Генератори озону на жевріючому розряді атмосферного тиску та деякі аспекти їх використання

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/N70100 Td (що відповідає напруженості електричного поля Е23 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 ( ТеТg). 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 10100 Td (де E - напруженість поля у розрядному проміжку, N - середня густина часток фонового газу, 1 Td приблизно дорівнює 10-17 Всм2). 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 = /(eE). 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 eEl = Tg вони зв'язані співвідношенням l=/ (де =2m/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 =Nve порядку 1011 с-1 та мала транспортна довжина пробігу електрона = (N)-1 (де - транспортний перетин розсіювання), потребує достатньо високої напруженості електричного поля E104 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 <jE> :

L = (Tопт - Tg)cggvg / <jE>

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 0,20,7 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 аh (де h - міжелектродний проміжок). Для умов атмосферного тиску у розрядному проміжку відстань між голками аноду повинна бути у межах 815 мм, а відстань між електродами - у межах 1015 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 < 1 м/с газовий розряд у нашій розрядній геометрії існує у вигляді коронного розряду з позитивним зарядом в об'ємі. При цьому струм корони визначається емпіричною залежністю I = А*Uк(U - Uк), де -А - коефіцієнт пропорційності, який залежить від складу газу та геометрії розряду, U - напруга на електродах, Uк - напруга запалення розряду корони.

Встановлено, що при малих швидкостях продування газу стадія жевріючого розряду не реалізується, а коронний розряд зразу переходить в іскровий. При більш високих швидкостях газового потоку (10 м/с та більше), реалізується фаза жевріючого розряду.

Ділянка вольт-амперної характеристики, яка відповідає жевріючому розряду, описується не квадратичною, як у випадку коронного розряду, а експоненційною залежністю і його емпіричний вираз має вигляд:

I = I0exp(K(U - U0))

де I0 - значення струму при переході від коронного розряду у жевріючий, К - коефіцієнт, що залежить від характеристик розряду, U0 - напруга переходу від коронної форми розряду у жевріючу.

Відомо, що наробка активних часток у розряді залежить від електродинамічних характеристик плазмохімічного реактору. Враховуючи, що вольт-амперні характеристики жевріючого розряду мають зростаючий характер, тобто із збільшенням напруги зростає і струм, опір плазми з підвищенням струму зменшується. Отже, густина електронів зростає, а пропорційно густині електронів зростає і кількість активних радикалів, що напрацьовуються, у тому числі і озону.

Було встановлено, що при підвищенні тиску повітря усередині реактору, відбувається зміщення робочої ділянки вольт-амперної характеристики озонатору в область більш високих значень напруги. При цьому, характеристики реактору якісно не змінюються.

Встановлено експериментальну залежність концентрації озону від прикладеної потужності. Для швидкості газового потоку більш ніж 5 м/с отримана прямопропорційна залежність концентрації від вкладеної питомої потужності в розряд для фіксованого розрядного проміжку n= w (де n - концентрація озону, 1/ - потужність, яка необхідна для виробництва 1 г озону за годину, w = W/G - питома потужність розряду, W - вкладена в розряд потужність, G - витрати газу через розрядний проміжок). Також була отримана залежність концентрації озону від питомої потужності при малих швидкостях газового продуву (менш ніж 0.5 м/с). Залежність концентрації озону n від питомого енерговкладу w, який вкладено у розряд при різних витратах газу Q подано наступною формулою n=n0(1-exp(-/n0*w)), де n0 - концентрація насичення. Було встановлено, що кількість витраченої потужності для виробництва 1г O3 зменшується із зменшенням міжелектродного проміжку. Так, при роботі з атмосферним повітрям, для проміжку шириною h=15 мм коефіцієнт 1/ становить 16 Вт/г O3 , а для h=8мм - 1/=10 Вт/г О3 . Концентрація озону реєструвалась по поглинанню ультрафіолетового випромінювання на довжині хвилі 253,7 нм та змінювалась від 0 до 13 г/м3. Для обробки експериментальних даних була створена математична програма. Обчислювались концентрація озону, ефективність наробки озону.

