Коронный разряд в технологических процессах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Инженерная школа энергетики

Отделение Электроэнергетики и электротехники

Индивидуальное задание №1

Коронный разряд в технологических процессах. Электрофильтры.

Исполнитель: студент группы 5А04 группыгруппы

Иванов Д.А.

Руководитель: доцент ОЭЭ

Мытников А.В.

Ведение

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. 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.

Широко применяется коронный разряд в электрографии и электростатической печати. Применение короны для осушки различных материалов позволило получить новую технологию этих процессов. Так же есть перспективное направление применения коронного разряда в высоковольтных переключателях.

В ведение в теорию

Коронный разряд - это самостоятельный разряд в газовой среде, который появляется в сильно неоднородных полях у электродов со значительной кривизной поверхности (острая грань).

Главным условием начала образования разряда является то, что возле острия обязательно должна быть повышенная напряженность электрического поля, чем на остальном пути между электродами, которые как раз и создают разность потенциалов.

Само по себе воздушное пространство является диэлектриком и при стандартном давлении максимальное значение электрической напряженности равно 30 кВ/см. Именно при подобных показателях на кончике электрода начинает формироваться еле различимое свечение, которое внешне похоже на корону. Из-за этого такой тип разряда и стали именовать коронным.

Как формируется коронный разряд. Произвольная молекула воздуха случайным образом ионизируется, в результате этого отделяется электрон, который ускоряется под воздействием электромагнитного поля возле острого края. И электрон набирает такое количество энергии, что при столкновении со следующей молекулой происходит ионизация новой молекулы (при этом так же отделяется электрон).

А это значит, что общее количество заряженных частиц, которые активно перемещаются в магнитном поле вокруг острия, растет лавинообразным образом.

В чем вред коронного разряда

Формирование коронного разряда на ВЛ приводит к увеличению потерь электроэнергии. Для того, чтобы избежать этого явления, в зависимости от класса напряжения, фазу разделяют на некоторое количество отдельных проводников. Это позволяет снизить локальную напряженность возле проводов и не допустить формирование коронного разряда в принципе.

Положительная и отрицательная корона

Положительный коронный разряд. В этом случае коронирующий электрод является анодом, а катодом служит электрод с большим радиусом кривизны (например, плоскость). При положительной короне основная роль отводится электронам, возникающим в процессе объемной фотоионизации молекул воздуха между электродами. При достаточно большой напряженности электрического поля свободный электрон приобретает значительную энергию на своем пути движения к аноду. Электроны, движущиеся в сильном электрическом поле, на своем пути к аноду станут ионизовать молекулы воздуха, что приведет к образованию электронной лавины, которая в конечном итоге попадает на анод. У анода, то есть в области положительного коронного разряда, протекают не только процессы ионизации электронным ударом, но и процессы возбуждения молекул воздуха и их продуктов диссоциации. Кванты света, испущенные такими молекулами (атомами), будут ионизовать в объеме газа новые молекулы. Образовавшиеся таким образом фотоэлектроны пополняют убыль электронов в области коронного разряда.

Отрицательный коронный разряд. В разрядном промежутке коронного разряда электроны осуществляют ударную ионизацию, возбуждение и диссоциацию молекул воздуха. В итоге каждый свободный электрон способен на своем пути к аноду создать ряд новых электронов, образующих движущуюся от катода к аноду лавину. Наряду с образованием такой лавины в зоне ионизации появляются и положительные ионы, которые под действием электрического поля начинают двигаться к катоду, а также значительное число возбужденных молекул и атомов. При этом, например, молекулы воздуха под действием электронного удара в коронном разряде могут возбуждаться до высоких энергий. Такие возбужденные молекулы (атомы) при переходе в нормальное состояние испускают кванты лучистой энергии, преимущественно в области вакуумного ультрафиолета, для которых характерен весьма большой показатель поглощения. Поглощаясь в воздушном промежутке, кванты будут ионизовать новые молекулы. Появление новых центров ионизации приводит к возникновению новых электронных лавин. коронный переменный ток импульсный

Отрицательная «подобная пламени» корона. Этот тип короны обычно имеет место на проводнике, заряженном отрицательно, например, во время отрицательной полуволны напряжения сети. Этот тип короны выглядит как пламя, форма, направление и размер которого постоянно изменяются. Эта корона очень чувствительна к изменению параметров окружающей среды. Ее возникновение также приводит к появлению звукового сигнала примерно удвоенной промышленной частоты (например, 100 Гц) или кратной ей.

Коронный разряд на переменном токе

На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны UH = UK при времени tx (рис. 1.12, а). Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (см. рис. 1.12, в). Из чехла короны положительные заряды выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (03). Процесс коронирования продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет Umax при t2. Несмотря на повышение U до Umax, напряженность на проводе остается постоянной и равной Ек из-за влияния объемного заряда. Затем напряжение начинает снижаться. Синхронно снижается и напряженность на проводе Еп> что приводит к погасанию короны. Но после погасания короны (после t2) в пространстве остается положительный внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (см. рис. 1.12, в). Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет ~40-- 100 см. Разность потенциалов между проводом и 03 увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени i3. Еще до достижения t3 потенциал на проводе относительно 03 приобретает отрицательное значение (условно при i3). В момент времени t4 (см. рис. 1.12, а, в), когда напряжение достигает U0, которое значительно меньше UK, зажигается отрицательная корона. При этом отрицательно заряженные частицы начинают двигаться от провода во внешнюю область, а навстречу (к проводу) движутся положительно заряженные частицы из внешнего объемного заряда. Происходит релаксация заряженных частиц до полной компенсации положительного внешнего 03 (t5). Затем накапливается отрицательный 03 во внешней области (i6). Все это происходит за время от tA до i6 (см. рис. 1.12, а, в). В момент времени i6 (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются, и зажигание короны на обеих полярностях происходит при U0. Между проводом и землей есть емкость С, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока. При этом между проводом и землей протекает емкостной ток ic

Рис. 1.12. Корона на проводе при переменном напряжении:

а -- изменение напряжения U во времени; 6 -- изменение емкостного тока провода iс и тока короны iк во времени; в -- чехол короны и объемные заряды в различные моменты времени

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.

