Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




19.11.2018


17.11.2018


17.11.2018


11.11.2018


11.11.2018


11.11.2018


09.11.2018


05.11.2018


02.11.2018


26.10.2018





Яндекс.Метрика
         » » Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

29.03.2016

Электрический разряд в газах при атмосферном давлении бывает двух видов: искровой и коронный. Искровой разряд возможен при любой конфигурации электродов и представляет собой полный пробой газа между электродами. При достаточной мощности источника тока искровой разряд переходит в электрическую дугу. Характер электрического разряда зависит от расстояния между электродами. Так, при малом расстоянии (отношение длины искрового промежутка к радиусу электрода меньше двух) и повышении напряжения выше определенного значения обычно получается искровой разряд.
При большом расстоянии сначала возникает коронный разряд, затем промежуточный (в виде светящихся кистей между электродами) и, наконец, искровой. При равных условиях корона образуется раньше у электрода с большей кривизной.
Для обработки сыпучих строительных материалов и твердеющих композиций в процессе набора ими прочности используют коронный разряд, от которого технология, в частности, и получила свое название - высоковольтная технология активации коронным разрядом.
Высоковольтный коронный разряд можно создать в системе электродов различных типов (рис. 3.1):
- коаксиальные цилиндры при определенном соотношении радиусов внешнего и внутреннего цилиндров (рис. 3.1, а);
- провод-плоскость (рис. 3.1, б);
- игла-плоскость (рис. 3.1, в);
- система проводов над плоскостью (рис. 3.1, г);
- система игл над плоскостью и т. п.
Каждой паре указанных электродов свойственна своя определенная (критическая Ekр) напряженность поля, по которой при заданных значениях геометрии поля и атмосферных условиях определяется напряжение зажигания короны (U0) и устанавливается диапазон изменения напряжения высоковольтного источника поля.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Необходимая ионизация газа (воздуха) между электродами может возникать двояко:
- несамостоятельно, под воздействием некоторых «ионизаторов», например лучей радиоактивных веществ, рентгеновых лучей и др. После прекращения действия такого ионизатора постепенно происходит рекомбинация, т. е. обратный процесс образования электронейтральных молекул путем соединения друг с другом ионов различных знаков;
- самостоятельно, при достаточно высокой разности потенциалов. Разрядный ток в газе наблюдается в этом случае и после прекращения действия «ионизаторов» (ионизация толчком).
При высоковольтной активации применяют только самостоятельную ионизацию. Включение напряжения на электроды и постепенное его повышение не вызывают сначала появления тока в цепи в межэлектродном пространстве. Затем при «начальном коронном напряжении» ток появляется и постепенно возрастает.
При дальнейшем повышении напряжения ток в цепи продолжает увеличиваться, и, наконец, между электродами начинают проскакивать электрические искры. Наступает пробой воздушного промежутка, сопровождающийся сильным увеличением (скачком) тока в цепи. Прохождение тока через газ характеризуется вольт-амперной характеристикой (рис. 3.2), показывающей зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Интересующий нас коронный разряд возникает только в неоднородном электрическом поле в небольшой области около тонкого проводника. Этот разряд не распространяется до противоположного электрода и может рассматриваться как неполный пробой газа.
Если на два электрода, один из которых имеет малый радиус кривизны (провод, острие и т. п.), наложить некоторую разность потенциалов, то напряженность поля у тонкого электрода (зависящая от величины электрического потенциала, формы электродов и расстояния между ними) будет значительно выше, чем в остальном межэлектродном пространстве, и около этого провода начнется ионизация газа (воздуха).
При прохождении электрического разряда через газ концентрация и природа заряженных частиц не остаются постоянными. Эти частицы представляют собой как свободные электроны, так и положительные и отрицательные ионы - единичные атомы, а также молекулы, потерявшие один или несколько валентных электронов или присоединившие к себе один или несколько лишних электронов. При этом воздух благодаря наличию электрически полярных элементов, двигающихся в соответствующих направлениях вдоль силовых линий электрического поля, теряет свои изолирующие свойства. Указанное движение ионов, осуществляемое путем создания высоких напряжений на электродах, обусловливает прохождение тока через газ. Ионы, вылетающие из области короны и движущиеся к заземленному электроду, образуют ток короны, величина которого определяется количеством ионов.
Если на коронирующий электрод наложить высокий отрицательный потенциал, то к нему будут двигаться и отдавать свои заряды положительные ионы, отрицательные же ионы заполняют собой межэлектродное пространство и образуют пространственный или объемный заряд одного знака (униполярный заряд). Ионы, передвигающиеся к заземленному электроду, заряжают (в данном случае отрицательно) все частицы материалов, вводимых в межэлектродное пространство.
Последние под влиянием полученного заряда и электрического поля также начинают двигаться к электроду и оседают на нем. При этом лишь ничтожная часть оседает на коронирующий провод, площадь которого невелика.
Дальнейшее поведение таких частиц у заземленного электрода определяется конструктивными особенностями применяемых аппаратов.
При ионизации указанным способом необходимо, чтобы пробивание газового слоя происходило только на некоторой части расстояния между электродами. Часть газового слоя должна остаться непробитой и служить как бы изоляцией, предохраняющей от короткого замыкания между электродами через искру или дугу. Tакую газовую прослойку практически создают путем подбора формы электродов и расстояния между ними, соответствующего данному напряжению.
Электроды, например, в виде двух параллельных плоскостей в данном случае непригодны, т. к. у них в любой точке электрического поля напряжение одинаково, т. е. поле однородное.
Между электродами в виде двух концентрических цилиндров (провод и труба, рис. 3.3, а) или цилиндра и плоскости (провода и пластины, рис. 3.3, б) образуется неоднородное поле.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Напряженность поля, при которой появляется корона, называется начальной напряженностью поля короны. Последняя зависит от кривизны поверхности провода. Чем больше кривизна, тем больше в данной точке напряженность поля и плотность зарядов в прилегающей к ней области. Особенно сильно градиент растет у остриев и острых краев проводника.
Вычисляется начальная напряженность поля короны для концентрических цилиндров по известной эмпирической формуле Пика, кВ/см
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

