Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Коронные разряды и их применение в электрофильтрах (обзор)
1.1. Положительная и отрицательная корона 13
1.2. Коронный разряд на переменном токе 20
1.3. Аномальные коронные разряды 21
1.4. Импульсные коронные разряды 23
1.5. Электроочистка газов в поле коронного разряда 27
ГЛАВА 2. STRONG Экспериментальная установка и методы исследования
STRONG 2.1.. Экспериментальный стенд для изучения электрофизических 33
характеристик разряда
2.2. Расчет, конструкция и измерение перестраиваемой индуктивности в разрядном контуре 35
2.3. Требования к электронному прерывателю тока 42
2.4. Применение водородного тиратрона в качестве коммутатора 43
2.5. Экспериментальный стенд по изучению электрофильтров с малыми разрядными промежутками 46
2.6. Экспериментальная установка по определению 49 тсплофизических характеристик разряда
ГЛАВА 3. Электрические характеристики импульсно-периодической короны
3.1. Сравнительные вольтамперные характеристики коронных разрядов
3.2. Влияние состава газа на параметры разряда 52
3.3, Роль индуктивности в разрядном контуре 57
3.4, Частота прерывания тока и характеристики короны 62
3,5. Динамические характеристики импульсной короны 67
Знб. Физические процессы в поле импульсной периодической 69
короны
3.7, Влияние электрического ветра на коэффициенты теплопередачи в коронном разряде 70
ГЛАВА 4. Электрическая очистка газов
4.1 Распределение пыли в электрофильтре 78
4.2 Распределение пыли в отрицательной короне 79
4.3. Распределение пыли в положительной короне 81
4.4. Распределение пыли в импульсно-периодической короне 82
4.5. Эффективность очистки газов в отрицательной короне 84
4.6. Эффективность очистки газов в положительной короне 86
4.7. Эффективность очистки газов в импульсно-периодической 88 короне
4.8. Сравнение эффективности очистки газов в различных 90 разрядах
4.9. Удельные энергозатраты на очистку газа в различных 92 разрядах
ГЛАВА 5. Моделирование процессов осаждения пыли в импульсно-периодическом разряде
5.1.. Постановка задачи 95
5.2. Основные физические предположения 96
5.3. Математическая модель очистки газа 96
5.4. Результаты расчета и сравнение с экспериментом 99
Выводы
- Аномальные коронные разряды
- Применение водородного тиратрона в качестве коммутатора
- Частота прерывания тока и характеристики короны
- Распределение пыли в импульсно-периодической короне
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к коронным разрядам. Исследования коронного разряда ведутся в двух направлениях - это физические исследования различных коронных разрядов и их применение для решения технологических задач» Первым промышленным применением коронного разряда была установка для фильтрации паров серной кислоты, созданная ФД, Котреллом [1,2]. С тех пор фильтрация промышленных газов превратилась в самостоятельную отрасль промышленности. Тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, цементные заводы и многие другие предприятия оборудованы электрофильтрами. Развитие техники фильтрации газов было связано с повышением степени очистки газов и уменьшением энергозатрат. Применение короны постоянного тока в электрофильтрах исчерпало возможности повышения эффективности процесса фильтрации. Возросшие требования по очистке производственных выбросов в окружающую среду заставляли искать новые пути повышения эффективности электрофильтров. В настоящее время основной тенденцией является применение импульсных коронных разрядов. Детальный обзор современного состояния техники электрофильтрации представлен в работе [3]. Настоящая работа посвящена исследованию применения импульсно-пери одического коронного разряда для электрофильтрации газа. Исследованный в работе разряд позволяет добиться более высокой степени очистки при меньших энергозатратах. Кроме этого традиционного применения коронного разряда в последнее время появились новые, Например, в работе [4] коронный разряд применен для определения нарушений целостности металлического троса. Широко применяется коронный разряд в электрографии и электростатической печати [5,6]. Применение короны для осушки различных материалов позволило получить новую технологию этих процессов [7,8]. Перспективное направление
