Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ
ОЗОНАТОРОСТРОЕНИЯ 14
Свойства и применение озона 14
Применение озона в медицине и взаимодействие озона с биологическими объектами 17
Методы получения озона. Синтез озона в барьерном разряде 21
Основные направления исследований по повышению эффективности систем электросинтеза озона 25
Технические требования к озонаторному оборудованию 31
Анализ технических характеристик отечественного и зарубежного медицинского озонаторного оборудования 35
Выводы по первой главе. Цели и задачи исследования 45
2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОСИНТЕЗА ОЗОНА 46
Методика разработки портативных установок электросинтеза озона 47
Разработка системы поддержки принятия решений с использованием метода анализа иерархий при проектировании барьерного ЭГРР портативной установки электросинтеза озона 54
2.2.1. Методика принятия решения по выбору типа электрогазоразряд
ного реактора 61
2.2.1.2. Составление и анализ иерархической структуры принятия ре
шения по выбору типа электрогазоразрядного реактора 63
2.2.2. Методика принятия решения по выбору конструктивных пара
метров трубчатого электрогазоразрядного реактора 69
2.2.2Л. Генерирование альтернатив. Выбор фиксированных и варьи
руемых параметров трубчатых ЭГРР 70
Выбор критериев эффективности ЭГРР 74
Составление и анализ иерархической структуры принятия решения по выбору конструктивных параметров трубчатых ЭГРР 77
2.3. Разработка математических основ системы поддержки принятия ре
шения по выбору типа источника питания ЭГРР и условий оптимального
согласования ИП и ЭГРР на основании объективных данных 93
2.3.1. Составление математического описания основных электрических
процессов в системе ИП - ЭГРР 98
Разработка модели ЭГРР 99
Разработка моделей системы ИП-ЭГРР без учёта и с учётом индуктивной составляющей выходного сопротивления ИП 102
Разработка модели системы ИП-ЭГРР с учётом явления резонанса магнитосвязанных контуров 106
Разработка модели системы ИП-ЭГРР с параметрическим резонансом в цепи ЭГРР 109
Определение активной мощности барьерного разряда при ди-
намическом моделировании системы ИП-ЭГРР 117
2.4. Выводы по второй главе 122
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ
«ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИСТОЧНИК
ПИТАНИЯ-ЭЛЕКТРОГАЗОРАЗРЯДНЫЙ РЕАКТОР» 123
3.1. Исследование трубчатых ЭГРР с малым диаметром элемента и нели
нейной геометрией зоны разряда 124
3.1Л. Методика экспериментального исследования 124
Обработка результатов эксперимента, определение эффективности разрядных элементов 126
Экспериментальное исследование трубчатых разрядных элементов с внешним диэлектрическим барьером и высоковольтным электродом нецилиндрической формы 131
Обработка и анализ результатов эксперимента для разрядных элементов с нецилиндрическими высоковольтными электродами 134
Расчёт энергетических показателей и выбор оптимальной конструкции для разрядных элементов с нецилиндрическим высоковольтным электродом 138
3.2. Численное моделирование работы высоковольтного высокочастотно
го ИП на электрогазоразрядный реактор 141
Моделирование процессов в системе ИП-ЭГРР при импульсном напряжении питания 142
Исследование влияния индуктивной составляющей выходного сопротивления ИП на работу системы ИП-ЭГРР 146
Исследование резонансных режимов работы системы
ИП-ЭГРР 148
3.2.4. Исследование резонансных режимов работы системы
ИП-ЭГРР при наличии обратных связей 154
3.2.4.1. Исследование обратной связи по частоте тока разряда 154
Исследование обратной связи по среднему значению тока разряда в ИП с синхронизацией 161
Исследование обратной связи по току с синхронизацией при резонансе на высших гармониках напряжения ПЧ 165
3.2.5. Исследование режимов работы системы ИП-ЭГРР при наличии
эффекта резонанса магнитосвязанных контуров 167
Исследование ЛАЧХ системы ИП-ЭГРР с эффектом резонанса магнитосвязанных контуров при представлении ЭГРР линейным конденсатором 169
Исследование работы системы ИП-ЭГРР с эффектом резонанса магнитосвязанных контуров при представлении ЭГРР схемой замещения по классической теории озонаторов 174
3.2.6. Исследование параметрического механизма передачи энергии в
системе ИП-ЭГРР 178
3.2.6.1. Исследование системы ИП-ЭГРР с идеальным параметриче
ским генератором 179
