Влияние шага спирали на барьерный разряд в диэлектрической трубке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние шага спирали на барьерный разряд в диэлектрической трубке

Ю.Г. Смирнова

Наиболее удобным и энергетически выгодным способом производства озона является электрический разряд в газе в специальных устройствах - озонаторах. Разряд в озонаторе малоисследован, из-за сложных процессов сопровождающих электрический разряд [1]. Знание механизма и процессов, сопровождающих разряд важно для конструирования и оптимизации генераторов озона.

В 1996 году В.С. Энгельштом [2] был запатентован озонатор на основе барьерно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке с металлической спиралью. Ранее проведенные исследования показали перспективность использования данного озонатора для приготовления лечебно-профилактических озонированных жидкостей и масел.

В данной работе приведены результаты исследования, влияния шага навивки спирали на характеристики разряда.

Экспериментальная часть. Озонатор представляет собой диэлектрическую трубку из поливинилхлорида, длиной 0,3 метра, внутренним диаметром 10 мм, толщиной стенок 2,5мм (рис. 1). Внутрь трубки помещается металлическая спираль из нихрома диаметром 0,8 мм с заданным шагом спирали. На спираль подается переменное напряжение с высоковольтного трансформатора ТГ 1020К-У2. Диэлектрическая трубка помещается в воду, к которой подводится второй электрод. Через трубку продувается осушенный газ (кислород или воздух). Электрические характеристики разряда в озонаторе, при различных шагах спирали, изучались путем осциллографирования тока I(t), напряжения U(t), и вольткулоновской характеристики q(U) (рис. 2). Вольткулоновская характеристика q(U) имеет форму циклограмм, где заряд и напряжение связаны между в координатах. Их зависимость представляет фигуру, площадь которой численно равна величине энергии выделяемой разрядом за период приложенного напряжения и не зависит от формы нагрузки [3].

Концентрации озона определялась йодометрическим методом по стандартной методике [4]. Сущность метода заключается в том, что через раствор йодистого калия и серной кислоты барботируется озоно-кислородная смесь. В результате химической реакции выделяется свободный йод. Выделившийся йод оттитровывается серноватокислым натрием (тиосульфат натрия). Титрование проводится до полного связывания свободного йода, в присутствии индикатора крахмала количество тиосульфата пошедшего на титрование, пропорционально количеству озона, вступившему в реакцию.

Рис. 1. Продольный разрез озонатора

Рис. 2. Электрическая схема установки: 1 - лабораторный автотрансформатор, 2 - высоковольтный трансформатор ТГ1020К-У2, 3 - делитель напряжения, 4-электронный миллиамперметр, 4 - измерительная емкость, 6- озонирующий блок

Основные результаты. Визуальное наблюдение за разрядом выявило ряд особенностей. Разряд в диэлектрической трубке, при различных шагах спирали, зажигается при одном и том же напряжении (около 2 кВ). Характер протекания эволюции разряда на воздухе, для всех рассматриваемых шагов спирали аналогичен: свечение разряда возникает белым ореолом вокруг спирали, затем становятся различимы отдельные микроискорки, свечение приобретает сиреневый оттенок и распространяется на стенки диэлектрической трубки. С увеличением напряжения разряд становится интенсивнее. При напряжении Uэф=9кВ на шагах спирали S = 0,15см и 0,25см наблюдается необычная картина. Спираль, контуры которой четко выделяются фиолетовым свечением на фоне трубки, приобретает дискретный характер, становятся заметны, чередующиеся яркие и темные места на спирали. На остальных исследуемых шагах спирали ничего подобного не наблюдалось. Спираль равномерно покрывалась однородным свечением, распространявшимся по поверхности диэлектрика.

На воздухе мощность и ток разряда больше, чем на кислороде при тех же напряжениях и шагах спирали, концентрация озона на воздухе значительно ниже.

Варьирования расхода газа значительного влияния на электрические характеристики разряда не оказывает.

На рис. 3 представлен график зависимости тока разряда на кислороде от шага навивки спирали. Ток увеличивается с напряжением и уменьшается с увеличением шага спирали. Активная мощность разряда с изменением шага спирали проходит через пик, приходящийся на шаг спирали S=1,5 см (рис. 4.).

Концентрация озона, также как и активная мощность, имеет максимум на шаге S = 1,5 см для больших напряжений (рис.5). При напряжении 3 кВ концентрация максимальна на шаге 0,25 см, затем постепенно спадает. Концентрация озона уменьшается для всех исследуемых шагов спирали с увеличением расхода кислорода и растет с напряжением.

Энергозатраты для различных шагов и расходов кислорода приведены на рис. 6. Энергозатраты убывают с напряжением до минимума на U= 6 кВ, после чего увеличиваются. При низких напряжениях наблюдается тенденция роста энергозатрат с увеличением шага спирали, при напряжении в 6 кВ энергозатраты выравниваются и колеблются в пределах 3,6 4,5 кВт*час/кг О₃.

