Если пропустить запыленный газ через область действия сильного электрического поля, то теоретически частички пыли приобретут электрический заряд и начнут ускоряться, двигаясь вдоль силовых линий электрического поля к электродам с последующим осаждением на них.
Однако в условиях однородного электрического поля получить ударную ионизацию с массовой генерацией ионов не удастся, потому что при этом непременно произойдет пробой промежутка между электродами.
Но если электрическое поле сделать неоднородным, то ударная ионизация не приведет к пробою промежутка. Этого можно достичь, например, применив полый цилиндрический конденсатор, у центрального электрода которого напряженность электрического поля E будет сильно выше чем вблизи внешнего цилиндрического электрода.
Вблизи центрального электрода напряженность электрического поля окажется максимальной, тогда как по мере удаления от него в сторону наружного электрода, напряженность E сначала будет быстро и значительно уменьшаться, а дальше продолжат уменьшаться, но медленнее.
Увеличивая приложенное к электродам напряжение, сначала получим установившийся ток насыщения, а наращивая напряжение далее — сможем наблюдать повышение напряженности электрического поля у центрального электрода до критической величины и начало ударной ионизации возле него.
С дальнейшим ростом напряжения ударная ионизация станет распространяться на все большую область внутри цилиндра, а ток в промежутке между электродами будет увеличиваться.
В итоге возникнет коронный разряд, благодаря которому генерация ионов станет достаточной для зарядки частиц пыли, хотя окончательного пробоя промежутка так и не произойдет.
Для получения коронного разряда с целью зарядки частиц пыли в газе подойдет не только цилиндрический конденсатор, но и другая конфигурация электродов, могущая обеспечить неоднородное электрическое поле между ними.
К примеру широко распространены электрофильтры, у которых неоднородное электрическое поле получается при помощи расположенных в ряд коронирующих электродов, установленных между параллельными пластинами.
Определение критического напряжения и критической напряженности, при которых возникает корона, производится благодаря соответствующим аналитическим зависимостям.
В неоднородном электрическом поле между электродами формируются две различные по степени неоднородности области. Область короны способствует генерации ионов противоположных знаков и свободных электронов возле тонкого электрода.
Свободные электроны вместе с отрицательными ионами устремляются к положительному внешнему электроду, где отдают ему свой отрицательный заряд.
Корона здесь отличается существенным объемом, а основное пространство между электродами заполнено свободными электронами и отрицательно заряженными ионами.
В электрофильтрах трубчатой конфигурации очищаемый от пыли газ пропускается по вертикальным трубам диаметром от 20 до 30 см, с 2 - 4 миллиметровыми электродами, натянутыми по центральным осям вдоль труб. Труба является осадительным электродом, поскольку на ее внутренней поверхности и оседает уловленная пыль.
Пластинчатый электрофильтр имеет ряд коронирующих электродов по центру между пластинами, а пыль оседает на пластинах. Когда запыленный газ пропускается через подобный электофильтр, на частицах пыли абсорбируются ионы, и частицы таким образом быстро заряжаются. Будучи заряжены, частицы пыли ускоряются, двигаясь к осадительному электроду.
Определяющими факторами скорости движения пыли во внешней области коронного разряда являются взаимодействие электрического поля с зарядом частицы и сила аэродинамического ветра.
Сила, побуждающая частицы пыли двигаться к осадительному электроду, - кулоновская сила взаимодействия заряда частиц с электрическим полем электродов. По мере движения частицы к осадительному электроду, действующая сила кулона уравновешивается силой лобового сопротивления. Скорость дрейфа частицы к осадительному электроду можно вычислить, приравняв эти две силы.
На качество осаждения частиц на электрод влияют такие факторы как: размер частиц, их скорость, проводимость, влажность, температура, качество поверхности электрода и т. д. Но важнее всего электрическое сопротивление пыли. По величине удельного сопротивления пыль подразделяется на группы:
Пыль с удельным электрическим сопротивлением менее 104 Ом*см
При контакте такой частицы с положительно заряженным осадительным электродом, она тут же теряет свой отрицательный заряд, мгновенно приобретая заряд электрода — положительный. В этом случае частицу тут же может легко унести от электрода, а эффективность очистки упадет.
