Univerzitet u Niu Fakultet zatite na radu Prof

Univerzitet u Nišu Fakultet zaštite na radu Prof. dr Dejan M. Petković ELEKTROSTATIČKI FILTERI Niš April, 2015. godine Predavanja Elektrostatički filteri održana su u okviru predmeta Elektrotehnički sistemi u zaštiti. Ova prezentacija je samo pomoćni materijal. Sudente upućujem na literaturu. Za proveru znanja su data Pitanja i zadaci Podvučene pojmove koristite da uključite/isključite detalje , objašnjenja, više podataka.

St Louis, USA, "Black Tuesday", 8. 11. 1939. nema podataka o broju umrlih/obolelih Donora, Pennsylvania, USA, "Donora smog", 30 -31. 10. 1948. 20+50 umrlih, 5000 obolelih London, England, "Great Smog", 01 -15. 12. 1952. 4000 umrlih, 100000 obolelih Harbin, China, "Northeastern China smog", 23. 11. 2013. nema podataka o broju umrlih/obolelih

Uvodna razmatranja Prečišćavanje vazduha Prašina, izmagllica i dim Uređaji čestice prikupljaju na svoje zidove Smokekoji - Dim Frog - Magla Gravitacioni filteri (Eng. Gravity settlers - taložnici) Centrifugalni filteri (Eng. Cyclone separators - separatori) Elektrostatički filteri (Eng. Electrostatic precipitators - taložnici) SMOG

Gravitacioni vs Centrifugalni filter Mala brzina strujanja vazduha Primer Veliki prostor za dužinu puta Velika brzina strujanja vazduha Mali prostor za dužinu puta

Elektrostatički vs Gravitacioni filter Mala brzina strujanja vazduha Veliki prostor za dužinu puta Primer Proton-Elektron Ogromna efikasnost

Elektrostatički filter - princip rada Neutralne Slobodni Naelektrisane čestice elektroni čestice Jonizujuća elektroda 1. Visoki napon 2. Pražnjenje korone 3. Naelektrisavanje čestica Nataložene čestice Taložna elektroda 4. Migracija čestica 5. Taloženje čestica 6. Otresanje čestica

Jedan vek elektrostatičkog filtera 1824. M. Johann Cristoph Hohlfeld Prvi je otkrio i objavio o separaciji čestica iz gasova uz pomoć jakog električnog polja. 1878. Robert Nahrwold Električno pražnjenje naelektrisane igle za šivenje okružene cilindrom može da naelektriše okolni vazduh pri čemu dolazi do prikupljanja čestica prašine. 1878. Sir Oliver Joseph Lodge Prva ali neuspe[na konstrukcija za prečišćavanje. Montirana u livnici gvožđa. 1905. Frederick Gardner Cottrell Prvi uspešni elektrostatički filter. Patentiran 1908. godine.

Elektrostatički filter danas

Elektrostatički filter danas

Elektrostatički filter danas

Glavni delovi elektrostatičkog filtera Transformatori Otresači Izolatori-uvodnici Taložne elektrode Jonizujuće elektrode Levci Kućište Raspršivač vazduha

Električna korona Korona је spontano električno pražnjenje izazvano jonizacijim gasa koji okružuje naelektrisani provodnik. Korona se javlja kada je električno polje dovoljno jako da formira provodni sloj oko provodnika ali nije dovoljno jako da prouroukuje varničenje. Varnica nastaje kada je jačina polja veća od kritične jačine. 3. 00 MV/m za Vazduh Jonizovani gas sadrži O 3, NO 2, . . . 10**12 MV/m za Vakuum Korona nože biti pozitivna i negativna. 70. 00 0. 15 Plavičasta svetlost su fotoni emitovani nakon povratka pobuđenih elektronana početni energetski nivo MV/m za Vodu MV/m za Helijum

Električna korona Pojava slobodnih elektrona Spontano Vezivanje Jako električno pražnjenje elektrona polje za elektrode u molekule okolini elektrode u gasu Ukljanjanje Migracija Korona Oblak negativnih Oblast jonizacije jona

