Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы использования тонких пленок в конструкциях электроозонаторов 7
1.1. Использование озона в промышленном производстве 7
1.2. Способы производства озона и аэроионов 11
1.3. Методы определения концентрации озона и аэроионов 13
1.4. Использование тонкопленочных датчиков в системах измерения и автоматизации 17
1.5. Технология производства тонкопленочных датчиков 23
1.6. Задачи исследования тонкопленочных конструкций в электроозонаторах 27
2. Электрофизические процессы при синтезе озона 28
2.1. Современная теория образования озона и аэроионов электрическим полем высокой напряженности 28
2.2. Основные соотношения между электрическими величинами и производительностью озонатора 32
2.3. Влияние тепла на производительность озонатора 37
2.4. Магнитное поле и распределение параметров плоской катушки с током 40
2.5. Электрические параметры рабочей камеры с электродом в форме плоской катушки 46
Выводы по главе 2 54
3. Тепловые процессы в электроозонаторах 56
3.1. Теплообмен между тонкой пленкой и газовой средой 56
3.2. Первичный преобразователь в свободном газовом потоке 63
3.3. Работа первичного преобразователя скорости с одномерным газовым потоком в режиме постоянной подводимой мощности 65
3.4. Работа первичного преобразователя скорости с одномерным газовым потоком в режиме переменной подводимой мощности 68
3.5. Теплообмен в разрядной камере озонатора 72
3.6. Датчик скорости одномерного газового потока 76
Выводы по главе 3 82
4. Эксгшриментальные исследования распределения электрического заряда в газовом потоке 83
4.1. Методика определения содержания озона в воздушной ионно-озонной смеси 83
4.2. Влияние положения датчика на скорость нарастания заряда 86
4.3. Влияние площади поверхности датчика и напряжения на электродах озонатора на скорость нарастания заряда 91
4.4. Влияние формы высоковольтного электрода на скорость нарастания заряда на датчике и на электрические параметры электроозонатора 95
4.5. Распределения напряженности магнитного поля плоской катушки 100
4.6. Сопоставление предложенного метода определения концентрации озона в воздушной ионно-озонной смеси с традиционным 102
Выводы по главе 4 105
Общие выводы 107
Литература 109
- Использование озона в промышленном производстве
- Использование тонкопленочных датчиков в системах измерения и автоматизации
- Основные соотношения между электрическими величинами и производительностью озонатора
- Первичный преобразователь в свободном газовом потоке
Введение к работе
В последние годы область применения озона значительно расширилась, чему в немалой степени способствует его экологичность: продукты разложения озона, молекулярный и атомарный кислород, а также предельные оксиды, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ. Озонирование воздуха может оказывать на людей и животных профилактическое и терапевтическое воздействие, и его активно используют в медицине, а также в промышленности и сельском хозяйстве, он обладает рядом ценных свойств как дезинфектанта и дезодоранта. Широкое распространение получили бытовые приборы с генераторами озона.
Однако озон оказывает благоприятное воздействие лишь в определенных концентрациях; в больших дозах он представляет собой очень токсичный и опасный для здоровья людей и животных раздражающий газ, поэтому при использовании озона очень важен контроль за его концентрацией. В настоящее время отсутствуют эффективные средства контроля производительности озонаторов, что является сдерживающим факторов для их широкого применения.
Практическое применение находят различные способы получения озона, но наибольшее распространение получил электросинтез. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона значительных концентраций с высокой производительностью установок.
Озонаторы, применяемые в различных промышленных отраслях, в силу специфики их работы должны быть экономичны и малогабаритны. Необходимы также устройства, с помощью которых быстро и эффективно можно контролировать производительность озонаторов. Значительный вклад в решение этих вопросов может внести усовершенствование электродной системы электроозонатора, а также установление соотношения концентрации отрицательных ионов и озона в воздушной ионно-озонной смеси.
В диссертации приведены результаты исследования эффективности применения тонких пленок для повышения производительности электроозонатора и контроля над производительностью путем замены высоковольтного пластинчатого электрода на электрод в форме плоской катушки. Приведены также результаты изучения соотношения между количеством отрицательных ионов и концентрацией озона в воздушной ионно-озонной смеси.
Цель исследования - повышение эффективности электроозонаторов за счет усовершенствования конструкции рабочей камеры и применения новых средств контроля производительности в режиме текущего времени.
Объект исследования - электроозонатор проточного типа с плоской рабочей камерой.
Предмет исследования - электромагнитные процессы в электрической цепи озонатора с высоковольтным электродом, выполненным в форме плоской тонкопленочной катушки, тепловые процессы в рабочей камере озонатора, электрофизические свойства производимой озонатором воздушной ионно-озонной смеси.
