Электрический ветер в системе электродов игла-решетка Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 538.3

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЕТЕР В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОДОВ ИГЛА-РЕШЕТКА © 2010 г. Н.В. Ксёнз, А.В. Белоусов, О.В. Меликова

Получены аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие определять скорость электрического ветра в зависимости от плотности тока и напряжения на электродах разрядного промежутка игла-сетка с погрешностью, не превышающей 6,0%, что приемлемо для практических расчетов.

Ключевые слова: электрический ветер, система электродов, игла-решетка, игла-сетка, плотность тока, напряжение, плотность тока.

The article treats the analytical and empirical dependences which allow to determine the speed of electrical wind depending on the current density and voltage on the electrodes of the discharge gap of needle-grid with calculating error not exceeding 6,0% that is acceptable for practical computation.

Key words: electrical wind, electrodes system, needle-grid, needle-net, current density, voltage.

Явление электрического ветра, возникающее в коронном разряде, используется в ряде технологических устройств сельскохозяйственного производства [1-3]. На изучение электрического ветра были направлены усилия многих ученых, но, несмотря на это, литературные данные по этой проблеме весьма ограничены и не всегда надежны. Электрический ветер изучался в основном в разрядном промежутке электрофильтров с целью выяснения его влияния на перемещения частиц пыли. При этом в принимаемых допущениях были существенные разногласия. Так, в работе [1] напряженность электрического поля на коронирующем электроде принимается равной нулю [Е0(х « 0) = 0], а в работе [2] напряженность на коронирующем электро-

3 =

V

j ■L

де принимается равной напряженности зажигания короны, т.е. Е0 = Екор

В первом случае было получено выражение для определения напряженности на приемном электроде:

Е, ф/и)2 +&/е-о)-1р -(Л/и), (1) где Еь - напряженность на приемном электроде - сетке, кВ;

Л - скорость электрического ветра за приемным электродом, м/с;

о - подвижность ионов, м2/св; j - плотность тока, А/м ; е - диэлектрическая проницаемость воздуха, Ас/вм;

Ь - межэлектродное расстояние, м.

А также выражение для определения скорости электрического ветра: j -,

и ■ р ■ (l + (2s / ри2 ))12

где р - плотность воздуха, кг/м .

Расхождение теоретических значений скорости с экспериментальными значениями не превышает 4%.

Во втором случае было получено выражение для определения напряженности на приемном электроде:

ри

(1 + <т)_

El =

f з2

4и2

■ +

j ■ xi s ■и

3

2и

(2)

(3)

При этом выражение для определения скорости электрического ветра имеет вид:

3 =

3 ■ J ■ f (x)

\ж-p-v-x

где J - ток разряда, цА;

/ (х) =(а ■ X)- [(1 + °- X)- (1 + с ■X)2 ],

а = 3,64 104 ^, см; и = 1,4102^, см;

2

с =70 ^2, см ; х = х / Ь ; х - расстояние от кончика иглы, см.

Экспериментальная проверка, проведенная авторами, показала, что расчетные значения скорости ветра на 15-20% меньше экспериментальных.

В работе [3] также получено уравнение для определения скорости электрического ветра на основе перепада давлений во внешней области разряда:

3 =

м

2] -Ь

(5)

Экспериментальная проверка уравнения (6) показала, что расчетные значения больше экспериментальных на 3-6%, что приемлемо для инженерных расчетов. Однако в этом уравнении нет обоснования равенства коэффициента потерь единице,

т.е. 4 = 1.

В связи с этим нами была предпринята попытка получить выражение для определения скорости электрического ветра за пределами разрядного промежутка. Предположим, что давление, создаваемое потоком электрического ветра в плоскости приемного электрода - сетки, равно:

Р-о-(1 + %У где 4 - коэффициент потерь.

При коэффициенте потерь, равном единице (4 = 1) , уравнение (5) принимает вид:

Л = ,/(/-Ь)/(р-о). (6)

р-32 =£0 Є- ЕЬ,

(7)

12

где е0 =8,8510" А с/в м - диэлектрическая проницаемость среды.

Вместо Еь подставим уравнение (3) и решим его относительно скорости:

3 =

І

р-и(і-т[є0і{р-и))

]-Ь

(8)

где ¥ = [ео/(Р-о)]12.

Коэффициент у в уравнении (8) при р=1,29 кг/м3 и о=2,1610"4 м2/(св) равен: у=1,7810"4, т.е. им можно пренебречь. Тогда уравнение (8) примет вид:

3 =

ь

Р ■V

(9)

При 7=0,016 н/м , Ь=6310" м скорость ветра по (8) равна Л =1,91 м/с, а по (9) Л =1,913 м/с. Разница составляет 0,15%.

