Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
Рис.6.2 Распределение концентрации в межэлектродном промежутке 1 − осадительные электроды; 2 − коронирующие электроды При этом предпочтительнее работать на отрицательной полярности питающего напряжения, т.к. при этом коронный разряд более устойчивый, а пробивное напряжение значительно выше. 6.4. Влияние концентрации дисперсной фазы на характеристики коронного разряда и процесс очистки газа электрофильтрами При наличии дисперсной фазыв межэлектродном промежутке суммарный объемный заряд будет определяться уже не только объемным зарядом ионов, а и объемным зарядом заряженных частиц, находящихся в промежутке. При определенной концентрации дисперсной фазы объемный заряд частиц становится соизмеримым с объемным зарядом ионов и начинает существенным образом влиять на процессы развития разряда. Система уравнений описывающая процессы в межэлектродном промежутке может быть представлена в виде: ( ) ( ) − = + = = = + + = E u qBE J E k J J J E p p i i p i p i ϕ ρ ρ ε ρ ρ grad , , , 0 ) ( div , div 0 где u − средняя скорость движения газовой среды, индексы i и p относятся соответственно к ионам и частицам. Так как подвижность ионов k >> Bq, ток определяется в основном ионной составляющей. Объемный заряд частиц играет роль отрицательной обратной связи. Частицы пыли в поле коронного разряда приобретают заряд того же знака, что и знак короны. Подвижность заряженных частиц пыли мала по сравнению с подвижностью ионов. Заряженные частицы пыли создают собственное электрическое поле, вектор которого направлен встречно полю ионов коронного разряда, и это обстоятельство заставляет ионы замедлять свое движение от коронирующего электрода к осадительному электроду. Кроме того, электрическое поле объемного заряда частиц пыли снижает напряженность электрического поля на поверхности коронирующего электрода и тем самым уменьшает ток коронного разряда. В результате ток короны значительно уменьшается. Это явление − уменьшение тока короны − называется запиранием тока короны. При этом, как следствие, ухудшается зарядка частиц пыли. Изменение плотности ионного тока, концентрации частиц и их среднего заряда по длине электрофильтра, представленное на рис.6.3, наглядно демонстрирует процесс запирания коронного разряда при высоких входных концентрациях дисперсной фазы. На представленном рисунке можно выделить три характерные зоны. В зоне I происходит сравнительно быстрая зарядка частиц до заряда, при котором ток из-за запирания коронного разряда падает практически до нуля. Концентрация частиц из-за кратковременности этой стадии изменяется незначительно. В зоне II из-за осаждения частиц концентрация уменьшается, что приводит к частичному отпиранию тока короны и медленной подзарядке частиц, такой, что плотность объемного заряда частиц всегда остается близкой к запирающей. При приближении заряда к предельному скорость зарядки резко уменьшается. Начиная с этого момента (зона III электрофильтра) уменьшение концентрации не может быть скомпенсировано увеличением заряда частиц и коронный разряд постепенно отпирается, что сопровождается ростом тока. 6.5. Формирование слоя частиц на электроде и возникновение обратного коронного разряда Сопротивление пыли, которая улавливается электродами, может изменяться в очень широких пределах, что в свою очередь существенно влияет на процесс улавливания пыли. Условно пыль разделяют на три группы по уровням удельного сопротивления. К первой группе относится хорошо проводящая пыль, имеющая удельное сопротивление ρ v ≤ 10 2 Ом ⋅м. Пыль первой группы улавливается плохо, так как при осаждении частицы быстро перезаряжаются, отталкиваются от электрода и уносятся потоком газа. К пыли второй группы относят пыль, удельное объемное сопротивление которой лежит в пределах 10 2 < ρ v < 10 8 Ом ⋅м. Пыль второй группы улавливается хорошо в электрофильтрах. Заряд частиц пыли равномерно стекает на осадительный электрод по мере осаждения новых частиц и подхода к слою ионов. Таким образом частицы хорошо удерживаются на поверхности слоя в процессе пылеулавливания. Е х 0 1 2 3 Е к Е к / ε сл ε сл ε =1 Рис. 6.4. Распределение напряженности поля внутри порошкового слоя для 1 − диэлектрических; 2 − полупроводящих; 3 − проводящих частиц III II I n q, J, n q J L Рис.6.3. Изменение тока, концентрации и заряда частиц по длине электрофильтра К пыли третьей группы относится пыль с удельным объемным сопротивлением ρ v ≥ 10 8 Ом ⋅м. Эта пыль наиболее трудно улавливается из-за возникновения обратной короны. Частицы, осевшие на осадительный электрод, долго сохраняют свой заряд из-за высокого сопротивления частиц пыли. Заряды, содержащиеся