1  Источник высокого напряжения; 2  плоский электрод; 3  провод; 4  чехол короны; 5  электроны; 6  положительные ионы; 7  отрицательные ионы

В области, прилегающей к проводу, значение напряженности поля ста­новится настолько большим, что в этой зоне (чехол короны) резко возрас­тает количество носителей заряда обоих знаков: электронов 5 и положи­тельных ионов 6 (происходит пробой газа). Этот слой называют чехлом короны.

При дальнейшем возрастании напряжения ширина чехла увеличива­ется, возрастает количество носителей заряда обоих знаков; эта область начинает светиться (голубовато-фиолетовое свечение) и потрескивать.

Так как к проводу приложена отрицательная полярность, то положи­тельные ионы в чехле будут двигаться в сторону провода, а электроны  в противоположном направлении. При движении электронов внутри чехла их кинетическая энергия достаточна, чтобы при столкновении с нейтраль­ными молекулами газа выбивать из них новые электроны. Это приводит к тому, что из нейтральной молекулы образуется новая пара зарядов. Обра­зовавшиеся электроны выбивают при своем движении из других нейтраль­ных молекул новые электроны и т. д. В этом заключается суть электричес­кого пробоя в газе.

Это происходит лишь внутри чехла короны. По выходе из этой зоны энергии уже недостаточно для выбивания электронов. Электрон может лишь прилипнуть к молекуле газа, образуя отрицательный ион 7. Таким образом, в промежутке между границей чехла короны и плоским электродом имеют­ся лишь отрицательные ионы, которые движутся к плоскому электроду. В этой зоне нет пробоя, она называется темной, или униполярной, зоной. Униполярная зона охватывает значительную часть межэлектродного про­странства. При перемене полярности приложенного напряжения процес­сы в основном аналогичны; при этом образуется униполярная зона уже с положительным зарядом.

Рассмотрим процесс зарядки частиц (рис. 9). Под действием сил элек­трического поля (напряженности Е) электроны имеют направленное дви­жение от провода к плоскости. При этом они могут сталкиваться с части­цами 2 и осаждаться на частице, частицы получают отрицательный заряд (ударная зарядка). Кроме того, ионы находятся и в тепловом (диффузион­ном) движении, при таком движении они также могут сталкиваться с части­цами, заряжая их (диффузионная зарядка). Первый механизм доминирует при размерах частиц более 0,5 мкм, второй  при размерах частиц менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2  0,5 мкм эффективны оба механизма, причем минимальная скорость зарядки наблюдается для частиц размером около 0,3 мкм.

Рис. 9. Зарядка частиц в поле коронного разряда:

1  Отрицательные ионы; 2  частицы, взвешенные в газе; 3  заряженная частица

Величина заряда q (Кл), приобретаемого под воздействием электричес­кого поля проводимой частицей сферической формы, может быть рассчи­тана по формуле

, (37)

где ₀  диэлектрическая проницаемость (₀ = 8,8510^-12 Ф/м); d_ч  диаметр частицы, м; Е  напря­женность электрического поля коронного разряда, В/м.

Величина заряда, приобретаемого непроводящей частицей, рассчиты­вается по формуле

, (38)

где   относительная диэлектрическая проницаемость частицы.

При диффузионном механизме зарядки величину заряда можно опи­сать уравнением

, (39)

где е  величина заряда электрона, Кл (е = 1,610^-19), k  коэффициент, зависящий от числа ионов, температуры и времени, в течение которого происходит процесс зарядки.

Таким образом, максимальная величина заряда частиц размером бо­лее 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц разме­ром меньше 0,2 мкм  диаметру частицы. При ударной зарядке главную роль играют общая поверхность частиц, ее диэлектрические свойства, а также напряженность электрического поля. При диффузионной зарядке преобладающее значение имеют число ионов, температура и время, в те­чение которого происходит процесс зарядки.

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро.

Скорости движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, может быть определена по формуле

, (40)

где r  радиус частицы, м.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в электростатическом поле (м/с) может быть определена по формуле

. (41)

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть опреде­лена по формуле, полученной теоретическим путем:

, (42)

где f  удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м³/с очищаемого газа (воздуха), м²; v_ч  скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному элект­роду, м/с.

