Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
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: ⋅ = = − = = ; 0 ; ; 0 E k J J div grad E E div r r r r r ρ ϕ ε ρ (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) Первое уравнение − уравнение Пуассона − представляет собой запись теоремы Гаусса в дифференциальной форме и устанавливает связь между плотностью объемного заряда ρ и напряженностью поля E. Второе уравнение − известное выражение напряженности поля через потенциал ϕ. Далее следует уравнение неразрывности плотности тока. Четвертое уравнение отражает связь плотности тока J с плотностью объемного заряда ρ, 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 −ϕ 1 = U и некоронирующего −ϕ 2 = 0. Третье граничное условие формулируется следующим образом − производная потенциала у поверхности коронирующего электрода равна начальной напряженности независимо от интенсивности коронного разряда: ( ) 0 0 E r r r − = ∂ ∂ = ϕ . 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 E 0 , 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 см 2 /(В ⋅с), k − = 2,24 см 2 /(В ⋅с). 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 r 0 . 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: ( ) 0 1 ε ρ = ⋅ rE dr d r . (4.5) Обозначив через А ток коронного разряда на единицу длины электрода, уравнение неразрывности (4.3) можно представить в виде: rJ A π 2 = . Отсюда, используя (4.4), можно получить: rkE A π ρ 2 = . (4.6) После подстановки (4.6) в (4.5) последнее превращается в уравнение с разделяющимися переменными, которое легко интегрируется: ( ) ∫ ∫ = rE E r r r rdr k A rE rEd 0 0 0 0 2 ε π . Таким образом, 2 2 0 0 2 0 0 1 2 + − = r r E r r k A E πε (4.7) При r >> r 0 2 0 0 0 2 + = r r E k A E πε (4.8) Для интенсивного коронного разряда, когда U >> U 0 (U 0 − начальное напряжение), второе слагаемое в (4.8) существенно меньше первого, и, следовательно, k A E 0 2 πε = . (4.9) Из (4.8) и (4.9) следует, что напряженность поля в значительной части промежутка между коаксиальными цилиндрами постоянна (рис. 4.1). В соответствии с (4.6) плотность объемного заряда изменяется по гиперболе. Различие в распределениях электростатического поля и поля при коронном разряде обусловлено действием объемного заряда, сосредоточенного в промежутке. Для определения вольтамперной характеристики коронного разряда A = f(U) используется условие: E E 0 R r 0 R r 0 r r 1 2 Рис. 4.1. Распределение электростатического поля (1) и поля при униполярном коронном разряде (2) между коаксиальными цилиндрами ∫ = R r U Edr 0 . При подстановке в это уравнение в уравнения (4.7) и его интегрирования после упрощений получается уравнение вольтамперной характеристики, которое записывается в обобщенном виде: ( ) 0 U U kGU I − = , (4.10) где ( ) 0 2 0 2 0 10 75 , 2 1 ) / ln( 8 r R r R R G − ⋅ + = πε . 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 E 0 h x r 0 1 2 3 y x h r 0 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: + = δ δ 0 0 298 , 0 1 3 , 30 r E , а начальное напряжение из выражения: 0 ln 0 0 0 r R r E U = 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 γ 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 (24,5 ÷30 кВ/см). r/R x R r U, кВ 120 80 40 0,2 0,4 0,6 0,8 1 2 Рис. 4.3 Разрядные (2) и начальные (1) напряжения воздушного промежутка между коаксиальными цилиндрами (R = 10 см) 1150 900 600 750 450 300 150 50 100 150 200 U р , кВ L, см 1 2 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). Зарядное устройство Камера организации движения частиц Камера формирования 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: ∫ = S s d f e dt dq |