Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Барьерный электрический разряд в генераторе озона и сопутствующие явления 19
1 1 Свойства и способы получения озона 19
1 2 Электрические явления в озонном барьерном разряде и их характеристики
1 3 Тепловые явления в элементах озонатора 40
I 4 Кинетика образования озона 48
1 4 1 Стадии образования озона в электрическом разряде 48
1 4 2 Фактор времени в процессе образования озона 54
14 3. Особенности образования озона при барьерном разряде в воздухе 57
1 5 Особенности течения газа в разрядном промежутке озонатора 60
Выводы по первой главе 65
Глава 2. Построение математической модели барьерного электрического озонатора в гидроди намическом приближении (ламинарный режим) 66
2 1 Постановка задачи математического моделирования барьерного электрического озонатора 66
2 2 Расчет энергетических характеристик озонатора 72
2 2 1 Энергетические характеристики озонатора с равномерной толщиной разрядного промежутка 72
2 2 2 Энергетические характеристики озонатора с переменной толщиной разрядного промежутка 74
2 3 Обобщение кинетического уравнения образования озона 77
2.3.1. Обобщение кинетического уравнения для случая ламинарного потока кислорода 78
2.3.2. Обобщение кинетического уравнения для случая воздуха.. 80
2.3.3. Моделирование зависимости констант образования и разложения озона от температуры 87
2.4. Моделирование течения газа в разрядном промежутке озонатора
2.4.1. Стандартный вариант озонатора 90
2.4.2. Озонатор с вращающим магнитным полем 91
2.5. Моделирование тепловых явлений в элементах озонатора 97
2.6. Особенности реализация алгоритмов модели 106
2.6.1. Конечно-разностные схемы для поля температуры 106
2.6.2. Особенности расчета поля концентрации озона 111
Выводы по второй главе 114
Глава 3. Особенности математического моделиро вания озонаторов с турбулентным течением газа 115
3.1. Особенности моделирования поля скоростей в газе при его турбулентном течении через разрядный промежуток 115
3.2. Особенности тепловых явлений в озонаторах с турбулентным течением газа в разрядном промежутке 117
3.2.1. Моделирование распределения температуры в озонаторах с турбулентным течением газа с системой охлаждения 117
3.2.2. Моделирование распределения температуры в озонаторах без системы охлаждения и турбулентным течением газа 123
3.3. Кинетические уравнения образования озона при турбулентном течении озонируемого газа через разрядный промежуток 125
3.4. Моделирование барьерного электрического озонатора с многократным турбулентным прохождением газа через разрядный промежуток 126
З 5 Исследование электрической заряженности озонированного газа при турбулентном режиме работы озонатора 129
3 6 Явление очищения электродов барьерного озонатора при іур- булентном режиме течения озонируемого газа
3 6 1 Расчет электрических сил
3 6 2 Расчет гидродинамических сил
3 63 Сравнение сил .
Выводы по третьей главе .
