【摘要】：隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展,大氣污染日益嚴(yán)重,已成為不容忽視的社會(huì)問題。靜電除塵設(shè)備作為一種除塵效率高、適用范圍廣的電暈放電應(yīng)用類除塵裝置,以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著市場(chǎng)上除塵設(shè)備應(yīng)用的主要份額。其內(nèi)部粉塵粒子的荷電、輸運(yùn)、沉降過程是其工作核心過程,電暈放電氣體電離為其工作基礎(chǔ),電源為其工作時(shí)唯一能量來源,因此,圍繞以上問題開展研究工作,對(duì)改進(jìn)電除塵設(shè)備,提高除塵效率,有著重要的指導(dǎo)意義。本文圍繞靜電除塵設(shè)備中高壓電暈放電基礎(chǔ)物理問題開展研究工作,主要包括以下幾部分:首先,從微觀粒子運(yùn)動(dòng)角度,建立靜電除塵設(shè)備中粉塵粒子狀態(tài)及動(dòng)力學(xué)方程,分析粉塵粒子在高壓負(fù)電暈放電中的荷電、輸運(yùn)及沉降過程。結(jié)果表明,根據(jù)粉塵粒子粒徑不同,放電區(qū)中存在電場(chǎng)荷電機(jī)制和擴(kuò)散荷電機(jī)制。無論在哪種荷電機(jī)制作用下,粉塵粒子荷電量均存在飽和值。電場(chǎng)荷電機(jī)制作用下粒子荷電量與放電間隙電場(chǎng)強(qiáng)度以及塵粒粒徑成正比,擴(kuò)散荷電機(jī)制作用下粒子荷電量與放電區(qū)溫度及塵粒粒徑成正比;從理論上給出電場(chǎng)中荷電粉塵顆粒的輸運(yùn)方程及其邊界條件,從受力角度分析了荷電粒子在放電區(qū)的受力狀況;給出了粉塵沉降厚度和粉塵層電壓降理論關(guān)系表達(dá)式,疊加后放電區(qū)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)理論表達(dá)式,為提高靜電除塵設(shè)備工作效率提供了一定的理論指導(dǎo)。其次,針對(duì)靜電除塵設(shè)備典型負(fù)電暈放電結(jié)構(gòu),研究針-板與線-板負(fù)電暈放電特性及模式。以Trichel脈沖為基元研究針-板負(fù)電暈放電特性。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)脈沖各參數(shù)進(jìn)行概率分布分析,發(fā)現(xiàn)在電壓上升過程中,Trichel脈沖放電存在大小幅值脈沖模式轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,根據(jù)氣體放電基本原理,分析轉(zhuǎn)變?cè)驗(yàn)殡S著電壓的升高,放電過程中主導(dǎo)因素發(fā)生轉(zhuǎn)變,在大幅值脈沖放電時(shí)段,主導(dǎo)因素為放電通道的建立,在小幅值脈沖放電時(shí)段,主導(dǎo)因素為放電區(qū)中負(fù)離子云團(tuán)的累積與消散。將線-板負(fù)電暈放電等效為針-板負(fù)電暈放電的拓展,研究線-板負(fù)電暈放電特性,通過對(duì)比兩種放電結(jié)構(gòu)下電流脈沖各參數(shù)概率分布特征,提出線-板負(fù)電暈放電可視為多個(gè)不同模式下針板負(fù)電暈放電的疊加,從理論上對(duì)線-板負(fù)電暈放電脈沖隨機(jī)性、脈沖各參數(shù)概率分布等特征做出合理解釋,對(duì)未來線-板負(fù)電暈放電的研究具有一定的意義。第三,基于靜電除塵設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境多樣性,通過實(shí)驗(yàn)研究放電環(huán)境因素對(duì)高壓負(fù)電暈放電的影響,包括溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和粉塵粒子,并對(duì)放電區(qū)負(fù)離子密度與分布建模分析,給出放電環(huán)境對(duì)脈沖影響的理論解釋。研究結(jié)果表明,隨著溫度的升高,起暈電壓降低,同一電壓下放電平均電流值、脈沖幅值和脈沖頻率增大。隨著濕度增大,起暈電壓降低,同一電壓下平均電流值和脈沖頻率降低,脈沖幅值增大。不同氣流方向?qū)γ}沖放電強(qiáng)度影響不同,垂直于電場(chǎng)方向的氣流對(duì)放電強(qiáng)度幾乎無影響,但是增大了脈沖幅值和脈沖間隔時(shí)間;與電場(chǎng)方向同向的氣流減弱了放電強(qiáng)度,增大脈沖幅值和脈沖間隔時(shí)間;逆向于電場(chǎng)方向的氣流增強(qiáng)了放電強(qiáng)度,增大脈沖幅值和脈沖頻率。隨著粉塵粒子濃度的提高,起暈電壓降低,同一電壓下放電平均電流值、脈沖幅值和脈沖頻率下降。通過COMSOL軟件對(duì)不同條件下放電間隙負(fù)離子分布進(jìn)行仿真分析,研究結(jié)果表明,溫度、濕度和粉塵粒子通過影響負(fù)離子密度及負(fù)離子云團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度,氣流通過影響負(fù)離子運(yùn)動(dòng)軌跡及負(fù)離子云團(tuán)分布進(jìn)而影響負(fù)電暈放電特性。第四,綜合分析靜電除塵設(shè)備各影響因素耦合關(guān)系,提出通過優(yōu)化高頻高壓電源控制系統(tǒng)來提高靜電除塵設(shè)備除塵效率及穩(wěn)定性的方法。結(jié)合針-板與線-板放電特性設(shè)計(jì)靜電除塵高頻高壓電源,提出基于高頻高壓變壓器分布參數(shù)的諧振電路設(shè)計(jì)方法以及將輸入分流、輸出均壓分組的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,解決靜電除塵電源高頻高壓變壓器中存在的發(fā)熱和絕緣問題�；陟o電除塵設(shè)備工作過程分析,提出了以放電區(qū)域內(nèi)單位時(shí)間火花放電次數(shù)為基準(zhǔn)的電壓加載控制方法,開發(fā)靜電除塵用高頻高壓電源樣機(jī),額定功率30k W,最高輸出電壓-75k V,最大輸出電流400m A,通過對(duì)比其它類型電源,結(jié)果顯示本文所設(shè)計(jì)電源顯著提高了靜電除塵效率,為未來靜電除塵優(yōu)化提供了一定的參考。
【圖文】：

