高压电场范文

高压电场范文（精选9篇）

高压电场 第1篇

关键词：高压电场,节能,静电除尘器,满负荷

应节能环保要求, 在河北钢铁“绿色发展”战略和宣钢公司“提质增效献一计”活动政策指引下, 我们积极探索, 不放过一个细节, 从小处入手, 通过优化工艺设备参数, 达到降低能源消耗, 降低炼钢成本的目的。150T转炉的干法除尘系统以静电除尘器为主要核心设备, 根据现有经验, 对静电除尘器电源系统进行优化, 有效降低电场的电能消耗。

1 系统及工艺概述

干法除尘系统的静电除器由A, B, C, D四个电场组成, 其中A, B电场安装在静电除尘器入口, 60%~70%的烟尘由A, B电场收集, 其余由C, D电场收集。A, B电场一次侧电流约为300~400 A, 二次侧电压约为40~55 k V;C, D电场一次侧电流约为600 A, 二次侧电压约为50~60 k V。在电场投用的这两年时间里, 除尘效果良好, 烟气含尘量小于10 mg/m3。但电场一直处于接近于满负荷状态, 尤以C, D电场严重, 因为烟尘经过A, B电场后, 比电阻增加, C, D电场平均电压和电流一直处于一个很高的水平, 且在非吹炼阶段四个电场也处于高电压水平, 所以就造成了电能的巨大浪费。长时间满负荷运行, 造成设备温升高, 造成设备故障较多, 影响设备的使用寿命。

2 控制方案

根据设备运行情况和基于设备稳定运行和节能降耗的目的。首先开发出一种全新的控制方式, 即在吹炼时期电场工作在标准模式, 在非吹炼阶段电场即降低负荷工作在低电压模式即节能模式。这样就能大大降低电场的电能消耗, 且电场设备也不会一直工作在满负荷状态。根据对电场内部的观察和对C, D电场在标准模式下的电压和电流的分析, 认为在标准模式下, C, D电场提供的能量也远超出工艺需求, 所以针对这一现象, 在保证除尘效果的前提下, 对C, D电场的电压和电流进行了限幅处理, 进一步达到节能降耗的目的。

对高压电场的节能模式的开发分为两个部分, 第一步首先完成在非吹炼期间使得四个电场工作在低电压模式, 该模式投用后, 根据实际情况在继续进行第二步, 在保证除尘效果的前提下, 对工作在标准模式下的C, D电场电压和电流进行优化, 进一步达到节能的效果。

3 技术原理

静电除尘器电源系统由智能控制柜, 高压整流变压器, 信号传输光缆等组成。如图1所示, 智能控制单元输出脉冲控制信号给脉冲变换单元, 控制SCR整流器相位角, SCR整流器由处于同一相位上的两个反并联晶闸管构成。通过高压采集单元采集变压器二次侧电压和电流信号, 并通过光缆将该信号传输到智能控制单元, 通过其内部引入的模糊控制数学模型计算, 来控制晶闸管的相位角, 从而达到控制变压器二次侧电流和电压的目的。

静电除尘器主要目的就是对转炉冶炼过程中的烟尘进行净化处理, 所以其和转炉的生产紧密相关。当转炉冶炼完毕后, 基本没有没有烟气产生, 当此时让电场继续工作在标准模式下, 势必会造成电能的巨大浪费。因此在非吹炼期间只要将电场的电流和电压降低就可以实现电场的节能目的。

电场由A, B, C, D四个电场组成, 其中A, B两个电场处于电场的进口, C, D电场处于电场的出口。转炉吹炼产生的烟尘经过蒸发冷却器降温调质后进入静电除尘器内部, 由于A, B电场内部烟尘量较大, 比电阻较小, 电离程度大, 闪络次数较多, 而经过A, B电场净化后的烟气到达C, D电场后, 比电阻明显增大, 电离程度较低, 那么C, D电场的自消式闪络将比较少, 火化率较低, 那么电压和电流将处于很高的水平。但随之而来的就是大多数静电除尘器都会出现的反电晕现象, 即随着能量的不断注入, 当收尘效率达到最佳除尘效率后, 如果继续加强电能的注入, 高比电阻值的粉尘将会产生反电晕现象, 灰尘电荷不能很快的移动至集电极, 结果灰尘之间就有很强的电场, 将导致灰层内的局部放电, 同时产生正电荷离子, 将已分离的粉尘再次返回至气流中, 不仅造成电能的巨大浪费, 同时也造成电场内部二次扬尘, 造成除尘效率低下。图2为电场电压和烟气排放的一直数据对比, 可以看出, 即使电场电压增加到很高, 但排放的烟尘却没有明显的变化。当前C, D电场在正常模式下工作电压可以达到55KV, 电流在2200~2700 m A。已经大大超出了最佳除尘电压, 因此可以根据现场除尘效果, 将C, D电场的参数做适当的优化处理。

4 技术方案

4.1 电场节能模式的开发

制定出以下的节能模式方案:在转炉出钢时, C, D电场首先进入节能模式, A, B电场为收集溅渣护炉时的烟气仍然工作在高电压模式, 待溅渣护炉完毕后, A, B电场也工作在节能模式下。直到下一次兑铁信号来临, 四个电场恢复到高电压模式。具体实施步骤如下。

(1) 修改高压电场控制柜参数, 增加工作模式2, 并设置其二次侧电压幅值为Us=35 k V, 并在通讯设置中允许PLC变更模式选择。

(2) 重新设置电场与PLC之间的通讯参数, 增加PLC控制高压电场模式选择参数和模式使能参数, 如A电场增加D B 2 0 1.D B X 0.4为电场模式选择使能开关, 增加DB201.DBB2为电场模式选择, 当DB201.DBX0.4从0变为1时, 模式选择有效, 同时DB201.DBB2给出当期电场需要工作的模式, 为1时电场处于工作模式1, 即为高电压模式, 为2时电场处于工作模式2, 即为节能模式。

(3) 编制程序, 实现在出钢时, C, D电场进入工作模式2, 溅渣护炉结束后, A, B电场进入工作模式2, 即溅渣护炉结束后, 四个电场全部进入节能模式, 直到转炉兑铁信号到来, 高压电场恢复至工作模式1。

(4) 绘制HMI画面, 增加电场手自动切换, 在自动状态下, 按照步骤3执行, 手动状态下, 可以实现高压电场1, 2模式的切换。

4.2 C, D电场参数优化

C, D电场工作在最佳电晕模糊功率的模糊优化模式下工作, 电场内部闪络次数很少, 电压和电流一直维持在很高的位置, 二次侧电压Us大约维持在60~70 k V之间, 二次侧电流Is大约在2900~3000 m A, 接近于设备的满负荷工作状态, 综合以上分析, C, D电场的工作方式不仅造成电能的巨大浪费, 同时也产生了一定的反电晕现象。高压控制柜内快熔烧坏故障较多有发生, 且变压器的油温高达80℃, HV检测单元因为高温也经常保护造成控制柜报光缆故障。为增强电场运行稳定性和节能效果, 需要对电场的控制参数进行修整, 以适应当前的工况。

4.3 运行情况

设备投用以来, 没有影响电场的除尘效率, 不仅节约了大量的电能, 同时设备温度和线缆温度由原有的50℃降低至30摄氏度, 故障率明显降低。

5 结语

在没有影响除尘效果的前提下, 开发静电除尘器的节电模式, 经济效益十分明显, 同时有效的降低了设备的负荷, 增加了设备运行稳定率和使用寿命。

参考文献

[1]赵会良, 罗承沐, 覃穆, 等.电除尘中的高压供电技术[J].高电压技术, 1996 (1) :66-69.