применения коронного разряда в высоковольтных переключателях предлагается в работе [9]. Синтез озона в плазмохимических реакторах с использованием коронного разряда проводится в промышленных масштабах [10-14]. Озон, созданный в плазмохимических реакторах, широко применяется для обеззараживания воды и различных материалов. В этом отношении большое значение имеют работы по применению коронных разрядов на постоянном токе и импульсных коронных разрядов для озонирования и разложения органически материалов в воде и б других средах [15,16]. В работе [17] была показана возможность эффективного синтеза сверхабсорбирующих сополимеров в импульсном коронном разряде. Импульсный коронный разряд был успешно применен в полупромышленной установке для очистки от смол продуктов сжигания газа, полученного из биомассы [18]. В последнее время интенсивно развиваются технологии получения наноматериалов. В работах [19,20] исследуются эффективные способы получения углеродных нанотрубок в плазменном реакторе на коронном разряде при атмосферном давлении. Коронный разряд позволяет осуществлять эффективную полимеризацию органических масел [21]. Коронный разряд применяется для возбуждения активной среды газовых лазеров [22]- В работе [23] показана возможность генерации активных атомов гелия в импульсном коронном разряде. Многообещающей областью применения коронных разрядов становится их использование для зажигания газовых смесей в двигателях внутреннего сгорания и в ракетных двигателях [24-26], Важной областью применения коронных разрядов является обработка поверхностей полимерных материалов [27]. В работах [28,29] показана возможность эффективного осаждения биоаэрозолей с использованием коронного разряда. Практически все электрофильтры для очистки воздуха в помещениях работают на коронном разряде [30-36], Во всех перечисленных приложениях, где используется импульсный коронный разряд, можно применить импульсно-периодический коронный разряд, который был исследован в настоящей работе [37-43].
Развитию промышленных электрофильтров сопутствовало исследование коронных разрядов. Положительная и отрицательная корона на постоянном токе изучалась многими авторами как самостоятельное физическое явление. Известно, что в коронном разряде выделяются две области. В топком светящемся слое у коронирующего электрода происходят процессы ионизации. В остальном объеме свечение отсутствует и в нем происходит перенос заряда к катоду ионами. Процессы ионизации и переноса заряда определяют вольтамперную характеристику и достаточно полно отражены в работах [44-52]. В коронном разряде наблюдается пульсирующий режим, который был впервые изучен в работе [53]. Исследованиями группы авторов было установлено, что при определенных условиях импульсный режим имеет место и в положительной, и в отрицательной короне [54-58], Для определения параметров коронного разряда необходимо знать распределение напряженности электрического поля. Эта задача решается в аналитическом виде только для простейшей системы электродов острие-плоскость и аксиальной системы провод-цилиндр. Классификация многочисленных электродных систем, применяемых в промышленных установках по фильтрации газов, приведена в [48]. Задача расчета электрических полей в коронных разрядах при различных конфигурациях электродов имеет большое значение для проектирования электрофильтров и ей посвящено много работ [59-66]. Распределение напряженности электрического поля между электродами необходимо для расчета вольтампериой характеристики разряда. В электрофильтре вольтамнерная характеристика в значительной степени определяет параметры фильтра, поскольку она определяет количество носителей и условия зарядки частиц. Вычисления вольтамперных характеристик коронных разрядов для различных условий приводятся в работах [67-73], Расчет вольтамперных характеристик электрофильтров должен учитывать пространственный объемный заряд, который создается не только ионами, но и заряженными частицами. Решением этой задачи занимались
многие исследователи: Капцов НА [46], Верещагин И.П. [48], Левитов В.И.> Решидов В.М., Мирзабекян ГЛ. [74], Месеняшин А.И. [75,76] и другие авторы [77,78]. На процессы переноса в электрофильтре оказывает большое влияние электрический ветер, который возникает в поле коронного разряда. Учету влияния электрического ветра посвящены работы [79-83]. Электрический ветер приводит к нарушению ламинарного потока. Влияние электрического ветра на турбулизацию потока в фильтре рассматривается в работах [84-87],
