Понятие материального производства 2 страница

При воздействии электрического поля высокой напряженности на вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии, возникают процессы, при которых наряду с изменением физических и химических свойств материала происходит измене­ние распределения образующих его частиц в пространстве. Это применение электрических полей высокой напряженности в техно­логических процессах получило общее название электронно-ион­ной технологии (ЭИТ).

Электронно-ионная технология включает в себя три характер­ных процесса: электризацию материала в момент диспергирования или уже находящегося в дисперсном состоянии; организацию раз­личных форм движения частиц в электрическом поле; формирова­ние готового продукта или изделия.

Получили развитие следующие виды ЭИТ:

электрогазоочистка — выделение из газового (воздушного) по­тока содержащихся в нем твердых или жидких частиц;

электросепарация — разделение многокомпонентных систем на компоненты, путем использования электрофизических и физико-хи­мических свойств частиц компонентов;

электроокраска — нанесение твердых или жидких покрытий на изделия;

электропечать — формирование изображения, получение много­кратных копий, выполнение матриц для размножения;

электроформообразование.

В основе электронно-ионной технологии лежат следующие яв­ления.

Электроосмос — движение жидкости по отношению к твердому телу под действием электрического поля.

Электрофорез, или катафорез, — движение частиц, взвешенных в жидкости или газе под воздействием электрического поля.

Электродиализ —явление, которое составляют диализ (очистка растворов от электролитов) и электрофорез.

Указанные явления протекают в электростатических установ­ках. При массопереносе в таких установках электрическое поле перемещает не ионы, как это происходит при электролизе, а макрочастицы вещества, состоящие из большого количества молекул.

Электрокосмос используется для удаления избыточной влаги из почв при прокладке транспортных магистралей и гидротехническом строительстве, для сушки торфа, обезвоживания пористых материалов, очистки воды, технических жидкостей и т. д.

Скорость воды при электроосмосе

, (18.1)

Здесь с – константа; ρ — поверхностная плотность зарядов, Кл/м²; γ – объёмная плотность грунта, кг/м³; η — вязкость воды; S — общая поверхность частиц грунта в единице объема, м².

В электростатических установках протекание процессов обусловлено возникающими кулоновскими силами. Для их возникновения частицы должны быть заряжены.

На практике используются в основном три принципа зарядки частиц: I) путем осаждения на поверхности частицы ионов из объёма газа, окружающего частицу; 2) путем электростатической индукции, т. е. разделения зарядов в электрическом поле; 3) путем механической, химической и тепловой электризации.

Процесс зарядки частиц путем механической, тепловой или химической электризации сложен и мало изучен, поскольку в его основе лежат сложные молекулярные процессы.

Наиболее распространена на практике электризация частиц за счёт трения друг о друга и о стенки сосуда (трибоэлектричество).

Контактный заряд проводящей частицы, коснувшейся заряженного тела,

q = Cφ, (18.2)

здесь С — емкость частицы, Ф; φ — потенциал заряженного тела, В.

При неоднократном касании частицей заряженного тела ее заряд

, (18.3)

здесь S_K — площадь контактной поверхности, м²; N_д – число контактирований частицы с заряженным телом.

Чтобы уяснить сущность зарядки частиц путем электростатической индукции, представим себе плоский конденсатор, на нижней кладке которого находится тонкий слой частиц. Если между обкладками конденсатора приложить разность потенциалов U, то все частицы получат общий заряд q = CU= (S/d)U = SE (С — емкость конденсатора; S — площадь поверхности пластин конденсатора; d — расстояние между пластинами конденсатора). Со стороны внешнего электрического поля Е на каждую из частиц действует сила, стремящаяся оторвать частицу от пластины. При увеличении напряжения U эта сила может преодолеть силу сцепления частиц с обкладкой конденсатора. Частицы оторвутся от пластины и полетят к противоположной обкладке, но уже заряженные.

Наиболее часто в установках ЭИТ используется зарядка час­тиц путем осаждения ионов на их поверхность из-за достаточно высокой эффективности, т. е. большого значения заряда, приобре­таемого частицами. Источником ионов в этом случае может быть коронный разряд.

