ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА С ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЫЛИ
ELECTROSTATIC DEVICE FOR COLLECTION METAL DUST FROM SURFACE

Изобретение относится к устройствам для очистки поверхности с использованием электростатического поля, в том числе очистки внутренних стенок токамака для предотвращения накопления пыли в термоядерных установках, которое может существенно повлиять на параметры плазмы и привести к аккумуляции недопустимо большого количества трития.
Известно устройство, использующее электростатическое поле для очистки поверхности от мелких частиц (Douglas W. Cooper, Henry L. Wolfe, James Т.C. Yen & Robert J. Miller (1990) Surface Cleaning by Electrostatic Removal of Particles, Aerosol Science and Technology, 13:1, 116-123). В основу работы устройства положен принцип электростатического сбора пыли в конденсаторе, состоящем из двух плоскопараллельных пластин, расположенных одна над другой, верхняя пластина покрыта диэлектриком. Между пластинами прикладывается разность потенциалов, в результате чего в пространстве между пластинами возникает однородное электростатическое поле. Частицы, лежащие на нижней металлической пластине, в электростатическом поле приобретают заряд. Если электростатическая сила превышает сумму сил адгезии и тяжести, частица отрывается от поверхности, притягивается к верхнему электроду и удерживается на нем, пока присутствует электростатическое поле. Однако данная конструкция не позволяет удерживать собранные частицы после выключения электрического поля. Кроме того, данная конструкция не предусматривает возможность аккумулировать частицы, поэтому максимальное количество собранных частиц ограничено площадью поверхности верхнего электрода и после того, как частицы займут всю поверхность верхнего электрода, очистка поверхности производиться не будет.
Наиболее близким к изобретению является устройство для сбора металлической пыли с поверхности электростатическим методом (L.В. Begrambekov et al 2016 J. Phys.: Conf. Ser. 748 012004), которое принято в качестве прототипа. Устройство состоит из металлического резервуара, нижняя сторона которого выполнена из плоской пластины, верхняя и нижняя стороны которого образованы двумя горизонтально расположенными прямоугольными пластинами, трех вертикальных боковых стенок, и входной решетки, соединяющих верхнюю и нижнюю стороны резервуара, причем верхняя сторона длиннее нижней таким образом, чтобы решетка была наклонена под острым углом к горизонтали. На резервуар, располагаемый на некотором расстоянии над заземленной пластиной с пылью, относительно нее подается напряжение. Пылинки заряжаются в электростатическом поле, притягиваются к резервуару и через входную решетку залетают в эквипотенциальное пространство резервуара. Основная часть пылинок, собранных в резервуаре, скапливается на его нижней стороне.
Однако устройство обладает недостаточно высокой эффективностью, так как некоторые частицы, залетевшие в резервуар, отражаются от внутренних поверхностей и могут вылететь обратно. Вылетевшие частицы отражаются от заземленной пластины и могут покинуть область сбора, разлетевшись в разные стороны, так как обладают скоростью, направленной в сторону противоположную резервуара. Еще одним недостатком устройства является то, что оно обладает малой вместительностью, так как частицы в резервуаре занимают только треть нижней стороны, скапливаются около входной решетки, препятствуют попаданию новых частиц в резервуар и могут быть потеряны в ходе транспортировки. В целом, указанные недостатки устройства делают малоэффективным процесс сбора пыли с поверхности.
Технический результат изобретения направлен на повышение эффективности сбора пыли с поверхности, а также увеличение максимальной массы пыли, которая может быть собрана в резервуаре.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора металлической пыли с поверхности электростатическим методом, состоящее из металлического резервуара, верхняя и нижняя стороны которого образованы двумя горизонтально расположенными прямоугольными пластинами, трех вертикальных боковых стенок, и входной решетки, соединяющих верхнюю и нижнюю стороны резервуара, причем верхняя сторона длиннее нижней таким образом, чтобы решетка была наклонена под острым углом к горизонтали, при этом оно дополнительно содержит отражатель, выполненный в виде прямоугольной металлической пластины, верхняя сторона которой прикреплена к верхнему краю решетки, равному ей по размеру таким образом, чтобы угол между отражателем и верхней стороной резервуара лежал в диапазоне 100-160°, а нижняя сторона расположена в одной плоскости с нижней стороной резервуара.