高压静电场提高好氧污泥活性研究 第2篇

高压静电场提高好氧污泥活性研究

摘要：适合强度的高压静电场(HVEF)作用于好氧污泥系统可以提高好氧污泥的活性.通过试验研究发现,在电场强度E=5104V/m,反应器的`初始MLSS 1400 mg/L,Ns=0.4～0.6 kgCODCr/(kgMLSS・d)的条件下,试验组和对照组都连续运行60个周期的过程中,通过高压静电场效应作用,试验组好氧污泥系统的CODCr的降解绝对值高于对照组约13～50 mg/L,试验组好氧污泥的OUR值较对照组提高了33%～171%.作 者：杨宏    王天瑞    朱现信    姚乾    张杰  作者单位：北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京,100022 期 刊：给水排水  ISTICPKU  Journal：WATER & WASTEWATER ENGINEERING 年，卷(期)：, 33(z1) 分类号：X7 关键词：高压静电场    活性污泥    耗氧速率(OUR)   

高压电场 第3篇

关键词:高压脉冲电场技术;食品;杀菌

中图分类号:TM921.52 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)08-0026-01

杀菌是食品生产中的一个非常重要的环节,杀菌的好坏直接影响着食品的品质量。传统的热力杀菌技术对一些产品特别是热敏性产品的色、香、味、功能性以及营养成分等具有破坏作用。为满足消费者对营养、原汁原味、不含防腐剂、天然安全的要求,高压脉冲电场技术倍受瞩目。高压脉冲电场(PEF)用于食品杀菌, 从20世纪60年代在美国就已开始研究, 并逐渐扩大到工业应用,进入90年代中后期我国开始进行这方面的研究,但由于设备的限制,研究水平已经相对比较落后,特别是在产业化方面。该项新技术设备的投入相对较高、处理量少、但产品品质较好。而且与传统热力杀菌相比,非热力技术在能耗方面有着明显的优势,可以节约一定的能源,体现了一定的经济效益。

1高压脉冲电场技术的现存理论

高压脉冲电场的杀菌原理是在两个电极间产生瞬时高压脉冲电场作用于食品而杀菌的。其基本过程是用瞬时高压处理放置在两极间的低温冷却食品。高压脉冲电场杀菌机理经过40年的探讨,形成了以下几个代表性的观点:①“细胞膜穿孔效应”理论;②电解产物理论;③臭氧效应理论。

2高压脉冲电场技术相比于热杀菌的优点

①灭菌效果好,速度极快。更有效的杀灭食物中的酶及微生物,高电压脉冲灭菌法可达到杀菌6个数量级以上。且食品实际接受脉冲电场作用的时间在毫秒以内,整体灭菌工序操作时间在数秒以内,而巴氏灭菌法的灭菌时间较长,二者的灭菌速度有很大的区别。高电压灭菌法是通过瞬间的电场强度变化,使菌体死亡,从而使对人体有害的菌类等物质被杀灭,或失去活性。且完成消毒过程之后即可进行封装,不需冷却,相比于巴氏杀菌更加高效。②杀菌温度低,处理均匀。高电压脉冲灭菌法能更有效的保存食物中的营养成分。在电场中各部分的物料均受到了相同大小场强的处理。若物料不预先进行降温处理,假设初始温度在25℃左右,处理后的物料温度低于55℃,完全处于对物料的营养和风味进行充分保护的“冷处理”范围,产热少,副产物少,对食品的化学成分、外观及风味等基本无影响。所以就这一点来说,高电压灭菌法所达到的效果是传统灭菌法所远不能及的。③不会产生对人体有害的自由基物质,节省能源,不污染环境。食品中含有的某些营养素及酶类物质,经氧化后会成为自由基的产生来源之一。自由基在很多的情况下对人体有损害作用。实验发现,高压脉冲电场处理后不会产生对人体有害的自由基物质。节省大量由热杀菌所耗费水资源及其他能源,且对环境无污染,无二次污染及三废问题。

3PEF技术存在的问题

现存的理论不能完全解释静电场除了热效应以外与脉冲电场在非热效应方面的差异;不能完全解释矩形波脉冲、振荡型脉冲、指数衰减型脉冲作用差异的本质原因;虽然从理论上给出了脉冲电场幅值的范围,却未能给出脉冲宽度和脉冲频率的限定值 非热效应究竟是一种效应的结果,还是几种效应同时存在的综合结果;微波、脉冲电场以及工频电磁场非热效应有无本质上的差异等。

4结束语

高压脉冲电场技术是一个综合性的领域, 是微生物学、食品化学、食品工程学等的结合。此技术设备的投入相对较高、处理量少、但产品品质较好,特别适合高附加值的稳定性差的产品,预想随着技术的日益完善与发展,将有极大的应用前途。

参考文献:

[1] 胡珂文, 王剑平, 盖铃等.高压脉冲电场在食品加工中的应用前景[J].食品工业科技,2007,(28).

[2] 王黎明, 史梓男, 关志成.脉冲电场非热杀菌效果分析[J].高电压技术, 2006,(2).

[3] 杜存臣,颜惠庚.高压脉冲电场非热杀菌技术研究进展[J].现在食品科技,2005,(21).

高压电场 第4篇

随着化肥和农药的过量使用,造成地力衰退、农作物品质下降、环境污染等,严重影响到农业的可持续发展。当前农业正处于由化学农业向生态农业过渡时期,而物理农业是实现生态农业的主要途径之一,即将电、磁、声、光、热、核等基本物理学科的知识和相关领域的高新技术作为有效的物理肥源应用于农业中[1,2]。

在物理农业中,种子播前进行静电场处理可以实现早出苗、出匀苗、出壮苗,同时,静电场处理种子时能够产生大量的臭氧,对种子有很强的消毒杀菌作用,有效地防止种子霉变,能提高果实的品质[3,4,5,6,7]。

在静电场处理装置中,高压静电电源是核心,但目前大部分高压静电电源分两种类型:第一类采用驰涨振荡器[8,9]作为晶闸管的触发控制电路,其工作时,先通过调整可变电位器来改变晶闸管的触发角,然后再利用倍压整流产生高压;第二类采用集成驱动专用模块,虽然外围元件少,驱动简单,如IRF2113,但该器件在使用过程中存在Vss端负过冲较大的问题,使驱动专用模块造成不同程度的损坏[10]。这些产品不论是电源电压的调节精确度还是电压的输出灵敏度都比较低。

本文所设计的数控高压静电电源,采用单片机编程输出脉冲信号,经光电器件隔离后控制晶闸管的触发角,克服了传统高压静电电源的控制电路与输出电路不能完全隔离的弊端,使输出直流电压在0～200 V范围内随意增减变化,高压输出电压能够达到55 kV,满足了多种种子对高压静电场的需求。

1 硬件结构

该系统由TA89C52单片机[11]及键盘、辅助电源电路、零点检测电路、显示电路、方波发生器电路、晶闸管控制电路、高压产生等电路组成,如图1所示。

由于高压产生电路产生的静电可能干扰TA89C-52单片机,所以单片机采用独立5 V专用辅助电源,设计为“冷地”[12]。高压产生电路的驱动电路采用12 V辅助电源,并且12 V辅助电源与高压产生电路共地,设计为“热地”[11];在15 625 Hz方波发生器电路与高压产生电路之间设计了光电耦合器电路,很好的实现了“冷地”与“热地”隔离;根据电磁辐射干扰原理[13],利用一个密闭的金属盒屏蔽整个TA89C52单片机系统,进一步确保TA89C52单片机工作稳定。

1.1 系统设计

1.1.1 单片机系统及显示电路

以TA89C52单片机为检测和控制核心, 控制高压产生电路和晶闸管的触发电路,如图2所示。为了产生多个脉宽度又互不影响的输出脉冲信号,外接晶体振荡器采用35 MHz。其中P3.2口由零点检测电路输入中断信号,与软件完成计数功能,在P2口外接的键盘输入指令作用下,使定时器0输出可变的导通尖脉冲触发信号;定时器1通过编程在P2.4口输出15 625 Hz方波信号,方波高低电平持续时间误差小于0.44 μs,精度极高,完全达到高压产生电路的需要,确保高压产生电路振荡频率的稳定。

