Thu thập thông tin, phương pháp thực nghiệm, phân tích.
1.7. Đối tượmg, nội dụng và phương pháp nghiên cứu.
1.7.1 Đối tượmg nghiên cứu.
Ớt quả và các thông số của trường phóng điện coron
1.7.2 Nội dung nghiên cứu.
Nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu thực nghiệm xác định được các thông số và chế độ làm việc của các bộ phận, làm cơ sở để chế tạo thiết bị
xuyên thủng vỏ quảớt sử dụng trường phóng điện coron.
Để giải quyết được nhiệm vụ trên đề tài tiến hành nghiên cứu thực nghiệm các thông số và chế độ công nghệ chính bao gồm:
- Thiết kế thiết bị nguồn cao áp tạo dòng coron.
- Thực nghiệm các thông số thiết bị và công nghệ xuyên thủng vỏ quả ớt.
6- Khoảng cách kim điện cực răng cưa phóng điện coron. 7- Cường độ trường phóng điện corron.
9- Vận tốc chuyển động của quả trong trường coron.
10- Ảnh hưởng kích thước của ớt quả đến quá trình xuyên thủng.
v Chỉ tiêu đánh giá:
- Dựa trên các chỉ tiêu cảm quan ( màu sắc, độẩm,...).
- Dựa trên các chỉ tiêu kinh tế ( thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ, ...).
1.7.3 Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu thực nghiệm quá trình xuyên thủng được tiến hành tại Phòng thí nghiệm cơ điện VILAS - 019 Viện Cơ Điện Nông nghiệp & Công Nghệ Sau Thu Hoạch. Nguyên liệu thực nghiệm đã được tiến hành trên các loại ớt quả của ba vùng: Bắc Ninh, Hưng Yên và Lạng Sơn. đường kính quả
đo bằng thước cặp số Mitutoyo của Nhật Bản có độ phân giải đến 0,01mm như Hình 3.1, kết quả đo được thể hiện ở Bảng 3.1; 3.2; 3.3 Chương III.
Kiểm tra thực nghiệm hiệu ứng xuyên thủng vỏ ớt quả bằng phương pháp đánh giá gián tiếp: so sánh thời gian sấy quả đi qua và không đi qua trường coron.
Quá trình sấy ớt quả đã tiến hành trong máy sấy Trung Quốc DL 101- 1 được trang bị hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động, nhiệt độ buồng sấy đến 250 ± 10C, không gian buồng sấy có kích thước 350 x 450 x 450mm, công suất của buồng 2,6kW. Sấy khô tuyệt đối sử dụng máy đo độẩm hồng ngoại IR – 200.
Đo cường độ dòng điện bằng thiết bị chuyên dùng FLUKE – 41 cấp chính xác ( 1 ÷ 3)%, đo điện áp sơ cấp FLUKE – 8842A cấp chính xác 1%.
Kiểm tra khả năng xuyên thủng của trường phóng điện coron bằng phương pháp chụp ảnh bề mặt đánh thủng tờ giấy trắng Bãi Bằng, sử dụng máy ảnh Canon A620- 7.1 và thiết bị kính hiển vi gắn máy chụp ảnh Olimpus SC – 35 chụp bề mặt vỏ ớt quả bị xuyên thủng bằng trường coron và ớt quả
không bị xuyên thủng. Độ phóng đại được xác định bằng tích của thị kính 100 lần với vật kính 40 lần bằng 4000 lần.
1
2
4
5
3
8
Hình 1.5 : Bố trí hệ thống thiết bị thử nghiệm phóng điện coron
Trong đó:
1- Biến thế thí nghiệm FLUKE – 41 cấp chính xác ( 1 ÷ 3)%; 2 - Thiết đo điện áp sơ cấp FLUKE – 8842A cấp chính xác 1%; 3 - Thiết bị tạo cao áp 1 chiều;
4 – Tấm rung; 7 – Khung máy;
5 – Phễu cấp liệu; 8 – Biến thế hạ áp 220V/ 110V. 6 – Bộ rung điện từ;
6
Hình1. 6: Bố trí hệ thống thiết bị thử nghiệm phóng điện coron
v Thiết bị được bố trí với các thông số kĩ thuật như sau:
- Khoảng cách k giữa các đỉnh răng của kim điện cực phóng điện dạng răng cưa k = 2,5 ; 5; 7,5 ; 10mm;
- Số lượng thanh răng điện cực 3; 6; 9 thanh.