в слое, определяют распределение напряженности электрического поля в слое. На рис. 6.4 представлены три характерных случая распределения напряженности поля внутри слоя частиц в зависимости от их проводимости. Посмотрим, как изменяется напряженность электрического поля в слое для заряженных диэлектрических частиц. По уравнению Пуассона: 0 сл div ε ε ρ = E Для одномерного случая 0 сл ε ε ρ = dx dE Разделяем переменные и интегрируем: ∫ ∫ = x E E dx dE k 0 0 сл сл ε ε ρ ε Решением является: E = E k / ε сл + ρx/(ε сл ε 0 ). То есть получили линейную зависимость от координаты x. Итак, для диэлектрических и полупроводящих частиц по мере роста толщины слоя напряженность растет и может даже существенно превысить внешнюю напряженности поля, несмотря на то, что ε возд < ε сл В газовых включениях, имеющихся внутри слоя, начинаются ионизационные процессы, которые приведут к пробою всего слоя. В результате пробоя образуется кратер, порошок из которого выбрасывается в межэлектродный промежуток. После пробоя слоя вокруг кратера начинается также разряд по поверхности, который снимает поверхностный заряд. В результате этих ионизационных процессов начинается эмиссия ионов противоположного знака в межэлектродный промежуток. Это явление носит название обратного коронного разряда. Установлено, что пробой слоя наступает при ρ v > 10 8 ÷ 10 9 Ом ⋅м. Это соотношение принято считать критерием возникновения обратного коронного разряда. Время возникновения обратного коронного разряда легко определить из условия зарядки слоя без учета утечек зарядов через слой. E сл ε сл − E к = σ/ε 0 , где Е сл − напряженность в слое частиц, Е к − напряженность поля коронного разряда у поверхности слоя. Учитывая, что σ = Jt, получим при возникновении обратной короны: E пр сл ε сл − E к =Jt ок / ε 0 , где Е пр сл − пробивная напряженность в слое частиц, t ок − время возникновения обратного коронного разряда. Время возникновения обратного коронного разряда будет равно: t ок = 2 ε сл ε 0 (E пр сл − E к / ε сл )/J. Здесь введен поправочный коэффициент равный 2, который учитывает переход от начальной формы к интенсивному обратному коронному разряду, оказывающему существенное влияние на процессы в электрофильтре. Наличие обратного коронного разряда отрицательно влияет на процесс очистки газа в электрофильтре в силу следующих причин: 1. Из-за появления в межэлектродном промежутке объемного заряда противоположного знака снижается напряженность поля у поверхности осадительного электрода; 2. Происходит частичная разрядка и даже перезарядка частиц порошка приближающихся к осадительному электроду; 3. Усиливается вторичный унос частиц с поверхности слоя в результате их перезарядки. При интенсивном обратном коронном разряде процесс осаждения может полностью прекратиться. Наибольшее распространение получили три способа борьбы с этим вредным явлением: 1. Кондиционирование топочных газов, например, введением аммиака, приводит к снижению удельного объемного сопротивления ниже критического уровня; 2. Импульсное питание коронирующих электродов, снижающее поток ионов к поверхности слоя. Уменьшение плотности тока приводит к замедлению нарастания напряжения на слое и, следовательно, к уменьшению вероятности возникновения обратной короны; 3. Знакопеременное питание электрофильтра позволяет изменять полярность постоянного напряжения на коронирующих электродах электрофильтра на противоположную в момент, когда напряжение на слое приблизится к напряжению возникновения обратной короны. Таким образом, на осадительном электроде формируется общий слой пыли, состоящий из тонких противоположно заряженных слоев пыли, что в конечном итоге снижает напряженность электрического поля в слое пыли и уменьшает вероятность возникновения обратной короны. 6.6. Конструкция электрофильтров Используются электрофильтры имеют различной конструкции. Они бывают трубчатые (рис 6.5, а) и пластинчатые (рис 6.5, б). BH а) б) Рис. 6.5. Конструкции электрофильтров а) трубчатый, б) пластинчатый многопольный Трубчатые электрофильтры − аппараты с вертикальным потоком газа. Подлежащие очистке газы проходят внутри трубчатых осадительных электродов, по оси которых располагаются коронирующие провода. Слой пыли периодическим встряхиванием электродов удаляется в пылесборник, находящийся в нижней части электрофильтра. Пластинчатые электрофильтры − аппараты с осадительными электродами в виде пластин, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Между пластинами расположены коронирующие электроды, укрепленные на рамах. В одном корпусе электрофильтра может быть расположено несколько независимых последовательно расположенных систем