2. Движение заряженных частиц.

Скорость движения заряженной частицы зависит от Кулоновской силы, силы тяжести, давления электрического ветра, силы сопротивления среды.

Кулоновская сила.

Еос – напряженность осаждения.

Сила тяжести.

Диаметр частицы d, мкм	100	10	1
Скорость падения V, м/с	0,3	0,003	0,00003

Для меньших частиц скоростью падения пренебрегают

Сила электрического ветра – скорость электрического ветра не более 1 м/с, он обусловлен тем, что заряженная частица двигается, сталкивается и увлекает за собой частицы воздуха, в результате возникает ветер (движение воздуха). Электрический ветер чаще всего не учитывают.

Сила сопротивления среды определяется по закону Стокса (в зависимости от вязкости среды).

Fср.=6π·μ·r·Wg.

Wg – скорость дрейфа частицы (движения её к осадительному электроду);

μ – вязкость воздуха;

r – радиус частицы.

Для частиц р-рами больше длины свободного пробега скорость частицы.

Для более мелких частиц существуют поправки.

3. Осаждение частицы.

После того как частица осела на электрод идет ее разрядка, зависящая от материала частицы, материала электрода и так далее.

На частицу действует сила кулона, сила молекулярного притяжения, сила индукционного заряда, сила зеркального отображения.

В зависимости от диэлектрических свойств и удельного сопротивления, делят на группы:

а) хорошо проводящая пыль <104Ом см (плохо улавливается на электроде, так как быстро перезаряжается на электроде и уносится воздушным потоком).

б) Плохо проводящая пыль =104-1010Ом см. Разряжается медленно, необходимо стряхивать с фильтра.

в) Практически не проводящая пыль >1010Ом см. Практически не разряжается на электроде, следовательно покрыв тонким слоем электрод остальные частицы к нему не пускает. Поэтому покрыв небольшим слоем электрод остальные частицы уже не пускают (компенсируют заряд электрода). При этом возможно возникновение обратной короны. Такую пыль смачивают (электрод отряхивают очень часто).

4. Удаление пыли

В промышленных условиях пыль из фильтров удаляют:

1. стряхиванием,

2. промывкой водой.

Элементы конструкции электрофильтров (основные элементы):

Корпус;

Узлы подвода и вывода газов;

Коронированные и осадительные электроды;

Системы очистки электродов;

Изоляторные коробки.

В корпусе электроды.

Для лучшей работы нужна равномерность движения газов в электрофильтре.

Эффективность (степень) очистки

Эффективность очистки можно определить:

- для трубчатого фильтра.

Z1 – концентрация пыли на входе;

Z2 – концентрация пыли на выходе;

η=0,8-0,97;

L – длина трубы;

R – радиус трубы;

Ur – скорость воздуха в трубе.

- для пластинчатого электрофильтра.

Н – расстояние между коронируемым и осадительным электродом.

,

- удельная площадь осаждения.

Высоковольтные источники питания для установок ЭИТ.

Источник должен обеспечивать:

1. Стабильность напряжения;

2. Плавкость и глубину регулирования выходного напряжения;

3. Высокий КПД;

4. надежность в работе;

5. Компактность;

6. Экономичность;

7. Безопасность в работе.

Ультразвуковая технология

Ультразвук – механические колебания среды с частотой 15 кГц-1 ГГц

Слышимый диапазон 16 Гц-20 кГц

Звуковые колебания по синусоиде определяется амплитуда.

Мощность звука Р_змех=2cfA [Вт]

 - плотность среды

с – скорость распространения звука в среде

f – частота колебаний в Гц

А – амплитуда колебаний

с – волновое сопротивление.

Величина переносимой ультразвуком энергии – это интенсивность ультразвука.

Физический смысл – это энергия, приходящаяся в единицу времени на единицу площади, перпендикулярен распространению звука, (т.е. мощностью на единицу площади).

- интенсивность ультразвука.

