«Основы электротехнологий. Электротехнологические процессы и аппараты» Электронно-ионные технологии (технологии на основе коронного разряда). Физические основы и техническая реализация

ВВЕДЕНИЕ Высоковольтные технологии: технологии, основанные на применении сильных электрических полей (электронно-ионные технологии) электроимпульсные технологии плазмохимические технологии

Если частицам мелкодробленого (диспергированного) материала сообщен некоторый заряд, то на эти частицы в электрическом поле действует сила F = Eq, которая заставляет частицы двигаться. ВВЕДЕНИЕ

Преимущества Непосредственное воздействие электрической энергии на обрабатываемый материал (без дополнительных потерь, сопровождающих эти промежуточные трансформации) Все вещества в природе (проводящие, полупроводящие, диэлектрические) могут тем или иным способом быть заряжены и далее подвергнуты силовому воздействию электрического поля. (универсальность методов рассматриваемой технологии) Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное управление процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пределах величины напряжения (возможность обеспечения высокого класса точности) ВВЕДЕНИЕ

К недостаткам можно отнести то, что наиболее эффективное воздействие электрических полей на сырье проявляться в случае, если последнее находится в диспергированном состоянии. В тоже самое время огромная же масса обрабатываемого сырья по своей природе либо уже находится в диспергированном состоянии, либо легко может быть приведена в такое состояние при добыче и последующей обработке (добыча полезных ископаемых). ВВЕДЕНИЕ

Формы силового воздействия электрического поля на частицы сырья и конечный результат 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 - Электропрядение 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 - Электросепарация

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 – Электрофильтрация 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 - Нанесение полимерных порошковых покрытий Формы силового воздействия электрического поля на частицы сырья и конечный результат

Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность фотополупроводников, с заряженными частицами проявляющих материалов приводит к их избирательному осаждению - Электропечать Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными зарядами позволяет произвести однородное смешивание материалов Воздействие сильного поля коронного разряда на сельскохозяйственную продукцию с целью увеличения сроков его хранения.

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики) 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.

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики) В технологических процессах главную роль играет внешняя зона коронного разряда Система уравнений поля для внешней зоны коронного разряда (1) (2) (3) (4)

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики) Граничные условия: (1) – (2) значения потенциалов электродов: коронирующего 1 = U и некоронирующего 2 = 0 (3) - производная потенциала у поверхности коронирующего электрода равна начальной напряженности независимо от интенсивности коронного разряда:.

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики) 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).

Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами (1)(5) (4) (6) (4)(5)

Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами При r >> r 0 (7) (8)

Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами Для интенсивного коронного разряда, когда U >> U 0 (U 0 начальное напряжение) (9) (1) - электростатическое поле (2) - поля при униполярном коронном разряде между коаксиальными цилиндрами

Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами Распределения напряженности поля при коронном разряде для системы «проводплоскость» 1 электрический 2 при коронный разряд

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики) начальная напряженность промежутка начальное напряжение U нач(+) > U нач(-)

КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц и его характеристики) U р(-) > U р(+) Разрядные напряжения воздушных промежутков стержень-плоскость при отрицательной (1) и положительной (2) полярностях постоянного напряжения питания стержня

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Структурная схема типовой технологической установки

Зарядка частиц (ИОННАЯ) Увеличение заряда частицы определяется количеством ионов, попадающих на частицу в единицу времени (11) Поток ионов на частицу определятся движением ионов под действием электрического поля и движением, вызванным диффузией ионов за счет градиента концентрации ионов: (12)

Зарядка частиц (ИОННАЯ) Выделяется 2 механизма зарядки частиц: «ударная» зарядка – это зарядка частица за счет осаждения ионов под действием электрического поля Dgradn > nkE Для условий, наблюдаемых в аппаратах электронно-ионной технологии, когда Е ~ (13) кВ/см: - при размерах частиц 2а > 1 мкм - преобладает «ударная» зарядка.