где δ - относительная плотность воздуха (равна 1,0 при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 25 °С); r0 - радиус коронирующего провода, см.
Напряженность электрического поля для этого же случая определяется с достаточной точностью из уравнения
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

где r - расстояние от оси цилиндра, см; I - линейная плотность тока, мА/см; k - подвижность ионов.
Для случая провод - плоскость напряженность электрического поля (по кратчайшему расстоянию между ними) имеет вид
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

где х - расстояние от оси коронирующего провода, см; h - расстояние между проводом и плоскостью, см.
Эта формула пригодна также для вычисления напряженности электрического поля между барабаном и проводом (в случае очень значительной разницы в их радиусах).
Зависимость силы коронного тока (на единицу длины провода) от напряжения на электродах определяется приближенно следующими выражениями.
Для концентрических цилиндров (по Таунсенду)
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

где R - радиус внешнего цилиндра; U - напряжение на коронирующем проводе; Uк - начальное напряжение короны, равное
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Из формулы видно, что сила тока тем больше, чем больше приложенная разность потенциалов. При этом величина приложенной разности потенциалов должна быть ниже той, при которой между электродами начинают проскакивать искры. При искровом пробое напряжение на проводах резко падает, и коронирование сильно ухудшается.
По Дейтшу, для случая провода радиусом r0 и достаточно большой плоскости, находящейся на расстоянии h от оси провода, приближенно
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

В этом случае плотность тока против провода примерно на 60 % больше, чем для цилиндра.
При проводе, находящемся между двумя плоскостями на одинаковом расстоянии от каждой:
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Ток при двух плоскостях в 1,7 раза больше, чем при одной плоскости.
Для случая многих проводов 1 между двумя плоскостями 2 (рис. 3.4) определить статическое поле оказалось возможным только при волнистых электродах (а - расстояние между проводами, h - расстояние от провода до плоскости).
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