- Cường độ phóng điện của trường coron; Ec = (6,5 ÷ 7,5) kV/cm
- Vận tốc v chuyển động của ớt quả: V = 90; 120; 180m/h tương đương với năng suất 150; 210; 250kg/h
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CORON 2.1. Khái quát về trường phóng điện coron.
Vào những năm gần đây song song với các lĩnh vực công nghệ truyền thống,
ứng dụng điện năng trong sản xuất và chế biến, bảo quản nông sản đã hình thành một hướng đi mới mang tên công nghệ điện tử – ion, dựa trên cơ sở sử
dụng các lực tác dụng tương hỗ của điện trường và điện tích để điều khiển chuyển động có trật tự các phần tử hạt của chất rắn và chất lỏng. Chuyển động này được xác định bởi các luật trạng thái của các điện tích trong điện trường, tương tự như chuyển động của điện tử và ion trong các đèn, ống phóng điện tử.
Điểm nổi bật của các quá trình của công nghệ điện tử – ion là xẩy ra trong không gian của các thiết bị công nghiệp, trong môi trường khí quyển, trong khi quá trình của điện tử trong đèn, ống phóng điện tử ở trong chân không.
Trong các thiết bị của công nghệ điện tử – ion, trường điện từ được ứng dụng rông rãi, đặc biệt là trường phóng điện coron và trường tĩnh điện.
Lý thuyết trường điện từ là cơ sở nghiên cứu tìm tòi các nguyên lý làm việc, cũng như tính toán thiết kế các thiết bị sử dụng điện từ trường và điện trường phù hợp với điều kiện ứng dụng xác định trong thực tiễn.
Trường điện từ là dạng vật chất đặc biệt, mang năng lượng, đặc trưng và tuân thủ bởi các tính chất từ trường và điện trường. Tĩnh điện trường là một dạng riêng của trường điện từ, tạo bởi những điện tích tĩnh tại (so với người quan sát) phân bố trong không gian và không thay đổi theo thời gian.
Trong công nghệ điện tử – ion, phóng điện trong chất khí hay chất lỏng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Về nguyên tắc, phóng điện trong không khí ở
điều kiện khí quyển được chia làm hai dạng chính: Phóng điện coron và phóng điện tia lửa.
Phóng điện coron xuất hiện trong điện trường không đồng nhất. Khi tăng điện áp giữa các điện cực đến một giá trị xác định đủ lớn, bắt đầu quá trình ion hoá mạnh, đánh thủng không khí giữa các điện cực. Giá trị điện áp này phụ thuộc vào cấu trúc và hình dáng của điện cực gọi là phóng điện coron, còn hiệu ứng của nó gọi là hiệu ứng coron. Khi phóng điện đánh thủng toàn phần không khí giữa các điện cực gọi là phóng điện tia lửa. Phóng điện coron có thể tạo được bằng dòng điện một chiều hoặc xoay chiều.
2.2. Phương pháp phóng điện trong không khí.
Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về trường phóng điện coron. Những công trình nghiên cứu thực nghiệm hiện tại chưa cho phép giải thích cơ chế quá trình cơ bản trong lớp coron và ảnh hưởng của chúng đến đặc tính phóng điện.
Các hướng nghiên cứu cơ bản về quá trình động lực học trong khoảng phóng điện của coron đã được trình bày trong các công trình [95,109]. Những nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết thể hiện nhiều lĩnh vực rất rộng. Tuy nhiên những nghiên cứu này còn xa mới kết thúc bởi vì hiện nay còn thiếu lý thuyết đầy đủ về trường phóng điện coron. Những công trình nghiên cứu thực nghiện hiện có chưa cho phép làm sáng tỏ được cơ chế các quá trình cơ bản trong vùng phóng điện coron và những ảnh hưởng của chúng đến đặc tính phóng điện thậm chí kể cả hệ các phương trình để giải những vấn đề về phân bố mật độ ion và điện tử trong lớp coron.
Những phương trình này thu được kết quả mới chỉ dưới dạng chung chưa đi đến được những tính toán thực tế và nó chỉ đặc trưng được định tĩnh của các quá trình trong lớp coron. Trên cơ sở những nghiên cứu này không
thể nhận được những biểu thức đơn trị để xác định các đặc tính Vôn-Ampe, cường độ điện trường bắt đầu phóng điện coron.
Giải những hệ phương trình để giải quyết vấn đề về phân bố mật độ ion và điện tử ở điện cực coron. Những phương trình này được giải dưới dạng tổng quát chưa đi đến những kết quả thực tiễn và chỉ đặc trưng về khía cạnh chất lượng của quá trình phóng điện.