3.2.6.2. Исследование системы ИП-ЭГРР с учётом реальных свойств
статических параметрических генераторов (паратрансов) 185
3.2.7. Исследование аварийных режимов в системе ИП-ЭГРР с резо
нансными источниками питания 196
3.2.8. Выводы по третьей главе 200
Глава 4. РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНЫХ УСТАНОВОК
ЭЛЕКТРОСИНТЕЗА ОЗОНА 202
4.1. Разработка структурных схем портативных УЭО 203
4.1.1. Выбор автономного источника кислорода 206
4.2. Разработка структурной схемы электрической силовой части порта
тивной УЭО 207
Выбор сетевого адаптера , 210
Выбор типа встроенного аккумулятора 212
Разработка трубчатых многоэлементных ЭГРР с малым диаметром разрядных элементов 215
Разработка высоковольтного высокочастотного резонансного источника питания 218
Разработка высоковольтного высокочастотного трансформатора с малым коэффициентом магнитной связи 220
Разработка электронной части резонансного ИП 222
Разработка средств измерения параметров процесса электросинтеза озона 226
Технические характеристики разработанных портативных УЭО медицинского назначения 229
Применение результатов работы при создании установок малой и средней производительности 230
Выводы по четвёртой главе 231
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 232
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 233
ПРИЛОЖЕНИЯ 241
П.1. Классификация по назначению и области применения, основные ха
рактеристики, технические условия и особенности установок электросин
теза озона малой и средней производительности 244
П.2. Технические характеристики отечественного и зарубежного меди
цинского озонаторного оборудования 250
П.З. Свидетельство о поверке газоанализатора озона ИКО-50 253
П.4. Список экспертов по разработке озонаторного оборудования 253
П.5. Документы о внедрении и использовании результатов диссертацион
ной работы 255
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы значительно возрос интерес к применению озона в различных областях. Установки электросинтеза озона (УЭО) малой и средней производительности находят широкое применение в медицине, ветеринарии, водоподготовке и для решения экологических задач. Специфика областей применения озона и постоянное совершенствование озоновых технологий предполагает разнообразие и динамичность изменений технических требований к оборудованию, что требует от разработчиков создания большого числа разновидностей УЭО за минимально короткие сроки. Специфичность УЭО малой и средней производительности не позволяет в явном виде использовать результаты разработок созданного ранее озонатор-ного оборудования. При этом в интересах разработчика минимизировать затраты на выполнение новых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИР и ОКР).
Анализ номенклатуры и технических характеристик промышленно выпускаемых отечественных УЭО показывает их неполное соответствие требованиям заказчиков. Например, применение озона в медицине эффективно не только при профилактике и лечении многих распространённых заболеваний, но и при оказании экстренной помощи в условиях чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, в условиях боевых действий (обработка ран и ожогов), что требует применения специальных портативных УЭО с автономным электропитанием. Особенностями производимых в России медицинских УЭО являются относительно большие габаритные размеры, масса, электропитание только от сети ~220 В, что делает невозможным их использование в полевых условиях.
Таким образом, складывается проблемная ситуация в обеспечении потребностей в озоне и озонаторном оборудовании с требуемыми характеристиками.
Причиной указанной ситуации является недостаточная изученность
процессов в системе УЭО. Электросинтез озона осуществляется в барьерном газовом разряде и определяется сложным сочетанием электрических, физических и химических процессов (как детерминированных, так и стохастических), при этом полное формальное описание системы по всем входам и выходам на сегодняшний день отсутствует. Вследствие этого разработчику УЭО сложно однозначно определить зависимость конечного результата от принимаемых на этапе проектирования технических решений. По этой причине разработка высокоэффективных УЭО представляет собой длительный итерационный процесс, включающий в себя стадии создания и исследования макетных и опытных образцов.