Энергия звука уменьшается при удалении от источника.

- закон Гугера – закон поглощения ультразвука.

α – коэффициент поглощения средой 1/м;

х – расстояние от источника;

I₀ – интенсивность у источника.

Звук отражается, преломляется, огибает.

Коэффициент отражения – отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей.

При переходе из среды с большой плотностью в среду с меньшей К₀ приближается к 1.

Ультразвук вызывает ряд эффектов.

Первичные – те которые вызывает сам ультразвук.

1. звуковое давление;

2. поглощение ультразвука;

3. явление кавитации - разряжение или образование полостей в жидкой среде, которые закапываются и создают большое давление.

Вторичные – механические, биологические, тепловые ХНМ воздействие, обуславливаемые первичным воздействием.

1. УЗ коагуляция – образование более крупных из более мелких;

2. повышение температуры;

3. микро массаж;

4. нагрев живой ткани;

5. Физико-химическое превращение в живой ткани.

При частоте = 1 МГц можно получить мощность до 10 Вт/см², рядом с источником.

Генерирование ультразвука

Ультразвуковой преобразователь предназначен для преобразования электрической энергии в энергию ультразвука.

Частота тока

Бывают: электромашинные, ламповые, полупроводниковые.

Тиристоры хуже коммутируются – частота сравнительно ниже, но можно получить большие мощности. Тиристоры и лампы коммутируются лучше.

Блок схема преобразователя УЗ

I. переменным напряжением ультразвуковой частоты

II. усиление электрической энергии ультразвуковой частоты

III. акустический ультразвук

IV. концентратор (Акустический трансформатор).

Преобразователь электрического ультразвукового сигнала в акустический

Концентратор (акустический трансформатор)

В качестве задающего генератора используют мультивибраторы, например УЗГ 8-01; УГГ-4

Преобразователи:

1 – магнитострикционный преобразователь – стержень на котором на котором намотана катушка при изменении магнитного поля стержень изменяет геометрические размеры, для уменьшения вихревых токов стержень стержень выполняют из пластин. Сила звука до 10 Вт/см². Работает с частотами 200кГц

2 Ферритовые (железные) излучатели Р= до 2 Вт/см². Высокая частота ультразвука.

3 Пьезокерамические – кристаллы кварца вырезанные в определенной области кристаллической решетки. При приложение электрического импульса к граням кристалл меняет геометрические размеры Р=до 3 Вт/см². Частота любая.

4 Концентратор – представляет собой стержень переменного сечения присоединенный к излучателю широким концом.

Применение ультразвука

1. Обработка металлов (пробивка фасонных отверстий в деталях);

2. ускорение обезжиривания деталей;

3. сушка материалов;

4. стирка ткани;

5. мойка шерсти;

6. пайка и сваривание металла, пластмасс;

7. контроль качества сварных швов;

8. контроль качества автомобильных шин;

9. пастеризация молока и сока;

10. получение эмульсии;

11. диспергирвование (разбивание) и оакугулеция веществ;

12. ультразвуковая обработка семян;

13. биологическое действие – борьба с насекомыми, отпугивание грызунов.

Пробивка фасонных отверстий в деталях.

Применение в ремонте деталей (наплавка коленвалов, вибродуговая наплавка).

Биологическое действие УЗ:

УЗ используется при пастеризации молока, соков, предпосевная обработка, лечение животных, отпугивание грызунов.

В ветеринарии мощность 1-2 кВт/м², частотой о т сотен кГц до МГц. Лечат масти у коров. Фонофорез (проникновение лекарств внутрь через поверхности кожи, с помощью УЗ. Лучше электрофореза, т.к. лекарство проникает в клетку ткани, а при электрофорезе – между клеток. УЗ применяется для лечения ран, фурункулеза, опорно-двигательного аппарата (суставы) интенсивность 2-4 Вт/см².