Bình thường các phân tử hỗn hợp khí trong môi trường nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt động học, không gây nên các chuyển hoá hoá học. Để quá trình phóng điện diễn ra một cách có hiệu quả trong quá trình xuyên thủng vỏ ớt quả cần tạo các điều kiện thuận lợi để quá trình diễn ra nhanh chóng. Quá trình này phụ thuộc vào hằng số tốc độ chuyển biến hoá học Kt, phụ thuộc nhiệt độ môi trường T và năng lượng hoạt hoá của phân tử Ea [52].
Kt = K0 . exp(- Ea/ R.T) (2.1) Trong đó:
K0 - tổng số các va chạm của các phần tử tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian.
R – hằng số Bolsman.
(-Ea/R.T) - đặc trưng số phần tử tham gia phản ứng.
Để tăng tốc độ phản ứng hoá học cần tăng nhiệt độ môi trường hoặc giảm năng lượng hoạt động hoá phần tử. Trong thực tiễn tăng nhiệt độ môi trường thường gắn liền với các biện pháp kỹ thuật phức tạp và tốn kém, ngoài ra chỉ có thể tăng đến một giới hạn cho phép. Mặt khác tốc độ phản ứng hoá học tỷ lệ thuận với năng lượng dự trữ và mức dao động của các phần tử tự do hoạt hoá phân tử khí thành phân tử không cân bằng (bị kích thích) trong điện trường cao thế không đồng nhất. Phương pháp này có nhiều ưu việt và được
ứng dụng rông rãi. Các điện tử tự do và các ion chuyển động hỗn loạn dưới
tác dụng của lực culông
F
→ phụ thuộc vào cường độ điện trườngE
→F
→ = ρ.E
→ (2.2) Trong đó:E
→ - Véc tơ cường độ điện trường; ρ- Mật độ điện tích.Hiệu suất tạo trường coron phụ thuộc vào lượng ôxy nguyên tử trong môi trường không khí, và đạt hiệu quả nhất khi từ trường qui đổi
E/ ρ0 = 1 ÷ 3.10-5 V.cm2. Trong đó:
ρ0 – là mật độ nguyên tử ôxy trong điện trường có không khí. Đặc trưng của điện trường không đồng nhất có bước nhẩy đột biến là sự phân bố không đồng đều trong khoảng không giữa hai điện cực như Hình 2.1. Trong vùng cường độ điện trường mạnh tạo vùng ion hoá (plazma), còn ở
vùng ngoài các điện tích ion chuyển động dưới tác dụng của lực culon. Ở
vùng điện trường mạnh và trong thời gian bước nhẩy tự do điện tử nhận được năng lượng cỡ vài Electrovolt, liên tục dịch chuyển, va chạm với các phân tử
không khí. Các va chạm được gọi là đàn hồi nếu không làm thay đổi nội năng của các phân tử. Và nếu làm thay đổi nội năng của chúng không đàn hồi. Năng lượng va chạm không đàn hồi của điện tử được tính theo biểu thức
m
m
N
k m 1 + = (2.3) Trong đó:Hình 2.1: Phân bố cường độ điện trường trong vùng phóng điện coron
Hình 2.2. Đồ thị phân bố cường độ điện trường trong vùng phóng điện coron
Trong đó:
Eq- Cường độ điện trường của mây ion; E - Cường độ điện trường cộng tác; 1- Điện cực dạng răng cưa; 2- Điện cực phẳng (điện cực nối đất). L(mm) E(kV/cm) E Eq 2 E E EΣ = + 1 2 F F F F F F
Trong vùng plazma xảy ra đồng thời các quá trình ion hoá, phân ly và kích thích phân tử, tạo ra các phân tử có thời gian tồn tại ngăn ngủi, dễ dàng tham gia các phản ứng hoá học. Như vậy hoạt hoá các chuyển biến hoá học trong vùng ion hoá gắn liền với các va chạm không đàn hồi các phân tử không khí. Sau các phản ứng hoá học tạo ra nhiều thành phần mới. Các dạng va chạm chủ yếu giữa các điện tử với phân tử và nguyên tử bao gồm: [108] 1. Va đập không đàn hồi thiết lập trang thái điện tử kích thích.
e + A → e + A* (2.4) 2. Phân ly phân tử bởi va đập điện tử.
e + AB → e + A + B (2.5) 3. Thiết lập trạng thái kích thích dao động.
e + AB (v1) → e + AB (v2) (2.6) Trong đó:
v1 ,v2 - Là hằng số lượng tử dao động của phân tử
1. Phân ly phân tử mạng điện tử.
e + AB → A−+ B (2.7)
2. Tái hợp phân ly.
e + AB → A + B* (2.8) 3. Ion hoá phân tử và nguyên tử bởi va đập điện tử
e + A → 2e + A* (2.9)
Nhờ các quá trình thành phần này vùng ion hoá do phóng điện trong không khí đóng vai trò như là chất xúc tác cho các chuyển hoá, hoá học khác nhau.
