CC BY
244
6. ПолянинА.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.
7. РайзерЮ.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
8. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.
9. Техника высоких напряжений / под ред. М.В. Костенко. М.: Высш. шк., 1973.
10. ТихоновА.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977.
ПИЧУГИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (Pichugin [email protected]).
PICHUGIN YURIY PETROVICH - candidate of technical sciences, assistant professor of Electrical Engineering and Technology Electrical Production Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
КРАВЧЕНКО ГАЛИНА АЛЕКСЕЕВНА - старший преподаватель кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
KRAVCHENKO GALINA ALEKSEEVNA - senior teacher of Electrical Engineering and Technology Electrical Production Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 537.523.9
Ю.П. ПИЧУГИН, АН. МАТЮНИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ОЗОНА В ОЗОНАТОРАХ С ВЫСОКООМНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
Ключевые слова: генераторы озона, озонаторы, барьерный разряд, высокоомные электроды.
Представлены результаты исследования процесса генерации озона в барьерном разряде в озонаторах с увеличенным активным сопротивлением электродов. Данные исследования основываются на полученном ранее представлении о временной структуре барьерного разряда, а именно на характеристике тока отдельного разряда. Изменение параметров цепи отдельного разряда (микроразряда) в озонаторе позволяет влиять на процесс генерации озона в области микроразряда и на перераспределение тепла между разрядной областью и высокоомными электродами. Проведены сравнительные эксперименты по исследованию производительности озона и энергетических характеристик озонаторных камер с высокоомными и обычными (металлическими фольговыми) электродами.
Yu.P. PICHUGIN, A.N. MATYUNIN THE RESEARCH OF OZONE GENERATION IN THE OZONIZERS WITH HIGH-RESISTANCE ELECTRODES
Key words: ozone generators, ozonizers, barrier discharge, high-resistance electrodes.
The present article considers the results of research the process of ozone generation in the barrier discharge in ozonizers with high-resistance electrodes. These studies are based on previously obtained the representation of the temporal structure of the barrier discharge, namely the characteristic the current of a single discharge. Changing the circuit parameters of a single discharge (microdischarge) in the ozonizer to influence the generation of ozone in the microdischarge and to influence the redistribution of heat between the discharge region and the high-resistance electrodes. The comparative experiments on the productivity of ozone and power characteristics of ozone generation cells with high-resistance electrodes and the usual (metal foil) electrodes are made.
Барьерный разряд уже более ста лет широко используется в качестве промышленного генератора озона. Механизм электрического пробоя газа в промежутке между диэлектрическими электродами определяет в конечном счёте как состав продуктов плазмохимического синтеза, так и величину энергозатрат [1].
В генераторах озона происходит процесс плазмохимического синтеза озона из кислородсодержащих газов. Как правило, генераторы озона представляют собой аппараты, содержащие два высокопроводящих электрода, к которым прикладывается высокое напряжение, на электродах располагаются диэлектрические барьеры и в газовом промежутке вырабатывается озон во время так называемого барьерного разряда [4].
При разряде значительная часть энергии превращается в тепло, нагревая как озоносодержащий газ, так и диэлектрические барьеры, что приводит к снижению выработки озона за счёт его распада при повышенной температуре. Это одна из проблем синтеза озона в барьерном разряде.
Существуют и широко применяются отечественными и зарубежными производителями устройства с воздушным и водяным охлаждением озонатора, что позволяет повысить его производительность. Однако такое повышение имеет ограничение. Действительно, через электроды интенсивно охлаждаются диэлектрические барьеры и частично озоносодержащий газ. Непосредственное тепловое воздействие самого разряда на озон остаётся неизменным, так как его параметры, в том числе и температура, не зависят от эффективности охлаждения.
Целью исследований являются выявление закономерности при изменении активного сопротивления электродов и обоснование рекомендаций по повышению производительности озонаторов за счёт изменения сопротивления электродов при сохранении воздушного типа охлаждения.