Указанные работы относятся к коронным разрядам на постоянном токе, К определенному моменту возможности повышения эффективности электрофильтров на постоянном токе были исчерпаны. Выяснилось, что дальнейшее повышения степени очистки и уменьшение энергопотребления можно получить в электрофильтрах с импульсным питанием. Напряжение на электродах электрофильтра с импульсным питанием обычно представляет сумму постоянного напряжения ниже пробойного и накладываемого на него короткого импульса превышающего пробойное напряжение. Повышение эффективности фильтрации связано с тем, что процессы зарядки частиц и их осаждение более эффективно происходят в электрически полях большой напряженности. Длительность импульса подбирается таким образом, чтобы разряд не переходил в искровой, В настоящее время диапазон импульсов, применяемых в электрофильтрации, простирается от миллисекунд до наносекунд. Одной из причин обуславливающей столь большой диапазон длительностей является большое разнообразие удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости частиц. Второй причиной является недостаточная изученность импульсных процессов в электростатических фильтрах [3],
Применение импульсных разрядов усложняет источник питания короны, К обычному источнику высокого напряжения добавляется источник импульсного напряжения. Значительное количество промышленных фильтров работает при напряжении 40-50 кВ постоянного напряжения. Генерация
импульсов более высокого напряжения большой мощности представляет собой сложную задачу. Вопросы создания коротких импульсов высокого напряжения изложены в работах [88-90]. В настоящей работе предлагается способ генерирования высоковольтных импульсов с регулируемой частотой следования в положительном коронном разряде [37-39]. Предлагаемая схема возбуждения импульсно-периодического разряда исключает применение генератора высоковольтных импульсов, что значительно упрощает устройство электрофильтра.
В настоящее время основные исследования в области электроочистки газа направлены на системы, включающие в себя большие разрядные промежутки (до 0.5-м) и, как следствие, требующие повышенных напряжений питания как импульсных, так и постоянных. Подобная тенденция приводит к усложнению и удорожанию всей системы очистки. Импульсно-периодический коронный разряд, предлагаемый в работе, позволяет значительно упростить не только технологию очистки газа, но и может быть эффективно использован в других отраслях. Новый разряд, рассматриваемый в работе, мало изучен. Поэтому актуальным является исследование многообразия теплофизических процессов протекающих в предлагаемой форме коронного разряда. Результаты исследований, несомненно, представляют как научный, так и практический интерес.
Цель и задачи работы
Целью работы является комплексное экспериментальное и теоретическое исследование теплофизических процессов, протекающих при горении импульсно-периодического коронного разряда в воздухе и гетерогенных газовых потоках и определение совокупности параметров разряда, необходимых для эффективной очистки газовых потоков от взвешенных частиц.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следую щи «задачи^
Определить способы возбуждения стабильного импульсно-периодического коронного разряда и найти методы управления его характеристиками;
Изучить статические и динамические характеристики разряда;
Исследовать особенности теплообмена в коронном разряде,
Исследовать процесс электрофильтрации газа в разрядном контуре коаксиальной геометрии и определить оптимальные режимы;
На основе физических предположений разработать математическую модель очистки і^аза и провести сравнение с экспериментом
Научная новизна
Впервые для электрофильтрации газов исследован и применен им пул ьсно-п ери одический коронный разряд.
Установлена более высокая эффективность степени очистки газов при меньших энергозатратах в случае применения импульсно-периодического разряда.
Предложена и испытана новая эффективная схема возбуждения импульсно-периодического коронного разряда.
Разработана технология управления параметрами разряда путем изменения индуктивности в цени анода и регулировкой частоты запуска.
Впервые установлена связь между электрическим ветром и коэффициентами теплообмена для различных коронных разрядов.
Положения, выносимые на защиту:
Комплекс схемотехнических решений для возбуждения импульсно-периодического коронного разряда;
Результаты экспериментальной проверки управления параметрами импульсно-периодического коронного разряда;
Сравнительный анализ электрофизических характеристик импульсно-периодического разряда с положительным и отрицательным коронным разрядом;
Результаты исследований теплообменных процессов в реакторе коаксиальной конструкции
Установленные преимущества электростатического фильтра на импульсно-периодическом коронном разряде по сравнению с положительной и отрицательной короной.
