Исследование ионизации газа для создания модели електрофильтра

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Исследование ионизации газа для создания модели електрофильтра

Пронин Е.Д. 1
1МБОУ "Гимназия №6"
Шульпина Т.В. 1
1МБОУ "Гимназия №6"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Возможность дышать чистым воздухом — это наша физиологическая потребность, залог здоровья и долголетия. Однако, мощные современные производственные предприятия загрязняют окружающую нас среду и атмосферу промышленными выбросами, опасными для человека.

Содержащиеся в воздухе мелкие пылевые частицы PM10 и PM2.5 (PM10 и PM2.5 это частицы того или иного вещества диаметром от 10 микрометра (мкм) и 2.5 мкм и менее)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 повышает риск возникновения респираторных заболеваний, заболеваний сердечнососудистой системы и некоторых онкологических заболеваний. Высокотоксичные частицы (содержащие свинец, кадмий, мышьяк, бериллий, теллур, и др., а также радиоактивные соединения) представляют опасность даже при небольших концентрациях.

Обеспечение чистоты воздушной среды при выполнении технологических процессов на предприятиях и удаление вредных примесей из нее в быту — вот те задачи, которые могут выполнять электростатические фильтры. По данным разных источников я узнал, что чистота очистки газа электрофильтрами доходят до 98%, меня заинтересовал этот вопрос, и я решил посвятить ему свое исследование.

 Гипотеза: одним из эффективных способов очистки воздуха являются электрофильтры.

Цель исследования: создать модель электрофильтра.

Задачи исследования:

изучить явление ионизации;

познакомиться с примерами устройств электрофильтров;

выяснить от чего зависит эффективность работы электрофильтров;

провести практическое исследование эффективности работы электроочистки воздуха от физических параметров установки;

создание электрофильтра.

Основная часть

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду. В воздух поступают аэрозольные частицы (пыль, дым, туман), газы, пары, а также микроорганизмы и радиоактивные вещества. Для высокоэффективной очистки технологических газов и воздуха используют электрофильтры.

Первая такая конструкция зарегистрирована патентом США №895729 в 1907 году. Ее автор — Фредерик Коттрелл занимался исследованиями методов отделения взвешенных частиц из газообразных сред.

Для этого он использовал действие основных законов электростатического поля, пропуская газообразные смеси с твердыми мелкодисперсными примесями через электроды с положительным и отрицательным потенциалами. Противоположно заряженные ионы с частицами пыли притягивались к электродам, оседая на них, а одноименные — отталкивались. Эта разработка послужила прототипом для создания современных электростатических фильтров.

1.1 Физические основы работы электрофильтра

Чтобы понять принцип работы электрофильтра, следует сначала рассмотреть электрическую цепь. Она состоит из таких элементов, как источник тока и двух, параллельно расположенных друг к другу металлических пластин, которые разделены между собой воздухом. Это устройство представляет собой не что иное, как воздушный конденсатор, однако электрический ток в такой цепи течь не будет, потому что слой воздуха между пластинами, как, впрочем, и другие газы, не способен проводить электричество.

Однако стоит только приложить к металлическим пластинам необходимую разность потенциалов, как гальванометр, подключенный к этой цепи, зафиксирует прохождение электрического тока из-за ионизации слоя воздуха между этими пластинами. Что касается ионизации газа между двумя электродами, то она может возникать в двух случаях:

1. Несамостоятельно, то есть с применением каких-либо «ионизаторов», к примеру, рентгеновских или других лучей. После того, как воздействие этого «ионизатора» будет закончено, начнет постепенно наступать рекомбинация, то есть будет происходить обратный процесс: ионы различных знаков вновь станут соединяться между собой, образовывая электронейтральные молекулы газа.
2. Самостоятельно, осуществляется за счет повышения в электросети напряжения до величины, которая превышает величину диэлектрической постоянной используемого газа.

При электрической очистке газов применяется только вторая ионизация. Если начать увеличивать разность потенциалов между металлическими пластинами, то в какой-то момент она обязательно достигнет критической точки, воздух будет «пробит» и в цепи резко возрастет сила тока, а между металлическими пластинами появится искра, которую назвали – самостоятельный газовый разряд.