Một trong các phản ứng cơ bản trong vùng ion hoá phóng điện là phản
phân tử oxy bị kích thích do va đập với các điện tử, đặc trưng bởi năng lượng thực hiện phản ứng cỡ 6 ÷ 8,4 Electronvolt [19, 25, 27]
Phóng điện coron thường được tạo bởi điện cực có dạng dây hoặc điện cực dạng kim có bán kính nhỏ, khi được cấp nguồn cao áp giữa các điện cực coron với điện cực nối đất. Khi nâng điện áp giữa các điện cực đến một giá trị
nhất định ở điện cực có dạng dây hoặc kim điện cực có dạng răng cưa bán kính nhỏ hay được gọi là điện cực coron bắt đầu phóng điện xung quanh điện cực coron và ion hoá các phân tử không khí. Dưới ảnh hưởng của điện trường các chùm ion mạch của chất khí tạo thành sẽ chuyển động từ điện cực coron đến điện cực nối đất. Nếu ở trên cực nối đất có phần tử vật chất, các ion chất khí sẽ bám trên bề mặt hoặc xuyên qua vật nằm trên điện cực nối đất.
Các ion lưu lại trên bề mặt của vật do các yếu tố sau:
Một phần đường sức của từ trường bên ngoài cắt bề mặt của vật các ion chuyển động dọc theo đường sức gặp vật nằm trên điện cực nối đất và giữ
lại trên bề mặt dưới tác đông của lực ánh xạ gương, do quá trình phân cực của
vật, các đường sức bị méo. Đường sức tổng hợp về phía có vật (trường bên
ngoài và trường phân cực của vật) và tăng số đường sức cắt qua bề mặt của
vật.
Các ion chuyển động xung quanh gần với bề mặt của vật và chịu tác dụng của lực ánh xạ gương. Dưới tác dụng của lực này một phần ion được kéo và lưu lại trên bề mặt của vật.
Mật độ các ion gần xung quanh vật ít hơn ở vùng cách xa dần điện cực coron, do tác dụng hấp thụ bề mặt của vật và đồng thời phần nào do vật tích điện tạo nên trường lực đẩy coron đặc biệt vùng rất gần với bề mặt của vật. Do điện trường không đồng nhất (không đều), do đó gradien mật độ ion xuất hiện quá trình khuyếch tán ion vào trong vật. Khuyếch tán hàm cân bằng
bởi mật độ bên trong vật , quá trình khuyếch tán góp phần đáng kể vào cơ chế
tích điện của vật .
2.3. Xác định các thông số của trường phóng điện coron.
Lý thuyết hiện đại về chuyển động của các hạt ở trong trường phóng điện coron, thường được đơn giản hoá bằng cách cho cường độ điện trường không đổi.
Nhưng thực tế cường độ điện trường ở các điểm trong khoảng không gian giữa hai điện cực rất khác nhau, do chúng được tạo bởi điện cực kim hoặc dây điện cực với mặt phẳng. Đối với vùng ngoài phóng điện coron đã nghiên cứu được một hệ phương trình đầy đủ mô tả phân bố trường coron trong công trình [110].
=
=
=
=
E
b
i
divi
grad
E
divE
.
.
0
0ρ
ϕ
ε
ρ
(2.10)Hệ phương trình này được đưa ra với điều kiện, rằng các quá trình ở
vùng ngoài được xem nhưổn định và liên tục trong không gian còn cường độ
điện trường tới hạn ở xung quanh điện cực coron được coi như không đổi và bằng cường độ điện trường bắt đầu phóng điện coron. Đây là Những khó khăn chính liên quan đến giải toán học hệ phương trình này. Do đó khi tính toán cường độ trường coron là những bài toán phức tạp, vì vậy thực tế người ta thường sử dụng những phương pháp giải tích gần đúng hoặc phương pháp