显示模块采用数码显示管显示,数码显示管有2片74LS48驱动2个共阴极数码显示器,可在误差范围内准确、醒目地显示当前高压值。

1.1.2 键盘电路

键盘采用独立键盘结构,用于确定定时器0的记数值,从而确定晶闸管触发时刻大范围调整输出直流电压(0 ～55 kV)。

1.1.3 零点监测电路

零点监测电路如图3所示。以U1,Q1,R1,R2,R3组成。采用光电耦合器U1实现交流电由负半轴到正半轴过度点,保证了零点监测的准确,零点监测输出信号由Q1集电极输出,输入到AT89C52的P3.2口,经AT89C52单片机系统处理,由AT89C52的P2.3口输出尖脉冲触发信号,控制U2的工作状态,同时也避免了高、中、低压之间互相干扰,实现了“冷地”与“热地”之间的隔离,确保单片机工作安全可靠。

1.1.4 晶闸管控制电路

晶闸管控制电路如图3所示,由U2,Q2,R4,R5等电路组成。其中U2采用S21ME3,具有光耦兼晶闸管驱动作用,驱动Q2单向晶闸管,使CT1输入的交流220 V/50 Hz电压,在C4,C5及L1组成的滤波器上得到0～200 V可调的直流电压,由CT2输出,供高压产生电路。U2受控于AT89C-52的定时器0(P2.3口),该尖脉冲触发信号能够准确确定Q2的导通角,可精确到π/22 727。精确度高,调节方便。

1.1.5 高压产生电路

高压产生电路如图4所示。由U3,Q2,Q3,T1,T2,L2等组成。图中U3实现了AT89C52与高压电路的隔离,电路工作安全稳定,输入信号来自AT89C52 的定时器91(P2.4口),信号频率是15 625 Hz的方波;激励变压器T1与激励晶体管Q2组成方波推动电路,采用反极性推动方式[12]。 Q3是功率输出晶体管,内部带阻尼二极管,C9,C10为阻尼电容器, T2是高压输出脉冲输出变压器,磁芯选用软磁铁氧体材料,保证脉冲信号不失真传输,初/次级匝数为[12]105 T/2 700 T。高压产生电路工作频率较高,升压及整流等电路工作效率高,电路简洁,电压调整依据晶闸管导通角实现,精确度高,可产生0～55 kV可控高压[12]。

1.1.6 辅助电源电路

为了避免高压电路对单片机系统的影响,辅助电源电路由两个完全独立的降压变压器T3和T4产生,如图5所示。LM7805稳压集成电路产生5 V电源为AT89C52和检测电路提供工作电源,12 V电源由LM7812集成稳压器产生,为高压激励电路提供专用“热地”电源。5 V电源和12 V电源分别由开关K2和K1控制。LED1指示高压电路工作状态,提高使用安全性。

2 系统软件

主程序框图如图6所示,初始化主要对单片机INT0,T0,T1进行初始化,并设定T0用于产生频率为15 625 Hz的方波,而T1用于产生定时可控的初始值。

如图7所示,INT0中断请求信号由交流电负半周向正半周过渡的零点提供。当零点监测电路送来信号时,开启定时器0,使定时器0按用户预设的时间定时。

图8是定时器0的中断服务程序流程图,输出负脉冲。当定时时间到用户预设时间时,关闭定时器0,输出低电平,图中用L表示;输出低电平延时1 ms后才输出高电平,图中用H表示,完成负脉冲输出,该负脉冲用于触发晶闸管导通。

图9是定时器1程序流程图,主要功能是产生15 625 Hz方波,是高压产生电路的信号源。程序安排控制位翻转,当控制位为高电平时,输出高电平H,设定T1定时时间为信号要求的高电平H时间,而当控制位为低电平L时,输出低电平L,并设定T1定时时间为信号要求的低电平时间。

3 安装与使用

用户安装时,可将高压电源的高压输出E.H.T端与高压静电箱体的阳极输入端相连,高压接地E.H.TGND端负载地相连。使用时,接通200 V/50 Hz交流电源,首先开启“电源开关”,然后开启“高压开关”。此时,系统处于初始状态,高压输出为零。按“升压”按钮可使输出电压升高,按“降压”按钮可使高压降低,高压显示器显示当前高压值,用户依显示调节输出电压,达到用户需要的电压值。“复位”开关可使系统复位,回到初始状态,高压输出为零。关机时,应先关闭高压开关,后关闭低压开关。

4 实验测试

种子的发芽率是指种子在适宜的发芽环境中,发芽种子占全部催芽种子粒数的百分比。种子的发芽势是指种子在适宜的发芽环境中,在规定的时间内发芽种子占全部催芽种子粒数的百分比。应用该高压静电场电源制作的植物种子高压静电场装置,分别对小麦、油菜和南瓜种子在浸种前进行实验。

4.1 高压静电场作用油菜种子

调整高压静电源电压,产生不同的电场对油菜种子处理15 min,其结果如表1所示。

结果表明:处理后的油菜种子,其发芽率高达90%～99%,发芽势达94%,较未经处理的对照组均提高5%～8%。

4.2 高压静电场作用巨型南瓜种子

将高压静电电压调整在50 kV/m,对巨型南瓜种子在浸种前进行了不同的作用时间,其结果如表2所示。

结果显示:巨型南瓜种子浸种前1.5 h采用50 kV的高压静电场处理,其发芽势达54%,比未经处理的对照组高出10个百分点;发芽率为66.5%,比未经处理的对照组高出16个百分点。

4.3 高压静电场作用小麦种子

调整高压静电源使其分别输出20 kV/m,25 kV/m,30 kV/m和35 kV/m,分别处理5 min,10 min,15 min和20 min,其结果如表3所示。

结果显示:对小麦在萌发期的各项生理指标表现出极显著的效果,20 kV,25 kV各时间条件下处理的小麦种子,在萌发期的各项生理指标均有促进作用。

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5 结 语

在现代农业生产中,物理农业已经得到广泛应用,利用高压静电场处理种子也是近年来发展起来新技术。本文所设计的高压静电场电源由系统控制、零点检测、晶闸管触发和高压产生电路组成,能够产生0～55 kV的高压静电。经对油菜、巨型南瓜和小麦种子在浸种前试验,种子的发芽率和发芽势均有显著提高。高压静电场电源也能够满足多种种子对高压静电场处理的需求。

摘要：高压静电场可以激化种子内部活力,在物理农业中已得到广泛应用。为此,设计了一种数控高压静电场电源,该电源通过单片机编程进行零点检测和占空比调整,控制晶闸管触发,为高压产生电路提供0～200V直流电压。同时,通过编程产生方波,作为激励脉冲信号,使高压电路产生0～55kV的高压静电。经实验测试,该高压静电场电源能够满足不同种子的高压静电场需求。

超高压输电线工频电场的分析 第5篇

1 架空输电线路的选取与模型建立

架空输电线路主要由杆塔 (电杆和铁塔) 、导线、避雷线、绝缘子和金具等组成。拉线塔可以分为拉线、塔头和主柱3个部分。塔头和主柱一般由角钢组成, 角钢采用空间架结构, 该结构有很好的整体稳定性, 可以承受较大的拉力, 由于拉线塔充分利用了材料的强度特性, 故达到了减少材料损耗用量的目的。拉线塔从外形来分有多种形式:一种是导线呈三角形排列的, 例如:鸟骨型、猫头鹰型等;另一种是导线呈水平排列的, 例如门型、V型;还有一种纵向能自立的, 例如内拉线门型塔等。

以林场里的单回三相三角形输电线路为原型建立模型, 如图1所示。

对长距离的输电线路的电场分析做以下理想假设:大地看作是电位为零的无穷大导体面;无限长直导线看作与地面平行的光滑圆柱体, 并且其表面也视为等位面;忽略杆塔、导线临近物体以及避雷线的端部效应和弧垂影响[11]。简化后, 长距离高压输电线路中的电场问题可转化为多个平行导体系统的二维交变电场计算问题, 即二维静电场问题。三相导线等效半径计算的表达式为