Під час іспитів повітря в реактор подавалось шестиренчатим компресором, який обертався електродвигуном постійного струму. Це давало можливість забезпечити плавне регулювання витрати повітря через реактор у широкому діапазоні (01,5 м3/хвил.). На кожному режимі реактор працював по 8 годин. Вимірювання проводились через кожну годину роботи та брались середні значення величин, що вимірюються.

В об'ємному самостійному розряді складаються умови для ефективної дисоціації молекулярного кисню та наробки хімічно активних радикалів О, О3 у всьому об'ємі розрядної області, а не тільки в маленькій області стримерів, що суттєво підвищує продуктивність установок по синтезу озону.

В об'ємному жевріючому розряді створюються умови, при яких відбувається поступова накачка коливальних ступенів свободи молекул кисню та подальша їх дисоціація як за рахунок зіткнення таких сильно збуджених молекул з третіми тілами, так і за рахунок дисоціації, яка виникає при зіткненні з низько енергетичними електронами. Це створює умови для ефективної дисоціації молекулярного кисню і наробки озону (О3) у всьому об'ємі розрядної області. Це зменшує витрати енергії на утворення озону та істотно підвищує продуктивність генераторів озону на жевріючому розряді.

Дисоціація молекулярного кисню відбувається, в основному, з двох електронних рівнів В3u (6.09 эВ) и А3u+ (4.9 эВ), з подальшим утворенням озону у результаті тричасткової рекомбінації з характерним часом утворення озону 10 с та енерговитратами на утворення озону 3.0 и 4.2 эВ/О3 (теоретична продуктивність озонатора для цих випадків становить 700 и 500 г/кВт*год, відповідно).

Дослідження спектрів випромінювання жевріючого розряду атмосферного тиску проводилися на стенді, який складався із дифракційного монохроматора МДР-12У, високовольтного блоку живлення, блоку регістраційних пристроїв та плазмохімічного реактору, в якому запалювався розряд.

У результаті було одержано лінії спектру випромінювання жевріючого розряду у повітрі при тиску 1 атм. у видимій та ультрафіолетовій областях (190 нм590 нм). Аналіз ліній спектру дозволив ідентифікувати спектральні лінії, що випромінювалися, зокрема ідентифіковано лінії другої позитивної системи азоту

II+ ( N2(C3Пu) N2(B3Пg)), система (-

Ідентифікація спектральних ліній показує, що у розрядному проміжку присутні збуджені молекули з енергією збуджених станів 12еВ (), а можливо і з ще більшими енергіями 13еВ. Зрівнювання експериментальних результатів та розрахунків говорить про значну заселеність коливально-збуджених рівнів молекулярного азоту. Тому існує енергетично дозволений механізм резонансної передачі коливальної енергії азоту беспосередньо у стан кисню (термін життя-10-3 с, енергія рівня-0,98 еВ), з наступною дисоціацією молекули кисню на два атоми. Для молекул азоту при температурі електронів =1-3 еВ основна доля розрядного енерговкладу зосереджується безпосередньо на збудженні коливальних ступенів свободи основного електронного стану. Тобто, поряд з переводом молекул кисню у метастабільний стан електронним ударом, можливий канал резонансної передачі енергії у цей стан від коливально-збуджених молекул азоту, тобто азот є “буфер” для передачі енергії розряду у кисень. Цей факт було підтверджено експериментально під час вимірювання концентрації озону на виході плазмохімічного реактору при подачі на його вхід повітря та чистого кисню. При цьому, концентрація озону збільшилася приблизно у 2 рази, хоча вміст кисню збільшився у 5 разів.

У третьому розділі ”Описання озонаторних установок на жевріючому розряді атмосферного тиску продуктивністю 10 г та 300 г озону на годину” наведено характеристики та дано описання спроектованих та виготовлених промислово-експериментальних озонаторних установок продуктивністю 10 г та 300 г озону на годину, які передбачається використовувати для потреб сільського господарства, очистки, обеззаражування і дезодорації води та повітря, переробки і зберігання сільськогосподарської продукції та таке інше.