Глава 4. Результаты моделирования и их обсуждение
4 1. Экспериментальная проверка модели
4 1.1 Зависимость концентрации озона от удельной энергии раз ряда при производстве озона из кислорода 146
4.1 2. Зависимость концентрации озона от удельной энергии разряда при производстве озона из воздуха 147
4.1.3 Зависимость концентрации озона от расхода газа при производстве озона из воздуха 151
4.1.4 Распределение концентрации озона по толщине газового слоя в разрядной зоне 151
4 1 5. Производительность озонатора 154
4.1 6 Температура в разрядном промежутке озонатора 156
4 2 Исследование некоторых физико-химических явлений на моде ли барьерного электрического озонатора 159
4 2 1 Скорость течения газа в разрядной зоне 159
4 2.2 Распределение температуры газа в разрядной зоне 160
4 2 3 Анализ поля концентрации озона в разрядной зоне 163
4 2.4. Исследование производительности озонатора 168
4 3 Задачи оптимизации, разрешимые на построенной модели барьерного электрического озонатора 172
Выводы по четвертой главе 173
Глава 5. Моделирование озонаторов для некоторых спецальных условий работы 174
5.1. Необходимость применения озонаторов для нейтрализации продуктов сгорания твердого ракетного топлива 174
5.1.1 Исследование процессов на различных стадиях развития и обработки струи продуктов сгорания твердого ракетного топлива 174
5.1 2. Проблемы и целесообразность применения озона для совершенствования системы улова и нейтрализации различных компонент сгорающего на стенде ракетного топлива 180
5.1.3. Исследование процесса электризации мелкодисперсного корунда, образующегося при утилизации твердого ракетного топлива 181
5 2. Устройства для коагуляции аэрозольного корунда при утилизации сгорающего твердотопливного ракетного заряда 187
5.3. Барьерный электрический озонатор для стенда по утилизации твердотопливного ракетного заряда 195
5 3 1. Озонатор без системы принудительного охлаждения с ламинарным потоком озонируемого газа 196
5.3.2 Барьерный электрический озонатор с температурной динамикой и многократным турбулентным прохождением газа через разрядный промежуток 207
5 4. Расчет озонатора «ЭЛИТА» 212
5.5. Озонатор «МАГИКА» 215
Выводы по пятой главе 221
Заключение 222
Список использованной литературы 224
Приложения 238
- Электрические явления в озонном барьерном разряде и их характеристики
- Энергетические характеристики озонатора с равномерной толщиной разрядного промежутка
- Моделирование распределения температуры в озонаторах без системы охлаждения и турбулентным течением газа
- Исследование некоторых физико-химических явлений на моде ли барьерного электрического озонатора
Введение к работе
Продолжительно работающие в ламинарном режиме озонаторы страдают существенным недостатком происходит загрязнение их диэлектрических барьеров, которое ведет к снижению производительности озонаторов и выходу их из строя В связи с этим актуален вопрос поиска путей повышения надежности и увеличения долговечности озонаторов Не менее важен при электросинтезе озона вопрос эффективности энергозатрат.
В настоящее время начинает развиваться применение озонной техники для обеззараживания воздуха В связи с этим возникает необходимость исследования возможностей использования озонаторов как источников отрицательно заряженного газа
Решение обозначенных частных проблем затруднено отсуїствием комплексной модели процессов в барьерном электрическом озонаторе
Исследованию отдельных сторон электросинтеза озона посвящено много экспериментальных и теоретических работ. Однако, узость разрядного промежутка в озонаторе (1-4 мм) и высокое прикладываемое напряжение (10-20 кВ) значительно затрудняют экспериментальные исследования Поэтому все известные их результаты имеют характер разрозненных фактов
Известные же до недавнего времени теоретические модели процессов в БЭО страдают рядом существенных недостатков кинетические уравнения образования озона лишь только на небольшом участке значений удельных энергий адекватны описываемым процессам, известные модели не объясняют и не учитывают неоднородности нолей температуры и скорости газа в разрядном промежутке БЭО, а также не учитывают возможной температурной динамики в озонаторе и ее влияния на электросинтез озона Отмеченные и некоторые другие обстоятельства не позволяют решать проблему совершенствования уже имеющихся и конструирования новых БЭО
Поэтому целью работы явилось создание теории математического моделирования процессов в барьерных электрических озонаторах, которая позволяла бы совершенствовать генераторы озона и способы их применения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи
1) исследованы приоритеты влияния различных факторов на интенсивность электросинтеза озона в БЭО,
