.

Генератори озону на жевріючому розряді атмосферного тиску та деякі аспекти їх використання: Автореф. дис… канд. техн. наук / Г.В. Таран, Харк. держ.

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 3281
Скачать документ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Таран Григорій Віталійович
УДК 621.384.52

ГЕНЕРАТОРИ ОЗОНУ НА ЖЕВРІЮЧОМУ РОЗРЯДІ АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ ТА ДЕЯКІ АСПЕКТИ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ
Спеціальність 05.09.13 – техніка сильних електричних та магнітних полів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків — 1999
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Інституті плазмової електроніки та нових методів прискорення Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” (ІПЕНМП ННЦ “ХФТІ”), Міністерство освіти України, м. Харків.

Науковий керівник – кандидат фізико-математичних наук,
Голота Володимир Іванович, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, начальник відділу низькотемпературної нерівноважної плазмохімії

Офіційні опоненти – доктор фізико-математичних наук, професор,
Михайленко Володимир Степанович,
Харківський державний університет, старший науковий співробітник кафедри теоретичної та ядерної фізики.

кандидат технічних наук,
Бойко Микола Іванович,
Науково-дослідний проектно-конструкторський інститут “Молнія” Харківського державного політехнічного університету, начальник відділення електрофізичних технологій.

Провідна установа – науково-дослідний проектно-конструкторський і технологічний інститут важкого електромашинобудування Міністерства промислової політики України, м. Харків

Захист відбудеться ” 16 ” грудня 1999 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою 310002, м. Харків вул. Фрунзе 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий ” 1 ” листопада 1999 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.
Екологічні проблеми, проблеми зберігання сільськогосподарської продукції та питання забезпечення населення питною водою, безпечною у санітарно-гігієнічному та токсикологічному відношенні дуже гостро стоять в Україні. Ці проблеми стали ще гостріші в зв’язку з тяжкою екологічною ситуацією, яка склалася внаслідок Чорнобильської аварії та значного антропогенного та природного забруднення джерел водопостачання.
Хлорування питної води, яке традиційно використовується в Україні, призводить до утворення великої кількості токсичних хлорорганічних сполук, які виявляють мутагенні та канцерогенні властивості, що негативно впливає на здоров’я людини. Одним з найефективніших засобів вирішення цих питань є застосування сильного та екологічно чистого окислювача, яким є озон. Озон є більш сильним дезінфектантом, ніж хлор. Тому спектр забруднень, які він ефективно видаляє, значно ширший, а швидкість його взаємодії з багатьма класами органічних сполук, також, як і глибина їх деструкції, значно вищі, ніж при хлоруванні. Він має виражену споро-, бактеріо- та віруліцидну дію, яка перевищує дію хлору. Основною перевагою озонування є відсутність утворення побічних хлорорганічних сполук у питній воді, тому використання озону екологічно безпечне.
Вiдомо, що озонатори можуть бути використанi при обробцi сільськогосподарських та харчових продуктiв з метою знешкодження фiтопатагенної мiкрофлори завдяки зниженню загального обсеменiння поверхнi, а також для боротьби із шкідниками запасів зернових культур та насіння. Заміна небезпечних та коштовних отрутохімікатів, які зараз використовуються при знезараженні сільськогосподарської продукції, на знезараження екологічно чистою озоноповітряною сумішшю є дуже актуальною задачею.
У розвинутих країнах існує широкий спектр озонаторного обладнання рiзної потужностi та рiзного призначення. Цей ринок дуже динамічний і темпи його зростання у наш час дуже високі. Так, якщо у 80-ті роки у світі налічувалось близько 20 виробників озонаторного обладнання, то зараз їх кількість зросла у десятки разів та налічує більш ніж 300 фірм, які розташовано головним чином у США, Франції, Німеччині, Канаді, Японії, Італії та деяких інших країнах. Головними виробниками озонаторiв є корпорацiї “PCI“, “Osmonics“, “Biozone“, “DEL“, “Ozonair“, “Ozotech“, “Azсo Industries“ (США), ”Mitsubisi Denki”, “Toshiba”, “Fuji“, “Hitachi“, “Nippon“ (Японiя), BBS, “Carbagas“ (Швейцарiя), “ “Wecantech” (Швеція), компанiї “Trailigaz” та “Ozonia International” (Францiя), “Masser gration”, “Wedeco“ (Нiмеччина), “Ontario Hydro“ (Канада), “Курганський завод хiмiчного машинобудування” (Росiя). Усi вони випускають озонаторнi установки класичного типу з бар’єрним розрядом.
Слід відзначити, що в Україні не існує власного виробництва озонаторного обладнання. Між тим забезпечення споживачів озонаторним обладнанням, за експертними висновками, у 1997 р. становило менш ніж 5% від річної потреби, та задовольнялось за рахунок поставок озонаторного обладнання або із-за кордону, або з Росії. Тому, розробка ефективних та надійних озонаторів і створення недорогого виробництва озонаторів є актуальним завданням для України.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дослідження, які склали зміст дисертації виконано у межах Національної програми України “Критичнi технологiї”, яка затверджена Постановою Кабiнету Мiнiстрiв № 310 вiд 16.05.94 р., “Програми державної підтримки міжнародного співробітництва у сфері високих та критичних технологій”, яка затверджена наказом Міністерства з питань Науки та Технологій №72 від 17.03.97 р. та “Програми робіт по атомній науці та техніці” яка затверджена наказом Міністерства з питань Науки та Технологій №274 від 23.09.97 р.

Мета та задачі дослідження.
Дослідження процесу синтезу озону у електродній системі “голка-площина” з позитивним потенціалом на голці та приведеній напруженості електричного поля E/N70100 Td (що відповідає напруженості електричного поля Е23 МВ/м).
Дослідження матеріалів, з яких виготовлено електроди, та вибір найбільш стійких і надійно працюючих в озоно-повітряному середовищі.
Оптимізація конструкції електродної системи генератора синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску.
Розробка системи живлення генератора синтезу озону.
Розробка генераторів озону продуктивністю 10 г та 300 г озону на годину.

Наукова новизна одержаних результатів.
Для забезпечення ефективної наробки озону у генераторах на жевріючому розряді атмосферного тиску запропоновано спеціальну форму електродів плазмохімічного реактору синтезу озону, експериментально досліджено матеріали електродів та запропоновано найбільш перспективні для довгострокової роботи плазмохімічного реактору.
Вперше досліджено та оптимізовано геометричні розміри електродів і відстань між електродами у плазмохімічному реакторі синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску.
Вперше досліджено залежність продуктивності озонаторів на жевріючому розряді атмосферного тиску та концентрації озону на їх виході від потужності, яка вкладена у розряд.
Розроблено систему високовольтного живлення генератора озону на основі резонансного інвертора з коефіцієнтом корисної дії більш ніж 90%.
Розроблено та виготовлено генератори озону на жевріючому розряді атмосферного тиску продуктивністю 10 г та 300 г озону на годину.

Практичне значення одержаних результатів.
Розроблені та досліджені генератори синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску можуть бути широко використані у сільському господарстві для боротьби із шкідниками запасів зернової продукції, при зберіганні зернових культур та для передпосівної обробки зерна і насіння, обробки пташників та тваринницьких приміщень, дезинфекції та дезодорації води, для знезараження при сушці та зберіганні харчових продуктів і харчових домішок, у медицині.

Особистий внесок дисертанта полягає у проведенні теоретичних розробок фізичних процесів у жевріючому розряді та експериментальних досліджень плазмохімічних реакторів синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску. Запропоновано та доведено експериментально найбільш оптимальні геометричні параметри реакторів синтезу озону та матеріали, з яких виготовлено електроди. Досліджено електродинамічні характеристики плазмохімічних реакторів синтезу озону та зроблено висновки про характер залежності між струмом та напругою у жевріючому розряді при атмосферному тиску та залежності продуктивності озонаторів і концентрації озону від потужності, яка вкладена у розряд. Запропоновано та розроблено основні принципи системи високовольтного живлення на основі резонансного інвертора для плазмохімічного реактору. Відпрацьовано ряд методик застосування озонаторів на жевріючому розряді атмосферного тиску.

Апробація результатів роботи.
Результати досліджень доповідалися на 23-й Міжнародній конференції по фізиці плазми та керованому термоядерному синтезу (Київ, 1996 р.), на 3-й Міжнародній конференції з реактивної плазми та 14-му симпозіумі з фізичних процесів (Нара, Японія, 1997 р.), 14-й Європейскій конференції по атомній та молекулярній фізиці іонізованих газів (Малахайд, Ірландія, 1998 р.), Міжнародному симпозіумі по високотемпературній плазмохімії високого тиску (Корк, Ірландія, 1998 р.), 6-му Міждержавному семінарі “Плазмова електроніка та нові методи прискорення” (Харків, 1998 р.). Ідеї, які використано у розробках систем живлення генераторів озону на жевріючому розряді атмосферного тиску захищені авторським свідоцтвом та патентом України (а.с. СРСР №15600017 від 14.01.1988 р, патент № 23187 А від 19.05.98 року).

Публікації.
За темою дисертації опубліковано 14 робіт. З них 6 статей у фахових виданнях.

Структура дисертації.
Дисертація викладена на 135 сторінках машинописного тексту та складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і семи додатків та містить 32 рисунки і 5 таблиць. Бібліографія складає 92 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі показана актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється її мета, викладено план дисертації та приведено основні результати виконаних досліджень.
У першому розділі ”Огляд літературних даних” подано огляд літературних даних по фізико-хімічним властивостям озону, опис деяких конструкцій генераторів синтезу озону провідних фірм, напрямки і перспективи розвитку озонаторів та озонових технологій.
У результаті інформаційного пошуку було встановлено, що розробка озонаторів проводиться у напрямку підвищення продуктивності та зниження енерговитрат на синтез озоно-повітряної або озоно-кисневої суміші, удосконалення технологій їх використання та підвищення надійності роботи. Головними напрямками удосконалення стандартних озонаторів є вибір матеріалу діелектричного бар’єру, перехід на підвищену частоту змінної напруги (3-5 кГц). Аналіз джерел інформації дозволив зробити висновок, що жевріючий розряд для промислових озонаторних пристроїв не використовується. Це дає можливість зробити попередні висновки про охороноздатність теми та можливість її виконання на рівні винаходу.
У другому розділі ”Дослідження фізичних процесів у плазмохімічному реакторі на жевріючому розряді атмосферного тиску” наведені результати дослідження фізичних процесів у генераторах синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску. Подано обгрунтування вибору типу електричного розряду, що є найбільш ефективним для генерації озону. Проведено оптимізацію форми та матеріалу електродів плазмохімічних реакторів. Оптимізовано геометрію плазмохімічного реактору. Вивчено електродинамічні характеристики плазмохімічних реакторів. Вивчено спектри випромінювання жевріючого розряду у повітрі при атмосферному тиску.
Підвищений інтерес до фізики електричного розряду у кисні та його сумішах пов’язаний з пошуком шляхів збільшення ефективності озонаторів. Теоретичні розробки та експериментальні дослідження вказують на те, що ефективність синтезу озону в умовах об’ємного самостійного розряду атмосферного тиску значно вища, ніж у класичному бар’єрному розряді. Це зумовлено тим, що в умовах низькотемпературної нерівноважної плазми, коли середня енергія електронів, як правило, на порядок та більше перевищує теплову енергію, завдяки збудженню коливальних ступенів свободи молекул, є можливість прискорення хімічних реакцій, залишаючи газ холодним, що значно зменшує витрати енергії на вихід кінцевого продукту реакції.
Серед усього різноманіття видів газових розрядів, жевріючий розряд відзначається легкістю створення сильно нерівноважного стану слабоіонізованого газу, з великим відривом електронної температури Te від температури газу Tg ( ТеТg). Ця властивість пов’язана з наявністю достатньо високої напруженості електричного поля Е у розрядному проміжку, що забезпечує необхідну іонізацію газу, тобто створюється достатня кількість електронів з ефективною енергією, необхідною для збудження та іонізації газової суміші. Типове значення приведеного електричного поля E/N у розрядному проміжку жевріючого розряду становить 10100 Td (де E – напруженість поля у розрядному проміжку, N – середня густина часток фонового газу, 1 Td приблизно дорівнює 10-17 В·см2). Для реалізації такої високої приведеної напруженості електричного поля було запропоновано використовувати електродну систему типу ”голка-площина” та високошвидкісну прокачку газової суміші.
Оскільки, характерна енергія електронів складає 3  10 еВ, то для набору такої енергії  електрону необхідно пройти в електричному полі Е відстань l = /(e·E). Довжина l має назву енергетична довжина пробігу електрона (середня довжина пробігу електрона в електричному полі Е), на відміну від транспортної довжини пробігу , тобто середньої довжини пробігу електрона по відношенню до релаксації імпульсу. При e·E·l = Tg вони зв’язані співвідношенням l=/ (де =2·m/M, m – маса електрона, М- маса молекули), з якого випливає, що у реальних умовах низькотемпературної нерівноважної плазми звичайно виконується умова   l.
Це співвідношення відбиває той факт, що жевріючий розряд звичайно реалізовувався в розріджених газах, коли транспортна довжина вільного пробігу електронів велика і електрон має час, щоб набрати енергію *, яка необхідна для іонізації газу. При атмосферному тиску наявність інтенсивних зіткнень з частотою =N··ve порядку 1011 с-1 та мала транспортна довжина пробігу електрона  = (N·)-1 (де  – транспортний перетин розсіювання), потребує достатньо високої напруженості електричного поля E104 В/см для набору електроном характерної енергії *  e·(·)-1 ·E/N.
Жевріючий розряд при сталій напрузі, який характеризується поширенням іонізації на увесь проміжок, дозволяє одержувати великі об’єми слабоіонізованого газу при атмосферному тиску. У цьому розряді можливо утворення у великих кількостях атомарного кисну. Поблизу електродів розташовано так званий приелектродний шар, в якому відбувається основне падіння потенціалу. Тут у сильному електричному полі відбувається прискорення та розмноження електронів, а квазінейтральна плазма ще не сформована.
Позитивний стовп у жевріючому розряді являє собою квазінейтральну плазму, яка займає майже увесь розрядний проміжок. Ця область характеризується високою електричною провідністю та сильною нерівноважністю плазми. Ступінь нерівноважності плазми характеризується відношенням температури електронів Те до температури газу Тg. У слабоіонізованій плазмі взаємодію електронів з іонами можна не брати до уваги. Слід відзначити, що саме ці умови необхідні, коли для ефективного проведення хімічних реакцій потрібна висока заселеність коливальних рівнів молекул, тобто коли при коливальному збудженні молекул різко зростає швидкість протікання хімічних реакцій завдяки значному зниженню енергії активації.
Слід відзначити також, що у жевріючому розряді нароблюється на порядок менше окислів азоту, ніж у бар’єрному розряді, тому озоноповітряна суміш, яка синтезується у жевріючому розряді є екологічно чистою.
При значних енерговкладах у розряд відбувається сильний розігрів газу та створення привабливих умов для розвитку нестійкостей. Для подавлення теплових нестійкостей та зменшення терморозложення озону необхідно підтримувати оптимальну температуру газу (не більш Топт = 400 С). Збільшення довжини розрядного проміжку з метою збільшення концентрації озону не дає бажаного результату, тому що у цьому випадку має місце сильний розігрів газу вниз по потоку і, як наслідок, зменшення концентрації озону. Приймаючи це до уваги було розраховано оптимальну довжину розряду L, яка визначається найбільшим значенням енерговклада : L = (Tопт – Tg)cg·g·vg / , де cg – питома теплоємкість, g – густина, vg- швидкість газу, j – густина струму.
Було досліджено вплив геометричних параметрів плазмохімічного реактору (довжина розрядної зони, відстань між анодом та катодом, відстань між електродами аноду, кут наклону електродів аноду) на струм у розряді, та потужність, яка введена у розряд.
Відомо, що в умовах жевріючого розряду у повітрі нароблюється дуже багато хімічно активних речовин, які руйнують та отруюють матеріал електродів. Тому, вибір матеріалів електродів грає дуже важливу роль для довгострокової стабільної роботи плазмохімічного реактору. У наших дослідженнях ми звертали особливу увагу на одержання максимального розрядного струму з однієї чарунки секційованого електрода і на розширення діапазону стабільного горіння розряду (тобто різницю між напругою переходу в іскровий розряд та напругою запалювання жевріючого розряду). При всіх однакових умовах експерименту розрядний струм залежав від матеріалу електрода. Це пояснюється відміною емісійних властивостей поверхні електродів, які виконано з різних матеріалів. При атмосферному тиску на поверхні електродів легко утворюється плівка оксидів, яка є діелектриком та має більш високий коефіцієнт емісії, ніж метал.
Для вивчення впливу матеріалів електродів на умови горіння жевріючого розряду високого тиску було спроектовано та створено секційований легкоз’ємний анодний модуль для плазмохімічного реактора, який легко дозволяв змінювати матеріал, з якого були виготовлені голчаті електроди.
На основі проведених експериментів можна зробити висновок про те, що найбільш перспективними матеріалами для виготовлення аноду плазмохімічних реакторів є сталь Х18Н10Т, W, Mo, Ті.
