ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современные электродные системы – основа для создания электрофильтров нового поколения

Как следует из теории осаждения частиц в электрофильтрах и анализа источников и систем регулирования напряжения (см. соответствующие разделы диссертации), наиболее эффективно электрофильтр работает, если обеспечивается максимум произведения Em · Eср. Причем максимальная напряженность Em соответствует максимальному заряду частиц, а среднее значение Eср вдоль поверхности осадительного электрода определяет процесс осаждения.

Рассматривая характерные значения напряженности, необходимо иметь в виду возможность изменения этих величин во времени и в пространстве.

Напряжение в условиях работы электрофильтра в режиме периодических пробоев имеет отличающиеся значения Um и Uср во времени, соответствующие им значения Em и Eср, как и ранее, отвечают за заряды частиц и среднюю скорость осаждения.

В отношении распределения напряженности в пространстве отметим, что наибольшая Em относится к области у вершин игольчатых электродов. Заряд частиц рассчитывается по величине напряженности:

Emз·Ецсл ,

 

где Eцсл – средняя напряженность вдоль центральной силовой линии, проходящей через иглу;

Kз – коэффициент, ответственный за увеличение заряда в области вблизи коронирующих электродов.

При выборе геометрии и характеристик коронирующих электродов впервые были сформулированы комплексные требования к ним:

1. Обеспечить наибольшее среднее значение напряженности у поверхности осадительного электрода.

2. Обеспечить наибольшее среднее значение напряженности поля вдоль центральной силовой линии, проходящей через кончики игл.

3. Обеспечить наибольшее значение напряженности вблизи кончиков игл.

4. Обеспечить равномерное распределение напряженности поля вдоль осадительного электрода.

5. Стремиться к «равнопрочной» конструкции, когда расстояние от концов игл до элементов осадительного электрода будет одинаковым.

Это достигается путем:

1. Увеличения числа игл. Расстояние между ними должно быть таким, чтобы они не экранировали друг друга.

2. Высота игл должна быть увеличена до 25 мм. Это способствует интенсификации коронного разряда.

3. Применения сдвоенных рядов игл и, соответственно, увеличенной ширины ленты.

4. Уменьшения расстояния между рядами игл (80 мм вместо 160 мм).

В наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяет конструкция, представленная на рис.1. В результате штамповки из ленты шириной 25 мм зубьев длиной 25 мм и отгиба их в разные стороны и на разный угол получаются 3 модификации коронирующего электрода. Конструкция электродной системы удовлетворяет условию равнопрочности
(lнаим = 205 мм при 2h = 460 мм).

Система электродов электрофильтра

Рис.1. Система электродов электрофильтра.

1 – коронирующие электроды; 2 – осадительные электроды

 

Представленная конструкция коронирующих электродов имеет особенность, заключающуюся в том, что используются коронирующие электроды трех типов. Хотя это не приводит к существенному усложнению конструкции, но все же в качестве близких промежуточных вариантов рассмотрены две системы. В каждой используются Н-образные электроды одной формы (на рис.1 обозначены пунктиром) с отгибом зубьев в одной плоскости в одну сторону () и в разные стороны ().

Наряду с этим исследовались электроды СФ-2, которые были предложены сравнительно недавно и успешно использовались фирмой «Кондор-Эко». Высота игл у электрода СФ-2 составляет 40 мм, разрядное расстояние при этом сокращается до 190 мм.

Для указанных систем электродов были исследованы параметры коронного разряда: вольтамперные характеристики, распределения плотности тока по поверхности осадительного электрода, распределения напряженности поля по всему межэлектродному пространству, включая труднодоступные участки, которые не исследовались ранее.

Осадительные электроды сложной формы были заменены плоскими электродами, так как особенности профиля сказываются на локальном распределении осаждающихся частиц в непосредственной близости к поверхности осаждения и не влияют на распределение и скорость осаждающихся частиц на некотором небольшом удалении от осадительного электрода, соизмеримом с масштабом неоднородностей.

При сложной форме коронирующих электродов необходимо сочетать теоретические и экспериментальные методы исследований.

Основой для расчета является метод Дейча-Попкова, который в принципе обладает универсальностью, но, как показано в работе, может быть использован только для центральной силовой линии и дает большую погрешность при расчете по всему промежутку.

Предложен модифицированный метод Дейча-Попкова, когда распределение напряженности при коронном разряде по всем силовым линиям определяется формулой:

где Е1(х, у, z) – распределение напряженности электрического поля вдоль произвольной силовой линии;

Е1r – значение электростатической напряженности у поверхности коронирующего электрода, где начинается рассматриваемая силовая линия rk, k – подвижность ионов.

Интегрирование в формуле (1) производится вдоль выбранной силовой линии электростатического поля от поверхности коронирующего электрода до рассматриваемой точки. Значения постоянной Сp определяются из условия:

где Up – напряжение на электрофильтре.

Расчетное значение плотности тока jпл находится по экспериментальной плотности тока на плоскости jэкс как:

jпл=jэксKk ,   (3)

 

Корректирующий коэффициент Кk отражает степень уменьшения плотности тока по отношению к экспериментальному значению для рассматриваемой силовой линии.