Зарядка частиц (УДАРНАЯ ИОННАЯ) (13)

Зарядка частиц ( УДАРНАЯ ИОННАЯ ) (14) - коэффициент, учитывающий относительную диэлектрическую проницаемость частицы (15) Для малых размеров частиц полем зеркального отображения иона можно пренебречь

Зарядка частиц ( УДАРНАЯ ИОННАЯ ) Е (11) и (12) (16) (17) - максимальный заряд частицы

Зарядка частиц ( УДАРНАЯ ИОННАЯ ) (18) Для проводящей частицы можно считать, что (19)

Зарядка частиц ( УДАРНАЯ ИОННАЯ ) При биполярной короне v+ = en + k + v = en k - проводимости, определяемые положительными и отрицательными зарядами (20) q пред < q m

Зарядка частиц ( ДИФФУЗИОННАЯ ) Для малых частиц (2а

Зарядка частиц ( ДИФФУЗИОННАЯ ) Зависимость параметра А от времени зарядки и концентрации ионов 0,1 а 1 мкм

Зарядка частиц ( ИНДУКЦИОННАЯ ) Движение сферической проводящей частицы в поле плоского конденсатора

Индукционная зарядка проводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного коронного разряда Частицу в виде проводящего полуэллипсоида, находится на поверхности плоского электрода в электрическом поле ( 1, удельные электропроводности v1 = v2 = 0)

Индукционная зарядка проводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного коронного разряда Напряженность электрического поля у поверхности проводящего полуэллипсоида Е n (23) где a, b, c полуоси эллипсоида, d a коэффициент деполяризации эллипсоида в направлении оси x. Коэффициент деполяризации отражает изменение напряженности поля эллипсоидом в направлении соответствующей оси. - Для сферы имеем d a = d b = d c = 1/3. - Если сфера моделируется полуэллипсоидом, то b/a = c/a = 0,5 и d a = 0,172.

Индукционная зарядка проводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного коронного разряда Плотность поверхностного заряда связана с напряженностью поля у поверхности электрода: (24) Индукционный заряд полуэллипсоида определяется по формуле (25) (23) (25) (26) 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

Индукционная зарядка полупроводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного коронного разряда Частица характеризуется определенной величиной удельной объемной электропроводности v1 и находится в поле униполярного коронного разряда, v2 0 и J вн 0

Индукционная зарядка полупроводящей частицы, находящейся на электроде в поле униполярного коронного разряда При 1 v2 > v1 (частица плохо проводящая) q > 0, - частица приобретает избыточный положительный заряд и на нее действует прижимающая электрическая сила При 1 v2 < v1 (частица хорошо проводящая) q< 0 - частица приобретает избыточный отрицательный заряд и на нее действует отрывающая электрическая сила

Статическая электризация Статическая электризация происходит при контакте и последующем разделении тел, обладающих различными физическими или химическими свойствами. Контактирующие тела приобретают заряды различных знаков. Материал, для которого работа выхода А вых меньше, при контакте более легко теряет электроны и, таким образом, заряжается положительно. Для большинства диэлектрических частиц действует правило Коэна - при приведении в контакт и разъединении двух диэлектриков, вещество с большей относительной диэлектрической проницаемостью заряжается положительно.

36 Движение частиц в электрическом поле Уравнение НавьеСтокса (32) Уравнение неразрывности течения жидкости: Распределение скорости воздуха вокруг движущегося тела

Движение частиц в электрическом поле (33) Число Рейнольдса - соотношение между силами инерции и вязкости (34) Для движущейся сферической частицы

При Re 0,5: Движение частиц в электрическом поле (35)

Движение частиц в электрическом поле Экспериментальная зависимость

Движение частиц в электрическом поле Зависимость подвижности B от радиуса частиц

Движение частиц в электрическом поле Силы, действующие на частицу несферичной формы