Актуальным является проведение системных исследований УЭО, направленных на повышение уровня системности и алгоритмичности проектирования.
В рамках решения задачи системного анализа актуальным также является повышение эффективности существующих и разработка новых конструкций электрогазоразрядных реакторов (ЭГРР); исследование электрических процессов в рассматриваемой нелинейной электротехнической системе; обеспечение рационального преобразования электроэнергии в энергию барьерного газового разряда; повышение надёжности полупроводниковых преобразователей частоты (ІТЧ) при работе на электрогазоразрядную нагрузку с емкостной составляющей сопротивления; снижения материалоёмкости озо-наторного оборудования и его стоимости.
Работы по развитию теории электросинтеза озона, исследованию системных связей в системах электросинтеза озона, разработке новых конструкций ЭГРР, высокочастотных источников питания (ИП) ведутся в МГУ, МЭИ и других научных центрах страны. Большой вклад в развитие теоретических основ электросинтеза озона и разработку озонаторного оборудования внесли такие российские и зарубежные учёные, как Е. Брине, И. П. Верещагин, В. А. Вобликова, В. И. Гибалов, А. В. Дмитриев, Ю. М. Емельянов, Е. Н. Ерёмин, Н. И. Кобозев, Т. П. Костюкова, В. В, Лунин, Т. Менли, В. И. Пантелеев, С.
Д. Разумовский, Л. Э. Рогинская, В. Г. Самойлович, А. С. Серебряков, Ю. В. Филиппов, С. В. Шапиро и другие.
Исследованиями, опытно-конструкторскими работами и промышленным производством озонаторного оборудования занимается такие предприятия и фирмы, как Московский машиностроительный завод им. Хруничева, ДзержинскНИИхиммаш, HI 111 «Техозон», АО «Курганхиммаш», экспериментальный завод КБ «Химавтоматика» г. Воронеж, ВЭИ им. Ленина, предприятие «Озонит» г. С. Петербург и др. Медицинские озонаторные установки производят фирма «Медозон» г. Москва, ФГУП «КБ Квазар», Арзамасский приборостроительный завод. Работы по производству медицинских озона-торных установок в промышленных масштабах ведутся на ОАО электромашиностроительный завод им. Лепсе г. Киров.
Актуальность работ в области создания УЭО медицинского назначения подтверждается действующим приоритетным национальным проектом «Современное здравоохранение», Постановлениями Правительства РФ, приказами и распоряжениями Министерства здравоохранения РФ, письмом Российской ассоциации озонотерапевтов, письмом департамента здравоохранения Кировской области, договорами ВятГУ с учреждениями РФ и Кировской области на выполнение НИР и ОКР по разработке озонаторного оборудования.
Цель работы - разработка установок электросинтеза озона различного назначения путём создания и применения экспертно-математической системы принятия решений на этапе проектирования.
Для достижения цели работы решались следующие задачи:
1. Исследование системы электросинтеза озона с целью определения проблем и целей, выполнение декомпозиции и структурирования системы, генерирование альтернатив, выбор критериев и учёт ограничений.
2.Поиск эффективных решений проблемы разработки УЭО, направленных на повышение алгоритмичности проектирования, сокращения времени и затрат на разработку.
3.Оценка результатов вносимых в процесс проектирования УЭО изменений, исследование эффективности функционирования УЭО, формулировка практических рекомендаций по реализации результатов системных исследований.
4. Реализация результатов системного анализа и полученных практических рекомендаций при разработке и внедрении опытных и промышленных образцов УЭО различного назначения.
Методы исследования. В исследованиях применялись методы системного анализа, метод анализа иерархий, методы теории нелинейных электрических цепей, электрической теории озонаторов, интегрального и дифференциального исчисления, теории автоматического управления, математической статистики, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, физическое и математическое моделирование, моделирование на ЭВМ с применением программ MathCAD 2000 PRO, System View 1.9 и др. Экспериментальные данные получены с применением методов прямых и косвенных измерений.
На защиту выносятся следующие результаты:
Система поддержки принятия решений (СГТПР) на основе экспертных оценок и математических методов их обработки в сочетании с объективными расчётными данными о функционировании системы ИП-ЭГРР, позволяющая увеличить степень формализации разработки УЭО.
