Расчет конвекционного тока механического электроаэрозольного генератора.

П.Л.Лекомцев, Е.В.Дресвянникова

ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА, г.Ижевск

Аннотация: Получена упрощенная математическая модель генерации электроаэрозоля. Приведены теоретические и экспериментальные зависимости конвекционного тока от параметров работы генератора, от его основных конструктивных параметров.

Ключевые слова: электроаэрозоль, конвекционный ток, электрическое поле, объемный заряд, дисперсия, потенциальный электрод, зарядка, капля, генератор, напряженность поля.

Развитие техники для различных технологических процессов ведется непрерывно. Любой разработчик, изобретатель старается идти в ногу со временем и использовать передовые технологии, наиболее эффективные в применении. Применение заряженных аэрозолей является одним из самых эффективных способов обработки, связанных с распылением вещества и распределением его в пространстве и на поверхности. [1-7].

Электрические силы разнонаправлены, что помогает выровнять концентрацию по объему замкнутого пространства при одновременном возрастании скорости осаждения заряженного аэрозоля. Регулирование процессов распространения и осаждения электроаэрозоля можно сделать с помощью изменения размера, величины и полярности заряда, тем самым изменить концентрацию частиц и объем обработки. [1-3, 5-9].

Однако развитие передовых технологий в области проектирования электроаэрозольных генераторов замедляется из-за недостаточного развития научной базы инженерного расчета, недостаточного исследования процессов, происходящих при применении электроаэрозолей.

Авторами разработана математическая модель генерации заряженного аэрозоля и предложена методика определения технических параметров генераторов электрических аэрозолей.

Процесс формирования электроаэрозоля состоит в получении техническими устройствами пленки жидкости, в дальнейшем  происходит её зарядка и распад в электрическом поле на заряженные капли (рис. 1).

Схема генерации электроаэрозоля

Рис.1. Схема генерации электроаэрозоля

1– диск генератора;2- пленка жидкости; 3- перфорированное отверстие генератора; 4 – электроаэрозольное облако;5 – потенциальный электрод.

Капли, несущие на себе электрический заряд,  двигаясь в электрическом поле и сопутствующем воздушном потоке генератора, создают ток переноса электрических зарядов – ток конвекции (Ik) который является самой важной характеристикой процесса получения электроаэрозоля и определяет эффективность зарядки аэрозольных частиц и степень дисперсности. [8].

Систему уравнений, описывающую процесс генерации электроаэрозоля можно представить в следующем виде [1,8].

Теорема Гаусса

Teorema Gaussa
(1)

где Е – напряженность электрического поля, В/м; r – объемный заряд аэрозоля, Кл/м3; e0 – электрическая постоянная, Ф/м; e1 – относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.

Распределение потенциала между слоем жидкости и воздуха[8-10]

potencial mezhdu zhidkostyu i vozduhom
(2)

где U – напряжение, В; E1, E2 – соответственно напряженности электрического поля в жидкости и в воздушном промежутке, В/м; R0, R1, R2 – соответственно радиусы потенциального электрода, диска электроаэрозольного генератора, жидкого тора, м.

Граничное условие

plotnost zaryada
(3)

где ss – поверхностная плотность заряда, Кл/м2; e2 – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости.

Закон Ома в дифференциальной форме

Zakon Oma v differencialnoj forme
(4)

где j2 – плотность электрического тока, А/м2; g2 – удельная объемная электропроводность жидкости, (Ом∙м)-1.

Закон сохранения заряда

Zakon sohraneniya zaryada
(5)

где Ik– конвекционный ток, А; Sп – площадь пленки жидкости, м2; qуд – удельный заряд электроаэрозоля, Кл/м3; Qж, – объемный расход жидкости, м3/с.

