Озон находит широкое применение в медицине и сельском хозяйстве, химической промышленности и других отраслях [1, 2]. Внедрение озоновых технологий требует создания экономических систем синтеза озона, одним из способов которого является барьерно-поверхностный разряд (БПР). Как новый вид разряда он предложен С. Масудой (Япония) [3] и независимо от него В.С. Энгельштом [4]. Барьерно-поверхностный разряд отличается от барьерного динамической емкостью С, обусловленной покрытием диэлектрика плазмой разряда [5]. Этот вид разряда мало исследован [6].

Рис. 1. Схема барьерно-поверхностного разряда: 1 - диэлектрик; 2 - коронирующий электрод; 3 - индукционный электрод.

БПР реализуется следующим образом: если на одной стороне диэлектрической пластины 1 (рис.1) разместить проволоку или металлическую полосу 2, а другую сторону диэлектрика покрыть проводящим материалом 3 и подвести между электродами переменное или импульсное напряжение, то в цепи пойдет ток. При малых напряжениях - это небольшой ток смещения, поскольку диэлектрик является конденсатором. При превышении определенного напряжения по поверхности диэлектрика от коронирующих электродов распространяется разряд.

В данной работе рассматривается новая разновидность барьерно-поверхностного разряда с плазменным индукционным электродом (БПРПЭ). Исследованы статические и динамические вольт-амперные характеристики (ВАХ), вольткулоновские характеристики (ВКХ) БПРПЭ, приведены данные по синтезу озона из воздуха в данном разряде.

Рис.2. Схема экспериментальной установки: Т1 - лабораторный автотрансформатор; Т2 - повышающий трансформатор; РУ - разрядный узел; мА - микроамперметр; kV - киловольтметр; R2 и R3 - делитель напряжения; R1 - шунт; С - измерительный конденсатор.

Эксперимент. Исследование характеристик разряда производилось с помощью экспериментальной установки (рис.2). Энергетические временные и усредненные характеристики изучались с помощью осциллографирования тока I (t) и напряжения U (t), а также вольткулоновской характеристики (ВКХ) (циклограммы) q (U), где q - заряд, переносимый током разряда

Рис.3. Схема реализации барьерно-поверхностного разряда с плазменным электродом: 1 - люминесцентная трубка; 2 - электрод в виде тонкой проволочной спирали; 3 - барьерно-поверхностный разряд; 4 - вакуумный барьерный разряд; 5 - внутренние электроды разрядной трубки.

Последовательность развития разряда. Для создания БПРПЭ использовалась люминесцентная трубка дневного света, вдоль цилиндрической поверхности которой по спирали наматывался нихромовый провод диаметром 250 мкм с шагом навивки 5 мм (рис.3). Высокое переменное напряжение (до 7 кВ) подавалось с обеих сторон на электрические контакты люминесцентной трубки, а нихромовый провод, намотанный поверх трубки, заземлялся. При включении высокого напряжения внутри трубки зажигался разряд, который соответствовал вакуумному барьерному разряду, так как давление внутри трубки много меньше атмосферного и разряд горит при наличии стеклянного диэлектрика за счет токов смещения. Зажигание этого разряда регистрировалось по свечению люминофора трубки. В то же время между витками нихромовой проволоки зажигался БПР, который на фоне свечения люминофора не виден, но регистрировался по появлению озона и по характерным изменениям осциллограмм тока. Таким образом, два разряда оказались расположенными последовательно по электрической цепи.

Для переменного тока поверхностный (скользящий) разряд вначале возникает как слабая корона вокруг проволоки. При увеличении напряжения каналы удлиняются, и ток значительно возрастает. Появляется заметное свечение. Отрицательный полупериод напряжения на проволоке вызывает катодо-направленный стример, положительный полупериод - анодно-направленный. Происходит контрактация и переход разряда в скользящую форму. Соответственно на осциллографических кривых тока смещения, как и для барьерного разряда, возникают импульсы - всплески активного тока. По внешнему виду свечения видно, что разряд прижимается к поверхности, перпендикулярной составляющей напряженности поля. По данным [6], активная форма тока выступает в виде микроразрядов длительностью ~ 10 нс, т.е. по порядку величины соответствует длительности формирования канала в барьерном разряде.