Если в газовую среду поместить электроды и подать на них напряжение от источника ЭДС, то под влиянием электрического поля некоторое количество находящихся в среде заряженных частиц двигается в этом поле. Вызванный движением частиц электри­ческий ток очень мал. Этот ток существенно увеличится, если в газе возникнет ионизатор, обусловливающий резкое увеличение числа ионизованных частиц. Одним из таких ионизаторов может быть коронный разряд, возникающий в неоднородном электриче­ском поле. Такое поле имеет место в системе двух коаксиальных электродов, если их радиусы резко отличаются по значению. Причем диаметр внут­реннего (коронирующего) электрода много мень­ше диаметра внешнего (осадительного).

Если на коронирующий и осадительный электроды электрофильтра подать напряжение и постоянно повышать его, то между ними при определенном значении напряжённости электрического поля возникает электрический разряд, имеющий ВАХ, показанную на рис. 18.1. На участке характеристики аб ток увеличивается при повышении U, что связано с возникновением

Рис. 18.1. Вольт-амперная характеристика системы электродов (Uп — пороговая разность потенциалов)

новых носителей зарядов. При дальнейшем увеличении U и достижении начального напряжения между электродами возникает коронный разряд (участок бв). Начальную

напряжённость короны для цилиндрического коронирующего электрода определяем по формуле Пика:

, (18.4)

где δ = 3,86P/T – относительная плотность воздуха (Р —давление, Па Т — температура, К); г₀ – радиус коронирующего электрода.

Уравнение ВАХ для любой системы электродов и для любой ко­роны имеет вид

i_o = с_iU(U-U₀), (18.5)

где с – постоянная для данной системы электродов.

Линейную плотность тока короны для системы электродов «коаксиальные цилиндры» определяем по формуле Таунсенда:

,

Дальнейшее увеличение напряжения между электродами приводит к пробою МЭП и переходу к искровому разряду (участок вг), который в дальнейшем может трансформироваться в дуговой (правее точки г). Электрофильтры обычно работают в режиме, соответствующем активной короне (участок бв).

Из рассмотренных соотношений следует, что распределение электрического поля внутри системы электродов и значение проходящего между ними тока зависят от свойств газа, его температуры и влажности. Напряженность электрического поля вдоль радиуса системы коаксиальных электродов в точке х от центра

, (18.6)

здесь U —напряжение между электродами.

Качественная картина такого распределения показана на рис. 18.2.

Среда, подвергаемая электростатической очистке (двухфазная смесь — газ и твердые частицы, газ и капли жидкости и т. д.), про­пускается через межэлектродный канал. При этом на твердую или жидкую фазу смеси воздействует электрическое поле.

Процесс зарядки частицы в ионном поле коронного разряда заключается в том, что под действием электродинамических сил на частице постепенно накапливается некоторое количество элемен­тарных зарядов. Процесс сосредоточения зарядов на частице протекает не мгновенно, и в отдельных случаях для получения макси­мального заряда частицы необходимо значительное время.

Ионы оседают на поверхность частицы за счет следующих сил.

Первая сила создается внешним электрическим полем, часть силовых линий которого пересекает поверхность частицы. Движу­щиеся по ним ионы сталкиваются с частицей и удерживаются на ее поверхности за счет сил зеркального отображения.

Вторая сила обусловлена поляризацией частицы во

Рис. 18.2. Распределение напряжённости электрического поля между коаксиальными электродами

внешнем поле. Это приводит к искривлению силовых линий результирую­щего (внешнего и поляризационного) поля и увеличению числа линий, пересекающих поверхность частицы. На частицу попадают те ионы, которые в ее отсутствие не пересекали бы области, ограниченной поверхностью частицы. Третья сила — сила зеркального отображения

действует на час­тицы и ионы, движущиеся вблизи поверхности. Под ее воздейст­вием еще некоторое количество ионов осядет на поверхности частицы.

Четвертая сила обусловлена поглощающим действием поверх­ности частицы. Поэтому концентрация ионов вблизи частицы ока­жется меньше, чем вдали. Заряженная частица к тому же создает отталкивающее кулоновское поле, которое имеет максимальное значение вблизи ее поверхности. Вследствие наличия градиента концентрации возникает диффузия ионов к частице, стремящаяся выровнять концентрацию. В результате еще часть ионов сможет осесть на частице.

