[Из песочницы] Электростатический очиститель воздуха своими руками. Часть 1 — принципы работы

В какой-то момент времени во мне воспылал энтузиазм к постройке бытового электростатического очистителя воздуха (электрофильтра). Удивительно, но мне не удалось в сети найти годных материалов по этой области что и подтолкнуло меня к написанию данной статьи.

В первой части предлагаю познакомиться с принципами работы этих устройств, а в следующей — построить полноценный очиститель своими руками.

_hrw9r3077zh1micxxnuhqhbgy8.png
На фото коронный разряд, используемый в электростатических очистителях воздуха

Содержание


Источники пыли и доступные бытовые очистители воздуха
Однородное электрическое поле и электрический пробой воздуха
Неоднородное электрическое поле и коронный разряд в воздухе
Принцип электрической очистки воздуха
Электродные системы электрофильтров
Заключение
Источники

Зачем нужен очиститель


Содержащиеся в воздухе мелкие пылевые частицы PM10 и PM2.5 способны проникать в наш организм при дыхании: бронхи, легкие и даже попадать в кровоток. По данным всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) загрязнение воздуха такими частицами несет серьезную опасность для здоровья: воздействие воздуха с высоким содержанием таких частиц (превышение по PM2.5 среднегодовой концентрации 10 мкг/куб.м и среднесуточной 25 мкг/куб.м; превышение по PM10 среднегодовой 20 мкг/куб.м и среднесуточной 50 мкг/куб.м) повышает риск возникновения респираторных заболеваний, заболеваний сердечнососудистой системы и некоторых онкологических заболеваний, загрязнение уже отнесено к 1 группе канцерогенов. Высокотоксичные частицы (содержащие свинец, кадмий, мышьяк, бериллий, теллур, и др., а также радиоактивные соединения) представляют опасность даже при небольших концентрациях.

Самый простой шаг к снижению негативного воздействия пыли на организм — установка эффективного очистителя воздуха в спальном помещении, где человек проводит около трети времени.

Источники пыли


Крупными природными поставщиками пыли являются извержения вулканов, океан (испарение брызг), природные пожары, эрозия почв (например, пыльные бури: г. Забол, Ирак), землетрясения и различные обвалы грунта, пыльца растений, споры грибов, процессы разложения биомассы и др.

К антропогенным источникам относятся процессы сжигания ископаемых (энергетика и промышленность), транспортирование хрупких/сыпучих материалов и погрузочные работы (см. порт «Восточный» г. Находка, порт «Ванино» Хабаровский кр.), дробление материалов (добыча ископаемых, производство стройматериалов, сельхоз промышленность), механическая обработка, химические процессы, термические операции (сварка, плавка), эксплуатация транспортных средств (выхлоп двигателей внутреннего сгорания, истирание шин и дорожного покрытия).

Наличие пылевых частиц в помещениях обусловлено поступлением загрязненного наружного воздуха, а также присутствием внутренних источников: разрушение материалов (одежда, белье, ковры, мебель, стройматериалы, книги), приготовление пищи, жизнедеятельность человека (частички эпидермиса, волосы), плесневелые грибы, клещи домашней пыли и др.

Доступные очистители воздуха


Для снижения концентрации частиц пыли (в том числе самых опасных — размером менее 10 мкм) доступны бытовые приборы, работающие на следующих принципах:

  • механическая фильтрация;
  • ионизация воздуха;
  • электростатическое осаждение (электрофильтры).


Метод механической фильтрации является самым распространенным. Принципы улавливания частиц этими фильтрами здесь уже были описаны. Для улавливания тонких твердых частиц используются высокоэффективные (более 85%) волокнистые фильтрующие элементы (стандарты EPA, HEPA). Такие устройства хорошо справляются со своей задачей, но имеют и некоторые недостатки:

  • высокое гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента;
  • необходимость в частой замене дорогостоящего фильтрующего элемента.


Из-за высокого сопротивления разработчики таких очистителей вынуждены обеспечить большую площадь фильтрующего элемента, использовать мощные, но при этом малошумные вентиляторы, избавляться от щелей в корпусе устройства (так как даже небольшой подсос воздуха в обход фильтрующего элемента значительно снижает эффективность очистки прибора).