Исследуемый озонатор (рис. 1) состоит из двух диэлектрических барьеров 1, за которыми размещены высокоомные электроды 2, подключённые через токоподводы 3 к источнику высокого переменного напряжения 4; в рабочем зазоре изображены микроразряды 5.
На рис. 2 представлены временные формы импульса тока микроразряда: кривая 1 - для озонатора с обычными металлическими электродами, кривая 2 - для озонатора с высокоомными электродами.
Озонатор работает следующим образом. На высокоомные электроды 2 подают напряжение от высоковольтного источника питания 4 (рис. 1). Через газовый зазор, образуемый барьерами 1, продувается кислородосодержащий газ, который под воздействием разряда превращается в озон. В процессе разряда все элементы озонатора нагреваются.
В озонаторе с высокоомными электродами уменьшается нагрев самого барьерного разряда, что при одинаковом охлаждении снижает температуру озоносодержащего газа. В итоге меньшее количество озона подвергается разложению. При одинаковом начальном уровне синтеза озона производительность озонатора увеличивается.
Это следует из дискретной структуры барьерного разряда [3]. Барьерный разряд состоит из отдельных частичных разрядов (микроразрядов). Поэтому эффекты, связанные с производительностью и нагревом, определяются отдельными микроразрядами. Основная составляющая переносимого заряда
.Оз[
1 л гУ —Ю, ,Ч )'! Л 4
V Я/
Рис. 1. Озонатор с высокоомными электродами
импульса тока микроразряда
приходится на стадию завершения разряда (стадия завершения носит затухающий экспоненциальный характер) (рис. 2, кривая 1) и равна:
Я = 1 т1Т1 .
Амплитуда тока в первом приближении определяется сопротивлением столба микроразряда:
Т = иист - иб
7т1 _ 5
Г
р
где иист - напряжение источника питания в момент действия микроразряда;
иб = иа + ик - прибарьерное падение напряжения, которое состоит из иа -
прианодного и ик - прикатодного падений напряжения; гр - сопротивление столба микроразряда; т1 = грСр - постоянная времени завершения разряда, где Ср - ёмкость микроразряда.
Тепло, выделяющееся в микроразряде, состоит из двух составляющих: прибарьерного выделения тепла (1) и джоулева выделения тепла в канале микроразряда (2):
0б = и б Я = и б Тт1Т1, (1)
1 2
бдж! = ~ 121 ГрТ1. (2)
Численная оценка говорит о соизмеримости этих составляющих.
При использовании в озонаторе электродов с повышенным сопротивлением (рис. 2, кривая 2) амплитуда тока микроразряда 1т2 уменьшается, а постоянная времени т2 увеличивается в к раз:
Гр + Гэ к = -£—^,
Гр
где гэ - сопротивление, вносимое высокоомными электродами.
В связи с этим прибарьерное выделение тепла и переносимый заряд остаются неизменными, а джоулево выделение тепла уменьшается в к раз. Поэтому начальный уровень синтеза озона остаётся неизменным из-за неизменности заряда Я, а нагрев разряда, барьеров и озоногазовой смеси уменьшается, скорость разложения озона падает. В итоге выход озона от отдельного микроразряда и, соответственно, озонатора с увеличенным сопротивлением электродов растёт.
Необходимо отметить, что высокоомные электроды нагреваются от протекания тока более интенсивно, чем обычные металлические. Нагрев от микроразряда в озонаторе с высокоомными электродами:
0-э2 = 2Тт2 Гэ Т 2 .
То есть насколько меньше нагревается разряд, настолько больше нагреваются электроды. Однако в озонаторе с обычными металлическими электродами [4] интенсивный нагрев электродов осуществляется через озоногазовую смесь и барьеры, что в итоге приводит к повышению скорости разложения озона. А в озонаторе с высокоомными электродами повышенный нагрев электродов легко снимается за счёт естественного либо принудительного воздушного охлаждения.
С целью обеспечения наибольшего эффекта значение вносимого сопротивления Гэ должно быть соизмеримым с сопротивлением столба микрораз-
ряда Гр. Значительное повышение Гэ относительно Гр приводит к заметному снижению интенсивности процесса формирования микроразряда. Для поддержания заряда, переносимого микроразрядом, и, соответственно, прежнего уровня синтеза озона необходимо повышать напряжение источника питания.
