое состояние характеризует неравновесную плазму.

Даже в неравновесной плазме, образующейся, например, в канале лидера, из-за отклонений в распределении плотности частиц могут образоваться области, в которых плазма близка равновесной. Такие области называют областями локального (местного) термодинамического равновесия.

3.2. Дебаевский радиус экранирования Как уже сказано выше, основным свойством плазмы является стремление к электрической нейтральности.

Однако в процессе хаотического движения частиц в плазме возможно временное отклонение от нейтральности в отдельных областях, то есть происходит временное разделение зарядов в пространстве. Так же следует иметь в виду, что в общем случае заряды различного знака расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Рассмотрим элемент структуры поля состоящий из некоторой заряженной частицы и объемного заряда, например, ионов противоположного знака, расположенных на некотором расстоянии (рис. 3.1). В целом система нейтральна и на удалении поле стремится к нулю. Однако вблизи заряженной частицы электростатическое E q поле от этой частицы преобладает. Только начиная с некоторого расстояния начинает проявляться действие зарядов противоположного знака, q 1 стремящихся уменьшить суммарное поле.

Характерное расстояние, на котором перестают проявляться неоднородности структуры поля квазинейтральной плазмы носит название E d Д дебаевского радиуса экранирования.

В равновесной плазме, где температуры электронной и ионной Рис. 3.1. К понятию о дебаевском составляющих плазмы одинаковы (Те = Т+ = Тгаза) характерный радиус радиусе экранирования заряда равен kT d =.

8e2ne В неравновесной плазме при Те >> Т+ = Тгаза kT d =.

4e2ne Дебаевский радиус связан с расстоянием, на которое возможно сильное разделение зарядов в плазме. Например, при Те = 1 эВ и ne = 1014 1/м3 дебаевский радиус d = 5,210-4 м. Часто ионизованный газ называют плазмой, если дебаевский радиус экранирования много меньше других характерных расстояний области, занятой плазмой.

3.3. Плазма в электрическом поле Выше было рассмотрено движение в электрическом поле отдельных заряженных частиц. В отличие от такого случая движение заряженных частиц в плазме во внешнем электрическом поле существенно усложняется, так как напряженность электрического поля, действующего на каждую отдельно взятую частицу, складывается из напряженности внешнего поля и напряженности полей всех остальных частиц. Учесть при анализе все эти поля практически невозможно, в особенности при наличии столкновений между частицами, поэтому переходят к макроскопическому рассмотрению, основанному на статистическом осреднении индивидуальных взаимодействий полей частиц.

Пусть в полностью ионизованной плазме, находящейся в электрическом поле, все столкновения частиц носят только упругий характер. Движение частиц плазмы можно представить как сумму направленного движения со скоростью u и хаотического движения со скоростью w. Если через v обозначить вектор полной скорости частиц, то для каждого момента времени v = u + w. Среднее значение скорости хаотического движения равно нулю ( = 0), и во внешнем поле = . Для однотипных частиц с одинаковой массой = u, так как скорости u всех однотипных частиц одинаковы.

Рассчитаем энергию частиц участвующих в направленном и хаотическом движении. Энергия частиц определяется квадратом скорости. Среднее значение квадрата полной скорости = =<(u +w)2> = + <2u w> + < w2>.

Так как направления скорости хаотического движения равновероятны, то среднее значение произведения <2u w> = 0. Среднее значение полной энергии частиц в плазме 1/2<(mv2)> = 1/2(mu2 + m), где 1/2 m - есть средняя энергия хаотического движения.

Таким образом наложение внешнего электрического поля приводит к увеличению средней энергии частиц плазмы на величину кинетической энергии движения частиц в этом поле.

4. КОРОННЫЙ РАЗРЯД Коронный разряд занимает особое место, так как именно коронный разряд используется в подавляющем большинстве технологий, получивших сегодня широкое промышленное использование.

4.1. Формы коронного разряда 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. Само название «коронный» разряд получил из-за своего свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону.

Основными формами коронного разряда являются лавинная и стримерная. Названия этих форм обусловлены основными характерными процессами, имеющими место в зоне ионизации соответствующих коронных разрядов.

Визуально лавинная корона наблюдается в виде относительно тонкого светящегося слоя на гладких электродах и в виде дискретных светящихся пятен на негладких (шероховатых) электродах. Стримерная корона наблюдается в виде слабо светящихся нитевидных каналов, длина которых в зависимости от конкретных условий может изменяться в широких пределах (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров).

Часть промежутка, где происходят ионизационные процессы, называется чехлом коронного разряда, а оставшаяся часть промежутка, где происходит дрейф заряженных частиц, является зоной дрейфа. Если в зоне дрейфа существуют заряды только одного знака, то корону называют униполярной, а если заряды обоих знаков, то биполярной.

Биполярная корона постоянного тока возникает тогда, когда имеется промежуток с двумя коронирующими электродами (например, промежуток провод-провод или игла-игла), к которому приложено постоянное напряжение.

Униполярная корона существует там, где имеется промежуток только с одним коронирующим электродом или с несколькими коронирующими электродами с одинаковой полярностью питающего напряжения.

Процессы в чехле и в зоне дрейфа биполярной короны намного более сложны, чем в униполярной короне, т.к.

появляется дополнительный механизм ионной рекомбинации в объеме промежутка и дополнительные механизмы вторичных процессов на электродах, что существенно усложняет математическое описание и моделирование этого вида разряда.

Лавинная форма коронного разряда может реализовываться в виде непрерывной и вспышечной короны.