Пыль с удельным электрическим сопротивлением от 104 до 1010 Ом*см.
Такая пыль хорошо садится на электрод, легко стряхивается с трубы, фильтр работает очень эффективно.
Пыль с удельным электрическим сопротивлением более 1010 Ом*см.
Пыль плохо улавливается электрофильтром. Осевшие частицы очень медленно разряжаются, слой отрицательно заряженных частиц на электроде становится толще. Заряженный слой мешает осаждению вновь прибывающих частиц. Эффективность очистки падает.
Пыль с наиболее высоким удельным электрическим сопротивлением — магнезит, гипс, оксиды свинца, цинка и т. д. Чем выше температура — тем интенсивнее растет сопротивление пыли вначале (благодаря испарению влаги), а потом сопротивление падает. Увлажнив газ и добавив к нему некоторые реагенты (либо частицы сажи, кокса), можно понизить сопротивление пыли.
Попадая в фильтр, часть пыли может быть подхвачена газом и унесена вторично, это зависит от скорости газа и диаметра осадительного электрода. Вторичный унос можно снизить, тут же смывая уже уловленную пыль водой.
Вольт-амперную характеристику фильтра определяют некоторые технологические факторы. Чем выше температура — тем выше ток короны, однако напряжение устойчивой работы фильтра уменьшается из-за снижения напряжения пробоя. Выше влажность — меньше ток короны. Больше скорость газа — меньше ток.
Чем чище газ — тем выше ток короны, чем запыленнее газ — тем ток короны меньше. Суть в том, что ионы движутся более чем в 1000 раз быстрее пыли, поэтому когда частицы заряжаются — ток короны снижается, и чем больше пыли в фильтре — тем меньше ток короны.
При крайне сильной запыленности (Z1 от 25 до 35 г/м3) ток короны может снизиться практически до нуля, и фильтр перестанет работать. Это называют запиранием короны.
Запертая корона приводит к недостатку ионов для сообщения частицам пыли достаточного заряда. Хотя корона редко запирается полностью, при сильной запыленности электрофильтр действительно работает очень плохо.
В металлургии чаще всего применяют пластинчатые электрофильтры, отличающиеся высокой эффективностью, удаляющие до 99,9% пыли при низком энергопотреблении.
При расчете электрофильтра вычисляют его пропускную способность, эффективность работы, потребляемую мощность на создание короны, а также ток электродов. Пропускную способность фильтра находят по площади его активного сечения:
Зная площадь активного сечения электрофильтра, при помощи специальных таблиц выбирают подходящую конструкцию фильтра. Для нахождения эффективности работы фильтра пользуются формулой:
Если размер частиц пыли соизмерим с длиной свободного пробега молекул газа (порядка 10-7м), то скорость их дрейфа можно найти по формуле:
Скорость дрейфа крупных аэрозольных частиц находят по формуле:
Эффективность фильтра для каждой фракции пыли производится отдельно, после чего находят суммарную эффективность электрофильтра:
Рабочая напряженность электрического поля внутри фильтра зависит от его конструкции, от расстояния между электродами, от радиуса коронирующих электродов и подвижности ионов. Обычный диапазон рабочих напряженностей для электрофильтра - от 15*104 до 30*104 В/м.
Потери на трение обычно не рассчитываются, а просто принимаются равными 200 Па. Потребляемую мощность на создание короны находят по формуле:
Ток при улавливании металлургической пыли находят так:
Межэлектродное расстояние электрофильтра зависит от его конструкции. Длина осадительных электродов подбирается в зависимости от необходимой степени улавливания пыли.
Электрофильтры обычно не применяют для улавливания пыли чистых диэлектриков и чистых проводников. Проблема в том, что частицы с высокой проводимостью легко заряжаются, но и быстро разряжаются об осадительный электрод, в связи с чем их тут же уносит потоком газа.
Диэлектрические частицы оседают на осадительном электроде, уменьшают его заряд и приводят к образованию обратной короны, которая мешает фильтру нормально работать. Значения нормальной рабочей запыленности для электрофильтра лежат ниже 60 г/м3, а максимальная температура при которой электрофильтры используют, составляет +400 °С.
Смотрите также по этой теме:
Электростатические фильтры - устройство, принцип действия, области применения
Андрей Повный