式中:R为分裂导线半径;n为次导线根数;r次导线半径;i为不同相的顺序U、V、W相。

三相输电线各相导线电压可表示为

式中θ为初相。

2 比例边界有限元方程应用于电场的公式推导

描述静电场的控制方程为拉普拉斯方程, 即

式中:φ为电位;∇为梯度算子。

式中:n为边界外法线方向, 对于研究的区域有两类边界条件, 一类是S1是给定电位值, 也称第一类边界;S2称第二类边界[12]。

式 (3) —式 (5) 的等效泛函问题可以表达为

在比例边界有限元方法中, 包含有径向 (ξ) 和圆周方向 (s) 的坐标系统如图2所示, 径向坐标规定在比例中心 (Scaling Center) 处定义为零, 而在边界上定义为单位值1;圆周方向坐标规定沿着边界逆时针方向的距离。如果0≤ξ≤1表示有限区域问题, 如果ξ→∞表示开域问题。

比例边界坐标系统和Cartesian坐标系统的关系为

利用式 (7) , 计算域内任意一点的位置可由比例坐标系中的坐标分量ξ和s确定。

Cartesian坐标系下的梯度算子在比例坐标系下可变换为

其中

雅克比行列式定义为

通过雅克比矩阵, 可得比例边界有限元坐标和Cartesian坐标两者之间的转换关系:

根据等参变换概念, 电位也可以采用插值函数N (s) 进行离散:

将式 (8) 和式 (12) 带入式 (6) 可得:

其中:

引入系数矩阵, 则有

考虑δφ (ξ) T的任意性, 可产生如下关系式:

式 (20) 、式 (21) 分别是计算域内、外边界条件方程。式 (22) 是比例边界有限元的基本方程。

3 比例边界有限元方程求解

当Fs (ξ) =0时, 式 (22) 为二阶Euler-Cauchy齐次方程。为了求解方便, 降阶求解, 引入Q (ξ) 作为φ (ξ) 的对偶变量:

可得状态方程:

其中:

由于Z阵为Hamilton阵, 可以通过求解Z的特征值问题来得到方程 (24) 的解:

式中:λi为特征值对角矩阵;Φ11、Φ12、Φ21、Φ22均为特征向量矩阵。

进一步可得:

式中:c1、c2为积分常数;ξ-λi、ξλi为对角矩阵。

对于有限域的问题, ξ=0处的φ为有限值, 所以c2=0;对于无限域的问题, ξ=∞处的为有限值, 所以c1=0。其中, 有限域的积分常数c1和无限域的积分常数c2都可以由边界条件来确定。c1、c2确定后, 可以通过插值确定域内任意点的电位和E=-φ确定域内任意点电场强度。计算输电线的场下电场强度可分别按式 (2) 的实部和虚部导线设置的边界条件计算两次电场强度。最后就可以得到的总和成电场强度为

式中:ExR、EyR分别为导线电压为实部时计算的x、y向的电场强度;Ex1、Ey1分别为导线电压为虚部时计算的x、y向的电场强度。

当Fs (ξ) ≠0时, 式 (22) 为非齐次方程。同样引入Q (ξ) , 即式 (23) , 可得状态方程:

由此可以得出ф (ξ) 和Q (ξ) 的表达式:

式中:c1、c2是积分常数, 可以通过边界条件获得;c1 (ξ) 和c2 (ξ) 为变异系数, 由式 (30) 可以得出:

其中:

对有限域问题, ξ=0处可导出c2 (ξ=0) =0, 所以c2 (ξ) =-∫0ξτ-λi-1A22F (τ) dτ;对无限域问题, ξ=∞处可导出c1 (ξ=∞) =0, 所以c1 (ξ) =-∫ξ∞τλi-1A12F (τ) dτ。此时, 通过E=-∇φ可确定域内任意点电场强度。

4 输电线下有无树木时电场的分析

单回三相三角形的输电线路如图1所示, 采用4×LGJ—400/50导线, 线间距离为2×7.5 m, H1=15 m, H2=11 m, 电阻率为2.8264E-8, r=0.0148, R=0.457, 由式 (1) 算出等效导线半径是0.274 m。现设初相为45°, 三相各个导线电压可由式 (2) 计算出。输电线路划分为有限域和无限域, 两种情况的比例边界有限元计算示意图如图3所示。计算模型均包括9个有限域与1个无限域。

在Ansys14.5中, 利用APDL语言快速建立模型, 并进行网格划分, 网格划分结果如图4所示。根据比例边界有限元的原理只选取10个区域上的边界节点 (选取节点采用的命令流是NSEL、TYPE、ITEM, 、COMP, 、WMIN、VMAX, 、VINC、KABS) , 对选取的节点进行计算, 采用输电线路电场监测的标准方法, 取距地1.5 m处测量电场强度。

对空旷地点的超高压输输电线路的电场用SBFEM模拟, 如图5所示, 得知场强的分布与距离地面1.5 m处的电场强度曲线, 该结果与大部分文献的计算结果相同, 说明该方法可以应用于计算电场, 最大值在距线路中心10 m处。对有树地点的超高压输电线路的电场用SBFEM模拟, 如图6所示。

对比图5和图6, 从距离地面1.5 m处的电场强度曲线看, 可知电场强度曲线的走向是一致的。有树木时, 电场强度有很大的削弱。对于以上现象进行分析, 发现距地面1.5 m处电场强度变弱是因为树的树干和树叶对电场能量进行吸收, 削弱了电场强度。因此, 扩大种植树木的范围可以更好地减小电场强度。扩大树木的范围后进行仿真所得的结果如图7所示, 与图6结果对比, 可以看出电场强度大约减少了1500 V·m, 由此得知扩大树木的范围能削弱电场强度。

5 结论

1) 利用比例边界有限元法对输电导线下方的工频电场进行计算, 可以成功应用于电场方向并减少了计算量。

2) 利用比例边界有限元法对空旷地点和有树时输电导线下方的工频电场分别计算, 发现树木对工频电场具有很强的削弱作用。通过仿真对比, 可知树木范围越大, 对电场强度的削弱越强。建议在输电线走廊附近多植树, 设立起自然保护屏障区, 有效防止电磁对环境的污染。

摘要：针对超高压输电线路对电磁环境影响很大的问题, 阐述了比例边界有限元方法计算工频电场的方法, 基于麦克斯韦方程组, 建立了相应的电场计算模型, 利用变分原理通过比例边界坐标变换, 推出工频电场的比例边界有限元方程, 分析了高压输电线路在空旷地点与穿越树木时的工频电场。计算和仿真结果表明:比例边界有限元法能够准确计算出工频电场, 减少了数据准备工作量;树木对电场有明显的削弱作用。

关键词：高压输电线路,工频电场,建模,比例边界有限元方法

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高压静电场对鲜切绿豆芽品质的影响 第6篇

关键词：绿豆芽,高压静电场,酸处理,感官品质,大肠菌群,细菌总数

鲜切菜(fresh cut vegetables)又称最小加工蔬菜,是指新鲜蔬菜原料经挑选整理、浸泡清洗、去皮切分、保鲜杀菌以及包装贮藏等处理而制成可直接烹调或食用的新型蔬菜制品。目前在广州、深圳、上海等城市的一些超级市场已有上市,深受消费者欢迎[1,2,3,4]。

鲜切菜在保鲜过程中容易受褐变、温度、微生物的影响,其中,最易发生且最常见的生理生化反应是褐变。它主要是由于切割果蔬破坏了蔬菜细胞膜的结构,影响膜透性,导致隔离的化合物(主要是酚类物质)流出,与空气中的氧气接触,在多酚氧化酶的作用下氧化所致[5],或在脂肪氧化酶的催化氧化下,导致大量具有难闻气味的醛和酮类物质产生[6]。在高温、高湿、低氧、低盐、高p H值等条件下,一些致病菌包括沙门氏菌等极可能生长并产生毒素[7]。笔者在研究高压静电场处理对鲜切豆芽品质的影响,同时检测高压静电场处理相对于酸处理对豆芽品质的影响程度,为高压静电场处理鲜切豆芽的品质评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

