УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕТРА

Полезная модель относится к области создания газовых потоков и может быть использована в системах продувки, вентиляции, очистки воздуха от пылевых, бактериальных и химических загрязнений в производственных помещениях, а также озонирования воздуха.
Известен вентилятор-озонатор, включающий корпус, внутри которого расположены несколько рядов пластинчатых электродов, выполненных в аэродинамически профилированном виде с прикрепленными острийными излучателями [1].
Недостатками этого устройства являются сложная конструкция электродов, выполненных в аэродинамически профилированном виде, где к заостренному ребру каждой пластины прикреплены стержневые острийные излучатели, и низкая скорость воздушного потока (не более 1,08 м/с).
Известно устройство для вентиляции воздуха, содержащее коронирующие и осадительные электроды, расположенные параллельно потоку газа, одна сторона коронирующего электрода является коронирующей в направлении воздушного потока, при этом осадительные электроды выполнены в виде сплошных пластин [2].
Недостатками этого устройства являются большая потребляемая мощность, большая масса и высокая стоимость, т.к. осадительные электроды выполнены из сплошных пластин. Устройство обладает низким КПД, что обусловлено расположением коронирующих электродов между сплошными осадительными электродами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для увеличения скорости электрического ветра, содержащее электроды с излучателями, расположенные рядами параллельно потоку газа, основные коронирующие электроды устройства смещены относительно середины осадительных коронирующих электродов в сторону, противоположную направлению движения газа, а в направлении, перпендикулярном поверхности электрода, основные коронирующие и осадительные коронирующие электроды смещены относительно друг друга на фиксированное расстояние [3].
Недостатками данного устройства являются относительно низкая скорость электрического ветра (для 5-ти каскадной электродной системы не более 3,2 м/с), низкий КПД, т.к. в данном устройстве применяется и отрицательный, и положительный коронный разряд, поэтому часть ионов, образовавшихся в первом промежутке и пролетевших за его пределы, попадают в тормозящее поле следующего межэлектродного промежутка и образуют встречный поток, снижающий общую скорость электрического ветра.
Основным техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение скорости электрического ветра и увеличение КПД.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения скорости электрического ветра, содержащем электроды с излучателями, расположенные рядами параллельно потоку газа, коронирующие электроды устройства смещены относительно края осадительных электродов в сторону, противоположную направлению движения газа, а в направлении, перпендикулярном поверхности электрода, коронирующие и осадительные электроды смещены относительно друг друга на фиксированное расстояние, согласно полезной модели осадительные электроды выполнены в виде цилиндров, а параллельно им, на фиксированном расстоянии, расположены ускоряющие электроды, напряжение на которых является ускоряющим для ионов.
На фиг. 1 схематически изображена электродная система двухрядного устройства для увеличения скорости электрического ветра и схема подключения электродов к источнику питания, где 1 - коронирующие электроды, стрелка указывает на коронирующую сторону; 2 - осадительные электроды; 3 - ускоряющие электроды. На фиг. 2 приведены экспериментальные данные зависимости средней скорости воздушного потока на выходе от потребляемой мощности для однорядного устройства без ускоряющих электродов и однорядного устройства с ускоряющими электродами на выходе при различных значениях напряжения на коронирующем электроде U1<U2<U3. На фиг. 3 приведены экспериментальные данные зависимости КПД от потребляемой мощности для однорядного устройства без ускоряющих электродов и однорядного устройства с ускоряющими электродами на выходе при различных значениях напряжения на коронирующем электроде U1<U2<U3.
Примером конкретного выполнения полезной модели является устройство для увеличения скорости электрического ветра, представленное на фиг. 1. Устройство содержит коронирующие электроды 1, выполненные в виде пластин, одна сторона которых выполнена с излучателями и является коронирующей, осадительные электроды 2, выполненные в виде цилиндров, и ускоряющие электроды 3. Ускоряющие электроды могут иметь различную форму, но должны иметь малое сопротивление воздушному потоку и обеспечивать однородное распределение электрического поля в промежутке между осадительными и ускоряющими электродами. В данном примере были выбраны цилиндрические ускоряющие электроды.
Коронирующие электроды 1 располагаются рядами параллельно потоку воздуха, тем самым уменьшая сопротивление воздушному потоку (фиг. 1). Коронирующие электроды 1 смещены относительно края осадительных электродов 2 в сторону, противоположную направлению воздушного потока на L1, а в направлении, перпендикулярном поверхности электрода, коронирующие и осадительные электроды смещены относительно друг друга на фиксированное расстояние H/2. Это приводит к тому, что в распределении электрического поля возрастает горизонтальная составляющая вектора напряженности. За счет этой составляющей электрического поля ионы разгоняются и, соударяясь с молекулами газа, создают горизонтально направленный поток газа. Использование цилиндрической формы осадительных электродов позволяет увеличить рабочее напряжение, т.к. электрическое поле равномерно распределено вдоль всего электрода, что в конечном итоге приводит к увеличению скорости электрического ветра. Кроме того, вследствие малой площади осаждения цилиндрические осадительные электроды позволяют большему числу ионов пролетать во второй ускоряющий промежуток, увеличивая его эффективность. Параллельно осадительным электродам 2 устанавливаются ускоряющие электроды 3 на фиксированном расстоянии L2. Такое расположение ускоряющих электродов позволяет создать более однородное распределение электрического поля во втором промежутке и уменьшить сопротивление потоку газа.