Результаты математического моделирования процесса очистки газа в электрофильтре коаксиальной конструкции.
Практическая значимость
В настоящей работе впервые импульсно-периодический разряд применен для электрофильтрации газов. Применение этого разряда позволяет осуществлять осаждение частиц с большей эффективностью. Это позволяет обеспечить высокую степень очистки фильтром меньших размеров, что обеспечит экономию материалов и электроэнергии.
Предложенная схема возбуждения импульсно-иериодического разряда исключает применение сложных высоковольтных генераторов импульсов.
Исследованная возможность плавной регулировки индуктивности в цепи анода и частоты следования импульсов в разрядном промежутке позволяют управлять параметрами разряда и таким образом настраивать электрофильтр на эффективное осаждение частиц с сильно отличающимися свойствами.
Предлагаемый импульсно-периодический разряд и схема его возбуждения могут быть применены в многочисленных устройствах, использующих положительный импульсный коронный разряд, обеспечив их оптимальную настройку и уменьшение энергопотребления.
Установленное влияние электрического ветра на коэффициенты теплообмена предоставляет возможность для исследования процессов переноса в реакторе коаксиальной конструкции, что важно при проектировании устройств такого рода.
Апробация работы
Основные научные результаты докладывались и обсуждались на 3-Мсждународном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2002і\); на 1-ой республиканской конференции студентов физиков и молодых ученых (Каракол, 2002г.); на Юбилейной конференции КРСУ (Бишкек, 2003г,); на 5-ой Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 2006); на семинарах кафедры физики и микроэлектроники Кыргызско-Российского Славянского Университета (Бишкек).
Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах.
Личный вклад автора
Участие в постановке задачи по исследованию возможности применения импульсно-периодического коронного разряда в электрофильтрах.
Разработка стендов для изучения электрофизических свойств коронных
разрядов, стенда для сравнительных испытаний электрофильтров и стенда для
теплофизических исследований.
Проведение экспериментов по изучению характеристик импульсно-периодического разряда, сравнительных испытаний фильтрационных характеристик разрядов и по измерению теплофизических параметров.
Выполнение расчетов по влиянию электрического ветра на
теплофизические параметры разрядов.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 117 страниц основного текста, одну таблицу и 44 рисунка. Список цитируемой литературы включает 126 наименований
В первой главе дается обзор коронных разрядов и их свойств. Приводится обзор применения различных коронных разрядов для электрофильтрации.
Во второй главе описывается экспериментальный стенд для изучения электрофизических характеристик разрядов, экспериментальный стенд для сравнительного изучения электрофильтрации на различных разрядах. В этой же главе излагаются требования к электронному коммутатору и схема управления разрядом, а также методики определения характеристик фильтров. Описание стенда для измерения теплофизичееких характеристик приводится также в этой главе,
В третьей главе изложены результаты сравнительного исследования вольтамперных характеристик разрядов, влияние индуктивности на параметры разряда. В этой главе приведены результаты изучения влияния частоты прерывания тока на характеристики короны. Часть этой главы посвящена физическим процессам в поле импульсной короны и вопросам влияния электрического ветра на коэффициенты теплообмена.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований электрофильтров на импульсно-периодическом разряде и положительном и отрицательном разряде на постоянном токе. Здесь же приведены результаты сравнения эффективности очистки в различных разрядах.
В пятой главе излагается принятая в работе физическая модель очистки газа, математическая модель и сравнение результатов расчета с экспериментом.