Вспышечный характер короны связан с тем, что подвижность электронов и ионов различается на три порядка. В результате при положительной полярности коронирующего электрода электроны быстро уходят на анод, а положительные ионы, дрейфуя от анода, оказываются в области слабого поля и не могут из-за низкой подвижности быстро уйти от анода. Поэтому напряженность поля у анода снижается и ионизация практически прекращается.

Следующая лавинная вспышка может возникнуть только после того, как положительные ионы покинут зону ионизации. При положительной полярности коронирующего электрода вспышечная корона возникает как в электроотрицательных, так и в электроположительных газах.

При отрицательной полярности питающего напряжения вспышечный характер разряда возникает только в электроотрицательных газах, где электроны попадая в область слабого поля, прилипают к молекулам образуя мало подвижные ионы, а те в свою очередь снижают напряженность поля в зоне ионизации. Эти вспышечные импульсы получили название импульсов Тричела.

4.2. Униполярный коронный разряд Основную часть промежутка между электродами при униполярном коронном разряде занимает зона дрейфа (внешняя зона коронного разряда), в которой движутся ионы только одного знака. Чехол коронного разряда, в котором сосредоточены ионизационные процессы, играет роль поставщика ионов для внешней зоны.

В технологических процессах главную роль играет внешняя зона коронного разряда. Как область поля с униполярным объемным зарядом она характеризуется определенным распределением напряженности поля Е и плотности объемного заряда p.

Система уравнений поля для внешней зоны коронного разряда имеет следующий вид:

r (4.1) divE= 0 ;

(4.2) r E= -grad;

(4.3) r (4.4) divJ = 0;

r r J = kE.

Первое уравнение - уравнение Пуассона - представляет собой запись теоремы Гаусса в дифференциальной форме и устанавливает связь между плотностью объемного заряда и напряженностью поля E. Второе уравнение известное выражение напряженности поля через потенциал. Далее следует уравнение неразрывности плотности тока. Четвертое уравнение отражает связь плотности тока J с плотностью объемного заряда, напряженностью поля E и подвижностью ионов k.

Для решения данной системы уравнений должно быть определено три граничных условия. Ими являются заданные значения потенциалов электродов: коронирующего - 1 = U и некоронирующего - 2 = 0. Третье граничное условие формулируется следующим образом - производная потенциала у поверхности коронирующего электрода равна начальной напряженности независимо от интенсивности коронного разряда:

( r)r =r0 = -E0.

Последнее граничное условие соответствует расчетной схеме, когда зона ионизации у коронирующего электрода во внимание не принимается и ионы условно вводятся в промежуток непосредственно с поверхности коронирующего электрода. Количество поступающих ионов регулируется тем, что напряженность у поверхности коронирующего электрода должна поддерживаться на уровне начальной.

Качественное физическое обоснование граничного условия заключается в следующем. Если предположить, что напряженность поля у поверхности коронирующего электрода превосходит E0, то это приводит к резкому возрастанию интенсивности ионизации и увеличению объемного заряда, внедряемого в промежуток. Рост объемного заряда в промежутке приводит к уменьшению напряженности поля у коронирующего электрода. Таким образом, подобная отрицательная обратная связь стабилизирует напряженность у коронирующего электрода на уровне начальной напряженности.

Непосредственные экспериментальные измерения напряженности поля у поверхности коронирующего электрода подтверждают, что она примерно соответствует начальной. Наконец, доводом в пользу правомерности такого допущения является совпадение рассчитанных на его основе и экспериментальных распределений поля для простейших систем электродов.

Решение системы уравнений (4.1) - (4.4) для конкретной системы электродов, используемой в технической установке, определяет распределение напряженности поля Е и плотности объемного заряда р в рабочем объеме этой установки.

В систему уравнений в качестве параметра входит подвижность ионов k. 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). Старение ионов сказывается при t > 0,5 мс, но и в этом случае можно пользоваться некоторой средней величиной.

Простейшими, но широко используемыми в технологических установках электродами являются коаксиальные цилиндры. Эта система состоит из заземленного цилиндрического электрода радиуса R, по оси которого располагается коронирующий электрод - провод радиуса r0.

Используются также другие системы электродов, такие как «ряд проводов между заземленными плоскостями», системы с коронирующими электродами в виде игл и т.д. Только для системы «коаксиальные цилиндры» система уравнений (4.1) - (4.4) имеет аналитическое решение, т.к. задача является одномерной.

Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами. Коаксиальные цилиндры являются простейшей системой электродов, для которой уравнения (4.1) - (4.4) могут быть проинтегрированы аналитически.

Принимая во внимание, что в цилиндрических координатах напряженность поля зависит только от текущего радиуса, уравнение (4.1) можно записать в виде:

1 d (rE) =. (4.5) r dr Обозначив через А ток коронного разряда на единицу длины электрода, уравнение неразрывности (4.3) можно представить в виде:

A = 2rJ.

Отсюда, используя (4.4), можно получить:

A =. (4.6) 2rkE После подстановки (4.6) в (4.5) последнее превращается в уравнение с разделяющимися переменными, которое легко интегрируется:

rE r A rEd(rE) = rrdr.

2 k r E 0 Таким образом, A r E r 0 0 E = 1- + (4.7) 2 k r r При r >> r A E0r0 E = + (4.8) 20k r Для интенсивного коронного разряда, когда U >> U0 (U0 - начальное напряжение), второе слагаемое в (4.8) существенно меньше первого, и, E R r следовательно, r E A E =. (4.9) 2 k Из (4.8) и (4.9) следует, что напряженность поля в значительной части промежутка между коаксиальными цилиндрами постоянна (рис. 4.1). В R r r соответствии с (4.6) плотность объемного заряда изменяется по гиперболе.