На рис. 3.5 представлена зависимость силы тока короны от числа коронирующих проводов (при напряжении 50 кВ, диаметре провода 1,5 мм, ширине плоскости 1200 мм). Как видим, для данного напряжения существует оптимальное число проводов, при котором ток короны на единицу длины всех проводов имеет максимум при принятой конфигурации электродов. Увеличение числа проводов сверх оптимального значения уменьшает ток, т. к. коронирующие провода экранируют друг друга.
Приведенные выше теоретические выражения для тока короны применимы лишь для простейших случаев, когда ток определяется только напряжением на электродах, их геометрическими размерами и подвижностью ионов, т. е. без учета таких факторов, как температура, давление, влажность, скорость и род газа, а также наличие в нем взвешенных частиц.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Кривые распределения напряженности поля при коронном разряде между концентрическими цилиндрами (диаметр цилиндра 148 мм, провод диаметром 2 мм) при различных значениях силы тока I показаны на рис. 3.6. Напряженность поля увеличивается вблизи коронирующего электрода и почти постоянна в остальном промежутке между электродами.
Напряженность поля E тем больше, чем больше коронный ток. Чтобы избежать появления между цилиндрическими электродами искр, необходимо обеспечить определенное соотношение между радиусами провода r и цилиндра R. Для ионизации газа без короткого замыкания необходимо, чтобы R:r≥2,7.
При ионизации вокруг провода возникает своеобразное голубоватое свечение (видимая корона), сопровождающееся легким шипением. Строение короны различно и зависит от полярности проводника. Положительная корона представляет собой бледно-голубое равномерное свечение, распространяющееся на некоторое расстояние от проводника. Отрицательная корона появляется сначала в отдельных точках, пульсирует вдоль провода и образует большое количество светящихся точек или пучков, выделяющихся на общем фоне короны. При увеличении разности потенциалов эти точки начинают светиться интенсивнее, и количество их увеличивается. На рис. 3.7 показана фотография отрицательной короны на проводе диаметром 3 мм при переменном напряжении 45 кВ. Такое же строение короны сохраняется и при постоянном напряжении. Гаснет корона не сразу, а постепенно.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Положительная корона на проводнике с неровной поверхностью возникает постепенно в отдельных точках, при гладком же полированном проводнике она вспыхивает мгновенно по всей поверхности. Положительная корона менее чувствительна к состоянию поверхности провода, чем отрицательная. Интенсивность короны растет с увеличением частоты переменного тока.
Полярность коронирующего электрода оказывает существенное влияние на работу аппаратов, использующих коронный разряд. При отрицательной короне пробивное напряжение выше, чем при положительной, поэтому коронирующие электроды аппаратов присоединяют к отрицательному полюсу источника тока, а противоположные - к положительному (заземляют). Кривые вольт-амперных характеристик при положительной и отрицательной короне различны. Сказанное хорошо иллюстрируется графиками рис. 3.8.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Ионы, движущиеся с большой скоростью под действием электрического поля, непрерывно сталкиваются с нейтральными молекулами газа и оказывают на них механическое действие. При столкновении происходит два рода явлений. Если скорость иона (электрона) настолько велика, что при столкновении с молекулой он может передать ей энергию
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

где Uj - потенциал ионизации молекулы, то в этом случае будет иметь место ионизация газа.
Область, в которой скорость ионов определяется выражением (3.8), является внутренней областью коронного разряда и носит название чехла короны. Свечение газа в чехле короны объясняется возбуждением нейтральных молекул и рекомбинацией ионов. Свечение, сопровождающееся рекомбинацией, более интенсивно, чем свечение при возбуждении молекул. Вне чехла короны скорости ионов недостаточны для ионизации нейтральных молекул газа (воздуха). В этом случае молекулы за счет импульсов движущихся в определенном направлении ионов получают лишь некоторую направленную скорость. Это аэродинамическое явление, выражающееся в интенсивном движении газа в сторону заземленного электрода, носит название электрического ветра.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Скорость электрического ветра в межэлектродном пространстве не одинакова. Она больше у коронирующего электрода и в среднем постоянна на некотором расстоянии от него.
Из рис. 3.9 видно, что на расстоянии 30 мм от коронирующей точки скорость электрического ветра равна приблизительно 1,0 см/с.
Эмпирическая зависимость между величиной силы тока коронирования iк и скоростью электрического ветра и, предложенная Ладенбургом и Титце, характеризуется уравнением
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

