Как электрическое поле борется с пылью

Осаждение аэрозольных частиц в электрическом поле

Осаждение взвешенных в газе твердых и жидких частиц под действием электрического поля имеет преимущества по сравнению с другими способами осаждения. Действие электрического поля на заряженную частицу определяется величиной ее электрического заряда. При электроосаждении частицам небольших размеров удается сообщить значительный электрический заряд и благодаря этому осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно провести под действием силы тяжести или центробежной силы.

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

Физическая сущность электроосаждения состоит в том, что газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируют, при этом содержащиеся в газе частицы приобретают электрический заряд. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит под воздействием электрического поля и вследствие диффузии ионов. Максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм — диаметру частиц.

Коронный разряд возникает в неоднородном электрическом поле у поверхности электродов с малым радиусом кривизны. Различают зону ионизации газа небольшой протяженности (собственно корону) и внешнюю зону коронного разряда. В зоне короны, где напряженность поля очень велика, ионы, содержащиеся в газе, перемещаются по направлению силовых линий поля и разгоняются настолько, что, столкнувшись с нейтральными газовыми молекулами, выбивают из них несколько внешних электронов. При этом возникают новые положительные и отрицательные ионы.

Если в электрическом поле между коронирующим (отрицательным) и осадительным (положительным) электродами (рис. 6.12) 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.

При прохождении ионизированного потока газа в электрическом поле между двумя электродами заряженные частицы под действием электрического поля перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них.

Образующиеся в процессе лавинообразной ударной ионизации ионы, имеющие заряд того же знака, что и потенциал коронирующего электрода, притягиваются к противоположно заряженному осадительному электроду, устремляясь во внешнюю зону ионизации. Сталкиваясь здесь с пылевыми частицами, ионы сообщают им свой заряд, вследствие чего эти частицы также начинают притягиваться к осадительному электроду. Скорость движения пылевой частицы к электроду зависит в значительной мере от величины полученного ею заряда, которая, в свою очередь, определяется действующими на газовые ионы вблизи частицы силами, связанными с внешним полем, поляризацией частиц, электростатическим притяжением и отталкиванием одноименных зарядов.

Конструктивная схема электродов для процесса пылеочистки

Рис. 6.12. Конструктивная схема электродов для процесса пылеочистки:

а — электрофильтр с трубчатыми электродами; б — электрофильтр с пластинчатыми электродами;

1 — коронирующие электроды; 2 — осадительные электроды

Если создать на электродах разность потенциалов 4. 6 кВ/см и обеспечить плотность тока 0,05. 0,5 мА/м длины катода, то запыленный газ при пропускании его между электродами почти полностью освобождается от взвешенных частиц.

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

Основной закон взаимодействия электрических зарядов — закон Кулона выражается формулой

(6.64)

где k — коэффициент пропорциональности; (Q₁, Q₂ — величины взаимодействующих точечных зарядов; ε — безразмерная величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью среды (для вакуума ε= 1); r — расстояние между зарядами.

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

Коэффициент к в СИ принимают k = 1/4πε₀; здесь ε₀ — электрическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу (6.64):

(6.65)

где ε₀ = 8,85 · 10 -12 Кл 2 /(Н · м 2 ).

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление обратной "короны", которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализирующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осадительному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влияние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное электрическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.

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

Напряжение поля на расстоянии l между двумя точками поля

(6.66)

где U — напряжение, приложенное к электродам.

Величину заряда Q (Кл), приобретаемого проводимой частицей сферической формы под воздействием электрического поля, рассчитывают по формуле

(6.67)

где d_ч — диаметр частицы; Е — напряженность электрического поля коронного разряда.

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

(6.68)

где Е — напряженность электрического поля. В/м; r_ч — радиус частицы, м; μ₀ — динамическая вязкость газа (воздуха), Па · с.

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

(6.69)

Скорость движения взвешенных частиц, получивших заряд, зависит от размера частиц и гидравлического сопротивления газовой среды.

Величина w_ч изменяется с изменением расстояния х между электродами:

Время осаждения частицы может быть найдено из уравнения

(6.70)

где L — расстояние от оси коронирующего электрода до поверхности осадительного электрода; R₁ — радиус коронирующего электрода.

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

(6.71)

где w_д — скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному электроду, м/с; f — удельная поверхность осаждения, т.е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м 3 /с очищаемого газа (воздуха), м 2 /(м 3 /с).

Электрическое осаждение может происходить также в результате взаимодействия зарядов, образующихся на волокнах пористого фильтра, с нейтральными пылевыми частицами. Заряженное волокно создает вокруг себя неоднородное электрическое поле. Частицы поляризуются этим полем и притягиваются к поверхности волокна. Электрическое осаждение усиливается с увеличением размеров частиц и уменьшением толщины волокон. Электрические заряды на волокнах в большинстве случаев нестабильны и быстро исчезают вследствие проводимости волокна и под влиянием влажности.

Оценка эффективности пылеулавливания

При оценке эффективности пылеулавливания принимают во внимание:

общую эффективность обеспыливания, или количество уловленной пыли по отношению к количеству пыли, содержащейся в обеспыливаемом газе;

фракционную эффективность, определяющую полноту улавливания частиц определенных размеров; ее выражают процентом уловленных частиц пыли определенных размеров;

остаточное содержание пыли в очищенном газе; распределение остатка пыли в газе по размеру частиц или скорости витания.

Основным показателем, характеризующим процесс очистки воздуха от пыли в тех или иных конкретных случаях их применения, является коэффициент (степень) очистки (эффективность обеспыливания), %:

(6.72)

где М_ул, М_вх и М_вых — масса уловленных частиц пыли, а также содержащихся в газе соответственно до и после очистки.

При наличии дисбаланса по газу расходы газа пересчитывают на стационарные условия (t = 20 °С, Р = 101 кПа, или 760 мм рт. ст.), а коэффициент очистки (%) определяют по формуле

(6.73)

где C_вх и С_вых — средние концентрации частиц в газах соответственно до и после очистки (мг/м 3 ); V_вх и V_вых — объемные расходы соответственно поступающих и выходящих газов.

Если объемные расходы газа до и после очистки равны (V_вх = V_вых), то выражение (6.73) примет вид (%)

(6.74)

Общий коэффициент очистки недостаточно полно отражает уровень совершенства процесса пылеулавливания при работе на пылях разной дисперсности.

Степень совершенства пылеулавливания характеризуют достигаемые фракционный и парциальный коэффициенты очистки.

Фракционная эффективность показывает долю уловленной пыли по каждой фракции. Фракционный коэффициент равен отношению количества уловленной пыли данной фракции M_ф.ул к количеству исходной пыли той же фракции M_ф.вх (%):

(6.75)

где φ — доля массы пыли данной фракции в общем количестве пыли в воздухе.

Общую эффективность процесса пылеулавливания η определяют по фракционной эффективности следующим образом:

(6.76)

где M_ф1, M_ф2, . M_ф_n — масса пыли соответствующих фракций, поступившей в аппарат; η_ф1, η_ф2, . η_фn — фракционная эффективность улавливания по данной фракции.

Отношение количества пыли данной фракции ко всей исходной пыли М выражается так:

(6.77)

После преобразования получим значение общей эффективности очистки

(6.78)

или в процентах

(6.79)

Парциальный коэффициент очистки используется реже и равен отношению количества уловленных частиц данного размера М_п.ул к количеству исходных частиц M_п.вх (%):

(6.80)

где φ_п — доля частиц данного размера.

При последовательном пылеулавливании в несколько стадий (каскадная, или многоступенчатая очистка), применяемом для более полного обеспыливания воздуха, суммарная эффективность очистки (%) определяется по формуле

(6.81)

где η₁, η₂, . η_n; — эффективность очистки каждого из аппаратов, входящих в каскад (в долях единицы).

Диэлектрическое осаждение пыли в помещениях с обогреваемыми полами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Андреев Сергей Андреевич, Богоявленский Владимир Михайлович, Иванова Людмила Леонидовна

Сформулирована проблема повышенной запылённости воздуха в помещениях с обогреваемыми полами . Акцентировано внимание на влияние пыли на процессы естественной сушки и фасовки сельскохозяйственных продуктов. Предложен метод определения величины подъёмной силы на основе соотношения разности плотностей окружающего воздуха и воздуха, находящегося в условном пространстве между частицей пыли и теплым полом. Рассмотрена возможность использования неоднородного электрического поля для осаждения пыли на поверхности пола. Расчёт проведён для частиц пыли, находящихся на высоте от 0,001 м до 0,1 м от устройства осаждения. Предложено выполнить рабочий орган осаждающего устройства в виде бифилярной обмотки из двух параллельных проводников, подключённых к источнику разнополярного напряжения. Для определения параметров устройства осаждения пыли использованы результаты эксперимента по выявлению зависимости силы, обусловленной влиянием неоднородного электрического поля на семена моркови и повилики. С целью повышения интенсивности и равномерности воздействия поля предложено с внешней стороны электродов основной пары бифилярной обмотки установить электрод дополнительной пары. При этом основная и дополнительная пары бифилярной обмотки являются идентичными, но питаются от разных источников энергии. Отмечено, что для сохранения требуемой напряженности поля необходимо увеличить напряжение питания до 6.. .8 кВ.