Различие в распределениях электростатического поля и поля при коронном разряде Рис. 4.1. Распределение электростатического поля (1) и обусловлено действием объемного заряда, сосредоточенного в промежутке.

поля при униполярном коронном Для определения вольтамперной характеристики коронного разряда A = f(U) разряде (2) между коаксиальными используется условие:

цилиндрами R Edr = U.

r При подстановке в это уравнение в уравнения (4.7) и его интегрирования после упрощений получается уравнение вольтамперной характеристики, которое записывается в обобщенном виде:

I = kGU(U -U0), (4.10) где G = (1+ 2,75 10-2 R r0 ).

R2 ln(R / r0) Для других систем электродов используются приближенные методы, например, метод Дейча - Попкова.

Пример распределения напряженности поля при коронном разряде для системы «провод-плоскость» представлен на рис. 4.2.

E y r E h x r0 h x Рис. 4.2. Распределение напряженности поля (1 - электрического и 2 - при коронном разряде) и плотности объемного заряда (3) В отличии от «коаксиальных цилиндров» при коронном разряде напряженность поля возрастает по направлению к плоскости, а не остается постоянной. Такое распределение поля характерно и для других систем электродов с цилиндрическими коронирующими электродами. Вольтамперная характеристика и для других систем электродов может быть представлена в виде (4.10), но коэффициент G в этом случае имеет свой вид.

Начальные и пробивные напряжения промежутков при коронном разряде. Начальное напряжение или начальная напряженность поля коронного разряда, является важным параметром, который необходимо знать при выборе той или иной системы электродов применительно к конкретной технологической установке. Превышение напряжения над начальным определяет интенсивность коронного разряда, а значит уровень необходимых рабочих напряжений электротехнологической установки. На практике удобно определять начальную напряженность промежутка между коаксиальными цилиндрами по эмпирической формуле Пика:

0, E0 = 30,3 1+, r а начальное напряжение из выражения:

R U0 = E0r0 ln r Начальное напряжение при положительной полярности электрода несколько больше, чем при отрицательной полярности. Объясняется это тем, что при развитии разряда с отрицательного электрода коэффициент вторичной ионизации больше, чем при положительной полярности электрода, поскольку в этом случае его значение определяется не только фотоионизацией в объеме, но еще и фотоионизацией на электроде.

Пробивные напряжения промежутков между электродами при коронном разряде определяют предельные напряженности поля, при которых еще могут работать технологические установки, использующие коронный разряд.

Пробой коронирующего промежутка происходит при напряжении, большем начального (рис. 4.3). Если разрядный промежуток несимметричный, т.е. его электроды имеют разные радиусы кривизны, то пробивное напряжение зависит от полярности электрода с меньшим радиусом кривизны: при отрицательной полярности оно существенно выше, чем при положительной полярности (рис. 4.4). Объясняется это тем, что при положительной полярности подвижные электроны легко уходят из зоны разряда на электрод, а оставшийся в промежутке положительный объемный заряд усиливает напряженность поля во внешней части промежутка, способствуя дальнейшему развитию разряда. При отрицательной полярности питающего напряжения, напротив, малоподвижный положительный объемный заряд уменьшает напряженность поля во внешней части промежутка, и для развития разряда требуется значительно большее напряжение.

Средние разрядные градиенты напряжения при положительной полярности стержня составляют 4,5 кВ/см, а при отрицательной примерно 10 кВ/см. Эти значения, в свою очередь, примерно в 3-5 раза меньше чем в однородном поле (24,530 кВ/см).

U, кВ 120 R x r 0,2 0,4 0,6 0, r/R Рис. 4.3 Разрядные (2) и начальные (1) напряжения воздушного промежутка между коаксиальными цилиндрами (R = 10 см) Uр, кВ L, см 50 100 150 Рис. 4.4 Разрядные напряжения воздушных промежутков стержень-плоскость при отрицательной (1) и положительной (2) полярностях постоянного напряжения питания стержня 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОСНОВАННЫЕ НА СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА МАТЕРИАЛЫ 5.1 Введение Если частицам мелкодробленого (диспергированного) материала сообщен некоторый заряд, то на эти частицы в электрическом поле действует сила F = Eq, которая заставляет частицы двигаться. Различные формы этого движения можно использовать для выполнения разнообразных технологических операций. Широкое распространение технологий, основанных на управлении движением заряженных частиц полем, связано с наличием целого ряда преимуществ этих технологий перед традиционными методами воздействия на обрабатываемый материал.

— Прежде всего, следует указать на непосредственное воздействие электрической энергии, сосредоточенной в электрическом поле, на обрабатываемый материал без промежуточных трансформаций энергии, а значит и без дополнительных потерь, сопровождающих эти промежуточные трансформации.

— В природе нет веществ как проводящих или полупроводящих, так и диэлектрических, которые тем или иным способом не могли бы быть заряжены и подвергнуты силовому воздействию электрического поля. Отсюда следует свойство универсальности методов рассматриваемой технологии.

— Эта универсальность не ограничивается сколько-нибудь значительно тем обстоятельством, что наиболее эффективное воздействие электрических полей на сырье может проявляться в случае, если последнее находится в диспергированном состоянии, т.к. взаимодействие поля с веществом происходит главным образом на границе раздела сред. Следует иметь в виду, что огромная масса сырья по своей природе либо уже находится в диспергированном состоянии, либо легко может быть приведена в такое состояние при добыче и последующей обработке. Например, добыча полезных ископаемых неизбежно сопровождается существенным измельчением руд. Степень раздробленности может быть различной: от частиц субмикронных размеров до частиц в несколько десятков миллиметров.

— Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное управление процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пределах величины напряжения (или что тоже самое напряженности электрического поля). Последнее обстоятельство позволяет говорить о возможности обеспечения высокого класса точности.

Силовое воздействие электрического поля на частицы сырья может реализовываться в различных формах и иметь различный конечный результат.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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, что используется при нанесении полимерных порошковых покрытий в электрическом поле для декоративных и антикоррозионных целей.

5. Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность фотополупроводников, с заряженными частицами проявляющих материалов приводит к их избирательному осаждению. Это явление было положено в основу электропечати.

6. Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными зарядами позволяет произвести однородное смешивание материалов.

Все эти электротехнологические процессы содержат три основные стадии, которые и определяют структурную схему типовой технологической установки (рис. 5.1).

Камера Камера Зарядное организации формирования устройство движения частиц готового продукта Источник высокого напряжения Рис. 5.1 Структурная схема типовой электротехнологической установки В соответствии с этой схемой теоретическую основу процессов составляют закономерности зарядки и движения частиц в электрическом поле.

5.2. Зарядка частиц В настоящее время используются следующие методы зарядки частиц, т.е. сообщения частицам избыточного заряда: 1) ионная зарядка;

2) индукционная зарядка;

3) статическая электризация.

5.2.1. Ионная зарядка Метод заключается в том, что ионы, движущиеся в газовой среде, например, во внешней зоне коронного разряда, и сталкивающиеся с частицей, осаждаются на ее поверхности. Обратно ионы не могут возвратиться из-за того, что они должны обладать определенной энергией для преодоления потенциального барьера на границе раздела сред. Таким образом происходит накопление ионов на частице.

Рассмотрим зарядку частицы в электрическом поле с униполярным объемным зарядом. Увеличение заряда частицы определяется количеством ионов, попадающих на частицу в единицу времени:

dq = e fds, (5.1.) dt S где q - заряд частицы;

e - заряд электрона;

f - вектор плотности потока ионов;

s - площадь поверхности частицы, на которую осаждаются ионы.

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

f = nkE - D grad n, (5.2.) где E - напряженность электрического поля у поверхности частицы;

n, k - концентрация и подвижность ионов;

D коэффициент диффузии.

Определим, при каких условиях преобладает зарядка частица за счет осаждения ионов под действием электрического поля («ударная» зарядка) и когда преобладает движение ионов под действием диффузионного механизма («диффузионная» зарядка). Из выражения (5.2.) следует, что «диффузионный» механизм преобладает над «ударным» при условии, если Dgradn >> nkE. Предполагая, что у поверхности частицы n = 0, а ее возмущающее воздействие на концентрацию ионов распространяется на расстояние равное 2а, получаем grad n~n0/2a. При атмосферном давлении в соответствии с молекулярно-кинетической теорией газов D ~ 0,025 k. Поэтому можно записать E << 0,025/(2a). Для условий, наблюдаемых в аппаратах электронно-ионной технологии, когда Е ~ (13) кВ/см, получаем, что при размерах частиц 2а << 0,1 мкм преобладает «диффузионный» механизм зарядки частиц. «Ударная» зарядка преобладает в этих условиях для частиц размером 2а >> 1 мкм.

«Ударная» зарядка частиц в электрическом поле.

Результирующая напряженность поля у поверхности частицы определяется следующими составляющими:

внешним полем Евн, полем поляризации частицы Еп, полем заряда ионов, осевших на частицу, Еq, полем зеркального отображения иона в поверхности частицы Ез:

(5.3) E = Eвн + Eп + Eq + E а А Евн Рис. 5.2. Схема ударной зарядки сферической частицы Для сферической частицы (рис. 5.2) радиусом а и относительной диэлектрической проницаемостью в воздухе нормальная составляющая внешнего поля с учетом поля поляризации частицы (положительное направление - к частице) равна:

2( -1) Eвн п + Eп п = Eвн cos + Eвн cos = Eвнk cos (5.4) + где - меридиональный угол сферической системы координат, k = 1+ 2( -1) ( + 2)= 3 ( + 2) - коэффициент, учитывающий относительную диэлектрическую проницаемость частицы.

Напряженность кулоновского поля от заряда частицы, отталкивающего подлетающие ионы, равна -q Eq =. (5.5.) 40a Поле зеркального отображения иона действует на малом расстоянии от поверхности частицы, и его можно учесть как увеличение эффективного радиуса частицы, поскольку все ионы, попавшие в пределы зоны действия силы зеркального отображения, захватываются частицей. Для рассматриваемых размеров частиц этим увеличением можно пренебречь.

Подставляя значения напряженностей электрического поля в выражения (5.2) и (5.1), получим:

dq -q = ek Eвн cos ds. (5.6) nk dt 40a Численные расчеты показывают, что концентрация ионов при движении в электрическом поле в указанных условиях не изменяется вдоль траектории движения ионов. Если на достаточном удалении от частицы эта концентрация равна n0, то она n0 и вдоль поверхности частицы. Следовательно, она может быть вынесена за знак интеграла в формуле (5.6). Интегрирование в (5.6) производится в сферической системе координат по той части поверхности частицы, где поле обеспечивает попадание иона на частицу. Следовательно:

dq en0k = [q(t) - qm], (5.7) dt 40qm где qm = 40k a2Eвн - максимальный заряд частицы.

