Главная→Телевидение→Самодельный фильтр для фильтрации воздуха. Самодельный очиститель для сухого и влажного воздуха. Дрейф и осаждение частиц

Самодельный фильтр для фильтрации воздуха. Самодельный очиститель для сухого и влажного воздуха. Дрейф и осаждение частиц

Содержание:

Современная экологическая обстановка во многих случаях далека от благоприятной. Окружающая среда находится, преимущественно, в загрязненном состоянии. Пыль и другие мелкие частицы попадают в помещения жилых домов и на другие объекты, где находятся люди. Решить проблему возможно с помощью воздухоочистителей. Они особенно незаменимы для использования в домашних условиях. Принцип работы воздухоочистителя может быть разным в каждой модели, поэтому данный фактор нужно обязательно учитывать при покупке прибора.

Назначение воздухоочистителя

Практически все люди ежедневно дышат домашней пылью. Она только кажется безопасной, постепенно создавая различные проблемы со здоровьем. Сама по себе пыль довольно часто приводит к осложнениям и сбоям функций дыхательной системы. Кроме того, воздействие пыли может вызвать воспалительные процессы в слизистых оболочках и привести к различным кожным заболеваниям. Вероятность заболеваний из-за пыли значительно повышается при ослабленной иммунной системе, не справляющейся с защитой организма.

Еще больший вред наносится не самой пылью, а всевозможными бактериями и другими микроорганизмами, содержащимися в ней. Многие из них являются болезнетворными и представляют серьезную опасность для здоровья.
Задача обеспечения чистого и свежего воздуха успешно решается путем использования очистителей воздуха. Все типы воздухоочистителей способствуют гарантированному и качественному очищению воздушного пространства помещений.

Принцип работы очистителей воздуха

Принцип действия воздухоочистителей достаточно простой. Схема работы представляет собой затягивание воздуха через входное отверстие, его дальнейшее прохождение через различные виды очистки и последующий выпуск в помещение в чистом виде.

Однако ни один вид воздухоочистителя не способен на полноценную замену влажной уборки или пылесоса. Данные устройства способны пропускать через себя пыль в небольших количествах и только ту, которая находится во взвешенном состоянии. Пыль, осевшая на поверхностях, остается на месте и не поддается действию очистителя воздуха. Большое значение для нормальной работы воздухоочистителя имеет дополнительная фильтрация воздуха. Рекомендуется использовать минимальную мощность прибора, во избежание сильных воздушных потоков, из-за которых может появиться пыль.

Принцип действия воздухоочистителя нашел свое отражение в конструкциях различных приборов. В работе увлажнителей очистка воздуха выполняется с помощью влажных фильтров, где и происходит оседание пыли. Приборы - воздухофильтры оборудованы несколькими фильтрующими ступенями, через которые загрязненный воздух циркулирует и возвращается в помещение уже очищенным. Для дополнительной очистки производится обработка фильтров специальными веществами - фотокатализаторами, уничтожающими бактерии и другие вредные элементы.

В ионизаторах используются особые анионы, способные притягивать частички пыли. В конструкциях комбинированных очистителей одновременно используется фильтрация, увлажнение и другие функции. Основной составляющей всех очистительных приборов являются фильтры. Именно на них возложена главная задача очистки. Наиболее простыми и дешевыми считаются механические фильтры, изготовленные в виде грубой сетки, выполняющей предварительную очистку воздуха. Как правило, они используются в сочетании с другими видами фильтров. Водяные фильтры также предназначены для грубой очистки. Для сбора пыли применяются влажные пластины, а затем она скапливается в емкостях с водой.

Тонкая очистка происходит с помощью угольных фильтров, применяемых в сочетании с устройствами для грубой очистки. В фотокаталитических фильтрах используется ультрафиолетовое излучение, окисляющее и разлагающее все виды вредных примесей. Под его воздействием происходит нейтрализация любых токсичных веществ.

Как выбрать очиститель воздуха

Эффективность очистки воздуха во многом зависит от правильного выбора воздухоочистителя. Специалисты рекомендуют, в первую очередь, учитывать размеры помещения. Чем больше объем и площадь, тем больше должна быть мощность устройства.

Следует помнить, что принцип работы воздухоочистителя, используемый в конкретной модели, напрямую влияет на качество очистки. Чем выше качественные показатели, тем более мощным и дорогим должен быть аппарат. Например, действие фотокаталитического фильтра значительно превышает возможности механического устройства, выполняющего фильтрацию только крупных частиц.

Полезными дополнительными функциями являются ионизация и увлажнение, значительно улучшающие качество очистки. Большое значение имеет , поэтому мощность воздухоочистителя нужно выбирать в соответствии с режимом и графиком его использования. Желательно, чтобы устройство работало тихо, особенно, если в семье имеются маленькие дети.

При недостаточной влажности воздуха в помещении у людей ухудшается самочувствие. В подобных условиях пересыхает в горле и высушивается кожный покров. Начинает появляться кашель и симптомы насморка от пересыхания носоглотки и легких, слезятся и воспаляются глаза. Все это защитная реакция организма на сухость и пыль, которая присутствует в большом количестве при недостаточном уровне влаги.

Городская пыль содержит множество вредных микроорганизмов, поэтому для сохранения здоровья надо принимать меры по их ликвидации и обеспечению достаточного уровня влажности. Сухой воздух также негативно воздействует на домашних животных, комнатные растения, деревянные конструкции и мебель. Он вреден и для музыкальных инструментов: при пересыхании деревянных составляющих они могут выйти из строя.

Зимний сезон знаменуется стартом периода включения отопительных систем. В это время года холодный воздух квартиры, обогреваясь до определенной температуры, теряет влажность до критического уровня.

Норма относительной влажности для жилых помещений определена в границах от 40 до 60%. Необходимо придерживаться этих пределов в любое время года, чтобы сохранить здоровье. Особенно это важно, если в доме живут дети: у них еще не полностью сформировалась иммунная система, поэтому загрязненный сухой воздух может стать причиной серьезных заболеваний.

В квартирах с пересушенным воздухом нужно регулярно испарять определенный объем воды. Оптимальным способом для этого может стать применение специальных приборов - мойки воздушного пространства или увлажнителя. Если таких устройств не имеется под рукой, то увлажнять дом можно другими методами.

Увлажнение воздуха народными способами

Чем же полезен увлажнитель воздуха? Он обеспечивает оптимальный уровень влаги в помещении. Тем не менее, это можно сделать и другими методами, перечисленными ниже. Выберите один или два удобных способа. Не рекомендуется применять все сразу, потому что так вы рискуете сделать помещение сырым.

При возможности не закрывайте дверь в ванную , в особенности после водных процедур. Если дверь в ванную комнату закрывается только при купании, то после этого влага поступает в помещения квартиры, повышая уровень влажности. Если вы часто принимаете ванну, то после процедуры не спешите спускать горячую воду. Пусть она недолго останется: охлаждаясь, вода в ванне испаряется и также увлажняет атмосферу.
Просушивайте постиранные вещи и полотенца в помещении . Это также простейший вариант, не нуждающийся в применении каких-либо дополнительных средств. Сушите вещи и полотенца рядом (а если этого допускает инструкция по эксплуатации, то на них) с отопительными приборами или системами: они просохнут быстрее и и при этом выделят большое количество влаги. При этом будьте внимательны: на вещах не должны остаться следы от чистящих средств. В противном случае вы рискуете надышаться вредными испарениями.

Выпаривайте воду . Любую емкость, пригодную для кипячения, поместите на плиту. Для этого необходимо прокипятить воду и поместить емкость на стол или подоконник, чтобы пары наполнили помещение. Есть и другой способ: кипятим воду и, убавив до минимума огонь, оставляем емкость на плите для продолжительного выпаривания. Это можно делать каждый раз, когда вы занимаетесь приготовлением пищи, чтобы воздух на кухне не пересушивался. Также рекомендуется растворять в воде немного капель масла эвкалипта или чайного дерева. Их аромат успокаивает, а пары этих масел уничтожают различные микроорганизмы и предотвращают распространение вирусных инфекций, а приятный аромат поднимает настроение и успокаивает. Помимо этого, воду можно ароматизировать палочками корицы и другими душистыми травы или специями. К слову, многих интересует, можно ли в увлажнитель воздушного пространства добавлять эфирные масла. Это допустимо, но после испарения рекомендуется тщательно промыть устройство.
Поместите тары с водой во всех комнатах . Для этого любую емкость наполняем водой. Можно ее красиво оформить, чтобы органичнее смотрелась в интерьере, и оставить около обогревателей. Вода из тары постепенно испаряется и увлажняет помещение. Необходимо регулярно менять воду и промывать тары, чтобы в них не скапливались вредные загрязнения.
Выращивайте домашние растения . Комнатные растения заметно улучшают микроклимат квартиры. Они прекрасно увлажняют, ионизируют, очищают и дезинфицируют атмосферу в помещении. Наибольшее количество влаги выделяют нефролепис (домашний папоротник), фатсия, циперус, спармания (комнатная липа), фикус, драцена, гибискус.