В результате сопоставления расчетных распределений напряженности с экспериментальными для однотипных электродов были определены значения коэффициента Кk. В значительной части промежутка примыкающей к центральным силовым линиям, он равен 0,6 и убывает до 0 непосредственно в областях между полосами с иглами.

Использование двух измененных значений jпл и Сp дает более универсальную и более удобную для достижения требуемой точности возможность рассчитывать любые сложные системы, тем более в тех случаях, когда экспериментальные исследования затруднены.

Сопоставления расчетных и экспериментальных распределений напряженности поля для вариантов игольчатых электродов подтвердили правомерность методики. Для расчета по формуле (1) необходимы распределения электростатического поля, для определения которых была использована оригинальная программа расчета трехмерных полей в сложных системах электродов, разработанная в МЭИ.

В качестве экспериментальных методов исследования были выбраны метод секционированного осадительного электрода для измерения плотности тока и метод изолированного пробного тела для измерения напряженности поля.

Метод секционированного электрода получил распространение благодаря относительной простоте и достижимой хорошей точности измерений.

Метод изолированного зонда также не требует сложного электрофизического оборудования, позволяет непосредственно измерить напряженность поля, и в этом его преимущество перед методом зондовых характеристик. Однако измерения с помощью изолированного зонда требую четкой организации и тщательного проведения в отношении обеспечения отсутствия даже минимальных утечек по подвесу и в отношении точности проведения измерений.

Для экспериментального исследования различных систем электродов электрофильтров был разработан специальный стенд.

Выбранные для анализа системы электродов, их характерные параметры и значения начального Uo и рабочего Up напряжения указаны в табл.1. Система 4–«ЛЗ» обозначает выпускаемый до настоящего времени типовой электрофильтр с обычным межэлектродным расстоянием и ленточно-зубчатыми коронирующими электродами.

 

Таблица 1. Характеристика систем электродов

 

№ сист. Обозначение кор. системы Lигл,
мм

2 h,
мм

hp,
мм

d,
мм

Uo,
кВ

Up,
кВ

1 Н 25 460 205 80 16 73,8
2 Н 25 460 205 80 16 73,8
3 СФ-2 40 460 190 160 11 68,4
4 ЛЗ 12 275 125 180 19 45

Рабочее напряжение определялось как Up = Ecp · hp.

При средней напряженности Ecp = 3,6 кВ/см работает большинство современных электрофильтров.

Распределение плотности тока по осадительному электроду получено экспериментально для всех систем электродов. Определение напряженности методом пробного тела из-за трудоемкости выполнено для ограниченного числа точек для систем 1 и 3. На этих же системах отработана методика расчета, которая использовалась для получения распределений напряженности по всему промежутку и для однотипных систем электродов.

Показано, что пересчет измеренных значений напряженности для определения распределений в целом по промежутку может производиться по формуле:

 

 

где E1, j1 – известные значения в точке 1, Ex – определяемая величина напряженности по известной плотности jx.

Расчетные по предложенной методике (1) и экспериментальные значения напряженности сопоставлены для систем 1 и 3 (рис. 2). Получено удовлетворительное соответствие. Это позволило произвести расчеты для системы 2 (рис. 3) и для всех систем по всему промежутку электрофильтров.

 

Рис.2. Распределение напряженности по линиям на расстоянии 10 мм (1,3) и 95 мм (2,4) от плоскости. Система электродов Н ;

Up =73,8 кВ. Сечение через иглы (1,2), с обратной стороны от игл (3,4) х––х эксперимент, - - - расчет. Отсчет от середины полосы

Рис.3. Распределения напряженности вдоль силовых линий в сечении проходящем через иглы. Система Н

U = 73,8 мм. Отсчет от плоскости. 1 – против иглы; 2 – между полосами; 3 – с обратной стороны от иглы

 

Распределение напряженности от плоскости к коронирующим электродам показывает (рис. 3), что из-за большой величины межэлектродного расстояния (hp = 205 мм) напряжение резко возрастает от минимального значения к плоскости (более чем в 3 раза). Такое распределение благоприятно для интенсификация осаждения частиц.

Для суждения об эффективности той или иной электродной системы были определены средние значения напряженности вдоль плоскости (Eср.ос). Средняя напряженность для основной части центральной силовой линии (исключая область повышенной напряженности у коронирующего электрода) необходима для оценки приобретаемого в поле коронного разряда заряда частиц (Eср.усл). Характерные значения напряженности для разных систем электродов представлены в табл. 2.

 

Таблица 2.

Характерные значения напряженности (кВ/см)

 

Системы
эл-дов

H H СФ-2 Л3
Напряжение Еср.ос. 4,36 4,27 3,96 3,25
Напряжение Еср.ц.с.л. 3,45 3,48 3,62 3,4
Напряжение Еср.общ. 3,6 3,6 3,6 3,6

Данные табл. 2 для всех систем электродов соответствуют одной и той же величине Ecp = 3,6 кВ/см, что и указано в нижней строке.

Из таблицы следует, что средняя напряженность у поверхности осадительного электрода примерно на 10 % превосходит значения для системы СФ-2 и на 30 % – систему с ленточно-игольчатыми электродами.

Таким образом, для электрофильтров нового поколения рекомендуются коронирующие электроды, представленные на рис. 1, а как промежуточные варианты – системы 1, 2 или 3 (Табл.1).