§ 3. Вольт амперные характеристики коронного разряда

Кривая зависимости силы тока от величины приложенного напряжения в трубчатом электрофильтре показывает, что до возникновения коронного разряда сила тока пренебрежимо мала и напряженность поля в любой точке межэлектродного промежутка может определяться по формуле (11.6), выведенной для цилиндрического конденсатора. С момента возникновения короны в межэлектродном промежутке начинается интенсивное движение зарядов, сила тока значительно повышается и электрическое поле из статического становится динамическим.

Кривая зависимости силы тока от величины приложенного напряжения на участке коронного разряда называется вольтамперной характеристикой. Чтобы исключить ее зависимость от размеров электрофильтра, силу тока относят к единице поверхности, сквозь которую проходят электрические заряды. Получаемая величина плотности тока, мА/м², равна

. (11.23)

В ряде случаев плотность тока удобнее относить к 1 м длины осадительного электрода. Такая линейная плотность тока равна

, (11.24)

где R₂ — радиус осадительного электрода.

Для определения величины напряженности электрического поля в условиях протекания через трубчатый фильтр тока короны аналитически получено дифференциальное уравнение.

В электрическом поле трубчатого электрофильтра с объемным униполярным зарядом проведем две концентрические поверхности радиусом x и x + dx и длиной 1 м, на которых поток индукции будет соответственно равен 2πxD и 2π(x+dx)(D+ΔD). Эти величины будут отличаться друг от друга на величину потока индукции, создаваемого объемным униполярным зарядом, находящимся в области dx и равным

,

так как весьма малой величиной второго порядка dx² можно пренебречь.

Таким образом, дифференциальное уравнение потока индукции будет иметь следующий вид:

.

После несложных преобразований будем иметь

Или

.

В результате интегрирования от R₁ до x и от E_o до E получим закон распределения напряженности поля во внешней зоне коронного разряда:

. (11.25)

При достаточном удалении от оси (рис. 11.2, б)

. (11.26)

Для пластинчатого электрофильтра приближено

. (11.27)

Выразив напряженность поля через напряжение, приложенное на электродах, и решив уравнение (11.25) относительно линейной плотности тока, получим уравнение вольтамперной характеристики коронного разряда, аппроксимирующейся кривой параболического вида (рис. 11.8):

, (11.28)

где U_кр — критическое напряжение короны, В; С — постоянная, зависящая от конструкции электрофильтра и подвижности ионов k.

Рис.11.8. Вольтамперные характеристики электрофильтра: а - нормальная, б – редуцированная.

Для трубчатого электрофильтра

, (11.29)

где - радиус осадительного электрода, м.

Для пластинчатого электрофильтра

, (11.30)

где H – расстояние между коронирующими и осадительными электродами; S – расстояние между коронирующими электродами в ряду; f – коэффициент, зависящий от отношения H к S:

Квадратичное уравнение может быть приведено к линейной форме следующим образом:

. (11.31)

Прямая, описываемая уравнением (11.31), получила название редуцированной вольтамперной характеристики (см. рис. 11.8, б). Очевидно, что редуцированная характеристика отсекает на оси абсцисс отрезок, соответствующий величине критического напряжения. Вольтамперная характеристика позволяет судить о величине тока короны, проходящего через межэлектродный промежуток, т.е. об электрическом режиме работы электрофильтра.

Расположение вольтамперной характеристики зависит от ряда факторов как конструктивного, так и технологического характера.

На рис. 11.9, а, б приведены вольтамперные характеристики для коронирующих электродов различных размеров и формы. Кривые показывают, что при одном и том же напряжении сила тока короны тем больше, чем меньше диаметр коронирующего электрода. Влияет также и конфигурация провода.

Рис. 11.9. Вольтамперные характеристики электрофильтров при различных коронирующих электродах: а – трубчатый электрофильтр; б – пластинчатый электрофильтр; 1 – игольчатый электрод; 2 – провод диаметром 2мм; 3 – провод диаметром 4 мм.; 4 – штыковой электрод.

На рис. 11.10 показано влияние технологических факторов на вольтамперную характеристику электрофильтра. С ростом температуры сила тока короны растет, однако напряжение, при котором возможна устойчивая работа электрофильтра, уменьшается вследствие снижения пробойного напряжения электрофильтра.

Рис. 11.10 Влияние технологических факторов на вольтамперные характеристики электрофильтров: а — температуры; б— давления; б — влажности; г — скорости газа; д — состава газа.

Повышение влажности газа уменьшает ток короны. Наблюдаемое иногда увеличение силы тока объясняется утечками по влажной поверхности изоляторов. С ростом скорости газа в электрофильтре вольтамперные характеристики смещаются вправо, что свидетельствует о снижении силы тока.

В чистом газе ток короны всегда больше, чем в запыленном. Это объясняется тем, что скорость ионов (w_и = 60÷100 м/с) в тысячу и более раз выше скорости заряженных пылевых частиц (w_ч = 0,1÷0,2 м/с). Поэтому появление заряда на частицах пыли уменьшает ток короны (рис. 11.11). В поле электрофильтра ток короны можно представить состоящим из двух слагаемых:

, (11.32)

где i_и, i_п - токи, вызываемые соответственно движущимися ионами и движущимися частицами пыли.

Рис. 68. Явление запирания короны

Вследствие малой скорости движения пылевых частиц в нормально работающем электрофильтре составляющая тока i_п не превышает 1—2% общего тока. С повышением запыленности газа ток короны уменьшается и при большой запыленности (z₁ = 25÷35 г/м³) может упасть почти до нуля, вследствие чего работа фильтра резко ухудшается. Такое явление, называемое запиранием короны, наступает, когда объемный заряд частиц пыли становится равным объемному заряду генерируемых ионов, т.е. ионная составляющая тока короны обращается в нуль.

При запирании короны ионов может оказаться недостаточным, чтобы сообщить всем частицам максимальный заряд. В этом случае предельный заряд q_пред, который может получить частица, очевидно, равен:

, (11.35)

где - начальная концентрация ионов, ион/м³; z — концентрация пыли в газе, частиц/м³.

Полное запирание короны встречается сравнительно редко, однако ухудшение работы фильтра при повышенной запыленности газа наблюдается часто.

Предотвратить запирание короны можно следующими способами: повышением рабочего напряжения на электродах; уменьшением скорости газа в электрофильтре; снижением концентрации пыли посредством организации предварительной грубой очистки газа; применением многопольных электрофильтров, состоящих из нескольких последовательно включенных полей с индивидуальным регулированием режима работы каждого поля.