При недостаточной влажности у людей ухудшается самочувствие: пересыхает в горле и высушивается кожный покров, появляется кашель и симптомы насморка.

Купите аквариум или соорудите небольшой фонтан . Эти декоративные составляющие помещений тоже выделяют достаточное количество влаги для увлажнения помещений. Помимо того, аквариум и работающий фонтанчик успокаивают нервную систему и создают положительную атмосферу.
Регулярно проветривайте помещения и производите их влажную уборку . Нужно по 2–3 раза в день проветривать квартиру даже в зимний период. Так можно поддержать оптимальную степень влажности в помещениях. О влажной уборке квартиры говорить излишне – это необходимая процедура.

Изготовление мойки своими руками

Если нет желания пользоваться вышеперечисленными способами, то можно изготовить элементарный увлажнитель и мойку воздуха из полиэтиленовой емкости и вентилятора.

Магазины бытовых приборов предлагают большой ассортимент моек воздуха. Однако стоимость данных приборов довольно высокая. Подключаемые к розетке увлажнители воздушного пространства можно сделать в дома, не затрачивая больших денежных средств.

Материалы

Из полиэтиленовой тары на 5-6 литров изготавливается простейший увлажнитель. Необходимо подготовить следующие детали:

вентилятор от компьютера;
зарядка телефона (при малых оборотах кулера достаньте блок питания на 12 В );
канцелярский нож;
фломастер;
поглощающие влагу салфетки из микрофибры.

Устройство из ПЭТ-емкости и вентилятора

При наличии всех деталей приступаем к монтажу прибора:

На боковине тары фломастером отмечаем места монтажа кулера.

С помощью канцелярского ножа делаем выемку для вентилятора.
Также делаем метки для прорезей под увлажненный воздух и отверстия для салфеток, вводимых в выемки поперек тары.

Паяльником по меткам выжигаем выходы для влажного воздуха и отверстия для салфеток. Производить данные действия лучше вне помещений, потому что при нагревании или выгорании ПЭТ отделяются токсичные пары.

Вентилятор прикрепляем проволокой с крюком (петлей) внизу. Проволока прокладывается в выемки в нижней части, пропускается через крепежные элементы вентилятора и сгибается. Затем проволокой прикрепляется кулер. К нему присоединяется блок питания.

На боковых поверхностях салфеток делаются маленькие прорези для вентиляции между ними.

Наливаем воду до середины тары и помещаем в нее салфетки.

Уровень воды в таре следует поддерживать и при необходимости добавлять жидкость. Надо каждый день менять воду, а также промывать тару и салфетки водой из-под крана.

Можно изготовить прибор и без салфеток. Однако при их использовании повышается объем выпаренной влаги. Помимо этого, пыль осядет на вставках: таким образом увлажнитель будет также выполнять очищающую функцию. Для более тщательной очистки воздушного пространства следует завернуть в салфетки угольный фильтр, который можете приобрести в магазинах бытовых приборов.

Используя аналогичный алгоритм, можно изготовить более красивый прибор, применяя пластиковую емкость на 10 литров . При этом:

отверстия для увлажненного воздуха делаются по боковинам емкости ,
а салфетки продеваются сквозь металлические или пластиковые направляющие (проволоку или спицу) или протянутую леску.
Чтобы уменьшить шум от вентилятора , можно под него подстелить пористую губку или подобрать кулер с подшипниками.

При использовании данного прибора надо постоянно дезинфицировать воду , не допуская размножения разных микроорганизмов. Также с этой целью можно растворять в ней немного кристалликов перманганата калия. Для этого достаточен раствор с небольшим розоватым оттенком.

Устройство из компакт-дисков

Для оптимального увлажнения и очищения можно также посоветовать увлажнитель, изготовленный своими руками из компакт-дисков. Чем больше дисков, тем шире поверхность по испарению жидкости. При этом прибор выполняет функцию водяного очистителя. Значительный процент пыли оседает на дисках и смывается в поддон, заполненный водой.

В увлажнитель можно добавлять эфирные масла, но после испарения рекомендуется тщательно промыть устройство.

Набор компакт-дисков должен составить от 50 до 80 штук . Все зависит от того, какую тару для воды вы предусмотрели. Заранее надо выбрать ось, на которую должны монтироваться диски: она может быть изготовлена из пластика или металла. Можно обойтись самым простым вариантом - приобрести на рынке шпильку с резьбой диаметром 10 мм . Необходимо также иметь запас шайб (их можно изготовить из пластмассы), 2 подшипника и гайки .

При наличии всех материалов можно приступать непосредственно к монтажу прибора.

Применяя шлифовальный круг, насадку с абразивом на дрели или просто наждачную бумагу удаляем верхний (переливающийся) слой дисков , чтобы их поверхность стала пористой и хорошо смачивалась водой.
Проденьте диски на шпильку , закладывая между ними шайбы.

Зафиксируйте их по концам оси гайками . При применении пластиковой трубки диски фиксируются пластиковой шайбой и клеящим пистолетом.
Ось на краях оснастите подшипниками и зафиксируйте их гайками .
С одного конца оси устанавливаем шкив . Его можно изготовить из трех сборных дисков. Боковые диски по диаметру должен быть на 2-3 мм больше срединного.
На этот шкив продевается пассик из тонкой резинки.
Перед окончательной сборкой оси с дисками нужно выбрать тару , на которой будет закреплена данная ось. Ее длина должна превосходить размеры тары, чтобы подшипники остались за границами емкости и покоились на вмонтированных боковых угольниках.

Надо точно определить место на оси, где будет фиксироваться шкив. Он должен располагаться напротив шкива моторчика, чтобы пассик не сползал со шкивов.

Для импровизированной мойки можно использовать пластиковую емкость, оснащенную вентилятором от компьютера. Чтобы иметь возможность изменять скорость оборотов вентилятора, можно использовать блок питания телевизионной антенны с регулятором напряжения.

Правила эксплуатации увлажнителей

Увлажнитель нужно наполнять дистиллированной водой или же водой из-под крана , предварительно очищенную посредством водяного фильтра для исключения скопления солей. Если вы используете прибор без сменных фильтров, то их нужно регулярно промывать . Если фильтры сменные, то их надо вовремя менять .

Применяя увлажнитель, надо исключить риск возникновения легионеллеза.

Применяя увлажнитель (кроме приборов, где пар выделяется при кипении воды), надо исключить риск возникновения легионеллеза . Это острая вирусная инфекция, которая по своим проявлениям совпадает с гриппом или ОРЗ. Она вызывает тяжелое поражение лёгких – пневмонию. Иногда ее называют “болезнью легионеров”. Эта пневмония быстро перетекает в сложную злокачественную форму. Инфекция возбуждается бактерией Legionella, которая развивается в теплом и влажном месте. Заболевание возникает:

когда люди дышат воздухом от забитого кондиционера (от централизованных систем с воздухопроводами, в которых накапливается влага);
при вдыхании влаги общественных душевых;
когда люди живут или работают в помещении, где применяются увлажнители, которые не очищают, забывают менять в них воду и не дезинфицируют;
при вдыхании паров воды из неочищенного фонтана и так далее.

Следовательно, воду в приборе необходимо менять ежедневно, а тару мыть под краном. Помимо этого пару раз в неделю тару надо дезинфицировать соответствующими средствами. После дезинфекции необходимо дополнительно вымыть емкость, чтобы не надышаться парами дезинфицирующих средств при работе прибора.

Стоимость

Купить мойку воздуха недорого можно почти в любом магазине техники. Цена самых дешевых вариантов составляет примерно 1500 рублей . Также можно найти в гипермаркетах или заказать в интернет-магазинах маленькие usb приборы, которые также отличаются небольшой стоимостью (от 1000 рублей ).

Цена более продвинутых моделей достигает 17000 рублей . При самостоятельном изготовлении цена всех материалов составит около 600-1000 рублей .