2) получено обобщение кинетического уравнения образования озона из кислорода, учитывающее неоднородность поля скоростей, поля температуры и активной мощности в озонаторе,
3) построена модель тепловыделения в барьерном разряде,
4) получено и использовано в модели обобщение формулы для определения активной мощности БЭО,
5) аппроксимирована зависимость поля концентрации озона в разрядном промежутке озонатора при его производстве из воздуха,
6) построена модель БЭО с турбулентным течением озонируемого газа,
7) исследованы причины загрязнения электродов БЭО и найдены условия их самоочищения,
8) выявлены преимущества озонаторов с турбулентным потоком озонируемого газа перед озонаторами с ламинарным режимом,
9) построена и реализована комплексная математическая модель БЭО в гидродинамическом приближении, позволяющая рассчитывать оптимальные режимы работы озонаторов,
10) построены и реализованы модели БЭО со специальными назначениями
Новизна работы заключается в том, что в ней впервые - построена комплексная модель процессов, происходящих в БЭО, в их взаимосвязи,
- при моделировании кинетики электросинтеза озона учтены неоднородности полей температуры и скорости озонируемого газа в разрядном промежутке,
- исследованы особенности и доказаны преимущества озонирования турбулентного потока воздуха в сравнении с ламинарным,
- доказана возможность использования озонаторов для улова нанодисперсного корунда при выжигании твердотопливных ракет,
- доказана возможность применения озонаторов с температурной динамикой
Достоверность научных результатов основывается на применении методов, использующих классические законы физики, гидродинамики, теплофизики, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений, сопоставления результатов расчетов с экспериментальными измерениями Новизна научных результатов диссертационной работы подтверждена двумя полученными патентами на изобретения, одним патентом на полезную модель и положительным решением по одной заявке на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения и результаты исследования.
- положение о существенном влиянии неоднородности поля скоростей и поля температуры в разрядном промежутке на поле концентрации озона в нем;
- обобщение кинетического уравнения образования озона в кислороде и воздухе,
- методика применения кинетических уравнений образования озона в барьерном электрическом разряде, учитывающая неоднородность поля температуры и поля скоростей в разрядном промежутке,
- методика расчета тепловых явлений в озонаторе,
-математические модели барьерных электрических озонаторов для ламинарного и турбулентного потоков озонируемого газа,
- положение о преимуществе БЭО с турбулентным потоком озонируемого газа перед озонаторами с ламинарным потоком,
- положение о возможности применения БЭО с турбулентным потоком газа в качестве транспортера зарядов для электростатического генератора Ван-де-Граафа,
- новый метод математического моделирования процессов в барьерных электрических озонаторах, учитывающий неоднородности полей скорости и температуры озонируемого газа,
- разработанный на основе применения барьерных электрических озонаторов метод улова нанодисперсного корунда при сжигании зарядов твердотопливных ракет.
Практическая ценность работы Проведенные автором на основе построенных моделей озонаторов численные эксперименты, позволили сконструировать и успешно построить несколько типов озонаторов, предназначенных для работы в условиях испытательного экологического стенда твердотопливных ракет МБР РВСН, а также в других специальных условиях работы. Предложенный метод применения барьерных электрических озонаторов для улова мелкодисперсного корунда при сжигании зарядов твердотопливных ракет, принят к реализации в НИИПМ (г Пермь). Разработанные алгоритмы и составленные программы расчета электрических озонаторов используются для модельных численных экспериментов с проектируемыми озонаторами на предмет оптимизации их режимов работы
Апробация работы Материалы, содержащиеся в диссертации, обсуждались на Пермском гидродинамическом семинаре в 1991 г (рук -проф. Г 3 Гершуни и Е.М.Жуховицкий), на семинаре кафедры электротехники ПЛИ в 1992 г. (рук проф Н В Шулаков), на Пермском МГД-семинаре в 1993 г. (рук. иностранный член АН Латвии И М Кирко), в конструкторском бюро завода Курганхиммаш в 1991 г, на научных конференциях в Магнитогорском госуниверситете в 1992- 2004 гг На заседании Пермского городского гидродинамического семинара (ПГУ, рук проф Любимов ДВ.) 1999 г и 2003 г На VIII съезде по теоретической и прикладной механике в 2001 г. в г Перми, на 3-й Российской конференции по теплоэнергетике в 2001 г в г Казани, на 22-м Всероссийском семинаре "Синтез озона и современные озонные технологии" в МГУ им М В Ломоносова в 2001 г., на четвертом совещании по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях в ИВТ РАН в 2002 г , на семинаре в институте технической химии УрО РАН в 2002 г , на заседании научного семинара в Пермском военном ракетном институте (рук проф Трефилов В А) в 2003 г