Отражатель позволяет увеличить эффективность сбора частиц в резервуар за счет отражения обратно частиц, покидающих область сбора после вылета из эквипотенциального пространства резервуара или отражения от входной решетки. В случае, если угол между отражателем и верхней стороной резервуара больше 160°, значимая часть частиц после отражения от него будут иметь скорость, направленную в противоположную от входной решетки сторону, это означает, что после нескольких отражений от захемленной пластины и отражателя они покинут область сбора, вылетев из-под отражателя. В случае, если угол между отражателем и верхней стороной резервуара меньше 100°, значительна часть частиц после отражения от него попадает в зазор между дном и заземленной пластиной и покидают область сбора. Таким образом, чтобы после удара об отражатель большая часть частиц после отражения от заземленной пластины попадала в резервуар, угол между отражателем и верхней стороной резервуара должен лежать в диапазоне 100-160°.
В частном случае дополнительно установлены две металлические пластины, продолжающие боковые стороны резервуара до пересечения с отражателем, причем нижние края этих боковых пластин находятся в одной плоскости с нижней стороной резервуара. Боковые стенки ограничивают разлет частиц пыли из области сбора.
Кроме того, на внутренней поверхности отражателя дополнительно установлены вертикальные ламели, выполненные в виде параллельных друг другу прямых металлических полосок, расположенных в направлении перпендикулярном линии пересечения отражателя с верхней стороной резервуара для того, чтобы частицы, подлетающие к отражателю и попадающие в зазор между ламелями, теряли значительную часть энергии, а также компоненту скорости направленную в сторону боковых стенок, что снижает количество частиц, разлетающихся в стороны, таким образом, увеличивает эффективность сбора частиц в резервуар.
В частном случае на внутренней поверхности отражателя дополнительно установлены в направлении параллельном линии пересечения отражателя с верхней стороной резервуара, ламели, выполненные в виде прямых металлических полосок и расположенные в направлении параллельном линии пересечения отражателя с верхней стороной резервуара, для того, чтобы частицы, подлетающие к отражателю и попадающие в зазор между ламелями, теряли значительную часть энергии, а также, чтобы частицы, вылетающие из зазора имели скорость, направленную по нормали к плоскости отражателя, что снижает количество частиц, улетающих вперед из-под отражателя после столкновения с ним, таким образом, увеличивается эффективность сбора частиц в резервуар.
Кроме того, для достижения наилучшей эффективности сбора пыли с поверхности описанные в двух предыдущих абзацах ламели могут быть установлены на внутренней поверхности отражателя одновременно. Это позволяет одновременно снизить количество частиц, разлетающихся в стороны и улетающих вперед из-под отражателя.
В частном случае на внутренней поверхности нижней стороны резервуара параллельно друг другу установлены вертикальные ламели, выполненные в виде прямых металлических полосок, расположенных параллельно линии пересечения отражателя с верхней стороной резервуара. Они предназначены для того, чтобы частицы, залетевшие в резервуар и приближающиеся к его нижней стороне, попадали в зазор между ламелями, претерпевали множественные столкновения с ними и, таким образом, теряли значительную часть энергии. Это уменьшает число частиц, обладающих достаточной энергией, чтобы вылететь из резервуара обратно, что таким образом повышает эффективность сбора частиц в резервуар.
В частном случае на внутренней поверхности верхней стороны резервуара параллельно друг другу дополнительно установлены вертикальные ламели, выполненные в виде прямых полосок и расположенные параллельно линии пересечения отражателя с верхней стороной резервуара. В этом случае частицы, залетевшие в резервуар и направляющиеся к его верхней стороне, попадают в зазор между ламелями, претерпевают множественные столкновения с ними и, таким образом, теряют значительную часть энергии. Такие частицы под действием силы тяжести в эквипотенциальном пространстве резервуара падают на его нижнюю сторону, где накапливается собранная пыль. Таким образом, уменьшается число частиц, обладающих достаточной энергией, чтобы вылететь из резервуара после ряда столкновений с его стенками, что дает возможность повысить эффективность сбора частиц в резервуар.
Кроме того, ламели, установленные на внутренней поверхности верхней стороны резервуара, могут быть наклонены под острым углом в диапазоне от 0 до 60° к вертикали в сторону от отражателя для того, чтобы частицы, вылетающие из зазора между ламелями имели скорость, направленную в сторону от входной решетки, к противоположной стенке резервуара, и таким образом распределялись на дне резервуара равномерно, а не у входной решетки. Это позволит предотвратить высыпание пыли из резервуара при накоплении там большого количества пыли, а также накопленная пыли около входной решетки теперь перестанет препятствовать попаданию новых частиц пыли в резервуар. Таким образом, увеличится количество частиц, накапливаемых в резервуаре.
Ниже приведем пример конкретной реализации предлагаемого устройства.
На фиг. 1 представлена схема одного из вариантов предложенного устройства, где 1 - резервуар; 2 - отражатель; 3 - ламели на верхней стороне резервуара; 4 - ламели на нижней стороне резервуара; 5 - ламели на отражателе; 6 - верхняя сторона резервуара; 7 - нижняя сторона резервуара; 8 - заземленная металлическая пластина, с которой собирается пыль 9; 10 - входная решетка.
Устройство работает следующим образом.
q
mg
adh
Резервуар 1, оснащенный отражателем 2 и ламелями 3, 4, 5, установленными на верхней стороне резервуара 6, нижней стороне резервуара 7 и отражателем соответственно, а также двумя пластинами, продолжающими боковые стороны резервуара до пересечения с отражателем, располагается на расстоянии d над заземленной пластиной 8, на которой находится пыль 9 (вольфрамовые частицы различной формы, размеры которых лежат в диапазоне 5-60 мкм). На резервуар подается напряжение U относительно заземленной поверхности. Металлические частицы пыли приобретают в возникающем электростатическом поле заряд q и начинают притягиваться к резервуару. При напряженности поля такой, чтобы сила Кулона F превысила силу тяжести F и силу адгезии частиц к плоскости F, на которой они изначально лежат, частицы начинают отрываться от поверхности.
q
q
Необходимая для отрыва пылинок величина F определяется по формуле 1. Величина силы адгезии частиц выбранной группы определялась экспрериментально, ее значение приближенно превысило силу тяжести в 12 раз. В данной реализации предлагаемого устройства d = 4 мм. Это значение было выбрано таким образом, чтобы полученное значение F для данной группы пылинок достигалось при значениях U лежащих в диапазоне 2000-6000 В (формулы 2 и 3). Значение величины q для частиц сферической формы был расчитано по фрмуле 3, а для частиц более сложной формы было получено с помощью численного моделирования. Величина
где r - радиус частицы.
Часть частиц, которая лежит под входной решеткой 10, начинает двигаться в сторону резервуара, пролетает через входную решетку, попадает в зазоры между ламелями на верхней стороне, теряет основную часть энергии в ходе соударений с ними, после чего попадает на нижнюю сторону резервуара, где аккумулируется. Величина зазора между ламеллями была подобранна экспериментально и для использованных пылинок составляла 0.5 мм. Те частицы, которые не потеряли свою энергию, теряют ее, претерпевая соударения с ламелями на нижней стороне, и остаются там. Другая часть частиц, которая лежит под отражателем, начинает притягиваться в сторону отражателя, попадает в зазор между ламелями, перезаряжается при контакте с отражателем или ламелями и начинает притягиваться к пластине, с которой стартовала. Причем, так как ускорение направлено по силовым линиям электрического поля, частицы, прилетая на пластину, смещаются из начального положения в строну входной решетки. После контакта с заземленной поверхностью частицы опять перезаряжаются, далее все повторяется снова, пока вся пыль не соберется на нижней стороне резервуара.
Таким образом, из вышесказанного следует, что предлагаемое устройство позволяет проводить сбор металлической пыли с поверхности с большой эффективностью, а также получать равномерное распределение собранной пыли на дне резервуара, что позволит в дальнейшем транспортировать резервуар без риска высыпания собранной пыли. Тем самым, использование устройства приводит к повышению эффективности технологического процесса сбора металлической пыли с поверхности.