электродов, или, как принято их называть в практике газоочистки, электрических полей. Огромную роль в достижении максимальной эффективности пылеулавливания играет конструктивное исполнение коронирующих и осадительных электродов. Коронирующие электроды можно разделить на две группы (рис. 6.6). К первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных коронирующих точек. При отрицательной короне – отрицательной полярности коронирующих электродов – светящиеся точки располагаются вдоль электрода на разных расстояниях друг от друга в зависимости от состояния поверхности электрода. Типичные виды электродов этой группы: круглый диаметром 2 ÷4 мм, квадратный со стороной 3 ÷4 мм и штыкового сечения, вписывающийся в квадрат со стороной 4÷5 мм (рис. 6.6, а). Ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Типичными видами этих электродов являются колючая проволока, пилообразные и игольчатые электроды (рис. 6.6, б). Электроды второй группы при равных напряжении и межэлектродном расстоянии обеспечивают значительно больший ток короны, чем электроды первой группы. Легче обеспечивается необходимая механическая прочность. В настоящее время получили широкое распространение коронирующие электроды ленточно-игольчатого типа. Они легко изготавливаются путем штамповки и при наличии достаточной механической прочности обладают хорошими электрическими жарактеристиками. а) б) в) Рис.6.6. Электроды электрофильтров а) – гладкие коронирующие электроды; б) – коронирующие электроды с фиксированными точками разряда; в) – осадительные электроды Осадительные электроды электрофильтров также имеют разнообразную форму: они имеют гладкую поверхность без острых углов, необходимую для обеспечения высокой напряженности электрического поля, и полости, позволяющие стряхивать пыль с минимальным вторичным уносом (рис. 6.6,в). Для успешной работы электрофильтров имеет важное значение установка коронирующих проводов точно по оси между осадительными пластинами. До настоящего времени применялись аппараты с расстоянием между осадительными электродами 275 мм. Шаг между коронирующими проводами составляет 100 ÷200 мм. Имеется тенденция к увеличению расстояния между осадительными электродами до 450 мм и даже до 600 мм. Опытно– промышленные испытания таких электрофильтров показали, что, несмотря на предсказания теории, снижение степени очистки не происходит, так как существенно возрастает пробивное напряжение промежутков. 7. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 7.1. Электроокраска Окраска изделий является одним из технологических процессов, при котором применение электрического поля эффективно. Принципиально технология электроокраски заключается в распылении и зарядке частиц краски и осаждении заряженных частиц краски на изделии в электрическом поле. В результате на изделии формируется равномерный тонкий слой краски. Преимущества при окраске в электрическом поле по сравнению с пневматической окраской заключаются в: 1) уменьшении потерь краски до 10 ÷20% вместо 50÷70%; 2) уменьшении загрязнений окружающей среды; 3) повышении адгезии покрытия к поверхности изделия. Процесс распыления жидкости в электрическом поле происходит следующим образом (рис. 7.1). Образующаяся на выходе из распылителя капля растет до тех пор, пока действующие на нее электрические силы не превысят силы поверхностного натяжения. Происходит нарушение устойчивости поверхности на вершине капли где поле максимально и, как следствие, выброс тонкой струйки. Далее эта тонкая струйка дробится на мелкие капли. Выброс тонкой струйки является условием мелкодисперсного распыления жидкости в электрическом поле. На процесс распыления оказывают наибольшее влияние напряженность поля в непосредственной близости от распылителя, поверхностное натяжение, проводимость, вязкость жидкости, а также расход жидкости, то есть скорость ее поступления в зону распыления. При малой напряженности поля распыление не происходит, так как электрическая сила недостаточна, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения. От распылителя отрываются крупные капли под действием своего веса. Для увеличения напряженности электрического поля стремятся уменьшить радиус закругления кромок сопла распылителя (Е кромки ≥ 10кВ/см). Если поверхностное натяжение велико, то возможно, что раньше, чем произойдет нарушение устойчивости поверхности капли, начнется коронный разряд, препятствующий дальнейшему увеличению напряженности поля у поверхности капли. Коэффициент поверхностного натяжения краски не должен превышать (4 ÷5)⋅10 6 Н/см. Проводимость краски оказывает решающее влияние на процесс накапливания заряда на капле жидкости. Жидкость с