Устройство можно масштабировать: увеличение числа рядов позволяет на выходе увеличить площадь выходного окна, что увеличивает производительность устройства. При этом верхние осадительные и ускоряющие электроды первого ряда являются нижними осадительными и ускоряющими электродами для второго ряда и т.д. (фиг. 1). Это позволяет экономить материал, из которого изготавливаются электроды.
Устройство работает следующим образом. К коронирующим электродам подключается отрицательный полюс, а к ускоряющим электродам - положительный полюс источника высокого напряжения. Осадительные электроды заземляются и находятся под нулевым потенциалом. При подаче высокого напряжения на излучателях коронирующего электрода зажигается отрицательный коронный разряд. Ионы, образовавшиеся в разряде, под действием электрического поля начинают ускоряться вдоль силовых линий по направлению к осадительным электродам. При движении ионы сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха, вовлекая их в направленное движение. В результате столкновений происходит передача импульса от ускоренных в электрическом поле ионов к нейтральным молекулам воздуха, и скорость направленного движения распространяется на соседние участки объема. Применение отрицательного коронного разряда предпочтительнее, т.к. горение разряда происходит стабильнее, больше рабочее напряжение, больше скорость электрического ветра и меньше потребляемая мощность по сравнению с положительным коронным разрядом.
Часть отрицательных ионов вместе с нейтральными молекулами газа пролетают за пределы осадительного электрода, где вновь оказываются в ускоряющем поле, т.к. ускоряющий электрод находится под положительным потенциалом, являющимся ускоряющим для отрицательных ионов.
В предлагаемой конструкции устройства для увеличения скорости электрического ветра применение ускоряющих электродов на выходе позволяет существенно повысить КПД по сравнению с прототипом. Это достигается за счет того, что в ускоряющем промежутке L2 нет затрат на ионизацию газа, основная часть энергии идет на перемещение попавших в промежуток ионов, в отличие от прототипа, где ионы, образовавшиеся в первом промежутке (между первым основным коронирующим электродом и первым осадительным коронирующим электродом), влетая в поле следующего промежутка (между первым осадительным коронирующим электродом и вторым основным коронирующим электродом), начинают тормозиться и создавать встречный поток и т.д. Это возникает из-за того, что в прототипе все электроды, за исключением последнего, являются коронирующими, что обеспечивает чередование отрицательного и положительного коронного разряда.
i
i
,
i
Расстояние L2 выбирается из условия электропрочности для заданной максимальной величины напряжения на ускоряющем электроде. Чем больше напряженность поля в ускоряющем промежутке L2, тем больше скорость ионов: υ=μE где μ - подвижность ионов, Е - напряженность электрического поля.
Из экспериментальных зависимостей фиг. 2 видно, что скорость воздушного потока на выходе устройства с использованием ускоряющих электродов больше, чем в такой же установке без ускоряющих электродов при одинаковой потребляемой мощности. Рост скорости воздушного потока для устройства с ускоряющими электродами происходит за счет увеличения положительно напряжения. Увеличение скорости происходит как в области начальных рабочих напряжений отрицательной короны (напряжение U1), так и в предпробойной области отрицательного разряда (напряжение U3). В предложенном устройстве можно получать скорости воздушного потока более 4 м/с, при использовании только одного коронирующего электрода (одного каскада), тогда как в прототипе максимальная скорость для 5-каскадной электродной системы равна 3,2 м/с.
На экспериментальных зависимостях КПД от потребляемой мощности, изображенных на фиг. 3, видно существенное преимущество в 2÷3,5 раза при использовании ускоряющих электродов. КПД также увеличивается с увеличением величины положительного напряжения на ускоряющих электродах, во всем рабочем диапазоне напряжений для отрицательного коронного разряда. КПД определялось как отношение энергии воздушного потока к энергии, вводимой в коронный разряд.
Ускоряющие электроды могут устанавливаться на выходе многокаскадных электродных систем параллельно осадительным электродам, что также увеличит выходную скорость электрического ветра при условии, что величина и потенциал напряжения на них является ускоряющим для ионов.
Список литературы
1. Патент №2121115 С1, кл. F24F 3/16.
2. Патент №2492394 С2, кл. F24F 3/00.
3. Патент №2313732 С2, кл. F24F 3/16.