Рассмотренные силы заставляют ион двигаться к поверхности частицы. Этому движению препятствует лишь одна сила — сила отталкивания между ионами, осевшими на частицу, и ионами, приближающимися к ее поверхности. Зарядка, очевидно, прекра­тится в тот момент, когда отталкивающая сила равна сумме всех притягивающих. Мгновенный заряд проводящей сферической час­тицы радиусом а в поле короны:

, (18.7)

здесь е — заряд электрона; n —концентрация ионов; τ — время за­рядки; k — подвижность иона.

Предельный заряд проводящей частицы

.

Уравнение (18.7) определяет кинетику зарядки проводящей частицы в поле коронного разряда напряженностью Е_к.

При зарядке диэлектрических частиц в поле коронного разряда (в отличие от проводящих частиц) заряд может не распределиться на поверхности частицы по определенному закону, обеспечивающе­му отсутствие электрического поля внутри частицы. Плотность заряда на поверхности диэлектрической частицы определяется лишь количеством ионов, осевших в данной точке ее поверхности.

Зарядка частицы продолжается до тех пор, пока к ней присоединяются ионы. С увеличением времени зарядки и числа осевших на частице ионов растет напряженность электрического поля, создаваемая заряжающейся частицей и направленная навстречу основному полю. В результате этого уменьшается скорость зарядки частицы за счет уменьшения скорости движения очередных ионов к частице. При равенстве напряженностей электрических полей, создаваемого заряженной частицей, и внешнего —частица перестанет заряжаться, поскольку на нее перестанут оседать новые ионы. В этот момент диэлектрическая частица имеет предельный заряд.

, (18.8)

где Е_з — напряженность электрического поля в той точке, где частица получает свой заряд, В/м.

Магнитная гидродинамика – наука о движении электропроводящих

газов и жидкостей во взаимодействии с магнитным полем. При движении

электропроводящей среды (газа, жидкости), находящейся в магнитном поле,

в ней индуцируются электрические поля и токи, на которые действует

магнитное поле и которые сами могут повлиять на магнитное поле. Таким

образом возникает сложная картина взаимодействия магнитных и

гидродинамических явлений, которая должна рассматриваться на основе

совместных уравнений гидродинамики и электродинамики» В магнитной гидродинамике так же, как в механике сплошной среды и в электродинамике, не предполагается атомарно-молекулярное строение

вещества и является достаточной гипотеза о непрерывности последнего.

Сущность этой гипотезы заключается в том, что всякое материальное тело может быть разбито на «частицы», т. е. на достаточно малые области произвольной формы, непрерывно примыкающие друг к другу через любые проведенные мысленно границы раздела. Каждая частица, таким образом, окружена границами, отделяющими ее от соседних частиц, или границей раздела фаз, если она примыкает к ней. Размеры и форма частиц, на которые разбивается среда, в некоторой степени произвольны. Однако эти размеры ограничены сверху требованием однородности всех величин, характеризующих частицу, в пределах объема самой частицы. Так, угловая

скорость вращения ω, плотность импульса p· v, плотность кинетической энергии, температура Т и ее градиент grad T, плотность энтропии S, плотность тока j, проводимость σ, величина индукции магнитного поля B

и другие могут считаться одинаковыми в пределах всей частицы. С другой

стороны, размеры частицы, как части непрерывной субстанции, ограничены

снизу так, чтобы не было заметно молекулярное строение вещества, чтобы

флуктуации параметров, вызванные тепловым движением, были заведомо

ниже точности наших измерений.

Таким образом, в магнитной гидродинамике используется

макроскопическое понятие о жидкости и газе, они рассматриваются как

непрерывная материя, их молекулярная структура не учитывается. При

рассмотрении процессов, связанных с воздействием магнитного и

электрического полей на вещество, магнитная гидродинамика не

рассматривает электронную структуру вещества, основывается на

макроскопических представлениях Фарадея-Максвелла.

Магнитная гидродинамика является важнейшим средством познания явлений в космическом пространстве: вещество во Вселенной, вещество Солнца и звезд, материя туманностей и звездных скоплений состоят из ионизированных частиц и существуют в постоянном взаимодействии с магнитными полями. Именно магнитная гидродинамика выдвинула гипотезу о механизме образования магнитных полей Земли, Солнца и других космических объектов. Не будем забывать, что главная заслуга в разработке этой физической дисциплины и первое место среди тех, кому она обязана своим возникновением, безусловно, принадлежит шведскому физику и астрофизику Г. Альфвену.