Под воздействием УЗ происходит размягчение тканей и ускоряется рассасывание болезней. Лечение связок, сухожилий, воспаление скелетных мышц (миозит). При лечение катаракты глаз (замутнение зрачка) f=800 кГц, 0,3-0,4 Вт/см² (фонофорез).

Лечение опухолей, мужских болезней.

Использование УЗ для связи и информации используется небольшие источники (пример пьезокерамические преобразователи).

Методы получения информации делят:

1. Методы, основанные на изменении скорости распространения УЗ (в зависимости от плотности среды и наличия в ней примесей).

2. Методы, основанные на отражении УЗ на грани двух сред.

Скорость звука и его поглощение зависит от плоскости среза наличия и инородных включений в ней, от её влажности, температуры. Это используется во влагомерах (сорбционные тигрометры).

Используются свойства материалов изменять свои геометрические растворы под действием влажности.

Например: Пьезокварцевые сероционные q датчики.

Разность потенциалов пропорциональна влажности.

ДОВП-1 марка пьезосодержащих датчиков. Применяется в составе регуляторов влажности. Диапазон регулирования от 0 до 100 %φ, погрешность 5%, инерционность ≈2 мин.

Применение УЗ для определения жирности молока. Чем больше в молоке жировых мариров, тем больше поглощение УЗ.

1. Генератор;

2. Преобразователь УЗ;

3. Приемник УЗ и преобразователь эл.;

4. Усилитель;

5. Индикатор, приборы.

Жирность 2-6 %, погрешность 0,2-0,3 %.

Приборы на основе отражения УЗ.

Определение супоросности свиноматок или стельности коров.

УЗ пускают через тело животного и судят по плотности.

Датчики для измерения быстропеременных давлений.

1 - стальной корпус; 2,4 – пьезокерамические датчики (из титаната бария); 3,5 – стальные электроды.

Под действием F идет сжатие (растение) д-ков ═> разность потенциалов.

С₁+С₂=С₃, R₁=R₂.

4 – измерительный диск, 2 – для настройки.

При настройке SА разомкнут U_вых.=0. Затем SA замыкают и сигнал идет только с датчика 4.

Электронно-импульсная технология

Применяют дуговой разряд

коронный разряд

искровой разряд

Искровой разряд представляет собой пучок светящихся тонких иногда, сложным образом переплетенных нитей называемых каналами соединения. Каналы представляют из себя плазму или ионизированный газ. Искра широко применяется благодаря своим физическим факторам.

1. Большая плотность тока;

2. Ударная волна;

3. Высокая температура

Энергия искры подводится к объекту в виде кратковременного импульса. Источник питания, как правило, маломощный, а мощность выделяемая в искре очень большая от десятков до млн. кВт.

СУ

М

ИП

АЭ

КЭ

РО

М

ИП – источник питания;

АЭ – аккумулирующий элемент;

КЭ – коммутирующий элемент;

СУ – система управления;

РО – рабочий орган;

М – обработанный материал;

П – готовый продукт.

От источника питания накапливается энергия в АЭ причем за продолжительное время. В качестве АЭ используется конденсаторы (обычно) напряжение может быть от 8 до десятков кВ.

КЭ в это время заперт (используются тиристоры, динисторы, тиратроны, игнитроны …).

К рабочему органу поступает материал М. В это время с помощью СУ открывается КЭ и энергия конденсатора подается на обработанный материал. Время искры от 1 до 10 мксек, (дробление камней, электрообмолот …).

Генераторы импульсов и его характеристики (И.П.)

1. Методы генерирования импульсов

   1. Непосредственные генераторы (электрические машинные, электрические магнитные;

   2. Путем инвертирования силовых импульсов с образованием определенной формы кривой;

   3. Суммирование импульсов.

2. Нагрузка может подключаться как последовательно, так и параллельно, и комбинировано.

3. По характеру влияние нагрузки:

   1. Независимые от нагрузки;

   2. Зависящие от нагрузки.

В независимом генераторе частота не зависит от величины нагрузки.