При величинах коронирования, применяющихся на практике, скорость ветра v = 1-2 м/с. Частицы, попадающие в струю ветра, заряжаются, подхватываются потоком и с большой скоростью (доли секунды) отбрасываются к осадительному электроду.
Электрический ветер выравнивает концентрацию ионов и частиц в межэлектродном пространстве и, передвигая частицы в ионном потоке, быстрее доводит их электрический заряд до предельного. При радиусе частиц меньше 10в-4 см скорость уноса частиц ветром может быть больше скорости движения их под влиянием электрического поля, и такой перенос частиц к осадительному электроду улучшает условия их осаждения.
Электрический ветер весьма эффективно используется при работе коронных камерных сепараторов. Он способствует очистке перфорированных электродов от оседающих на них частиц обрабатываемых материалов, уменьшает скорости падения последних в межэлектродном пространстве и предохраняет их от дробления.
При улавливании электропроводной взвешенной пыли последняя, оседая на осадительном электроде, получает его заряд и отталкивается в газовый поток; при этом часть пыли может быть вынесена из электрического поля.
Если пыль неэлектропроводна, то она прижимается силой поля к осадительному электроду 1 и оседает на нем (рис. 3.10). Этот заряженный отрицательно слой пыли 3 отталкивает приближающиеся частицы того же знака, т. е. противодействует основному электрическому полю.
Основные представления о процессах в технологии высоковольтной активации коронным разрядом