Električno polje u filteru 3 Elektrodni sistem - pločasti Jonizujuće elektrode - žice Taložne elektrode - ploče U=Ed 0 k. V 100 k. V Zbog malih dimenzija smatramo da se čestica se uvek nalazi u homogenom električnom polju. Elektrodni sistem - cevasti Jonizujuća elektroda - žica Taložna elektroda - cev

Naelektrisanje čestice 4 Naelektrisanje čestice Spoljašnje električno polje Dielektrična konstanta čestice Za metalnu česticu

Čestica u homogenom električnom polju Matematički model Laplaceova jednačina Sferne koordinate/rotaciona simetrija Granični uslovi r Konačnost Neprekidnost Detaljno rešavanje je prikazno u [1] i [2] r

Čestica u homogenom električnom polju Rešavanje Laplaceove jednačine Pretpostavljeno rešenje Razdvajanje promenljivih Svaka strana jednakosti je jednaka istoj konstanti. Pogodan oblik konstante je utvrđen probanjem. Leva strana: Jednačina za Pretpostavljeno rešenje Karakteristična jednačina Nule jednačine su Opšte rešenje

Čestica u homogenom električnom polju Desna strana: Jednačina za Legendreova diferencijalna jednačina Legendreovi polinomi I i II vrste U tačkama na Potencijal mora da bude konačan Polinome II vrste treba isključiti iz rešenja uzimajući da je

Čestica u homogenom električnom polju Granični uslovi 1 i 2 Do sada Granični uslov 1 Sada Granični uslov 2 Od sada

Čestica u homogenom električnom polju Granični uslovi 3 i 4 Granični uslov 3 Granični uslov 4 Konačno

Čestica u homogenom električnom polju Rapodela potencijala u polju Ako je sfera šuplja, - vazdušni mehur u tafo ulju svi izrazi ostaju u važnosti samo što dielektrične konstante menjaju mesta. Polje u šupljini je većeg intenziteta nego u okolnoj materiji. Zato dolazi do proboja, varničenja i paljenja. U unutrašnjosti sfere električno polje je homogeno, usmereno u pravcu spoljašnjeg polja i nezavisno od veličine sfere.

Čestica u homogenom električnom polju Ekvivalentni dipol Raspodela potencujala u spoljašnjem domenu Potencijal primarnog polja Potencijal indukovanih naelektrisanja Uticaj naelektrisne materije zamenjuje ae ekvivalentnim dipolom. Potencijal dipola Potencijal i električno polje dipola detaljno su lzvedeni u [1] Moment dipola

Čestica u homogenom električnom polju Količina indukovanih naelektrisanja Električni moment ekvivalentnog dipola Jačina polarizacije = = Površinska gustina vezanih naelektrisanja Ukupna količina vezanih - indukovanih naelektrisanja Za česticu koja je savršen provodnk Količina naelektrisanja Pauthenierova jednačina

Čestica u brzinskom polju fluida Viskoznost Vazduh 275 17. 25 Vrednosti za Dinamička Otpor fluida viskoznost i gustinu Viskoznost 300 18. 46 Unutrašnje trenje pri standardnom pritisaku 375 Kinematička 21. 81 400 22. 86 13. 43 1. 284 15. 68 1. 177 23. 17 0. 941 25. 91 0. 882

Čestica u brzinskom polju fluida Reynoldsov broj Masena gustina. Re<<1 Computational Fluid Dynamics, Re=100000 Computational. Fluid. Dynamics, Re=10 Computational Brzina strujanja Dominantna linearna dimenzija objekta Koeficijent viskoznosti L 4000<Re Turbulentno strujanje 4000<Re<2300 Prelazna oblast Re<2300 Laminarno strujanje

Čestica u brzinskom polju fluida Stokesov zakon Stokesov protok u teoriji Re<<1 Creeping flow u praksi Re<0. 1 (puženje fluida) Inercijalne sile se zanemaruju Sila otpora fluida Koeficijent viskoznosti Brzina čestice (fluida) 6 ukupno 2 posledica pritiska 4 posledica viskoznosti Zakon je detaljno izveden u [2]. Ne garantujem postajanje zapisa vezanog hyperlink.