Личный вклад автора В целом полностью самостоятельно автор выполнил 38 работ, а 16 работ выполнено в соавторстве (участие в равных долях) Автору принадлежат соответственно номерам в списке использованной литературы в конце диссертации [46] - построение модели, составление программы и расчет, обсуждение результатов,[47] - посіановка задачи, расчет, обсуждение результатов, [48] - участие в проведении экспериментов, аналитический расчет, [49] - расчет и обсуждение результатов, [50] - расчет и обсуждение результатов, [51] - участие в проведении экспериментов, аналитический расчет, [52] - математическое моделирование генератора озона, [53] - идея, обсуждение результатов, [54] - построение моделей, расчет, обсуждение результатов, [55] - построение моделей, расчет, участие в проведении экспериментов, обсуждение результатов, [56] -построение моделей, расчет, обсуждение результатов, [57] - гипотеза, моделирование, оформление, [58]- модели, расчеты, обсуждение и оформление результатов; [59] - идеи, обсуждение результатов, оформление, [60] -участие в проведении экспериментов, аналитический расчеі, [61] - построение модели, составление программы и расчет, обсуждение результатов
Исследования велись в соответствии с прошедшими гос регистрацию темами "Математическое моделирование барьерных электрических озонаторов в гидродинамическом приближении" (№ 108281 от 01 02 00) по линии Министерства образования РФ и "Разработка и создание озонной установки для совершенствования системы улова и нейтрализации продуктов сгорания на экологическом стенде испытаний и утилизации твердотопливных ракет двигателей МБР РВСН (П20005 ЭКОСТЕНД)" по линии Министерства обороны РФ
Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список использованной литературы из 201 наименования и приложение Основной текст изложен на 223 стр и включает 72 рисунка и 26 таблиц Структура работы определяется целью и логикой исследования
В первой главе проведен анализ проблем на пути совершенствования барьерных электрических озонаторов, их физико-математического моделирования и применения На основе проведенного анализа сформулирована проблема исследования, выявлены противоречия, требующие разрешения, намечены возможные пути разрешения этих противоречий
Во второй главе строится математическая модель барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении для ламинарного случая течения озонируемого газа Разработана и обоснована структура модели образования озона в барьерном электрическом разряде, кинетические уравнения которой учитывают гидродинамику течения газа, характер и интенсивность теплообмена Построенная модель позволяет получить зависимость концентрации озона в разрядном промежутке озонатора, учитывающую изменение гидродинамических и температурных условий в разрядном промежутке по пути следования частиц озонируемого газа через разрядную зону В обобщении кинетического уравнения образования озона учтено разное время пребывания частиц газа в разрядной зоне Произведен учет зависимости напряжения горения разряда от концентрации озона в зазоре Расчет производительности поперечных сечений зазо pa произведен интегральным способом по полю концентрации озона в зазоре.
В третьей главе построена математическая модель барьерного электрического озонатора в случае турбулентного течения озонируемого газа с системой охлаждения и без нее, с однократным и многократным прохождением газа через разрядный промежуток. Рассмотрен ряд особых возможностей в конструировании озонаторов. Исследованы физические условия для самоочистки разрядных промежутков озонатора за счет преобладания гидродинамических сил над электрическими.
В четвертой главе приведены и проанализированы результаты экспериментальной проверки построенного метода моделирования барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении. Они свидетельствуют о приемлемости разработанного метода и его преимуществах перед другими методами. Здесь излагаются результаты анализа расчетов полей скорости течения газа, температуры и концентрации озона в разрядном промежутке озонатора, показывающие их характерные особенности и взаимообусловленности. Указаны пути оптимизации конструкций барьерных электрических озонаторов и их режимов работы с помощью построенной математической модели.