Наведено блок-схему озонатора продуктивністю 10 г озону на годину, дано описання основних технологічних систем.

Особливу увагу приділено системі високовольтного живлення, на яку одержано патент України. У состав джерела живлення входять плата перетворювача та плата управління. Можливо підключення плати таймера та плати індикації.

Плата перетворювача зібрана за схемою напівмостового резонансного інвертора. Така схема дозволяє реалізувати джерело живлення на потужності до 500 Вт. До її переваг можна віднести те, що у первинній обмотці силового трансформатора відсутня постійна складова.

Новизною запропонованого рішення є те, що під підвищуючою обмоткою силового трансформатора намотана додаткова обмотка, яка разом з конденсатором, який включено їй паралельно, утворює коливальний контур. Коливання резонансної частоти утворюються у первинному контурі, який складається з первинної обмотки трансформатора і додаткової обмотки, а потім резонансно передаються у вторинну підвищуючу обмотку трансформатора, з якого потужність через каскадний множувач висока напруга до 20 кВ при струмі у навантаженні до 25 мА поступає на реактор синтезу озону. Коефіцієнт корисної дії системи складає більш ніж 90 %.

Далі наведено описання основних блоків та систем, які входять до озонаторної установки продуктивністю 300 г озону на годину. Наведено структурну схему системи високовольтного живлення та дано її основні технічні характеристики.

Головні техніко-економічні показники озонаторної установки на 300 г О3/год:

До складу озонаторної установки входять окремi функцiональнi блоки, якi пов'язанi мiж собою у технологiчну схему (Рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема озонаторної установки

У четвертому розділі ”Деякі аспекти використання озонаторів” наведено стислий огляд деяких прикладів використання озонаторів на жевріючому розряді атмосферного тиску.

Важливою характерною рисою застосування озону є багатофункцiональнiсть його дiї: це i дезинфекцiя, i покращення якостi повiтря примiщень.

Озонування води дає можливість забезпечити максимальну глибину окислення органічних сполук до нетоксичних речовин, біологічно сумісних з оточуючим середовищем.

Вiдомо, що озонатори можуть бути використанi при обробцi овочiв, фруктiв та iнших сiльськогосподарських та харчових продуктiв з метою знешкодження фiтопатагенної мiкрофлори завдяки зниженню загального обсіменіння поверхнi овочiв та фруктiв.

На протязі кількох років нами проводяться роботи по застосуванню розроблених нами озонаторів на жевріючому розряді атмосферного тиску та вивченню впливу озоноповітряної суміші на сільськогосподарські культури з метою поліпшення якості насіннєвого матеріалу та збільшення врожаю. У процесі досліджень вивчався не тільки вплив озону на схожість та силу життя насіння, але і на знешкодження хвороботворних мікроорганізмів при різних умовах обробки насіння та терміну їх обробки.

Спільно з фахівцями Селекційно-генетичного інституту УААН (м. Одеса) були проведені скрінiнг-дослідження по вивченню можливості застосування розроблених нами озонаторів на жевріючому розряді для боротьби з комахами (шкідниками запасів сільськогосподарської продукції) і для захисту овочів і фруктів від мікробних патогенів при зберіганні.

Спільно з фахівцями Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр'єва (м. Харків) були проведені лабораторні дослідження застосування розроблених нами озонаторів на жевріючому розряді для знищення шкідників елiтного посівного матеріалу.

Дуже задовільні результати дає обробка, за допомогою розроблених нами озонаторів на жевріючому розряді, приміщень птахоферм та тваринницьких комплексiв.

Також нами були проведені дослідження по знезараженню та доочищенню поверхневих природних вод (річка, ставок) озоноповітряною сумішшю за допомогою розроблених нами озонаторів на жевріючому розряді. В результаті проведених досліджень можна зробити висновок про високу ефективність знезараження поверхневих природних вод.