Наличие двух электрических разрядов, расположенных последовательно по электрической цепи, является существенным отличием БПРПЭ от обычного барьерно-поверхностного разряда. В принципе вторым разрядом, расположенным последовательно по электрической цепи, может быть классический БР или другие разряды.

Рис.4. Статические вольт-амперные характеристики БПРПЭ.

озон синтез барьерный поверхностный разряд

Электрические характеристики разряда. Различают динамические и статические вольт-амперные характеристики (ВАХ). Под первыми понимается связь между мгновенными значениями тока и напряжения. Статическая ВАХ имеет для барьерного разряда вид двух пересекающихся прямых [7]. Статическая вольт-амперная характеристика БПРПЭ приведена на рис.4. В отличие от БР она состоит из трех частей:

1) в интервале 0-500 В протекает ток смещения, обусловленный малой емкостью электродов разряда;

2) при напряжении более 500 В происходит быстрое увеличение тока за счет роста общей емкости разрядного промежутка при зажигании вакуумного разряда;

3) при напряжении 3000 В наблюдается перелом ВАХ, связанный с зажиганием БПРПЭ.

Рис. 5. Вольткулоновские характеристики БПРПЭ разряда для эффективных напряжений 3 и 6кВ.

На рис. 5 показаны вольткулоновские характеристики для эффективных напряжений 3 и 6 кВ. По площади циклограммы определяется активная мощность разряда. Классический барьерный разряд должен давать циклограмму в виде параллелограмма. На рис. 5 видно, что при напряжениях 6 кВ циклограмма действительно похожа на параллелограмм. Однако при напряжениях 3 кВ она постепенно преобразуется в эллипс. Это объясняется тем, что при низких напряжениях динамическая емкость, возникающая при расползании плазмы по поверхности диэлектрика, по порядку величины сопоставима с собственной емкостью электродов. При увеличении напряжения плазма полностью заполняет диэлектрический промежуток между витками провода, динамическая емкость перестает существенно возрастать и циклограмма приобретает вид близкий к параллелограмму.

Рис. 6. Зависимость максимального напряжения горения от напряжения (U_эфф.) на разрядном контуре.

Для классического барьерного разряда напряжение горения разряда является величиной постоянной. В нашем случае из ВКХ выявлено, что напряжение горения на БПРПЭ является величиной переменной и зависящей не только от прикладываемого напряжения, но и от расхода воздуха (рис.6). Вероятно, при напряжениях, превышающих 8 кВ, кривая напряжения горения должна выйти на постоянный уровень области 3,5 кВ.

Влияние расхода воздуха на напряжение горения объясняется наработкой озона в разряде. Озон как более электроотрицательный газ по сравнению с воздухом захватывает на себя свободные электроны из зоны разряда и для протекания прежней силы тока требуется приложить более высокое напряжение.

Рис. 7. Осциллограммы тока и напряжения БПРПЭ.

Осциллограммы тока и напряжения на озонаторе симметричны относительно оси абсцисс (рис. 7).

Поскольку измерения проводились при частоте v=50 Гц, то соответственно период колебаний равен Т=0,02 с. Для определения промежутков времени полупериод разбивается на 500 одинаковых зон. По известным максимумам напряжений проводится калибровка напряжения по оси ординат, затем определяется цена одного деления, с ее учетом составляется шкала напряжений. Численная обработка данных позволяет определять значения тока и напряжения по формулам:

I (t) = R₁U_осц (t),

где U_осц (t) - напряжение, регистрируемое осциллографом на шунте.

U (t) = (R₃+R_2/R₃) U_3осц (t),

где U_3осц (t) - напряжение, регистрируемое осциллографом.