Аномальные коронные разряды
Ультра коро на. На режим горения короны оказывают большое влияние многие факторы: кривизна электродов, состав и давление газовой смеси, разность потенциалов и некоторые другие. Обычно горение непрерывной положительной короны нестационарно. Горение короны сопровождается треском, при этом свет от короны пульсирует. Изменяя форму электродов, состав и давление газовой смеси и величину приложенного напряжения можно добиться такого режима горения положительной короны, при котором чехол короны будет однородным, а в токе короны будет отсутствовать импульсная составляющая. Такой режим получил название ультракоропы [67,106],
В более поздних работах было установлено, что ток ультракороны пульсирует с высокой частотой. Было установлено, что свет ультракороны пульсирует синхронно с колебаниями тока [56,57],
Отрицательная корона на очень тонких проводах. При уменьшении диаметра коронирующего провода в отрицательном коронном разряде происходит существенное изменение характера разряда. Основным механизмом воспроизводства электронов становится холодная эмиссия с поверхности коронирующего электрода. Эмиссия возникает в результате высокого градиента потенциала коронирующего электрода, обусловленного очень малым диаметром провода. Такой коронный разряд получил название отрицательной короны на очень тонких проводах [67].
Биполярная корона постоянного тока. Биполярная корона постоянного тока возникает в том случае, если оба электрода на которые подаётся высокое напряжение, имеют малый радиус кривизны. Пример такой системы - два тонких провода. В зависимости от знака приложенного напряжения на этих электродах будут существовать разные коронные разряды. В случае биполярной короны имеются два коронирующих электрода, которые окружены зоной ионизации. Перенос заряда осуществляется ионами разных знаков, заряд которых взаимно компенсируется в центральной части разряда. Биполярная корона имеет большое значение при проектировании линий электропередач [104]. В значительной степени теория биполярной короны была разработана Попковым В.И. [62,107,108],
Факельный разряд. В.И. Попковым описан разряд, представляющий аномальную разновидность положительной короны. Разряд назван «факельным» по аналогии с факельным свечение разряда в высокочастотном контуре. Он имеет вид диффузного свечения частично или полностью заполняющего разрядный промежуток и существует при напряжениях па разрядном контуре -150 кВ. Факельный разряд, распространившийся до противолежащего электрода, представляется особым типом разряда в воздухе при атмосферном давлении. Он сравнительно мало изучен. Вместе с тем, его исследование может представить не только чисто научный, но и определенный практический интерес. Факельный разряд, простирающийся до противолежащего электрода, может играть роль в тех процессах электронно-ионной технологии, где требуется большая плотность ионов в больших объемах газа, находящегося не при низком, а при высоком давлении. Необходимо отметить что ток факельного разряда в 50 раз больше тока, обычного коронного разряда при одинаковых условиях проведения эксперимента [109].
Сложность и пространственная неоднородность физико-химических процессов в коронном факельном разряде не позволяют до настоящего времени дать достаточно полное описание этого разряда. Неясны характеры и последовательность процессов в разрядном промежутке, и их зависимость от параметров разрядного контура. Мало изучена динамика развития разряда и кинетика химических реакций, не ясны причины и степени влияния внешних условий на срыв устойчивости разряда, отсутствуют данные о роли неравновесных процессов в синтезе озона.
Высокочастотная корона. Если к системе коронирующих электродов приложить переменное напряжение частотой несколько килогерц и выше, то возникает высокочастотная корона. Этот вид разряда существенно отличается от обычных коронных разрядов.
Применение водородного тиратрона в качестве коммутатора
Результаты измерения индуктивности изготовленного дросселя данным методом в зависимости от тока подмагничивания представлены на рис. 5. Индуктивность экспоненциально уменьшается с 3600 до 200 Гн при увеличении тока подмагничивания с 0 до 200 ма. Погрешность измерения L составляет не более 5 %,
Таким образом, изготовленный дроссель отвечает перечисленным выше техническим требованиям, а предложенный метод управления его индуктивностью позволяет изменять се в интервале 5-100 % номинальной величины. 23. Требования к электронному прерывателю тока.
Для коммутации больших напряжений применяется большое количество различных устройств. [88-90], Одним из них является искровой разрядник. Его действие основано на возникновении искрового пробоя промежутка при достижении определённого напряжения. Напряжение пробоя искрового разрядника зависит от плотности газа, от состава газа и от величины разрядного промежутка [88].
Проведенные исследования [38,39] показали, что величина межэлектродного расстояния искрового разрядника существенным образом влияет па характеристики импульсно-периодического коронного разряда. Кроме того, запуск искрового разрядника определяется его свойствами и исключает возможность управления разрядником от внешнего устройства.