Представим при помощи схемы многообразие процессов, связанных с

усилением магнитного поля или поддержанием его на стационарном уровне, в том числе и механизм самовозбуждения (рис. 1.4.1)

Генерация поля

Самовозбуждение поля

Усиление поля

Усиление при выполнении условия Ф = Ф₀

Усиление при выполнении условия Ф > Ф₀  

Рис. 1.4.1. Классификация генерации поля

Усиление магнитного поля при всестороннем сжатии оболочки за счет конфокального движения проводящей среды с вмороженным в нее магнитным полем, усиление магнитного поля в гидромагните, увеличение электрического тока при расходящемся потоке проводящей среды, которая движется в поле прямолинейного тока (в этой схеме усиливается поле прямолинейного тока), возрастание индуцированного магнитного поля в разного рода МГД-устройствах при возрастании до определенного предела скорости движения среды во внешнем магнитном поле – все это примеры генерации поля.

Когда же рассматриваются процессы, в которых движение проводящей среды во внешнем магнитном поле заданного направления приводит за счет существования обратной положительной связи к возникновению магнитного поля того же направления, что и начальное, то можно говорить об усилении магнитного поля или его поддержании на определенном уровне за счет механизма самовозбуждения.

Электрические машины

Динамо-механизмы другой природы

Шунтовый, сернесный и кампаудный генератор

МГД-машина, в которой самовозбуждение осуществляется через внешн энергетическую цепь

МГД-динамо

Кинематическое динамо

Двухмасштабное динамо

Почти симметричное динамо

Источники энергии

Для поддержания структуры и интенсивности движения

Для создания инициирующего магнитного поля

Турбулентное динамо

Динамо случайных возмущений

Теория индуцирующего действия упорядоченного (ламинарного) течения

Теория индуцирующего действия нерегулярных (стохастических) течений

САМОВОЗБУЖДЕНИЕ

Рис. 1.4.2. Принципиальные возможности осуществления явления

самовозбуждения в разного рода устройствах и теоретических схемах

Характерным признаком процесса самовозбуждения является нелинейное возрастание магнитного поля со степенью возрастания больше единицы до какого-то значения B_s, величина которого ограничивается другими физическими явлениями, нежели явления, приводящие к самовозбуждению. Причем можно считать, что после наступления состояния самовозбуждения B_s уже не является функцией B₀.

Принципиальные возможности осуществления явления самовозбуждения в разного рода устройствах и теоретических схемах отражены на рис. 1.4.2.

Магнитная гидродинамика изучает явления при движении электропроводящих газов и жидкостей в магнитном поле. В металлургии

электропроводными жидкостями являются жидкие металлы и их сплавы.

Воздействуя на жидкие металлы магнитным полем (пульсирующим,

вращающимся, бегущим) можно осуществить ряд технологических операций

необходимых в металлургических процессах. Устройства, принцип действия

которых основан на взаимодействии жидких металлов с магнитным полем,

называют магнитогидродинамическими (МГД- устройства), а технологии с

МГД - устройствами называют МГД-технологиями.

Электродинамической основой действия любой МГД-машины являются уравнения

(1.5.1)

(1.5.2)

Можно применить другой способ выражения электромагнитных полей

через скалярный и векторный потенциалы:

Тогда уравнения (1.5.1) и (1.5.2) запишутся в виде

(1.5.4)

(1.5.5)

Представим бесконечный канал (рис. 1.5.5), заполненный идеальной

жидкостью. На каждую гидродинамическую частицу в таком устройстве

будет действовать электромагнитная сила (1.5.1), где

Сила будет действовать в среде, движущейся со скоростью поэтому кроме приложенной напряженности электрического поля, равной

разности потенциалов между электродами, на частицу проводящей жидкости

будет действовать наведенная напряженность поля электромагнитной

индукции

В итоге плотность текущего тока будет

зависеть также от скорости движения и индукции

магнитного поля (1.5.2). Подставив выражение

(1.5.2) в (1.5.1), получим

где σ - проводимость жидкости.

