В установках электронно-ионной технологии используется электростатическое поле и поле коронного разряда.
При внесении незаряженного диэлектрического тела в электростатическое поле в нем происходит перераспределение свободных и связанных электрических зарядов, что приводит к возникновению электрического вращающего момента, стремящегося сориентировать это тело длинной осью вдоль силовых линий поля, то есть перпендикулярно электродам.
При повышении напряженности электрического поля между электродами до значения, при котором начинается интенсивная ионизация воздуха, возникает коронный (тлеющий) разряд у поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны. Этот разряд способен сообщать дополнительный электрический заряд частицам, находящимся на некотором расстоянии от коронирующего электрода.
Электронно-ионную технологию можно эффективно использовать для ионизации воздуха, электризации, разделения и осаждения различных дисперсных материалов в зависимости от их электрофизических свойств. В качестве таких материалов могут быть семена зерновых культур и сорняков, аэрозольные частицы краски и ядохимикатов, пыль, микроорганизмы и другие.
Электрическая сила F1(H), действующая на частицу, пропорциональна ее заряду Q (Кл) и напряженности электрического поля Е (В/м):
F1 = QE. (6.7)
Одновременно на частицу действует сила тяжести (Н)
F2=Mg, (6.8)
где М — масса частицы, кг; g — ускорение силы тяжести, м/с2.
Таким образом, различное ориентирование и перемещение частиц в электрическом поле зависит от их электрофизических свойств, массы, формы и размеров, что и положено в основу электронно-ионной технологии, в частности электрозерноочистки, электроосаждения частиц и аэроионизации воздуха.
Рис. 6.4. Принципиальные схемы коронных сепараторов электрозерноочистительных машин:
а — камерный; б — барабанный; в — решетный; 1 — зерно; 2 — коронирующий электрод; 3 — положительный электрод; 4 — бункер.
Электрозерноочистительные машины наиболее эффективны в поточных линиях очистки и сортировки как семенного, так и товарного зерна при работе совместно с обычными механическими зерноочистительными машинами. Они позволяют повысить качество очистки зерна от сорняков и разделения зерна на фракции, а также увеличить урожайность зерновых. Разработаны конструкции электрозерноочистительных машин камерного, барабанного, решетного и других типов.
Принцип разделения зерна в машинах камерного типа показан на рисунке 6.4, а. В этой схеме осадительным электродом служит вертикальная заземленная плоскость, а коронирующим электродом — система проводов, равноудаленных и расположенных параллельно плоскости осадительного электрода.
Частица при попадании в электрическое поле коронного разряда заряжается, и на нее действуют силы электрического поля F1 и тяжести F2. Результирующая сила Fр вызывает отклонение траектории от вертикальной в зависимости от заряда и массы и осаждение частицы в определенном отсеке осадительного электрода.
Заряд зерна (Кл), обычно имеющего вид эллипсоида вращения, определяется формулой
(6.9)
где S — площадь сечения эллипсоида,
перпендикулярного потоку ионов, м2; во — диэлектрическая проницаемость вакуум; 8,854-10~12 Ф/м; Кф—диэлектрический коэффициент формы частицы.
Значение диэлектрического коэффициента формы зависит от диэлектрической проницаемости и коэффициента сферичности эллипсоида К.
(6.10)
где б и а — размеры малой и большой оси эллипсоида.
Для зерна сельскохозяйственных культур коэффициент Кф, как правило, находится в пределах 0,1 ... 0,7, а оптимальная напряженность электрического поля в рабочей камере изменяется от 2,5 до 4 кВ/см.
В электрозерноочистительных машинах барабанного типа (рис. 6.4, б) имеются заземленный барабан в качестве осадительного, и нити проволоки, натянутые вдоль барабана, в качестве коронирующих электродов. В отличие от машины камерного типа на частицу, соприкасающуюся с поверхностью вращающегося барабана, кроме силы тяжести F2 и взаимодействия заряженной частицы с поверхностью барабана Fь действует также центробежная сила Fn.
При этом угол отрыва частицы а зависит от скорости движения зерна, напряженности электрического поля, радиуса барабана, ускорения силы тяжести, массы, коэффициента сферичности и электрических свойств частицы.
Работа электрозерноочистительной машины решетного типа (рис. 6.3, в) основана на принципе разделения частиц в электростатическом поле. Машина имеет неподвижный отрицательный электрод и положительный встряхивающий сеточный электрод, расположенные наклонно, для сортировки и перемещения зерновой смеси. При этом через электрод-решето проскакивает зерно, вращательный момент которого ориентирует его перпендикулярно плоскости решета.
Электрозерночистительные машины камерного типа производительностью 5 т/ч по пшенице при очистке семенного зерна имеют мощность 2 кВт, а решетного типа производительностью 2 т/ч —4,4 кВт.
При обработке семян в поле коронного разряда повышается интенсивность поглощения ими воды, кислорода и дыхания прорастающих семян, активизируются биохимические и физиологические процессы. Предпосевная обработка семян на электросемяочистительной машине осуществляется при напряженности поля 4... 5 кВ/см и времени воздействия 2... 3 с. При этом прибавка урожая составляет 5... 20%.
Установки для осаждения различных частиц в электрическом поле применяют при окрашивании изделий и обработке сельскохозяйственных культур ядохимикатами. По сравнению с пневматическим распылением при осаждении аэрозолей в электрическом поле снижаются потери материала на 60... 70%. При этом значительно повышается равномерность осаждения и улучшаются условия труда.
