多針電極結(jié)構(gòu)雙極電暈放電的伏安特性

多針電極結(jié)構(gòu)雙極電暈放電的伏安特性

0放電的伏安特性近年來(lái)，通過(guò)電頭暈放電去除污染氣體的研究日益增多。為得到更高的放電能量密度和放電穩(wěn)定性,人們對(duì)各種電暈放電特性的研究也日漸深入。Cristina推導(dǎo)出用于靜電除塵的線筒式電暈放電的伏安關(guān)系,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,認(rèn)為發(fā)射極表面不規(guī)則使計(jì)算得的起暈電壓略高于實(shí)際起暈電壓。Yamada通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出針對(duì)網(wǎng)負(fù)電暈放電的伏安關(guān)系式:Ι=C1(Τ-132)s-2.8U(U-C2Τ-1s0.39)?I=C1(T?132)s?2.8U(U?C2T?1s0.39)?其中T為溫度,s為電極間距,系數(shù)C1和C2由電極結(jié)構(gòu)決定。Adamiak研究了針對(duì)板電暈放電的伏安特性,用邊界元方法模擬極不均勻電場(chǎng),用有限元方法推導(dǎo)空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng),得到針對(duì)板電暈放電的伏安關(guān)系式為:Ι=AΚεU(U–U0)/d?I=AKεU(U–U0)/d?其中K為離子遷移率;ε為氣體介電常數(shù);U0為起暈電壓;d為電極間距。算得伏安曲線和實(shí)際曲線基本一致,認(rèn)為設(shè)針尖為光滑的半球形使算得的起暈電壓稍高于實(shí)際值,在針尖半徑不太小(95μm)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地端平板上的電流密度分布。前期工作研究了線筒式和針板式電暈放電伏安特性。在不影響放電穩(wěn)定性,且放電能量密度較高時(shí)確定了多針對(duì)板電暈放電中優(yōu)化的電極間距。近似算得針對(duì)板電暈放電伏安關(guān)系式I=CU(U-U0)中的系數(shù)C值隨電極間距d的變化趨勢(shì)和計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)得到I隨針尖半徑a或線徑r0減小而增大,與其他學(xué)者推導(dǎo)的伏安關(guān)系矛盾。分析認(rèn)為推導(dǎo)中U0引入不正確,以電離區(qū)與遷移區(qū)之間的閾值場(chǎng)強(qiáng)Ec對(duì)應(yīng)的電壓Uc代替U0,得到新伏安關(guān)系式:I=C1U(U-Uc)/dln(2d/a),其中Uc為電離區(qū)邊界處的電壓,系數(shù)C1與放電電極結(jié)構(gòu)、電荷遷移率和放電氣體參數(shù)相關(guān),在考慮a變化時(shí)伏安關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí)推導(dǎo)出線筒式電暈放電中的伏安關(guān)系式:I=AU2(U-Uc)/L(Rln(R/r0))2,其中A為常數(shù),量級(jí)為10-17Am3/V3;R為筒徑;L為電暈線有效長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和伏安關(guān)系式相一致,在相同r0下,R增加C-U趨勢(shì)線的斜率減小;相同R下,I隨r0減小而增大。在提出針陣列對(duì)板電暈放電發(fā)生方式的基礎(chǔ)上,本文提出針陣列電極結(jié)構(gòu)的雙極電暈放電,該放電方式具有提高放電能量密度和放電穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì),并進(jìn)行了多針電極結(jié)構(gòu)雙極電暈放電伏安特性的研究。1高壓電極放電的放電電流實(shí)驗(yàn)所用的儀器和實(shí)驗(yàn)條件同文,區(qū)別于前期工作,本文的研究對(duì)象為多針對(duì)多針雙極電暈放電。放電反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,高壓端和地端均為等間距分布在一直線上的10根針。高壓端針尖到地端針尖的間距為d,同極相鄰針尖的間距為s,針尖半徑為a。圖2為多針對(duì)多針正負(fù)電暈放電和多針對(duì)板正負(fù)電暈放電的伏安曲線,其中a=0.1mm,s=20mm,d=20mm。正負(fù)電暈放電的火花擊穿電壓比較接近;放電電流幾乎相等,相同電壓下I高于多針對(duì)板正電暈放電時(shí)的電流,低于多針對(duì)板負(fù)電暈放電時(shí)的電流。由于其電極結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,多針對(duì)多針電暈放電中高壓電極的極性對(duì)放電無(wú)明顯的影響。因此圖3～5和表1中只給出高壓電極加正高壓時(shí)的電流值,除圖2中針對(duì)板負(fù)電暈伏安曲線外,每條曲線右端為接近火花放電時(shí)的電壓和電流值。圖3、4和5分別為a、s和d3個(gè)參數(shù)中改變其中一個(gè)參數(shù)而另兩個(gè)參數(shù)不變時(shí)多針對(duì)多針電暈放電的伏安曲線?