В более поздних работах было установлено, что ток ультракороны пульсирует с высокой частотой. Было установлено, что свет ультракороны пульсирует синхронно с колебаниями тока.

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.

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. В значительной степени теория биполярной короны была разработана Попковым В.И.

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.

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.

Импульсные коронные разряды

Несмотря на длительный период изучения коронного разряда, до сих пор неясна физическая сущность многих процессов, определяющих его развитие, прежде всего отрицательной короны, широко используемой в газоразрядных устройствах. Импульсы тока (импульсы Тричела) отрицательной короны представляют собой один из ярких примеров самоорганизации токовых структур в газовом разряде и являются объектом многочисленных исследований. Импульсы Тричела отрицательной короны представляют собой последовательность токовых импульсов с коротким временем нарастания (несколько десятков наносекунд), малой длительностью импульса порядка нескольких сотен наносекунд и довольно длительным временем между импульсами (несколько микросекунд).

Импульсы тока отрицательной короны в воздухе в конфигурации электродов острие-плоскость обнаружены Тричелем в 1938 г. Первая модель импульсов Тричела была предложена Лебом в 1952 г. Леб и его сотрудники считали, что импульсы Тричела могут существовать только в электроотрицательных газах, таких как кислород и воздух, данное утверждение впоследствии было подкреплено выводами Вейслера, который изучал существование импульсов Тричела в различных газах. Он показал, что импульсы Тричела не наблюдаются в атмосфере чистого водорода и азота, и физический механизм существования автоколебательного режима отрицательной короны связывался с образованием отрицательных ионов. С другой стороны, предложенная Лебом теория не могла объяснить быстрое время нарастания 1,5 нс, наблюдаемое в импульсе тока отрицательной короны в воздухе при атмосферном давлении. Согласно теории Александрова, механизм формирования и развития токового импульса отрицательной короны основан на модели параллельного развития нескольких лавин, а не последовательности электронных лавин.

Электроочистка газов в поле коронного разряда

Электрическую очистку, как правило, применяют в качестве второй, тонкой ступени очистки. Этот способ имеет более сложное конструктивное воплощение, чем способ механической очистки. Электроочистка способна работать с эффективностью 99 % и даже 99,9 %, улавливать частицы широкого диапазона размеров вплоть до субмикронных при концентрации пыли на входе до 50 г/м3 и выше.

Процесс электроосаждения производится в электрофильтрах и состоит из двух стадий: зарядки и осаждения. В большинстве конструкций обе стадии совмещены в пределах системы разноименных электродов: коронирующих и осадительных. Оса-дительные электроды заземлены, а на изолированные коронирующие электроды подается потенциал высокого напряжения от агрегата питания. Конструкция электродов такова, что между ними образуется резко неоднородное электрическое поле, что является условием образования коронного разряда. В результате в межэлектродном пространстве образуется униполярный объемный заряд, состоящий из движущихся к осадительному электроду ионов. На поверхность частицы, поступающей в межэлектродный промежуток, осаждаются ионы, сообщающая ей заряд определенной величины. Поле напряженностью Е с момента приобретения частицей заряда q действует на нее с силой F равной F = qE, H.

После достижения, частицей осадительного электрода ее заряд стекает, цепь замыкается. Частица удерживается на электроде силами адгезии до тех пор, пока образующийся слой осажденных частиц не достигает такого размера, когда его необходимо удалять. В большинстве случаев удаление производится механическим встряхиванием электродов, а в мокрых электрофильтрах -- периодической или непрерывной обмывкой электродов.

Электрофильтры

Электрофильтры предназначены для высокоэффективной очистки технологических газов и аспирационного воздуха от твердых или жидких частиц, выделяющихся при технологических процессах в различных отраслях промышленности.

Электрические фильтры применяют в энергетике, черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов, химической и нефтехимической промышленности, и многих других отраслях.

Основные типы промышленных электрофильтров -- пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых система электродов представляет собой ряд коронирующих проводов между плоскими пластинами, в трубчатых -- система коаксиальных цилиндров или провод внутри цилиндра.

Конструкции электрофильтров разнообразны, так как определяются технологическими условиями его работы. К ним относятся: состав и свойства пыли и газов, их температура давление и влажность, степень очистки, условия компоновки газового тракта и др.

Все типы электрофильтров можно классифицировать по нескольким признакам:

- по размещению зон зарядки и осаждения -- на двухзонные, где зарядка происходит в ионизаторе, а осаждение в осадителе, и однозонные, где совмещены зоны зарядки и осаждения. Первые применяются ограниченно в основном для тонкой очистки воздуха в схемах аспирации, вторые -- в большинстве отраслей промышленности для очистки газов, как технологических, так и выбрасываемых в атмосферу;

- по направлению газового потока в активной зоне -- на горизонтальные и вертикальные;

- по способу удаления пыли с электродов -- на сухие и мокрые;

- по количеству последовательно расположенных электрических полей -- на одно- и многопольные;

- по числу параллельных секций фильтра -- на односекционные и многосекционные;

- по типу электродной системы -- на трубчатые и пластинчатые.

Размещено на Allbest.ru