В пятой главе обосновываются и разрабатываются модели озонаторов для специальных условий работы: улавливание мелкодисперсного корунда при сжигании твердого ракетного топлива, очистка воды для больших и малых объектов потребления, очистка воздуха. Здесь вырабатываются рекомендации по устройству аппаратов для реализации этих процессов.
Все материалы диссертации изложены в 54 публикациях, среди которых 1 монография и 14 статей в журналах из списка ВАК. По 4-м заявкам в ФИПС получено 3 патента и одно положительное решение. По одной научной разработке присужден диплом лауреата конкурса «Инновация -2004» Правительства Челябинской области.
Электрические явления в озонном барьерном разряде и их характеристики
В барьерных озонаторах используется устойчивый барьерный разряд, происходящий при высоком переменном напряжении Напряжение, при котором устанавливается однородный устойчивый разряд в 1,6-2 раза выше напряжения первых нерегулярных импульсов [41] (напряжения пробоя газового промежутка) Поэтому под напряжением горения разряда понимают напряжение, при котором наступает устойчивый барьерный разряд. Сложность электрических, тепловых и физико-химических явлений, происходящих в разрядной зоне озонатора, их многогранная зависимость от большого количества факторов с одной стороны и трудности в широкомасштабном проведении экспериментов с другой, до настоящего времени не дают возможности полного описания этих явлений Однако, достаточно точно установлена [147,175] зависимость удельной мощности разряда Р], которая является одной из определяющих величин для интенсивности электросинтеза озона Это следует из уравнения (12 1) По мнению авторов [147,175] образование озона при элешриче-ском разряде в кислороде можно описать кинетическим уравнением где С - объемная концентрация озона, 0 К -константы, соответственно, образования и разложения озона, Ц - объемная плотность мощности разряда, означающая удельную мощность разряда, приходящуюся на единицу объема разрядной зоны, т.е. Здесь Рх- активная мощность озонатора, приходящаяся на единицу площади его барьеров Расчеты по уравнению (12 1) достаточно хорошо согласуются с результатами экспериментов при различных расходах газа, но только для малых значений удельной энергии разряда Р V, означающей энергию разряда, приходящуюся на единицу объема газа (здесь Р - мощность разряда, V - объемный расход газа в единицу времени) В работах [31,175] приводится формула для расчета активной мощности озонатора Она базируется на феноменологической эквивалентной электрической схеме, которая построена в применении к разрядному промежутку типа барьер-газ-барьер и состоит из стандартных электротехнических элементов (конденсаторов, сопротивлений и т д) (см рис 1 1) Согласно этой схеме, до напряжения на разрядном промежутке, соответствующего зажиганию разряда, ток через газовый промежуток не идет Ток же смещения в цепи определяется емкостью всего озонатора (барьеров и разрядного промежутка вместе)
Электрическая цепь в этом случае выглядит как три последовательно соединенных конденсатора (рис. 1.1 а). После зажигания разряда ток смещения определяется только емкостью барьеров озонатора Значение напряжения на разрядном промежутке остается постоянным и равным напряжению горения разряда Эквивалентная схема по [30] в этом случае содержит два последовательно соединенных конденсатора, имитирующих диэлектрические барьеры озонатора, и ЭДС со знакопеременным напряжением ±U, (рис.1 16). При имитации "несимметричного" озонатора (те когда один электрод проводящий) авторы [30] предложили рассматривать вместо двух емкостей диэлектрических барьеров одну. Таким образом, работу озонатора предлагается рассматривать в два различных по характеру временных промежутка когда напряжение на разрядном промежутке ниже напряжения зажигания разряда и когда оно выше напряжения зажигания разряда В соответствии с этой моделью авторы [31] и производят расчет активной мощности трубчатого озонатора для случая синусоидального изменения напряжения Uj = Uds\n cot в виде Рассмотрение пространственной микроструктуры барьерного разряда в [147] привело к выводу о необходимости уточнения феноменологической модели (рис 1 1) Авторы предлагают модель микроразряда, изображенную на рис. 1.2