очень малой электрической проводимостью (менее 10 -8 1/Ом ⋅м) не распыляются в электрическом поле. Чем выше проводимость, тем быстрее подтекает заряд и больше сила, воздействующая на каплю. Однако при увеличении проводимости выше 10 -2 1/Ом ⋅м распыление краски опять прекращается. Это связано с возникновением коронного разряда на капле и внедрением в промежуток большого объемного заряда, снижающего напряженность электрического поля на кромке сопла распылителя. Оптимальная проводимость краски лежит в диапазоне 10 -5 ÷10 -6 1/Ом ⋅м. Очень вязкие жидкости также плохо распыляются в электрическом поле, поскольку вязкость жидкости ограничивает возможность выброса тонкой нити. С увеличением вязкости растет диаметр нити и соответственно размер капель, на которые она дробится. Вязкость краски должна быть не более 0,07 Па ⋅с. Оптимальный размер частиц краски составляет 15 ÷30 мкм. В промышленности применяются две системы окраски: электростатическая (лотковые и щелевые распылители) и окраска с механическим распылением (центробежные, гидравлические и пневматические распылители) (рис. 7.2). ВН 1 1 1 2 ВН ВН а) б) в) 3 Рис.7.2. Конструкции электроокрасочных распылителей. а) лотковый; б) центробежный; в) электропневматический Подача: 1 − краски; 2 − воздуха; 3 − коронирующий электрод. Электростатическая окраска заключается в зарядке и распылении жидкости за счет электрических сил, действующих на каплю, находящуюся на кромке распылителя. В системах с механическим распылением используются центробежное, пневматическое, безвоздушное (при подаче под большим давлением) дробление краски. В этих распылителях электрическое поле используется только для перемещения и осаждения капель на изделие. Наибольшее распространение получили электропневматические распылители, которые обладают большей производительностью, лучше окрашивают полости и углубления в деталях, не предъявляют жестких требований к параметрам краски. Из-за наличия потоков воздуха потери краски несколько больше, чем у электростатических распылителей (20% вместо 5 ÷10%), но существенно меньше, чем у пневматических распылителей. 7.2. Нанесение порошковых покрытий ВН 1 2 3 4 5 Рис. 7.1. Процесс зарядки и распыления краски 1 – сопло распылителя; 2 – капля краски; 3 – струйка краски; 4 − мелкие капли после дробления струйки; 5 − изделие Процесс нанесения порошковых полимерных материалов в электрическом поле заключается в зарядке частиц порошка, переносе их потоками воздуха к напыляемому изделию, осаждении частиц под действием электрического поля на поверхность изделия и оплавлении слоя порошка в электропечах с образованием сплошного полимерного покрытия на поверхности изделия. Достоинства метода: 1) почти 100% использование материала после улавливания неосевшего на изделие порошка и повторного его применения при напылении покрытия; 2) незначительное количество растворителей в материале краски (не более 5%) по сравнению с жидкими красками, где растворителя содержится до 50%, а значит существенно меньшее загрязнение окружающей среды газовыми выбросами; 3) получение покрытий с уникальными свойствами (фторопласт, полиамид, полиуретан); 4) получение толстых покрытий (до нескольких миллиметров) на изделиях сложной формы (для изоляционных конструкций и в химической промышленности). Зарядку частиц порошкового материала в установках для напыления осуществляют, используя следующие два метода: ионную зарядку − осаждение ионов из объема газа с полем коронного разряда и статическую электризацию − обмен зарядами между частицами и между частицами и элементами конструкции распылителя при контакте между ними. Для используемых при нанесении покрытий порошковых материалов с радиусами частиц а > 1 мкм ионная зарядка происходит преимущественно за счет движения ионов коронного разряда в электрическом поле и осаждения их на поверхность частиц («ударная зарядка»). Статическая электризация осуществляется путем обмена зарядами за счет разности в работе выхода электронов у материала частиц и материала стенок в зарядном устройстве или при обмене зарядами между частицами из-за различий в химическом составе примесей, температуре, фазовом состоянии, структуре поверхности и т.д. На практике для оценки знака зарядов статической электризации используют правило Коэна, в соответствии с которым при приведении в контакт и разъединении двух диэлектриков вещество с наибольшей относительной диэлектрической проницаемостью заряжается положительно. Существуют два варианта устройств для нанесения порошковых полимерных покрытий в электрическом поле: с помощью распылителей (рис. 7.3) и с помощью камер с электрическим кипящим слоем (рис. 7.4). 1 2 3 4 |