Молекулы воздуха под напряжением начинают расщепятся на положительно и отрицательно заряженные ионы и электроны. Под воздействием электрического поля ионы двигаются к электродам, которые заряжены противоположно. С увеличением напряжения электрического поля скорость, а, соответственно, и кинетическая энергия ионов и электронов начинает постепенно возрастать. Когда их скорость доходит до критической величины и несколько превышает ее, они расщепляют все нейтральные молекулы, встречающиеся на пути. Так происходит ионизация всего газа, находящегося между двумя электродами.Когда между параллельно расположенными пластинами одновременно образуется довольно значительное число ионов, сила электрического тока начинает сильно возрастать и появляется искровой разряд.

Самостоятельную ионизацию в методике электроочистки газов осуществляют путем приложения на электроды высоких напряжений. При ионизации данным способом нужно, чтобы слой газа пробивало лишь на некотором отрезке расстояноя между двумя электродами. Необходимо чтобы часть газа оставалась непробитой и служила в своем роде изоляцией, которая бы предохраняла от короткого замыкания параллельные электроды от возникновения искры или дуги. Создают такую «изоляцию» путем подбора формы электродов, а так же расстояния между ними в соответствии с напряжением.

Стоит отметить, что электроды, которые представлены в виде двух параллельных плоскостей, в этом случае не подойдут, так как между ними в любой точке поля всегда будет одинаковое напряжение, то есть поле будет однородным. Когда разность потенциалов между одним плоскими электродами достигнет величины пробивного напряжения, весь воздух будет пробит и появится искровой разряд, однако ионизации воздуха не случится, так как все поле однородно.

Неоднородное поле может возникнуть только между электродами, которые имеют вид концентрических цилиндров (трубы и провода), либо же плоскости и цилиндра (пластина и провода). Непосредственно вблизи провода напряжение поля настолько большое, что ионы и электроны становятся способны к ионизации нейтральных молекул, однако при удалении от провода напряжение поля и скорость движения ионов уменьшаются, и ударная ионизация не возникает.

Соотношение между величиной радиуса трубы (R) и провода (r) должно быть определенным во избежание появления искры между двумя цилиндрическими электродами. Расчеты показали, что R/r должно быть больше или равным 2,72.

Появление вокруг проволоки слабого свечения или так называемой «короны» является основным видимым признаком того, что наступил ионный разряд. Такое явление называется коронным разрядом. Провод (электрод), вокруг которого возникает свечение, называют коронирующим электродом. «Корона» в зависимости от того к каким полюсом соединен провод, бывает либо положительной, либо отрицательной. При электрической очистке газов используют только второй вариант, то есть отрицательную «корону». Хотя она, в отличие от положительной, менее равномерна, все же такая «корона» способна допускать более высокую критическую разность потенциалов.

2.1 Принцип работы электрофильтра

Электрофильтр — устройство, предназначенное для очистки технологических газов и аспирационного воздуха от находящихся в них взвешенных частиц посредством воздействия электрического поля.

Процесс улавливания взвесей в электрофильтре можно условно разделить на несколько этапов:

зарядка взвешенных частиц;

движение заряженных частиц к электродам;

осаждение заряженных частиц на электродах;

регенерация электродов — удаление с поверхности электродов уловленных частиц;

удаление уловленной пыли из бункерной части электрофильтра.

.

На пластинчатые листовые электроды (принято называть термином «осадительные»), собранные в отдельные секции, и размещенные между ними металлические нити-сетки прикладываются потенциалы противоположных знаков от источника постоянного тока. Величина напряжения между сеткой и пластинами в бытовых приборах составляет несколько киловольт, на промышленных объектах на порядок больше. Через эти электроды вентиляторами по специальным воздуховодам пропускается поток воздуха или газов, содержащий механические примеси и бактерии.

Под действием высокого напряжения формируется сильное электрическое поле и поверхностный коронный разряд, стекающий с нитей (коронирующих электродов). Он приводит к ионизации прилегающего к электродам воздуха с выделением анионов (+) и катионов (—), создается ионный ток.

Ионы с отрицательным зарядом под действием электростатического поля движутся к осадительным электродам, попутно заряжая встречные примеси. На эти заряды действуют электростатические силы, создающие скопление пыли на осадительных электродах. Таким способом происходит очищение прогоняемого сквозь фильтр воздуха.