Интегрируя уравнение (1) получим

napryazhennost' ehlektricheskogo polya v zhidkosti
(6)
apryazhennosti ehlektricheskogo polya v vozdushnom promezhutke
(7)

Подставим полученное выражение в (2) получим

napryazhenie aehrozol
(8)

Найдем  из (8)

C1
(9)

Граничные условия (3) с учетом (6) и (7) запишем в виде

poverhnostnaya plotnost zaryada
(10)

Найдем  из (10) с учетом (9)

C3
(11)

где

Obemnyj zaryad ehlektroaehrozolya

Объемный заряд электроаэрозоля можно выразить как [8]

Obemnyj zaryad ehlektro aehrozolya
(12)

где Qв – соответственно объемный расход воздуха, м3/с.

Поверхностную плотность заряда определим из выражения, предложенного в [4]

Poverhnostnaya plotnost zaryada
(13)

где

skorost dvizheniya plenki zhidkosti

r1 – радиус перфорированного отверстия; n – количество отверстий; uп – скорость движения пленки жидкости, м/с; rж – плотность жидкости, кг/м3; w — угловая частота вращения диска, с-1; h — динамическая вязкость жидкости, Н∙с/м2.

Найдем конвективный ток,

tok konvektivnyj

выразив  из (5) с учетом (4), (7) и (11) с подстановкой значений (12) и (13)

konvektivnyj tok
(14)

В целом, нами предложена упрощенная математическая модель генерации электроаэрозоля и его основной функции – конвекционный ток.

Зависимости конвекционного тока от параметров распыления исследованы экспериментально на генераторе ПМЭГ [8].

Полученные экспериментальные зависимости и кривые, рассчитанные по выражению (14) представлены на рис. 12.

Zavisimosti konvekcionnogo toka
(рис.1)

Зависимости конвекционного тока Iк
от расхода жидкости Qж при разном напряжении U

1 – U = 1 кВ; 2 – U = 2 кВ; 3 – U = 3 кВ.

 

Из рис. 1 видно, что при росте расхода жидкости ток конвекции увеличивается. Удельный заряд оказывает большое влияние на процесс зарядки аэрозоля, при этом проявляется нелинейная зависимость.

Из полученных кривых видно, что теоретические и экспериментальные кривые имеют хорошую сходимость, что позволяет при проектировании механических электроаэрозольных генераторов использовать выражение (14) для расчета технических параметров.

Литература

  1. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.3., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. // М.: Энергия, 1974. 480 с.
  2. Дондоков Д.Д., Тумуреев Н.В. Динамика осаждения униполярно заряженного аэрозоля в помещении с учетом ее герметичности // Тр.ЧИМЭСХ, 1976, Вып. 110, с. 35-42.
  3. Дунский В.Ф., Китаев А.В. Осаждение униполярно заряженного аэрозоля в закрытом помещении // Коллоидный журнал. №2, т.XXII, с.159-167.
  4. Дунский В.Ф., Никитин Н.В., Соколов М.С. Монодисперсные аэрозоли. // М.: Наука, 1973. 191 с.
  5. Закомырдин А.А., Виснапуу Л.Ю. Дезинфекция животноводческих помещений электроаэрозолями химических средств // Тр. ВНИИВС, 1970, т. 36, с. 227-238.
  6. Electrostatic spraying: Better results with half the chemical // Progr. Farmer. 1979, Oct. p. 34.
  7. Jones С. D., Hopkinson P. R. Electrical theory and measurements on an experimental charged cropspraying system // Pesticide Sci. 1979. vol. 10. pp. 91–103.
  8. Лекомцев П.Л. Электроаэрозольные технологии в сельском хозяйстве: монография / Ижевск, ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006. 219 с.
  9. Савушкин А.В., Лекомцев П.Л., Дресвянникова Е.В., Ниязов А.М. Электроаэрозольное увлажнение воздуха. Особенности подбора параметров работы генератора // Инженерный вестник Дона. 2012. № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/857
  10. Дресвянникова Е.В., Лекомцев П.Л., Савушкин А.В. Возможности регулирования процессов тепловлажностной обработки в массообменных аппаратах при воздействии электрического поля // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2235