Методы исследования. В работе использованы классические методы теоретической электротехники, электротехнологии и термодинамики. Исследование процессов в электрической цепи озонатора выполнено с применением математической модели электрической цепи, экспериментальные исследования проведены на опытной конструкции электроозонатора.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
математическое описание электрической цепи электроозонатора с электродом в форме плоской катушки;
закономерности влияния формы электрода на тепловые потоки в рабочей камере электроозонатора;
закономерности в распределении электрических зарядов в потоке воздушной ионно-озонной смеси;
- предложенный способ определения производительности электроозона
тора по скорости нарастания электрического заряда на датчике, помещенном в
поток ионно-озонной смеси, и система ее регулирования.
Научную новизну работы составляют:
математическое описание электрической цепи рабочей камеры с высоковольтным электродом в форме плоской тонкопленочной катушки как цепи с распределенными параметрами;
математическое описание тепловых процессов в рабочей камере электроозонатора при выполнении высоковольтного электрода в форме плоской катушки;
определение закономерности нарастания электрического заряда на датчике в потоке воздушной ионно-озонной смеси на выходе электроозонатора при изменении площади, места расположения датчика и наличия внешнего магнитного поля;
обоснование формы выполнения электрода в форме плоской катушки, подтвержденное патентом РФ;
Реализация и внедрение результатов работы. По результатам исследований электроозонатор для дезинфекции куриного яйца и упаковочной тары изготовлен, испытан и внедрен в цехе упаковки готовой продукции предприятия ЗАО «Агрокомплекс» (птицефабрика «Кубань»).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях КубГАУ 1998-2006 гг. (Краснодар), на Всероссийских, международных и региональных научных конференциях «Современные проблемы экологии» (Анапа, 1996 г.), «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2000 г.), «ВРНК-2007» (Краснодар, 2007 г.), «Электромеханические преобразователи энергии» (Краснодар, 2004-2006 гг.), «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2007 г.).
Публикация результатов работы. Результаты исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ на изобретения.
Использование озона в промышленном производстве
Озон - это второе относительно устойчивое аллотропное соединение кислорода. В отличие от двухатомной молекулы кислорода молекула озона состоит из трех атомов кислорода и имеет более длинные межатомные связи (длина связи в молекуле озона 128 А, в то время как в молекуле кислорода - 121 А).
Физические свойства озона. Озон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета с температурой кипения -112С и температурой плавления -192С. .
Слово «озон» в переводе с греческого означает «пахнущий», и это название действительно отражает одну из особенностей озона - его характерный запах проявляется уже при концентрациях в воздухе 1(Г7-1(Г8%.
Благодаря высокой химической активности озон имеет низкую предельно допустимую концентрацию в воздухе (соизмеримую с ПДК боевых отравляю _о } щих веществ) 5-Ю %, или0,1мг/м [46].
Химические свойства озона. Исследователи прежде всего отмечают два свойства озона. 1. В отличие от атомарного кислорода озон является относительно устойчивым соединением. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом скорость реакции прямо пропорциональна его концентрации. При концентрациях 12-15% озон может разлагаться со взрывом. Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения (20з— ЗОг + 68 ккал) экзотермична, сопровождается выделением большого количества тепла [46, 83].
2. Озон является одним из сильнейших природных окислителей. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения: у фтора - 2,4 В, а у хлора - 1,7 В). Озон окисляет все металлы, за исключением золота и металлов группы платины. В реакции окисления по активности озон уступает только фтору и его окислам. Механизм окисления может происходить по-разному: с участием только одного или всех трех атомов кислорода с образованием соединений исходного вещества с молекулами озона (озонидов).
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра, в частности с фенолом, а также с насыщенными углеводородами с разрушением двойных углеродных связей.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и смежных отраслях. Реакции озона с непредельными соединениями позволяют искусственным путем получать различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины, а также полимерные материалы. Его реакции с ароматическими углеводородами - дифени-ловую кислоту, фталевый диальдегид и фталевую кислоту и др [48, 70, 83]. Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред, помещений и сточных вод [93].
Биологические свойства озона. Несмотря на большое количество исследований в этой области, механизм воздействия озона на биологические объекты недостаточно раскрыт. Известно, что высокие концентрации озона могут вызывать поражение дыхательных путей, легких и слизистой животных и человека. Длительное воздействие озона приводит к развитию хронических заболеваний легких и верхних дыхательных путей [46, 70, 90].