DIELECTRIC DEPOSITION OF DUST IN PREMISES WITH HEATED FLOORS

The paper highlights a problem of increased dustiness of air in premises with heated floors . Attention is focused on the negative effect of dust on processes of natural drying and packaging of agricultural products and medicinal plants. The authors propose a method for determining the lifting force on the basis of the difference ratio between the density of ambient air and the air in the conditional space between the dust particle and a warm floor. The authors consider a possibility of using a non-uniform electric field to deposit dust on the floor surface. They present calculations for dust particles that are at a height of from 0.001 m to 0.1 m from the deposition device. Suggestion is made about making the working element of a precipitating device in the form of a bifilar winding of two parallel conductors connected to a source of bipolar voltage. To determine the parameters of the dust deposition device, the authors used the results of an experiment to determine the dependency of the force caused by the influence of a non-uniform electric field on carrot and dodder seeds. In order to increase the intensity and uniformity of the field effect, it has been proposed to place an additional couple electrode on the outer side of the main couple electrodes of bifilar windings. In this case, the main and additional couples of bifilar windings are identical but are powered from different sources of energy. It is noted that in order to maintain the required field strength, the supply voltage should be increased to 6. 8 kV.

Текст научной работы на тему «Диэлектрическое осаждение пыли в помещениях с обогреваемыми полами»

ЭЛЕКТРИФ ИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА / POWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL ARTICLE УДК 621.928.99

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЫЛИ В ПОМЕЩЕНИЯХ С ОБОГРЕВАЕМЫМИ ПОЛАМИ

АНДРЕЕВ СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент

БОГОЯВЛЕНСКИЙ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ, канд. техн. наук, профессор

ИВАНОВА ЛЮДМИЛА ЛЕОНИДОВНА, инженер

Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К.А. Тимирязева; ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация

Сформулирована проблема повышенной запылённости воздуха в помещениях с обогреваемыми полами. Акцентировано внимание на влияние пыли на процессы естественной сушки и фасовки сельскохозяйственных продуктов. Предложен метод определения величины подъёмной силы на основе соотношения разности плотностей окружающего воздуха и воздуха, находящегося в условном пространстве между частицей пыли и теплым полом. Рассмотрена возможность использования неоднородного электрического поля для осаждения пыли на поверхности пола. Расчёт проведён для частиц пыли, находящихся на высоте от 0,001 м до 0,1 м от устройства осаждения. Предложено выполнить рабочий орган осаждающего устройства в виде бифилярной обмотки из двух параллельных проводников, подключённых к источнику разнополярного напряжения. Для определения параметров устройства осаждения пыли использованы результаты эксперимента по выявлению зависимости силы, обусловленной влиянием неоднородного электрического поля на семена моркови и повилики. С целью повышения интенсивности и равномерности воздействия поля предложено с внешней стороны электродов основной пары бифилярной обмотки установить электрод дополнительной пары. При этом основная и дополнительная пары бифилярной обмотки являются идентичными, но питаются от разных источников энергии. Отмечено, что для сохранения требуемой напряженности поля необходимо увеличить напряжение питания до 6.. .8 кВ.

Ключевые слова: системы отопления, обогреваемые полы, циркуляция пыли в воздухе, осаждение частиц пыли, электрическое поле, пондеромоторные силы, расположение и включение электродов.

Формат цитирования: Андреев С.А., Богоявленский В.М., Иванова Л.Л. Диэлектрическое осаждение пыли в помещениях с обогреваемыми полами // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2019. N 4(92). С. 52-59. DOI: 10.34677/1728-7936-2019-4-52-59.

DIELECTRIC DEPOSITION OF DUST IN PREMISES WITH HEATED FLOORS

SERGEY A. ANDREYEV, PhD (Eng), Associate Professor

VLADIMIR M. BOGOYAVLENSKY, PhD (Eng), Associate Professor

LYUDMILA L. IVANOVA, Engineer

Russian State Agrarian University — Moscow Timiryazev Agricultural Academy; Timiryazevskaya Str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation

a method for determining the lifting force on the basis of the difference ratio between the density of ambient air and the air in the conditional space between the dust particle and a warm floor. The authors consider a possibility of using a non-uniform electric field to deposit dust on the floor surface. They present calculations for dust particles that are at a height of from 0.001 m to 0.1 m from the deposition device. Suggestion is made about making the working element of a precipitating device in the form of a bifilar winding of two parallel conductors connected to a source of bipolar voltage. To determine the parameters of the dust deposition device, the authors used the results of an experiment to determine the dependency of the force caused by the influence of a non-uniform electric field on carrot and dodder seeds. In order to increase the intensity and uniformity of the field effect, it has been proposed to place an additional couple electrode on the outer side of the main couple electrodes of bifilar windings. In this case, the main and additional couples of bifilar windings are identical but are powered from different sources of energy. It is noted that in order to maintain the required field strength, the supply voltage should be increased to 6.. .8 kV.

Key words: heating systems, heated floors, dust circulation in the air, sedimentation of dust particles, electric field, ponderomotive forces, location and activation of electrodes.

For citation: Andreyev S.A., Bogoyavlensky VM., Ivanova L.L. Dielectric deposition of dust in premises with heated floors. Vestnikof Moscow Goryachkin Agroengineering University. 2019; 4(92): 52-59. (In Rus.). DOI: 10.34677/1728-7936-2019-4-52-59.

Введение. В производственных помещениях, наряду с традиционным конвекционным обогревом с помощью отопительных радиаторов, сегодня находят широкое применение локальные обогреватели [1], воздушные калориферы [2] и инфракрасные облучательные установки [3]. Среди прогрессивных приёмов организации обогрева помещений особое место занимают системы отопления с обогреваемыми полами [4, 5]. Такие системы обладают рядом преимуществ: энергетической экономичностью, равномерным обогревом всего отапливаемого пространства, отсутствием традиционных отопительных радиаторов, а также относительно низкой температурой нагрева поверхности пола (25.. ,28°С), открывающей возможность использования низкопотенциальной тепловой энергии воздуха, грунта и водоёмов с помощью тепловых насосов.

Вместе с тем широкое применение обогреваемых полов сдерживается провоцируемой ими повышенной запыленностью воздуха. Повышенная запылённость воздуха объясняется особенностями его циркуляции вследствие подъёма более прогретых и менее плотных слоев со всей поверхности пола. С одной стороны, температура отопительных радиаторов в традиционной системе отопления на 20. 40°С выше температуры тёплого пола [6] и подъём прогретых слоёв должен быть более интенсивным; с другой стороны, в традиционной системе этот подъём тёплого воздуха носит локальный характер и практически ощущается только в непосредственной близости от отопительных приборов. При этом наименее комфортные области из-за движения запылённого воздуха сосредотачиваются вблизи радиаторов. В этих областях разность температур восходящего потока и вытесняемого им воздуха максимальна. В остальных местах помещения с традиционной системой отопления заметной циркуляции запылённого воздуха обычно не наблюдается.

Немалый вред способна нанести взвешенная пыль в производственных помещениях. Например, в помещениях, используемых для естественной сушки, переработки или фасовки сельскохозяйственных продуктов. Оседая на влажных измельчённых листьях, фруктах и грибах, крупные частицы пыли могут существенно повлиять на их товарное качество.

Следует признать, что полностью исключить пыль в эксплуатируемом помещении невозможно. Вентилирование внутреннего пространства сооружений не решает

проблему и к тому же требует использования фильтров [7] и увлажнителей, совмещённых с устройствами для осаждения пыли [8, 9]. Но эти устройства очищают воздух только на небольшой площади, и их необходимо периодически заправлять водой. Кроме того вентиляторы создают вибрации, потребляют электроэнергию и имеют ограниченный срок службы.

Наиболее эффективным способом устранения пыли остаётся влажная уборка помещений. Однако она очень трудоёмка и не всегда возможна.

В связи с этим весьма заманчивым представляется способ борьбы с запылённостью воздуха в помещениях с обогреваемыми полами, основанный на искусственном сосредоточении частиц пыли на полу и их последующим удалением.

Цель работы — обоснование нового принципа осаждения пыли в помещениях и расчёт параметров устройства, предотвращающего подъём мелких материальных частиц восходящими потоками теплого воздуха.

Материал и методы. В качестве материала исследования использованы сведения о механизме движения частиц пыли в воздухе и возникновении в них пондеромоторных сил, обусловленных действием неоднородного электрического поля. При рассмотрении взаимодействия силы тяжести, подъёмной силы и пондеромоторной силы был использован прием научного абстрагирования, позволивший выполнить приближенный расчет параметров электрического поля.

Результаты и обсуждение. Известно, что размеры частиц пыли могут варьироваться в диапазоне от долей микрона до 200 и более микрон [10, 11]. Для определения силы тяжести, действующей на частицы пыли, необходимо располагать информацией о их массе. Масса частицы зависит от состава и формы, что затрудняет определение её объёма по известным усреднённым размерам. К тому же масса частицы пыли чрезвычайно мала (от долей микрона до 200.300 микрон), что определяет соизмеримость силы тяжести с силой трения о воздух при оседании. Так известно, что частица пыли с диаметром в три микрона в неподвижном воздухе оседает со скоростью 10 см/с, с диаметром один микрон — 0,8 10-2 см/с, а аэрозольная частица с диаметром в четверть микрона преодолевает это расстояние более трёх часов. Очевидно, что, находясь во взвешенном состоянии, частицы пыли могут быть

легко перенесены в пространстве боковым движением воздуха или его восходящими потоками. Впоследствии они будут оседать в местах образования минивихрей или в местах неподвижности воздуха.

Обозначим символом дополнительную силу, препятствующую подъёму частиц пыли, рассматриваемую как силу, создаваемую электрическим полем.