Иногда в практике исследуют графические зависимости скорости электрического ветра за пределами разрядного промежутка от напряжения на электродах разрядного промежутка.

К настоящему времени отсутствуют приемлемые выражения для определения скорости ветра от приложенного напряжения.

Рассмотрим этот вопрос при следующих допущениях:

1. Электрическое поле Е, плотность тока j и скорость воздуха в области действия поля имеют только осевые составляющие.

р-и(1 -у\

2. В межэлектродной области плотность тока и осевая составляющая скорости постоянны и одинаковы по поперечному сечению потока площади 5'.

3. Объемная сила является результатом действия электрического поля на униполярные ионы, обладающие постоянной подвижностью и.

Исходя из этих допущений, а также пренебрегая вязкостным членом для выделенного объема и одномерной системы, уравнение Навье-Стокса можно представить в следующем виде:

Р-3г^ = | ESdx. (10)

Уравнение Пуассона вдоль оси х имеет вид:

Е= Рє

дх є Е 'є = Ре 'дх (її)

Интегрируя (11), получаем

Е Ь = (Рє- х)|є. (12)

Подставляя (12) в (10) и интегрируя, получаем при хк = 0:

,2

' (13)

Р-32 = Р^-Ь2.

є

Из (12) при х — Ь получаем

3—Еє)/Ь.

(14)

Из (13) с учетом (14) получаем уравнение для скорости

3 — рє • Ь •

р-£

где и - напряжение на электродах разрядного промежутка.

Из уравнений (15) и (9) можно найти зависимость напряжения на электродах от длины разрядного промежутка Ь и плотности тока у . При равенстве левых частей этих выражений имеем:

и

¿•I

ри

(16)

и

— є Ь

1

Рє откуда

и

ь\

и — Ь-

•1

Г к/ є • и

(15)

(17)

Задаваясь длиной разрядного промежутка Ь и плотностью тока у, по выражению (17) определяем напряжение и на электродах разрядного промежутка.

Экспериментальная проверка уравнений (9) и (15) представлена на рисунках 1, 2, 3.

м/«и

2.(1

1,6

0.8

0,4

1. г - д - 1.23 кг/м', Ь 1.4 -1^’ .м7{с В)

1 \ О

^2 1 'О 1 ’

и* у ^ Г1

'У 2,2' - 1.23 кг/м . Ь - И-КГ м7(с-В)

|(|

30

50

70

ад

ІII)

ІЗ'.:' 150 У* 10 . А/М

Рис. 1. Графические зависимости скорости электрического ветра от плотности тока

1

для отрицательной и положительной короны:

1, 1', - теоретические зависимости для положительной короны;

2, 2' - теоретические зависимости для отрицательной короны;

1 , 2 - для межэлектродного расстояния Ь=1610" м;

1, 2 - для межэлектродного расстояния Ь = 5 10" м;

Д - эксперимент для положительной короны;

◦ - эксперимент для отрицательной короны

Теоретические зависимости построены по аналитическому уравнению (9) Погрешность с экспериментом не превышает 4-6%.

На рисунке 2 представлены графические зависимости скорости электрического

ветра от напряжения на электродах разрядного промежутка. Теоретические графические зависимости построены по выраже-

2 2 нию (15) для Ь=6 10" м и L=3•10" м для

отрицательной короны.

и,кВ

Рис. 2. Графические зависимости скорости электрического ветра от напряжения на электродах разрядного промежутка для отрицательных корон:

1, 2 - экспериментальные зависимости (Ь = 6,0 см и Ь = 3,0 см соответственно);

1', 2', - теоретические зависимости

На рисунке 3 представлена графиче- рядного промежутка для положительной

ская зависимость скорости электрического короны (Ь=2,0 см).

ветра от напряжения на электродах раз-

и,кВ

Рис. 3. Графическая зависимость скорости электрического ветра от напряжения на электродах разрядного промежутка:

1 - экспериментальная зависимость; 2 - теоретическая зависимость

Анализ этих зависимостей показывает, что погрешность аппроксимации для отрицательной короны колеблется от 50% в начале разряда (Ц=8 - 12 кВ для L=3,0 см и и= 15 - 20 кВ для L=6,0 см) до 6-11% при дальнейшем повышении напряжения.

Для положительной короны погрешность колеблется от 26% в начале разряда (12-12,5 кВ) до 4-11% при дальнейшем повышении напряжения.

Таким образом, полученное уравнение (15) не совсем адекватно описывает зависимость электрического ветра от напряжения на электродах разрядного промежутка.