Čestica u brzinskom polju fluida 1 Knudsenov broj - proklizavanje čestice Fluid je kontinualan sve dok su molekuli fluida znatno manji od čestice. - dužina između dva sudara Martin Knudsen Kontinualan režim Prelazni režim Slip režim Stalni sudari Povremeni sudari Skoro bez sudara

Čestica u brzinskom polju fluida 2 Cunninghamov korektivni "slip" faktor Tipično za vazduh Vrednosti svih koeficijenta određuju se eksperimentalno. Korekcija Stokesove sile otpora fluida Bez korekcije Sa korekcijom

Efikasnost filtera Evald Anderson, 1919. i Walther Deutsch 1922. godine, nezavisno: Koncentracija čestica u bilo kom poprečnom preseku je uniformna. Protok fluida je laminaran i odvija se stalnom brzinom. Brzina kretanja čestica je stalna. Nema ponovnog ulaska već prikupljenih čestica u među prostor. Efikasnost filtera Površina taložnih elektroda Brzina taloženja čestica U izrazu se ne pojavljuje koncentracija čestica? Koncentracija čestica je implicitno sadržana u izrazu za brzinu taloženja. Korekcije: Umesto teorijske brzine upotrebiti eksperimentalnu brzinu Sigvard Matts i Per-Olaf Ohnfeldt, 1964. godine Harry J. White, 1982. godine

Deutsch-Andersonova jednačina x x + Dx L za čestice koje prođu za čestice koje ostanu Koncentracija na ulazu 0

Deutsch-Andersonova jednačina Taložna površina Protok Efikasnost filtera

Brzina taloženja čestica 5 Brzina taloženja čestica U opštem slučaju čestica se prvo naelektriše u stranom polju Cunninghamov "slip" faktor a zatim Dinamička vuskoznost se kreće kroz polje prema taložnoj elektrodi Električno polje kroz koje se već naelektrisana čestica kreće ka taložnoj elektrodi Pri proračunima se obično uzima da je

Brzina taloženja čestica Ravmoteža sila Sila inercije Drugi Newtonov zakon Sila gravitacije Može da se zanemari Sila otpora fluida Stokesov zakon Sila potiska je uzeta u obzir kroz otpor fluida Sila električna Coulombov zakon Ravnoteža sila Vektorski zbir je jednak nuli - - w + + + +

Brzina taloženja čestica oznake: sledi: Homogeni deo Opšte rešenje Varijacija konstante Početni uslov Nehomogeni deo Partikularno rešenje

Brzina taloženja čestica Tipične vrednosti: Zavisi od tehnološkog procesa Zavisi od konstrukcije

Primer proračuna filtera Ulazni podaci za proračun visoko efikasnog elektrostatičkog filtera tipa žica-ploča Filter Fluid - Vazduh Čestice - Pepeo

Primer proračuna Knudsenov Početak Cunninghamov Jačina Količina Brzina Površina Broj Provera Kraj taložnih električnog taloženja naelektrisanja taložnih broj elektroda faktor elektroda polja 1 2 3 4 5 6 7 8

Prаktična efikasnost filtera Efikasnost i dijametar čestice Površina taložne elektrode Teorijsli neobjašnjen minimum 40 Granica vidljivosti 25 Bela krvna zrnaca 8 Crvena krvna zrnaca 2 Bacterium Cocci 0. 3 Magla sumporne kiseline

Prаktična efikasnost filtera Efikasnost i specifična otpornost taloga Unutrašnja otpornost generatora Otpornost vazduha sa česticama Otpornost taloga [srednja vrednost] određuje se merenjem S U S r =R = [Wm] l I l

Napon i struja u u operativnim granicama. Zanemarljiv pad napona na talogu. Smanjena sposobnost taloženja. Normalna Niska T Efikasnost i. Slabe specifična otpornost taloga elektrostatičke sile. Dovoljno jake elektrostatičke sile. Napon i struja u u operativnim granicama. Zanemarljiv pad napona na talogu. Velika sposobnost taloženja. Umerena Specifična otpornost taloga, [ M m] Prаktična efikasnost filtera Umereno jake elektrostatičke sile. Početak varničenja. Nezanemarljiv pad napona na talogu. Smanjena sposobnost taloženja. Visoka Vrlo jake elektrostatičke sile. Prekid proticanja struje. Vrlo veliki pad napona na talogu. Pojava povratne korone. smanjena sposobnost Površina taložnoh elektroda. Ozbiljno izračunata za srednju vrednosttaloženja. otpornosti taloga