Очевидно, что в самом начале зарядки частицы (q = 0) ионы осаждаются на всей левой половине частицы (граница -). По мере накопления заряда на частице, благодаря усилению отталкивающего поля область осаждения ионов сокращается (граница - смещается влево) вплоть до нуля (граница - проходит через точку А). В этом случае зарядка частицы прекращается и частица приобретает максимальный заряд.

Решением дифференциального уравнения (5.7) является выражение (формула Потенье):

en0kt q(t) = qm, (5.8) 40 + en0kt Для проводящей частицы можно считать, что и k = 3. Тогда:

qm = 120a2Eвн. (5.9) При зарядке частицы в биполярной короне, когда в пространстве, окружающем частицу, наряду с ионами одного знака (например, положительными - n+, k+) присутствуют ионы другого знака (отрицательные - n-, k-), поток зарядов на частицу имеет две составляющие: положительную, увеличивающую заряд частицы, и отрицательную, уменьшающую ее заряд.

Предельный заряд в этом случае равен:

en-k 1 en+k+ qпред = qm, (5.10) en-k 1+ en+k+ где v+ = en+k+ и v- = en-k- - проводимости, определяемые соответственно положительными и отрицательными зарядами. Из формулы (5.10) видно, что предельный заряд, приобретаемый частицей в поле биполярного коронного разряда, меньше максимального заряда частицы, получаемого при униполярной зарядке qпред < qm.

«Диффузионная» зарядка частиц.

Для малых частиц (2а << 0,1 мкм) поток ионов на частицу определяется только процессом диффузии, а из электрических сил необходимо учитывать лишь отталкивающее воздействие приобретаемого заряда частицы. Тогда общий поток ионов на частицу будет равен:

dn q Ц = - kn )ds. (5.11) (D dr 40a s За положительное направление принято направление потока к центру частицы. Подстановка в (5.1) и интегрирование уравнения дает решение в неявном виде:

t = [Ei (A) - c0 - ln A], (5.12) en0k где Ei - интегральная показательная функция;

А = kq/(D40a);

c0=0,577 - постоянная Эйлера.

Определив величину А из (5.12) легко можно найти заряд q.

A ~ q При диффузионном механизме зарядки заряд растет во времени неограниченно. Объясняется это тем, что по мере накопления заряда на частице и роста его отталкивающего действия растет градиент концентрации ионов у поверхности частицы за счет сосредоточения изменения концентрации все в более узком слое вблизи поверхности частицы. Однако график (рис. 5.3) показывает, что основной заряд частица приобретает в начальный 1 2 n0t, 107 с см период времени (n0t 2107 с/см3), а далее он изменяется Рис.5.3. Зависимость параметра А от времени мало. За предельный заряд принимается Апред= 6,7 при n0t = 4107с/см3.

Строго аналитического решения задачи при одновременном учете «ударного» и «диффузионного» механизмов зарядки нет и задача решается численно. В результате численных расчетов установлено, что при 0,1 а 1 мкм величину заряда можно вычислять как сумму зарядов, рассчитанных по формулам «ударной» и «диффузионной» зарядки.

Если форма частиц существенно отличается от сферической, то используется замена частицы на частицу эллипсоидальной формы эквивалентную по соотношению осей и объема. Следует иметь в виду, что если форма частицы близка к сферической, то она при зарядке вращается. Частицы удлиненной формы в электрическом поле приобретают определенную ориентацию, и это обстоятельство следует учитывать при расчете величины заряда.

Формулы для «ударной» и «диффузионной» зарядки эллипсоидов можно найти в соответствующей литературе.

5.2.2. Индукционная зарядка частиц Механизм индукционной зарядки поясним, рассматривая движение сферической проводящей частицы в поле плоского конденсатора (рис. 5.4).

Е Рис. 5.4. Схема индукционной зарядки частиц Частица, попадающая в промежуток между пластинами, поляризуется (позиция 1). При контакте с электродом (позиция 2) взаимодействие зарядов частицы и электрода приводит к нейтрализации ближайшего к точке контакта поляризационного заряда. Далее, если частица отрывается (позиция 3), то она уносит избыточный заряд.

Таким образом, индукционный механизм зарядки включает поляризацию частицы в электрическом поле и нейтрализацию одного из зарядов. Не обязательно это происходит при контакте с электродом. Например, разделение зарядов происходит при разрыве капель в электрическом поле.

Зарядка при контакте с электродом в электрическом поле.

Для расчета индукционной зарядки рассмотрим частицу в виде проводящего полуэллипсоида, находящегося на поверхности плоского электрода в электрическом поле (рис. 5.5, 1, удельные электропроводности v1 = v2 = 0).

2= x v A jвн n Eвн j a 1 E v z 2с 2b y Рис.5.5. Полуэллипсоид на электроде Полуэллипсоид за счет изменения соотношения осей позволяет моделировать частицы различной формы.

Форма в виде полуэллипсоида удобна для расчета поля, так как за счет зеркального отображения плоской поверхности электрода от системы полуэллипсоид на плоскости в однородном поле можно перейти к системе эллипсоид в однородном поле. Для такого случая известно аналитическое распределение поля на поверхности и в окрестности эллипсоида, находящегося в однородном поле.

Тогда напряженность электрического поля у поверхности проводящего полуэллипсоида Еn запишется в виде:

2 2 Eвн x x y z En = - + +, (5.13) a2da a2 b2 c где a, b, c - полуоси эллипсоида, da - коэффициент деполяризацции 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.

Имея в виду, что плотность поверхностного заряда связана с напряженностью поля у поверхности электрода соотношением = -0En, (5.14) то индукционный заряд полуэллипсоида можно определить по формуле:

q = = -0 Ends. (5.15) ds ss После подстановки (5.13) в (5.15) и интегрирования в эллипсоидальной системе координат по внешней поверхности полуэллипсоида получим:

q = -0Eвн bc da (5.16) Таким образом, 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.