Напряжение в порах осевшего слоя пыли может превысить критическое и вызвать щелевые разряды 4 (коронирование воздуха, находящегося в порах). При этом образуется большое количество положительных ионов, нейтрализующих отрицательно заряженные частицы и газовые ионы. Это явление, носящее название обратной короны, резко снижает эффективность пылеулавливания.
Осадительный электрод 1 действует в этом случае как положительный коронирующий электрод. Пробивное напряжение снижается на 20-30 %, сила тока увеличивается. Возникают пробои между электродами 1 и 2, и действие установки резко ухудшается.
Для борьбы с вредным влиянием оседающей пыли применяют либо встряхивание электродов, либо увлажнение, что способствует стеканию поверхностных зарядов. Нельзя, однако, доходить до точки росы, т. к. в этом случае происходит конденсация воды на изоляторах, электродах и др.
Заряженные частицы обладают свойством адсорбировать на своей поверхности молекулы паров воды даже при температуре газа, несколько превышающей температуру точки росы. При этом у частицы, адсорбировавшей пары воды, увеличиваются диэлектрическая проницаемость и радиус, а следовательно, и величина заряда.
Особенно значительное осаждение пыли на коронирующих электродах происходит в том случае, когда коронирование слабое или вообще отсутствует.
Накопление на электродах слоя проводящей пыли утолщает коронирующие электроды. Чем больше диаметр коронирующего электрода, тем слабее он коронирует. Значительное увеличение диаметра электрода ведет к прекращению коронирования; установка перестает работать.
Кроме того, при налипании проводящей пыли расстояние между коронирующим и осадительным электродами уменьшается, в связи с чем напряжение приходится уменьшать до величины ниже нормального, что также ухудшает работу аппарата. Если пыль неэлектропроводна, то провод покрывается изолирующим слоем, и коронирование прекращается. Об образовании в установке обратной короны можно судить по следующим признакам. Если после сильного встряхивания осадительных электродов при том же напряжении, что и до встряхивания, ток стал меньше, то в аппарате было обратное коронирование.
Если при продолжительной работе (несколько часов) без встряхивания величина тока при постоянном напряжении не возрастает - обратного коронирования нет. Отсюда следует, что необходимо тщательно следить за чистотой электродов.
Таким образом, вредное влияние обратной короны заключается в том, что при ее появлении нарушается униполярность потока ионов в установке, затрудняется зарядка частиц и их удержание на электроде.
Слой пыли на осадительном электроде образует конденсатор, который заряжается тем сильнее, чем лучшими диэлектрическими свойствами обладает пыльный слой. Потенциалы на таком конденсаторе могут доходить до 10 кВ, что составляет значительную долю напряжения, приложенного к электрофильтру. Подобное перераспределение напряжения невыгодно, т. к. ведет к уменьшению тока в аппарате.
До подачи пыли в установку ток переносится от одного электрода к другому газовыми ионами, движущимися с большой скоростью.
После подачи пыли часть ионов осядет на ней, и так как масса пылинки несравненно больше массы газовой молекулы, то при той же действующей силе скорость передвижения этих ионов будет очень мала. Чем больше дисперсность пыли и ее концентрация, тем большая часть ионов осядет на пылинках.
Таким образом, ток в межэлектродном пространстве складывается из движения быстрых газовых ионов и медленных заряженных частиц. Хотя вторая часть тока невелика, но созданная медленно движущимися зарядами, долго остающимися в поле, она может образовать пространственные заряды больше тех, которые созданы газовыми ионами.
Наконец, может наступить такой момент, при котором все ионы, выходящие из области короны, осядут на пылинках. Скорость передвижения ионов, т. е. сила тока, уменьшается сначала мало, а затем может упасть почти до нуля. Такое явление называется запиранием короны.
Запирание короны, имеющее место на определенной длине электрода, ухудшает работу установки. Бороться с этим можно, максимально повышая приложенную разность потенциалов, чтобы увеличить скорость движения заряженных частиц, т. е. силу тока и количество ионов, генерируемых в области короны.
Таким образом, коронный разряд - это один из видов газового разряда, возникающего в резко неоднородных электрических полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов с малым радиусом кривизны поверхности, где напряженность электрического поля гораздо больше, чем в остальной части промежутка. Электроды, вблизи которых существует корона, называются коронирующими, а область коронирования - чехлом короны. Вследствие ионизации и сопутствующих ей процессов рекомбинации и перехода возбужденных атомов в нормальное состояние корона сопровождается свечением, характерным потрескиванием и появлением запаха озона.
При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность провода. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, к увеличению объемного заряда, а напряженность на поверхности провода остается равной начальной напряженности коронного разряда и зависит только от геометрических размеров проводника (коэффициента гладкости и радиуса кривизны провода) и относительной плотности воздуха. Увеличение объемного заряда приводит к увеличению потерь энергии и интенсивности электромагнитных излучений.
Физические процессы высоковольтного коронного разряда на постоянном и переменном напряжениях на коронирующих проводниках имеют существенные отличия.
При высоковольтном коронном разряде на постоянном напряжении и положительной полярности проводника образующиеся электроны уходят на анод, а положительные ионы создают объемный заряд, перемещающийся под действием электрического поля к противоположному электроду (земле). При высоковольтном коронном разряде на постоянном напряжении и отрицательной полярности проводника положительные ионы нейтрализуются на этом проводнике, а электроны, перемещаясь к аноду (земле), захватываются атомами кислорода и создают отрицательный объемный заряд.
При высоковольтном коронном разряде на переменном напряжении, так же как и на постоянном напряжении, возникают объемные заряды того же знака, что и заряд проводника. Однако вследствие непрерывного изменения полярности провода объемный заряд каждой фазы удаляется от провода только в течение полупериода и при перемене полярности начинает притягиваться к проводу. Когда короны на проводнике нет, потери энергии отсутствуют, т. к. энергия, затраченная источником на создание электрического поля в течение одного полупериода, в течение следующего полупериода полностью возвращается источнику. При наличии высоковольтной короны на переменном напряжении источнику возвращается только часть этой энергии, определяемая зарядом на проводе, а энергия, связанная с объемным зарядом вблизи провода, сохраняется в виде остаточного электрического поля, которое затем компенсируется зарядом противоположного знака в последующий полупериод.