Рис. 1.5.5

Пренебрегая силами трения, для скорости можно записать дифференциальное уравнение

, (1.5.7)

или в скалярной форме в приближении ориентации векторов,

указанной на рис. 1.5.5,

, (1.5.8)

При условии начала движения из покоящегося состояния получаем

(1.5.9)

Как видно из рис. 1.5.6 за время скорость жидкого металла

приближается к предельному значению, которое принято называть

скоростью дрейфа:

Или в векторном виде:

, (1.5.10)

Скорость дрейфа очень важное понятие в физике плазмы. Когда E параллельна B, скорость дрейфа равняется нулю. Жидкость или проводящий газ движутся только по Рис. 1.5.6

инерции и под действием сил неэлектромагнитного происхождения, например трения. Примером такого движения, по-видимому, является движение газа в спиральных туманностях.

Введём - относительную скорость и так называемое скольжение Безразмерное время запишем как где. Это позволит выражение (4.1.9) переписать в следующем виде:

(1.5.11)

Здесь

Предположим, что на жидкость в канале (рис. 1.5.5) действует также

некоторая объемная сила неэлектромагнитного происхождения, например

сила тяжести при направлении оси ОХ под углом к горизонту или сила, вызванная градиентом давления вдоль оси ОХ

(1.5.12)

Тогда в уравнении (1.5.7) появится дополнительный член

неэлектромагнитного происхождения:

(1.5.13)

Или

(1.5.13)’

В этом случае идеализированный электромагнитный канал, который мы рассматриваем, превращается в МГД-машину, т.е. преобразователь механической энергии в электромагнитную и наоборот. Действительно, приняв те же самые начальные условия, т.е. при t=0 скорость v(t)=0, получаем

(1.5.14)

Предельная скорость приобретает обобщенный вид

(1.5.15)

При помощи этого выражения мы сможем классифицировать различные виды МГД-машин.

1. Режим МГД-насоса (область I на рис. 1.5.7)

Насос – это преобразователь электромагнитной энергии в механическую. Дрейф в этом случае опережает движение, поле увлекает жидкость, энергия от поля переходит в движение. Сила f <0 в этом случае играет роль сопротивления, которое преодолевает электромагнитная сила, т.е. или а это, в свою очередь, позволяет записать и скольжение оказывает в интервале

2. Режим МГД-тормоз (область II на рис. 1.5.7)

Этот режим характеризуется тем, что электроды канала «закорочены» друг на друга и имеют одинаковый потенциал.

В этом случае понятие дрейфа не применяют. В установившемся режиме, т.е. когда v(t)=const, скорость движения определится из соотношения, отсюда

(1.5.16)

Для области II на рис. 1.5.7 можно записать, что v_отн<0, а S>1.

3. Режим МГД-генератора (область III на рис. 1.5.7) В генераторном режиме, т.е. при E<0, при заданном значении напряженности, сила, действующая на единичный объем, должна удовлетворять условию

т.е., S<0. В этом случае можно сказать, что движение опережает дрейф, а кинетическая энергия движения переходит в электромагнитную.

МГД УСТРОЙСТВА

МГД-насос

МГД-тормоз

МГД-генератор

Индукционные

Кондукционные постоянного тока

С бегущим полем

С вращающимся полем

Рис.1. Классификация МГД устройств

Принцип действия индукционных МГД-устройств

В металлургии большое распространение получили индукционные

МГД – устройства благодаря их бесконтактному воздействию на жидкие

металлы.

Принцип действия индукционных МГД-устройств аналогичный

принципу действия асинхронных электрических двигателей. Как известно из

классической теории электрических машин вращающееся и бегущее

магнитные поля можно получить в устройствах питаемой симметричной

многофазной (m≥2) системой электрических токов. На рисунке 2.1.2

представлены устройства для получения вращающегося а) и бегущего б)

магнитных полей от двухфазной системы напряжения.