Зарядка полупроводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного коронного разряда.

В общем случае частица характеризуется некоторой определенной величиной удельной объемной электропроводности v1 и находится на электроде не в электростатическом поле, а в поле униполярного коронного разряда, т.е. v2 0 и Jвн 0. Тогда зарядка не проходит мгновенно и изменение заряда во времени определяется уравнением неразрывности плотности полного тока (тока проводимости и смещения) на поверхности частицы (рис.

5.5):

E2n + 02 dE2n dt = E1n + 01 dE1n dt. (5.17) v2 v Поскольку в начальный момент времени частица поляризуется как диэлектрический эллипсоид, то поле внутри частицы является однородным и направлено параллельно Евн. Это означает, что Е1ncos, где - угол между нормалью к поверхности и вектором Е1. Отсюда из условия равенства нормальных составляющих вектора электрического смещения внутри и снаружи полуэллипсоида получаем:

E2n = E1n 1 cos, где Евн - нормальная составляющая напряженности электрического поля на внешней поверхности полуэллипсоида.

Тогда плотность связанных зарядов связ = 0(E1n-Е2n) cos.

Количество заряда, оседающего в единицу времени на единицу поверхности частицы в результате протекания тока коронного разряда равно:

J2n-J1n = v2E2n-v1E1n cos.

Таким образом, суммарная плотность свободного и связанного зарядов = cos (пропорциональна cos), где А - суммарная плотность свободного и связанного зарядов в вершине А полуэллипсоида.

А Поскольку в процессе зарядки Е1n, E2n, остаются пропорциональными cos, то уравнение неразрывности (5.17) достаточно решить только для вершины эллипсоида А.

Для вершины эллипсоида справедливо:

A A E1A = Eвн + da A ;

E2n = Eвн - (1- da ). (5.18) n 0 Подставляя (5.18) в (5.17) и интегрируя по поверхности частицы, получим:

-t q(t) = q(1- e ) (5.19) 0bcEвн(1 - ) v2 v q = da + (1- da ) v1 v 1da +1- da = da + (1- da ) v1 v где q - предельный заряд, приобретаемый частицей, - постоянная времени зарядки частицы.

Из полученных зависимостей следует, что зарядка частицы во времени носит экспоненциальный характер.

При 1v2 > v1 (частица плохо проводящая) q > 0, т.е. частица приобретает избыточный положительный заряд и на нее действует прижимающая электрическая сила.

При 1v2 < v1 (частица хорошо проводящая) q< 0, т.е. частица приобретает избыточный отрицательный заряд и на нее действует отрывающая электрическая сила.

5.2.3. Статическая электризация Статическая электризация происходит при контакте и последующем разделении тел, обладающих различными физическими или химическими свойствами. Контактирующие тела приобретают заряды различных знаков. Статическая электризация происходит и в отсутствии внешнего поля. Основной физической величиной, определяющей электрические явления при контакте твердых тел, является работа выхода электрона. Разница работ выхода электрона у контактирующих тел проводит к нарушению их нейтрального состояния. Материал, для которого работа выхода Авых меньше, при контакте более легко теряет электроны и, таким образом, заряжается положительно. Значение образующихся зарядов пропорционально разнице работ выхода.

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

Так как состояние поверхности контактирующих частиц зависит от множества факторов (параметров внешней среды, загрязненности поверхности и т.д.), то приобретаемые заряды зависят существенно от конкретных условий и определяются экспериментально.

5.3. Движение частиц в электрическом поле Движение частиц рассматривается как движение их центра масс. Это означает, что вращение частиц, если требуется, следует учитывать отдельно. По второму закону Ньютона:

dV m =. (5.20) F dt На частицу, находящуюся в воздушной среде и в электрическом поле, действуют следующие силы:

1. Сила тяжести F = mg, где g - вектор ускорения свободного падения.

mg 2. Сила действия электрического поля на заряженную частицу Fq = Eq. (5.21) 3. Сила, обусловленная неравномерным распределением напряженности электрического поля.

Сферическая частица, находящаяся в электрическом поле, приобретает заряды поляризации qп (рис.5.6). Сила, действующая на сферу в неоднородном электрическом поле, равна F = E1qп- E2qп = qпE = qп2agradE.

Оценки силы, обусловленной неравномерным распределением электрического поля, показывают, что она мала по сравнению с другими силами, действующими на частицу, и поэтому этой силой можно пренебречь, за исключением случаев, когда частица незаряжена, а неоднородность поля велика.

4. Сила сопротивления среды движению частицы Fс. Сила возникает в связи с тем, что движущееся тело вызывает появление в окружающем пространстве течение воздуха. Возбуждение течения требует некоторой затраты энергии, которая забирается у движущегося тела. Таким образом, тело тормозится.

Силу сопротивления среды можно рассчитать, если известно распределение скорости течения воздуха, вызванного телом. Распределение скорости воздуха вокруг движущегося тела рассчитывается из уравнения Навье-Стокса:

du = F - grad p + µ2u (5.22) в в { 1 3 1 2 dt 1 внешние силы силы -qп +qп силы сила давления вязкости E инерции - + и уравнения 2а - + неразрывности течения жидкости:

divu = 0.

- + Здесь u - вектор скорости течения жидкости;

в - E E плотность среды;

µ - коэффициент Рис.5.6. Поляризация частицы в динамической вязкости среды электрическом поле (µвозд = 1,8510-5 кг/(мс));

p - давление.