синтез озон електродинамічний плазмохімічний

Висновки

Теоретично обгрунтовано та перевірено експериментально можливість і високу ефективність генерації озону у генераторах на жевріючому розряді атмосферного тиску при використанні електродної системи “голка-площина” з позитивним потенціалом на голці та приведеній напруженості електричного поля E/N70100 Td, при енерговкладі 550 мДж/см3, з енергозатратами 1215 Вт/гО3 безпосередньо з атмосферного повітря без застосування попереднього його сушіння.

2. Показано, що вольфрам, молібден, титан та нержавіюча сталь є найбільш стійкими та надійно працюючими матеріалами для електродів реактора синтезу озону.

3. Показано, що коаксіальна геометрія плазмохімічного реактора синтезу озону при діаметрі голок у межах 0,20,7 мм, відстані між голками у межах 815 мм, та відстані між електродами у межах 1015 мм забезпечує підвищену стійкість газового розряду.

4. Показано, що у реакторі синтезу озону на жевріючому розряді концентрація і продуктивність по озону прямо пропорційні потужності, яка вкладена у розряд.

5. Запропоновано і розроблено систему живлення генераторів озону на основі резонансного інвертора з коефіцієнтом корисної дії більш ніж 90% при напрузі до 20 кВ та стумі у навантаження до 25 мА.

6. Створено озонаторні установки з використанням жевріючого розряду продуктивністю 10 г та 300 г озону на годину.

7. Розроблено та досліджено деякі напрямки використання генераторів синтезу озону на жевріючому розряді у сільському господарстві, водопідготовці та харчовій промисловості.

У додатку А наведено характеристики озонаторів різних провідних фірм.

У додатку Б наведено експериментальні дані по вивченню електродинамічних характеристик реактора озону на жевріючому розряді атмосферного тиску.

У додатку В наведено результати випробувань плазмохімічного реактора синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску.

У додатку Г наведено основні кінетичні реакції у жевріючому розряді у повітрі.

У додатку Д наведено лінії спектра випромінювання жевріючого розряду.

У додатку Е наведено перелік державних стандартів, технічних умов та інші документи, які було використано при розробці озонаторів.

У додатку Ж наведено перелік актів з результатами проведених досліджень по використанню озонаторів на жевріючому розряді.

Список праць, опублікованих здобувачем за темою дисертації

1. Бруєв О.А., Голота В.І., Карась В.Г., Мухін В.В., Пащенко І.А., Таран Г.В., Шило С.М. Дослідження плазмохімічних реакторів синтезу озону на жевріючому розряді атмосферного тиску // Український фізичний журнал. - 1998. Т. 43, № 9. - С. 1187-1189.

2. Автором проведені дослідження по вивченню ефективності наробки озону при додатній та від'ємній напрузі на голчатому електроді.

3. Демченко П.А., Ковальчук И.К., Митроченко В.В., Таллер Е.Г., Таран Г.В., Шулика Н.Г., Яшин П.А. Экспериментальное исследование динамики протонов в ускорителе с переменно-фазовой фокусировкой // Вопросы атомной науки и техники. Сер. техника физического эксперимента. - 1985. №3(24). - С. 28-31.

4. Автором запропоновано системи вимірюванню току та напруги у пучках часток та у плазмових згустках, які було покладено в основу при розробці диагностичних систем у високовольтних джерелах живлення.

5. Таллер Е.Г., Таран Г.В., Хайло В.Д., Чернецкий К.В. Генератор высоковольтных импульсов со стабильной вершиной // Вопросы атомной науки и техники. Сер. техника физического эксперимента. - 1987. № 4(35). - С. 59-60

6. Автором запропоновано систему стабілізації високовольтної напруги, яка використовується в системах живлення озонаторів продуктивністю 300 г О3/год.

7. Голота В.И., Карась В.И., Пащенко И.А., Таран Г.В., Шило С.Н., Кочетов И.В., Напартович А.П., Александров Н. Л. Исследования генерации озона в бегущем объемном разряде при атмосферном давлении // Вопросы атомной науки и техники. Сер. плазменная электроника и новые методы ускорения. - 1998. - № 1. - С. 60-64.