При работе фильтра слой пыли на его электродах постоянно увеличивается. Его периодически необходимо удалять. У бытовых конструкций эта операция выполняется вручную. На мощных производственных установках осадительные и коронирующие электроды механически встряхивают для направления загрязнений в специальный бункер, откуда их забирают на утилизацию.

2.2 Схема электрофильтров и их преимущество

Электрофильтры состоят из следующих основных элементов:

корпус;

системы осадительных электродов;

системы коронирующих электродов;

узлы подвода и распределения запыленных газов;

устройства для удаления (вывода) уловленной с электродов пыли;

изоляторные коробки для ввода в аппарат тока высокого напряжения.

Преимущества  электрической очистки газов:

1.Можно добиться самой высокой чистоты газа (в пределах от 95 до 99,9%)
2.Небольшие затраты энергии – ее расход на осаждение частиц пыли составляет всего от 0,1 до 0,8 киловатт на тысячу кубометров газа;

3.Процедуру очистки газа можно производить даже при довольно высоких температурах, а так же в химически агрессивных средах;

4.Весь процесс очистки можно полностью автоматизировать.

2.3 Эффективность электроочистки. Сила тока и напряжение

Эффективность электроочистки зависит, главным образом от того, насколько правильно выбраны сила тока и напряжение, которое подводится к электродам. Для электрофильтров используют только постоянный ток. Это делается для того, чтобы частицы, взвешенные в газе, двигались лишь в одном направлении. Если же электрофильтр будет питаться переменным током, то направление поля при каждом изменении будет меняться, а, соответственно, и направление силы, которая действует на заряженную частицу, тоже. В результате последняя, испытывая целый ряд импульсов, двигающих ее то к одному электроду, то к другому, попросту будет вынесена потоком газа из аппарата раньше, чем она успеет достигнуть поверхности одного из этих электродов. Именно по этой причине к коронирующему электроду подключают только постоянный электрический ток.

Важно питать коронирующие электроды постоянным током не с положительным, а, наоборот, с отрицательным знаком, так как ионы, заряженные отрицательно, более подвижны, чем те, что заряжены положительно. Помимо того, в электрофильтрах частицы пыли по правилам должны оседать на осадительном электроде, а если коронирующий электрод будет иметь положительный заряд, то при большей скорости отрицательных ионов пыль будет садиться только на него.

Скорость движения частичек пыли к осадительному электроду с возрастанием силы электрического тока начинает увеличиваться и улавливание пыли таким образом только улучшается. Для трубчатых электродов применяют силу тока (I) в пределах от 0,3 до 0,5 ма/пог. м, а для пластинчатых – от 0,1 до 0,35 ма/пог. м.

Сила электрического тока напрямую зависит от расстояния между одним электродом и другим. Чем больше это самое расстояние, тем может быть принят больший ток. Сила тока так же зависит и от диаметра коронирующего электрода. Чем меньше диаметр последнего, тем больше возрастает сила тока. Именно поэтому коронирующие электроды делают сегодня довольно тонкими – их диаметр обычно составляет от 2 до 4 миллиметров. Помимо прочего, в электрофильтре сила тока прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов, поэтому при повышении напряжения улучшается и улавливаемость частичек пыли.

Напряжение в электрофильтре должно быть не ниже того, при котором появляется искровой разряд, то есть оно не должно быть меньше Uo. Стоит отметить, что на эту величину оказывает влияние сразу несколько факторов: состав газа, его температура, давление и влажность, а также форма и число коронирующих электродов. Как правило, при электроочистке газов с нормальной температурой величину падения напряжения на единицу расстояния между одним электродом и другим принимают не свыше 4,8 киловольт на сантиметр (кВ/см), для горячих же газов еще меньше – до 4 кВ/см.

Оптимальная величина напряжения, как правило, определяется с помощью технико-экономического расчета и обычно ее выбирают в пределах от 35 до 70 киловатт. Расстояние между одним электродом и другим в большинстве случаев составляет от 100 до 200 миллиметров.

3. Практическая часть

3.1. Зависимость задымленности от напряжения на электродах

Цель: Выяснить зависит ли задымленности от напряжения на электродах при прочих равных условиях.

Приборы: высоковольтный выпрямитель, стакан, медные электроды, лазерная указка, цифровая физическая лаборатория с датчиком освещенности, соединительные провода, секундомер.