Даже в самом простом случае - для сферической частицы - решение уравнения движения удается получить только при упрощающих предположениях. Эти упрощения определяются величиной числа Рейнольдса, устанавливающего соотношение между силами инерции и вязкости:

u du в Fинерции в dt l u вul ul Re = = =, (5.23) u Fвязкости µ µ2u µ l где = µ/в - коэффициент кинематической вязкости воздуха;

l - характерный размер течения (для течения жидкости в трубе - диаметр трубы;

для частицы - диаметр частицы).

Для движущейся сферической частицы 2a Re =, (5.24) где - скорость частицы относительно газовой среды, - коэффициент кинематической вязкости.

В технологических процессах обычно используют частицы размером не более 300 мкм. Скорости частиц обычно меньше 10 м/с и чаще всего составляют 13 м/с. Наибольшие значения числа Рейнольдса достигают 100, обычно они лежат в диапазоне 0,110.

Упрощая уравнение Навье-Стокса Стокс получил формулу для силы сопротивления сферы движению сферической частицы, справедливую при Re 0,5:

Fc = -6µaV.

При широком диапазоне значений Re следует использовать следующую формулу для силы сопротивления Fc = Cx в s, (5.25) где Cx -коэффициент аэродинамического сопротивления;

s - характерное сечение тела (для сферы s = a2, a - радиус).

В результате обобщения экспериментальных данных получена зависимость Cx = f (Re), которая представлена на рис. 5.7.

Cx Наиболее удачной аппроксимацией этой зависимости является формула Клячко:

1+ Re Стокс Cx = (5.26) 1 Re Из (5.25) и (5.26) следует, что сила сопротивления среды нелинейно 10-2 10-1 1 10 102 Re зависит от скорости (рис. 5.8) Рис.5.7.Зависимость Сх от Re Fc Линейная аппроксимация Экспериментальная зависимость Re Стокс Re* Рис.5.8. Линейная аппроксимация зависимости силы сопротивления от числа Рейнольдса Для аналитических расчетов более удобно использовать линейную аппроксимацию от числа Рейнольдса Fc = kc 6µa( -*), (5.27) где kc, *=(Re*)/2a - коэффициенты линейной аппроксимации (рис. 5.8) Движение частицы в однородном электрическом поле.

При движении сферической частицы из состояния покоя под действием постоянных внешних сил при Re < 0, уравнение движения запишется в виде:

d m = F - 6µa, (5.28) dt где F = Eq + mg - внешние силы, определяемые воздействием электрического и гравитационного полей.

Если заряд частицы и напряженность поля неизменны, то решение уравнения имеет вид:

-t = уст(1- e ), где уст= F/(6µa) - установившаяся скорость движения частицы;

= m/(6µa) - постоянная времени, определяющая характерное время изменения скорости частицы.

Постоянная времени связана с длиной инерционного пробега частицы - lи. Если частица имеет начальную скорость 0, то при отсутствии воздействия внешних сил до полной остановки своего движения она пройдет путь, равный:

lи = = e-t / dt = 0.

dt 0 Чем больше проявляется влияние инерционных свойств частицы, тем больше длина инерционного пробега.

Для расчета движения частиц при Re > 0,5 можно воспользоваться линейной аппроксимацией силы сопротивления среды в виде (5.27). Тогда решение записывается по аналогии с решением уравнения (5.28). Более сложный для расчета случай имеет место, когда заряд частиц и напряженность поля в процессе движения изменяются.

Аналитическое решение для этого случая отсутствует.

Более просто решается задача, если силами инерции при расчете можно пренебречь. Возможность такого упрощения определяется числом Стокса.

Число Стокса представляет собой отношение длины инерционного пробега частицы при скорости x к характерному размеру l - расстоянию, на котором действующая на частицу внешняя сила претерпевает изменение, соизмеримое с ее средним значением:

lи St = = x l. (5.29) l Под характерной скоростью понимается скорость, определяемая действием внешних сил без учета сил инерции.

Таким образом, число Стокса определяет влияние сил инерции на движение частицы под действием переменной внешней силы. Если St << 1, то движение частицы можно считать безынерционным.

По аналогии с понятием подвижности ионов можно ввести понятие подвижности частицы:

Bq = = q = qB, (5.30) E F здесь B = =.

F 6µa Таким образом, подвижность частицы, обладающей зарядом q, представляет собой установившуюся скорость движения в поле единичной напряженности.

Для случая, когда частица приобретает заряд в поле коронного разряда, можно построить зависимость подвижности от размера частиц (рис. 5.9).

B, q см2/кВс 3 3 3 1 3 10 3 a, мкм 10-3 10-2 10- Рис. 5.9. Зависимость подвижности Bq от радиуса частиц 1 - Е = 1кВ/см;

2 - Е = 3 кВ/см Подвижность имеет минимум при размере частиц 2а равном 0,3 0,5 мкм. Возрастание подвижности для частиц очень малого размера объясняется уменьшением силы сопротивления среды из-за того, что размер частиц становиться соизмеримым с длиной свободного пробега молекул воздуха (поправка Кенингема).

Возрастание подвижности для частиц 2а 1мкм объясняется тем, что начинает работать механизм «ударной» зарядки и имеет место квадратичный характер зависимости заряда от размера частиц. Тогда в соответствии с (5.29) подвижность растет пропорционально размеру частиц.

Для расчета силы сопротивления среды движению частиц несферической формы используется замена на эллипсоид, эквивалентный частице по объему и соотношению осей. В литературе имеются данные по коэффициенту сопротивления для эллипсоидов.