Вывод

Нужно помнить, что чрезмерная влажность помещения (более 70% ) таит в себе опасность для здоровья. От переувлажнения возникает плесень и проявляются признаки аллергии. Всем знакома неприятная атмосфера сырости. Поэтому не следует перебарщивать с увлажнением помещения: сохраняйте баланс.

В данном видео подробно показан весь процесс изготовления мойки воздушного пространства своими руками:

По PM2.5 среднегодовой концентрации 10мкг/куб.м и среднесуточной 25мкг/куб.м; превышение по PM10 среднегодовой 20мкг/куб.м и среднесуточной 50мкг/куб.м) повышает риск возникновения респираторных заболеваний, заболеваний сердечнососудистой системы и некоторых онкологических заболеваний, загрязнение уже отнесено к 1 группе канцерогенов . Высокотоксичные частицы (содержащие свинец, кадмий, мышьяк, бериллий, теллур, и др., а также радиоактивные соединения) представляют опасность даже при небольших концентрациях.

Самый простой шаг к снижению негативного воздействия пыли на организм – установка эффективного очистителя воздуха в спальном помещении, где человек проводит около трети времени.

Источники пыли

Крупными природными поставщиками пыли являются извержения вулканов, океан (испарение брызг), природные пожары, эрозия почв (например, пыльные бури: г.Забол , Ирак), землетрясения и различные обвалы грунта, пыльца растений, споры грибов, процессы разложения биомассы и др.

К антропогенным источникам относятся процессы сжигания ископаемых (энергетика и промышленность), транспортирование хрупких/сыпучих материалов и погрузочные работы (см. порт «Восточный» г.Находка, порт «Ванино» Хабаровский кр.), дробление материалов (добыча ископаемых, производство стройматериалов, сельхоз промышленность), механическая обработка, химические процессы, термические операции (сварка, плавка), эксплуатация транспортных средств (выхлоп двигателей внутреннего сгорания, истирание шин и дорожного покрытия).

Наличие пылевых частиц в помещениях обусловлено поступлением загрязненного наружного воздуха, а также присутствием внутренних источников: разрушение материалов (одежда, белье, ковры, мебель, стройматериалы, книги), приготовление пищи, жизнедеятельность человека (частички эпидермиса, волосы), плесневелые грибы, клещи домашней пыли и др.

Доступные очистители воздуха

Для снижения концентрации частиц пыли (в том числе самых опасных – размером менее 10мкм) доступны бытовые приборы, работающие на следующих принципах:

механическая фильтрация;
ионизация воздуха;
электростатическое осаждение (электрофильтры).

Метод механической фильтрации является самым распространенным. Принципы улавливания частиц этими фильтрами здесь уже были описаны . Для улавливания тонких твердых частиц используются высокоэффективные (более 85%) волокнистые фильтрующие элементы (стандарты EPA, HEPA). Такие устройства хорошо справляются со своей задачей, но имеют и некоторые недостатки:

высокое гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента;
необходимость в частой замене дорогостоящего фильтрующего элемента.

Из-за высокого сопротивления разработчики таких очистителей вынуждены обеспечить большую площадь фильтрующего элемента, использовать мощные, но при этом малошумные вентиляторы, избавляться от щелей в корпусе устройства (так как даже небольшой подсос воздуха в обход фильтрующего элемента значительно снижает эффективность очистки прибора).

Ионизатор воздуха при работе электрически заряжает взвешенные в воздухе помещения частицы пыли, из-за чего последние под действием электрических сил осаждаются на пол, стены, потолок или предметы в помещении. Частицы остаются в помещении и могут вернуться во взвешенное состояние, поэтому решение не выглядит удовлетворительным. Кроме того, прибор значительно изменяет ионный состав воздуха, при этом воздействие такого воздуха на людей на данный момент изучено недостаточно.

Работа электростатического очистителя основана на том же принципе: поступающие внутрь прибора частицы сначала электрически заряжаются, затем притягиваются электрическими силами к специальным пластинам, заряженным противоположным зарядом (все это происходит внутри прибора). При накоплении слоя пыли на пластинах выполняется чистка. Эти очистители обладают высокой эффективностью (более 80%) улавливания частиц разных размеров, низким гидравлическим сопротивлением, и не требуют периодической замены расходных элементов. Имеются и недостатки: выработка некоторого количества токсичных газов (озон, оксиды азота), сложная конструкция (электродные сборки, высоковольтное электропитание), необходимость периодической чистки осадительных пластин.

Требования к очистителю воздуха

При применении рециркуляционного очистителя воздуха (такой очиститель засасывает воздух из помещения, фильтрует, а затем возвращает в помещение) обязательно должны учитываться характеристики прибора (однопроходная эффективность, объемная производительность) и объем целевого помещения, иначе прибор может оказаться бесполезным. Американской организацией AHAM для этих целей был разработан показатель CADR , учитывающий однопроходную эффективность очистки и объемную производительность очистителя, а также способ вычисления необходимого CADR для заданного помещения. Здесь уже есть неплохое описание этого показателя. AHAM рекомендует использовать очиститель со значением CADR большим или равным пятикратному обмену объема помещения в час. Например, для комнаты площадью 20 кв.м и высотой потолка 2,5м показатель CADR должен составлять 20 * 2.5 * 5 = 250 куб.м/час (или 147CFM) или более.

Также очиститель при работе не должен создавать какие-либо вредные факторы: превышение допустимых значений уровня шума, превышение допустимых концентраций вредных газов (в случае использования электрофильтра).

Однородное электрическое поле

Из курса физики мы помним, что вблизи тела, обладающего электрическим зарядом, образуется электрическое поле .

Силовой характеристикой поля является напряженность E [Вольт/м или кВ/см]. Напряженность электрического поля – векторная величина (имеет направление). Графически изображать напряженность принято силовыми линиями (касательные к точкам силовых кривых совпадают с направлением вектора напряженности в данных точках), величина напряженности характеризуется густотой этих линий (чем более густо расположены линии – тем большее значение принимает напряженность в этой области).

Рассмотрим простейшую систему электродов, представляющую из себя две параллельные металлические пластины, находящиеся друг от друга на расстоянии L, к пластинам приложена разность потенциалов напряжением U с источника высокого напряжения:

L= 11мм = 1.1см;
U = 11кВ (киловольт; 1киловольт = 1000вольт);

На рисунке показано примерное расположение силовых линий. По густоте линий видно, что в большей части пространства межэлектродного промежутка (за исключением области вблизи кромок пластин) напряженность имеет одинаковое значение. Такое равномерное электрическое поле называется однородным . Значение напряженности в пространстве между пластинами для этой электродной системы можно вычислить из простого уравнения :

Значит, при напряжении 11кВ напряженность составит 10кВ/см. В данных условиях атмосферный воздух, заполняющий пространство между пластинами, является электрическим изолятором (диэлектриком), то есть не проводит электрический ток, поэтому в электродной системе ток протекать не будет. Проверим это на практике.

На самом деле воздух совсем немного проводит ток

В атмосферном воздухе всегда присутствует небольшое количество свободных носителей зарядов – электронов и ионов, образующихся в результате воздействия естественных внешних факторов – например, радиационного фона и УФ–излучения. Концентрация этих зарядов очень низкая, поэтому плотность тока составляет очень малые значения, такие значения мое оборудование зарегистрировать неспособно.

Оборудование для экспериментов

Для проведения небольших практических экспериментов будет использоваться источник высокого напряжения (ИВН), тестовая электродная система и «измерительный стенд».
Электродная система может быть собрана в один из трех вариантов: «две параллельные пластины», «провод-пластина» или «зубья-пластина»:

Межэлектродное расстояние для всех вариантов одинаковое и составляет 11мм.

Стенд состоит из измерительных приборов:

вольтметр 50кВ (микроамперметр Pa3 на 50мкА с добавочным сопротивлением R1 1ГОм; 1мкА показаний соответствует 1кВ);
микроамперметр Pa2 на 50мкА;
миллиамперметр Pa1 на 1мА.

электрическая схема:

При высоких напряжениях некоторые непроводящие материалы внезапно начинают проводить ток (например, мебель), поэтому все смонтировано на листе оргстекла. Выглядит это безобразие так:

Конечно, точность измерений таким оборудованием оставляет желать лучшего, но для наблюдений за общими закономерностями вполне должно хватить (лучше, чем ничего!). Со вступлениями заканчиваем, приступим к делу.