Для оценки величины ^эл, действующей на частицу пыли со стороны электрического поля и обеспечивающей её неподвижность при влиянии восходящего потока, рассмотрим неравенство:

где — сила тяжести, Н; ^под — подъёмная сила восходящего воздушного потока, Н.

Сила тяжести определяется:

где ш — масса частицы, кг; д — ускорение свободного падения, д = 9,81 м/с2.

Значение массы частиц пыли можно вычислить через объём V и плотность р:

Сделаем допущение, что пыль однородна по составу, её плотность по всему объёму распределена равномерно, а сами частицы имеют правильную форму в виде шара.

Определим объём и массу частиц пыли для трех линейных размеров: 0,5 мкм, 75 мкм и 200 мкм. В соответствии с современной классификацией размеров частиц пыли [12] эти значения характеризуют мелкую, среднюю и крупную фракции соответственно. Для определения объёма воспользуемся известной формулой:

где Я — радиус частицы, м.

Для определения подъёмной силы восходящего воздушного потока необходимо знать значения температур и соответствующие им плотности воздуха в различных точках помещения. Практически установлено, что максимальная разность температур на высотах от пола до потолка обычно не превышает 6.. ,9°С, соответственно, значения разностей плотностей могут достигать 8.15%.

Величина подъёмной силы, оказываемой на частицу пыли восходящим теплым воздухом, определяется по формуле:

^под = р — р1>-дУС„ (1)

где рх и рт — плотность холодного и теплого слоев воздуха соответственно, кг/м3; V — объём условного пространства, ограниченного цилиндром с основанием пЯ2 и высотой, соответствующей расстоянию от пола до частицы, м; Сх -коэффициент лобового сопротивления. Будем считать, что в пределах условного пространства воздух обладает одинаковой температурой и одинаковой плотностью. Априори предположим, что воздух условного пространства не перемешивается с воздухом окружающей среды и оказывает однозначное давление на частицу пыли снизу вверх (рис. 1).

При оценке подъёмной силы будем считать, что температура воздуха внутри условного пространства составляет +25°С, а температура снаружи — +20°С. В соответствии с данными таблицы 2, разность плотностей воздуха для этих температур окажется равной 0,625 кг/м3.

Известно, что коэффициент лобового сопротивления определяет эффективность взаимодействия воздушного потока с твёрдым телом, зависит от формы и угла расположения последнего и обычно варьируется в диапазоне от 0,03 до 1,8 [13]. Поскольку нет точной информации о форме частиц пыли и об угле их расположения по отношению к восходящему потоку, в формуле (1) принимаем Сх = 1.

Величина объёма условного пространства, входящего в формулу (1), определяется размерами проекции частицы на плоскость, параллельную земной поверхности, и расстоянием от пола до частицы (И). В объекте с обогреваемыми полами можно ожидать минимум температуры на некотором расстоянии от пола. Величина подъёмной силы, действующей на частицы пыли, будет приходиться на области минимума температуры.

Можно сделать вывод, что пыль, уже собравшаяся на обогреваемом полу, может подняться, если она отделена от пола и подхвачена восходящим потоком в случае приложения внешнего механического воздействия: бокового воздушного потока, вибрации или резкого нажатия обуви при ходьбе. Принимая во внимание необходимость наличия воздушного слоя между полом и частицей пыли для ее подъёма, установим И = 0,05 м.

Для определения силы, обусловленной электрическим

полем, воспользуемся неравенством

Результаты расчёта ^под и ^эл для рассматриваемых видов и размеров частиц пыли сведены в таблицу 1.

Рис. 1. Действие подъёмной силы, обусловленной восходящим потоком тёплого воздуха

Fig. 1. Effect of lifting force due to the ascending stream of warm air

Согласно таблице 1, ряд значений силы воздействия электрического поля имеет отрицательный знак; это означает, что для осаждения соответствующих частиц пыли дополнительных усилий не требуется. Такие частицы

могут оказаться в воздухе, однако с течением времени са- необходимо соответствующее усилие, которое может мопроизвольно осядут на пол. И, напротив, при положи- быть обусловлено воздействием искусственно созданного тельных значениях F3JI для предотвращения подъёма пыли электрического поля.

Силы, действующие на частицы пыли при их расположении на высоте 0,05 м и разности температур между слоями воздуха 5°C

Forces acting on the dust particles located at a height of 0.05 m at the temperature difference between the air layers of 5°C

Вещество Радиус частиц пыли, м Плотность ПЫЛИ, г/м3 Масса, кг Сила тяжести, Н Подъёмная сила, Н Сила воздействия электрического поля, Н

SiO2 (оксид кремния) 0,25 10-6 2330 1,525-10-16 1,4952E-15 6,11E-14 5,96E-14

3810-6 5,357-10-10 5,25087E-09 1,41E-09 -3,84E-09

10010-6 9,763 10-9 9,56931E-08 9,78E-09 -8,59E-08

Fe2Oз (оксид железа) 0,25 10-6 5242 3,432 10-16 3,36389E-15 6,11E-14 5,78E-14

3810-6 1,205 10-9 1,18133E-08 1,41E-09 -1,04E-08

10010-6 2,19610-8 2,15289E-07 9,78E-09 -2,06E-07

СаО (известь) 0,25 10-6 3300 2,16110-16 2,11767E-15 6,11E-14 5,90E-14

3810-6 7,587-10-10 7,43686E-09 1,41E-09 -6,02E-09

10010-6 1,383 10-8 1,35531E-07 9,78E-09 -1,26E-07

MgO (жжёная магнезия) 0,25 10-6 3580 2,344-10-16 2,29735E-15 6,11E-14 5,88E-14

3810-6 8,23110-10 8,06786E-09 1,41E-09 -6,66E-09

10010-6 1,500 10-8 1,47031E-07 9,78E-09 -1,37E-07

А1202 (глинозем) 0,25 10-6 960 6,286 10-17 6,1605E-16 6,11E-14 6,05E-14

3810-6 2,207-10-10 2,16345E-09 1,41E-09 -7,51E-10

10010-6 4,022-10-9 3,94272E-08 9,78E-09 -2,96E-08

Дерево 0,25 10-6 800 5,238 10-17 5,13375E-16 6,11E-14 6,06E-14

3810-6 1,839 10-10 1,80287E-09 1,41E-09 -3,91E-10

10010-6 3,352 10-9 3,2856E-08 9,78E-09 -2,31E-08

Хлопок 0,25 10-6 140 9,166 10-18 8,98406E-17 6,11E-14 6,10E-14

3810-6 3,21910-11 3,15503E-10 1,41E-09 1,10E-09

10010-6 5,866 10-10 5,7498E-09 9,78E-09 4,03E-09

Бумага 0,25 10-6 200 1,309 10-17 1,28344E-16 6,11E-14 6,10E-14

3810-6 4,598 10-11 4,50719E-10 1,41E-09 9,62E-10

10010-6 8,380 10-10 8,214E-09 9,78E-09 1,57E-09

Штукатурка 0,25 10-6 1800 1,17810-16 1,15509E-15 6,11E-14 6,00E-14

3810-6 4,13810-10 4,05647E-09 1,41E-09 -2,64E-09

10010-6 7,542-10-9 7,3926E-08 9,78E-09 -6,41E-08

Волосы, шерсть 0,25 10-6 1300 8,51110-17 8,34234E-16 6,11E-14 6,03E-14

3810-6 2,989 10-10 2,92967E-09 1,41E-09 -1,52E-09

10010-6 5,447-10-9 5,3391E-08 9,78E-09 -4,36E-08

Сухая кожа 0,25 10-6 860 5,630 10-17 5,51878E-16 6,11E-14 6,06E-14

3810-6 1,977 10-10 1,93809E-09 1,41E-09 -5,26E-10

10010-6 3,603 10-9 3,53202E-08 9,78E-09 -2,55E-08

Поскольку решающее значение в уравнении баланса сил что сила, необходимая для предотвращения подъёма частиц принадлежит высоте расположения частицы пыли над полом, пыли восходящими потоками воздуха, с увеличением высо-рассчитаем значения Fш для h = 0,001.0,1 м. Установлено, ты их расположения над полом неуклонно растёт.

На сегодняшний день известны несколько способов создания Яэл [14-16]. Наилучшими энергетическими показателями обладает способ, предусматривающий взаимодействие предварительно заряженных частиц с внешним электрическим полем. Однако для осаждения пыли на полу этот способ в реальных условиях неосуществим. Перспективный способ создания Яэл основан на использовании пондеромоторных сил, которые образуются в диэлектрическом теле, находящемся под воздействием неоднородного электрического поля. Когда незаряженное тело оказывается под влиянием электрического поля, на его поверхности появляются связанные заряды противоположных знаков. Вследствие этого на разные части тела со стороны поля будут действовать противоположно направленные силы (рис. 2). При этом в условиях неоднородного поля превалирующее влияние будет иметь та сила, которая действует на заряды, находящиеся в более сильном поле. В силу этой причины незаряженное тело начинает втягиваться в поле с более высокой напряженностью. На рисунке 2 такой превалирующей силой оказывается

сила превышает пондеромоторную в сотни раз, а для более мелких частиц справедливо обратное соотношение.

Пондеромоторные силы не зависят от направления напряжённости, так как одновременно с его изменением меняется и направление поляризации. Пондеромоторные силы сравнительно малы и резко убывают с возрастанием расстояния между электродами. При увеличении напряжённости электрического поля и уменьшении расстояния между электродами количество притягивающихся частиц возрастает.

Неоднородное электрическое поле может быть создано системой электродов, представляющих собой би-филярную обмотку из двух параллельных проводников [18]. Эта обмотка выполнена из изолированного провода, подключённого к источнику разнополярного напряжения, и уложена под верхней поверхностью пола (рис. 3).

