ЭТУ_Куликова_2014

- +

- +

- +

- +

Рисунок 2.1 – Диэлектрик в электрическом поле

Некомпенсированные заряды –б' и +б' называются связанными. В результате не всё поле Е компенсируется зарядами диэлектрика: часть линий напряженности поля пройдет сквозь диэлектрик, другая часть оборвется на связанных зарядах. Связанные заряды создают дополнительное поле Е', направленное против поля Е0 .

Поле внутри диэлектрика:

показывает, во сколько раз поле ослабляется за счет диэлектрика в связи с его способностью поляризоваться в электрическом поле.

Под коронным разрядом понимают разряд в газе при резко неоднородном электрическом поле и давлении близком к атмосферному.

Электрод с очень малым радиусом кривизны называется коронирующим электродом, а электрод плоский или с большим радиусом кривизны – некоронирующим. Разрядный промежуток коронного разряда разделяется на собственную зону короны и внешнюю зону короны.

Собственная зона короны незначительна по протяженности и непосредственно окружает коронирующий электрод. В этой зоне происходит самостоятельный разряд, а также ионизационные и рекомбинационные процессы. При интенсивных ионизационных процессах возникает светящаяся корона, в связи, с чем коронный разряд подразделяют на видимый и невидимый.

21

Внешняя зона короны – все остальное межэлектродное пространство. В этой зоне происходит несамостоятельный разряд. Коронирующий электрод может иметь положительный или отрицательный потенциал (униполярный коронный разряд) и знакопеременный потенциал (биполярный коронный разряд). Процессы, протекающие при коронном разряде, зависят от рода тока. Следует различать коронные разряды при постоянном, переменном, пульсирующем (в частности, выпрямленном) и импульсном токах.

При отрицательном коронируемом электроде процессы коронного разряда зависят от природы газа, в котором возникает разряд. В электроотрицательном газе происходят следующие процессы. В результате соударения положительных ионов с катодом из последнего выбиваются электроны, имеющие большую кинетическую энергию. Образовавшиеся электроны, перемещаясь с большой скоростью по направлению к аноду, сталкиваются с нейтральными молекулами электроотрицательного газа и образуют положительные ионы, которые движутся к катоду. Под действием положительного объемного заряда скорость движения электронов снижается, и они прилипают к нейтральным молекулам электроотрицательного газа, образуя отрицательные ионы. Таким образом, при отрицательном коронирующем электроде во внешней зоне короны имеется лишь отрицательный объемный заряд, который мешает продвижению отрицательных ионов к катоду и ограничивает силу разрядного тока. Этим объясняется то, что наибольшая часть падения потенциала в разрядном промежутке приходится на внешнюю зону короны.

В чистых электроположительных газах отрицательные ионы не образуются. Во внешней зоне короны возникает отрицательный объемный заряд, создаваемый свободными электронами. Плотность этого заряда во много раз меньше плотности объемного заряда, образуемого отрицательными ионами в электроотрицательных газах, т.к. подвижность электронов значительно больше подвижности отрицательных ионов. Поэтому в чистых электроположительных газах отрицательный объемный заряд значительно меньше ограничивает силу разрядного тока. Однако ничтожная примесь электроотрицательного газа к электроположительному газу (сотые доли процента) резко снижает силу разрядного тока. В воздухе (80 % азота – электроположительный газ) коронный разряд происходит, как в электроотрицательном газе.

Под начальным напряжением коронного разряда понимают межэлектродное напряжение, при котором несамостоятельный разряд переходит в коронный. Начальное напряжение коронного разряда распределяется между зоной короны и внешней зоной короны. Начальное напряжение зоны короны значительно меньше и определяется величиной напряженности электрического поля, при которой могут возникать ионизирующие процессы.

22

Для систем «проволока – коаксиальный цилиндр» или «проволока – параллельная ей плоскость» начальная напряженность определяется по формуле Пика:

1) при положительной полярности проволоки

rпр

Для системы «игла – плоскость» при отрицательном заряде иглы U нач

23

Система «игла–плоскость» показана на рисунке.2.2.

x

- +

Рисунок 2.2 – Система «игла–плоскость»

Напряженность поля в точке х на оси от центра по нормали к плоскости электрода:

уменьшится Qi (плотность объемного заряда ионов). При достаточно большой концентрации аэрозольных частиц Qi может стать равной нулю. В этом случае сила тока будет определяться наличием заряженных аэрозольных частиц. Т.к. b bi , то сила разрядного тока может уменьшаться до нуля, т.е. произойдет так называемое запирание разрядного тока. Если убыль заряженных аэрозольных частиц вследствие оседания их на некоронирующем электроде ничем не компенсируется, то концентрация этих частиц будет уменьшаться. Тогда через промежуток времени вновь образуется избыток ионов. Qi возрастает, и опять появляется разрядный ток.

На рисунке.2.3 представлен график изменения I раз f ( ) .

Рисунок 2.3 – Изменение разрядного тока во времени

В моменты, показанные стрелками, вдувается пыль, сила разрядного тока уменьшается. Как показано на рисунке 2.4, редуцированные характеристики коронного разряда в аэрозолях сдвигаются относительно характеристик для чистого воздуха.

Рисунок 2.4 – Редуцированные характеристики: 1 – чистый воздух; 2 – зола; 3 – цемент.