Если по двум рамкам, расположенным в перпендикулярных

плоскостях, протекают переменные синусоидальные токи i_а и i_b, сдвинутые

относительно друг друга по фазе на 90 градусов, то во внутреннем

пространстве рамок образуется вращающееся магнитное поле. Вектор

магнитной индукции результирующего магнитного поля является

результатом наложения магнитных полей рамок и вращается с числом

оборотов, об/мин

Рис. 2.1.2. Двухфазная система для получения а) вращающегося и б) бегущего магнитных полей

(5.1.1)

где f - частота токов, Гц; p - число пар полюсов (при двух рамках p=1). Если рамки находятся в одной плоскости (рис. 2.1.2,б) и по ним также протекают электрические токи токи i_а и i_b, то создаваемое рамками результирующее магнитное поле перемещается ("бежит") в плоскости рамок с линейной скоростью, м/с.

(2.1.2)

где τ - полюсное деление (при двух рамках полюсное деление равно ширине рамки). При конструировании электрических машин, с целью усиления магнитного поля, вместо рамок используют многовитковые катушки,

Рис. 2.1.3. Эскизы цилиндрического а)вращающегося электродвигателя (АД) и б)линейного асинхронного (индукционного электродвигателя поступательного движения):

1 – магнитопровод индуктора; 2 – ротор (вторичная часть; 3 – обмотки индуктора.

активные стороны которых укладывают в пазы ферромагнитных сердечников, цилиндрических (рис. 2.1.3, а) или линейных (рис.2.1.3, б).

Сердечник с катушками называется статором или индуктором. Если внутрь цилиндрического статора поместить цилиндрический ротор и обмотки статора подключить к источнику напряжения, ротор начнет вращаться со скоростью, об/мин

(2.1.3)

где - скольжение.

В линейном индукционном двигателе в качестве ротора выступает электропроводная полоса, которую принято называть вторичной частью. Подключенный к источнику напряжения индуктор будет двигаться относительно вторичной части со скоростью

(2.1.4.)

где - скольжение.

Если индуктор закрепить неподвижно, то с этой же скоростью будет двигаться вторичная часть. Если в цилиндрическом двигателе ротор заменить цилиндрической емкостью с жидким металлом, то при включении индуктора в сеть жидкий металл приходит во вращательное движение. Если линейный индуктор приставить к плоской стенке ванны с жидким металлом, последний начинает двигаться. На рис. 2.1.4 представлена аналогичная симметричная трехфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных устройств, а на рис. 2.1.5 представлены эскизы трехфазных цилиндрического а) и линейного б) асинхронных двигателей.

На этом принципе основано действие индукционных МГД - устройств.

Рис. 2.1.4. Двухфазная система для получения а) вращающегося и б) бегущего магнитных полей

Рис. 2.1.5. Эскизы трёхфазных а) цилиндрического и б) линейного асинхронных двигателей: 1 – магнитопровод индуктора; 2 – ротор (вторичная часть; 3 – обмотки индуктора.

Конструктивные особенности линейных индукционных машин

По конструкции линейные индукционные машины (ЛИМ) различаются на плоские и цилиндрические. На рис. 2.1.6 - рис. 2.1.8 представлены эскизы плоских, а на рис. 2.1.9 - рис. 2.1.11 представлены эскизы цилиндрических ЛИМ. Как плоские, так и цилиндрические ЛИМ могут выполняться с односторонним и двухсторонним индукторами. Если в ЛИМ вторичной частью является закрытый канал с жидким металлом, то такое устройство представляет собой МГД - насос напорного типа. Если вторичной частью является открытый желоб с жидким металлом (рис. 2.1.8), такое устройство представляет собой МГД- насос ненапорного типа. МГД - насосы с двухсторонним индуктором развивают большой электромагнитный напор, чем с односторонним индуктором. Поэтому плоские МГД - насосы, чаще всего, выполняются двухсторонними. Практическая реализация конструкции цилиндрического двухстороннего МГД - насоса вызывает большие трудности, поэтому МГД - насосы с цилиндрическим каналом, как правило, выполняются односторонними без внутреннего магнитопровода (рис. 2.1.11).

Рис. 2.1.6. Плоский односторонний индукционный насос

Рис.2.1.7. Плоский двухсторонний индукционный насос

Рис. 2.1.8. Плоский индукционный насос лотового типа

Рис. 2.1.9. Цилиндрический индукционный насос с односторонним индуктором.

Рис. 2.1.10. Цилиндрический индукционный насос с двухсторонним индуктором.

Рис. 2.1.11. Цилиндрический индукционный насос без внутреннего магнитопровода

Дата добавления: 2014-10-22