В зависимых нагрузка возрастает, частота уменьшается.

Релаксационные генераторы.

МЭП – меж электродный промежуток.

При замыкании SA начинает заряжаться С, сопротивление МЭП велико.

Время заряда С определяется постоянной времени заряда.

Когда идет пробой – С разряжается до напряженности недостаточной для пробоя → С снова заряжается.

R – ограничивающее сопротивление, чтобы не тек большой ток разрядки через ИП.

- напряжение заряда конденсатора.

τ – время заряда конденсатора;

Т – постоянное времени заряда, Т=RC;

U_н – номинальное напряжение.

- напряжение на рабочем органе (МЭП)

Т – постоянная времени, Т=R_p·C;

- напряжение на конденсаторе при разряде.

Т_р – постоянная времени разряда.

q_c=C·U_c=c·U_p;

Применение генераторов импульсов

1. Электрическая изгородь. Применяется при загонной пастьбе. Для временного ограждения стоков сена, для защиты посевов, для ограждения опасных для животных мест.

Основана на диодном действии электрического тока, который проходя через тело животного вызывает раздражение нервов и мышц (удар).

Изгородь из мягкой стальной проволоки в 1-3 мм подвешенной на изоляционных стойках в 1-3 ряда. Расстояние между стойками 20-30 м.

В состав изгороди входят: генератор импульсов, один полюс которого заземляется у самой изгороди.

Преимущества:

а. Снижает затраты в 2-10 раз;

б. Меньше время сооружения изгороди;

в. Легко перемещается с места на место.

Убивать не должна. Напряжение 10-12 кВ, ток импульса до 100 мА, время импульса 1-10 мк сек.

На конденсаторе накапливается заряд и затем ключем соединяется с обмоткой трансформатора.

Коммутация производится:

1. Периодически;

2. В ждущем режиме.

ЭИ 200	Электрические изгороди
ЭИС-1-30
ЭИП-1-1
ГИ-1
ЭК-1-М
ЛСХА

Применение электрической искры

1. Для борьбы с сорной растительностью.

Уничтожение сорняков.

1.1 Механическая обработка почвы (вспашка осенью), дискование, мелкая вспашка;

1.2 Химический способ ();

1.3 Биологический способ (микроорганизмы);

1.4 Огневой способ;

1.5 Электроискровая обработка.

Под воздействием ВН на растение и прохождении по нему тока оно гибнет.

Действующие факторы:

1. Нагрев от прохождения электрического тока;

2. Ударная волна от искры

У растений клеток частота колебаний собственная составляют 0,1-10³ Гц.

Нужен резонанс!

Первая обработка – до того, как взойдет культура, а сорняки уже взошли. Вторая обработка – если сорняки выше культуры.

Сушка растений.

Импульсный подвод энергии выгоден накапливался долго, выделяется быстро – большой мощностью.

Сушат перед уборкой.

Способы сушки:

1. Солнцем (естественный способ);

2. Активное вентилирование, (траву укладывают на стеллажах и сушат горячим воздухом).

3. Применение носилок – плющилок, (траву – по транспортеру между двумя вальцами и плющат траву, затем досушивают).

4. Обработка электрической искрой. Энергия тратится мало, эффект как от плющилки.

Результаты обработки.

Продолжительность сушки сокращается в 2,2 раза, в 1,4 раза по сравнению с плющением.

Потери снижаются на 12 %, потери протеина снижается в 2,2 раза.

Источник – генератор транспортера – хватает.

Схема установки.

Разрядник – ряд стержневых электродов, расположенных по ширине транспортерной ленты в шахматном порядке в 2 раза.

Параметры U_обраб.=25 кВ;

С=9000 мкФ, электролитическая;

R=26,9 Ом.

Толщина слоя травы – 3 с;

ширина транспортерной ленты – 0,38 м;

скорость – 0,04 м/с;

интенсивность 67 импульсов на 1 кг травы;

длительность импульса – 10^-4 сек.;

расход электрической энергии - 2,56 кВт·ч на 1 тонну;

расход энергии – 0,8 кВт·ч на плющение.