При движении начиная с переходного значения Re частицы приобретают определенную ориентацию (за счет гидродинамического взаимодействия с окружающей средой). Ориентация такова, что частица при движении испытывает максимальное сопротивление. Например, на цилиндрическую удлиненную частицу при движении в воздушной среде в электрическом поле действуют два вращающих момента (рис. 5.10).

+ E _ Mгд Рис.5.10. Силы, действующие на частицу несферичной формы С одной стороны электрическое поле стремится развернуть поляризованную частицу таким образом, чтобы она расположилась своей большой осью вдоль силовых линий электрического поля (положение 1). С другой стороны гидродинамические силы сопротивления среды движению частицы - Мгд - стремится развернуть ее таким образом, чтобы лобовое сопротивление было максимальным из всех возможных положений частицы, то есть перпендикулярно направлению движения частицы под действием сил электрического поля. В результате может устанавливаться некоторая промежуточная ориентация частицы в электрическом поле, как показано на рис. 5.10.

5.4. Коллективные процессы в заряженном аэрозоле С увеличениеим концентрации частиц уже становиться невозможным рассматривать движение частиц независимо, а необходимо учитывать их взаимное влияние.

Во-первых, изменяются условия зарядки частиц. Из-за увеличения концентрации частиц их зарядка может происходить при дефиците ионов. Это приводит к замедлению процесса зарядки. Кроме того, изменяется распределение напряженности поля, что влияет на предельный заряд частиц. Более сильное влияние оказывает на процесс зарядки дефицит ионов. Перераспределение поля происходит не в столь сильной степени и поэтому оказывает меньшее влияние.

При большой концентрации частиц начинает действовать процесс объединения частиц в агрегаты при соударении друг с другом. Для коагуляции необходимо соударение и, в зависимости от механизма, вызывающего соударения, различают ряд видов коагуляции, среди которых наиболее важное значение имеют гравитационная (различная скорость падения частиц разного размера под действием силы тяжести) и электрическая (взаимодействие заряженных и незаряженных частиц в электрическом поле).

Наконец, изменяются закономерности движения частиц из-за влияния электрического поля, созданного совокупным действием других частиц. Примером является электростатическое рассеяние облака заряженных частиц.

6. ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОФИЛЬТРАХ 6.1. Задача очистки газов от пыли Во многих технологических процессах промышленные газы содержат мелкие твердые или жидкие частицы, от которых должны быть очищены. В целом ряде производств эти частицы являются конечным продуктом, например, в производстве некоторых цветных металлов, сажи, цемента, улавливании катализаторов при нефтеперегонке.

В других случаях требуется очистка газа от взвешенных частиц, как, например, при подготовке воздуха при производстве серной кислоты, или очистка воздуха в специальных помещениях при производстве полупроводниковых приборов или фотокинопленки. Получают распространение бытовые электрофильтры, используемые для очистки воздуха жилых помещений.

Наиболее широкое распространение получили электрофильтры для санитарной очистки дымовых газов тепловых электростанций. Так при сжигании твердого топлива только на одном блоке мощностью 500 МВт образуется примерно 500 м3 дымовых газов в секунду, содержащих до 20 г/м3 взвешенных частиц золы. Это соответствует выбросам в атмосферу 360 тонн золы в час.

Электрофильтры являются на сегодняшний день наиболее эффективным средством очистки газов благодаря ряду особенностей:

1. В электрофильтрах достигается высокая степень очистки газа до 99,9%;

2. Электрофильтры имеют очень низкое гидравлическое сопротивление потоку газа;

3. Электрофильтры позволяют улавливать взвешенные частицы в широком диапазоне размеров (от долей микрометров до десятков миллиметров);

4. Электрофильтры легко регенерируются 5. Весь процесс очистки газов электрофильтрами легко поддается автоматизации.

Альтернативными способами очистки газов являются:

1. Рукавные фильтры (обладают высоким динамическим сопротивлением, которое растет по мере набора пыли и трудно регенерируются);

2. Циклоны и механические сепараторы (позволяют хорошо улавливать крупные частицы, но имеют низкую степень очистки для мелких частиц);

3. Мокрые скрубберы (имеют большой расход воды и относительно высокое гидравлическое сопротивление).

6.2. Принципиальная схема электрофильтра Принципиальная схема электрофильтра представлена на рис. 6.1.

Между двумя плоскими осадительными электродами расположен ряд ВН коронирующих проводов. В промежуток между коронирующими и осадительными электродами поступает запыленный газ. В поле коронного разряда, возникающего при подаче высокого напряжения на провода, частицы заряжаются и под действием поля движутся к осадительным плоскостям, с u которых они периодически удаляются. Таким образом, концентрация взвешенных частиц по мере прохождения через электрофильтр постепенно уменьшается.

E q 6.3. Степень очистки газов в электрофильтре Рис.6.1. Принципиальная схема электрофильтра 1 - осадительные электроды;

Степень очистки газа в электрофильтре является основной 2 - коронирующие электроды характеристикой эффективности его работы. Она определяется содержанием пыли или жидких частиц в газе до поступления в электрофильтр и после выхода из него:

Zвх - Zвых Zвых = = 1-, Zвх Zвх где Zвх - концентрации пыли на входе в электрофильтр;

Zвых - концентрация пыли на выходе из электрофильтра.

Осаждение частиц происходит из области, непосредственно примыкающей к электроду. Убыль частиц в этой области восполняется за счет дрейфа частиц в электрическом поле и за счет увлечения их турбулентными потоками.

Так как течение газа в электрофильтре всегда турбулентное, то именно оно способствует выравниванию распределения концентрации частиц в межэлектродном промежутке.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.