Описание методики проведения исследования

Для исследования взяты медные электроды площадью 38,5 см2 опущенные в задымленный сосуд и подключенные к высоковольтному выпрямителю. Об изменение задымленности судили по изменению интенсивности прохождения излучения лазера сквозь задымленный стакан. Измеряли освещенность с помощью цифровой физической лаборатории, которая увеличивалась при уменьшении задымленности в стакане. В данном исследовании изменяли напряжение высоковольтного выпрямителя подаваемого на электроды.

Результаты исследования:

Опыт №1

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Электроды медные, площадью 38,5 см2,

Освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

1

0

1200

20

1500

40

1606

60 1

1664

80

1800

100

2050

120 2

2170

140

2260

160

2400

180 3

2420

200

2540

220

2700

240 4

2740

260

2780

280

2800

300 5

2800

Опыт №2

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Электроды медные, площадью 38,5 см2,

Освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

2

0

1200

20

1525

40

2108

60 1

2230

80

2316

100

2370

120 2

2406

140

2450

160

2480

180 3

2510

200

2607

220

2621

240 4

2700

260

2780

280

2840

300 5

2890

Опыт №3

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Электроды медные, площадью 38,5 см2,

Освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

3

0

1200

20

1800

40

2108

60 1

2330

80

2415

100

2454

120 2

2510

140

2538

160

2551

180 3

2565

200

2579

220

2607

240 4

2649

260

2770

280

2860

300 5

2925

Опыт №4

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Электроды медные, площадью 38,5 см2,

Освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

4

0

1200

20

2000

40

2565

60 1

2718

80

2829

100

2857

120 2

2912

140

2926

160

2954

180 3

2967

200

2981

220

2995

240 4

3008

260

3023

280

3027

300 5

3027

Опыт №5

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Электроды медные, площадью 38,5 см2,

Освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

5

0

1200

20

2108

40

2274

60 1

2385

80

2565

100

2635

120 2

2704

140

2787

160

2801

180 3

2843

200

2884

220

2940

240 4

2954

260

3009

280

3078

300 5

3092

Итоговая таблица:

Напряжение, кВ

Освещенность без задымленности, люкс

Начальная освещенность при задымленности, люкс

Освещенность через 5 минут, люкс

Остаточная задымленность через 5 мин, %

1

3700

1200

2800

24

2

3700

1200

2890

22

3

3700

1200

2925

21

4

3700

1200

3027

18

5

3700

1200

3092

16

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что с течением времени при любом значении напряжения задымленность уменьшается, а с увеличением напряжения на электродах задымленность уменьшается наиболее эффективно.

3.2. Зависимость задымленности от рода вещества электродов

Цель: Выяснить зависит ли задымленность от рода вещества электродовпри прочих равных условиях.

Приборы: высоковольтный выпрямитель, стакан, медные электроды, цинковые электроды, лазерная указка, цифровая физическая лаборатория с датчиком освещенности, соединительные провода, секундомер.

Описание методики проведения исследования:

Для исследования взяты электроды площадью 38,5 см2 , опущенные в задымленный сосуд и подключенные к высоковольтному выпрямителю. Об изменение задымленности судили по изменению интенсивности прохождения излучения лазера сквозь задымленный стакан. Измеряли освещенность с помощью цифровой физической лаборатории, которая увеличивалась при уменьшении задымленности в стакане. В данном исследовании изменяли вещество, из которого изготовлены электроды. Результаты исследования:

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Медные электроды

Цинковые электроды

Электроды площадью 38,5 см2,

Освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

5

0

1200

1200

20

2108

1900

40

2274

2135

60 1

2385

2228

80

2565

2496

100

2635

2540

120 2

2704

2551

140

2787

2565

160

2801

2593

180 3

2843

2621

200

2884

2635

220

2940

2649

240 4

2954

2662

260

3009

2670

280

3078

2676

300 5

3092

2690

Остаточная задымленность через 5 минут, %

16

27

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что с течением времени при одном и том же значении напряжения уменьшение задымленности зависит от вещества электродов: при подключении медных электродов задымленность уменьшается наиболее эффективнее, чем цинковых.

3.3. Зависимость задымленности от площади электродов

Цель: Выяснить зависит ли задымленность от площади электродовпри прочих равных условиях.