Достаточно девяти импульсов.

Обработка корзин подсолнухов для выравнивания сушки семян.

6-7 искр – перебивается сокопоступление в корзину – идет высыхание.

Табак: делают также, по обрабатывают у самой земли – табак сохнет.

Обработка плодов, для увеличения выхода сока – электроглазмолиз. Ток через ткань плодов. Соку больше на 12 %.

Электрогидравлические установки.

В этих установках используются электрогидравлический эффект (ЭГЭ). ЭГЭ – это способ непосредственного преобразования электрической энергии в механическую, при котором в меж электродном промежутке, заполненном не индуктивностью кратковременно выделяется значительная мощность вследствие искрового разряда.

ЗУ – зарядное устройство;

НЭ – накопительный элемент;

Р – разрядник;

ТБ – технологический блок;

К – канал разряда.

Накопленная энергия в батарее конденсаторов большой емкости высокого напряжения через разрядник Р поступает на электроды. Накапливать энергию можно длительно малым током.

Разрядник Р может быть управляемым или неуправляемым. Технологический блок ТБ обязателен для установок, предназначен для обработки материалов или деталей малых размеров.

ТБ применяется при металлообработке, в машиностроении, в горнорудной промышленности (сырье) обработка строительных материалов.

В установках для бурения, разрушения негабаритных пусков горных пород, для эхолокации водоемов, технологический блок отсутствует. Вместо него используется перемещаемая электродная система и погружаемая в водоем или в шнур (отверстие) заполненный водой.

Принцип действия ЭГ установки основан на электрическом пробое жидкости. В момент пробоя в жидкости образуется токопроводящий канал и ток достигает сотен и тысяч ампер. Образуется канал с температурой до 10000⁰.

Так как жидкость плохо сжимается, то разогрев плазмы приводит к повышению давления до сотен и тысяч МПа. Это давление передается во все стороны равномерно.

Электрический пробой зависит от многих факторов.

1. От проводимости жидкости;

2. От температуры.

Поэтому есть несколько подходов к расчету установок. Расчет производят методом последовательных приближений.

При расчете ЭГ установок находят межэлектродное расстояние, мощность разрядной цепи, мощность, потребляемую из сети, емкость накопительного конденсатора, напряжение на конденсаторе, мощность в разрядном промежутке, давление на объем воздействия (которое задают).

Если напряженность электрического поля в промежутке не превышает критического. Е_кр=3,6 МВ/м для воды с j=10^-2 см/м – проводимость.

Если напряженность не достигает заклинание воды. Такой пробой называется тепловым.

При тепловом пробое … с однородным полем и постоянным во времени напряжении можно определить время пробоя.

- время пробоя.

l – длина межэлектродного пром-ка;

С_в, ρ_в – теплоемкость воды и плотность воды;

σ₀ – удельная проводимость воды при t=0 ⁰C;

α – температурный коэффициент проводимости;

Т₁ – начальная температура;

Т₂ – температура начала преобразования.

Напряжение теплового пробоя.

τ=3·10^-5 сек – постоянная времени.

Наибольшее распространение между электродами, при котором возможен тепловой пробой.

С – емкость конденсатора;

S – площадь электродов, контактирующая с водой;

Е_кр – критическая напряженность поля, все выше для однородных полей.

В ЭГ установках обычно используются неоднородное поле. Время пробоя при этом меньше, а max расстояние между электродами определяется.

С – емкость накопительного конденсатора, Ф;

а – const, a=3,6·10⁵, В²·с/м;

в – коэффициент зависящий от напряжения, в=2·10^-4 U₁;

γ – удельная проводимость жидкости, См/м, тоже, что и σ₀;

U₁ – начальное напряжение на конденсаторе;

S – площадь электродов, контактных с ус-тью;

U₀ – критическое напряжение пробоя.