Ионизатор воздуха при работе электрически заряжает взвешенные в воздухе помещения частицы пыли, из-за чего последние под действием электрических сил осаждаются на пол, стены, потолок или предметы в помещении. Частицы остаются в помещении и могут вернуться во взвешенное состояние, поэтому решение не выглядит удовлетворительным. Кроме того, прибор значительно изменяет ионный состав воздуха, при этом воздействие такого воздуха на людей на данный момент изучено недостаточно.

Работа электростатического очистителя основана на том же принципе: поступающие внутрь прибора частицы сначала электрически заряжаются, затем притягиваются электрическими силами к специальным пластинам, заряженным противоположным зарядом (все это происходит внутри прибора). При накоплении слоя пыли на пластинах выполняется чистка. Эти очистители обладают высокой эффективностью (более 80%) улавливания частиц разных размеров, низким гидравлическим сопротивлением, и не требуют периодической замены расходных элементов. Имеются и недостатки: выработка некоторого количества токсичных газов (озон, оксиды азота), сложная конструкция (электродные сборки, высоковольтное электропитание), необходимость периодической чистки осадительных пластин.

Требования к очистителю воздуха


При применении рециркуляционного очистителя воздуха (такой очиститель засасывает воздух из помещения, фильтрует, а затем возвращает в помещение) обязательно должны учитываться характеристики прибора (однопроходная эффективность, объемная производительность) и объем целевого помещения, иначе прибор может оказаться бесполезным. Американской организацией AHAM для этих целей был разработан показатель CADR, учитывающий однопроходную эффективность очистки и объемную производительность очистителя, а также способ вычисления необходимого CADR для заданного помещения. Здесь уже есть неплохое описание этого показателя. AHAM рекомендует использовать очиститель со значением CADR большим или равным пятикратному обмену объема помещения в час. Например, для комнаты площадью 20 кв.м и высотой потолка 2,5 м показатель CADR должен составлять 20×2.5×5 = 250 куб.м/час (или 147CFM) или более.

Также очиститель при работе не должен создавать какие-либо вредные факторы: превышение допустимых значений уровня шума, превышение допустимых концентраций вредных газов (в случае использования электрофильтра).

Однородное электрическое поле


Из курса физики мы помним, что вблизи тела, обладающего электрическим зарядом, образуется электрическое поле [2].

hie4dl1gtnn2vsoj_xnvnc57xki.png


Силовой характеристикой поля является напряженность E [Вольт/м или кВ/см]. Напряженность электрического поля — векторная величина (имеет направление). Графически изображать напряженность принято силовыми линиями (касательные к точкам силовых кривых совпадают с направлением вектора напряженности в данных точках), величина напряженности характеризуется густотой этих линий (чем более густо расположены линии — тем большее значение принимает напряженность в этой области).

Рассмотрим простейшую систему электродов, представляющую из себя две параллельные металлические пластины, находящиеся друг от друга на расстоянии L, к пластинам приложена разность потенциалов напряжением U с источника высокого напряжения:

L= 11 мм = 1.1 см;
U = 11кВ (киловольт; 1киловольт = 1000вольт);

2yik0q9wqgkdhxufu0erhirxuni.png


На рисунке показано примерное расположение силовых линий. По густоте линий видно, что в большей части пространства межэлектродного промежутка (за исключением области вблизи кромок пластин) напряженность имеет одинаковое значение. Такое равномерное электрическое поле называется однородным [2, 3, 4]. Значение напряженности в пространстве между пластинами для этой электродной системы можно вычислить из простого уравнения [1, 2.]:

ytipq6iwmggheseydj2ickqhxge.png

Значит, при напряжении 11кВ напряженность составит 10кВ/см. В данных условиях атмосферный воздух, заполняющий пространство между пластинами, является электрическим изолятором (диэлектриком), то есть не проводит электрический ток, поэтому в электродной системе ток протекать не будет. Проверим это на практике.

На самом деле воздух совсем немного проводит ток

В атмосферном воздухе всегда присутствует [1] небольшое количество свободных носителей зарядов — электронов и ионов, образующихся в результате воздействия естественных внешних факторов — например, радиационного фона и УФ–излучения. Концентрация этих зарядов очень низкая, поэтому плотность тока составляет очень малые значения, такие значения мое оборудование зарегистрировать неспособно.