Воздействие малых доз озона оказывает профилактическое и терапевтическое воздействие при некоторых заболеваниях и используется в медицине.
Озон уничтожает микроорганизмы, разрушая мембрану и окисляя протоплазму клетки. При этом следует отметить, что губительные для простых микроорганизмов концентрации озона на несколько порядков ниже, чем для более высокоорганизованных [48].
Так как биологическое действие озона на живые организмы зависит от его концентрации в окружающем воздухе, актуальной становится проблема контроля за уровнем содержания озона в воздухе при искусственной его ионизации.
Применение озона. Практическое применение искусственного озона началось с установок по очистке питьевой воды. В настоящее время в Европе 95% питьевой воды проходит озонную обработку. Применение озона в системах очистки воды оказалось в высшей степени эффективным, однако таких же действенных и безопасных воздухоочистительных систем до сих пор не создано. Озонирование считается нехимическим способом очистки и поэтому популярно среди населения. Вместе с тем, долговременное воздействие микроконцентраций озона на организм человека изучено недостаточно. При очень незначительной концентрации озона воздух в помещении воспринимается приятным и свежим, а неприятные запахи ощущаются гораздо слабее. В противоположность распространенному мнению о благоприятном воздействии этого газа, которое приравнивают в некоторых проспектах к действию богатого озоном лесного воздуха, на самом деле озон даже при большом разбавлении представляет собой очень токсичный и раздражающий газ, поэтому контроль концентрации озона в воздухе является насущной необходимостью.
К достоинствам озона относят биоцидное действие при низкой концентрации, возможность его использования для обеззараживания труднодоступных поверхностей, более короткий период полураспада в сравнении с другими газами, а также наличие дезодорирующего эффекта [51].
Дезинфицирующее действие озона связывается с разрушением вирусов, инактивацией обратной транскриптазы и влиянием на ее способность связываться с клеточными рецепторами. Эффективность стерилизующего действия озона зависит от его концентрации, продолжительности воздействия, температуры, влажности, вида микроорганизма и исходной обсемененности обеззараживаемого воздуха.
Использование тонкопленочных датчиков в системах измерения и автоматизации
Проектирование и технология изготовления тонкопленочных микросхем рассматриваются в ряде книг отечественных и зарубежных авторов [6,13,17,51,58].
Производство и применение тонких пленок связано с различными областями науки: физикой тонких пленок, вакуумной техникой, техникой сверхвысоких частот [32, 65]. Они широко применяются в современной микроэлектронике, которая является интегральной. В настоящее время наиболее отработаны и введены в серийное производство два типа интегральных микросхем: тонкопленочные и полупроводниковые [26].
Основными элементами тонкопленочных микросхем являются подложка и система пассивных элементов, включающая резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, проводники и контактные подложки [102]. .
В конструкции озонаторов тонкопленочные покрытия применяются при изготовлении электродов рабочей камеры в зарубежных моделях озонаторов. В некоторых озонаторах американского производства высоковольтный электрод представляет собой стеклянный цилиндр, покрытый изнутри проводящим слоем.
Измерение и контроль влажности, температуры, освещенности, насыщенности вредными и агрессивными газами, степени ионизации воздушной среды и других неэлектрических характеристик с помощью датчиков, преобразующих неэлектрические показатели в электрические сигналы, позволяет осуществлять своевременный дистанционный контроль за технологическими процессами производства [14,16,18,72].
Для определения температуры газа в рабочей зоне озонатора можно использовать пленочные термометры сопротивления (ТС). Они представляют собой печатный резистор, сформированный групповым методом фотолитографии напыленной, осажденной из газовой или жидкой среды или отожженной из паты пленки, закрепленной на диэлектрической пластине, и присоединенных электроподводов. Обычно пленочный резистор защищен диэлектрической пленкой, но может быть и без нее. На рис 1.4 представлены переходные характеристики проволочных и пленочных ТС [15].
Основное достоинство пленочных термометров сопротивления заключается в высокой скорости регистрации тепловых процессов (до 106 Гц) [108]. Можно отметить, что пленочные ТС значительно превосходят проволочные по быстродействию.
Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что пленочные ТС обладают высокой скоростью регистрации тепловых процессов, но большой инерционностью при их точном измерении. Такая двойственность поведения пленочных ТС объясняется их конструкцией. Тонкий, открытый, поверхностно расположенный пленочный терморезистор быстро реагирует на изменение температуры окружающей среды. При этом возникают тепловые потоки через резистор к толстой подложке (толщиной 10 м), в результате чего подложка медленно меняет свою температуру. И температура пленочного ТС становится точно равной температуре окружающей среды только после установления теплового равновесия между подложкой и окружающей средой. Этим и объясняется медленное приближение температуры пленочного терморезистора к температуре окружающей среды.