Степень эффективности очистки, определенная теоретически, не­сколько отличается от действительной эффективности, так как исходит из идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на эффективность. Обычно пользуются практическими данными об эффек­тивности.

Термофорез

Термофорез  процесс отталкивания частиц на­гретыми телами, вызванное силами, действующими со стороны газооб­разной фазы на находящиеся в ней неравномерно нагретые частицы аэро­золя. При термофорезе концентрация частиц в областях с повышенной и пониженной температурой становится различной. Термофоретическая сила возникает вследствие того, что от более нагретой стороны частицы молекулы газа отлетают с большей скоростью, чем от менее нагретой сто­роны, и таким образом сообщают частице импульс в направлении пони­жения температуры.

Термофорез не имеет применения в промышленных целях. Иногда ис­пользуется в исследованиях. Однако действие термофореза мы наблюда­ем. Так, происходит осаждение пыли на наружных стенах против прибо­ров центрального отопления. Нежелательным является осаждение частиц, взвешенных в горячих газах, на холодных стенках котлов и теплообмен­ников. Образовавшийся слой обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению теплотехнических характеристик аппаратов.

Частным случаем термофореза является фотофорез, который возника­ет вследствие неравномерного освещения сторон тел, а следовательно, их нагрева.

Диффузиофорез

Диффузиофорез  движение частиц, вызванное гра­диентом концентрации компонентов газовой смеси. Явление диффузиофореза отчетливо проявляется в процессах испарения и конденсации.

При испарении с поверхности капли (или пленки жидкости) возникает градиент концентрации пара, но поскольку общее давление пара должно оставаться постоянным, происходит гидродинамическое течение парогазо­вой смеси, направленное перпендикулярно к поверхности испаряющейся капли и компенсирующее диффузию газов к этой поверхности. Это гидро­динамическое течение, называемое стефановским, может оказывать суще­ственное влияние на осаждение частиц. По существу происходит захват ча­стиц пыли потоком пара, диффундирующим к центрам конденсации или охлаждающим поверхностям. Так, при улавливании частиц распыленной водой при недонасыщении газов водяным паром стефановское течение пре­пятствует, а при перенасыщении  способствует захвату частиц каплями.

Для малых частиц эффективность захвата с уменьшением их размера (при прочих равных условиях) остается почти постоянной и желательно присутствие в потоке капель возможно меньшего размера. Однако с дру­гой стороны, капли должны быть и достаточно большими, чтобы не рас­ходовалась значительная энергия на их распыление и для их осаждения можно было использовать простейшие каплеуловители.

Диффузиофорез исключительно полезен при очистке газов от гигро­скопичных частиц, т. е. частиц, интенсивно адсорбирующих водяные пары и хорошо растворяющихся в воде.

Использование электромагнитного поля для осаждения частиц

Если твер­дая частица, не имеющая природных магнитных свойств, но получившая электрический заряд q при движении в газах со скоростью v_ч, будет введе­на в магнитное поле с напряженностью H, она будет подвержена действию силы F , направленной под прямым углом и в направлении поля, и в на­правлении ее движения. В результате такого воздействия частица будет вра­щаться вокруг оси, проходящей через частицу и параллельно магнитному полю. Благодаря вращению направление результирующей силы непрерыв­но меняется, и частица описывает спираль.

В случае применимости закона Стокса конечная скорость частицы в магнитном поле может быть рассчитана по формуле

, (43)

где   относительная магнитная проницаемость; _г  динамическая вяз­кость газа, Пас; ₀  абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

В соответствии с вышеприведенной формулой, скорость дрейфа части­цы в магнитном поле пропорциональна скорости газов, т. е. при большей скорости газов частица скорее может быть выведена из газового потока.

При вводе в магнитное поле частиц, имеющих магнитные свойства, они будут перестраиваться в соответствии с направлением силовых линий магнитного поля. Расчет движения в этом случае достаточно сложен, так как необходимо учитывать геометрию магнитного поля и газового потока, а также положение частицы относительно магнитных полюсов. Во всех случаях частица будет перемещаться в сторону ближайшего к ней полюса и в итоге может столкнуться с другими взвешенными частицами, образуя укрупненные агломераты. Этот способ нашел применение при улавлива­нии ферромагнитных частиц.