Приборы: высоковольтный выпрямитель, стакан, медные электроды разной площади, лазерная указка, цифровая физическая лаборатория с датчиком освещенности, соединительные провода, секундомер.

Описание методики проведения исследования:

Для исследования взяты медные электроды, опущенные в задымленный сосуд и подключенные к высоковольтному выпрямителю. Об изменение задымленности судили по изменению интенсивности прохождения излучения лазера сквозь задымленный стакан. Измеряли освещенность с помощью цифровой физической лаборатории, которая увеличивалась при уменьшении задымленности в стакане. В данном исследовании изменяли площадь электродов. Результаты исследования:

 

Напряжение, кВ

Время, с

Освещенность, люкс

Электроды площадью 38,5 см2

Электроды площадью 12 см2

Электроды медные,

освещенность без задымленности 3700 люкс, температура в помещении 26оС, влажность 65 %

5

0

1200

1200

20

2108

1470

40

2274

2030

60 1

2385

2320

80

2565

2532

100

2635

2649

120 2

2704

2690

140

2787

2704

160

2801

2732

180 3

2843

2756

200

2884

2815

220

2940

2829

240 4

2954

2843

260

3009

2857

280

3078

2870

300 5

3092

2870

Остаточная задымленность через 5 минут, %

16

22

Вывод: в ходе исследования выяснилось, что с течением времени при одном и том же значении напряжения уменьшение задымленности зависит от площади электродов: чем больше площадь подключенных электродов, тем задымленность уменьшается наиболее эффективнее.

3.4. Создание модели электрофильтра

Ц ель: на основе изученной информации и проведенных исследований, создать модель электрофильтра и проверить ее действие.

Приборы: высоковольтный выпрямитель, стеклянная трубка высотой 400 мм и диаметром 60 мм, фольга, медный провод диаметром 2 мм, химический стакан, трубки, штатив, держатели, черные экраны, соединительные провода, груз.

По изученным материалам и проведенным исследованиям выяснилось, что площадь электродов, вещество из которых они изготовлены, их форма и поданное на них напряжение влияют на работу электрофильтра. Поэтому в модели электрофильтра один электрод выполнен в виде цилиндра из фольги, выстилающий полость внутри стеклянной трубки, другой из медного провода натянутого по оси трубки. Для эффективной работы провод подключался к «минусу», а цилиндр к «плюсу» источника тока. Для подъема дыма внутри вертикальной трубки использовали нагревание воздуха у ее основания с помощью пламени свечи.

При проверке действия модели эффективность ее работы наблюдалась при напряжении 8кВ: вошедший в трубку дым полностью осаждался электродами. При более высоком напряжении возникал пробой диэлектрика.

Вывод: электрофильтр можно сделать из подручных средств и добиться его эффективной работы.

Заключение.

В результате выполнения работы были изучены различные источники информации по теории ионизации и создания электрофильтров. Определены и исследованы физические параметры, оказывающие влияние на эффективность работы электрофильтра. Высказанная гипотеза оказалась справедливой. Теоретические предположения были подтверждены в процессе исследований.

Эффективность работы электрофильтра действительно зависит от рода вещества использованных электродов, их формы, размера и прикладываемого к ним напряжения.

Изучив различные по строению электрофильтры, я выбрал вертикальное расположение электродов из-за простой организации движения дымового потока. Думаю связать следующие свои исследования эффективной работы электрофильтра с движением газов внутри него.

Данная работа имеет практическое значение, так как в ней исследования были успешно применены для создания модели электрофильтра. Я продолжу изучение электрических явлений, с целью поиска возможного нового их практического применения.

Библиографический список

Список используемой литературы

1. Алексеева М.Н. Физика–юным: Теплота. Электричество: Книга для внеклассного чтения, М., Просвещение, 1980.

2.Мякишев Г.Я. Электродинамика 10 класс: М., Дрофа, 2011.

3. Перышкин А.В. «Физика», 8 класс: М., Дрофа, 2012.

Список используемых сайтов

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/;

2. http://class-fizika.narod.ru/

3. https://vmasshtabe.ru/promzona/chertezh-elektrofiltra.html

4. http://electricalschool.info/spravochnik/eltehustr/1605-jelektrostaticheskie-filtry-ustrojjstvo.html

5. https://oil-filters.ru/electrofilters/

Просмотров работы: 36