Метод выбора оптимальных альтернатив, основанный на использовании разработанной СППР, позволяющий повысить эффективность трубчатых ЭГРР в 1,5-2 раза относительно классической трубчатой конструкции.
Решение задачи согласования полупроводникового ПЧ с ЭГРР и рационального преобразования электроэнергии в энергию барьерного разряда с использованием резонансных явлений различных видов в системе ИП-ЭГРР.
Способ организации работы ПЧ на частоте собственных колебаний в
цепи ЭГРР (синхронизация) и способ управления системой с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения ПЧ и отрицательной обратной связи по среднему значению тока ЭГРР с компенсацией частотной зависимости мощности, обеспечивающие устойчивую работу резонансных ИП ЭГРР с максимальными энергетическими показателями, а также стабилизацию и регулирование активной мощности разряда в системах с резонансными синхронизируемыми ИП.
Научная новизна
1. Разработана экспертно-математическая СППР по выбору типа барьерного ЭГРР и конструктивных параметров трубчатых ЭГРР, базирующаяся на использовании метода анализа иерархий и расчёте основных характеристик ЭГРР.
2.Выполнена многокритериальная оптимизация параметров трубчатых ЭГРР, положительные результаты которой подтверждены экспериментально.
3.Разработаны математические описания процессов и модели системы ИП-ЭГРР, с помощью которых исследованы: резонанс магнитосвязанных контуров, резонанс высших гармонических составляющих, параметрический резонанс в нелинейных цепях, содержащих ЭГРР - элемент со скачкообразно изменяющимся параметром (ёмкостью) и газовым барьерным разрядом.
4. Установлено, что работа ПЧ в синхронном режиме обеспечивает эффективное согласование ПЧ и ЭГРР в большей части диапазона регулирования, а стабилизации мощности разряда ЭГРР в системах с резонансными ИП можно достичь при широтно-импульсном регулировании напряжения ПЧ с введением обратной связи по среднему значению тока ЭГРР с компенсацией частотной зависимости мощности.
Практическая ценность работы заключается в разработке:
1. Инженерной методики проектирования УЭО различного назначения.
2.Программного обеспечения для обработки экспертных оценок в со-
ответствии с методом анализа иерархий, расчёта критериев и поиска оптимальных параметров ЭГРР.
3.Программ моделирования системы ИП-ЭГРР с резонансными ЙП, позволяющих определить условия оптимального согласования и параметры элементов.
4. Рекомендаций по схемотехническим решениям резонансных ИП ЭГРР, позволяющих осуществить устойчивую работу ИП, рациональное и эффективное преобразование электроэнергии в энергию барьерного разряда, достижение требуемых технических характеристик УЭО.
Внедрение результатов. С использованием результатов исследований при участии автора разработан ряд УЭО медицинского назначения с улучшенными технико-экономическими показателями для использования в условиях стационара и в полевых условиях, а также установки малой и средней производительности различного назначения:
Разработаны опытные образцы портативных медицинских УЭО, отвечающих современным медико-техническим требованиям, в том числе портативный генератор озона с автономным питанием для Центра медицины катастроф Республики Татарстан.
Отдельные результаты работы использованы при организации промышленного производства сертифицированных медицинских УЭО на ОАО «Лепсе» (г. Киров).
Разработаны УЭО для использования в научных исследованиях и учебном процессе Вятского государственного университета, Кировской государственной медицинской академии, Вятской государственной сельскохозяйственной академии.
Результаты работы использованы при выполнении договоров ВятГУ с учреждениями и предприятиями РФ и Кировской области.
1) «Разработка изготовление и поставка озонаторной установки для обеззараживания воды плавательного бассейна». Заказчик - сана-
торий им. Фрунзе, г. Сочи, тема № 569,1996 г.
«Разработка и изготовление медицинского озонатора». Заказчик -Пермская медицинская академия, г. Пермь, тема № 593, 1996 г.
«Разработка и изготовление опытного медицинского озонатора». Заказчик - ЦРБ, п. Оричи, тема № 606,1996 г.