Кроме того, надо обеспечить одинаковые условия формирования (одинаковые Гэ) для большинства микроразрядов. Поэтому подключение к электродам должно быть выполнено из токоподводов, равномерно распределённых по линейному размеру озонатора. Причём токоподводы одного электрода смещены на полшага относительно другого электрода. Такое расположение обеспечивает одинаковое суммарное расстояние от микроразряда 5 до ближайших токоподводов 3 противоположных электродов (см. рис. 1). В предельном случае к каждому электроду 1 может быть подключено по одному токоподводу 3 к противоположным их концам [2].
При проведении экспериментов осуществлялось сравнение характеристик трёх озонаторных камер: двух озонаторов с графитовыми электродами с сопротивлением одного электрода порядка 1 кОм и 3 кОм, соответственно, и озонатора той же геометрии с высокопроводящими алюминиевыми электродами. Экспериментальная установка, на которой производились измерения электрических параметров озонаторов и концентрации озона, изображена на рис. 3. Эксперименты проходили с одинаковыми электрическими нагрузками (действующее напряжение высоковольтного источника питания и2 = 10 кВ при частоте /2 = 400 Гц).
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 3. Экспериментальная установка для измерения электрических параметров озонатора и концентрации озона: а - электрическая часть; б - пневматическая часть; в - взаимодействие электрической и пневматической частей (зона разряда)
1 - регулируемый автотрансформатор (ЛАТР); 2 - электромеханический преобразователь частоты; 3 - ваттметр электродинамический; 4 - трансформатор напряжения 100/10000 В; 5 - киловольтметр электростатический; 6 - миллиамперметр магнитоэлектрический; 7 - озонатор; 8 - термометр спиртовой; 9 - воздушный компрессор;
10 - озонометр
Охлаждение озонаторов воздушное с помощью вентилятора; при этом осуществлялся контроль показаний ваттметра и озонометра при достижении максимального выхода озона примерно через 0,5 мин, а также через 5 и 10 мин с момента подачи высокого напряжения на электроды озонатора. Важными условиями являлись постоянный контроль и поддержание одинакового среднего тока в исследуемых озонаторах (1ср = 14 мА).
Для сравнения характеристик исследуемых озонаторов были взяты показатели, соответствующие работе озонаторов в течение 10 мин и близкие к
установившемуся режиму (рис. 4). Сопротивление металлического фольгового электрода порядка 0,01 кОм.
П(Оз),
Рис. 4. Выход озона в зависимости от сопротивления электродов
Выводы. 1. Положительным результатом можно считать увеличение более чем на 10% производительности озонатора вследствие увеличения сопротивления электродов озонатора на несколько кОм при прочих равных условиях: одинаковых размерах разрядной ячейки, одинаковом среднем токе и напряжении озонатора, одинаковой скорости потока входящего в разрядный промежуток воздуха и одинаковых условиях охлаждения.
2. После анализа результатов экспериментов следует вывод о необходимости проведения дополнительных экспериментов по исследованию характеристик озонаторов с сопротивлением одного электрода более 3 кОм с целью определения максимально эффективного сопротивления электродов озонатора.
Литература
1. Озон и другие экологически чистые окислители // Наука и технологии: материалы I Всерос. конф. (Москва, Химический факультет МГУ. 7-9 июня 2005 г.) / ред. кол. В.В. Лунин, В.Г. Самойлович, С.Н. Ткаченко, В.А. Вобликова, Г.В. Егоров. М.: ЧеРо-2005; Книжный дом Университет, 2005.
2. Пичугин Ю.П., Матюнин А.Н. Заявка на изобретение №2009144348 от 30.11.2009 (Решение о выдаче патента).
3. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. 176 с.
4. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. 237 с.
ПИЧУГИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ. См. с. 107.
МАТЮНИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ - ассистент кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
MATYUNIN ALEXEY NIKOLAEVICH - assistant of Electrical Engineering and Technology Electrical Production Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