8. Автором запропоновано механізм переносу заряду у системі голка-площина при сталій напрузі на голках.

9. Голота В.И., Карась В.И., Пащенко И.А., Таран Г.В., Шило С.Н. Экспериментальные исследования электродинамических и газодинамических характеристик химических реакторов различных конструкций с различной формой электродов из разных материалов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. плазменная электроника и новые методы ускорения. - 1998. - № 1. - С. 65-66.

10. Автором запропоновано матеріали аноду плазмохімічних реакторів, найбільш стійких в агресивних середовищах.

11. Голота В.И., Карась В.И., Пащенко И.А., Таран Г.В., Шило С.Н. Исследования электродинамических и газодинамических характеристик плазмохимических реакторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. плазменная электроника и новые методы ускорения. - 1998. - № 1. - С. 67.

12. Автором проводилися вимірювання концентрації озону при різній полярності прикладеної напруги, для різних потужностей у розряді.

13. А.с. 1560017 СССР, МКИ Н 02 М 7/10. Стабилизированный преобразователь напряжения / Таллер Е.Г., Таран Г.В., Хайло В.Д. (СССР). - №4364050/24; Заявлено 14.01.1988; - 3 с.

14. Автором запропоновано схему імпульсної стабілізації високої напруги.

15. Патент 23187 А України, МКІ С 01 13/11. Джерело живлення генератора озону / Бережний С.М., Голота В.І., Мухін В.В., Таран Г.В. (Україна); Заявл. 20.08.96; Опубл. 19.05.98. - 2 с.

16. Автором запропоновано систему живлення генераторів озону на основі резонансного інвертора.

17. Antonov V.A., Bruev A.A., Golota V.I., Mukhin V.., Pashchenko I.A., Taran G.V., Shilo S.N. Glow investigations of high-pressure discharge with high-speed pumping // 23rd European physical society conference on controlled fusion and plasma physics. - Kiev (Ukraine). - 1996, June 24-28. - Р. j030.

18. Автором проводились вимірювання спектрів випромінювання жевріючого розряду у видимій та ультрафіолетовій областях.

19. Antonov V.A., Bruev A.A., Golota V.I., Mukhin V.V., Pashchenko I.A., Shilo S.N., Taran G.V. Ozone generation in high-pressure glow discharge with high-speed pumping // 3rd International conference on reactive plasmas and 14th Symposium on plasma processing. - Nara (Japan). - 1997, January 21-24. - Р. 204.

20. Автором проводились вимірювання вольт-амперних характеристик жевріючого розряду при атмосферному тиску.

21. Karas' V.I., Golota V.I., Taran G.V., Shilo S.N., Paschenko I.A. Experimental studies into electrodynamic and gas-dynamic characteristics of chemical reactors of different designs with variously shaped electrodes made of different materials // 14 - th European conference on the atomic and molecular physics of ionised gases. - Malahide (Ireland). - 1998, August 26-29. - Р. 244-245.

22. Автором проводились дослідження стійкості різних металів, з яких виготовлено анод плазмохімічного реактору в озоно-повітряному середовищі.

23. Karas' V.I., Golota V.I., Taran G.V., Shilo S.N., Paschenko I.A. Investigation of electrodynamic and gas-dynamic characteristics of plasma-chemical reactors // 14 - th European conference on the atomic and molecular physics of ionised gases. - Malahide (Ireland). - 1998, August 2629. - Р. 476-477.

24. Автором проводились вимірювання залежності концентрації озону у плазмохіміч-ному реакторі від потужності, яка вкладена у розряд, при різних витратах повітря.

25. Karas' V.I., Golota V.I., Paschenko I.A., Taran G.V., Shilo S.N., Napartovich A.P., Kochetov I.V., Alexandrov N.L. Studies of ozone generation by travelling space discharge (TSD) at atmospheric pressure // International symposium on high pressure, low temperature plasma chemistry. - Cork (Ireland). - 1998, August 31st - September 2nd. - Р. 194-199.