Оборудование для экспериментов
Для проведения небольших практических экспериментов будет использоваться источник высокого напряжения (ИВН), тестовая электродная система и «измерительный стенд».
Электродная система может быть собрана в один из трех вариантов: «две параллельные пластины», «провод-пластина» или «зубья-пластина»:
fq3lramjh1r7radqptkuufwi-q0.jpeg
Межэлектродное расстояние для всех вариантов одинаковое и составляет 11 мм.

Стенд состоит из измерительных приборов:

  • вольтметр 50кВ (микроамперметр Pa3 на 50 мкА с добавочным сопротивлением R1 1ГОм; 1 мкА показаний соответствует 1кВ);
  • микроамперметр Pa2 на 50 мкА;
  • миллиамперметр Pa1 на 1 мА.

электрическая схема:
osrwadectmxho4wjpqy9sa_vnh0.png

При высоких напряжениях некоторые непроводящие материалы внезапно начинают проводить ток (например, мебель), поэтому все смонтировано на листе оргстекла. Выглядит это безобразие так:
bmipjhw43swlc-oqztx-dbz0k9u.jpeg

Конечно, точность измерений таким оборудованием оставляет желать лучшего, но для наблюдений за общими закономерностями вполне должно хватить (лучше, чем ничего!). Со вступлениями заканчиваем, приступим к делу.


Эксперимент #1


Две параллельные пластины, однородное электрическое поле;

L = 11 мм = 1.1 см;
U = 11…22кВ.

По показаниям микроамперметра видно, что электрический ток действительно отсутствует. Ничего не изменилось и при напряжении 22кВ, и даже при 25кВ (максимальном для моего источника высокого напряжения).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ E, кВ/см I, мкА
0 0 0
11 10 0
22 20 0
25 22.72 0


Электрический пробой воздушного промежутка


Сильное электрическое поле способно превратить воздушный промежуток в электрический проводник — для этого необходимо, чтобы его напряженность в промежутке превысила некоторую критическую (пробойную) величину. Когда это происходит, в воздухе с высокой интенсивностью начинают протекать ионизационные процессы: в основном ударная ионизация и фотоионизация, что приводит к лавинообразному росту количества свободных носителей зарядов — ионов и электронов. В какой-то момент времени образуется проводящий канал (заполненный носителями зарядов), перекрывающий межэлектродный промежуток, по которому начинает течь ток (явление называется электрическим пробоем или разрядом). В зоне протекания ионизационных процессов имеют место химические реакции (в том числе диссоциация молекул, входящих в состав воздуха), что приводит к выработке некоторого количества токсичных газов (озон, оксиды азота).

Ионизационные процессы [1, 2]

Ударная ионизация

Свободные электроны и ионы различных знаков, всегда имеющиеся в атмосферном воздухе в небольшом количестве, под действием электрического поля будут устремляться в направлении электрода противоположной полярности (электроны и отрицательные ионы — к положительному, положительные ионы–к отрицательному). Некоторые из них будут по пути сталкиваться с атомами и молекулами воздуха. В случае, если кинетическая энергия движущихся электронов/ионов оказывается достаточной (а она тем выше, чем выше напряженность поля), то при столкновениях из нейтральных атомов выбиваются электроны, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. В свою очередь новые электроны и ионы будут также ускоряться электрическим полем и некоторые из них будут способны таким образом ионизировать другие атомы и молекулы. Так количество ионов и электронов в межэлектродном пространстве начинает лавинообразно увеличиваться.

Фотоионизация

Атомы или молекулы, получившие при столкновении недостаточное для ионизации количество энергии, испускают ее в виде фотонов (атом/молекула стремится вернуться в прежнее стабильное энергетическое состояние). Фотоны могут быть поглощены каким-либо атомом или молекулой, что может также привести к ионизации (если энергия фотона достаточна для отрыва электрона).

Для параллельных пластин в атмосферном воздухе критическую величину напряженности электрического поля можно вычислить из уравнения [1]:

bucbiupyscw6rfcvtcizplrprxw.png

Для рассматриваемой электродной системы критическая напряженность (при нормальных атмосферных условиях) составляет около 30,6кВ/см, а напряжение пробоя –33,6кВ. К сожалению, мой источник высокого напряжения не может выдать более 25кВ, поэтому для наблюдения электрического пробоя воздуха пришлось уменьшить межэлектродное расстояние до 0,7 см (критическая напряженность 32.1кВ/см; напряжение пробоя 22,5кВ).