На основе полученных экспериментальных результатов были разработаны следующие требования к устройству, коммутирующему катод на общий провод источника питания. і) Коммутатор в закрытом состоянии должен иметь очень малый ток утечки. Измеренная Емкость разрядного промежутка составила 10 пФ. Если частота следования импульсов, подключающих катод к общему проводу 100 Гц, а их длительность 10 мксек, то время, в течение которого пластина разряжается через закрытый коммутатор, составит почти 10 мсек. Допустим, что величина заряда не должна уменьшаться более чем на 10%. Изменение заряда происходит по экспоненте: q=q0e"lRC. При t=10ms и С=10 пФ заряд уменьшится на 10% при сопротивлении разрядной цепи 9,5-109ом. Следовательно, сопротивление коммутирующего элемента в закрытом состоянии должно быть больше чем 100ом, 2) Коммутатор должен выдерживать большие перегрузки по напряжению, Напряжение на некоронирующем электроде изменяется от 200 В до 4 кВ. При произвольном переходе коронного разряда в искровой, коммутатор оказывается почти под полным напряжением источника питания. Следовательно, предельное напряжение коммутатора может достигать 20 кВ. 3) В открытом состоянии коммутатор должен обеспечить перемещение заряда с катода на "землю" за весьма короткое время, поэтому он должен обладать низким сопротивлением; 4) Коммутатор должен обладать высоким быстродействием. 5) Коммутатор должен иметь возможность управления моментом включения» 6) Собственная индуктивность коммутатора должна быть минимальной.
В значительной степени удовлетворяет изложенным требованиям коммутатор на высоковольтном импульсном тиратроне. 2.4, Применение водородного тиратрона в качестве коммутатора Наиболее многочисленную группу среди импульсных тиратронов представляют тиратроны с водородным наполнением, которые достаточно хорошо освещены в литературе [116,117]. Поскольку водородные тиратроны имеют управляющую сетку с малой проницаемостью, поле анода практически не действует в прикатодной области. Поэтому даже без подачи отрицательного смещения при нулевом потенциале сетки тиратроны выдерживают высокие напряжения между анодом и катодом.
Разряд между анодом и катодом возникает при подаче между сеткой и катодом импульса положительной полярности. Этот импульс создает вспомогательный разряд между сеткой и катодом и затем возникает разряд в основном промежутке.
Время запаздывания импульса тока анода по отношению к импульсу напряжения сетки зависит от параметров сеточной цепи, напряжения накала, напряжения анода, величины тока анода, и частоты следования импульсов. Чтобы уменьшить время запаздывания и сделать его более стабильным, нужно повышать крутизну фронта напряжения сетки и величину импульсного тока сетки. Для уменьшения периодической нестабильности зажигания запуск тиратрона должен происходить на фронте сеточного импульса, а не на его плоской части. Периодическая нестабильность зажигания уменьшается с ростом напряжения анода, тока сетки и крутизны фронта напряжения сетки. Поскольку импульсно-периодический разряд исследовался в большом диапазоне напряжений, при проектировании коммутатора было уделено особое внимание стабилизации сеточного напряжения и параметров сеточной цепи [117].