Рис. 2. Втягивание диэлектрика в область поля с большей напряжённостью

Fig. 2. Pulling the dielectric into the field with a higher intensity

Пондеромоторная сила, действующая на частицу пыли шарообразной формы, рассчитывается в соответствии с выражением [17]:

Рис. 3. Схема размещения и подключения электродов

Fig. 3. Layout of the arrangement and connection of electrodes

При этом распределение электрического поля в окрестности бифилярной обмотки будет иметь вид, изображенный на рисунке 4.

где и е2 — диэлектрические проницаемости воздуха и вещества частицы соответственно; Е — напряженность поля, В/м; ёЕ/ёх — производная напряжённости в направлении максимального изменения.

При ^ > е2 сила Яэл — отрицательная, и частица пыли выталкивается из более интенсивных в более слабые участки поля; при ^ < е2 — наоборот — частица притягивается. Принимая во внимание, что £; = 1, запишем выражение (2) в виде:

рзё =8]ЯЪ Е—. в2 + 2 ёх

Величина Е— зависит от характера электрического

поля. В неоднородном электрическом поле на частицу пыли действуют одновременно две силы: пондеромотор-ная (обусловленная неоднородностью поля) и кулонов-ская (обусловленная наличием на частице электрического заряда). Для частиц с радиусом порядка 1 мм кулоновская

Рис. 4. Схема действия сил на частицу пыли в неоднородном электрическом поле

Fig. 4. Diagram of the action of forces on a dust particle in a non-uniform electric field

В настоящее время принята методика расчёта Яэл с учётом особенностей формы, расположения и изоляции электродов [19], однако, ввиду её громоздкости, воспользуемся ранее полученными экспериментальными данными по исследованию сил, действующих на семена моркови и повилики массой от 0,5 м [20] для расчета параметров устройства, обеспечивающего требуемую Яэл.

Эксперимент проводился на установке с системой электродов, выполненных проводом «АПВ 2,5» при напряжениях питания 2, 3, 4 и 5 кВ и расстояниях между семенами и рабочим органом установки от 0 до 5 мм. Согласно результатам эксперимента были построены зависимости силы Fэл от расстояния между семенами и электродами h при различных напряжениях U (рис. 5).

О 1 2 3 А 5 L,mm

Рис. 5. Зависимость электрической силы от расстояния между семенами и электродами и от величины приложенного напряжения:

1) U = 2 кВ; 2) U = 3 кВ; 3) U = 4 кВ; 4) U = 5 кВ

Fig. 5. Relationship between the electric force and the distance between the seeds and the electrodes as well as the applied voltage:

1) U = 2 kV; 2) U = 3 kV; 3) U = 4 kV; 4) U = 5 kV

При удалении семян от электродов сила Fm быстро убывает, практически исчезая при h = 0,005 м (рис. 5). Используя результаты эксперимента применительно к поставленной задаче, мы можем заключить, что столь малая высота выходит за пределы интересующего нас интервала, хотя замеренные величины сил при h = 0,001.0,004 м в среднем на три порядка превышают минимально требуемые расчётные значения. Для повышения эффективности принудительного осаждения пыли предлагается между соседними электродами бифилярной обмотки разместить электроды дополнительной бифилярной обмотки (рис. 6).

Рис. 6. Фрагмент чередующегося расположения и подключения электродов для образования суммарной силы

Fig. 6. Fragment of alternating arrangement and connection of electrodes to form total force £FM

Основную пару бифилярной обмотки составляют электроды 1 и 3, дополнительную пару — электроды 2 и 4. Во избежание взаимного влияния электроды разных пар не должны иметь гальванической связи, для чего питание каждой пары осуществляется от разных источников. Поскольку расстояние между проводами одной пары увеличится на величину внешнего диаметра провода, то для сохранения требуемой напряжённости электрического поля, напряжение питания следует увеличить.

Будем считать, что радиус электрода (токоведущей части провода) составляет величину R, а толщина изоляции провода — d. Тогда расстояние между центрами пары взаимодействующих электродов составит величину

При отсутствии электрода между взаимодействующей парой это расстояние окажется вдвое меньше: L0 = 2^ + ?). Следовательно, для сохранения напряженности поля напряжение питания в предложенной схеме расположения и подключения электродов должно быть увеличено до 6.8 кВ.

Вместе с тем, суммарная сила ^эл, действующая на частицу пыли, будет определяться действием двух полей. Произведя геометрическое суммирование этих составляющих, найдем ординаты ^эл. Как видно из рисунка 6, кривая суммарной силы ^эл на плоскости, перпендикулярной полу, в направлении образования витков бифилярной обмотки оказывается заметно равномернее исходных кривых. Эта равномерность обеспечивает надежное взаимодействие поля практически со всеми частицами пыли, расположенными на расчётной высоте; кроме того чередование обмоток по предложенной схеме повышает величину силы в среднем на 80% в областях точек соприкосновения проводов.

Варьируя соотношением диэлектрической проницаемости частиц пыли, материалом, толщиной изоляции, а также напряжением между проводниками бифилярной обмотки, можно изменять величину £Рэл, что, в свою очередь, влияет на интенсивность оседания частиц на поверхности обогреваемого пола.

По мере накопления пыли необходимо выключать питающее напряжение и производить влажную уборку помещения. Отметим, что расход электрической энергии на создание неоднородного электрического поля незначителен.

Диэлектрический способ искусственного осаждения пыли устраняет один из главных недостатков систем отопления с обогреваемыми полами, открывая возможность их безвредного использования в производственных помещениях для сушки и фасовки сельскохозяйственных продуктов, а также в рабочих кабинетах и прочих помещениях с длительным пребыванием людей.

1. Назарова В.И. Современные системы отопления. М.: РИПОЛ классик. 2011. 320 с.

2. Сканави А.Н. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий. М.: Стройиз-дат, 1983. 304 с.

3. Лапицкий А.Г. Исследование электронагревателей инфракрасного излучения «Теплофон» для обогрева сельских жилых и животноводческих помещений: Дис. канд. техн. наук: 05.20.02. Красноярск, 2008. 180 с.

4. Богородов М.Е. Отопительная система (теплый пол) на основе жидкого теплоносителя: Монография. М.: Ак-тион-Медиа, 2006. 112 с.

5. Теплые полы. Справочник по комфортным теплым полам компании Tyco Thermal Controls, 2009. 32 c.

6. Покотилов Е.В. Системы водяного отопления. Вена: Издательство фирмы «HERZ Armaturen, 2008. 161 с.

7. Чупалов В.С. Воздушные фильтры: СПб.: СПГУТД, 2005. 167 с.

8. Нимич Г.В., Михайлов В.А., Бондарев Е.С. Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Киев: IBIK, 2005. 625 с.

9. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Справочное пособие / Г.И. Стомахина, И.И. Бо-бровицкий, Е.Г. Малявина, Л.В. Плотникова / Под ред. Г.И. Стомахиной. М.: Пантори, 2003. 308 с.

10. Мосер П. Чего только нет в пыли! // Наука и жизнь. 1988. № 6. С. 46-51.

11. Большая Российская энциклопедия: в 30 т. Т. 2. М.: Большая Российская энциклопедия, 2005. 766 с.

12. Краткая медицинская энциклопедия. Т. 2. М.: Сов. Энциклопедия, 1973. 600 с.

13. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: ОГИЗ Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. 1957, 536 с.

14. Криштафович И.А., Криштафович Ю.А. Ионный ветер и его применение URL: http://www.treeair. com/ion.pdf (дата обращения: 10.10.2013).

15. Андреев С.А. Электрогидродинамический метод получения аэрозоля в мелкосеменных дражираторах / И.Ф. Бородин, Д.Н. Пивоваров, С.А. Андреев, А.Л. Андержанов // Техника в сельском хозяйстве. 1991. № 4. С. 46-47.

16. Кривов С.В. Разработка научных основ электрической сепарации по проводимости: Автореф. дис. докт. техн. наук: 05.14.12. М.: Московский энергетический институт, 2000. 40 с.

17. Олофинский Н.Ф. Электрические методы обогащения. Изд. 4, перераб. и доп., М.: Недра, 1977. 579 с.

18. Система отопления жилых и производственных помещений: Патент № 119856 РФ МПК F24 D3/12 (2006.01). 2012110353/12 / С.А. Андреев, Ю.А. Судник, В.М. Богоявленский, Е.А. Флегонтов; за-явл. 20.03.2012; опубл. 27.08.2012. Бюл. № 24.

19. Леонов В.С. Исследование и разработка диэлектрического сепаратора для разделения семян овощных культур в поле промышленной частоты: Дис. . канд. техн. наук: 05.20.02. М.: МИИСП имени В.П. Горячки-на. 1980. 154 с.

20. Богоявленский В.М. Диэлектрический фрикционный сепаратор для очистки семян моркови от семян повилики: Дис. . канд. техн. наук: 05.20.02. М.: МИИСП, 1987. 197 с.

1. Nazarova VI. Sovremennyye sistemy otopleniya [Modern heating systems]. Moscow, RIPOL klassik. 2011: 320. (In Rus.)

2. Skanavi A.N. Konstruirovaniye i raschet sistem vodya-nogo i vozdushnogo otopleniya zdaniy [Design and calculation of water and air heating of buildings]. Moscow, Stroyiz-dat, 1983: 304. (In Rus.)

