Аэрозольные электрогазодинамические устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аэрозольные электрогазодинамические устройства

1. Общая характеристика

В аэрозольных электрогазодинамических устройствах имеет место одновременное движение заряженных жидких или твердых частиц малого размера в электрическом поле и под действием потока газа или воздуха. Отличительной чертой этих устройств является то, что роль газового потока не сводится только к пассивному переносу частиц. Более того, взаимодействия заряженных движущихся в электрическом поле частиц с потоком приводит к существенному изменению газодинамических характеристик самих потоков: скорости, давления, температуры. Это связано с отбором или вводом дополнительной энергии в поток.

Основным элементом электрогазодинамического устройства является профилированный газодинамический канал с диэлектрическими стенками (рис. 11). Профиль канала рассчитывается таким образом, чтобы получить наиболее благоприятное для работы устройства распределение скорости и давления в потоке по длине. Например, в наиболее узкой части канала получается наибольшая скорость. Для того, чтобы обеспечить при возрастании скорости переход через звуковой барьер, используется сопло специальной формы сопло Лаваля состоящее из сочетания сходящихся расходящихся конических частей.

Рис. 1. Общая схема электрогазодинамического устройства

1 - профилированное сопло; 2,3,4 - электроды;

Вторым важным элементом устройства является ряд электродов, кольцевых или в виде игл и сеток, которые соединены с источником высокого напряжения или подключены к нагрузке (рис. 1, электроды 2, 3, 4). В зависимости от назначения количество электродов, их расположение и форма могут быть самыми различными. Под действием напряжения, приложенного к электродам или зарядов, накопленных на них, в устройстве создаются электрические поля, совпадающие или противоположные по направлению газовому потоку.

Поток газа содержит частицы определенного размера и концентрации. Эти частицы вводятся в поток специальным устройством распылителем порошкового материала или жидкости. Второй вариант, когда в электрогазодинамических устройствах конденсационного типа частицы получаются в результате процессов конденсации пересыщенного пара, если, например, используется влажный воздух или водяной пар.

Аналогичные условия имеют место в отношении зарядки частиц. Заряд частицам сообщается либо предварительно за пределами устройства или они заряжаются тем или иным способом внутри сопла.

В рассматриваемых устройствах целесообразно использовать частицы размером 0,30,7 мкм, так как частицы подобного размера обладают минимальной подвижностью в электрическом поле (см. гл. 5). Минимальная подвижность частиц является условием для наиболее интенсивного обмена энергией между частицами и потоком.

Действительно, при использовании в качестве заряженных частиц ионов, подвижность которых в электрическом поле на несколько порядков выше, приводит к проскальзыванию и неполному увлечению их потоком и, как результат, недостаточно эффективному обмену энергией между частицами и потоком.

На основе процессов конденсации с последующим укрупнению частиц в условиях пересыщения могут быть получены частицы размером, примерно соответствующим минимуму подвижности.

Характерными представителями рассматриваемых устройств являются конденсационные ЭГД-генераторы заряженного аэрозоля, ЭГД-генераторы (источники электроэнергии), ЭГД-компрессоры (для перекачки газа или жидкости).

2. Конденсационные ЭГД-генераторы заряженного аэрозоля

Работу устройства поясним, используя рис. 11. В качестве рабочей среды применяется водяной пар, который поступает в сходящееся коническое сопло слева. При движении в сходящемся коническом сопле скорость его движения возрастает, а давление и температура падают. Режим подбирается таким, чтобы перед входом в цилиндрическую часть сопла пар переходил в насыщенное состояние, и в результате конденсации образовывались капли воды.

Зарядка обеспечивается за счет коронного разряда между иглой 2 и кольцевым электродом 3 (рис. 11) при подаче постоянного напряжения на иглу. Положительные ионы во внешней области коронного разряда осаждаются на каплях и на выходе цилиндрической части устройства формируется поток заряженного аэрозоля.

Правая часть сопловой системы профилируется таким образом, чтобы избежать накопления объемного заряда на выходе (скорость потока должна быть больше 1520 м/с) и обеспечить отсутствия разрядов между струей заряженного аэрозоля и заземленными частями оборудования вблизи выхода генератора.