Наиболее перспективны металлофольговые конструкции приборов для теплового измерения параметров газовой среды. Фольговые резисторы по основным параметрам превосходят проволочные и тонкопленочные резисторы [20]. Фольговые резисторы изготавливают из металлических сплавов, имеющих совершенную структуру, в результате чего они обладают высокой стабильностью сопротивления в процессе эксплуатации. О совершенстве структуры фольги свидетельствует низкий уровень электрических шумов фольговых резисторов, не регистрируемый существующими приборами [33], в то время как шумы тонкопленочных резисторов достигают более 20 дБ [32]. Фольговые резисторы, как и пленочные, имеют малую величину индуктивности и емкости, допускающую их применение при работе в импульсных условиях и в высокочастотных схемах.
Преимущество характеристик фольговых резисторов связано с их конструкцией. Это позволяет сделать вывод, что и фольговые конструкции термометров сопротивления будут более чувствительными, стабильными и дешевыми в производстве.
Чувствительность и быстродействие тепловых детекторов вполне соответствует условиям широкого круга технологических процессов. Поэтому этот метод лег в основу целого ряда устройств непрерывного контроля состава среды [65]. Достижения современного производства тонких пленок позволяют изготовлять датчики по своим размерам, электрофизическим и эксплуатационным характеристикам, взаимозаменяемые, без какой-либо подстройки контролирующей аппаратуры, что чрезвычайно важно в условиях производства.
Из большого разнообразия причин, снижающих надежность работы регулирующей и контролирующей аппаратуры, наибольшее влияние имеют резкие колебания температуры, большая влажность и биологические факторы (грибковые образования, агрессивные газы и жидкости и т. д.).
Основные соотношения между электрическими величинами и производительностью озонатора
С ростом числа искр увеличивается температура разрядной зоны, усиливается разложение озона. Работа озонатора при перегреве становится неэффективной. Поэтому рабочий режим озонатора должен лежать в области линейной части кривой зависимости концентрации озона Соз от напряжения.
При описании кинетических реакций в газе [112] определяющую роль играет понятие удельной энергии разряда. Удельная энергия разряда - количество энергии, приходящейся на единицу объема, проходящего через озонатор газа. Была получена зависимость влияния мощности разряда на электросинтез озона при постоянной скорости потока [28]. При малой удельной энергии разряда концентрация его увеличивается практически пропорционально мощности разряда. По мере увеличения мощности концентрация доходит почти до стационарной, и скорость ее роста замедляется, а при дальнейшем увеличении мощно сти концентрация озона начинает падать. Это объясняется тем, что влияние мощности разряда не исчерпывается фактором удельной энергии, а с увеличением мощности изменяется тепловой режим озонатора. При малой мощности, когда разряд не успевает полностью заполнить разрядный промежуток, температура газа мала, разложения озона почти нет и концентрация его растет. При дальнейшем увеличении мощности, после того как разрядный промежуток заполнится, плотность энергии начинает расти и температура газа увеличивается, при этом интенсивнее происходит разложение озона. Значение мощности, до которой температура газа остается постоянной, названо критическим, а сама температура - критической температурой. Установлено, что величина критической мощности разряда пропорциональна объему реакционной зоны озонатора, следовательно, зависит от ширины его разрядного промежутка. Из этого следует, что для повышения производительности озонатора, необходимо контролировать температуру разрядного промежутка и при достижении критической мощность разряда поддерживать постоянной.
Отношение массы полученного озона ко всей затраченной энергии называется энергетическим выходом Е и выражается в г/(кВт-ч). При уменьшении фактора удельной энергии энергетический выход растет, с увеличением разрядного промежутка предельные энергетические выходы уменьшаются. Озонаторы с узкими и широкими промежутками различаются не только предельными энергетическими выходами, но и характером разряда [3]. Величина заряда и энергия искр в озонаторах с разрядными промежутками 3 и 4 мм больше, чем в озонаторах с разрядными промежутками 0,5-2 мм. Следовательно, можно допустить, что увеличение энергии искр, а следовательно, и ухудшение структуры разряда приводит к уменьшению предельных энергетических выходов. Отсюда можно сделать вывод, что если в озонаторах с широким разрядным промежутком удалось бы получить разряд с меньшей энергией искр, то увеличится предельный энергетический выход. Это можно сделать, как показывают эксперименты [3], увеличив толщину диэлектрического барьера. Это приводит к улучшению структуры разряда и увеличению предельных энергетических выходов для озонаторов с разрядными промежутками 1-4 мм, а также менее одного миллиметра, к уменьшению предельных энергетических выходов. Следовательно, можно сделать вывод, что имеется некоторый оптимальный диапазон энергии искр, в котором эффективность их химического действия максимальна. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что предельный энергетический выход озона, а следовательно, и степень ионизации зависит от структуры и типа разряда и скорости движения воздушного потока через озонатор. Характер разряда зависит от активной мощности озонатора, толщины разрядного промежутка и от толщины и рода диэлектрического барьера, и, что важно, каждый из этих параметров в свою очередь зависит от других. Поэтому важно контролировать скорость потока, температуру в зоне газового разряда, а также увеличить активную мощность озонатора.