3. Lapitskiy A.G. Issledovaniye elektronagrevateley in-frakrasnogo izlucheniya "Teplofon" dlya obogreva sel'skikh zhilykh i zhivotnovodcheskikh pomeshcheniy [Study of "Tep-lofon" electric heaters of infrared radiation used for heating rural residential and livestock buildings]: PhD (Eng) thesis: 05.20.02. Krasnoyarsk, 2008: 180. (In Rus.)

4. Bogorodov M.Ye. Otopitel'naya sistema (teplyy pol) na osnove zhidkogo teplonositelya [Heating system (warm floor) on the basis of a heat transfer fluid]. Monograph. Moscow, Aktion-Media, 2006: 112. (In Rus.)

5. Teplyye poly. Spravochnik po komfortnym teplym pol-am kompanii Tyco Thermal Controls [Warm floors. Handbook for comfortable underfloor heating from Tyco Thermal Controls], 2009: 32. (In Rus.)

6. Pokotilov Ye.V Sistemy vodyanogo otopleniya [Water heating systems]. Vena: Izdatel'stvo firmy HERZ Armaturen, 2008: 161. (In Rus.)

7. Chupalov VS. Vozdushnyye fil'try [Air filters]: SPb.: SPGUTD, 2005: 167. (In Rus.)

8. Nimich G.V., Mikhaylov VA., Bondarev Ye.S. Sovre-mennyye sistemy ventilyatsii i konditsionirovaniya vozdukha [Modern ventilation and air conditioning systems]. Kiyev: IBIK, 2005: 625. (In Rus.)

9. Otopleniye, ventilyatsiya i konditsionirovaniye voz-dukha. Spravochnoye posobiye [Heating, ventilation, and air conditioning. Reference manual] / G.I. Stomak-hina, I.I. Bobrovitskiy, Ye.G. Malyavina, L.V. Plotnikova / Pod red. G.I. Stomakhinoy. Moscow, Pantori, 2003: 308. (In Rus.)

10. Moser P. Chego tol'ko net v pyli! [There is plenty of various stuff in the dust!]. Nauka i zhizn\ 1988; 6: 46-51. (In Rus.)

11. Bol'shaya Rossiyskaya entsiklopediya [Great Russian Encyclopedia]: in 30 vol. Vol. 2. Moscow, Bol'shaya Rossiyskaya entsiklopediya, 2005: 766. (In Rus.)

12. Kratkaya meditsinskaya entsiklopediya [Brief medical encyclopedia]. Vol. 2. Moscow, Sov. Entsiklopediya, 1973: 600. (In Rus.)

13. Fateyev Ye.M. Vetrodvigateli i vetroustanovki [Wind turbines and wind plants]. Moscow, OGIZ Gosudarstvennoye izdatel'stvo sel'skokhozyaystvennoy literatury. 1957: 536. (In Rus.)

14. Krishtafovich I.A., Krishtafovich Yu.A. Ionnyy vet-er i yego primeneniye [Ion wind and its application] URL: http://www.treeair.com/ion.pdf (Access date: 10.10.2013). (In Rus.)

15. Andreyev S.A. Elektrogidrodinamicheskiy metod polucheniya aerozolya v melkosemennykh drazhiratorakh [Electrohydrodynamic method of producing aerosol in small-seed pelletizers] / I.F. Borodin, D.N. Pivovarov, S.A. Andreyev, A.L. Anderzhanov. Tekhnika v sel 'skom khozyay-stve. 1991; 4: 46-47. (In Rus.)

16. Krivov S.V. Razrabotka nauchnykh osnov elektriches-koy separatsii po provodimosti [Development of scientific principles of electrical separation by conductivity]: Self-review of DSc (Eng) thesis: 05.14.12. Moscow, Moskovskiy energeticheskiy institut, 2000: 40. (In Rus.)

17. Olofinskiy N.F. Elektricheskiye metody obogashcheni-ya [Electric enrichment methods]. The 4th ed., reviewed and extended. Moscow, Nedra, 1977: 579. (In Rus.)

18. Andreyev S.A., Sudnik Yu.A., Bogoyavlenskiy V.M., Flegontov Ye.A. Sistema otopleniya zhilykh i proizvod-stvennykh pomeshcheniy [Heating system of residential and industrial premises]: Patent No. 119856 RF MPK F24 D3/12 (2006.01). 2012110353/12, 2012. (In Rus.)

19. Leonov V.S. Issledovaniye i razrabotka dielek-tricheskogo separatora dlya razdeleniya semyan ovoshchnykh

Андреев С.А., Богоявленский В.М., Иванова Л.Л. провели обобщение и написали рукопись. Андреев С.А., Богоявленский В.М., Иванова Л.Л. имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила 06.05.2019 Опубликована 22.08.2019

kul'tur v pole promyshlennoy chastity [Research and development of a dielectric separator for the separation of vegetable seeds in the field of industrial frequency]: PhD (Eng) thesis: 05.20.02. Moscow, MIISP imeni V.P. Goryachki-na. 1980: 154. (In Rus.)

20. Bogoyavlenskiy V.M. Dielektricheskiy friktsionnyy separator dlya ochistki semyan morkovi ot semyan poviliki [Dielectric friction separator for separating carrot seeds from dodder seeds]: PhD (Eng) thesis: 05.20.02. Moscow, MI-ISP, 1987: 197. (In Rus.)

Andreyev S.A., Bogoyavlensky V.M., Ivanova L.L. summarized the material and wrote the manuscript. Andreyev S.A., Bogoyavlensky V.M., Ivanova L.L. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper.

Как электрическое поле борется с пылью

Электрическое поле – это та область пространства, где вакуум в физическом смысле имеет упорядоченное строение. Вакуум оказывает воздействие на пробный заряд, что обуславливается тем, что в данном пространстве присутствуют электрические бионы. Телевизоры и мониторы обладают электрическим полем. Многие замечали, что на дисплее появляется большое количество пыли. Так почему же электрическое поле притягивает пыль?

Как электрическое поле борется с пылью

Электрическое поле
Пыль

Электрическое поле состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, в центре которых находится бион. В процессе работы, например, телевизора, вокруг кинескопа образуется электрическое поле, то есть вокруг него хаотически движутся положительно и отрицательно заряженные частицы.

Частицы, которые движутся хаотично вокруг биона, входят во взаимодействие со внешней средой. Конечно, заряд таких частиц мизерно мал, поэтому мы не может почувствовать его воздействия. Однако, его заряда хватает для воздействия на пыль. Пыль имеет нейтральный заряд, именно поэтому она притягивается к положительно или отрицательно заряженным частицам, в результате чего на дисплее мониторов или кинескопах телевизоров образуется слой пыли. Таким образом электрическое поле «борется» с пылью.

Электростатический очиститель воздуха своими руками. Часть 1 — принципы работы

В какой-то момент времени во мне воспылал энтузиазм к постройке бытового электростатического очистителя воздуха (электрофильтра). Удивительно, но мне не удалось в сети найти годных материалов по этой области что и подтолкнуло меня к написанию данной статьи.

В первой части предлагаю познакомиться с принципами работы этих устройств, а в следующей – построить полноценный очиститель своими руками.

На фото коронный разряд, используемый в электростатических очистителях воздуха

Содержание

Зачем нужен очиститель

Содержащиеся в воздухе мелкие пылевые частицы PM10 и PM2.5 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 (превышение по PM2.5 среднегодовой концентрации 10мкг/куб.м и среднесуточной 25мкг/куб.м; превышение по PM10 среднегодовой 20мкг/куб.м и среднесуточной 50мкг/куб.м) повышает риск возникновения респираторных заболеваний, заболеваний сердечнососудистой системы и некоторых онкологических заболеваний, загрязнение уже отнесено к 1 группе канцерогенов. Высокотоксичные частицы (содержащие свинец, кадмий, мышьяк, бериллий, теллур, и др., а также радиоактивные соединения) представляют опасность даже при небольших концентрациях.

Самый простой шаг к снижению негативного воздействия пыли на организм – установка эффективного очистителя воздуха в спальном помещении, где человек проводит около трети времени.

Источники пыли

Крупными природными поставщиками пыли являются извержения вулканов, океан (испарение брызг), природные пожары, эрозия почв (например, пыльные бури: г.Забол, Ирак), землетрясения и различные обвалы грунта, пыльца растений, споры грибов, процессы разложения биомассы и др.

К антропогенным источникам относятся процессы сжигания ископаемых (энергетика и промышленность), транспортирование хрупких/сыпучих материалов и погрузочные работы (см. порт «Восточный» г.Находка, порт «Ванино» Хабаровский кр.), дробление материалов (добыча ископаемых, производство стройматериалов, сельхоз промышленность), механическая обработка, химические процессы, термические операции (сварка, плавка), эксплуатация транспортных средств (выхлоп двигателей внутреннего сгорания, истирание шин и дорожного покрытия).

Наличие пылевых частиц в помещениях обусловлено поступлением загрязненного наружного воздуха, а также присутствием внутренних источников: разрушение материалов (одежда, белье, ковры, мебель, стройматериалы, книги), приготовление пищи, жизнедеятельность человека (частички эпидермиса, волосы), плесневелые грибы, клещи домашней пыли и др.

Доступные очистители воздуха

Для снижения концентрации частиц пыли (в том числе самых опасных – размером менее 10мкм) доступны бытовые приборы, работающие на следующих принципах:

механическая фильтрация;
ионизация воздуха;
электростатическое осаждение (электрофильтры).

высокое гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента;
необходимость в частой замене дорогостоящего фильтрующего элемента.

