Зарядка частиц

«Основы электротехнологий.
Электротехнологические процессы
и аппараты»
Электронно-ионные технологии
(технологии на основе коронного
разряда).
Физические основы и техническая
реализация
ВВЕДЕНИЕ
Высоковольтные технологии:
• технологии, основанные на
применении сильных электрических
полей (электронно-ионные технологии)
•
электроимпульсные технологии
•
плазмохимические технологии
ВВЕДЕНИЕ
Если частицам мелкодробленого
(диспергированного) материала сообщен
некоторый заряд, то на эти частицы в
электрическом поле действует сила
F = Eq,
которая заставляет частицы двигаться.
ВВЕДЕНИЕ
Преимущества
•
Непосредственное воздействие электрической энергии на
обрабатываемый материал (без дополнительных потерь,
сопровождающих эти промежуточные трансформации)
•
Все вещества в природе (проводящие, полупроводящие,
диэлектрические) могут тем или иным способом быть заряжены и
далее подвергнуты силовому воздействию электрического поля.
(универсальность методов рассматриваемой технологии)
•
Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное
управление процессами за счет возможности плавного
регулирования в широких пределах величины напряжения
(возможность обеспечения высокого класса точности)
ВВЕДЕНИЕ
К недостаткам можно отнести то, что наиболее эффективное
воздействие электрических полей на сырье проявляться в случае,
если последнее находится в диспергированном состоянии.
В тоже самое время огромная же масса обрабатываемого
сырья по своей природе либо уже находится в диспергированном
состоянии, либо легко может быть приведена в такое состояние
при добыче и последующей обработке (добыча полезных
ископаемых).
Формы силового воздействия электрического
поля на частицы сырья и конечный результат
Частицы вещества при помещении их в электрическое поле
поляризуются.
Если они продолговатой формы, то возникают силы,
ориентирующие частицы по силовым линиям поля.
Эта способность лежит в основе технологий изготовления
текстильных и композиционных материалов - Электропрядение
Так как свойства отдельных частиц отличаются, то возникают силы,
которые кроме ориентации заставляют частицы двигаться с
различными скоростями и по различным траекториям.
Это позволяет осуществлять сепарацию и классификацию частиц
по диэлектрическим свойствам, электропроводности и размерам Электросепарация
Формы силового воздействия электрического
поля на частицы сырья и конечный результат
При наличии избыточного электрического заряда частицы
независимо от физических свойств будут двигаться в
электрическом поле по направлению к электродам, имеющим заряд
противоположный по знаку заряду частиц.
Это позволяет выделять частицы из несущей их газовой среды, т.е.
осуществлять очистку газа от жидких и твердых диспергированных
материалов – Электрофильтрация
Частицы, осаждаясь на электрод, удерживаются на его поверхности
за счет сил зеркального отображения, создавая плотный слой.
При этом имея одноименный заряд, частицы расталкиваются и
обеспечивают равномерность покрытия - Нанесение полимерных
порошковых покрытий
Формы силового воздействия электрического
поля на частицы сырья и конечный результат
Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность
фотополупроводников, с заряженными частицами проявляющих
материалов приводит к их избирательному осаждению Электропечать
Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными
зарядами позволяет произвести однородное смешивание
материалов
Воздействие сильного поля коронного разряда на
сельскохозяйственную продукцию с целью увеличения сроков его
хранения.
КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц
и его характеристики)
Коронный разряд  это характерная форма самостоятельного
газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях.
Главной особенностью этого разряда является то, что
ионизационные процессы электронами происходят не по всей
длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи
электрода с малым радиусом кривизны (так называемого
коронирующего электрода).
Эта зона характеризуется значительно более высокими
значениями напряженности поля по сравнению со средними
значениями для всего промежутка.
КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц
и его характеристики)
В технологических процессах главную роль играет внешняя зона
коронного разряда
Система уравнений
поля для внешней
зоны коронного
разряда

divE    0 ;

 E   grad ;
 
divJ  0;


 J    kE.
(1)
(2)
(3)
(4)
.
КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц
и его характеристики)
Граничные условия:
(1) – (2) значения потенциалов электродов:
коронирующего  1 = U и некоронирующего  2 = 0
(3) - производная потенциала у поверхности
коронирующего электрода равна начальной
напряженности независимо от интенсивности
коронного разряда:

r r  r0  E0
КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц
и его характеристики)
Подвижность ионов определяется как скорость движения ионов
в поле единичной напряженности и зависит от времени
существования ионов.
С течением времени подвижность ионов уменьшается за счет
увеличения эквивалентной массы ионов в результате
присоединения нейтральных молекул к первичному иону или
электрону.
В диапазоне времен до 0,5 мс подвижности положительных и
отрицательных ионов постоянны и составляют:
k+ = 2,1 см2/(Вс),
k = 2,24 см2/(Вс).
Характеристики коронного разряда между
коаксиальными цилиндрами
1 d
 rE     0
r dr
(1)
A  2rJ
(4)
(5)
rE