Установки для окрашивания деталей в электрическом поле с пневматическим распылением краски состоят из коронирующих электродов, выполненных в виде сетки из нихромовой проволоки диаметром 0,3 мм. Расстояние между параллельными нитями 200 мм. На электроды подается отрицательный полюс от высоковольтного источника постоянного тока напряжением 100...
130 кВ. Окрашиваемые детали подвешивают на конвейере, соединенным с положительным полюсом высоковольтного источника.
Расстояние распылителей от коронирующих электродов принимают 50... 60 см, а до деталей —28... 30 см. Рабочий процесс окраски должен проходить при напряженности до 2 кВ/см. Производительность окраски достигает 60 м2/ч и выше.
Таким образом, можно окрашивать поверхности металлических и неметаллических деталей (при установке позади последних металлического экрана).
Колокольные (чашечные) распылители совершеннее пневматических. Под действием центробежной силы краска, подаваемая насосом на вращающуюся чашку распылителя, тонким слоем стекает на острые кромки и распыляется под действием электрического поля, окрашивая деталь. Характерно, что наружные поверхности металлических деталей окрашиваются со всех сторон одновременно.
Аналогичен принцип работы аэрозольных генераторов для осаждения ядохимикатов в электрическом поле. Здесь также используются пневмоэлектрические распылители. Для этого струя аэрозоля пропускается через зону коронного разряда ионизатора и распыливается, равномерно покрывая обрабатываемые растения со всех сторон. При этом осаждаемость аэрозоля увеличивается на 20... 40 % и резко снижается его расход и загрязненность окружающей среды.
Аэроионизация, или искусственная ионизация, воздуха легкими отрицательными ионами в животноводческих помещениях — эффективный способ улучшения микроклимата и повышения продуктивности животных.
Электрическое состояние воздуха характеризуется степенью его электризации, то есть количеством ионов в единице объема воздуха. Отношение количества положительных ионов в единице объема к количеству отрицательных ионов называется коэффициентом униполярности. В 1 см3 воздуха при нормальных условиях содержится около 500 ... 700 пар легких отрицательных ионов, а коэффициент униполярности составляет 1,15.
Тяжелые ионы, представляющие собой положительно заряженную пыль, копоть, дым, разные испарения, отрицательно влияют на живые организмы, а легкие отрицательные ионы (преимущественно ионизированные молекулы кислорода), наоборот, оказывают благотворное и целебное действие. В чистом воздухе количество легких ионов повышается до 800... 1000 в 1см3, а количество тяжелых ионов уменьшается, коэффициент униполярности резко падает.
Источниками ионизации воздуха в естественных условиях являются космические излучения и радиоактивные излучения почвы, а также атмосферные грозовые разряды, водопады и т. д.
Рис. 6.5. Схема умножения напряжения:
а — удвоения с пульсирующим напряжением; б — учетверения с постоянным напряжением.
При большом скоплении животных в помещениях коэффициент униполярности воздуха возрастает, что ухудшает микроклимат.
Для получения легких ионов отрицательной полярности применяют электрокоронирующие и радиоактивные источники.
Принцип работы аэроионизатора состоит в том, что на коронирующие электроды (игольчатые или проволочные) подводится отрицательный полюс источника высокого напряжения (до 50 кВ), а положительный полюс источника заземляется. Коронирующие электроды размещаются либо непосредственно в помещении, либо выполняются в виде патрубков с ионизационными сетками, вмонтированными в систему вентиляции.
Искусственная ионизация воздуха внутри инкубационного шкафа выполняется при помощи игольчатых электродов, размещенных около лотков с яйцами. Высоковольтные источники установок электронно-ионной технологии имеют напряжение, достигающее 20...80 кВ при токе нагрузки не более 10 мА.
В высоковольтных установках вместе с повышающим трансформатором применяют схемы умножения напряжения, позволяющие получать на выходе напряжение, в несколько раз превышающее напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Схема, изображенная на рисунке 6.5, а, работает следующим образом. В полупериод, когда на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора Т будет положительная полярность, ток потечет через конденсатор С и кенотрон V. Так как падение напряжения на кенотроне мало, то почти все напряжение прикладывается к конденсатору и он заряжается до амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора. В следующий полупериод, когда напряжение трансформатора начнет менять свой знак, оно будет складываться с напряжением конденсатора до удвоенного напряжения трансформатора.
Фактическое напряжение на нагрузке Rн несколько ниже из-за снижения его на обкладках конденсатора вследствие разряда конденсатора в промежутки между зарядкой.
На нагрузке возникает пульсирующее напряжение, близкое к двойному напряжению трансформатора.
Аналогично работают схемы умножения с полупроводниковыми диодами (рис. 6.5, б). Чем выше допустимое напряжение диодов, тем больше можно создать ступеней умножения и экономичнее источник питания.
Чтобы обеспечить безопасность установок электронно-ионной технологии, в цепь коронирующего электрода включают сопротивление, ограничивающее ток короткого замыкания до безопасного значения. Кроме того, применяют специальные токовые реле, которые срабатывают и отключают источник питания при увеличении тока утечки или тока с коронирующих электродов выше допустимых значений.
Двери (люки) рабочих камер установок снабжаются включателями, отключающими источник питания при их открывании.