Рис. 3. Ток разряда при варьировании шага спирали

Рис. 4. Актиавная мощность разряда для U=10 kB

Рис.5. Концентрация озона для расхода кислорода 0,2 л/мин

Рис. 6. Энергозатраты на синтез озона для различных шагов спирали

Анализ результатов. В [5] предлагается способ проведения плазменно-химических реакций, где одновременно создают дополнительное электрическое поле направленное по отношению к основному встречно, что обеспечивает предотвращение появления стримеров и способствует повышению устойчивости процесса и снижения энергозатрат. В диэлектрической трубке с металлической спиралью это преимущество обеспечивается конструктивной особенностью озонатора, встречные поля создаются витками спиралей. Напряженность поля максимальна у поверхности проводника, с удалением напряженность убывает. При малом межвитковом расстоянии влияние электрических полей значительно и встречные поля не дают возможности развиваться лавинам и стримерам, ограничивая сферу их распространения. По-видимому, это и объясняет визуальную картину, наблюдаемую при шаге спирали S=0,15 см и 0,25 см. При удалении витков друг от друга, т.е. при увеличении шага спирали, влияние напряженности поля уменьшается и появляется возможность для развития токовых каналов.

Разница в электрических величинах на кислороде и на воздухе объясняется сложностью физико-химических процессов происходящих в разряде на воздухе [6]. На кислороде электросинтез эффективнее и за счет того, что в разряде не образуется химические соединения, способствующие разрушению озона. Поэтому интерес представляет именно синтез озона на кислороде. плазменный реакция диэлектрический металлический

Исследователями [7] приводится картина, отличающаяся от наблюдаемой нами, концентрация озона сначала повышается с напряжением, а затем падает с дальнейшим повышением. Эффект резко выражен и сдвинут к низким напряжениям при малых шагах спирали. Повышение концентрации озона с напряжением связано, с увеличением мощности и плотности разряда, а уменьшение с ограничением разрядной области интерференцией наружных каналов разряда. Отсутствие эффекта снижения концентрации, в нашем случае, объясняется тем, что продуваемый газ успевает охлаждать поверхность трубки, не позволяя перегреваться диэлектрику и предотвращая термическое разрушение озона. При малых шагах концентрация меньше из-за ограничения разрядной области при наложении электрических полей друг на друга.

В [8] приводятся результаты исследования показывающие, что вблизи напряжения зажигания коронного разряда можно генерировать озон из кислорода с энергозатратами, близкими к теоретически минимальному пределу 0,835 кВт*ч/кгО₃., где практически весь нарабатываемый озон выносится за пределы разряда без разрушения. Автором были достигнуты минимальные энергозатраты 1 кВт*ч/кгО₃. В нашем случае получены энергозатраты, недалекие от идеальных 4,5 кВт*ч/кгО₃, при концентрации 32г/м³. На аналогичном озонаторе с длиной трубки 12 м и шаге спирали 1см энергозатраты в минимуме составляли 50 кВт*ч/кгО_3. Такая разница объясняется мощностями разрядов и техническим исполнением озонаторов.

Выводы

Полученные результаты исследования поведения разряда в зависимости от шага спирали позволяют сделать следующие выводы:

При малых шагах спирали электрическое поле, создаваемое витками спиралей, интерферирует, ограничивая область распространения разряда.

Активная мощность, ток разряда увеличиваются с шагом спирали из-за увеличения разрядных микроканалов. На воздухе активная мощность значительно больше, чем на кислороде.

Концентрация озона зависит от напряжения и расхода газа, на кислороде растет с шагом спирали, достигая максимума в 32г/м ³ при S =1,5 см.

Энергозатраты не далеки от теоретически минимального предела, когда весь нарабатываемый озон выносится за пределы разряда._.

Литература

1. Филипов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - Москва, 1987, -139 с.

2. Энгельшт В.С., Ларькина Л.Т. Озонатор. Патент КР, -№ 39, 1996.

3. Боромбаев М.К., Шаршембиев К., Энгельшт В.С. Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе // Вестник КРСУ, -Бишкек, 2003. Том 2. -№ 2 - С.53-58.

4. Иодометрический метод измерения концентрации озона. Инструкция Р5 Р-Л 1- 83 Ангарского филиала ОК БА.

5. Энгельшт В.С., Ларькина Л.Т., Нашницин Ю. И. /Способ проведения плазменно - химических реакций. А.С. СССР № 1563317, 8.01.1990.

6. Самойлович В.Г. , Гибалов В.И., Козлов К.В. / Физическая химия барьерного разряда // -М.:МГУ, 1989. - 176 с.

7. Richter R., Pietsch G. Investigation of ozone generation on dielectric surfaces/ ispc-12. August 1995, vol. 2, p. 575-580.

8. Токарев А.В. Определение характеристик коронного факельного разряда как источника получения озона // Автореферат дис. кан. физ.-мат. наук., -Бишкек, 2000.

Размещено на Allbest.ru