Ионизатор воздуха при работе электрически заряжает взвешенные в воздухе помещения частицы пыли, из-за чего последние под действием электрических сил осаждаются на пол, стены, потолок или предметы в помещении. Частицы остаются в помещении и могут вернуться во взвешенное состояние, поэтому решение не выглядит удовлетворительным. Кроме того, прибор значительно изменяет ионный состав воздуха, при этом воздействие такого воздуха на людей на данный момент изучено недостаточно.

Работа электростатического очистителя основана на том же принципе: поступающие внутрь прибора частицы сначала электрически заряжаются, затем притягиваются электрическими силами к специальным пластинам, заряженным противоположным зарядом (все это происходит внутри прибора). При накоплении слоя пыли на пластинах выполняется чистка. Эти очистители обладают высокой эффективностью (более 80%) улавливания частиц разных размеров, низким гидравлическим сопротивлением, и не требуют периодической замены расходных элементов. Имеются и недостатки: выработка некоторого количества токсичных газов (озон, оксиды азота), сложная конструкция (электродные сборки, высоковольтное электропитание), необходимость периодической чистки осадительных пластин.

Требования к очистителю воздуха

При применении рециркуляционного очистителя воздуха (такой очиститель засасывает воздух из помещения, фильтрует, а затем возвращает в помещение) обязательно должны учитываться характеристики прибора (однопроходная эффективность, объемная производительность) и объем целевого помещения, иначе прибор может оказаться бесполезным. Американской организацией AHAM для этих целей был разработан показатель CADR, учитывающий однопроходную эффективность очистки и объемную производительность очистителя, а также способ вычисления необходимого CADR для заданного помещения. Здесь уже есть неплохое описание этого показателя. AHAM рекомендует использовать очиститель со значением CADR большим или равным пятикратному обмену объема помещения в час. Например, для комнаты площадью 20 кв.м и высотой потолка 2,5м показатель CADR должен составлять 20 * 2.5 * 5 = 250 куб.м/час (или 147CFM) или более.

Также очиститель при работе не должен создавать какие-либо вредные факторы: превышение допустимых значений уровня шума, превышение допустимых концентраций вредных газов (в случае использования электрофильтра).

Однородное электрическое поле

Силовой характеристикой поля является напряженность E [Вольт/м или кВ/см]. Напряженность электрического поля – векторная величина (имеет направление). Графически изображать напряженность принято силовыми линиями (касательные к точкам силовых кривых совпадают с направлением вектора напряженности в данных точках), величина напряженности характеризуется густотой этих линий (чем более густо расположены линии – тем большее значение принимает напряженность в этой области).

Рассмотрим простейшую систему электродов, представляющую из себя две параллельные металлические пластины, находящиеся друг от друга на расстоянии L, к пластинам приложена разность потенциалов напряжением U с источника высокого напряжения:

L= 11мм = 1.1см;
U = 11кВ (киловольт; 1киловольт = 1000вольт);

На рисунке показано примерное расположение силовых линий. По густоте линий видно, что в большей части пространства межэлектродного промежутка (за исключением области вблизи кромок пластин) напряженность имеет одинаковое значение. Такое равномерное электрическое поле называется однородным [2, 3, 4]. Значение напряженности в пространстве между пластинами для этой электродной системы можно вычислить из простого уравнения [1, 2.]:

Значит, при напряжении 11кВ напряженность составит 10кВ/см. В данных условиях атмосферный воздух, заполняющий пространство между пластинами, является электрическим изолятором (диэлектриком), то есть не проводит электрический ток, поэтому в электродной системе ток протекать не будет. Проверим это на практике.

Для проведения небольших практических экспериментов будет использоваться источник высокого напряжения (ИВН), тестовая электродная система и «измерительный стенд».
Электродная система может быть собрана в один из трех вариантов: «две параллельные пластины», «провод-пластина» или «зубья-пластина»:

Межэлектродное расстояние для всех вариантов одинаковое и составляет 11мм.

Стенд состоит из измерительных приборов:

вольтметр 50кВ (микроамперметр Pa3 на 50мкА с добавочным сопротивлением R1 1ГОм; 1мкА показаний соответствует 1кВ);
микроамперметр Pa2 на 50мкА;
миллиамперметр Pa1 на 1мА.

При высоких напряжениях некоторые непроводящие материалы внезапно начинают проводить ток (например, мебель), поэтому все смонтировано на листе оргстекла. Выглядит это безобразие так:

Конечно, точность измерений таким оборудованием оставляет желать лучшего, но для наблюдений за общими закономерностями вполне должно хватить (лучше, чем ничего!). Со вступлениями заканчиваем, приступим к делу.

Эксперимент #1

Две параллельные пластины, однородное электрическое поле;

L = 11мм = 1.1см;
U = 11…22кВ.

По показаниям микроамперметра видно, что электрический ток действительно отсутствует. Ничего не изменилось и при напряжении 22кВ, и даже при 25кВ (максимальном для моего источника высокого напряжения).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	E, кВ/см	I, мкА
0	0	0
11	10	0
22	20	0
25	22.72	0

Электрический пробой воздушного промежутка

Сильное электрическое поле способно превратить воздушный промежуток в электрический проводник – для этого необходимо, чтобы его напряженность в промежутке превысила некоторую критическую (пробойную) величину. Когда это происходит, в воздухе с высокой интенсивностью начинают протекать ионизационные процессы: в основном ударная ионизация и фотоионизация, что приводит к лавинообразному росту количества свободных носителей зарядов – ионов и электронов. В какой-то момент времени образуется проводящий канал (заполненный носителями зарядов), перекрывающий межэлектродный промежуток, по которому начинает течь ток (явление называется электрическим пробоем или разрядом). В зоне протекания ионизационных процессов имеют место химические реакции (в том числе диссоциация молекул, входящих в состав воздуха), что приводит к выработке некоторого количества токсичных газов (озон, оксиды азота).

Ионизационные процессы [1, 2]

Ударная ионизация

Свободные электроны и ионы различных знаков, всегда имеющиеся в атмосферном воздухе в небольшом количестве, под действием электрического поля будут устремляться в направлении электрода противоположной полярности (электроны и отрицательные ионы – к положительному, положительные ионы–к отрицательному). Некоторые из них будут по пути сталкиваться с атомами и молекулами воздуха. В случае, если кинетическая энергия движущихся электронов/ионов оказывается достаточной (а она тем выше, чем выше напряженность поля), то при столкновениях из нейтральных атомов выбиваются электроны, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. В свою очередь новые электроны и ионы будут также ускоряться электрическим полем и некоторые из них будут способны таким образом ионизировать другие атомы и молекулы. Так количество ионов и электронов в межэлектродном пространстве начинает лавинообразно увеличиваться.

Фотоионизация

Атомы или молекулы, получившие при столкновении недостаточное для ионизации количество энергии, испускают ее в виде фотонов (атом/молекула стремится вернуться в прежнее стабильное энергетическое состояние). Фотоны могут быть поглощены каким-либо атомом или молекулой, что может также привести к ионизации (если энергия фотона достаточна для отрыва электрона).

Для параллельных пластин в атмосферном воздухе критическую величину напряженности электрического поля можно вычислить из уравнения [1]:

Для рассматриваемой электродной системы критическая напряженность (при нормальных атмосферных условиях) составляет около 30,6кВ/см, а напряжение пробоя –33,6кВ. К сожалению, мой источник высокого напряжения не может выдать более 25кВ, поэтому для наблюдения электрического пробоя воздуха пришлось уменьшить межэлектродное расстояние до 0,7см (критическая напряженность 32.1кВ/см; напряжение пробоя 22,5кВ).

Эксперимент #2

Наблюдение электрического пробоя воздушного промежутка. Будем повышать приложенную к электродам разность потенциалов до возникновения электрического пробоя.

L = 7мм = 0.7см;
U = 14…25кВ.

Пробой промежутка в виде искрового разряда наблюдался при напряжении 21,5кВ. Разряд испускал свет и звук (щелчок), стрелки измерителей тока отклонялись (значит, что электрический ток протекал). При этом в воздухе ощущался запах озона (такой же запах, например, возникает при работе УФ-ламп во время кварцевания помещений в больницах).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	E, кВ/см	I, мкА
0	0	0
14	20	0
21	30	0
21.5	30.71	пробой

Неоднородное электрическое поле

Для этой электродной системы значения напряженности в точках межэлектродного пространства можно определить из простого уравнения [1, 2]:

На рисунке ниже представлена рассчитанная картина для значений:

R1 = 0.05мм = 0.005см;
R2 = 11мм = 1.1см;
U = 5кВ;

Линии характеризуют значение напряженности на данном удалении; значения соседних линий отличаются на 1кВ/см.

Из картины распределения видно, что в большей части межэлектродного пространства напряженность изменяется незначительно, а вблизи проволочного электрода, по мере приближения к нему, резко возрастает.

Коронный разряд

В электродной системе провод-плоскость (или подобной, в которой радиус кривизны одного электрода существенно меньше межэлектродного расстояния), как мы увидели из картины распределения напряженности, возможно существование электрического поля со следующими особенностями:

в небольшой области, приближенной к проволочному электроду, напряженность электрического поля может достигать высоких значений (значительно превышающих 30кВ/см), достаточных для возникновения интенсивных ионизационных процессов в воздухе;
одновременно с этим, в большей части межэлектродного пространства напряженность электрического поля будет принимать невысокие значения – менее 10 кВ/см.