В связи с этим нами была предпринята попытка получить эмпирические зависи-

мости по экспериментальным данным как для отрицательной, так и для положительной короны.

Эти зависимости были определены для наиболее распространённых длин разрядного промежутка L=20, 30, 60 мм (рис.

4, 5).

Для отрицательной короны L=30,0 мм (рис. 4).

3 =0,2109^-0,6016, R2=0,998. (18)

Для отрицательной короны L=60,0 мм (рис. 4).

3=0,0615^-0,5674, R2=0,996. (19)

Для положительной короны L=20,0 мм (рис. 5).

3=0,2543 ^-2,3, R2=0, 997. (20)

Радиус закругления острия г = 0,05 мм.

и,кв

Рис. 4. Графические зависимости скорости электрического ветра от напряжения на электродах для отрицательной короны:

1, 2 -эмпирические зависимости (Ь = 6,0 см и L = 3,0 см соответственно);

А, □, - экспериментальные значения

и,кВ

Рис. 5. Графические зависимости скорости электрического ветра от напряжения на электродах для положительной короны L = 2,0 см - - эмпирическая зависимость; О - экспериментальные значения

Таким образом, получены аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие определять скорость электрического ветра от плотности тока и напряже-

ния на электродах разрядного промежутка игла - сетка с приемлемой для практики погрешностью, не превышающей 6%, что приемлемо для практических расчетов.

Литература

1. Christenson E.H., Моллер P.S. Jon-Neutral Propulsion in Atmospheris Media. AJAAJ,5. - 1967. - № 10. - Р. 50-56.

2. Верещагин, И.П. Электрический ветер в системе электродов «игла - плоскость» [Текст] / И.П. Верещагин, В.А. Жуков // Энергетика и транспорт. - 1980. - № 3. - С. 108116.

3. Ксенз, Н.В. Малоэнергоемкие вентиляционные установки на базе коронного разряда [Текст] / Н.В. Ксенз // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1986. -№ 4. - С. 56-57.

Сведения об авторах Ксенз Николай Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика» АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 43-7-94.

Белоусов Александр Васильевич - канд. физ-мат. наук, доцент кафедры «Физика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 43-7-94.

Меликова Ольга Викторовна - инженер Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 35-1-67.

E-mail: melikvaolga@rambler.ru

Information about the authors Ksenz Nickolay Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-7-94.

Belousov Alexander Vasilievich - Candidate of Physics and Math, assistant professor of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Phone: 8(86359) 43-7-94.

Melikova Olga Viktorovna - engineer, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 35-1-67. E-mail: melikvaolga@rambler.ru.

УДК 631.145:621.31

ВСЕСЕЗОННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ © 2010 г. В.С. Газалов, Е.Ю. Абеленцев

Разработана конструкция адаптированного коллектора всесезонного электроге-лиоводоподогрева для условий северной страны. Использование трубок с фазопереходным веществом позволяет обеспечить горячее водоснабжение в вечерний максимум водо-разбора. Разработанная рациональная схема всесезонного электрогелиоводоподогрева существенно отличается от ранее известных.

Ключевые слова: электрогелиоводонагреватель, установка, конструкции, солнечная радиация, солнечная энергия.

The construction of an adapted collector of the all-season electroheliobioler is worked out for the northern country conditions. The pipe usage with a phase transition substance lets provide the hot water supplying while evening water usage is at maximum. The worked out one is better than previous boilers.

Key words: electrohelioboiler, installation, construction, solar radiation, solar energy.

В последнее время наблюдается расширение масштабов использования солнечной энергии в народном хозяйстве страны. Первоочередным направлением внедрения солнечных установок является горячее водоснабжение потребителей, не подключенных к централизованным системам теплоснабжения [1]. Солнечные водонагревательные установки могут найти широкое применение в сельском строительстве (горячее водоснабжение жилых домов, сельскохозяйственных производственных помещений, полевых станов и т.п.). В ряде случаев уже в настоящее время при относительно недешевом органическом топливе солнечные водонагревательные установки оказываются экономически эффективными. Оснащение потребителей солнечными установками позволяет повы-

сить надежность их горячего водоснабжения, что для некоторых объектов, например животноводческих ферм, является чрезвычайно важным обстоятельством. Внедрение в сельский быт солнечных водонагревательных установок позволит улучшить бытовые условия работы сельского населения. Одновременно использование солнечной энергии взамен сжигания органического топлива способствует уменьшению загрязнения окружающей среды.

Наиболее эффективно использование солнечных водонагревательных установок в южных районах страны, где имеет место большее поступление солнечной радиации, и солнечные водонагревательные установки могут работать практически круглый год без применения специальных мер защиты от замерзания воды.