；鸹〒舸╇妷弘S電極間距d和針尖半徑a的減小而減小,放電電流I隨d和a的減小而增大。其中d對(duì)火花擊穿電壓影響較大,a對(duì)其影響較小,這和多針對(duì)板電暈放電中的結(jié)果相似;不同的是多針對(duì)多針電暈放電中a在0.1mm到1mm之間變化時(shí),電流變化較大。火花擊穿電壓隨s的增大而減小,I隨s的增大而增大。當(dāng)s達(dá)到40mm時(shí),相鄰針尖的相互作用已很小,繼續(xù)增大s時(shí)放電電流幾乎不變。表1為d=40mm且外加電壓為U的多針對(duì)多針電暈放電和d=20mm且外加電壓為U/2的多針對(duì)板正負(fù)電暈放電的電流比較。表1結(jié)果顯示,d=40mm、外加電壓為U的雙極電暈放電的電流大于d=20mm、外加電壓為U/2的針對(duì)板正負(fù)電暈放電的電流之和。2多針電極結(jié)構(gòu)對(duì)放電電流的影響多針電極結(jié)構(gòu)雙極電暈放電形成的局部電場(chǎng)強(qiáng)度大于相同電極間距下多針對(duì)板電極結(jié)構(gòu),因而其火花擊穿電壓略低。在多針對(duì)板電暈放電中,正離子撞擊陰極平板表面逸出電子,這種電離過(guò)程稱為γ過(guò)程,γ為湯生第3電離系數(shù)。顯然本文討論的雙極電暈放電中γ近似為零,因此在相同電極間距下其起暈電壓略高。多針對(duì)板結(jié)構(gòu)下正負(fù)電暈放電的模式不同,相同外加電壓下負(fù)電暈放電的電流大,在相同電極間距和外加電壓下多針對(duì)多針電暈放電兼具正負(fù)電暈的兩種放電模式,其放電電流值介于多針對(duì)板正負(fù)電暈放電的電流值之間。圖4中a增大和圖5中s減小均表示電場(chǎng)趨于均勻,所以火花擊穿電壓增大,放電電流減小。在文獻(xiàn)中研究過(guò)多針對(duì)板電暈放電中高壓電極和地極間距對(duì)放電電流的影響,本文圖3中電流變化符合相同的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)還得到,當(dāng)高壓端針極和地端針極不正對(duì)時(shí),實(shí)質(zhì)上增大了雙極之間的電極間距,所以火花擊穿電壓增大,且放電電流減小。前期研究線筒式和針板式電暈放電中均進(jìn)行了半定量的理論推導(dǎo)并同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。多針電極結(jié)構(gòu)雙極電暈放電與多針對(duì)板電暈放電有部分相同之處。將電極間距為d、外加電壓為U的多針電極雙極電暈放電看成中間有一虛擬的接地平板、兩邊多針電極到假想接地平板的間距都為d/2、一邊針尖加U/2的正高壓,另一邊針尖加U/2的負(fù)高壓,兩邊分別形成多針對(duì)板正負(fù)電暈放電。設(shè)多針對(duì)板正負(fù)電暈放電的放電電流分別為I1和I2,則多針對(duì)多針雙極電暈放電的放電電流I應(yīng)≤I1和I2之中的最大值,但是表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到I>I1+I2。在多針對(duì)板電暈放電伏安特性研究中,電子遷移率和離子遷移率不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上,只有將離子遷移率μ代入伏安關(guān)系式才能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,所以在遷移區(qū)中形成放電電流的帶電粒子為正負(fù)離子而不是電子。在多針對(duì)多針電暈放電中,認(rèn)為遷移區(qū)中正負(fù)離子相互復(fù)合可以忽略,正電暈遷移區(qū)中的正離子進(jìn)入負(fù)電暈遷移區(qū)中將繼續(xù)作定向運(yùn)動(dòng),反之亦然,于是有I=I1+I2,基本同表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由于實(shí)際雙極電暈放電中電極之間沒(méi)有平板地極,其中的正負(fù)電暈放電間有預(yù)電離,所以最終放電電流I>I1+I2。另外,雙極周圍各自的電離區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度可近似于上述相比較的正負(fù)電暈放電中的電場(chǎng)強(qiáng)度,所以對(duì)應(yīng)區(qū)域的電子遷移速率相近。因放電電流I>I1+I2,所以電離區(qū)中電子雪崩產(chǎn)生的電子密度也有相應(yīng)規(guī)律,設(shè)雙極電暈放電的電離區(qū)中的電子密度為ne,上述相比較的正負(fù)電暈放電的電離區(qū)中的電子密度分別為ne1和ne2,則有ne>ne1+ne2。3d對(duì)電火花擊穿電壓的影響a)多針電極結(jié)構(gòu)雙極電暈放電因其電極結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,高壓端為正或負(fù)的伏安曲線較為接近,包括火花擊穿電壓也較為接近。b)雙極電暈放電中,I隨針尖半徑a和極間距d的增大而減小,隨同極鄰針距s的增大而增大;d對(duì)火花擊穿電壓影響較大,a對(duì)