В межэлектродном промежутке с коронным разрядом выделяется две зоны [1]: зона ионизации(или чехол разряда) и зона дрейфа:

В зоне ионизации, как можно догадаться из названия, протекают ионизационные процессы – ударная ионизация и фотоионизация, и образуются ионы разных знаков и электроны. Электрическое поле, присутствующее в межэлектродном пространстве, воздействует на электроны и ионы, из-за чего электроны и отрицательные ионы (при наличии) устремляются к коронирующему электроду, а положительные ионы вытесняются из зоны ионизации и поступают в зону дрейфа.

В зоне дрейфа, на которую приходится основная часть межэлектродного промежутка (все пространство промежутка за исключением зоны ионизации), ионизационные процессы не протекают. Здесь распределяется множество дрейфующих под действием электрического поля (в основном в направлении пластинчатого электрода) положительных ионов.

За счет направленного движения зарядов (положительные ионы замыкают ток на пластинчатый электрод, а электроны и отрицательные ионы — на коронирующий электрод) в промежутке протекает электрический ток, ток коронного разряда [2, 3].

В атмосферном воздухе в зависимости от условий положительный коронный разряд может принимать одну из форм [1]: лавинную или стримерную. Лавинная форма наблюдается в виде равномерного тонкого светящегося слоя, покрывающего гладкий электрод (например, провод), выше было фото. Стримерная форма наблюдается в виде тонких светящихся нитевидных каналов (стримеров), направленных от электрода и чаще возникает на электродах с острыми неровностями (зубья, шипы, иглы), фото ниже:

Как и в случае с искровым разрядом, побочным эффектом протекания любой формы коронного разряда в воздухе (из-за наличия ионизационных процессов) является выработка вредных газов – озона и оксидов азота.

Эксперимент #3

Наблюдение положительного лавинного коронного разряда. Коронирующий электрод – проволочный, положительное питание;

L = 11 мм = 1.1см;
R1 = 0.05 мм = 0.005см

Процесс коронирования (появился электрический ток) начался при U = 6.5кВ, при этом поверхность проволочного электрода начала равномерно покрываться тонким слабосветящимся слоем и появился запах озона. В этой светящейся области (чехле коронного разряда) и сосредоточены ионизационные процессы. При увеличении напряжения наблюдалось увеличение интенсивности свечения и нелинейный рост тока, а при достижении U = 17.1кВ произошло перекрытие межэлектродного промежутка (коронный разряд перешел в искровой разряд).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
6,5	1
7	2
8	20
9	40
10	60
11	110
12	180
13	220
14	300
15	350
16	420
17	520
17.1	перекрытие

Эксперимент #4

Наблюдение отрицательного коронного разряда. Поменяем местами провода электропитания электродной системы (отрицательный провод к проволочному электроду, положительный провод – к пластинчатому). Коронирующий электрод – проволочный, отрицательное питание;

L = 11 мм;
R1 = 0.05 мм = 0.005 см.

Коронирование началось при U = 7.5кВ. Характер свечения отрицательной короны существенно отличался от свечения положительной короны: теперь на коронирующем электроде возникали отдельные пульсирующие светящиеся равноудаленные друг от друга точки. При повышении приложенного напряжения возрастал ток разряда, а также увеличивалось количество светящихся точек и интенсивность их свечения. Запах озона ощущался сильней, чем при положительной короне. Искровой пробой промежутка произошел при U = 18.5кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
7.5	1
8	4
9	20
10	40
11	100
12	150
13	200
14	300
15	380
16	480
17	590
18	700
18.4	800
18.5	перекрытие

Эксперимент #5

Наблюдение положительного стримерного коронного разряда. Заменим в электродной системе проволочный электрод на пилообразный электрод и вернем полярность электропитания в исходное состояние. Коронирующий электрод – зубчатый, положительное питание;

Процесс коронирования начался при U = 5.5кВ, при этом на остриях коронирующего электрода появились тонкие светящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону пластинчатого электрода. По мере увеличения напряжения размер и интенсивность свечения этих каналов, а также коронный ток увеличивался. Запах озона ощущался примерно как при положительной лавинной короне. Переход коронного разряда в искровой разряд произошел при U = 13кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
5.5	1
6	3
7	10
8	20
9	35
10	60
11	150
12	300
12.9	410
13	перекрытие

Как было видно из экспериментов, геометрические параметры коронирующего электрода, а также полярность питания существенно влияют на закономерность изменения тока от напряжения, величину напряжения зажигания разряда, величину напряжения пробоя промежутка. Это не все факторы, влияющие на режим протекания коронного разряда, вот более полный список[1,2,3,4]:

геометрические параметры межэлектродного пространства:
- геометрические параметры коронирующего электрода;
- межэлектродное расстояние;
- химический состав;
- влажность;
- температура;
- давление;
- примеси (частицы аэрозолей, например: пыль, дым, туман)
Электрическая очистка воздуха: принцип работы

Принцип электрической очистки заключается в следующем: воздух с взвешенными частицами загрязнений (частицы пыли и/или дыма и/или тумана) пропускается со скоростью Vв.п. через межэлектродный промежуток, в котором поддерживается коронный разряд (в нашем случае положительный).

Частицы пыли сначала электрически заряжаются в поле коронного разряда (положительно), а затем притягиваются к отрицательно заряженным пластинчатым электродам за счет действия электрических сил.

Зарядка частиц

Дрейфующие положительные ионы, имеющиеся в большом количестве в межэлектродном коронирующем промежутке, сталкиваются с частицами пыли, из-за чего частицы приобретают положительный электрический заряд. Процесс зарядки выполняется в основном за счет двух механизмов [1,2,4] – ударной зарядки дрейфующими в электрическом поле ионами и диффузионной зарядки ионами, участвующими в тепловом движении молекул. Оба механизма действуют одновременно, но первый более существенен для зарядки крупных частиц (размерами более микрометра), а второй – для более мелких частиц [1,2,4]. Важно отметить, что при интенсивном коронном разряде скорость диффузионной зарядки значительно ниже ударной [4].

Процессы зарядки [1]

Процесс ударной зарядки протекает в потоке ионов, движущихся от коронирующего электрода под действием электрического поля. Ионы, оказавшиеся слишком близко к частице, захватываются последней за счет молекулярных сил притяжения, действующих на коротких расстояниях (в том числе сила зеркального отображения, обусловленная взаимодействием заряда иона и наведенного за счет электростатической индукции противоположного заряда на поверхности частицы).

Механизм диффузионной зарядки выполняется ионами, участвующими в тепловом движении молекул. Ион, оказавшийся достаточно близко к поверхности частицы, захватываются последней за счет молекулярных сил притяжения (в том числе силой зеркального отображения), поэтому вблизи поверхности частицы образуется пустая область, где ионы отсутствуют:

Из-за образовавшейся разности концентраций возникает диффузия ионов к поверхности частицы (ионы стремятся занять пустую область), и в результате эти ионы оказываются захваченными.

При любом механизме по мере накопления частицей заряда, на находящиеся вблизи частицы ионы начинает действовать отталкивающая электрическая сила (заряд частицы и ионов одного знака), поэтому скорость зарядки будет со временем снижаться и в некоторый момент прекратится совсем [1,4]. Этим объясняется существование предела зарядки частицы.

Величина заряда, полученного частицей в коронирующем промежутке, зависит от следующих факторов:
- способность частицы к зарядке (скорость зарядки и предельный заряд, больше которого частица зарядиться не может);
- время, отпущенное на процесс зарядки;
- электрические параметры области, в которой находится частица [1,4] (напряженность электрического поля, концентрация и подвижность ионов)
Дрейф и осаждение частиц

В межэлектродном пространстве коронирующей электродной системы присутствует электрическое поле, поэтому на частицу, получившую какой-либо заряд, сразу начинает действовать [1,2,3,4] сила Кулона Fк, из-за чего частица начинает смещаться в направлении осадительного электрода – возникает скорость дрейфа W:

Значение силы Кулона пропорционально заряду частицы и напряженности электрического поля в месте ее нахождения [1,2,4]:

Из-за движения частицы в среде возникает [1,2] сила сопротивления Fс, зависящая от размеров и формы частицы, скорости ее движения, а также вязкости среды, поэтому нарастание скорости дрейфа ограничивается. Известно [1]: скорость дрейфа крупной частицы в поле коронного разряда пропорциональна напряженности электрического поля и квадрату ее радиуса, а мелкой – пропорциональна напряженности поля.

Спустя какое-то время частица достигает поверхности осадительного электрода, где удерживается за счет следующих сил [4]:
- электростатических сил притяжения, обусловленных наличием заряда на частице;
- молекулярных сил;
- сил, обусловленных капиллярными эффектами (в случае присутствия достаточного количества жидкости и способности частицы и электрода к смачиванию).
Эти силы противодействуют воздушному потоку, стремящемуся сорвать частицу. Частица выведена из воздушного потока.

Как можно заметить, коронирующий промежуток электродной системы выполняет следующие необходимые для электрической очистки функции:
- производство положительных ионов для зарядки частиц;
- обеспечение электрического поля для направленного дрейфа ионов (необходимого для зарядки частиц) и для направленного дрейфа заряженных частиц к осадительному электроду (необходимого для осаждения частиц).
Некоторые факторы могут оказывать существенное влияние на процесс электрической очистки:
- высокая количественная концентрация частиц загрязнений; приводит к дефициту ионов [2,3] (большая их часть осаждается на частицах), в результате чего снижается интенсивность коронирования, вплоть до прекращения (явление носит название запирание короны), ухудшению параметров электрического поля в промежутке [1]; это приводит к падению эффективности процесса зарядки;
- накопление слоя пыли на осадительном электроде:
  - если слой обладает высоким электрическим сопротивлением, то в нем накапливается электрический заряд того же знака, что и заряд дрейфующих частиц (и полярность коронирующего электрода), в результате чего:
    - снижается интенсивность коронного разряда [2,3] (из-за деформации электрического поля в промежутке), что негативно отражается на процессе зарядки частиц и процессе дрейфа частиц к осадительному электроду;
    - заряженный слой оказывает отталкивающее действие на осаждающуюся частицу [2], имеющую заряд того же знака, что негативно отражается на процессе осаждения;
    Электродные системы электрических фильтров
    
    По мере удаления от коронирующего электрода по направлению вдоль пластин, значение напряженности поля снижается. Условно выделим в межэлектродном промежутке активную область, в пределах которой напряженность поля принимает существенные значения; за пределами этой области необходимые для электрической очистки процессы неэффективны из-за недостаточной напряженности.
    