原料:新鲜绿豆芽(早市提供);药品:抗坏血酸,柠檬酸,氯化钙;包装材料:普通市售包装袋;卫生检测材料[6]:平板计数琼脂,月桂基硫酸盐胰蛋白胨(LST)肉汤,煌绿乳糖胆盐(BGLB)肉汤,75%乙醇,磷酸盐缓冲稀释液。

1.2 供试仪器

恒温培养箱36℃,恒温水浴锅45℃,组织捣碎机,振荡器。10m L和1m L移液管,直径为90mm的平皿,容量为500m L和150m L的三角瓶,小烧杯,剪刀,天平(精确到0.1g),直径为5mm左右的玻璃珠。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计。

把原料分别经电场处理、酸处理和未处理(CK)进行对比试验。具体的工艺流程如下:(1)原料选择。挑选鲜嫩饱满、未失水、无机械损伤、健康结实的豆芽。(2)清洗。用自来水清洗干净。(3)切分。将长度相当的豆芽摆放整齐,用刀切除两端。(4)浸泡。将切分好的豆芽立即投入1.0%柠檬酸、0.25%抗坏血酸、0.2%氯化钙的混合溶液浸泡15~20min,抑制豆芽褐变。(5)沥水。浸泡后的豆芽要沥干水分,冷风吹干。(6)处理。分为电场处理和酸处理。电场处理是将沥干水分的豆芽在强度分别为100,150,200k V/m的电场下处理20min;酸处理是将沥干水分的豆芽分别经浓度分别为0.2%,0.4%,0.6%的抗坏血酸和柠檬酸的混合液浸泡10min,再沥干水分。(7)装袋。将处理过的豆芽以等量装入包装袋中,每个样品处理10小袋,并做好标记。(8)冷藏。模拟超市条件,3~7℃下冷藏。(9)检测。包括感官检测和微生物检测,分别包括原料菜的质量和卫生状况。感官检测包括色泽、形态、气味、手感、组织状态;微生物检测包括细菌总数(平板计数法SN 0168-92)和大肠菌群数(三管法SN 0169-92)[7]。每隔3d进行1次微生物检测,同时记录1次感官状态,直至对照组出现粘腐。

1.3.2 感官质量评定。

试验过程中,感官评价员固定为1个人,以减少评价误差。试验采用评分制,评分标准为无褐变10分,轻微褐变8分,中度褐变6分,严重褐变4分和粘腐2分。

1.3.3 微生物检测。

检测项目为细菌总数(平板计数法SN0168-92)和大肠菌群数(三管法SN 0169-92)。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对鲜切豆芽感官品质的影响

在豆芽鲜切加工过程中,增加杀菌工序,以期减少或抑制微生物的生长与繁殖。不同杀菌方式的比较结果见表1。从表1可以看出,鲜切豆芽经过电场和酸处理后,其褐变程度均低于对照组;而在利用电场处理的鲜切豆芽中,电场强度为150k V/m时,豆芽褐变程度均低于其他处理;利用酸处理的鲜切豆芽随着酸浓度的增加,其褐变程度逐渐降低。由此可见,合理的电场强度及适宜的酸浓度可以有效抑制酶的活力,防止褐变,从而达到有效的保鲜效果。

2.2 不同处理方式对鲜切豆芽卫生状况的影响

检测鲜切菜时所采用的平板记数法和三管法,能比较正确地反映出鲜切菜污染的细菌总数和大肠菌群数,从而帮助判断鲜切豆芽卫生状况和新鲜度。

(分)

由图1可知,鲜切豆芽贮藏期间,细菌和大肠菌群增长很快,而且电场处理的鲜切豆芽,细菌总数和大肠菌群数明显少于其他处理方式。可见电场有明显的杀菌作用,能够有效抑制微生物的生长,起到较好的保鲜作用。

由图2可知,鲜切豆芽贮藏期间,细菌和大肠菌群增长很快,而且酸处理的鲜切豆芽,细菌总数和大肠菌群数明显少于其他处理方式。可见酸有明显的杀菌作用,能够有效抑制微生物的生长,起到较好的保鲜作用。

3 结论

在豆芽的鲜切加工过程中,引入电场处理对鲜切豆芽的质量产生积极的影响。电场强度为150k V/m的处理方式能较好地抑制鲜切豆芽褐变,同时抑制微生物的生长,较好地保持了豆芽的品质。酸处理对鲜切豆芽的质量产生积极的影响。随着酸浓度的增加鲜切豆芽的褐变逐渐降低,同时抑制微生物的生长,较好地保持了豆芽的品质。相对于酸处理,高压静电场处理是一种物理过程,无残留余毒,不会造成二次环境污染,具有很大的优势和研究潜力。

参考文献

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高压电场 第7篇

随着国家积极推进节能减排的发展战略, 电除尘器作为燃煤电厂重要的环保设备之一, 日益受到重视。高压静电除尘器主要由高压静电场本体和供电电源控制器两部分构成。高压静电场本体常见结构有线板式与线管式, 图1给出了工业现场常见的线板式除尘本体的结构。电场本体中间为电晕极, 连接负高压输出。静电场本体两侧为阳极板 (收尘极) , 阳极板接大地。380V工频电源经过高压变压器与高压整流电路与静电场本体电晕极相连, 在本体电晕极和收尘极间产生高压静电场。荷电粉尘经过高压静电场时会被吸附到阳极板, 最后通过振打击落从而达到除尘效果。

高压静电场主电路的控制依据主要取决于电晕极与收尘极之间的电压, 工业上称该电压信号为二次电压信号。由于高压静电场具有典型的非线性特性, 其内部存在着气流场、粒子流场和静电场等多场耦合[1,2], 这导致对高压静电场采样信号反馈与分析的难度也相应加大。为了深入研究静电场的微观工作机理, 建模是一种常见的研究手段。有不少学者将更多的研究精力放在了电场内部荷电流场的仿真[3], 从粒子微观运动中得到电场宏观时间下V -A统计特性, 但该研究方法缺乏从控制器的角度对信号微观特性进行分析。近年来, 也有学者采用对高压静电场进行电气模型简化[4,5], 建立起高压静电场等效电路模型。但过去的分析更多将模型归类为线性系统, 而忽略了静电场本体在工作过程中的非线性特征。本论文将充分结合高压静电场本体的非线性电气特性, 提出了高压静电场主电路三阶段数值模型的建模方法, 最后通过对模型离散化处理后实现在动态数值仿真。

2 高压静电场主电路数值模型

严格意义来说, 高压静电场的模型的精确表达并不容易。高压静电场的本体特性受多种因素影响, 其中包括温度、粉尘物理化学特性、时间等, 若将本体内的荷电粉尘多相流对本体电气特性的反作用也考虑在内, 这将使本体的研究工作变得更加复杂。针对高压静电场的等效电气模型国际国内都早有研究。早在1975年M c L ean, K J. .曾提出了将线板本体等效为一极性电容[6], 本体工作过程可以等效为高压阻容充电和阻容放电过程。随着人们对高压静电场研究的深入, 发现电场主回路中电场不能简单的等效为一电容与电阻的串联, 而应该将主回路分布电感也考虑进去[7], 因此电场本体等效为一电容与大阻值电阻并联, 该模型一直被本研究领域所接受并使用至今, 如图2所示。图中的L主要由主回路分布电感, R为电路阻尼电阻, RL为电场本体等效放电电阻, C为电场本体等效电容。

将高压静电场视为线性电路系统, 根据基尔霍夫电压回路电压定律, 列出图2 (b) 电路的微分方程:

由式 (1) 可以得到主回路高压侧的输入电压与输出电压之间的关系, 见式 (2) 。

在主回路中, 高压变压器的工频输入连接了双向可控硅, 从而在高压变压器输出侧产生双向高压脉冲 (30kV -90kV ) 。为了方便工程数值计算, 这里引入开关函数ε (t) , 设工频周期的一半为单一工作周期TS, 可控硅触发角为α , 则静电场本体输入电压Ui (t ) 如式 (3) 所示。

另一方面, 式 (2) 中的RL并非理想的电阻常量。该电场等效电阻属于非线性器件, 有两种状态:正常电晕放电时的高阻态 (RL>106Ω) 与火花放电时的小阻值状态 (RL<104Ω) 。因为输入信号Ui (t ) 与系统元件RL具有等效非线性, 且电场本体火花放电点存在极高的随机性, 所以直接求解方程 (2) 的时域通解相当困难[8]。

为了得到任意输入信号下高压侧的输出电压响应, 根据原系统具备分段线性特点, 这里对电路进行三阶段模型分解 (图3) :第一阶段为电场充电 (A-B ) 阶段, 图2电路中RL阻值较大, 可假想为断路状态, 从而形成了L R C二阶电容充电回路;第二阶段为电场电晕放电 (B -C) 阶段, 电晕放电时受整流桥的反向截止作用, 图2处于输入开路, 静电场构成了RLC放电电路;第三阶段为电场火花放电 (D-E ) 阶段, 静电场仍然构成了RLC放电电路, 但由于此时空气被电离击穿, 其中RL阻值较小, 电压下降非常迅速。三阶段系统传递函数如式 (4) 所示, 根据输入信号Ui (t ) 与系统传递函数G (s ) , 使用反拉氏变换可以得到系统输出响应如式 (5) 所示。

综合上面分析, 可以得到式 (4) 、 (5) 所示高压静电场主回路数值模型:对于正常无火花工作状态, 主要由2个阶段构成:电场充电g1与电场放电g2;对于火花放电的工作周期内, 主要有3阶段构成:电场放电g2、电场充电g1、火花放电g3。

3 Duhamel积分法实现电场信号离散化

在工业控制中, 若确定线性定常系统、环节或元件的传递函数, 可以直接求解其时域响应。但是, 对于高压静电场的输入信号的非线性, 以及系统元件自身存在着非线性, 直接对信号及其响应进行拉氏变换和反拉氏变换是相当复杂的。为了计算得到高压静电场二次电压的时域信号, 使用解析法直接求解方程 (4) 是相当困难的。Duh am el积分即叠加积分, 是求解非线性微分方程的有效手段。这里利用该方法求解高压静电场的分段线性模型, 即采用Duh am el积分法求解任意输入信号下高压静电场二次电压的输出波形。

Duh amel积分法假设:如果激励f (t) 是t=0时接入的任意信号, 即t<0时f (t) =0, 那么f (t) 可近似地看作是每隔Δ时间接入一个阶跃信号。

例如:在t= 0, 接入f (0 ) ε (t) ;

在t= Δ, 接入;即任意信号f (t) 可分解为一系列阶跃函数之和, 即

在任意信号f (t) 的作用下, 电路的零状态响应可看作是一系列幅度和延时都不同的阶跃响应之和。

由式 (4) 可以得到在分段传递模型下系统的分段阶跃响应, 其中电场二阶L R C充电阶段的阶跃响应:

对于过阻尼电场而言, 电晕放电阶段和火花放电阶段的阶跃响应表达是一致的, 不同的在于RL处于两种截然不同的阻值状态:

对于等效电路为二阶欠阻尼状态时, 放电电路的阶跃响应则为:

用Duh am el积分法可以得到高压静电场输入电压信号离散化模型:

4 使用Matlab进行二次电压信号仿真

使用M atlab2011b基于式 (6) 建立高压静电场二次电压信号的仿真程序。仿真程序模拟脉冲串触发可控硅。初始触发角设置为120°, 从0时刻开始高压静电场导通角逐步打开, 高压变压器变比为1:250。模拟电场本体参数:线板间距11cm , 放电极间距12cm , 阳极板高度2米, 长度4米, 共设立10对阳极板。仿真过程实现电场充电过程的模拟, 并设置随机火花点 (50± 2kV ) 模拟火花放电状态下二次电压的欠过阻尼震荡, 从而实现了对高压静电场的电场充电、电晕放电和火花放电的三阶段仿真。仿真结果如图4所示。仿真结果与图3实验电场的输出波形吻合。

5 模型精度分析

本文第1节分析可知, 高压静电场的工作过程主要有三种不同的状态, 分别是:电晕放电、静电场充电和火花放电。由工频电源供电的高压静电场其工作周期以10m s为基本时间单元, 而正常供电升压和火花放电两种不同的情况下均包含电晕放电过程, 所以验证本文高压静电场二次电压仿真模型的精度可从正常供电升压周期和火花放电控制周期两种情况对比分析。其中, 静电场结构参数如本文第3节给出, 极板等效电容经验公式见参考文献[6]。

5.1 正常供电升压下模型仿真输出与实验电场输出的对比分析

当高压静电场开始工作后, 静电场电源控制器通过逐步减小工作周期内可控硅的触发角 (加大导通角) 来实现静电场电压上升过程。图5 (a) 所示, 当触发角达到131°时, 控制器以过零信号为起点的10m s控制周期中7.2m s时发出触发脉冲串。此时可控硅导通, 高压变压器开始向静电场供电升压。由于DS P采样电路的输入电压范围为0-3V , 为了方便信号对比分析这里将模型仿真输出信号按照控制器内部AD转换电路的变比转换到相同的幅值范围与实验电场输出信号进行对比。统计参数如表1所示, 当触发角为131°时, 模型仿真输出的平均电压与实验电场平均电压偏差仅为0.82%, 而有效电压偏差仅为0.21%。从信号的时域特征角度分析, 实验电场采样信号与模型仿真输出信号形态一致, 能正确反映出电场二次电压信号的微观时域特征。图5 (b) 给出了两种信号在10m s周期内的实时偏差。最大偏差发生在加压充电开始前和电晕放电末尾。主要原因是实际电场为“极板+空气”结构, 模型将该结构等效为常值电容与常值电阻并联 (本文图2b) , 但实际上随着电晕放电空气中离子浓度也发生变化, 等效电容的容值和空气电阻的阻值都会存在一定的变化。从而导致了模型的输出与实际输出的偏差。

5.2 模型模拟火花放电与实验电场火花放电对比分析

当高压静电场极间电压超过临界值时, 电场会发生瞬间击穿现象, 电场进入火花放电状态。由于空气击穿后如同极间短路, 静电场极间电压产生突降。当触发角为104°时, 实验电场电压上升并达到了临界电压发生火花放电, 实验电场输出电压信号的波形如图6 (a) 所示。采用模型模拟触发角为104°, 并设置临界电压为47kV 。仿真结果如图6所示两种信号形态基本一致。此时统计参数如表1所示, 模型仿真输出的平均电压与实验电场平均电压偏差仅为0.59%, 而有效电压偏差为5.9%。偏差主要发生在火花放电后电压瞬间下落过程的后期。偏差局部略大主要与实验电场结构特点有关。受非理想阻容放电电路的影响, 在放电后期极间空气电阻得到恢复, 极间电容未能完全放电, 导致极间电压没有下降到0电位。但在实际带粉尘负荷的静电场中, 由于粉尘气流的存在, 极间电压会随之迅速下降趋近于0电位。故模型仍然适用。

