ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ НАГНЕТАТЕЛЬ
ELECTROSTATIC INJECTOR

Изобретение относится к области создания газовых потоков и может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях.
Известны электростатические нагнетатели по патентам РФ, МПК7 F24F 3/16: №2121115, 2172898, 2187762, 2304333, 2301377, 2343362, 2109220, 2202741, 2005962, 2181466, 2156169, 2313732, 2202741, 10851.
Наиболее близким техническим решением является нагнетатель, описанный в патенте на полезную модель по патенту РФ 10851, МПК: F24F 3/16, выбранный в качестве прототипа.
Данное техническое решение содержит корпус с входом и выходом. В корпусе, в его канале с постоянным цилиндрическим сечением со стороны входа имеется разрядный игольчатый электрод, подключенный к отрицательному полюсу высоковольтного источника постоянного тока, а со стороны выхода - собирающий электрод, подключенный к положительному полюсу упомянутого источника тока. Вход для потока в корпусе выполнен в виде конфузора, что способствует снижению гидродинамических потерь.
Основным недостатком известных устройств является низкий коэффициент полезного действия. В механическую энергию создаваемого газового потока преобразуется только 1÷2% подведенной электрической мощности. Это в первую очередь вызвано тем, что скорость газовых ионов, которые в известных устройствах приводят в движение газовый поток, в межэлектродном пространстве весьма высока (100÷200 м/с), при этом величина скоростного напора, создаваемого в межэлектродном пространстве известных устройств, позволяет достичь скоростей потока порядка 1÷3 м/с. Из-за этой разницы скоростей большая часть электрической энергии, подводимой к электродам, переходит в тепло.
Тем не менее, во всех известных устройствах производительность определяется скоростью потока в межэлектродном сечении, а эта скорость определяется скоростным напором потока, который создают электроды при подведении к ним высокого напряжения.
Чтобы увеличить кпд этих устройств необходимо, в частности, уменьшить гидравлические потери. Эти потери в первом приближении являются суммой гидравлических потерь за счет обтекания потоком внутренних стенок газового тракта и потерь при обтекании разрядных и собирающих электродов. Минимизировать гидравлические потери можно за счет организации плавного входа в виде конфузора и уменьшения загромождения проходного сечения газового тракта разрядным и собирающим электродами. При этом гидродинамические потери на единицу длины канала составят 2÷3% от скоростного напора в самом узком его сечении.
Снижением гидравлических потерь можно увеличить производительность на несколько процентов.
Задачей изобретения является увеличение кпд в несколько раз.
Задача решается тем, что в электростатическом нагнетателе, содержащем корпус с входным конфузором, выходом и каналом постоянного сечения, разрядный электрод, собирающий электрод, подключенные к высоковольтному источнику постоянного тока и установленные в параллельных плоскостях, перпендикулярных продольной оси канала постоянного сечения, выход корпуса выполнен в виде выходного диффузора.
На Фиг.1 изображена конструкция заявленного нагнетателя, где:
1 - корпус;
2 - входной конфузор;
3 - канал постоянного сечения;
4 - разрядный электрод;
5 - иглы;
6 - собирающий электрод;
7 - высоковольтный источник постоянного тока;
8 - выходной диффузор.
Электростатический нагнетатель содержит корпус 1, входной диффузор 2, канал постоянного сечения 3, разрядный электрод 4 с иглами 5, собирающий электрод 6, причем разрядный 4 и собирающий 6 электроды установлены в канале постоянного сечения 3 в корпусе 1 в плоскостях, параллельных между собой и перпендикулярных продольной оси симметрии канала постоянного сечения 3; и электрически соединены с высоковольтным источником постоянного тока 7, причем выходной диффузор 8 своим малым сечением сопряжен с каналом постоянного сечения 3.
2
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Под действием сил высокой напряженности электростатического поля, которое образуется вблизи проводящих поверхностей большой кривизны (острие игл 4), образуются заряженные частицы воздуха (аэроионы), которые устремляются с высокой скоростью к собирающему электроду 6, увлекая за собой воздух. При этом в воздушном потоке происходит прирост ΔРо полного давления Ро=Рст+ξ·V/2, где:
Рст - статическое давление в потоке,
ξ - плотность воздуха,
V - скорость потока.
Если скорости потоков невелики (для воздуха при нормальных условиях
V<100 м/сек), то такие потоки можно считать несжимаемыми и полное давление в них сохраняется. Так как воздух в канал поступает из атмосферы, то Ро=Ра, где Ра - атмосферное давление. Пусть ΔР - прирост полного давления при прохождении межэлектродного пространства, тогда
2
Ро=Ра+ΔРо=Р'ст.+ξ·V'/2,
где: Р'ст. и V' соответственно статическое давление и скорость в выходной части канала после собирающего электрода. На выходе канала статическое давление в потоке становится равным атмосферному Ра. Тогда скорость выходящего потока Va можно найти из уравнения:
2
Ра+ΔР=Ра+ξ·Va/2 или .
Величина ΔР определяется параметрами электрического тока, который образуется аэроионами. Поскольку при неизменной геометрии расположения электродов и величине подведенного высокого напряжения устанавливается вполне определенная скорость аэроионов и их концентрация и, следовательно, вполне определенное значение разрядного тока и электрической мощности, затраченной на его создание.
Сила, действующая на поток со стороны аэроионов, полностью определяется их скоростью и концентрацией, тогда и прирост полного давления определяется в первом приближении только параметрами электрического разрядного тока.
В силу того, что скорость аэроионов существенно выше скорости потока, величина прироста полного давления будет практически постоянной при возрастании скорости потока в довольно широких пределах (практически в два-три раза).
Это означает, что скорость в выходном сечении канала нагнетателя не будет меняться, если его расширять или уменьшать, т.к. она определяется только приростом полного давления ΔР.
В случае расширения выходного сечения Fa (выходной диффузор 8) (см. Фиг.1) по свойству неразрывных течений будет увеличиваться скорость в постоянной части канала 3 с площадью Fm. Причем скорости будут связаны уравнением неразрывности Vm·Fm.=Va·Fa. Т.е., чем больше Fa/Fm, тем больше скорость через канал в его постоянном сечении 3, а значит и расход газа, т.е. увеличивается кпд нагнетателя.
Сужающийся вход (входной конфузор 2) необходим для того, чтобы избежать резкого ускорения атмосферного воздуха, поступающего в канал постоянного сечения 3, и избежать возникновения отрывного течения, в котором будет происходить потеря полного давления.
Таким образом, введение расширяющейся выходной части (выходной диффузор 8) позволяет в разы увеличить кпд предлагаемого электростатического нагнетателя по сравнению с нагнетателями, имеющими на выходе только канал постоянного сечения 3.