    Сценарий движения частицы загрязнения на практике может отличаться от описанного ранее: например, частица так и не достигнет осадительного электрода (а), или осажденная частица может по каким-то причинам оторваться (б) от осадительного электрода с последующим уносом воздушным потоком:
    
    Очевидно, что для достижения высоких показателей качества очистки необходимо, чтобы выполнялись условия:
    - каждая частица загрязнения должна достигнуть поверхности осадительного электрода;
    - каждая частица, достигнувшая осадительного электрода, должна надежно удерживаться на его поверхности до момента ее удаления при чистке.
    - увеличение скорости дрейфа W;
    - снижение скорости воздушного потока Vв.п.;
    - увеличение длины S осадительных электродов по ходу движения воздуха;
    - уменьшение межэлектродного расстояния L, что приведет к уменьшению расстояния A (которое необходимо преодолеть частице, чтобы достигнуть осадительного электрода).
    Наибольший интерес, конечно, вызывает возможность повышения скорости дрейфа. Как было ранее отмечено, она в основном определяется величиной напряженности электрического поля и зарядом частицы, поэтому для обеспечения ее максимальных значений необходимо поддерживать интенсивный коронный разряд, а также обеспечить достаточное время пребывания (не менее 0,1с [2,3]) частицы в активной области промежутка (чтобы частица успела получить значительный заряд).
    
    Величина скорости воздушного потока (при постоянном размере активной области) определяет время пребывания частицы в активной области промежутка, и, следовательно, время, отпущенное на процесс зарядки и время, отпущенное на процесс дрейфа. Кроме того, чрезмерное увеличение скорости приводит [3] к возникновению явления вторичного уноса – к вырыванию осажденных частиц с осадительного электрода. Выбор скорости потока является компромиссом, так как снижение скорости приводит к падению объемной производительности аппарата, а значительное увеличение – к резкому ухудшению качества очистки. Обычно скорость в электрофильтрах составляет [1,3] около 1 м/с (может находиться в пределах 0,5…2,5 м/с).
    
    Увеличение длины S осадительного электрода не сможет оказать значительного положительного эффекта, так как в удлиненной части межэлектродного промежутка за пределами условной активной области (большое удаление от коронирующего электрода) напряженность электрического поля и, следовательно, скорость дрейфа частицы будет мала:
    
    Установка дополнительного коронирующего электрода в удлиненной части значительно улучшит ситуацию, но для бытового устройства это решение может вызвать проблемы с выработкой токсичных газов (из-за увеличения суммарной протяженности коронирующего электрода):
    
    Аппараты с таким расположением электродов известны как многопольные электрофильтры [4] (в данном случае двухпольный электрофильтр) и применяются в промышленности для очистки больших объемов газов.
    
    Уменьшение межэлектродного расстояния (L → *L) приведет к уменьшению пути (*A < A), который необходимо преодолеть частице, чтобы достигнуть осадительного электрода:
    
    Из-за сокращения межэлектродного расстояния будет снижена разность потенциалов U, из-за чего уменьшится и размер активной области межэлектродного промежутка. Это приведет к сокращению времени, отпущенного на процесс зарядки и процесс дрейфа частицы, что в свою очередь может привести к снижению качества очистки (особенно для мелких частиц, обладающих низкой способностью к зарядке). Кроме того, уменьшение расстояния приведет к сокращению площади поперечного сечения активной зоны. Решить проблему сокращения площади можно параллельной установкой такой же электродной системы:
    
    Аппараты с таким расположением электродов известны как многосекционные электрофильтры[4] (в данном случае двухсекционный) и применяются в промышленных установках. У данной конструкции увеличена протяженность коронирующего электрода, что может вызвать проблемы с выработкой токсичных газов.
    
    Гипотетический высокоэффективный электрический фильтр, наверное, содержал бы некоторое количество электрический полей и секций очистки:
    
    Каждая поступившая в этот многосекционный многопольный электрофильтр частица успевала бы получить максимально возможный заряд, так как в аппарате обеспечивается активная область зарядки большой протяженности. Каждая заряженная частица достигала бы поверхности осадительного электрода, так как в аппарате обеспечена активная область осаждения большой протяженности и уменьшено расстояние, которое необходимо преодолеть частице, чтобы осесть на электроде. Аппарат без труда справлялся бы и с высокой запыленностью воздуха. Но такая компоновка электродов из-за большой суммарной длины коронирующих электродов будет вырабатывать недопустимо большое количество токсичных газов. Поэтому подобная конструкция совершенно непригодна для использования в устройстве, предназначенном для очистки воздуха, который будет использоваться людьми для дыхания.
    
    В начале статьи была рассмотрена электродная система, состоящая из двух параллельных пластин. Она обладает очень полезными свойствами в случае ее применения в бытовом электрофильтре:
    - электрический разряд в электродной системе не протекает (ионизационные процессы отсутствуют), поэтому токсичные газы не вырабатываются;
    - в межэлектродном пространстве образуется однородное электрическое поле, поэтому пробойная прочность межэлектродного промежутка выше, чем эквивалентного промежутка с коронирующим электродом.
    Процесс очистки воздуха в модифицированной электродной системе немного отличается – теперь он протекает в 2 стадии: сначала частица проходит коронирующий промежуток с неоднородным полем (активная область 1), где получает электрический заряд, затем поступает в промежуток с однородным электростатическим полем (активная область 2), который обеспечивает дрейф заряженной частицы к осадительному электроду. Таким образом, можно выделить две зоны: зона зарядки (ионизатор) и зона осаждения (осадитель), поэтому данное решение и получило название — двухзонный электрофильтр [2,3]. Пробойная прочность межэлектродного промежутка осадительной зоны выше [1,2] пробойной прочности промежутка зоны зарядки, поэтому к ней приложено большее значение разности потенциалов U2, что обеспечивает большее значение напряженности электрического поля в этой зоне (активная область 2). Пример: рассмотрим два промежутка с одинаковым межэлектродным расстоянием L=30мм: с коронирующим электродом и с пластинчатым электродом; пробойное значение средней напряженности для промежутка с неоднородным полем не превышает 10кВ/см [1]; пробойная прочность промежутка с однородным полем составляет около 28кВ/см, (более, чем в 2 раза выше).
    
    Увеличение напряженности поля будет способствовать повышению качества очистки, так как сила, обеспечивающая дрейфа заряженных частиц пыли, пропорциональна ее значению. Что примечательно, электродная система зоны осаждения почти не потребляет электроэнергию. Кроме того, так как поле однородное, по всей длине зоны (по ходу движения воздуха) напряженность будет принимать одинаковое значение. Благодаря этому свойству можно увеличить длину электродов осадительной зоны:
    
    В результате увеличится длина активной области осаждения (активная область 2), что обеспечит увеличение времени, отпущенного на процесс дрейфа. Это будет способствовать повышению качества очистки (особенно для мелких частиц, обладающих низкой скоростью дрейфа).
    В электродную систему можно внести еще одно усовершенствование: увеличить количество электродов в осадительной зоне:
    
    Это приведет к уменьшению межэлектродного расстояния осадительной зоны, в результате чего:
    - уменьшится расстояние, которое необходимо преодолеть заряженной частице, чтобы достигнуть осадительного электрода;
    - увеличится пробойная прочность межэлектродного промежутка (видно из уравнения критической напряженности воздушного промежутка), благодаря чему будет возможно обеспечить еще более высокие значения напряженности электрического поля в зоне осаждения.
    Протяженность активной области 2 по ходу движения воздуха при этом, что важно, не уменьшится. Поэтому увеличение количества электродов в осадителе тоже будет способствовать повышению качества очистки.
    
    Заключение
    
    В конечном счете, мы пришли к двухзонной электродной системе, обладающей высоким качеством очистки от взвешенных частиц, даже мелких, улавливание которых вызывает наибольшие трудности (низкая способность к зарядке и, следовательно, низкое значение скорости дрейфа) при низком уровне вырабатываемых токсичных газов (при условии использования положительной лавинной короны). Конструкция имеет и недостатки: при высокой количественной концентрации пыли возникнет явление запирания короны, что может привести к значительному снижению эффективности очистки. Как правило, воздух жилых помещений не содержит такого количества загрязнений, поэтому такой проблемы возникнуть не должно. Благодаря неплохому сочетанию характеристик устройства с аналогичными электродными системами успешно применяются для тонкой очистки воздуха в помещениях.
    
    По возможности в следующей части будут выложены материалы по конструкции и сборке в домашних условиях полноценного двухзонного электростатического очистителя воздуха.
    
    Огромная благодарность Яне Жировой за предоставленную фотокамеру: без нее качество фото- и видеоматериалов было бы значительно хуже, а фото коронного разряда вообще бы отсутствовали.
    Похожие публикации: