Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
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 ................................................................................................ 3 Введение ...................................................................................................... 5 1. Электрофизические процессы в газах ................................................... 7 1.1.Характеристики газовой среды ...................................................... 7 1.2. Характеристики ионизованного газа ............................................ 8 1.3. Дрейф заряженных частиц в электрическом поле. Подвижность ............................................................................... 10 1.4. Коэффициент ударной ионизации .............................................. 10 1.5. Коэффициент прилипания. Эффективный коэффициент ионизации............................................................. 12 1.6. Процессы возбуждения................................................................ 13 1.7. Различные виды ионизации в газах ............................................ 14 1.8. Диссоциация молекул .................................................................. 16 1.9. Рекомбинация ............................................................................... 16 1.10. Процессы вторичной ионизации ............................................... 17 2. Физика газового разряда....................................................................... 19 2.1. Развитие разряда в однородном поле при постоянном напряжении ..................................................... 19 2.2. Развитие разряда в резко-неоднородных полях......................... 22 2.3. Влияние формы воздействиующего напряжения на развитие разряда..................................................................... 25 3. Основные понятия физики плазмы...................................................... 27 3.1. Определение плазмы и ее основные свойства ........................... 27 3.2. Дебаевский радиус экранирования ............................................. 29 3.3. Плазма в электрическом поле...................................................... 30 4. Коронный разряд 31 4.1. Формы коронного разряда......................................................... 31 4.2. Униполярный коронный разряд ................................................... 32 5. Технологические процессы, основанные на силовом воздействии электрических полей на материалы 39 5.1 Введение ......................................................................................... 39 5.2. Зарядка частиц............................................................................. 41 5.2.1. Ионная зарядка ..................................................................... 41 5.2.2. Индукционная зарядка частиц...........................................46 5.2.3. Статическая электризация ................................................. 50 5.3. Движение частиц в электрическом поле ................................... 50 5.4. Коллективные процессы в заряженном аэрозоле ...................... 57 6. Очистка газов от частиц в электрофильтрах ................................. 58 6.1. Задача очистки газов от пыли.................................................... 58 6.2. Принципиальная схема электрофильтра................................... 59 6.3. Степень очистки газов в электрофильтре ............................... 59 6.4. Влияние концентрации дисперсной фазы на характеристики коронного разряда и процесс очистки газа электрофильтрами ............................................................... 62 6.5. Формирование слоя частиц на электроде и возникновение обратного коронного разряда 64 6.6. Конструкция электрофильтров ................................................... 67 7. Нанесение покрытий в электрическом поле ...................................... 69 7.1. Электроокраска .......................................................................... 69 7.2. Нанесение порошковых покрытий ......................................... 71 8. Электросепарация ................................................................................ 81 8.1. Классификация сепараторов........................................................ 81 8.2. Сепарация по электропроводности......................................... 82 8.2.1. Барабанные электростатические сепараторы....................... 82 8.2.2. Барабанные коронные сепараторы........................................ 83 8.2.3. Барабанные коронно-электростатические сепараторы ....... 83 8.2.4. Лотковые наклонные электростатические сепараторы ....... 85 8.3. Трибоэлектростатическая сепарация.......................................... 86 8.4. Пироэлектрическая сепарация .................................................... 89 8.5. Диэлектрическая сепарация......................................................... 90 9. Электропечать ....................................................................................... 92 9.1. Применение электропечати ......................................................... 92 9.2. Электрофотография...................................................................... 92 9.3. Электрокаплеструйная печать..................................................... 99 10. Нейтрализация зарядов статического электричества..................... 102 10.1. Основные понятия .................................................................... 102 10.2. Статическое электричество при перекачке нефти по трубопроводам 103 10.2.1. Физика образования и накопления заряда........................ 103 10.2.2. Технологический процесс транспортировки нефти ........ 104 10.2.3. Воспламенение паров нефти.............................................. 107 10.3. Методы измерения основных параметров, характеризующих статическую электризацию 110 10.3.1. Измерение токов электризации ......................................... 110 10.3.2. Измерение параметров зарядов инапряженности поля.. 111 10.4. Способы защиты от разрядов статического электричества.. 113 11. Обезвоживание нефтепродуктов ..................................................... 117 11.1. Требования содержанию воды и солей в нефтепродуктах ... 117 11.2. Теоретические основы обезвоживания нефтепродуктов ...... 118 11.2.1. Седиментация капель воды в нефтепродукте .................. 119 11.2.2. Движение заряженных капель в электрическом поле в нефтепродукте 120 11.2.3. Процессы укрупнения капель воды .................................. 120 11.2.4. Зарядка капель воды в нефтепродукте.............................. 122 11.3. Конструкции промышленных технологических установок для обессоливания и обезвоживания нефти и нефтепродуктов......................................................................... 126 11.4. Технологии обезвоживания нефтепродуктов ........................ 128 11.4.1. Глубокое обезвоживание нефтепродуктов....................... 128 11.4.2. Сверхглубокое обезвоживание.......................................... 129 11.4.3. Обезвоживание высокообводненных нефтей и аномально стойких эмульсий 130 12. Технологии с применением плазмо −химических реакций...... 133 12.1. Основы плазмо −химических преобразований ....................... 133 12.1.1 Понятие кинетики химических реакций...................... 133 12.1.2. Особенности плазмо −химических, фото−химических и радиационно−химических реакций 137 12.2. Генераторы озона и озонные технологии.............................. 138 12.2.1. Физико-химические и биологические свойства озона138 12.2.2. Основные способы получения озона............................. 140 12.2.3. Технологическое применение озона.............................. 152 12.3. Технологии конверсии газов в плазме газового разряда ...... 162 12.4. Модификация поверхности материалов в плазме газового разряда ........................................................................ 170 13. Технологии импульсного воздействия на материал ...................... 174 13.1. Введение.................................................................................... 174 13.2. Электрогидравлическая технология ....................................... 174 13.2.1. Основные сведения............................................................. 174 13.2.2.Технологические применения разряда в жидкости .......... 178 13.3. Электроэрозионная обработка материалов ............................ 180 13.3.1. Основные сведения............................................................. 180 13.3.2. Физические основы электроэрозионной обработки металлов 183 13.4. Магнитно-импульсная обработка материалов....................... 186 13.4.1. Основные сведения............................................................. 186 13.5. Разновидности магнитно-импульсной обработки ................. 188 13.5.3. Генераторы токов для магнитно-импульсной обработки ............................................................................. 192 13.5.4. Технологические особенности .......................................... 193 14. Аэрозольные электрогазодинамические устройства ..................... 194 14.1 Общая характеристика .............................................................. 194 14.2. Конденсационные ЭГД-генераторы заряженного аэрозоля...................................................................................... 196 14.3. ЭГД-генераторы........................................................................ 196 14.4. ЭГД-компрессор ....................................................................... 197 Список литературы ................................................................................. 199 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 nkT p = , (1.1) где k − постоянная Больцмана, k = 1,380⋅10 −23 Дж/град. При давлении р 0 = 1 атм = 760 мм рт.ст. и температуре Т 0 = 0 °С = 273 К плотность любого газа имеет вполне определенное значение, называемое числом Лошмидта, n 0 = 2,687 ⋅10 19 1/см 3 . Тогда при любом другом давлении и температуре ( ) ( ) T p pT n n 0 0 0 = или ( ) ( ) 0 1 273 273 p T p n + = (1.2) если температура Т 1 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 dx d E ϕ − = (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 k н , составляет 1 (однородное поле) или не превышает 1,3 ÷1,5 (слабо-неоднородное поле). В однородном поле d U E = . В случае большого коэффициента неоднородности (k н ≥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. |