Они установили, что напряжение зажигания и напряжение погасания микроразряда значительно различаются между собой Установлено также, что напряжение погасания микроразряда зависит от отношения С Б/Сп Учет разности между напряжением горения микроразряда и напряжением его погасания позволяет более точно учитывать величину переносимого заряда в серии микроразрядов и, как следствие, более точно рассчитывать основные электрические характеристики барьерного разряда - средний ток и активную мощность Так, для тока в [147] получено выражение где U0 - амплитуда приложенного напряжения, U, - напряжение горения разряда, 0 р 1 Средний ток, рассчитанный по формуле (12 5) отличается от среднего значения тока, полученного на основании феноменологической модели разряда [30] (рис.1 1) Проведенное сравнение двух подходов (на основе теории микроразряда и феноменологической электрической теории озонаторов) привело авторов [147] к выводу о том, что в случае барьерного разряда с
Энергетические характеристики озонатора с равномерной толщиной разрядного промежутка
В основу энергетической модели барьерного электрического озонатора на переменном токе положена достаточно хорошо зарекомендовавшая себя электрическая теория озонаторов, изложенная в работах [30-35,175] Базисом этой теории является формула (1 2 4) [147, 175] С учетом более поздних результатов [41] о зависимости напряжения горения разряда от давления и концентрации озона, отраженных в (1 2 12), обобщаем формулу (1 2.4), выражающую мощность электрического разряда, приходящуюся на единицу площади барьера озонатора, в виде Здесь введена зависимость удельной мощности разряда от давления газа и концентрации озона. С использованием этой зависимости общая мощность озонатора выразится равенством где i - общая площадь электродов озонатора Обозначив эффективный зазор озонатора получим для электрической емкости озонатора до зажигания разряда где z - общая площадь электродов озонатора Емкость озонатора во время горения разряда выразится следующим образом Коэффициент мощности озонатора согласно [175,181] и с учетом принятого выше обобщения получится в виде зависимости от у Среднее же значение коэффициента мощности для всего озонатора будет в виде Соответственно этому ток смещения в озонаторе можно рассчитать по формуле Все представленные энергетические характеристики озонатора играют важную роль в его описании, однако, в дальнейших расчетах (поля температур, поля скоростей и поля концентрации озона в газе) основную роль будет играть удельная плотность мощности разряда, которая, в свою очередь, подвержена влиянию поля концентрации и давления Для расчета концентрации озона в барьерном электрическом разряде в модели будет построено и использовано обобщение кинетического уравнения образования озона (1.2.1) Расчет удельной энергии, приходящейся на единицу объема озонируемого газа, будет производиться следующим образом. На практике далеко не всегда удается выполнить условие одинаковости толщины разрядного промежутка по площади электрода
Поэтому есть необходимость в исследовании влияния на характеристики работы озонатора неодинаковости толщины разрядного промежутка по его площади При моделировании озонатора с плоскими электродами в этом случае будем предполагать некоторую непараллельность его плоских стенок (рис 2.3). Тогда зависимость толщины разрядного промежутка от координат можно выразить следующим образом1 При моделировании озонатора с цилиндрическими электродами будем предполагать наличие некоторой некооксиальности его электродов (рис 2 4). Тогда зависимость толщины разрядного промежутка от координат в ней можно выразить следующим образом: Здесь переменная толщина зазора (рис 2 46) в конечном сечении зазора (у=1) может быть выражена с помощью теоремы косинусов следующим образом
После подстановки (2 2 12) в (2 2 11) получится переменная толщина по всему разрядному промежутку 13) С учетом (2 2 10) и (2 2 13) в случае пластинчатого и цилиндрического озонаторов формула для удельной мощности озонатора преобразуется, соответственно, к (2.2.14) и (2 2.15) имеющие различные температурные условия, в нем происходят различной интенсивности физико-химические процессы Так как вязкость газа обуславливает различные скорости движения его частиц, то для различных частичных объемов газа, движущихся по различным траекториям, неодинаково время пребывания в разных участках зоны разряда и, соответственно, неодинаково время для упомянутых выше физико-химических процессов. Учет фактора времени пребывания газа в разрядной зоне озонатора все исследователи производят лишь посредством уравнения (12 1) Но, как показано в п. 1.4.2 (гл 1), это уравнение может лишь описывать достаточно достоверно зависимость концентрации при столбовом движении газа и только при относительно небольших удельных мощностях разряда Течение же газа в разрядных промежутках большинства озонаторов ламинарное А это означает, что при одинаковых пройденных путях у различных частиц газа неодинаково время движения по разрядной зоне Поэтому кинетическое уравнение образования озона в виде (1 2 1) не может без соответствующего обобщения адекватно отражать картину образования озона в барьерном разряде.
