Осаждение частиц пыли в электрическом поле

Принцип очистки воздуха (газов) от взвешенных частиц заключается в зарядке частиц с последующим их выделением из взвешивающей среды под воздействием электрического поля.

При обычных условиях большая часть молекул газа нейтральна, т.е. не несет электрического заряда того или иного знака; вследствие действия различных физических факторов в газе всегда имеется некоторое количество носителей электрических зарядов. К таким факторам относятся сильный нагрев, радиоактивное излучение, трение, бомбардировка газа быстродвижущимися электронами или ионами и др.

Если в электрическом поле между электродами создать определенное напряжение, то носители зарядов, т.е. ионы и электроны, получают значительное ускорение, и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних. Ионизация заключается в том, что с орбиты нейтральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов. В результате происходит превращение нейтральной молекулы в положительный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.

Часть межэлектродного пространства, прилегающая к коронирующему электроду, в которой происходит ударная ионизация, называется коронирующей областью. Остальная часть межэлектродного пространства, т.е. между коронирующим и осадительным электродами, называется внешней областью.

Вокруг коронирующего электрода наблюдается голубовато–фиолетовое свечение (корона). Коронный разряд сопровождается также тихим потрескиванием. При коронном разряде происходит выделение озона и оксидов азота.

Образовавшиеся в результате ударной ионизации ионы и свободные электроны под действием поля также получают ускорение и ионизируют новые молекулы. Таким образом, процесс носит лавинообразный характер. Однако по мере удаления от коронирующего электрода напряженность электрического поля уже недостаточна для поддержания высоких скоростей, и процесс ударной ионизации постепенно затухает.

Носители электрических зарядов, перемещаясь под действием электрического поля, а также в результате броуновского движения, сталкиваются с пылевыми частицами, взвешенными в газовом потоке, проходящем через электрофильтр, и передают им электрический заряд.

Большая часть взвешенных частиц, проходящих в межэлектродном пространстве, получает заряд, противоположный знаку осадительных электродов, перемещается к этим электродам и осаждается на них. Некоторая часть пылевых частиц, находящихся в сфере действия короны, получает заряд, противоположный знаку коронирующего электрода, и осаждается на этом электроде.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие электрическую очистку газов (воздуха) от пылевых частиц.

Основной закон взаимодействия электрических зарядов – закон Кулона – выражается формулой:

,

где , – величины взаимодействующих точечных зарядов; – расстояние между ними; –коэффициент пропорциональности ( >0).

Под точечными зарядами понимают заряды, находящиеся на телах любой формы, причем размеры тел малы по сравнению с расстоянием, на котором сказывается их действие.

Коэффициент пропорциональности зависит от свойств среды. Этот коэффициент может быть представлен в виде отношения двух коэффициентов:

,

где – коэффициент; – безразмерная величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью среды (для вакуума = 1).

Закон Кулона может быть выражен:

Коэффициент в системе СИ принимают ; здесь – электрическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу:

,

где .

Для характеристики электрического поля применяют физическую величину – напряженность поля . Напряженностью в какой–либо точке электрического поля называют силу, с которой это поле действует на одиночный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Коронный разряд возникает при определенной напряженности поля. Эта величина называется критической напряженностью и для отрицательной полярности электрода может быть определена по эмпирической формуле Пика:

,

где – отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (), определяемое по формуле:

,

здесь – барометрическое давление, Па; – величина разрежения или абсолютного давления газов, Па; – температура газов, ; – радиус коронирующего электрода. Формула Пика предназначена для воздуха, но с некоторым приближением может применяться и для дымовых газов.

Предельный заряд частиц диаметром более 1 мкм определяют пай формуле:

,

где – число элементарных зарядов; – величина элементарного заряда, равная Кл; – радиус частицы, м; – напряженность электрического поля, В/м.

Формула непосредственно применима, если диэлектрическая проницаемость вещества пыли равна 2,5. Для многих веществ значение значительно отличается: для газов = 1; гипса = 4; окислов металлов = 12...18; металлов .

Если , то значение , полученное по формуле, умножают на поправку, представляющую собой отношение:

,

где – значение при ; . При , ; при , .

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному значению (таблица 10).

 

Таблица 10

Зависимость заряда от времени зарядки частиц

Время зарядки, с				1,0
Заряд, в % от предельного	13,8	61,0	94,0	99,5

 

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, можно определить по формуле:

,

где – напряженность электрического поля, В/м; – радиус частицы, м; – динамическая вязкость газа (воздуха), .

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в электростатическом поле, м/с, может быть определена по формуле:

.

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть определена по формуле, полученной теоретическим путем:

.

где – скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному электроду, м/с; – удельная поверхность осаждения, т.е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 очищаемого газа (воздуха), .

Степень эффективности очистки, определенная теоретически, несколько отличается от действительной эффективности, так как исходит из идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на эффективность. Обычно пользуются практическими данными об эффективности.