Основной характеристикой генераторов заряженного аэрозоля является ток выноса, который измеряется в цепи сетчатого коллектора, размещенного на выходе генератора (рис. 1, электрод 4). Современные генераторы обеспечивают ток выноса до 200 мкА.

3. ЭГД-генераторы

Схема простейшего варианта ЭГД-генератора представлена на рис. 12. Это устройство служит для преобразования энергии газового потока в электрическую энергию. Работает устройство следующим образом.

Высокоскоростной газовый поток (V_пот  50 м/с) содержащий мелко дисперсные частицы (2а  0,10,7 мкм) поступает в зарядное устройство, образованное коронирующим (сетка с иглами) и заземленным (сетка) электродами. Частица заряжается во внешней зоне коронного разряда. Если на электрод 3 (рис. 14.2) подано постоянное напряжение положительной полярности, то частицы приобретают положительный заряд.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14.2. Схема ЭГД-генератора

1 канал с диэлектрическими стенками;

2 газовый поток;

3 коронирующий электрод зарядного

устройства;

4 заземленный электрод-сетка;

5 коллектор; R_н - нагрузка.

Далее заряженные частицы с потоком поступают в рабочий промежуток между электродами 4 и 5. Коллектор 5 состоит из параллельных рядов металлической сетки для того, чтобы заряженные частицы, сталкиваясь с поверхностью коллектора, отдавали ему свой заряд.

Таким образом на коллекторе накапливается заряд Q_к и он приобретает потенциал U_к относительно заземленных электродов. Если R_н представляет собой сопротивление нагрузки, то под действием напряжения U_к через него будет протекать ток.

В рабочем промежутке на частицы действует электрическая сила F_q=Eq, обусловленная напряжением на коллекторе, и противоположно действующая гидродинамическая сила, увлекающая частицы с потоком. Накопление заряда на коллекторе и, следовательно, увеличение напряжения U_кол будет происходить до тех пор, пока газодинамическая сила будет превосходить тормозящую электрическую силу. Другой возможный предельный случай определяется пробоем из-за увеличения напряженности в рабочем промежутке.

В качестве характерных параметров ЭГД-генераторов можно указать напряжение на коллекторе 100 кВ и ток в цепи нагрузки 100 мкА при напряжении на зарядном устройстве 10 кВ и примерно том же значении тока. Таким образом, выигрыш в получаемой мощности соответствует соотношению между напряжением на коллекторе и напряжением на зарядном устройстве.

4. ЭГД-компрессор

электрогазодинамический компрессор генератор заряженный

Это устройство используется для создания перепада давления в газе и организации соответствующего движения газовой среды. В этом случае электрическая энергия преобразуется в энергию газового потока.

Электрическое поле в рабочем промежутке устройства создается за счет приложенного напряжения между коронирующим и заземленным электродами. В качестве коронирующего электрода можно использовать сетку с иглами, а заземленный электрод может быть выполнен в виде кольца или сетки. При положительной полярности напряжения на коронирующем электроде в рабочем промежутке под действие поля движутся положительные ионы в направлении слева направо. Сила, действующая на единицу объема рабочего промежутка, равна

F=E,

где - плотность объемного заряда.

Если ввести в газ частицы аэрозоля, то величина представляет собой плотность объемного заряда частиц.

Как при использовании аэрозоля, так и в случае движения ионов, сила, действующая на объемный заряд, практически означает силу, действующую на газовую среду, так как кинетическая энергия движущихся ионов или аэрозольных частиц мала.

Как уже указывалось, появление силы, действующей на газовую среду, вызывает ее движение. Такое явление под названием «электрический ветер» известно уже давно и используется в электростатических вентиляторах. Хотя коэффициент полезного действия этих устройств невелик, простота конструкции и отсутствие движущихся частей делают их привлекательными для использования в быту.

В общем случае применение ЭГД-компрессоров может быть привлекательным для холодильников различного назначения. Однако предстоит еще большая работа по оптимизации этих устройств, повышению предельных параметров (в особенности по величине достигаемого перепада давления), надежности и экономичности.

Размещено на Allbest.ru