«Разработка и изготовление медицинского озонатора на заданную концентрацию озона». Заказчик - Сормовский КВД, г. Н. Новгород, тема №611, 1996 г.
«Разработка и изготовление опытных медицинских озонаторов». Заказчик - МЦ «Помощь», г. Н. Новгород, тема № 639, 1998 г.
«Разработка и изготовление озонаторной установки для проведения исследований по отработке технологии озонирования». Заказчик -Пермская медицинская академия, г. Пермь, тема№ 643,1998 г.
«Разработка и изготовление опытной озонаторной установки медицинского назначения». Заказчик - больница УВД, г. Н. Новгород, тема№ 655,1998 г.
«Разработка и изготовление малогабаритной озонаторной установки». Заказчик - Кировская сельскохозяйственная академия, г. Киров, тема № 671,1998 г,
«Разработка и изготовление аппарата-синтезатора газовых озоно-кислородных смесей». Заказчик - Диагностический центр, г. Екатеринбург, тема № 673,1999 г.
«Разработка, изготовление и поставка озонаторной установки «Озон-М-50». Заказчик - санаторий-профилакторий «Надежда», г. Тольятти, тема № 684,2000 г.
«Разработка и изготовление озонаторной установки «Озон-М-50». Заказчик - ЦРБ, г. Советск, Кировская обл., тема № 693,2000 г.
«Озонаторная установка». Заказчик - предприятие «Сорбент», г. Пермь, тема№ 642, 2001 г.
«Измеритель концентрации озона». Заказчик - предприятие «Сор-
бент», г. Пермь, тема № 692, 2001 г.
«Разработка и изготовление синтезатора озона с измерителем концентрации озона на выходе аппарата». Заказчик - Кировская государственная медицинская академия, г. Киров, тема № 754,2001 г.
«Озонаторная установка для ветеринарии». Заказчик - ОАО «Заречье», г. Киров, тема № 766,2001 г.
«Разработка синтезатора озона высоких концентраций». Заказчик - Кировская государственная медицинская академия, г. Киров, тема № 795,2002 г.
«Генератор озона медицинского назначения». Заказчик - ЦРБ, п. Оричи, Кировская обл., тема № 26,2002 г.
«Разработка генератора озона для проведения исследований по озонированию жидкостей». Заказчик - ФГУП НИИ «ВОДГЕО», ЗАО «ДАР/ВОДГЕО», г. Москва, тема№ 53, 2003 г.
«Разработка переносного измерителя концентрации озона». Заказчик - ЗАО «ДАР/ВОДГЕО», г. Москва, тема № 54,2003 г.
«Разработка и изготовление генератора озона с измерением озона, растворённого в жидкости». Заказчик - Кировская государственная сельхозакадемия, г. Киров, тема№ 131,2004 г.
«Синтезатор озона с регулируемой концентрацией озона». Заказчик - санаторий-профилакторий «Перекоп», п. Перекоп, Кировская обл., тема № 142,2004 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 13-й Международном Конгрессе по Озону, в Киото, Япония, 1997 г.; региональной конференции Европейско-Азиатской группы Международной Озоновой Ассоциации, в рамках «ЭКВАТЕК-98», в Москве, 1998 г.; 14-м Международном Конгрессе по Озону, в г. Дерборн, Мичиган, США, 1999 г.; Российских научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья» («Медтех - 1999, 2000, 2001,
2002, 2003») в г. Геленджик (в 1999, 2000 гг.) и г. Анталья, Турция (в 2001 -2003 гг.); III и IV Всероссийских научно-практических конференциях «Озон и методы эфферентной терапии в медицине» в г. Н. Новгород, 1999 и 2000 г.; ежегодной региональной научно-технической конференции ВятГУ «Наука -Производство - Технология - Экология» в г. Киров в 1998 - 2006 гг, I научно-практической конференции «Озон в биологии и медицине» в с. Большое Болдино Нижегородской области в 2006 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 34 печатные работы.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 5 приложений. Общий объём работы составляет 259 страниц, в том числе 240 страниц основного текста, включая 119 рисунков, 18 таблиц. Библиографический список содержит 118 наименований.