Эксперимент #1

Две параллельные пластины, однородное электрическое поле;

L = 11мм = 1.1см;
U = 11…22кВ.

По показаниям микроамперметра видно, что электрический ток действительно отсутствует. Ничего не изменилось и при напряжении 22кВ, и даже при 25кВ (максимальном для моего источника высокого напряжения).

U, кВ	E, кВ/см	I, мкА
0	0	0
11	10	0
22	20	0
25	22.72	0

Электрический пробой воздушного промежутка

Сильное электрическое поле способно превратить воздушный промежуток в электрический проводник – для этого необходимо, чтобы его напряженность в промежутке превысила некоторую критическую (пробойную) величину. Когда это происходит, в воздухе с высокой интенсивностью начинают протекать ионизационные процессы: в основном ударная ионизация и фотоионизация , что приводит к лавинообразному росту количества свободных носителей зарядов – ионов и электронов. В какой-то момент времени образуется проводящий канал (заполненный носителями зарядов), перекрывающий межэлектродный промежуток, по которому начинает течь ток (явление называется электрическим пробоем или разрядом). В зоне протекания ионизационных процессов имеют место химические реакции (в том числе диссоциация молекул, входящих в состав воздуха), что приводит к выработке некоторого количества токсичных газов (озон, оксиды азота).

Ионизационные процессы

Ударная ионизация

Свободные электроны и ионы различных знаков, всегда имеющиеся в атмосферном воздухе в небольшом количестве, под действием электрического поля будут устремляться в направлении электрода противоположной полярности (электроны и отрицательные ионы – к положительному, положительные ионы–к отрицательному). Некоторые из них будут по пути сталкиваться с атомами и молекулами воздуха. В случае, если кинетическая энергия движущихся электронов/ионов оказывается достаточной (а она тем выше, чем выше напряженность поля), то при столкновениях из нейтральных атомов выбиваются электроны, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. В свою очередь новые электроны и ионы будут также ускоряться электрическим полем и некоторые из них будут способны таким образом ионизировать другие атомы и молекулы. Так количество ионов и электронов в межэлектродном пространстве начинает лавинообразно увеличиваться.

Фотоионизация

Атомы или молекулы, получившие при столкновении недостаточное для ионизации количество энергии, испускают ее в виде фотонов (атом/молекула стремится вернуться в прежнее стабильное энергетическое состояние). Фотоны могут быть поглощены каким-либо атомом или молекулой, что может также привести к ионизации (если энергия фотона достаточна для отрыва электрона).

Для параллельных пластин в атмосферном воздухе критическую величину напряженности электрического поля можно вычислить из уравнения :

Для рассматриваемой электродной системы критическая напряженность (при нормальных атмосферных условиях) составляет около 30,6кВ/см, а напряжение пробоя –33,6кВ. К сожалению, мой источник высокого напряжения не может выдать более 25кВ, поэтому для наблюдения электрического пробоя воздуха пришлось уменьшить межэлектродное расстояние до 0,7см (критическая напряженность 32.1кВ/см; напряжение пробоя 22,5кВ).

Эксперимент #2

Наблюдение электрического пробоя воздушного промежутка. Будем повышать приложенную к электродам разность потенциалов до возникновения электрического пробоя.

L = 7мм = 0.7см;
U = 14…25кВ.

Пробой промежутка в виде искрового разряда наблюдался при напряжении 21,5кВ. Разряд испускал свет и звук (щелчок), стрелки измерителей тока отклонялись (значит, что электрический ток протекал). При этом в воздухе ощущался запах озона (такой же запах, например, возникает при работе УФ-ламп во время кварцевания помещений в больницах).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	E, кВ/см	I, мкА
0	0	0
14	20	0
21	30	0
21.5	30.71	пробой

Неоднородное электрическое поле

Заменим в системе электродов положительный пластинчатый электрод на тонкий проволочный электрод диаметром 0.1мм (т.е. R1=0.05мм), также расположенный параллельно отрицательному пластинчатому электроду. В этом случае в пространстве межэлектродного промежутка при наличии разности потенциалов образуется неоднородное электрическое поле: чем ближе точка пространства к проволочному электроду – тем выше значение напряженности электрического поля. На рисунке ниже представлена примерная картина распределения:

Для наглядности можно построить более точную картину распределения напряженности - проще это сделать для эквивалентной электродной системы, где пластинчатый электрод заменен на трубчатый электрод, расположенный коаксиально коронирующему электроду:

Для этой электродной системы значения напряженности в точках межэлектродного пространства можно определить из простого уравнения :

На рисунке ниже представлена рассчитанная картина для значений:

R1 = 0.05мм = 0.005см;
R2 = 11мм = 1.1см;
U = 5кВ;

Линии характеризуют значение напряженности на данном удалении; значения соседних линий отличаются на 1кВ/см.

Из картины распределения видно, что в большей части межэлектродного пространства напряженность изменяется незначительно, а вблизи проволочного электрода, по мере приближения к нему, резко возрастает.

Коронный разряд

В электродной системе провод-плоскость (или подобной, в которой радиус кривизны одного электрода существенно меньше межэлектродного расстояния), как мы увидели из картины распределения напряженности, возможно существование электрического поля со следующими особенностями:

в небольшой области, приближенной к проволочному электроду, напряженность электрического поля может достигать высоких значений (значительно превышающих 30кВ/см), достаточных для возникновения интенсивных ионизационных процессов в воздухе;
одновременно с этим, в большей части межэлектродного пространства напряженность электрического поля будет принимать невысокие значения – менее 10 кВ/см.

При такой конфигурации электрического поля образуется электрический пробой воздуха, локализованный в небольшой области вблизи провода и не перекрывающий межэлектродный промежуток (см. фото). Такой незавершенный электрический разряд называется коронным разрядом , а электрод, вблизи которого он образуется – коронирующим электродом .

В межэлектродном промежутке с коронным разрядом выделяется две зоны : зона ионизации(или чехол разряда) и зона дрейфа :

В зоне ионизации, как можно догадаться из названия, протекают ионизационные процессы – ударная ионизация и фотоионизация, и образуются ионы разных знаков и электроны. Электрическое поле, присутствующее в межэлектродном пространстве, воздействует на электроны и ионы, из-за чего электроны и отрицательные ионы (при наличии) устремляются к коронирующему электроду, а положительные ионы вытесняются из зоны ионизации и поступают в зону дрейфа.

В зоне дрейфа, на которую приходится основная часть межэлектродного промежутка (все пространство промежутка за исключением зоны ионизации), ионизационные процессы не протекают. Здесь распределяется множество дрейфующих под действием электрического поля (в основном в направлении пластинчатого электрода) положительных ионов.

За счет направленного движения зарядов (положительные ионы замыкают ток на пластинчатый электрод, а электроны и отрицательные ионы - на коронирующий электрод) в промежутке протекает электрический ток, ток коронного разряда .

В атмосферном воздухе в зависимости от условий положительный коронный разряд может принимать одну из форм : лавинную или стримерную . Лавинная форма наблюдается в виде равномерного тонкого светящегося слоя, покрывающего гладкий электрод (например, провод), выше было фото. Стримерная форма наблюдается в виде тонких светящихся нитевидных каналов (стримеров), направленных от электрода и чаще возникает на электродах с острыми неровностями (зубья, шипы, иглы), фото ниже:

Как и в случае с искровым разрядом, побочным эффектом протекания любой формы коронного разряда в воздухе (из-за наличия ионизационных процессов) является выработка вредных газов – озона и оксидов азота.

Эксперимент #3

Наблюдение положительного лавинного коронного разряда. Коронирующий электрод – проволочный, положительное питание;

L = 11 мм = 1.1см;
R1 = 0.05 мм = 0.005см

Свечение разряда:

Процесс коронирования (появился электрический ток) начался при U = 6.5кВ, при этом поверхность проволочного электрода начала равномерно покрываться тонким слабосветящимся слоем и появился запах озона. В этой светящейся области (чехле коронного разряда) и сосредоточены ионизационные процессы. При увеличении напряжения наблюдалось увеличение интенсивности свечения и нелинейный рост тока, а при достижении U = 17.1кВ произошло перекрытие межэлектродного промежутка (коронный разряд перешел в искровой разряд).

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
6,5	1
7	2
8	20
9	40
10	60
11	110
12	180
13	220
14	300
15	350
16	420
17	520
17.1	перекрытие

Эксперимент #4

Наблюдение отрицательного коронного разряда. Поменяем местами провода электропитания электродной системы (отрицательный провод к проволочному электроду, положительный провод – к пластинчатому). Коронирующий электрод – проволочный, отрицательное питание;

L = 11 мм;
R1 = 0.05 мм = 0.005 см.