6 结束语

高压静电场中输入回路中双向可控硅及高压整流桥的工作特性决定了输入信号为非连续脉冲信号。而主回路电场本体往往具有电晕放电和火花放电两种常见的工作状态, 本体电路具有明显的非线性。为了深入的分析高压静电场二次侧电压信号的时域特性, 本文建立了一种电场非线性系统数值模型。在M atlab中采用Duh am el叠加积分方法将系统输出信号进行数字离散化。仿真实验结果正确反映了高压静电场二次信号的时域微观特性, 本论文方法具有一定的科学性和准确性。通过本论文所建立的数值模型为研究高压静电场闭环控制策略和多级优化控制提供了可靠的模型基础。

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高压电场 第8篇

关键词：荷电喷雾,荷质比,石灰浆,静电场

0 引言

本次实验研究是在已有的实验成果的基础上进行的, 属石灰浆荷电喷雾的基础性研究。实验在流量恒定的情况下, 对电压实行控制, 在不同的电压下, 利用恒流泵对Ca (OH) 2饱和溶液加压, 并通过针状喷嘴对进行喷射, 再用环状电极对射流施加高压静电, 测量并观察荷质比和雾化角, 对所得数据和现象进行测试分析, 得出荷质比、雾化角及粒径随电压的变化关系。

1 毛细管-环电极静电雾化实验台的搭建

1.1 主要实验仪器

本次实验中所使用到的仪器主要有:高压静电发生器 (GJF-100D型) 、皮安表 (EST122) 、恒流泵 (BT1-100) 和Winner99显微颗粒图像分析仪 (CCD摄像头及其配套软件) 。自制实验设备有水箱、环状电极、绝缘台架、网状目标、容器和喷嘴。

1.2 实验台的搭建

本实验主要是对液体荷电后喷雾的荷质比进行测量。

1.2.1 静电喷雾装置

根据荷质比测量要求, 结合本次实验的实际情况, 搭建参数可控、调节方便灵活的室内实验台, 如图1所示。静电喷雾试验装置由恒流泵产生雾化压力并通过喷嘴产生射流的雾化部分, 检测雾滴荷电量的数据采集部分以及供给电极电能的充电装置3部分组成。

1.2.2 荷质比测试装置

雾滴的荷电状况在静电喷雾技术研究中始终处于关键地位, 雾滴的荷电机理及其测试方法一直是静电喷雾技术探索的目标之一。荷质比的测量方法有网状目标法、模拟目标法和法拉第筒法。根据试验的要求和现有的研究条件, 本实验中采用网状目标法建立了室内荷质比测定装置。其工作原理:当荷电雾滴群体到达网状接收装置后形成回路。电荷聚集在目标金属丝网上, 当与地面构成回路时, 即产生微电流, 用精密微安表测出其电流, 同时参照恒流泵示值, 即可计算出时间t内雾滴群体的平均荷质。

1.3 实验环境

实验温度:20℃~25℃;

湿度:70%;

充电方式:感应式充电, 应用环状电极;

实验参数的控制:定流量, 变电压。

2 实验结果及其分析

2.1 荷质比

荷质比是反映液滴雾化荷电性能的重要指标。荷质比越大, 雾滴的荷电性能及充电效果越好。荷质比的测量有法拉第法、模拟目标法和网状目标法。本实验采用网状目标法, 测量装置的设计如图1所示。实验中对石灰浆通过雾化喷嘴和经环状感应电极充电后的荷电效果进行了测量。其工作原理为当荷电雾滴射入收集器被铜网拦截, 收集器获得电荷并与大地构成回路, 利用皮安表测得电流I, 同时通过恒流泵所定流量可知t时间内的液体质量m, 进而可求出荷质比:Γ=q/m=It/Qt=I/Q (1)

式中Γ———荷质比, 单位C/kg;q———静电荷电量, 单位为C;m———雾滴群质量, 单位为kg;I———雾滴群释放的电流强度, 单位为A;t———测试时间, 单位为s;Q———液体质量流量, 单位为kg/h。

实验所建立的荷电喷雾实验台如图1、2所示, 不同电压下Ca (OH) 2饱和溶液的荷质比测量结果如表1所示。

注:流量为1.2kg/h

2.2 雾化角

在实验中可以直观地看到雾化角随电压的增大而逐渐增大。图3~图8即为雾化角随电压的变化情况。

2.3 雾化粒径

同时, 在实验中也对雾化效果, 即雾化颗粒的大小也做初步的研究。图9~图13为变电压时各电压所对应的雾化颗粒的图像。

2.4 实验分析

2.4.1 雾化角分析

在上述实验装置及实验条件下, 在不同的电极电压下进行了静电雾化实验。在电极电压较低时, 液体以大液滴的形式滴下, 随着电压的逐渐升高, 液滴逐渐减小, 下落的频率也逐渐加快, 当电压达到一定值时, 滴状模式将不能保持。根据实验观察, 雾化过程会呈现出几种较为典型的雾化模式。这几种雾化模式特征可描述如下:

滴状模式:当电极电压不大时, 毛细管中液体以滴状形态落下。随着静电电压的增大, 液滴大小逐渐减小, 下落的频率也逐渐加快。电压增大到一定程度时, 液滴在电场力作用下会被拉长, 变为细长轴状。电压进一步增大, 细长轴状会逐渐演变为锥射流。锥射流:当电压大于一定值时, 液体在毛细管出口处形成锥状, 即所谓的Taylor锥, 射流从锥的顶端产生, 在射流的端部由于外界扰动而破碎为小液滴。实验表明这种模式存在两种较为典型的类型。一种是液滴在射流端部破碎后基本沿轴向运动;而另一种类型为雾滴在射流端部形成一定锥角的伞状雾化区, 并且随着电压的升高, 射流段更短, 雾化锥角越大。多股射流:在电压较高时, 会出现2~6股射流, 并且有时数股射流还会沿轴线旋转振荡扭。曲射流:电压较高时, 有时射流会出现沿径向的振荡及扭曲, 而振荡扭曲的频率随电压有增大的趋势。这种雾化模式只有在极小的工况范围内存在, 并且极不稳定, 很容易转换为多股射流。在确定的流体物性参数、确定的电极形式及毛细管直径等条件下, 上述几种雾化模式的出现主要取决于电极电压及流体流量。

2.4.2 颗粒分析

在不同的雾化模式下, 雾滴大小及直径分别呈现出不同的特点。石灰浆滴荷电雾化后, 平均粒径明显小于未荷电时的粒径, 并随着荷电电压的增大而降低。在稳定锥射流模式下, 雾滴平均直径较小, 并且随着充电电压的升高, 平均滴径有规律地下降。在该雾化模式下雾滴大小可便于通过充电电压来调节。随着电压的增加, 雾滴的粒径不断的减小, 而且雾滴的分布趋于均匀。

同时, 粒径随荷质比的增大也有着明显的变化。荷质比增大后, 平均粒径明显小于未荷电时, 并随荷质比的增大而降低。这与粒径和电压的关系表现出相似的规律。随着荷质比的增大, 雾滴的粒径不断的减小, 而且雾滴的分布趋于均匀。

3 结论

3.1 实验结论

(1) 对毛细管-环电极配置的静电雾化的雾化模式进行的实验研究, 结果表明:在不同的电极电压下, 流体雾化会呈现出滴状、锥射流、多股射流等几种较为典型的雾化模式。本文给出了几种典型雾化模式的特征描述, 并获得了Ca (OH) 2饱和溶液的雾化模式在不同电极电压下的分布图。 (2) 雾滴荷质比是随负荷电压的增加而增大的。同时电压的增加也影响了雾化角的变化。雾化角从滴状模式到锥射流, 再到多股射流, 最后到曲射流有明显的增大。 (3) 静电效应的引入, 很好地改善了石灰浆雾滴的粒径分布。荷电后, 石灰浆雾滴的平均粒径明显小于未荷电时的粒径, 并随着荷电电压的增大而降低。随着电压的增加, 雾滴的粒径不断的减小, 而且雾滴的分布趋于均匀。

3.2 意见及建议

随着人们环境意识的提高和法制观念的增强, 排烟脱硫技术已逐步被重视, 世界各国都在积极研究开发脱硫新技术 (如:利用增压流化床技术、静电技术等) 。因此, 我们应该加强脱硫技术的开发和应用, 选择既经济又实用的脱硫技术, 充分降低SO2排放量, 保护我们生存的环境。另外, 液体的电导率对于静电喷雾的充电效果和雾化质量有较大影响。可以考虑改变液体电导率, 例如在溶液中加入Na Cl, 从而达到提高雾化质量的目的。

在实验中, 也要注意对湿度的控制。因为在湿度较大时, 特别当在高电压, 大流量时, 电极与喷嘴之间易发生放电, 限制了在更高电压下的实验 (本次实验中能达到的最高电压为22k V) 。

参考文献

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[2]张鸿波, 边炳鑫, 康华.当前我国煤炭脱硫方法的应用[J].国外金属矿选矿, 2002, 8:20-22.

