УДК 621.387
БОКАНОВА А.А., МУСТАФАЕВА Н.М., КАРДЫБАЙ С., УБИШТАЕВА Б.
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, Астана, Казахстан ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗОНИРУЮЩЕГО
ЭЛЕМЕНТА ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ ВОЗДУХА
Результаты теоретических и экспериментальных работ последних лет показали, что отрицательный коронный разряд с микроэлектродов (микропроволока, игла (острие), острые кромки и тонкая спираль с радиусами кривизны не более 25-50 мкм) по сравнению с другими видами коронного разряда обеспечивает более высокий удельный ток разряда и большую плотность тока на коронирующем электроде [1]. На основе полученных данных были разработаны озонаторы на коронном разряде (ОКР), которые по своему энергетическому выходу озона (до 50 г/кВт∙ч) существенно не отличались от известных озонаторов со средней производительностью озона 10-100 г/ч, и в то же время имели следующие преимущества: простота конструкции и малые габариты, слабое влияние давления воздуха на их характеристики, экологическая безопасность и отсутствие воздухоподготовки, малая металлоемкость и малый вес [1].
При всех преимуществах в своем классе (малогабаритность, удобство и простота обращения и обслуживания, не требующие высокой квалификации обслуживающего персонала) озонаторы типа ОКР обладают рядом недостатков, не позволяющих их использование в качестве озонирующих элементов при разработке промышленных озонаторов для получения большого количества озона (5-10 кг/ч). Причем, озонаторы на коронном разряде в большинстве случаев имеют низкие энергетические выходы озона, не считая отдельных модификаций. В отдельных модификациях озонаторов типа ОКР обеспечение существенного энергетического выхода озона (до 50 г/кВт∙ч) по сравнению с классическими способами получения озона на коронном разряде [1] достигается различными способами и усовершенствованием конструкции озонирующих электродов, комбинированным питанием или продувкой в оптимальном режиме разрядного промежутка[2].
Производительность по озону (г/ч) озонатора или озонирующего элемента определялась по градуировочной кривой, снятой с помощью озонометра типа ЛЭК разработки Санкт- Петербургского технического университета. На рисунке 1 приведена зависимость производительности трубчатого озонатора от значения разрядного тока (Рп) и расчетные значения удельного энергетического выхода по озону (Ру).
Сплошные линии – производительности (г/ч);
штриховая – энергетический выход озона (г/кВт∙ч).
Рисунок 1. Производительность и энергетический выход озона
Озонатор имеет следующие параметры: L =150 ММ, Д=100+26 микрон (спиральная). Расход продуваемого воздуха через озонатор составил 20 м3/мин. Как следует из этого рисунка, с ростом величины разрядного тока производительность озонатора по озону также растет, в то время как энергетический выход его монотонно падает, что подтверждает ранее известные данные по росту энергетического выхода озона при малых токах коронного разряда [2].
Таким образом, производительность по озону озонирующего элемента (г/ч) определяется измерением концентраций озона на его выходе известным стандартным озонометром, или определяется по градуировочной кривой (рисунок 1), тогда как его энергетический выход находится расчетным путем через количество выработанного озона (г) на единицу затрачиваемой электроэнергии (кВт∙ч). Отсюда следует, что снижение удельных энергозатрат (г/кВт∙ч) необходимо при многозвенных и многомодульных соединениях озонирующих элементов с целью повышения суммарной производительности озона озонатором. Производительность по озону любого озонирующего элемента, в первую очередь, зависит от величины разрядного тока и потому для снижения удельных энергетических затрат возникает возможность уменьшения значения питающего напряжения при тех же токах разряда. Имеются несколько путей для усиления тока коронного разряда, которые ведут к повышению производительности озонирующего элемента. Рассмотрим их возможности, достоинства и недостатки при применении их в озонирующих элементах.
1. Одним из путей усиления тока коронного разряда, что равносильно повышению производительности озонирующего элемента, является уменьшение межэлектродного расстояния разрядного промежутка. В этом случае при тех же напряжениях питания возможно получить более высокие значения разрядного тока, если при этом не возникнет пробой между электродами.
Большинство разработанных озонаторов типа ОКР имеют межэлектродные расстояния порядка 5-10 мм, тогда как радиусы кривизны коронирующих электродов лежат в пределах 25-50 микрон. Установлено экспериментально, что выбранные параметры разрядного промежутка являются наиболее оптимальными по части равномерной продувки разрядного промежутка и при этом значения напряжения питания и разрядного тока недостаточны для возникновения пробойных процессов.
2. Следующим путем усиления разрядного тока может служить нагрев коронирующего электрода или нагрев воздуха, окружающего разрядный промежуток. В этом случае, с повышением температуры воздуха растет интенсивность ионизации в коронирующем слое из-за увеличения длины свободного пробега электронов, причем значительно возрастает плотность тока во внешней области короны. Установлено, что при нагреве воздуха до 1400С и при одном и том же значении напряжения питания разрядный ток возрастает в пятикратном размере. Однако, применение этого способа для усиления разрядного тока связано с рядом трудностей технического характера: необходимость дополнительного приспособления для нагрева воздуха и затем его продувки через озонирующий элемент, а также возникает необходимость тепловой изоляции озонирующего элемента от окружающей среды. Кроме того, при такой температуре воздуха (1400С) наиболее вероятным является разложение озона, полученного в озонирующем элементе.
3. Одним из путей повышения производительности озонирующего элемента является применение вместо воздуха чистого кислорода. Действительно, в этом случае выход озона увеличивается почти в два раза [2]. Причиной, задерживающей применение этого способа, является его дороговизна. Кроме того, в производственных условиях применение кислорода также не удовлетворяет требованием техники безопасности.
4. К одному из эффективных путей повышения разрядного тока при получении озона относится работа озонирующего элемента при пониженных давлениях воздуха. При этом единственной возможностью осуществления этого способа является отсасывание воздуха из рабочего объема озонирующего элемента, что в свою очередь предполагает прохождение озонированного воздуха через отсасывающее устройство и, в конечном итоге, в значительной степени снижается эффективность получения озона. Эта задача была решена в работе [3], когда процессы образования озона и взаимодействие его с обрабатываемой жидкостью объединены и протекают одновременно в рабочей зоне водоструйного насоса. При этом эффективность применения озона существенно повышается из-за отсутствия действия по доставке и транспортировке озона к рабочему месту.
Результаты исследования показали, что во всем диапазоне температур и давлений воздуха характеристики коронного разряда являются функциями только плотности воздуха. На основании многочисленных измерений начального напряжения коронного разряда получена эмпирическая формула для начальной напряженности поля короны, возникающего на поверхности коронирующего провода с радиусом r0 [2]. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показывает, что в целом наилучшая сходимость (и для коаксиальных цилиндров) получается для формулы Пика:
0 0
288 , 1 0 3 , 30
r
E , (1) где
– относительная плотность воздуха, которая определяется по формуле:Т Р
273
386 ,
0 , (2) где Р – барометрическое давление, мм рт. ст.; Т –температура воздуха, 0С;
=1 при атмосферных условиях, принятых за нормальное (Р=760 мм рт.ст., Т=200С).Влияние Е0 на величину тока коронного разряда можно определить через начальное напряжение U0 (1) по вольтамперной характеристике коронного разряда. По формуле Таунсенда разрядный ток равен [2]:
0 2
0 0
ln 8
r R R
U U U
I K
, (3)
где
0 – диэлектрическая проницаемость; К –подвижность ионов; U –напряжение между электродами; U0 –начальное напряжение коронного разряда.Литература
1. Бахтаев Ш.А., Боканова А.А., Бочкарева Г.В., Сыдыкова Г.К. Физика и техника коронно- разрядных приборов. –Алматы, 2007. – 287с.
2. Бахтаев Ш.А., Боканова А.А., Матаев У.М., Абдурахманов А.А. Озонатор.//Патент РК
№471, бюлл. № 4 от 16.04.2009).