26. Автором проводились вимірювання електродинамічних характеристик жевріючого розряду.

27. Заявка на пат. 96062532 Україны МКІ А 01 С 1/08. Спосіб знезараження насінневого матеріалу сільськогосподарських культур та продукції з неї від шкідників запасів озоноповітряною сумішшю / Білоус А.И., Весна Б.А., Голота В.И., Матющенко Л.В., Сухомлин Е.А., Таран Г.В., Шило С.Н. (Україна); Заявл. 25.06.96. Опубл. Бюл. Промислова власність №3, 1998.

Автором проводились дослідження по знезараженню зерна при різних концентраціях озону та різних експозиціях

АНОТАЦІЇ

Таран Г. В. Генератори озону на жевріючому розряді атмосферного тиску та деякі аспекти їх використання - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.13 - "Техніка сильних електричних та магнітних полів" Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Обгрунтована та перевірена експериментально можливість і висока ефективність генерації озону у жевріючому розряді атмосферного тиску у системі “голка-площина” з позитивним потенціалом на голці та Е/N 70100 Td із звичайного повітря, при енерговкладі 550 мДж/см3. Розроблено та захищено патентом України систему живлення генераторів озону на основі резонансного інвертора з ефективністю більш ніж 90%. Показано, що використання W, Mo, Ti та нержавіючої сталі для електродів дозволило забезпечити довгострокову роботу реактора. При цьому, коаксіальна геометрія плазмохімічного реактору при діаметрі голок у межах 0,20,7 мм, відстані між голками у межах 815 мм, та відстані між електродами у межах 1015 мм при атмосферному тиску газової суміші у реакторі є найбільш ефективною. Досліджено електродинамічні та спектрометричні характеристики реакторів синтезу озону. На базі проведених досліджень розроблено та виготовлено дослідно-промислові озонаторні установки продуктивністю 10 г та 300 г озону на годину. Розроблено методики використання генераторів синтезу озону у сільському господарстві, водопідготовці та харчовій промисловості.

Ключові слова: озон, генератори синтезу озону, жевріючий розряд, резонансний інвертор, плазмохімічний реактор, електродинамічні характеристики, спектри випромінювання розряду.

Taran G. V. Ozone generators on glow discharge of atmospheric pressure and some aspects of their application. - Manuscript.

Thesis for Candidate's degree in the field of technical sciences on a specialty 05.09.13 - "A engineering of strong electrical and magnetic fields" Kharkov state politechnical university, Kharkov, 1999.

Is justified and the possibility and high effectiveness of ozone generation in a decaying discharge of atmospheric pressure in a system "needle - plane" with a positive potential on a needle and Е/N is checked experimentally E/N 70100 Td from an ordinary air, with power consumption 550 mJ/cm3. A power supply system of ozone generators on basis of resonance inverter with effectiveness more than 90% is protected by the patent of Ukraine. Is shown, that the use W, Mo, Ti and stainless steel for electrodes has allowed to ensure long-term work of units. Thus, coaxial geometry of plasmachemical reactor with a diameter of needles in limits 0,20,7 mm, distance between needles in limits 815 mm, and distance between electrodes in limits 1015 mm with atmospheric pressure of a gas mixture in reactor are most effective. The electrodynamics and spectrometer performances of ozone synthesis reactors are investigated. On basis of carried out investigations are developed and are made ordinary ozone installation by productivity 10 g and 300 g of ozone per hour. The techniques of use of ozone synthesis generators in an agriculture, water treatment and food-processing industry are developed.

Key words: ozone, ozone synthesis generator, glow discharge, resonant inverter, plasmachemical reactor , electrodynamics characteristic, radiation spectrum of discharge.