r0 E0
(4)
(5)
  A 2rkE
rEd rE  
A
r
(6)
rdr

k
2  0 r
0
Характеристики коронного разряда между
коаксиальными цилиндрами
rE

rEd rE  
r0 E0
E
При r >> r0
A
r
rdr

k
2  0 r
0

r02   E0 r0 
1  2   

2 0 k  r   r 
A
E
2
(7)
 E0 r0 


2 0 k  r 
A
2
(8)
Характеристики коронного разряда между
коаксиальными цилиндрами
Для интенсивного коронного разряда,
когда U >> U0 (U0  начальное напряжение)
E
(9) E 
A
(1) - электростатическое поле
(2) - поля при униполярном коронном разряде между
коаксиальными
цилиндрами
r R
r0
E0
2 0 k
1
2
r0
R
r
Характеристики коронного разряда между
коаксиальными цилиндрами
Распределения напряженности поля при коронном
разряде для системы «проводплоскость»
E
y
E0
r0
2
h
x
1
r0
h
x
1  электрический 2  при коронный разряд
КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц
и его характеристики)
 0,298 

E0  30 ,3 1 


r

0


начальная
напряженность
промежутка
U 0  E0 r0 ln
начальное
напряжение
R
r0
Uнач(+) > Uнач(-)
КОРОННЫЙ РАЗРЯД (как источник заряженных частиц
и его характеристики)
Uр, кВ
1150
900
Uр(-) > Uр(+)
1
2
750
600
450
300
150
50 100 150 200
L, см
Разрядные напряжения
воздушных промежутков
стержень-плоскость
при отрицательной (1)
и положительной (2)
полярностях постоянного
напряжения питания
стержня
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Структурная схема типовой технологической установки
Зарядное
устройство
Камера
организации
движения частиц
Источник
высокого
напряжения
Камера
формирования
готового продукта
Зарядка частиц
(ИОННАЯ)
Увеличение заряда частицы определяется количеством
ионов, попадающих на частицу в единицу времени
dq
 e fds
dt
S

(11)
Поток ионов на частицу определятся движением ионов под
действием электрического поля и движением, вызванным
диффузией ионов за счет градиента концентрации ионов:
f  nkE  D grad n
(12)
Зарядка частиц
(ИОННАЯ)
Выделяется 2 механизма зарядки частиц:
«ударная» зарядка – это зарядка частица за счет осаждения
ионов под действием электрического поля
Dgradn << nkE
«диффузионная» зарядка - это зарядка частица за счет
осаждения, когда преобладает движение ионов под действием
диффузионного механизма
Dgradn >> nkE
Для условий, наблюдаемых в аппаратах электронно-ионной
технологии, когда Е ~ (13) кВ/см:
- при размерах частиц 2а << 0,1 мкм - преобладает
«диффузионный» механизм зарядки,
- для частиц размером 2а >> 1 мкм - преобладает «ударная»
зарядка.
Зарядка частиц
(УДАРНАЯ ИОННАЯ)
E  Eвн  Eп  Eq  E3

Евн
А

а


(13)
Зарядка частиц
(УДАРНАЯ ИОННАЯ)
Eвн п  Eп п  Eвн cos 
2  1
Eвн cos  Eвн k cos
 2
k  1  2  1   2  3   2
q
Eq 
2
40 a
(14)
- коэффициент, учитывающий
относительную
диэлектрическую
проницаемость частицы
(15)
Для малых размеров частиц полем зеркального отображения иона
можно пренебречь
Зарядка частиц
(УДАРНАЯ ИОННАЯ)
Е
(11) и (12)
dq
q
 ek  nk Eвн cos
ds
dt
4 0 a 2
en0 k
dq
2



q(t )  qm
dt 4 0 qm
qm  4 0k a Eвн
2
(16)
(17)
- максимальный заряд частицы
Зарядка частиц
(УДАРНАЯ ИОННАЯ)
en0 kt
q(t )  qm
4 0  en0 kt
Для проводящей частицы можно считать, что
qm  12 0a Eвн
2
(18)
k  3
 