Свечение:

Коронирование началось при U = 7.5кВ. Характер свечения отрицательной короны существенно отличался от свечения положительной короны: теперь на коронирующем электроде возникали отдельные пульсирующие светящиеся равноудаленные друг от друга точки. При повышении приложенного напряжения возрастал ток разряда, а также увеличивалось количество светящихся точек и интенсивность их свечения. Запах озона ощущался сильней, чем при положительной короне. Искровой пробой промежутка произошел при U = 18.5кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
7.5	1
8	4
9	20
10	40
11	100
12	150
13	200
14	300
15	380
16	480
17	590
18	700
18.4	800
18.5	перекрытие

Эксперимент #5

Наблюдение положительного стримерного коронного разряда. Заменим в электродной системе проволочный электрод на пилообразный электрод и вернем полярность электропитания в исходное состояние. Коронирующий электрод – зубчатый, положительное питание;

L = 11 мм = 1.1см;

Свечение:

Процесс коронирования начался при U = 5.5кВ, при этом на остриях коронирующего электрода появились тонкие светящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону пластинчатого электрода. По мере увеличения напряжения размер и интенсивность свечения этих каналов, а также коронный ток увеличивался. Запах озона ощущался примерно как при положительной лавинной короне. Переход коронного разряда в искровой разряд произошел при U = 13кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
5.5	1
6	3
7	10
8	20
9	35
10	60
11	150
12	300
12.9	410
13	перекрытие

Как было видно из экспериментов, геометрические параметры коронирующего электрода, а также полярность питания существенно влияют на закономерность изменения тока от напряжения, величину напряжения зажигания разряда, величину напряжения пробоя промежутка. Это не все факторы, влияющие на режим протекания коронного разряда, вот более полный список:

геометрические параметры межэлектродного пространства:
- геометрические параметры коронирующего электрода;
- межэлектродное расстояние;
полярность электропитания, подводимого к коронирующему электроду;
параметры воздушной смеси, заполняющей межэлектродное пространство:
- химический состав;
- влажность;
- температура;
- давление;
- примеси (частицы аэрозолей, например: пыль, дым, туман)
в некоторых случаях материал (значение работы выхода электрона) отрицательного электрода, так как с поверхности металлического электрода при бомбардировке ионами и при облучении фотонами может происходить отрыв электронов.

Далее в статье будет идти речь только о положительном лавинном коронном разряде, так как такой разряд характеризуется относительно низким количеством вырабатываемых токсичных газов . Данная форма разряда менее эффективна для электрической очистки воздуха в сравнении с отрицательным коронным разрядом (отрицательная корона повсеместно применяется в промышленных аппаратах по очистке дымовых газов перед их выбросом в атмосферу).

Электрическая очистка воздуха: принцип работы

Принцип электрической очистки заключается в следующем: воздух с взвешенными частицами загрязнений (частицы пыли и/или дыма и/или тумана) пропускается со скоростью Vв.п. через межэлектродный промежуток, в котором поддерживается коронный разряд (в нашем случае положительный).

Частицы пыли сначала электрически заряжаются в поле коронного разряда (положительно), а затем притягиваются к отрицательно заряженным пластинчатым электродам за счет действия электрических сил.

Зарядка частиц

Дрейфующие положительные ионы, имеющиеся в большом количестве в межэлектродном коронирующем промежутке, сталкиваются с частицами пыли, из-за чего частицы приобретают положительный электрический заряд. Процесс зарядки выполняется в основном за счет двух механизмов – ударной зарядки дрейфующими в электрическом поле ионами и диффузионной зарядки ионами, участвующими в тепловом движении молекул. Оба механизма действуют одновременно, но первый более существенен для зарядки крупных частиц (размерами более микрометра), а второй – для более мелких частиц . Важно отметить, что при интенсивном коронном разряде скорость диффузионной зарядки значительно ниже ударной .

Процессы зарядки

Процесс ударной зарядки протекает в потоке ионов, движущихся от коронирующего электрода под действием электрического поля. Ионы, оказавшиеся слишком близко к частице, захватываются последней за счет молекулярных сил притяжения, действующих на коротких расстояниях (в том числе сила зеркального отображения, обусловленная взаимодействием заряда иона и наведенного за счет электростатической индукции противоположного заряда на поверхности частицы).

Механизм диффузионной зарядки выполняется ионами, участвующими в тепловом движении молекул. Ион, оказавшийся достаточно близко к поверхности частицы, захватываются последней за счет молекулярных сил притяжения (в том числе силой зеркального отображения), поэтому вблизи поверхности частицы образуется пустая область, где ионы отсутствуют:

Из-за образовавшейся разности концентраций возникает диффузия ионов к поверхности частицы (ионы стремятся занять пустую область), и в результате эти ионы оказываются захваченными.

При любом механизме по мере накопления частицей заряда, на находящиеся вблизи частицы ионы начинает действовать отталкивающая электрическая сила (заряд частицы и ионов одного знака), поэтому скорость зарядки будет со временем снижаться и в некоторый момент прекратится совсем . Этим объясняется существование предела зарядки частицы.

Величина заряда, полученного частицей в коронирующем промежутке, зависит от следующих факторов:

способность частицы к зарядке (скорость зарядки и предельный заряд, больше которого частица зарядиться не может);
время, отпущенное на процесс зарядки;
электрические параметры области, в которой находится частица (напряженность электрического поля, концентрация и подвижность ионов)

Способность частицы к зарядке определяется параметрами частицы (в первую очередь размер, а также электрофизические характеристики). Электрические параметры в месте нахождения частицы определяются режимом коронного разряда и удаленностью частицы от коронирующего электрода .

Дрейф и осаждение частиц

В межэлектродном пространстве коронирующей электродной системы присутствует электрическое поле, поэтому на частицу, получившую какой-либо заряд, сразу начинает действовать сила Кулона Fк, из-за чего частица начинает смещаться в направлении осадительного электрода – возникает скорость дрейфа W:

Значение силы Кулона пропорционально заряду частицы и напряженности электрического поля в месте ее нахождения :

Из-за движения частицы в среде возникает сила сопротивления Fс, зависящая от размеров и формы частицы, скорости ее движения, а также вязкости среды, поэтому нарастание скорости дрейфа ограничивается. Известно : скорость дрейфа крупной частицы в поле коронного разряда пропорциональна напряженности электрического поля и квадрату ее радиуса, а мелкой – пропорциональна напряженности поля.

Спустя какое-то время частица достигает поверхности осадительного электрода, где удерживается за счет следующих сил :

электростатических сил притяжения, обусловленных наличием заряда на частице;
молекулярных сил;
сил, обусловленных капиллярными эффектами (в случае присутствия достаточного количества жидкости и способности частицы и электрода к смачиванию).

Эти силы противодействуют воздушному потоку, стремящемуся сорвать частицу. Частица выведена из воздушного потока.

Как можно заметить, коронирующий промежуток электродной системы выполняет следующие необходимые для электрической очистки функции:

производство положительных ионов для зарядки частиц;
обеспечение электрического поля для направленного дрейфа ионов (необходимого для зарядки частиц) и для направленного дрейфа заряженных частиц к осадительному электроду (необходимого для осаждения частиц).

Поэтому электрический режим коронного разряда существенно влияет на эффективность очистки. Известно , что процессу электроочистки способствует увеличение мощности, затрачиваемой коронным разрядом – увеличение разности потенциалов, приложенной к электродам и/или силы тока разряда. Из ВАХ межэлектродного промежутка, рассмотренной ранее, видно, что для этого необходимо поддерживать предпробойное значение разности потенциалов (кроме того видно, что это непростая задача).

Некоторые факторы могут оказывать существенное влияние на процесс электрической очистки:

высокая количественная концентрация частиц загрязнений; приводит к дефициту ионов (большая их часть осаждается на частицах), в результате чего снижается интенсивность коронирования, вплоть до прекращения (явление носит название запирание короны), ухудшению параметров электрического поля в промежутке ; это приводит к падению эффективности процесса зарядки;
накопление слоя пыли на осадительном электроде:
- если слой обладает высоким электрическим сопротивлением, то в нем накапливается электрический заряд того же знака, что и заряд дрейфующих частиц (и полярность коронирующего электрода), в результате чего:
  - снижается интенсивность коронного разряда (из-за деформации электрического поля в промежутке), что негативно отражается на процессе зарядки частиц и процессе дрейфа частиц к осадительному электроду;
  - заряженный слой оказывает отталкивающее действие на осаждающуюся частицу , имеющую заряд того же знака, что негативно отражается на процессе осаждения;
электрический ветер (возникновение воздушного потока в направлении от коронирующего электрода в сторону осадительного электрода) в некоторых случаях может оказывать заметное влияние на траекторию движения частиц, особенно мелких.