Моделирование распределения температуры в озонаторах без системы охлаждения и турбулентным течением газа
При отсутствии системы охлаждения (рис.3.3) дифференциальные уравнения (3 2.1) - (3 2.3) сохраняются, а граничные условия при выходе теперь с каждого из боков озонирующего элемента выглядят следующим образом Кинетические уравнения электросинтеза озона из кислорода и воздуха (2.3.5), (2.6 14), (2 6.16) и (2 3 13), (2 3 14), выведенные в п 2 3 и п 2.6 применимы и здесь При этом нужно использовать специфическую эпюру скоростей (3 11) Расчеты показывают, что с большой степенью точности можно положить продольную скорость течения газа по всему разрядному промежутку равной Зависимость объемной концентрации озона в кислороде С(у) с учетом независимости от X на основе (2.6.16) можно записать для модели с турбулентным течением газа в виде Здесь (J - объемная плотность мощности разряда, вычисляемая как 1]/А, Рх - мощность разряда, приходящаяся на единицу площади электродов, А - толщина газового зазора в озонаторе, к$(Т(у)), ЩТ(у)) - зависимости констант образования и разложения озона в разрядном промежутке от температуры (см. п 2 3 3). Для объемной концентрации озона при производстве из воздуха на основе (2.3.13) получаем при условии независимости от х и z аппроксимацию где СС - коэффициент сенсибилизирующего влияния азота, / /\ - обобщенная константа разложения окислов азота, (V - предельно возможная концентрация низших окислов азота
Зависимости к1 (у)), (Ду)) от температуры в точке разрядного промежутка, находятся по найденному ранее в п 3.2 по полю температуры. Обычные озонаторы с турбулентным режимом течения газа и однократным прохождением озонируемого газа через разрядный промежуток, имея во многих случаях преимущества перед озонаторами с ламинарным режимом, не могут с успехом применяться в ситуациях, когда требуются высокие концентрации озона Многократное же пропускание озонируемого газа через разрядный промежуток позволяет существенно повысить в нем концентрацию озона Рассмотрим озонатор, схема которого изображена на рис 3 4 Здесь стрелками указаны направления циркуляции газа по разрядным промежуткам озонатора. Будем считать, что газ в озонаторе в среднем делает п проходов через разрядный промежуток, Р - мощность озонатора и Pi -мощность электрического разряда, приходящаяся на единицу площади электродов озонатора Если системой охлаждения отводится из озонатора (рис 3 4) все тепло, которое выделяется при разряде, То озонатор будет работать в установившемся температурном режиме с температурой входящего в него для озонирования газа Турбулентность потока, поддерживаемая соответствующим значением осредненнои скорости газа, закрученностью его пути и многократной циркуляцией по одним и тем же каналам, позволяет считать газ хорошо перемешиваемым и имеющим в среднем одинаковую температуру Однородность полей температуры и скорости в разрядном промежутке озонато- pa в этом случае позволяет упростить кинетические уравнения синтеза озона, соответственно, из кислорода (2.3,5) и воздуха (2.3.13) . Необходимо также учесть п - кратное прохождение газа по разрядному промежутку. При одном и том же расходе газа из озонатора при п - кратном его прохождении через разрядный промежуток в п раз необходимо увеличить скорость течения газа по отношению к однократному. Здесь приходится различать VpiKX - скорость газа на выходе из озонатора и Vsm - скорость газа при прохождении разрядного промежутка.