Критическое напряжение пробоя U₀ для электродов в форме гиперболоида.

U_г – гиперболоидная плоскость, ;

r – радиус закругления конца гиперболоида.

Е=3,6·10⁶ В/м, для γ=2,5·10^-2 См/м;

l – расстояние между электродами.

Так как конденсатор разряжается во время пробоя, то напряжение на нем к концу разряда U₂ можно определить из степени заряда, α_з.

Периодичность разряда конденсатора возможна при условии:

R – сопротивление всей разрядной цепи;

L – индуктивность цепи, 0,4-10·10^-6 Гн;

С – емкость цепи (конденсатора).

Сопротивление канала разряда R_к.

для слуги

Max мощность.

- закон Джоулю-Ленца

Оптимальное расстояние l – при котором развивается max мощность.

Для случая …

Давление на фронте волны на расстоянии х≤2,5l.

w – энергия, запасения в конденсаторе

Электрогидравлические установки.

Конструктивные решения.

Электрогидравлиескийэффект можно использовать:

1. Для обеззараживания питьевой воды;

2. Для обеззараживания сточной воды;

3. Для дробления горных пород;

4. Дробление минеральных удобрений;

5. Дробление зерна, соломы;

6. Пластическая деформация материалов;

7. Улучшение плодородия почвы;

8. Получение эмульсий.

Обеззараживание питьевой воды.

Ударная волна от ЭГЭ вызывает гибель микроорганизмов. Поэтому на обеззараживание 1 м³ воды расходуется от 0,1-0,2 кВт электроэнергии, что сравнимо с бактерицидной (УФ) установкой.

Получают азот и пропускают его через воду – все там дохнут.

Для обеззараживания сточных вод тратится до 1 кВт∙ч на 1 м³. Дробление валунов, разрушения, измельчения материалов.

Установки: Вулкан, Эгурм.

Вкл-т: генератор с ДВС, генератор импульсов, пневмокомпрессор для изготовления шнура (отверстие в канале), электроды.

Напряжение импульса 6 кВ, энергия 150 кДж, мощность электрической части 10 кВА. Опыт показал, что при дроблении гранит 50-100 мм до растворов до 4 мм, производится 600 кг/ч.

Расход энергии 6-7 кВт∙ч на 1 тонну материала.

При дроблении горных пород многие содержащиеся в них вещества переходят и входят в воду в виде растворов. Это дает возможность обогащать почву, разными удобрениями.

Дробят зерно, минеральные удобрения.

Очистка и мойка шерсти.

Производительность в 2-2,5 раза выше, чем руками, расход моющих средств в 3 раза меньше.

Искра между электродами.

Напряжение ≈50 кВ, емкость 4000 мкФ, энергия ≈4 МДм, производительность 250 кг·ч.

Электрогидравлический насос.

И скра - давление→нижний клапан закрывается, верхний открывается – качает воду вверх, высота подъема – сотни метров. Производительность разная по мощностям.

Используется для очистки фильтров водяных скважин. Батарея 3 мкФ, 50 кВ, 7 кДж. Трансформатор ВТН 15/50 кВ. Конденсатор КЭН 50-1.

Электроэрозионная обработка металлов.

1. Инструмент;

2. Диэлектрическая жидкость;

3. Деталь.

Сущность в том, что во время разряда образуется канал с высокой проводимостью и температурой. Температура=10000 ⁰К. Длительность импульса порядка 10^-5-10^-7 секунд. Электрическая энергия выделяется лишь на поверхности детали, в первую очередь на аноде. Плавиться поверхность и расплавление частицы с анода попадают в жидкость и смываются. Постепенно деталь обрабатывается, и получают отверстие, имеющие форму инструмента. Обработка металлов любой прочности и хрупкости. Инструмент из стали, легко обработанных материалов.

Электрогидравлическая ковка металлов.

1. Электроды;

2. Диэлектрическая жидкость;

3. Металл.