Фізичні умови горіння жевріючого розряду атмосферного тиску сильно залежать як від матеріалу електродів, так і від геометричних параметрів плазмохімічного реактору. Проявлення різних механізмів горіння розряду виявляється у різномаїтті форм горіння розряду, тобто у можливості існування стабільного горіння жевріючого розряду, та різній напрузі переходу жевріючого розряду в іскрову форму з ростом струму. При цьому, при переході в іскрову форму розряд контрагується, на розряді падає напруга, розряд перестає бути об’ємним і займає вузьку ділянку у просторі. В іскрі відбувається сильний розігрів газу, зменшується ступінь нерівноважності та порушуються оптимальні умови синтезу озону.
Всі ці прояви зазнають сильну залежність від геометричних параметрів плазмохімічного реактору:
а) розмірів голчатих електродів;
б) відстані між голчатим електродом та протилежним електродом;
в) кроку між голчатими електродами.
Залежність від впливу розмірів голчатого електрода пов’язана з необхідністю створення у міжелектродному просторі напруженості поля, яка достатня для іонізації газу і підтримки оптимального значення параметра E/N.
Були проведені дослідження з голчатими електродами різного розміру, зробленими з молібдену, вольфраму, міді та титану.
Для кроку між голчатими електродами: 8 мм, 12 мм, 15 мм і діаметрів 0.1мм, 0.5 мм, 1 мм, 2 мм були одержані наступні дані. Для діаметра 0.1 мм практично не вдавалося стійко запалювати жевріючий розряд. Розряд практично зразу переходив в іскрову форму. Це саме спостерігається і для електродів діаметром 2 мм. Хоча іскровий пробій відбувається при більш високих прикладених напругах. Для діаметрів електродів 0,20,7 мм має місце стійке горіння розряду та ефективна наробка озону.
Якісно така картина пояснюється так. Для іонізації міжелектродного проміжку необхідно певне значення параметру E/N. Для голчатих електродів напруженість поля можна оцінити як E ˜ U/d (де d – характерний розмір голки). Проте, при малих d напруженість поля сильно зростає і відбувається інтенсивна іонізація поблизу електроду. Електрони виходять з приелектродної області за рахунок дрейфу. Але при достатній ступені іонізації за рахунок меншої рухомості іони не встигають дрейфувати за електронами і відбувається накопичення заряду та екранування електрода. Тому, замість d у співвідношенні для напруженості поля необхідно підставити dеф. – ефективний розмір електрода, який визначається із розгляду балансу приходу електронів за рахунок іонізації та виходу у результаті дрейфу. В наслідок того, що dеф.  d, то у результаті у міжелектродному проміжку буде знижена напруженість поля і, тому, значення E/N не достатньо для підтримання жевріючого розряду. Разом з тим, стікання накопленого заряду приводить до іскрового пробою розрядного проміжку.
Для діаметра електродів 2 мм фізична картина розряду інша. Ефективна напруженість електричного поля визначається вже не розміром голчатого електрода, а міжелектродним проміжком: Е = U/h (де h – проміжок між електродами для геометрії “голка – площина”) та вона не достатня для ефективної іонізації. Тому, для запалювання розряду необхідно прикладати більш високу напругу чи знижувати тиск газу, щоб значення параметра Е/N відповідало середній енергії електрона більш ніж кілька еВ, тому відбувається іскровий пробій проміжку і фаза жевріючого розряду не настає.
Розташування голчатих електродів відносно площини та шаг між електродами (а) обумовлює геометрію поля в розрядному проміжку. При великому кроці між голчатими електродами їх взаємовплив виявляється слабо і поле в околиці кожного голчатого електрода відповідає полю для геометрії електродної системи “голка – площина”. При зменшенні шагу між голчатими електродами їх взаємовплив зростає і напруженість поля біля голчатого електрода слабне та наближається до напруженості поля для геометрії електродної системи “гофр – площина”. В результаті експериментальних досліджень було встановлено, що для стабільного горіння розряду необхідно виконання умови аh (де h – міжелектродний проміжок). Для умов атмосферного тиску у розрядному проміжку відстань між голками аноду повинна бути у межах 815 мм, а відстань між електродами – у межах 1015 мм.
Таким чином показано, що конструктивні особливості плазмохімічного реактору та спеціальний вибір матеріалів електродів дозволили досягти стабільної довгострокової роботи озонатора.
Для експериментальних досліджень електродинамічних характеристик плазмохімічних реакторів були розроблені та виготовлені дві моделі реакторних камер на основі системи електродів “ голка-площина”. Ці реактори відрізнялись характером руху газового потоку і призначались для створення високої та низької концентрації озону.
При малих токах та низькій швидкості газового потоку vg

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020