Таран Г. В. Генераторы озона на тлеющем разряде атмосферного давления и некоторые аспекты их применения - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.13-техника сильных электрических и магнитных полей, Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Обоснованы и проверены экспериментально возможность и высокая эффективность генерации озона в тлеющем разряде атмосферного давления в системе “игла-плоскость” с положительным потенциалом на игле и Е/N 70100 Td из обыкновенного воздуха без специального высушивания, при энерговкладе 550 мДж/см3. Показано, что тлеющий разряд является наиболее эффективным разрядом для наработки озона в кислородсодержащем газе, при генерации озоно-воздушной смеси с низкой (до 1 г/м3) и средней (до 10 г/м3) концентрацией озона, если сравнивать с озонаторами на барьерном разряде. Эффективность наработки озона в тлеющем объемном разряде при атмосферном давлении, при положительной полярности постоянного напряжения, которое приложено к игольчатым электродам, в 1,52 раза выше, по сравнению с приложением отрицательного потенциала.

В результате информационного поиска было установлено, что разработка озонаторных установок ведется в направлении повышения продуктивности и уменьшения энергозатрат на синтез озоно-воздушной смеси и повышения надежности работы устройств. Причем, в развитых странах, за последние годы, количество патентной информации значительно возросло. Информационных источников информации о использовании тлеющего разряда в промышленных озонаторных установках не выявлено.

Исследованы и оптимизированы форма и материал электродов плазмохимического реактора синтеза озона, расстояния между анодом и катодом и секциями анода. Показано, что шаг между игольчатыми электродами в секции анода и между секциями, при атмосферном давлении, должен быть в пределах 815 мм, расстояние между анодом и катодом - в пределах 1015 мм, а диаметр иглы составлять 0,20,7 мм. Наиболее перспективными материалами для изготовления электродов плазмохимических реакторов синтеза озона являются нержавеющая сталь, вольфрам, молибден, титан. Коаксиальная геометрия плазмохимического реактора синтеза озона является наиболее эффективной в связи с отсутствием краевых эффектов. Во всем исследованном диапазоне расхода воздуха для выбранных оптимальных геометрических размеров камеры плазмохимического реактора наблюдалось стойкое горение тлеющего разряда

Исследованы электродинамические характеристики плазмохимических реакторов синтеза озона. В области тлеющего разряда относительно небольшое увеличение напряжения вызывает значительное увеличение тока и концентрации озона в генерируемой озоно-воздушной смеси. При постоянном расходе воздуха концентрация озона в озоно-воздушной смеси на выходе из плазмохимического реактора прямо пропорциональна мощности, вложенной в разряд. При одинаковой вложенной в разряд мощности, с увеличением скорости прокачки воздуха концентрация озона уменьшается. Однако, максимальная мощность, которую можно вложить в разряд, при одном и том же количестве секций анода увеличивается, что приводит к росту производительности одного реактора. Энергозатраты на производство озона в исследованном нами диапазоне расхода воздуха составили 1215 Вт/г О3.

Идентификация спектральных линий излучения тлеющего разряда при атмосферном давлении показывает, что в разрядном промежутке присутствуют возбужденные молекулы с энергией возбужденных состояний 12 эВ () и 13 эВ (-. Это говорит о возможности диссоциации кислорода прямым электронным ударом с последующим образованием озона в одной из кинетических реакций. Однако, так как наряду с переводом молекул кислорода в метастабильное состояние электронным ударом, возможен канал резонансной передачи энергии в это состояние от колебательно-возбуждённых молекул азота, то мы можем рассматривать азот как "буфер" для передачи энергии разряда в кислород с последующей его диссоциацией.

Применение в качестве источника высоковольтного питания плазмохимического реактора синтеза озона резонансного инвертора позволило создать структурно гибкую, при минимальных для современной элементной базы габаритных размерах, систему питания с КПД более 90%, имеющую защиты от токовых перегрузок в реакторе и работающую в режиме стабилизированного генератора постоянного тока.

На основе проведенных исследований разработаны и изготовлены опытно-промышленные озонаторные установки производительностью 10 г и 300 г озона в час. Данные установки могут быть использованы при дезинфекции и дезодорации воды и воздуха, в сельском хозяйстве для предпосевной обработки зерна и семян, при хранении сельскохозяйственной продукции, сушке овощей и фруктов.