Электродные системы электрических фильтров

По мере удаления от коронирующего электрода по направлению вдоль пластин, значение напряженности поля снижается. Условно выделим в межэлектродном промежутке активную область, в пределах которой напряженность поля принимает существенные значения; за пределами этой области необходимые для электрической очистки процессы неэффективны из-за недостаточной напряженности.

Сценарий движения частицы загрязнения на практике может отличаться от описанного ранее: например, частица так и не достигнет осадительного электрода (а), или осажденная частица может по каким-то причинам оторваться (б) от осадительного электрода с последующим уносом воздушным потоком:

Очевидно, что для достижения высоких показателей качества очистки необходимо, чтобы выполнялись условия:

каждая частица загрязнения должна достигнуть поверхности осадительного электрода;
каждая частица, достигнувшая осадительного электрода, должна надежно удерживаться на его поверхности до момента ее удаления при чистке.

Напрашивается предположение, что следующие меры должны приводить к повышению качества очистки:

увеличение скорости дрейфа W;
снижение скорости воздушного потока Vв.п.;
увеличение длины S осадительных электродов по ходу движения воздуха;
уменьшение межэлектродного расстояния L, что приведет к уменьшению расстояния A (которое необходимо преодолеть частице, чтобы достигнуть осадительного электрода).

Наибольший интерес, конечно, вызывает возможность повышения скорости дрейфа. Как было ранее отмечено, она в основном определяется величиной напряженности электрического поля и зарядом частицы, поэтому для обеспечения ее максимальных значений необходимо поддерживать интенсивный коронный разряд, а также обеспечить достаточное время пребывания (не менее 0,1с ) частицы в активной области промежутка (чтобы частица успела получить значительный заряд).

Величина скорости воздушного потока (при постоянном размере активной области) определяет время пребывания частицы в активной области промежутка, и, следовательно, время, отпущенное на процесс зарядки и время, отпущенное на процесс дрейфа. Кроме того, чрезмерное увеличение скорости приводит к возникновению явления вторичного уноса – к вырыванию осажденных частиц с осадительного электрода. Выбор скорости потока является компромиссом, так как снижение скорости приводит к падению объемной производительности аппарата, а значительное увеличение – к резкому ухудшению качества очистки. Обычно скорость в электрофильтрах составляет около 1 м/с (может находиться в пределах 0,5…2,5 м/с).

Увеличение длины S осадительного электрода не сможет оказать значительного положительного эффекта, так как в удлиненной части межэлектродного промежутка за пределами условной активной области (большое удаление от коронирующего электрода) напряженность электрического поля и, следовательно, скорость дрейфа частицы будет мала:

Установка дополнительного коронирующего электрода в удлиненной части значительно улучшит ситуацию, но для бытового устройства это решение может вызвать проблемы с выработкой токсичных газов (из-за увеличения суммарной протяженности коронирующего электрода):

Аппараты с таким расположением электродов известны как многопольные электрофильтры (в данном случае двухпольный электрофильтр) и применяются в промышленности для очистки больших объемов газов.

Уменьшение межэлектродного расстояния (L → *L) приведет к уменьшению пути (*A < A), который необходимо преодолеть частице, чтобы достигнуть осадительного электрода:

Из-за сокращения межэлектродного расстояния будет снижена разность потенциалов U, из-за чего уменьшится и размер активной области межэлектродного промежутка. Это приведет к сокращению времени, отпущенного на процесс зарядки и процесс дрейфа частицы, что в свою очередь может привести к снижению качества очистки (особенно для мелких частиц, обладающих низкой способностью к зарядке). Кроме того, уменьшение расстояния приведет к сокращению площади поперечного сечения активной зоны. Решить проблему сокращения площади можно параллельной установкой такой же электродной системы:

Аппараты с таким расположением электродов известны как многосекционные электрофильтры (в данном случае двухсекционный) и применяются в промышленных установках. У данной конструкции увеличена протяженность коронирующего электрода, что может вызвать проблемы с выработкой токсичных газов.

Гипотетический высокоэффективный электрический фильтр, наверное, содержал бы некоторое количество электрический полей и секций очистки:

Каждая поступившая в этот многосекционный многопольный электрофильтр частица успевала бы получить максимально возможный заряд, так как в аппарате обеспечивается активная область зарядки большой протяженности. Каждая заряженная частица достигала бы поверхности осадительного электрода, так как в аппарате обеспечена активная область осаждения большой протяженности и уменьшено расстояние, которое необходимо преодолеть частице, чтобы осесть на электроде. Аппарат без труда справлялся бы и с высокой запыленностью воздуха. Но такая компоновка электродов из-за большой суммарной длины коронирующих электродов будет вырабатывать недопустимо большое количество токсичных газов. Поэтому подобная конструкция совершенно непригодна для использования в устройстве, предназначенном для очистки воздуха, который будет использоваться людьми для дыхания.

В начале статьи была рассмотрена электродная система, состоящая из двух параллельных пластин. Она обладает очень полезными свойствами в случае ее применения в бытовом электрофильтре:

электрический разряд в электродной системе не протекает (ионизационные процессы отсутствуют), поэтому токсичные газы не вырабатываются;
в межэлектродном пространстве образуется однородное электрическое поле, поэтому пробойная прочность межэлектродного промежутка выше, чем эквивалентного промежутка с коронирующим электродом.

Благодаря этим свойствам использование данной электродной системы в электрическом фильтре может обеспечить эффективное осаждение заряженных частиц без наработки вредных газов.
Заменим в двухпольной электродной системе второй коронирующий проволочный электрод на пластинчатый электрод:

Процесс очистки воздуха в модифицированной электродной системе немного отличается – теперь он протекает в 2 стадии: сначала частица проходит коронирующий промежуток с неоднородным полем (активная область 1), где получает электрический заряд, затем поступает в промежуток с однородным электростатическим полем (активная область 2), который обеспечивает дрейф заряженной частицы к осадительному электроду. Таким образом, можно выделить две зоны: зона зарядки (ионизатор) и зона осаждения (осадитель), поэтому данное решение и получило название - двухзонный электрофильтр . Пробойная прочность межэлектродного промежутка осадительной зоны выше пробойной прочности промежутка зоны зарядки, поэтому к ней приложено большее значение разности потенциалов U2, что обеспечивает большее значение напряженности электрического поля в этой зоне (активная область 2). Пример: рассмотрим два промежутка с одинаковым межэлектродным расстоянием L=30мм: с коронирующим электродом и с пластинчатым электродом; пробойное значение средней напряженности для промежутка с неоднородным полем не превышает 10кВ/см ; пробойная прочность промежутка с однородным полем составляет около 28кВ/см, (более, чем в 2 раза выше).

Увеличение напряженности поля будет способствовать повышению качества очистки, так как сила, обеспечивающая дрейфа заряженных частиц пыли, пропорциональна ее значению. Что примечательно, электродная система зоны осаждения почти не потребляет электроэнергию. Кроме того, так как поле однородное, по всей длине зоны (по ходу движения воздуха) напряженность будет принимать одинаковое значение. Благодаря этому свойству можно увеличить длину электродов осадительной зоны:

В результате увеличится длина активной области осаждения (активная область 2), что обеспечит увеличение времени, отпущенного на процесс дрейфа. Это будет способствовать повышению качества очистки (особенно для мелких частиц, обладающих низкой скоростью дрейфа).
В электродную систему можно внести еще одно усовершенствование: увеличить количество электродов в осадительной зоне:

Это приведет к уменьшению межэлектродного расстояния осадительной зоны, в результате чего:

уменьшится расстояние, которое необходимо преодолеть заряженной частице, чтобы достигнуть осадительного электрода;
увеличится пробойная прочность межэлектродного промежутка (видно из уравнения критической напряженности воздушного промежутка), благодаря чему будет возможно обеспечить еще более высокие значения напряженности электрического поля в зоне осаждения.

Например, пробойная напряженность при межэлектродном расстоянии L=30мм составляет около 28кВ/см, а при L=6мм – около 32кВ/см, что на 14% выше.

