在静电除尘器中需要提供大量的气体离子使粉尘荷电,电晕放电是气体自持放电的一种形式,也是当今工业静电除尘器中用来获得气体离子的唯一方法。为了保持稳定的电晕放电必须形成一个非均匀电场,即在线板静电除尘器中两个电极分别为平板状的收尘极和细丝状的电极线。
电晕放电通常易发生在电极线曲率半径较小的区域,该区域附近的场强极高,附近的气体介质易发生电离而使局部击穿。其中,电子与气体分子的碰撞电离是诱导气体发生电离的主要机理。由于宇宙辐射的存在,在自然界中,每立方厘米空气中大约存在有1000个自由电子,在没有电场力的情况下,这些电子无法在气体中定向移动,这意味着不会产生电流,此时的空气在常规条件下被认为绝缘体不导电。当自由电子在受到电场力作用后开始移动时,它们将撞击气体分子。当电场强度增加到气体电离临界值时,自由电子撞击空气分子之前的能量将累积到一定程度,从而将空气分子撞出一个电子,此时电极线附近的一小部分空气被离子化,这被称为气体的非自持放电。
随着电压继续升高,自由电子所获得能量逐渐加大,碰撞加剧,气体电离加剧,产生大量的正离子和自由电子,此时的电极线上电压达到起晕电压,在电极附近并伴随着淡蓝色辉光和“嘶嘶”响声,放电形式转变为自持放电,这种特定形式的气体放电称为电晕放电。电晕放电开始后,在高场强的作用下,电离产生的新自由电子被加速到发生碰撞引起电离所需的动能,从而在连续不断地碰撞中产生更多的自由电子和正离子,这个极短时间内不断产生自由电子的链式反应过程,又被称为电子雪崩。电子雪崩仅发生在电极线附近很小的高场强区域内,这个区域称为电晕区域,负电晕放电过程示意如下图所示。
负电晕放电过程示意图
大量的自由电子在离开电极线附近的高场强区域后,处于极间区域。电子受到的的电场力相对减弱,它们的运动速度会变慢,极间区内气体分子与自由电子没有发生强烈碰撞,大量的电子被气体分子捕获,从而使气体分子电性变负成为负离子。负离子不同于在放电电极线的高场强区域中产生的正离子,负离子通过电极线与收尘极板之间区域中的电场沿着电力线方向朝向收尘极板运动,而正离子则分布在电极线附近。过程如下图所示。
极间区负离子的产生
当电极线上施加的是正直流电压(正电晕)时,电子雪崩从电晕区开始向电极线发展;当电极线通的负直流电压(负电晕)时,电子雪崩从电极线表面开始向外发展。由于电子的直径要比正离子小很多,所以电子向收尘极运动速度要比正离子快很多,即相同电压下负电晕要比正电晕产生的电晕电流大。此外负电晕的击穿电压要比正电晕高很多,所以在工业静电除尘器中为了获得稳定且较高的电晕电流,较多采用负直流高压。但负电晕较之正电晕放电产生的臭氧较多,对于室内空气调节的小型电除尘器适用正电晕放电。在电离完成后,负离子受到电场力作用向收尘极移动,这种电子和负离子的定向移动形成了阴阳两极之间的电晕电流。而失去电子的气体分子成为正离子,在电场力作用下正离子向电极线移动并与电极线的金属表面或其周围空气碰撞进一步产生电子,称为二次放电。电晕放电保证了电极线附近有足够的自由电子使电子雪崩继续进行,从而维持气体电离和除尘器运行的稳定性。
随着继续增大两极之间的电压,电晕区将扩大。当电压增加到一定程度时,通道中的阴极和阳极之间会发生空气击穿,造成两极之间的电压迅速下降,除尘器无法继续工作。击穿表现形式为弧光放电,称之为火花放电,若在击穿时有很大的电流流过,可能造成供电设备的损坏,所以应尽量将电除尘器的空气击穿的放电限制在火花放电范围内。
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