(19)
Зарядка частиц
(УДАРНАЯ ИОННАЯ)
При биполярной короне
en
k


1
qпред  qm
v+ = en+k+
v = enk
1
en k
en k
(20)
en k
- проводимости, определяемые
положительными и отрицательными
зарядами
qпред < qm
Зарядка частиц
(ДИФФУЗИОННАЯ)
Для малых частиц (2а << 0,1 мкм)
dn
q
Φ   (D
 kn
)ds
2
dr
4 0 a
s
t
где
0
en0k
Ei ( A)  c0  ln A
(21)
(22)
Ei  интегральная показательная функция;
А = kq/(D40a);
c0=0,577  постоянная Эйлера
Зарядка частиц
(ДИФФУЗИОННАЯ)
A~q
6
Зависимость параметра А от
времени зарядки и
концентрации ионов
4
2
0
1
2
3
7
n0t, 10 с см 3
0,1 а 1 мкм
Зарядка частиц
(ИНДУКЦИОННАЯ)
Движение сферической проводящей частицы в поле
плоского конденсатора
Е
1
2
3
Индукционная зарядка проводящей частицы,
находящейся на электроде в поле униполярного
коронного разряда
A
2=1
v2
x
jвн
n0
j1
a
1
v1
Eвн

E1
x
z
y
2b
2с
Частицу в виде
проводящего
полуэллипсоида,
находится на
поверхности плоского
электрода в
электрическом поле
(1  ,
удельные
электропроводности
v1 = v2 = 0)
Индукционная зарядка проводящей частицы,
находящейся на электроде в поле униполярного
коронного разряда
Напряженность электрического поля у поверхности
проводящего полуэллипсоида Еn
2
2
2
Eвн x  x   y   z  
En   2  2    2    2  
a d a  a   b   c  

1
2
(23)
где
a, b, c  полуоси эллипсоида,
da  коэффициент деполяризации эллипсоида в направлении оси x.
Коэффициент деполяризации отражает изменение напряженности
поля эллипсоидом в направлении соответствующей оси.
- Для сферы имеем da = db = dc = 1/3.
- Если сфера моделируется полуэллипсоидом, то b/a = c/a = 0,5 и
da = 0,172.
Индукционная зарядка проводящей частицы,
находящейся на электроде в поле униполярного
коронного разряда
Плотность поверхностного заряда связана с напряженностью
поля у поверхности электрода:
   0 En
(24)
Индукционный заряд полуэллипсоида определяется по формуле
q   ds   0  En ds
s
(23)
(25)
s
(25)
q   0 Eвн bc
da
(26)
Проводящая частица на поверхности электрода в электрическом
поле, вектор напряженности которого направлен к поверхности
электрода, приобретает отрицательный заряд и на нее действует
отрывающая от поверхности электрическая сила
Индукционная зарядка полупроводящей
частицы, находящейся на электроде в поле
униполярного коронного разряда
A
2=1
v2
x
jвн
n0
j1
a
1
v1
Eвн

E1
x
z
y
2b
2с
Частица
характеризуется
определенной
величиной удельной
объемной
электропроводности
v1 и находится в поле
униполярного
коронного разряда,
v2  0 и Jвн  0
Индукционная зарядка полупроводящей
частицы, находящейся на электроде в поле
униполярного коронного разряда
При
1v2 > v1 (частица плохо проводящая)
q > 0, - частица приобретает избыточный
положительный заряд и на нее действует прижимающая
электрическая сила
При
1v2 < v1 (частица хорошо проводящая)
q< 0 - частица приобретает избыточный отрицательный
заряд и на нее действует отрывающая электрическая
сила
Статическая электризация
Статическая электризация происходит при контакте и
последующем разделении тел, обладающих различными
физическими или химическими свойствами.
Контактирующие тела приобретают заряды различных
знаков.
Материал, для которого работа выхода Авых меньше, при
контакте более легко теряет электроны и, таким образом,
заряжается положительно.
Для большинства диэлектрических частиц действует правило
Коэна - при приведении в контакт и разъединении двух
диэлектриков, вещество с большей относительной
диэлектрической проницаемостью заряжается положительно.
Движение частиц в электрическом поле
Распределение скорости воздуха вокруг
движущегося тела
Уравнение НавьеСтокса
du
2
в
 
p   u
в F  grad
 
dt
 внешние
силы
силы
сила
инерции
силы
давления
(32)
вязкости
Уравнение неразрывности течения жидкости:
div u  0
36
Движение частиц в электрическом поле
Число Рейнольдса - соотношение между
силами инерции и вязкости
Re 
Fинерции
Fвязкости
u
du  в
в
l
 в ul ul
dt
u




2


 u  u 2
l
Для движущейся сферической частицы
Re   2a

(34)
(33)
Движение частиц в электрическом поле
При Re 0,5:
Fc  C x
Fc  6a
 в
C x  f (Re)
2
s
(35)
Движение частиц в электрическом поле
Экспериментальная зависимость
C x  f (Re)
Cx
103
102
10
Стокс
1
10-2
10-1
1
10
102
Re
Движение частиц в электрическом поле
B q,
2
см /кВс
200
100
80
40
2
20
1
10
8
4
2
1
3
2
1
10 3 10 3 10 3
1
3
10
3
a, мкм
Зависимость
подвижности B
от радиуса
частиц
Движение частиц в электрическом поле
Силы, действующие на частицу несферичной
формы
2
E
+
1
_
Mгд