[3]郑捷庆, 张军, 刘勇等.高压静电雾化雾滴粒径双峰分布概率密度模型[J].高电压技术, 2007, 10:88-91.

[4]Jones A.R, Thong K.C.The production of charged monodisperse full droplets by electrical dispersion.Brit.Jour.Appl.Phy.Series.D, 1971, 4:1159-1166.

高压电场 第9篇

PEF首先用在船舶压载水上的处理主要由上海海事大学的冯道伦教授做了此方面的研究。而本文是在此基础上研究了PEF装置的各设计参数,包括电压和电极间距产生的电场强度、脉冲宽度和脉冲频率等处理船舶压载水的能耗影响;寻求找出PEF装置的最佳能量利用率。

1 材料与实验装置及方法

1.1 实验藻种和培养液

本文选用中科院水生所的水华微囊藻(Microcystis-flos-aquae)进行实验。水华微囊藻属蓝藻门、色球藻目、微囊藻科。多为球形、椭圆形或不规则形,不形成穿孔和树枝状。

本实验中的水华微囊藻培养使用BG11(+N/-N)培养基,可参考有关文献[4]进行培养。

1.2 实验装置

本文使用的高压脉冲电场灭藻实验装置,主要由浴热部分、高压脉冲电源、高压脉冲处理室、蠕动泵、温度测试探头、示波器、磁力加热搅拌器和物料贮罐组成。

1.3 实验方法

将培养至指数期的微藻用人工压载水稀释,置于容器中待用。样品在蠕动泵作用下按箭头所示方向循环流动,即未处理样品→蠕动泵→水浴加热→高压脉冲处理室→样品收集。容器中的人工压载水通过蠕动泵驱动进入脉冲处理腔。在脉冲高压电场作用下,人工压载水中的微藻被灭活,处理后的人工压载水被收集并用于采样计数,以及观察灭活后藻细胞的形态变化。同时对处理前后人工压载水的温度变化进行测量。

1.4 能耗计算公式

PEF装置能耗计算公式如下:

式中:s为样品藻液在处理室内经过的距离,m;Q是蠕动泵流量,m3/s;A是处理室内流通截面积,m2;u(t)为瞬时输入电压,V;i(t)为瞬时输入电流,A;T为单个脉冲所耗时间,s。

2 试验数据及讨论

2.1 PEF装置各设计参数(主要为电场强度、脉宽和脉冲频率)对单位能量所灭活微藻个数的影响

2.1.1 电源电压产生的电场强度对PEF装置能耗的影响

本实验用PEF法处理淡水中的水华微囊藻,调节电压获得不同场强,通过对比电源电压波形、单位能量灭活微藻个数等参数来研究不同的电压对装置能耗的影响。如图1所示:

从图1(a)中可以看出,低电压时电压波形图尾巴更短,而波形尾巴处的电压所产生的电场强度不足以灭活微藻,即波形图尾巴只能无谓的增加能耗,因此,在产生足够电场强度的前提下,频率相同,较低电压所产生的波形更短,其能量利用率更高。在图1(b)中单位能量所灭活微藻个数能够体现出能量利用率。又因为高电压下电流增大会导致一部分能量以加热的形式出现,并降低了能量利用率。因此在保证PEF装置能够产生足够的电场强度的前提下尽可能降低电源电压,提高能量利用率。

2.1.2 电极间距产生的电场强度对PEF装置能耗的影响

实验中电压一定,调节电极间距获得不同场强,通过对比电源电压波形、单位能量灭活微藻个数等参数来研究不同的电极间距对装置能耗的影响。如图2所示:

如图2(a)所示,随着电极间距的减小,波形图延长,能耗增加。通过实验,分析实验结果得出如图2(b)所示数据,电极间距在中间值6mm时的能量利用率最高。华盛顿州立大学Sale和Hamilton设计的处理室两电极之间的距离在0.51~0.75cm之间[5],这与本实验的所得出结论相符。

2.1.3 脉冲宽度对PEF装置能耗的影响

实验中电源电压、频率、和电极间距一定,调节脉冲宽度获得不同场强,通过对比电源电压波形、单位能量灭活微藻个数等参数来研究不同的脉冲宽度对装置能耗的影响。如图3所示。

从图3(a)中可以看出,电源脉宽改变后,测得的电压的波形图也会发生改变。随着电源脉宽的增大,波形是指数衰减波向方波转变的。由于脉宽越大,灭活率越高,但是随着脉宽的增加,装置能耗也相应增加,电源功耗增大,对电源要求相应提高,成本也相应上升。因此,可以选取适当的脉冲脉宽,再配合其他的参数来提高处理效果。结合图3(b)可知,脉冲宽度为6μs时比较合适,对电源要求不高,且能量利用率达到实验几组数据中最高,1J能量能灭活5200个微藻。

2.1.4 脉冲频率对PEF装置能耗的影响

实验中电源电压、脉宽、和电极间距一定,调节脉冲频率获得不同场强,通过对比电源电压波形、单位能量灭活微藻个数等参数来研究不同的脉冲频率对装置能耗的影响。如图4所示。

从图4(a)中我们可以看出,随着电源频率的增大,电源电压波形图重合,由于电源脉冲是间断的,改变电源频率,单个脉冲所耗时间不会改变,单个脉冲所耗能量也不变。但是,频率升高,单位时间内所接收脉冲个数增加,由公式可知,装置能耗也随之增加,虽然调高频率在一定程度上会提高灭活率,但是从能量利用率来看,如图4(b),200Hz以前,随着频率的增加,单位能量所灭活微藻个数增多,能量利用率提高。但当频率在200Hz以上时,能量利用率变化不明显,因此PEF装置中的频率适宜选定在200Hz~300Hz之间。

4 结论

为了提高PEF装置能量利用率,降低装置能耗,本文主要讨论了PEF装置各设计参数对能耗的影响,并得到以下结论:

4.1在保证PEF装置能够产生足够的电场强度的前提下尽可能降低电源电压,提高能量利用率

4.2选择电极的最佳距离和适当的脉宽,使能量利用率为最高

4.3 PEF装置的频率选定在200Hz~300Hz之间为最佳

摘要：高压脉冲电场杀菌技术是是一种新型杀菌技术。本文首先对PEF电源装置各参数,包括电场强度、脉宽和脉冲频率等参数进行了能耗分析,又分析了加热协同效应处理压载水的能耗影响,找出各参数对装置的最佳能量利用率。期望通过对装置能耗的研究,为船舶压载水的处理找到一种新的,较为理想的处理技术。

关键词：高压脉冲电场,PEF电源装置,能耗分析,船舶压载水

参考文献

[1]Tsong T.Y.Electro oration of cell membranes[J].Biopsy J,1991,60:297-306.

[2]Zimmerman,U.,Pleat,G.&F.Remarry.Dielectric breakdown of cell membranes[J].Biophysical Journal,1986,14:881-899.

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[4]Stanier,R.Y.,Kunisawa,R.,Mandel,M.&Cohen-Bazire,G.1971.Purification and properties of unicellular blue-green algae(Order Chroococcales)[J].Bacteriol.Rev.35:171-205.