Эксперимент #2


Наблюдение электрического пробоя воздушного промежутка. Будем повышать приложенную к электродам разность потенциалов до возникновения электрического пробоя.

L = 7 мм = 0.7 см;
U = 14…25кВ.

Пробой промежутка в виде искрового разряда наблюдался при напряжении 21,5кВ. Разряд испускал свет и звук (щелчок), стрелки измерителей тока отклонялись (значит, что электрический ток протекал). При этом в воздухе ощущался запах озона (такой же запах, например, возникает при работе УФ-ламп во время кварцевания помещений в больницах).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ E, кВ/см I, мкА
0 0 0
14 20 0
21 30 0
21.5 30.71 пробой


Неоднородное электрическое поле


Заменим в системе электродов положительный пластинчатый электрод на тонкий проволочный электрод диаметром 0.1 мм (т.е. R1=0.05 мм), также расположенный параллельно отрицательному пластинчатому электроду. В этом случае в пространстве межэлектродного промежутка при наличии разности потенциалов образуется неоднородное [2, 4] электрическое поле: чем ближе точка пространства к проволочному электроду — тем выше значение напряженности электрического поля. На рисунке ниже представлена примерная картина распределения:

b0soewsmo3jgejnw_wpu1_vazog.png


Для наглядности можно построить более точную картину распределения напряженности — проще это сделать для эквивалентной электродной системы, где пластинчатый электрод заменен на трубчатый электрод, расположенный коаксиально коронирующему электроду:

vhcfkp3dj5zberlnhhdra-rvh0k.png


Для этой электродной системы значения напряженности в точках межэлектродного пространства можно определить из простого уравнения [1, 2]:

odpdbqd0z7hhwpkyhmjjlxgu6a0.png


На рисунке ниже представлена рассчитанная картина для значений:

R1 = 0.05 мм = 0.005 см;
R2 = 11 мм = 1.1 см;
U = 5кВ;

Линии характеризуют значение напряженности на данном удалении; значения соседних линий отличаются на 1кВ/см.

gx1wdav4z4etwwpwtb1lrpxi0hu.png

Из картины распределения видно, что в большей части межэлектродного пространства напряженность изменяется незначительно, а вблизи проволочного электрода, по мере приближения к нему, резко возрастает.

Коронный разряд


В электродной системе провод-плоскость (или подобной, в которой радиус кривизны одного электрода существенно меньше межэлектродного расстояния), как мы увидели из картины распределения напряженности, возможно существование электрического поля со следующими особенностями:

  • в небольшой области, приближенной к проволочному электроду, напряженность электрического поля может достигать высоких значений (значительно превышающих 30кВ/см), достаточных для возникновения интенсивных ионизационных процессов в воздухе;
  • одновременно с этим, в большей части межэлектродного пространства напряженность электрического поля будет принимать невысокие значения — менее 10 кВ/см.


При такой конфигурации электрического поля образуется электрический пробой воздуха, локализованный в небольшой области вблизи провода и не перекрывающий межэлектродный промежуток (см. фото). Такой незавершенный электрический разряд называется коронным разрядом [1, 2], а электрод, вблизи которого он образуется — коронирующим электродом [2].

zi6hgbcca5rgclighbxu6hbyirg.jpeg

В межэлектродном промежутке с коронным разрядом выделяется две зоны [1]: зона ионизации (или чехол разряда) и зона дрейфа:

kuak7nt4jgdgy9_8zwzcysfkygy.png


В зоне ионизации, как можно догадаться из названия, протекают ионизационные процессы — ударная ионизация и фотоионизация, и образуются ионы разных знаков и электроны. Электрическое поле, присутствующее в межэлектродном пространстве, воздействует на электроны и ионы, из-за чего электроны и отрицательные ионы (при наличии) устремляются к коронирующему электроду, а положительные ионы вытесняются из зоны ионизации и поступают в зону дрейфа.

В зоне дрейфа, на которую приходится основная часть межэлектродного промежутка (все пространство промежутка за исключением зоны ионизации), ионизационные процессы не протекают. Здесь распределяется множество дрейфующих под действием электрического поля (в основном в направлении пластинчатого электрода) положительных ионов.

За счет направленного движения зарядов (положительные ионы замыкают ток на пластинчатый электрод, а электроны и отрицательные ионы — на коронирующий электрод) в промежутке протекает электрический ток, ток коронного разряда [2, 3].

