【摘要】：隨著工業(yè)化進程的不斷發(fā)展,大氣污染日益嚴重,已成為不容忽視的社會問題。靜電除塵設備作為一種除塵效率高、適用范圍廣的電暈放電應用類除塵裝置,以其獨特的優(yōu)勢占據著市場上除塵設備應用的主要份額。其內部粉塵粒子的荷電、輸運、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,電源為其工作時唯一能量來源,因此,圍繞以上問題開展研究工作,對改進電除塵設備,提高除塵效率,有著重要的指導意義。本文圍繞靜電除塵設備中高壓電暈放電基礎物理問題開展研究工作,主要包括以下幾部分:首先,從微觀粒子運動角度,建立靜電除塵設備中粉塵粒子狀態(tài)及動力學方程,分析粉塵粒子在高壓負電暈放電中的荷電、輸運及沉降過程。結果表明,根據粉塵粒子粒徑不同,放電區(qū)中存在電場荷電機制和擴散荷電機制。無論在哪種荷電機制作用下,粉塵粒子荷電量均存在飽和值。電場荷電機制作用下粒子荷電量與放電間隙電場強度以及塵粒粒徑成正比,擴散荷電機制作用下粒子荷電量與放電區(qū)溫度及塵粒粒徑成正比;從理論上給出電場中荷電粉塵顆粒的輸運方程及其邊界條件,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系表達式,疊加后放電區(qū)內場強理論表達式,為提高靜電除塵設備工作效率提供了一定的理論指導。其次,針對靜電除塵設備典型負電暈放電結構,研究針-板與線-板負電暈放電特性及模式。以Trichel脈沖為基元研究針-板負電暈放電特性。利用統計學方法對脈沖各參數進行概率分布分析,發(fā)現在電壓上升過程中,Trichel脈沖放電存在大小幅值脈沖模式轉變現象,根據氣體放電基本原理,分析轉變原因為隨著電壓的升高,放電過程中主導因素發(fā)生轉變,在大幅值脈沖放電時段,主導因素為放電通道的建立,在小幅值脈沖放電時段,主導因素為放電區(qū)中負離子云團的累積與消散。將線-板負電暈放電等效為針-板負電暈放電的拓展,研究線-板負電暈放電特性,通過對比兩種放電結構下電流脈沖各參數概率分布特征,提出線-板負電暈放電可視為多個不同模式下針板負電暈放電的疊加,從理論上對線-板負電暈放電脈沖隨機性、脈沖各參數概率分布等特征做出合理解釋,對未來線-板負電暈放電的研究具有一定的意義。第三,基于靜電除塵設備的應用環(huán)境多樣性,通過實驗研究放電環(huán)境因素對高壓負電暈放電的影響,包括溫度場、濕度場、氣體流場和粉塵粒子,并對放電區(qū)負離子密度與分布建模分析,給出放電環(huán)境對脈沖影響的理論解釋。研究結果表明,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。不同氣流方向對脈沖放電強度影響不同,垂直于電場方向的氣流對放電強度幾乎無影響,但是增大了脈沖幅值和脈沖間隔時間;與電場方向同向的氣流減弱了放電強度,增大脈沖幅值和脈沖間隔時間;逆向于電場方向的氣流增強了放電強度,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軟件對不同條件下放電間隙負離子分布進行仿真分析,研究結果表明,溫度、濕度和粉塵粒子通過影響負離子密度及負離子云團運動速度,氣流通過影響負離子運動軌跡及負離子云團分布進而影響負電暈放電特性。第四,綜合分析靜電除塵設備各影響因素耦合關系,提出通過優(yōu)化高頻高壓電源控制系統來提高靜電除塵設備除塵效率及穩(wěn)定性的方法。結合針-板與線-板放電特性設計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的諧振電路設計方法以及將輸入分流、輸出均壓分組的優(yōu)化設計方法,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。基于靜電除塵設備工作過程分析,提出了以放電區(qū)域內單位時間火花放電次數為基準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,額定功率30k W,最高輸出電壓-75k V,最大輸出電流400m A,通過對比其它類型電源,結果顯示本文所設計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】：

界經濟的突飛猛進，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系[1]。2015 年環(huán)保部公布的《質量狀況》顯示，我國 338 個地級以上城市空氣中，P.054mg/m3、SO2平均濃度達到 0.028mg/m3、NO2平均3、PM10平均濃度達到 0.096mg/m3[2]。大氣污染嚴重危制約著社會經濟的發(fā)展，加強煙、粉塵污染物排放的管效的提高空氣質量，必須在粉塵排放時對其進行有效收含量，由此各種粉塵收集技術和設備應運而生。其中，塵效率高、阻力損失小、處理煙氣量大、能捕集腐蝕性維護費用低等優(yōu)點被廣泛應用于各工業(yè)領域中[3-5]，圖電除塵工作設備。同時，靜電除塵設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。主要表現為：未對輸入電信號調頻，電源輸出電壓信號紋波較大，由于輸入為50Hz 工頻電，因此升壓整流后輸出通常是 100Hz 的波動直流，對高濃度，高比電阻粉塵等工況適應性較差；對火花放電處理即時性不夠；為減小火花放電對電源的沖擊，其變壓器內阻設計較大，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；工頻電源大多數采用單相交流電輸入，容易導致電網用電不平衡[72-75]。高壓脈沖電源是近些年逐漸興起的靜電作塵設備新型供電方式，其基本原理是利用脈沖形成網絡產生高壓脈沖信號，并將該信號疊加在原有的高壓直流上[76-77]。高壓脈沖電源主要由三個部分組成：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部分，最后為脈沖形成網絡產生高壓脈沖信號，一般采用磁壓縮開關（Magnetic pulse compressor）或布魯萊茵傳輸線（Blumlein pulse formed net）等方式。由于脈沖信號的特殊性，
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X701.2

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本文編號：2688471