Протяженность активной области 2 по ходу движения воздуха при этом, что важно, не уменьшится. Поэтому увеличение количества электродов в осадителе тоже будет способствовать повышению качества очистки.

Заключение

В конечном счете, мы пришли к двухзонной электродной системе, обладающей высоким качеством очистки от взвешенных частиц, даже мелких, улавливание которых вызывает наибольшие трудности (низкая способность к зарядке и, следовательно, низкое значение скорости дрейфа) при низком уровне вырабатываемых токсичных газов (при условии использования положительной лавинной короны). Конструкция имеет и недостатки: при высокой количественной концентрации пыли возникнет явление запирания короны, что может привести к значительному снижению эффективности очистки. Как правило, воздух жилых помещений не содержит такого количества загрязнений, поэтому такой проблемы возникнуть не должно. Благодаря неплохому сочетанию характеристик устройства с аналогичными электродными системами успешно применяются для тонкой очистки воздуха в помещениях.

По возможности в следующей части будут выложены материалы по конструкции и сборке в домашних условиях полноценного двухзонного электростатического очистителя воздуха.

Огромная благодарность Яне Жировой за предоставленную фотокамеру: без нее качество фото- и видеоматериалов было бы значительно хуже, а фото коронного разряда вообще бы отсутствовали.

Назаров Михаил.

Источники

Электрофизические основы техники высоких напряжений. И.П.Верещагин, Ю.Н. Верещагин. – М.: Энергоатомиздат, 1993г.;
Очистка промышленных газов электрофильтрами. В.Н. Ужов. – М.: Издательство «Химия», 1967г.;
Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Г.М.-А. Алиев. – М.: Металлургия, 1986г.;
Промышленная очистка газов: Пер. с англ. – М., Химия, 1981г.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. , пожалуйста.

Любое жилище имеет огромное количество «генераторов» бытовой пыли, среди которых сам человек, мягкая мебель, книги и мягкие игрушки занимают первое место. И чтобы человек не придумывал, все равно пыль производится и ни чего с этим не поделаешь.

В процессе «технической революции» и наполнения наших домов электрическими приборами стали замечать, что некоторые электроприборы имеют свойство притягивать пыль. Исследуя эту особенность, учеными и был разработан электростатический воздухоочиститель. Этот достаточно простой и эффективный прибор стал очень популярен во всем мире и о нем пойдет речь в этой публикации.

Принцип действия и конструкция очистителя

Принцип работы электростатического очистителя воздуха достаточно прост: на электроде создается коронирующий заряд, который производит ионы с определенным зарядом. Заряженные ионы начинают двигаться в сторону противоположно заряженного электрода захватывая по пути молекулы воздуха, пыль, бактерии и пр. После чего все ионы и загрязнения, получившие заряд оседают на электроде, а очищенный воздух поступает обратно в комнату.

Конструктивно, такие очистители состоят из:

Корпуса, в котором выполнены отверстия для забора загрязненного и вывода очищенного воздуха.
Фильтра, картриджа или патрона, в котором воздух проходит ионизацию, попадая в поле высокого напряжения.
Пылесборника, в котором находятся электроды с противоположным зарядом.
Платы управления и блока питания.

В некоторых моделях электростатических воздухоочистителей установлен вентилятор для повышения производительности и для прокачки воздушной смеси через дополнительные ступени фильтрации, если таковые предусмотрены.

Достоинства и недостатки

Основным достоинством таких воздухоочистителей является эффективность очистки воздушных масс от загрязнений, размером менее 1 мкр., при минимальном расходе электроэнергии. Мощность бытовых электростатических очистителей воздуха редко когда превышает 25-45 Вт. Кроме этого, еще одним немаловажным фактором в поддержку использования таких очистителей, можно считать тот факт, что электростатический фильтр не нуждается в замене: время от времени его необходимо снимать и промывать в теплой воде. Воздухоочиститель без сменных фильтров значительно снижает затраты на его эксплуатацию. Если модель очистителя не оснащена вентилятором, то в ней нет движущихся частей, а это значит, что она полностью бесшумна. Это еще один большой плюс электростатическим очистителям.

Теперь немного о недостатках. Почему немного – потому что их действительно всего один, но достаточно серьезный. В процессе работы, такой аппарат производит не только ионы с определенным знаком заряда, а и озон, который является сильнейшим окислителем.

Этот газ в малой концентрации обладает потрясающими обеззараживающими свойствами. Неконтролируемое превращение кислорода в озон может привести к достаточно серьезным последствиям. Наиболее пагубное влияние озон оказывает на:

Органы дыхания человека.
Свойства холестерина, придавая ему нерастворимые формы.
На систему размножения человека, убивая мужские половые клетки и препятствуя их образованию.

В нашей стране озон отнесет к вредным веществам с высшим классом опасности. ПДК содержания озона в воздухе для населенных пунктов составляет 0,03 мг/м 3 .

Правила выбора электростатического воздухоочистителя

В связи со сравнительной дороговизной этого прибора, многие наши соотечественники задают вопрос о том, как его сделать своими руками. Электростатический очиститель воздуха своими руками, конечно изготовить можно и в этом нет ничего сложного: если немного покопаться, в сети можно найти массу схем, инструкций и даже книг. (Одна из них называется «Домашний практик», выпуск 7)

Несмотря на высокое напряжение, можно избежать поражения электрическим токомни, выполняя элементарные требования по технике безопасности. Но, контролировать производство озона в домашних условиях очень сложно или даже практически невозможно. Ввиду высочайшей токсичности озона, мы не рекомендуем собирать электростатический воздухоочиститель своими силами.

Если производитель нее указывает данных по выделению озона, то на такой очиститель не стоит обращать внимание, каким бы привлекательным по стоимости оно ни было.

Экология потребления. Наука и техника: В какой-то момент времени во мне воспылал энтузиазм к постройке бытового электростатического очистителя воздуха (электрофильтра). Предлагаю познакомиться с принципами работы этих устройств.

В какой-то момент времени во мне воспылал энтузиазм к постройке бытового электростатического очистителя воздуха (электрофильтра). Предлагаю познакомиться с принципами работы этих устройств.

Зачем нужен очиститель

Содержащиеся в воздухе мелкие пылевые частицы PM10 и PM2.5 способны проникать в наш организм при дыхании: бронхи, легкие и даже попадать в кровоток.

По данным всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) загрязнение воздуха такими частицами несет серьезную опасность для здоровья : воздействие воздуха с высоким содержанием таких частиц (превышение по PM2.5 среднегодовой концентрации 10мкг/куб.м и среднесуточной 25мкг/куб.м; превышение по PM10 среднегодовой 20мкг/куб.м и среднесуточной 50мкг/куб.м) повышает риск возникновения респираторных заболеваний, заболеваний сердечнососудистой системы и некоторых онкологических заболеваний, загрязнение уже отнесено к 1 группе канцерогенов.

Высокотоксичные частицы (содержащие свинец, кадмий, мышьяк, бериллий, теллур, и др., а также радиоактивные соединения) представляют опасность даже при небольших концентрациях.

На фото коронный разряд, используемый в электростатических очистителях воздуха

Самый простой шаг к снижению негативного воздействия пыли на организм – установка эффективного очистителя воздуха в спальном помещении, где человек проводит около трети времени.

Источники пыли

Крупными природными поставщиками пыли являются извержения вулканов, океан (испарение брызг), природные пожары, эрозия почв (например, пыльные бури: г.Забол, Ирак), землетрясения и различные обвалы грунта, пыльца растений, споры грибов, процессы разложения биомассы и др.

Доступные очистители воздуха

механическая фильтрация;
ионизация воздуха;
электростатическое осаждение (электрофильтры).

Метод механической фильтрации является самым распространенным. Принципы улавливания частиц этими фильтрами здесь уже были описаны. Для улавливания тонких твердых частиц используются высокоэффективные (более 85%) волокнистые фильтрующие элементы (стандарты EPA, HEPA). Такие устройства хорошо справляются со своей задачей, но имеют и некоторые недостатки:

высокое гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента;
необходимость в частой замене дорогостоящего фильтрующего элемента.

Требования к очистителю воздуха

Американской организацией AHAM для этих целей был разработан показатель CADR, учитывающий однопроходную эффективность очистки и объемную производительность очистителя, а также способ вычисления необходимого CADR для заданного помещения. Здесь уже есть неплохое описание этого показателя.