В атмосферном воздухе в зависимости от условий положительный коронный разряд может принимать одну из форм [1]: лавинную или стримерную. Лавинная форма наблюдается в виде равномерного тонкого светящегося слоя, покрывающего гладкий электрод (например, провод), выше было фото. Стримерная форма наблюдается в виде тонких светящихся нитевидных каналов (стримеров), направленных от электрода и чаще возникает на электродах с острыми неровностями (зубья, шипы, иглы), фото ниже:

jradv917qex9c0vywglclquwiww.jpeg


Как и в случае с искровым разрядом, побочным эффектом протекания любой формы коронного разряда в воздухе (из-за наличия ионизационных процессов) является выработка вредных газов — озона и оксидов азота.

Эксперимент #3


Наблюдение положительного лавинного коронного разряда. Коронирующий электрод — проволочный, положительное питание;

L = 11 мм = 1.1 см;
R1 = 0.05 мм = 0.005 см


Свечение разряда:


Процесс коронирования (появился электрический ток) начался при U = 6.5кВ, при этом поверхность проволочного электрода начала равномерно покрываться тонким слабосветящимся слоем и появился запах озона. В этой светящейся области (чехле коронного разряда) и сосредоточены ионизационные процессы. При увеличении напряжения наблюдалось увеличение интенсивности свечения и нелинейный рост тока, а при достижении U = 17.1кВ произошло перекрытие межэлектродного промежутка (коронный разряд перешел в искровой разряд).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ I, мкА
0 0
6,5 1
7 2
8 20
9 40
10 60
11 110
12 180
13 220
14 300
15 350
16 420
17 520
17.1 перекрытие


j_6dbvdotw5uyriddhheyolaklm.png


Эксперимент #4


Наблюдение отрицательного коронного разряда. Поменяем местами провода электропитания электродной системы (отрицательный провод к проволочному электроду, положительный провод — к пластинчатому). Коронирующий электрод — проволочный, отрицательное питание;

L = 11 мм;
R1 = 0.05 мм = 0.005 см.


Свечение:


Коронирование началось при U = 7.5кВ. Характер свечения отрицательной короны существенно отличался от свечения положительной короны: теперь на коронирующем электроде возникали отдельные пульсирующие светящиеся равноудаленные друг от друга точки. При повышении приложенного напряжения возрастал ток разряда, а также увеличивалось количество светящихся точек и интенсивность их свечения. Запах озона ощущался сильней, чем при положительной короне. Искровой пробой промежутка произошел при U = 18.5кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ I, мкА
0 0
7.5 1
8 4
9 20
10 40
11 100
12 150
13 200
14 300
15 380
16 480
17 590
18 700
18.4 800
18.5 перекрытие


azabekd7ecrhfsq8bw0mgnaasm0.png


Эксперимент #5


Наблюдение положительного стримерного коронного разряда. Заменим в электродной системе проволочный электрод на пилообразный электрод и вернем полярность электропитания в исходное состояние. Коронирующий электрод — зубчатый, положительное питание;

L = 11 мм = 1.1 см;


Свечение:


Процесс коронирования начался при U = 5.5кВ, при этом на остриях коронирующего электрода появились тонкие светящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону пластинчатого электрода. По мере увеличения напряжения размер и интенсивность свечения этих каналов, а также коронный ток увеличивался. Запах озона ощущался примерно как при положительной лавинной короне. Переход коронного разряда в искровой разряд произошел при U = 13кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ I, мкА
0 0
5.5 1
6 3
7 10
8 20
9 35
10 60
11 150
12 300
12.9 410
13 перекрытие


mfjgjxtexwqvv8a8k1ajjusd4rk.png


Как было видно из экспериментов, геометрические параметры коронирующего электрода, а также полярность питания существенно влияют на закономерность изменения тока от напряжения, величину напряжения зажигания разряда, величину напряжения пробоя промежутка. Это не все факторы, влияющие на режим протекания коронного разряда, вот более полный список[1,2,3,4]:

  • геометрические параметры межэлектродного пространства:
    • геометрические параметры коронирующего электрода;
    • межэлектродное расстояние;
  • полярность электропитания, подводимого к коронирующему электроду;
  • параметры воздушной смеси, заполняющей межэлектродное пространство:
    • химический состав;
    • влажность;
    • температура;
    • давление;
    • примеси (частицы аэрозолей, например: пыль, дым, туман)
  • в некоторых случаях материал (значение работы выхода электрона) отрицательного электрода, так как с поверхности металлического электрода при бомбардировке ионами и при облучении фотонами может происходить отрыв электронов.