界經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)，人類工業(yè)化程度越來越高，大氣污3 年 11 月，，國際癌癥所出版的《空氣污染與癌癥》中明與肺癌患病率成正比關(guān)系[1]。2015 年環(huán)保部公布的《質(zhì)量狀況》顯示，我國 338 個(gè)地級(jí)以上城市空氣中，P.054mg/m3、SO2平均濃度達(dá)到 0.028mg/m3、NO2平均3、PM10平均濃度達(dá)到 0.096mg/m3[2]。大氣污染嚴(yán)重危制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加強(qiáng)煙、粉塵污染物排放的管效的提高空氣質(zhì)量，必須在粉塵排放時(shí)對(duì)其進(jìn)行有效收含量，由此各種粉塵收集技術(shù)和設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。其中，塵效率高、阻力損失小、處理煙氣量大、能捕集腐蝕性維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域中[3-5]，圖電除塵工作設(shè)備。同時(shí)，靜電除塵設(shè)備也作為一種小型院、辦公室、居家等生活環(huán)境的空氣清潔中[6-9]。

圖 1-2 工頻電源原理示意圖Fig.1-2 The schematic of power frequency power supply隨著空氣質(zhì)量要求日益提高，工頻電源存在的問題與缺陷也越來越突出。主要表現(xiàn)為：未對(duì)輸入電信號(hào)調(diào)頻，電源輸出電壓信號(hào)紋波較大，由于輸入為50Hz 工頻電，因此升壓整流后輸出通常是 100Hz 的波動(dòng)直流，對(duì)高濃度，高比電阻粉塵等工況適應(yīng)性較差；對(duì)火花放電處理即時(shí)性不夠；為減小火花放電對(duì)電源的沖擊，其變壓器內(nèi)阻設(shè)計(jì)較大，一般為總阻抗的 30%~35%，因此電源效率不高，理論上最高僅能達(dá)到總輸入功率的 65%~70%；體積和重量較大，原材料消耗多，成本較高；工頻電源大多數(shù)采用單相交流電輸入，容易導(dǎo)致電網(wǎng)用電不平衡[72-75]。高壓脈沖電源是近些年逐漸興起的靜電作塵設(shè)備新型供電方式，其基本原理是利用脈沖形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)疊加在原有的高壓直流上[76-77]。高壓脈沖電源主要由三個(gè)部分組成：前端高壓直流電源作為脈沖電源的充電部分，中間為大容量電容或電感作為能量存儲(chǔ)部分，最后為脈沖形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，一般采用磁壓縮開關(guān)（Magnetic pulse compressor）或布魯萊茵傳輸線（Blumlein pulse formed net）等方式。由于脈沖信號(hào)的特殊性，
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X701.2

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