В литературе рекомендуется для компенсации воздействия окружающей среды и стабилизации накала генератора водорода последовательно с генератором водорода включать проволочное сопротивление с высоким температурным коэффициентом. В описываемой экспериментальной установке напряжение подогрева генератора водорода стабилизировалось согласно рекомендациям [117] компенсационным стабилизатором с точностью 0,1%,
Частота прерывания тока и характеристики короны
При подаче на данную Рис,19, Эквивалентная схема разрядного схему высокого напряжения контура положительной полярности происходит заряд конденсаторов Cj-C3. Важные процессы для существования импульспо-периодического коронного разряда протекают при заряде катодной пластины обладающей емкостью С2. Транспортировка положительного заряда на поверхность электрода осуществляется в данном случае положительными ионами, присутствующими во внешней зоне обычной положительной короны, которая также возникает при подаче высокого напряжения. Необходимо отметить, что положительные ионы еще на подлете к катоду нейтрализуются путем вырывания из него электронов. Энергия возбуждения при этом расходуется в основном на соударения с окружающими молекулами газа и путем излучения, по этой причине потенциальной эмиссии электронов с катода в положительном коронном разряде не происходит. Нейтрализация ионов по данному пути будет происходить до тех пор, пока катод не зарядится до такого потенциала, при котором налетающий ион уже не сможет вырвать электрон из металла. Тем не менее, процесс зарядки данного конденсатора продолжается за счет того, что налетающие ионы прилипают к катоду и удерживаются на нем силами электростатического притяжения. После того как напряжение на катодной пластине достигнет напряжения пробоя разрядника, катодная пластина разряжается до низкого потенциала. Объемный заряд на катодной пластине рекомбинирует, приводя к увеличению проводимости основного разрядного промежутка, через который происходит быстрый разряд запасенной энергии в конденсаторах Сі и С3. Начиная с этого момента, большая величина индуктивности ограничивает скорость нарастания тока через разряд, джоулево тепловыделение уменьшается и плазма рекомбинирует. Далее сопротивление промежутка возрастает и процесс повторяется. Частота повторения импульсов тока через разряд зависит от напряжения питания, напряжения пробоя вспомогательного разрядника, емкости катодной пластины и от других условий. С достаточной степенью точности период следования импульсов можно определить по формуле: г = Я,.С, In—- - (20) где Rs - полное сопротивление цепи заряда емкости катодной пластины С2; Un -напряжение источника питания; U2 - напряжение пробоя вспомогательного разрядника.
Таким образом, при подаче постоянного напряжения от источника питания ток в разряде будет иметь импульсный xapatcrep. Амплитуду импульсов, их длительность и частоту повторения можно регулировать в широких пределах, изменяя индуктивность L и напряжение пробоя вспомогательного разрядника. Стационарный коронный разряд приобретает свойства импульсного коронного разряда.
Обычно для создания импульсного коронного разряда применяется генератор высоковольтных импульсов. Сложной технической задачей является создание высоковольтного коммутирующего элемента. Задача усложняется, если возникает потребность в глубокой регулировки частоты повторения импульсов, их длительности и крутизны фронта. Предлагаемый же способ возбуждения импульсио-периодического разряда позволяет соединить положительные свойства коронного и импульсного разрядов.
Для возбуждения импульсно-периодического разряда можно использовать искровой разрядник с регулируемым разрядным промежутком. При положительной полярности коронирующего электрода и полностью замкнутом разряднике будет иметь место классический коронный разряд. При разведении электродов разрядника в промежутке между электродами разрядника возникает искровой разряд, частота следования которого определяется межэлектродным расстоянием и напряжением на разрядном контуре. Постоянный ток приобретает импульсный характер, а в промежутке между коронирующим проводом и цилиндрическим корпусом вместо положительной короны зажигается импульсно-псриодический коронный разряд (ИПКР). Исследования показали, что характеристики разряда зависят не только от напряжения на разрядном контуре, но и от расстояния d в искровом разряднике (рис.20).
Распределение пыли в импульсно-периодической короне
Эффективность очистки газа от пыли в отрицательной короне, в зависимости от длины осадительного электрода, при различных скоростях движения воздуха и напряжениях коронируюшего электрода представлены на рис. 28. и рис. 29, Поведение зависимостей соответствует классическому случаю. Зависимость степени очистки газа от длины осадительного электрода носит логарифмический характер.
Сравнение степеней очистки газа для одинаковых скоростей и различных напряжений показывает, что при увеличении напряжения на коронирующш электроде степень очистки газа, на равных расстояниях от входа запыленного газа в электрофильтр, возрастает- Так при скорости 2 м/с увеличение степени очистки газа при росте напряжения с 11 кВ до 16 кВ, на расстоянии 44 мм от входа газа в электрофильтр, составляет 31%, а длина, на которой визуально наблюдается 100% очистка, сокращается на 100 мм, что составляет 42 % длины осадительного электрода. То есть увеличение напряжения приводит к сокращению рабочей длины электрофильтра.