Далее в статье будет идти речь только о положительном лавинном коронном разряде, так как такой разряд характеризуется относительно низким количеством вырабатываемых токсичных газов [3,4]. Данная форма разряда менее эффективна для электрической очистки воздуха в сравнении с отрицательным коронным разрядом [3,4] (отрицательная корона повсеместно применяется в промышленных аппаратах по очистке дымовых газов перед их выбросом в атмосферу).

Электрическая очистка воздуха: принцип работы


Принцип электрической очистки заключается в следующем: воздух с взвешенными частицами загрязнений (частицы пыли и/или дыма и/или тумана) пропускается со скоростью Vв.п. через межэлектродный промежуток, в котором поддерживается коронный разряд (в нашем случае положительный).

ojef2zha3cl6xfxphh-wvbodnhs.png


Частицы пыли сначала электрически заряжаются в поле коронного разряда (положительно), а затем притягиваются к отрицательно заряженным пластинчатым электродам за счет действия электрических сил.

Зарядка частиц


Дрейфующие положительные ионы, имеющиеся в большом количестве в межэлектродном коронирующем промежутке, сталкиваются с частицами пыли, из-за чего частицы приобретают положительный электрический заряд. Процесс зарядки выполняется в основном за счет двух механизмов [1,2,4] — ударной зарядки дрейфующими в электрическом поле ионами и диффузионной зарядки ионами, участвующими в тепловом движении молекул. Оба механизма действуют одновременно, но первый более существенен для зарядки крупных частиц (размерами более микрометра), а второй — для более мелких частиц [1,2,4]. Важно отметить, что при интенсивном коронном разряде скорость диффузионной зарядки значительно ниже ударной [4].

Процессы зарядки [1]

Процесс ударной зарядки протекает в потоке ионов, движущихся от коронирующего электрода под действием электрического поля. Ионы, оказавшиеся слишком близко к частице, захватываются последней за счет молекулярных сил притяжения, действующих на коротких расстояниях (в том числе сила зеркального отображения, обусловленная взаимодействием заряда иона и наведенного за счет электростатической индукции противоположного заряда на поверхности частицы).

Механизм диффузионной зарядки выполняется ионами, участвующими в тепловом движении молекул. Ион, оказавшийся достаточно близко к поверхности частицы, захватываются последней за счет молекулярных сил притяжения (в том числе силой зеркального отображения), поэтому вблизи поверхности частицы образуется пустая область, где ионы отсутствуют:

_ixbv-xgxjorcmyni_1ef5_hydo.png


Из-за образовавшейся разности концентраций возникает диффузия ионов к поверхности частицы (ионы стремятся занять пустую область), и в результате эти ионы оказываются захваченными.

При любом механизме по мере накопления частицей заряда, на находящиеся вблизи частицы ионы начинает действовать отталкивающая электрическая сила (заряд частицы и ионов одного знака), поэтому скорость зарядки будет со временем снижаться и в некоторый момент прекратится совсем [1,4]. Этим объясняется существование предела зарядки частицы.

Величина заряда, полученного частицей в коронирующем промежутке, зависит от следующих факторов:

  • способность частицы к зарядке (скорость зарядки и предельный заряд, больше которого частица зарядиться не может);
  • время, отпущенное на процесс зарядки;
  • электрические параметры области, в которой находится частица [1,4] (напряженность электрического поля, концентрация и подвижность ионов)


Способность частицы к зарядке определяется параметрами частицы [2,4] (в первую очередь размер, а также электрофизические характеристики). Электрические параметры в месте нахождения частицы определяются режимом коронного разряда и удаленностью частицы от коронирующего электрода [1,3,4].