Исследование некоторых физико-химических явлений на моде ли барьерного электрического озонатора
Численные исследования поля скоростей ламинарного потока газа в разрядном промежутке озонатора проводились при различных значениях средней удельной мощности разряда и различных режимах охлаждения озонатора Расчеты на построенной математической модели показали следующее. Эпюра скорости в поперечном сечении разрядного промежутка оказывается близкой к параболической Однако параметры параболы, к которой близка эпюра, меняются при продвижении вдоль разрядного промежутка, и скорость к выходу из него повышается Здесь сказывается влияние зависимости вязкости газа от его температуры и расширения газа при нагревании в разряде. Особенно это проявляется при специальных режимах работы озонатора, когда в озонатор подается охлажденный газ (см. п.5 4). На рис 4 9 графически приведены результаты расчетов поля скоростей ламинарного течения озонируемого газа при исходной температуре газа -минус 40 С.
Исследования на модели зависимости поля температуры в разрядном промежутке проводились при различных значениях удельной мощности озонатора, различных расходах газа и различных режимах охлаждения озонатора На рис. 4.10 и 4.11 представлены некоторые результаты этого исследования Результаты расчетов на построенной модели вполне согласуются с расчетами [140], позволяют более тонко учитывать температурные условия на пути следования частиц газа по разрядному промежутку, учитывать их при расчетах поля концентрации озона и далее рассчитывать производительность озонатора. На рис. 4.12 представлены результаты расчетов температуры в разрядном промежутке озонатора, работающего в турбулентном режиме.Здесь налицо температурные пограничные слои в газе возле стенок разрядного промежутка, которые составляют скачок температуры порядка 10С при малой интенсивности охлаждения, и порядка 20С без системы охлаждения. Это позволяет задавать такие условия работы озонатора, при которых поверхности электродов находятся при температуре, превосходящей температуру возгонки пятиокиси азота на несколько градусов, что обеспечивает условия самоочистки разрядных промежутков озонатора, снижение напряжения горения разряда, повышение производительности и увеличение ресурса озонатора Анализ результатов исследования показывает, что построенная модель позволяет учитывать изменения поля температуры в зависимости от расхода газа и мощности разряда не только качественно, но и количественно Модель учитывает также влияние способа и интенсивности охлаждения озонатора.
Важность возможности расчета поля температуры определяется тем, что в соответствии с полем температуры находятся значения констант образования и разложения озона в каждой точке разрядного промежутка Так в табл 4 4 приведены результаты расчетов поля температуры, а в табл 4 5 соответствующее ему поле константы разложения озона (она более подвержена влиянию температуры (см.п.2.3.3), чем константа образования) Их анализ показывает как влияют температурные условия на интенсивность озонообразо-вания по пути следования частиц газа в разрядном промежутке На рис. 4.13 представлены результаты исследования поля концентрации озона при разряде в ламинарном потоке кислорода через озонатор с охлаждаемым металлическим электродом (слева). Исследования проводились при различных значениях средней удельной мощности разряда и различных режимах охлаждения озонатора Результаты хорошо отражают влияние температурного и скоростного полей на поле концентрации озона Характерное поведение графиков концентрации озона согласуется с результатами соответствующих натурных экспериментов, представленных в [147] Здесь налицо возможность модели учитывать влияние увеличения мощности разряда на концентрацию озона за счет изменения при этом температурных условий. Снижение концентрации в середине потока модель объясняет большей скоростью течения газа в соответствующих слоях. Характер снижения концентрации озона у неохлаждаемого барьерного электрода (справа) при повышении мощности разряда отражает то, как повышение температуры ведет к снижению эффективности синтеза озона Здесь существенную роль играет обобщение кинетического уравнения (1.2.1).