Увеличение скорости газа приводит к небольшому ухудшению степени очистки на малых напряжениях» Так при напряжении 11 кВ и увеличении скорости газа с 2 м/с до 4 м/с степень очистки газа на расстоянии в 66 мм падает с 78% до 48% , а на расстоянии 220 мм изменение степени очистки газа составляет всего 4%. При напряжениях более 11 кВ изменение степени очистки газа, при увеличении скорости в два раза, не превышает 5 %, Таким образом, увеличение скорости тока запыленного газа при напряжениях более 11 кВ не приводит к резкому ухудшению степени очистки газа от пыли.
Из графиков представленных на рис. 31 и рис. 32 видно, что при напряжении более 12 кВ, вне зависимости от скорости газа, степень очистки изменяется слабо. Это связано с тем, что начиная с этого напряжения в разряде генерируется достаточное, для зарядки пыли количество свободных носителей заряда, а следовательно увеличивается скорость зарядки пыли, что в свою очередь приводит к более интенсивному осаждению пыли под действием кулон овских сил.
Зависимость степени очистки газа от пыли в положительной короне от длины осадптельного электрода, так же как и в отрицательной имеет логарифмический характер, вне зависимости от скорости запыленного газа, рис. 33, рис.34.
В положительной короне с ростом напряжения происходит увеличение степени очистки газа. Однако если сравнить графики для положительной и отрицательной корны при одинаковых скоростях газа, то можно заметить, что при скорости 4 м/с и напряжении 16 кВ степень очистки газа в положительной короне ниже, чем при напряжении 14 кВ и скорости 4 м/с, что не наблюдается в отрицательной короне. Данный факт является свидетельством того, что вблизи осадительного электрода при повышенных напряжениях наблюдается нарушение униполярное потока ионов. Этот механизм проявляет себя при возникновении каналов в диэлектрическом слое осевшей пыли, что называется «обратная корона». Вследствие различия диэлектрических постоянных воздуха и слоя пыли получается увеличение напряженности поля в узких каналах. Величина ноля может быть достаточной для ионизации ударом, а вследствие непрерывного отвода зарядов по каналу к электроду это явление делается устойчивым. Казалось бы, что дополнительная ионизация у осадительного электрода, вызванная обратной короной приведет к улучшению пылеулавливания. Однако опыты показывают, что гораздо большее значение имеет компенсация пространственного заряда. Таким образом, пылеулавливание за счет обратной короны в электрофильтре ухудшается.
Тот факт, что при скорости 2 м/с и напряжении 16 кВ не наблюдается ухудшение очистки газа говорит о том, что частицы, оторвавшиеся от поверхности осадительного электрода, далеко не уносятся вследствие небольшой скорости газового потока. Немного оюйдя от места отрыва у осадительного электрода они перезаряжаются и осаждаются обратно.
Плавное увеличение эффективности очистки с увеличением напряжения так же говорит о том, что наряду с ростом носителей заряда во внешней зоне, растет и нарушение униполярноети вблизи осадительного электрода.
На рис. 35 и рис, 36 представлены экспериментальные зависимости степени очистки газа от пыли в ИПКР, Из графиков видно, что кривые степени очистки аналогичны кривым для положительной и отрицательной короны.
Анализ графиков показывает, что процессы идущие при осаждении в ИПКР аналогичны процессам идущим в положительной короне. Здесь так же наблюдается небольшое уменьшение степени очистки при повышенных напряжениях и больших скоростях запыленного газа. Это говорит о нарушении униполярноети потока ионов вблизи осадительного электрода в данном типе разряда. Из графиков так же видно, что увеличение скорости газа с 2 м/с до 4 м/с не приводит к сильному ухудшению степени очистки.
Важным фактом очистки газа в ИПКР является визуально регистрируемая полная очистка газа, на расстоянии 166 мм от входа газа в электрофильтр, при напряжении равном 12 кВ н скорости 2 м/с и 4 м/с, в то время как в положительной и отрицательной короне полная очистка наступает при напряжении, превышающем 15 кВ.
Похожие диссертации на Электрофильтрация газов и теплообмен в импульсном коронном разряде