Дрейф и осаждение частиц


В межэлектродном пространстве коронирующей электродной системы присутствует электрическое поле, поэтому на частицу, получившую какой-либо заряд, сразу начинает действовать [1,2,3,4] сила Кулона Fк, из-за чего частица начинает смещаться в направлении осадительного электрода — возникает скорость дрейфа W:

2uy73npatlcirm5-qzdyrne_hdm.png


Значение силы Кулона пропорционально заряду частицы и напряженности электрического поля в месте ее нахождения [1,2,4]:

bpnqa3-2d6a8aeazrjmq5bdrfzy.png

Из-за движения частицы в среде возникает [1,2] сила сопротивления Fс, зависящая от размеров и формы частицы, скорости ее движения, а также вязкости среды, поэтому нарастание скорости дрейфа ограничивается. Известно [1]: скорость дрейфа крупной частицы в поле коронного разряда пропорциональна напряженности электрического поля и квадрату ее радиуса, а мелкой — пропорциональна напряженности поля.

Спустя какое-то время частица достигает поверхности осадительного электрода, где удерживается за счет следующих сил [4]:

  • электростатических сил притяжения, обусловленных наличием заряда на частице;
  • молекулярных сил;
  • сил, обусловленных капиллярными эффектами (в случае присутствия достаточного количества жидкости и способности частицы и электрода к смачиванию).


znz06mptv7gwv0xs7yjzfulvx2g.png


Эти силы противодействуют воздушному потоку, стремящемуся сорвать частицу. Частица выведена из воздушного потока.

Как можно заметить, коронирующий промежуток электродной системы выполняет следующие необходимые для электрической очистки функции:

  • производство положительных ионов для зарядки частиц;
  • обеспечение электрического поля для направленного дрейфа ионов (необходимого для зарядки частиц) и для направленного дрейфа заряженных частиц к осадительному электроду (необходимого для осаждения частиц).


Поэтому электрический режим коронного разряда существенно влияет на эффективность очистки. Известно [4], что процессу электроочистки способствует увеличение мощности, затрачиваемой коронным разрядом — увеличение разности потенциалов, приложенной к электродам и/или силы тока разряда. Из ВАХ межэлектродного промежутка, рассмотренной ранее, видно, что для этого необходимо поддерживать предпробойное значение разности потенциалов (кроме того видно, что это непростая задача).

Некоторые факторы могут оказывать существенное влияние на процесс электрической очистки:

  • высокая количественная концентрация частиц загрязнений; приводит к дефициту ионов [2,3] (большая их часть осаждается на частицах), в результате чего снижается интенсивность коронирования, вплоть до прекращения (явление носит название запирание короны), ухудшению параметров электрического поля в промежутке [1]; это приводит к падению эффективности процесса зарядки;
  • накопление слоя пыли на осадительном электроде:
    • если слой обладает высоким электрическим сопротивлением, то в нем накапливается электрический заряд того же знака, что и заряд дрейфующих частиц (и полярность коронирующего электрода), в результате чего:
      • снижается интенсивность коронного разряда [2,3] (из-за деформации электрического поля в промежутке), что негативно отражается на процессе зарядки частиц и процессе дрейфа частиц к осадительному электроду;
      • заряженный слой оказывает отталкивающее действие на осаждающуюся частицу [2], имеющую заряд того же знака, что негативно отражается на процессе осаждения;
  • электрический ветер [1,2] (возникновение воздушного потока в направлении от коронирующего электрода в сторону осадительного электрода) в некоторых случаях может оказывать заметное влияние на траекторию движения частиц, особенно мелких.


Электродные системы электрических фильтров


По мере удаления от коронирующего электрода по направлению вдоль пластин, значение напряженности поля снижается. Условно выделим в межэлектродном промежутке активную область, в пределах которой напряженность поля принимает существенные значения; за пределами этой области необходимые для электрической очистки процессы неэффективны из-за недостаточной напряженности.

7rclaoha97by55oden7rsyu4nig.png


Сценарий движения частицы загрязнения на практике может отличаться от описанного ранее: например, частица так и не достигнет осадительного электрода (а), или осажденная частица может по каким-то причинам оторваться (б) от осадительного электрода с последующим уносом воздушным потоком:

3m2guzvoxlv4_socoih3kfwxmns.png


Очевидно, что для достижения высоких показателей качества очистки необходимо, чтобы выполнялись условия:

  • каждая частица загрязнения должна достигнуть поверхности осадительного электрода;
  • каждая частица, достигнувшая осадительного электрода, должна надежно удерживаться на его поверхности до момента ее удаления при чистке.


Напрашивается предположение, что следующие меры должны приводить к повышению качества очистки:

  • увеличение скорости дрейфа W;
  • снижение скорости воздушного потока Vв.п.; © Geektimes