Tipovi filtera

Tipovi filtera 1. hladnjak (preheater), 2. kotao - boiler, 3. filter, 4. ventilator

Tipovi filtera 1. jonizaciona komora 2. tok naelektrisanih čestica 3. taložna komora

Tipovi filtera

Tipovi filtera

Tipovi filtera Kombinovani filter

Proizvodnja visokog napona

Pitanja i zadaci Električni potencijal i Laplaceova jednačina Rešavanje Laplaceove jednačine za ravan kondenzator Rešavanje Laplaceove jednačine za cilindrični kondenzator Rešavanje Laplaceove jednačine za sferni kondenzator Izvesti jednačine kretanja naelektrisanja u električnom polju. Polje i potencijal električnog dipola, električni moment dipola. Polarizacija dielektrika i uvođenje vektora polarizacije. Pojam i izračunavanje električne susceptibilnosti i koeficijenta polarizacije. Izvođenje izraza za površinsku gustinu vezanih naelektrisanja. Izvođenje izraza za zapreminsku gustinu vezanih naelektrisanja. Teorema o površinski vezanim naelektrisanjima. Maxwellov postulat - generalisani Gaussov zakon.

Pitanja i zadaci Veza između osnovnih veličina električnog polja i jedinice. Granični uslovi na razdvojnoj površini dva dielektrika. Oderditi vezana naelektrisanja uz naelektrisanu provodnu loptu. Izvođenje izraza za energiju elektrostatičkog polja. Odrediti električno polje u vazdušnom procepu u ravnom kondenzatoru. Odrediti električno polje u sfernoj šupljini u homogenom dielektriku. Odrediti električno polje u okolini metalne sfere u homogenom polju. Odrediti električno polje u okolini dielektrične sfere u homogenom polju. Izveszi izraz za brzinu taloženja naelektrisane čestice. Izvesti Deutsch-Andersonovu jednačinu. Izrračunati površinu taložnih elektroda za zadatu efikasnost filtra.

Literatura [1] Milica D. Radić, Dejan M. Petković, Elektrostatički filteri, E izdanje, Niš, 2014. [2] Dejan M. Petković, Dejan D. Krstić, Elektrostatička, treće izdanje, Fakultet zaštite na radu, Niš, 2005. ISBN: 86 -80261 -39 -4. [3] [4] Dejan M. Petković, Elektrostatičko polje u radnoj i životnoj sredini -prvi deo (teorija elektrostatičkog polja), Fakultet zaštite na radu, Niš, 2005. ISBN: 86 -80261 -39 -4. Dragutin M. Veličković et al. , Zbirka rešenih ispitnih zadataka iz elektromagnetike-prvi deo, Elektronski fakultet, Niš, 2000. ISBN: 86 -80124 -20 -8 Za [1] i [2] možete koristiti hyperlink, ali ne garantujem njihovo postojanje.

Video zapisi Electrostatic precipitators - Elektrostaički taložnici Trajanje Adresa 0: 03: 40 https: //www. youtube. com/watch? v=i. UXHz. YLgr. B 0 0: 03: 40 https: //www. youtube. com/watch? v=x 5 YFK 8 mme. RQ 0: 07: 30 https: //www. youtube. com/watch? v=Zss. Gi. Y 6 rf. YE 0: 02: 00 https: //www. youtube. com/watch? v=W_EOE 2 z. FPwk 0: 18: 30 https: //www. youtube. com/watch? v=Bd. Rk 3 op 2 zp. E Ne garantujem postojanje zapisa koji su vezani za hyperlink.

Prof. dr Dejan M. Petković dejan. petkovic@znrfak. ni. ac. rs (018) 529 750 Konsultacije 2014/2015 Ponedeljkom 12: 00 -14: 00 EOF