AHAM рекомендует использовать очиститель со значением CADR большим или равным пятикратному обмену объема помещения в час. Например, для комнаты площадью 20 кв.м и высотой потолка 2,5м показатель CADR должен составлять 20 * 2.5 * 5 = 250 куб.м/час (или 147CFM) или более.

Однородное электрическое поле

Из курса физики мы помним, что вблизи тела, обладающего электрическим зарядом, образуется электрическое поле .

Силовой характеристикой поля является напряженность E [Вольт/м или кВ/см]. Напряженность электрического поля – векторная величина (имеет направление). Графически изображать напряженность принято силовыми линиями (касательные к точкам силовых кривых совпадают с направлением вектора напряженности в данных точках), величина напряженности характеризуется густотой этих линий (чем более густо расположены линии – тем большее значение принимает напряженность в этой области).

L= 11мм = 1.1см;
U = 11кВ (киловольт; 1киловольт = 1000вольт);

На самом деле воздух совсем немного проводит ток

Оборудование для экспериментов

Эксперимент #1

Две параллельные пластины, однородное электрическое поле;

L = 11мм = 1.1см;
U = 11…22кВ.

U, кВ	E, кВ/см	I, мкА
0	0	0
11	10	0
22	20	0
25	22.72	0

Электрический пробой воздушного промежутка

Ионизационные процессы

Ударная ионизация

Некоторые из них будут по пути сталкиваться с атомами и молекулами воздуха.

В случае, если кинетическая энергия движущихся электронов/ионов оказывается достаточной (а она тем выше, чем выше напряженность поля), то при столкновениях из нейтральных атомов выбиваются электроны, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы.

В свою очередь новые электроны и ионы будут также ускоряться электрическим полем и некоторые из них будут способны таким образом ионизировать другие атомы и молекулы. Так количество ионов и электронов в межэлектродном пространстве начинает лавинообразно увеличиваться.

Фотоионизация

Эксперимент #2

L = 7мм = 0.7см;
U = 14…25кВ.

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	E, кВ/см	I, мкА
0	0	0
14	20	0
21	30	0
21.5	30.71	пробой

Неоднородное электрическое поле

На рисунке ниже представлена рассчитанная картина для значений:

R1 = 0.05мм = 0.005см;
R2 = 11мм = 1.1см;
U = 5кВ;

Линии характеризуют значение напряженности на данном удалении; значения соседних линий отличаются на 1кВ/см.

Коронный разряд

в небольшой области, приближенной к проволочному электроду, напряженность электрического поля может достигать высоких значений (значительно превышающих 30кВ/см), достаточных для возникновения интенсивных ионизационных процессов в воздухе;
одновременно с этим, в большей части межэлектродного пространства напряженность электрического поля будет принимать невысокие значения – менее 10 кВ/см.

Эксперимент #3

L = 11 мм = 1.1см;
R1 = 0.05 мм = 0.005см

Свечение разряда:

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
6,5	1
7	2
8	20
9	40
10	60
11	110
12	180
13	220
14	300
15	350
16	420
17	520
17.1	перекрытие

Эксперимент #4

L = 11 мм;
R1 = 0.05 мм = 0.005 см.

Свечение:

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
7.5	1
8	4
9	20
10	40
11	100
12	150
13	200
14	300
15	380
16	480
17	590
18	700
18.4	800
18.5	перекрытие

Эксперимент #5

L = 11 мм = 1.1см;

Свечение:

Вольт-амперная характеристика:

U, кВ	I, мкА
0	0
5.5	1
6	3
7	10
8	20
9	35
10	60
11	150
12	300
12.9	410
13	перекрытие

геометрические параметры межэлектродного пространства:
- геометрические параметры коронирующего электрода;
- межэлектродное расстояние;
полярность электропитания, подводимого к коронирующему электроду;
параметры воздушной смеси, заполняющей межэлектродное пространство:
- химический состав;
- влажность;
- температура;
- давление;
- примеси (частицы аэрозолей, например: пыль, дым, туман)
в некоторых случаях материал (значение работы выхода электрона) отрицательного электрода, так как с поверхности металлического электрода при бомбардировке ионами и при облучении фотонами может происходить отрыв электронов.

Электрическая очистка воздуха: принцип работы

Зарядка частиц

Процессы зарядки

Величина заряда, полученного частицей в коронирующем промежутке, зависит от следующих факторов:

способность частицы к зарядке (скорость зарядки и предельный заряд, больше которого частица зарядиться не может);
время, отпущенное на процесс зарядки;
электрические параметры области, в которой находится частица (напряженность электрического поля, концентрация и подвижность ионов)

Дрейф и осаждение частиц

электростатических сил притяжения, обусловленных наличием заряда на частице;
молекулярных сил;
сил, обусловленных капиллярными эффектами (в случае присутствия достаточного количества жидкости и способности частицы и электрода к смачиванию).

производство положительных ионов для зарядки частиц;
обеспечение электрического поля для направленного дрейфа ионов (необходимого для зарядки частиц) и для направленного дрейфа заряженных частиц к осадительному электроду (необходимого для осаждения частиц).

Некоторые факторы могут оказывать существенное влияние на процесс электрической очистки:

высокая количественная концентрация частиц загрязнений; приводит к дефициту ионов (большая их часть осаждается на частицах), в результате чего снижается интенсивность коронирования, вплоть до прекращения (явление носит название запирание короны), ухудшению параметров электрического поля в промежутке ; это приводит к падению эффективности процесса зарядки;
накопление слоя пыли на осадительном электроде:
- если слой обладает высоким электрическим сопротивлением, то в нем накапливается электрический заряд того же знака, что и заряд дрейфующих частиц (и полярность коронирующего электрода), в результате чего:
  - снижается интенсивность коронного разряда (из-за деформации электрического поля в промежутке), что негативно отражается на процессе зарядки частиц и процессе дрейфа частиц к осадительному электроду;
  - заряженный слой оказывает отталкивающее действие на осаждающуюся частицу , имеющую заряд того же знака, что негативно отражается на процессе осаждения;
электрический ветер (возникновение воздушного потока в направлении от коронирующего электрода в сторону осадительного электрода) в некоторых случаях может оказывать заметное влияние на траекторию движения частиц, особенно мелких.

Электродные системы электрических фильтров

Очевидно, что для достижения высоких показателей качества очистки необходимо, чтобы выполнялись условия:

каждая частица загрязнения должна достигнуть поверхности осадительного электрода;
каждая частица, достигнувшая осадительного электрода, должна надежно удерживаться на его поверхности до момента ее удаления при чистке.

Напрашивается предположение, что следующие меры должны приводить к повышению качества очистки:

увеличение скорости дрейфа W;
снижение скорости воздушного потока Vв.п.;
увеличение длины S осадительных электродов по ходу движения воздуха;
уменьшение межэлектродного расстояния L, что приведет к уменьшению расстояния A (которое необходимо преодолеть частице, чтобы достигнуть осадительного электрода).

электрический разряд в электродной системе не протекает (ионизационные процессы отсутствуют), поэтому токсичные газы не вырабатываются;
в межэлектродном пространстве образуется однородное электрическое поле, поэтому пробойная прочность межэлектродного промежутка выше, чем эквивалентного промежутка с коронирующим электродом.

Это приведет к уменьшению межэлектродного расстояния осадительной зоны, в результате чего:

уменьшится расстояние, которое необходимо преодолеть заряженной частице, чтобы достигнуть осадительного электрода;
увеличится пробойная прочность межэлектродного промежутка (видно из уравнения критической напряженности воздушного промежутка), благодаря чему будет возможно обеспечить еще более высокие значения напряженности электрического поля в зоне осаждения.

Заключение

Конструкция имеет и недостатки: при высокой количественной концентрации пыли возникнет явление запирания короны, что может привести к значительному снижению эффективности очистки. Как правило, воздух жилых помещений не содержит такого количества загрязнений, поэтому такой проблемы возникнуть не должно. Благодаря неплохому сочетанию характеристик устройства с аналогичными электродными системами успешно применяются для тонкой очистки воздуха в помещениях.

Источники

Электрофизические основы техники высоких напряжений. И.П.Верещагин, Ю.Н. Верещагин. – М.: Энергоатомиздат, 1993г.;
Очистка промышленных газов электрофильтрами. В.Н. Ужов. – М.: Издательство «Химия», 1967г.;
Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Г.М.-А. Алиев. – М.: Металлургия, 1986г.;
Промышленная очистка газов: Пер. с англ. – М., Химия, 1981г.