Первичный преобразователь в свободном газовом потоке
В зависимости от поставленной задачи чувствительный элемент может содержать один, два, четыре и более терморезисторов. Чувствительный элемент с одним терморезистором может измерить только величину скорости газового потока. Два терморезистора, включенные дифференциально в мостовую схему, могут измерить как скорость, так и направление одномерного газового потока, а с четырьмя терморезисторами можно измерить векторы скорости двумерного газового потока.
Задача заключается в измерении скорости воздушной ионно-озонной смеси в газовом канале. Рассмотрим работу первичного преобразователя (ПП) скорости с одномерным газовым потоком.
Примем несколько допущений: 1. Сопротивление терморезистора равномерно распределено по площади поверхности чувствительного элемента. 2. Край терморезистора совпадает с краем диэлектрической подложки. 3. Над и под чувствительным элементом нет близко расположенных стенок.
Для анализа работы чувствительного элемента ПП скорости газа используем теорию конвективного теплообмена. Предположим, что теплоотдача от нагретой пластины в парогазовую среду (ПГС) сосредоточена в пределах неко Из уравнений (3.46) и (3.47) видно, что чувствительность преобразователя скорости, работающего в режиме постоянной подводимой мощности, уменьшается с увеличением скорости, поэтому такой режим работы выгоден при малых скоростях газовых потоков. Эти уравнения с учетом того, что = 1 ; (3.48) AR 2 и К позволяют оценить и предельную точность измерения скорости газового потока фольговыми ПП. По формуле (3.47) относительная погрешность измерения скорости газа определяется двойной относительной погрешностью измерения сопротивления терморезисторов. Современные приборы (например, компаратор РЗООЗ) позволяют измерять сопротивление и напряжение с точностью ІО -КґУо, следовательно, относительная погрешность измерения скорости газа может достигать величины 10 5-10Л
Режим переменной подводимой мощности при работе ПП скорости используется при измерении больших скоростей (более 1 м/с) потоков ПГС, когда чувствительность ПП, работающего в режиме постоянной подводимой мощности, стремится к нулю.
В этом случае температура МПЧЭ (а следовательно, и его сопротивление) поддерживается постоянной благодаря изменению подводимой к терморезисторам электрической мощности. Найдем уравнение описывающее работу ПП скорости газа в режиме постоянной температуры.
Ход кривых показывает, что характеристика ПП скорости газа, работающего в режиме постоянной подводимой мощности, имеет максимум при скорости газа 0,1 м/с, и, следовательно, этой скоростью ограничена его работоспособность. Первичный преобразователь скорости, работающий в режиме переменной подводимой мощности, несмотря на меньшую чувствительность по сравнению с ППС постоянной моТаким образом, мы получили уравнения, описывающие работу ГШ в режиме постоянной подводимой мощности и в режиме переменной мощности (постоянной температуры), в случае 6x h.
Рассмотренный в предыдущем разделе пример показывает, что при малых скоростях потока газа толщина теплового пограничного слоя составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров и лишь при наличии этого слоя задачу можно рассматривать с позиций конвективного теплообмена.
Процесс теплообмена в разрядной камере озонатора весьма сложен. Так как доля тепла, непосредственно выделяемого диэлектрическим барьером, составляет 50% при ширине разрядного промежутка d = 1 мм и достигает 100% при его увеличении до 6 мм, источником тепловой мощности будем считать диэлектрический барьер.
Теплоотвод от диэлектрического барьера осуществляется тремя путями: - теплопередачей, за счет теплопроводности воздушного потока, материала диэлектрического барьера и корпуса (поток тепла Qx); - конвекции, за счет теплоемкости газа уносится газовым потоком; - теплоотдачей излучением. Тепловое сопротивление воздушного потока и корпуса определяется выражением [110]: щности, сохраняет работоспособность до скоростей в десятки метров в секунду.