Как видно на рис.7, наблюдается незначительный сдвиг фаз между током и напряжением, что соответствует в основном активно-емкостной нагрузке БПРПЭ. Наблюдается отличие формы тока I (t) и напряжения U (t) от синусоиды.

Искажение формы напряжения определяется большим выходным сопротивлением имеющегося трансформатора. Искажение тока зависит от моментов зажигания разряда и соответственно появления активной составляющей тока, что говорит о присутствии омического сопротивления в цепи барьерного разряда [8]. На осциллограммах наблюдается высокочастотная составляющая тока, отдельные импульсы трудно различимы и соответствуют формированию стримеров по поверхности диэлектрика.

Из осциллограмм тока I (t) и напряжения U (t) определяются:

средний ток

полная мощность (ВА)

активная мощность

реактивная мощность

По измеренной активной мощности разряда, концентрации озона, синтезируемого в разряде, расходу газа определяются характеристики синтеза озона в БПРПЭ.

Синтез озона в поверхностном разряде. Озонирующий блок и система измерения параметров озонатора на БПРПЭ работают следующим образом. Люминесцентная трубка с намотанным на нее нихромовым проводом и помещенная в охлаждаемую водой трубу является озонирующим элементом. Отношение диаметров водоохлаждаемой и люминесцентных трубок в экспериментах составляло 31/26 мм. От компрессора с контролируемым расходом воздух поступает в осушитель, где, пройдя силикагель, осушается до точки росы эквивалентной - 50°С и поступает в озонатор. Пройдя зону БПР, воздух превращается в озоно-воздушную смесь, которая поступает в озонометр, затем в деструктор озона.

Рис.8. Зависимость концентрации озона от напряжения для различных расходов воздуха.

На рис.8 представлена зависимость концентрации озона, полученного в БПРПЭ, от прикладываемого напряжения и расхода воздуха. На этом рисунке видно, что уменьшение расхода воздуха приводит к появлению максимума на кривой концентрации. Быстрое уменьшение концентрации озона определяется термическим разложением и каталитическим разложением озона окислами азота NО_х, образующимися в разряде. При больших расходах и скоростях воздуха их концентрация и период разрушительного действия малы и влияние незначительно. Однако при малых расходах воздуха концентрация окислов азота повышается. Одновременно за счет сокращения скорости протока озоно-воздушной смеси через зону разряда увеличивается период разрушительного воздействия окислов азота на озон. Обе эти причины, работая одновременно, способствуют наблюдаемому сокращению концентрации озона при малых расходах воздуха. Получаемая максимальная концентрация озона (около 19 г/м³) вполне подходит для обеззараживания, например, питьевой воды.

Рис.9. Зависимость удельных энергозатрат на синтез озона от напряжения.

Для определения оптимального напряжения горения разряда построена зависимость удельных энергозатрат от напряжения для различных расходов воздуха (рис.9). Для всех расходов воздуха зависимости удельных затрат имеют минимум, приходящийся на напряжения 3-4 кВ. При напряжениях ниже 3 кВ, очевидно, параметры разряда не оптимальны для синтеза озона, а при напряжениях свыше 4 кВ уже начинает вырабатываться достаточно много окислов азота, разрушающих озон.

Таким образом, из статических характеристик следует, что разряд в процессе своего развития проходит три стадии:

1) при малых напряжениях через разрядную цепь протекает ток смещения;

2) далее формируется плазменный электрод за счет зажигания вакуумного разряда в люминесцентной трубке;

3) следующим этапом является развитие БПРПЭ по поверхности диэлектрика.

Вольткулоновские характеристики показывают, что напряжение горения разряда увеличивается с ростом приложенного напряжения, что является отличительной чертой БПРПЭ от барьерного разряда. Из динамических характеристик следует, что индуктивность коронирующего электрода частично уменьшает сдвиг фаз, обусловленный динамической емкостью БПРПЭ.

Энергетическая эффективность синтеза озона из воздуха в данном разряде сопоставима с принятыми в промышленности и составляет в минимуме 17 кВт·ч/кг.

Литература