26

2.2. Установки сепарации зерна в электростатическом поле и поле коронного разряда

Установки для разделения сыпучих смесей по их физическим и геометрическим параметрам называются сепараторами.

Широко известны механические сепараторы, разделяющие смеси по форме частиц, парусности, виду поверхности, удельному весу и т.д.

Для осуществления механической сепарации задействуется множество машин. Электротехнологические методы позволяют повысить качество сортировки, используя силы, действующие на заряженные частицы в электрическом поле. Первые сепараторы с использованием электромагнитных полей использовались для разделения семян с гладкой и шероховатой поверхностью. Смесь семян перемешивалась с тонкодисперсным магнитным порошком, который задерживался на шероховатой поверхности семян. В магнитном поле на семена с шероховатой поверхностью действовала дополнительная сила, отделявшая их от семян с гладкой поверхностью.

Внастоящее время разработано несколько типов сепараторов с использованием электростатического поля и поля коронного разряда.

Вэлектростатическом поле зерна поляризуются: один конец зерна, обращенный к положительному электроду, приобретает отрицательный заряд, другой – положительный. Если зерно имеет форму эллипсоида вращения с коэффициентом сферичности

КФ llБ ,

М

где lБ – длина большой оси эллипсоида; lМ – длина малой оси эллипсоида;

то в электрическом поле при разноименных зарядах на концах эллипсоида возникает момент, ориентирующий его вдоль силовых линий поля.

воздуха, напряженность поля и угол наклона большой оси эллипсоида к плоскости электрода;

VЭ – объем зерна;

Фr – коэффициент формы.

27

Время ориентации зерна, парящего в межэлектродном пространстве, прямо пропорционально величине:

где j2 – плотность частицы;

r – диэлектрическая проницаемость частицы;

Фи Ф – коэффициенты деполяризации вдоль большой и малой оси. Описанные закономерности использованы при конструировании

решетчатых электросепараторов. В них на плоские сортировальные решета с круглыми отверстиями накладывается электростатическое поле (рисунок

2.5).

-

+

Рисунок 2.5 – Схема решетчатого электросепаратора

Решета сепаратора вибрируют с определенной частотой и амплитудой в вертикальной плоскости. Зерна, приобретая заряд при контакте с решетом, при отрыве от решета ориентируются вдоль силовых линий поля. Вероятность прохода ориентированного зерна возрастает. Неориентированные зерна сходят с решета. Сортировка производится по следующим свойствам: коэффициент сферичности, напряженность поля, плотность и диэлектрическая проницаемость. Возможность разделения компонентов смеси определяется разностью диапазонов времени их ориентирования. При полном несовпадении диапазонов возможно полное разделение. При перекрытии диапазонов возможно только частичное разделение.

Напряженность электрического поля при разделении овса и овсюга составляет 420 кВ/м, диаметр отверстий – 3 мм, частота колебаний решета

–7,5 Гц, удельная нагрузка на 1 м – 0,09 кг/с, ширина решета – 1 м, длина

–3,3 м, угол наклона – 20. Испытание такого типа сепаратора показали возможность отделения овсюга от овса, в то время как другие виды сепараторов не позволяют произвести такого разделения.

28

Сепарация семян в электрическом поле возможна по напряженности поля, если решета колеблются в горизонтальной плоскости. Семена в этом случае находятся все время в контакте с решетом и заряжаются контактным способом. Одна из сил, действующих на частицы, обусловлена напряженностью электростатического поля:

оси по отношению к решету и диэлектрической проницаемостью частицы. Для эффективного процесса сепарирования напряженность поля

должна пульсировать с определенной частотой, т.к. при постоянной напряженности картина электрического поля в отверстии решета такова, что частицы задерживается в нем.

Мелкие семена с небольшой плотностью, заряженные контактным способом, при определенной напряженности поля могут быть

притянуты к противоположно заряженному электроду. Таким образом, появляется возможность отделить мелкие семена и сорные примеси.

Более часто для сепарирования семян используется поле коронного отрицательного униполярного разряда. При введении в зону коронного разряда частиц последние приобретают заряд ионов и перемещаются к заземленному электроду. В системе сил, действующих на частицу, появляется еще одна сила электростатического взаимодействия, изменяющая траекторию частицы. Время заряда частицы составляет 0,01 с.

Предельный заряд для частицы эллипсоидальной формы при ориентировании большой оси вдоль силовых линий:

при ориентировании малой оси вдоль силовых линий:

а для частиц сферической формы:

Заряд частицы определяется ее размером, формой, диэлектрической проницаемостью и положением относительно вектора напряженности поля.

29

Схемы сепараторов с использованием поля коронного разряда приведены на рисунке 2.6. Условно все схемы сепараторов можно разбить на: камерные (рисунок 2.6, а, д) и барабанные (рисунок 2.6, б, в, г, е).

Рисунок 2.6 – Схемы электросепараторов: а) камерный; б) коронный барабанный; в) коронный транспортерный; г) сепаратор типа «горка»;д) пластинчатый коронный; е) сепаратор с электростатическим и

коронным разрядом

Траектория движения зерна в камерном сепараторе определяется массой частицы и величиной ее заряда. При свободном падении частицы ее траектория – прямая линяя под углом И к вертикали, если большая ось совпадает с осью поля.

Т.е. траектория частицы определяется критерием разделения:

В камерном сепараторе разделяют семена сферической формы.

30