Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электросинтез озона. Обеззараживание воды плазмой. /Обзор/. 15
1.1 Образование озона. 15
1.2 Образование озона в электрических разрядах . 16
1.3 Синтез озона в коронном разряде. 18
1.4 Взаимодействие электрических разрядов с водой. 22
Глава 2. Новый вид коронного факельного разряда . 31
2.1 Коронный факельный разряд В.И. Попкова. 31
2.2 Экспериментальная установка. Источник питания. 35
2.3 Форма разряда. 37
2.4 Стабильность коронного факельного разряда во времени . 41
2.4.1 Факторы, влияющие на стабильность разряда. 41
2.4.2 Коронный факельный разряд в осушенном воздухе. 44
2.4.3 Влияние влажности воздуха на устойчивость разряда. 45
Выводы. 46
Глава 3. Электрические характеристики коронного факельного разряда . 47
3.1 Статические вольт - амперные характеристики. 47
3.2 Динамические характеристики разряда. 50
3.2.1 Коронный факельный разряд в кислороде. 50
3.2.2 Коронный факельный разряд в воздухе. 52
3.3 Зондовые измерения коронного факельного разряда . 58
Выводы. 61
Глава 4. Моделирование физических процессов в поле коронного факельного разряда . 62
4.1. Постановка задачи. 62
4.2. Основные физические предположения. 63
4.3. Математическая модель. 65
4.4. Граничные условия. 67
4.5. Коэффициенты переноса. 70
4.6. Кинетика химических реакций. 73
4.7. Расчет состава квазиравновесной плазмы 75
4.8. Численное моделирование. 76
4.9. Результаты расчета и их обсуждение. 80
Глава 5. Синтез озона в коронном факельном разряде . 86
5.1. Синтез озона из воздуха. 86
5.2. Получение озона в коронном факельном разряде из кислорода.92
5.3. Предельный энергетический выход озона для КФР 98
5.4. Синтез озона в коронном факельном разряде из смесей газов 104
5.5. Влияние параметров разрядного контура на синтез озона. 109
Выводы . 117
Глава 6. Взаимодействие коронного факельного разряда с водой . 118
6.1 Особенности разряда реализуемого на воду. 122
6.2 Изменение химического состава воды при взаимодействии с разрядом. 124
6.3 Поступление перекиси водорода и озона в воду из разряда. 125
6.3.1 Влияние параметров разрядного контура на синтез окислителей. 125
6.3.2 Разряд, горящий на воду при различных условиях обмена воздуха в разрядной области. 127
6.4 Обеззараживание воды коронно-факельным разрядом 134
Выводы 136
Заключение 137
Литература 139
- Образование озона в электрических разрядах
- Стабильность коронного факельного разряда во времени
- Зондовые измерения коронного факельного разряда
- Синтез озона в коронном факельном разряде из смесей газов
Введение к работе
Озон Оз - это второе относительно устойчивое простое соединение, которое наряду с обычной формой О2 может образовывать кислород. Исключительное место, которое озон занимает среди других простых веществ, объясняет постоянный интерес к нему специалистов различных областей, начиная с его открытия и до последних лет [1-2].
Изучение электросинтеза озона имеет не только теоретическое, но и не меньшее практическое значение. В последние годы озон благодаря своим исключительным окислительным способностям находит широкое применение в самых различных областях. Это обеззараживание питьевой воды, очистка промышленных сточных вод, отходящих и хвостовых газов различных производств (от окислов азота и серы), хранение пищевых продуктов, химическая, нефтяная, фармацевтическая, текстильная промышленность, металлургия черных, цветных, и редких металлов, промышленный неорганический и органический синтез [3-12].
При технологическом использовании озона первостепенное значение имеет энергетический выход (гОз/кВт»ч или кВт»ч/кгОз) в том или ином способе его получения. В настоящее время усилия ученых занимающихся вопросами синтеза озона направлены на совершенствование уже существующих и разработке новых способов синтеза озона, позволяющих значительно увеличить его энергетический выход и упростить технологию его производства.
Образование озона происходит при различных физических, химических и комбинированных процессах. Это термическое образование, например, при быстром охлаждении кислород содержащей плазмы [13-14]. Фотохимическое образование озона наблюдается при облучении газообразного или жидкого кислорода ультрафиолетовым светом с длиной волны ^=2100нм нм [15-17]. Электрохимическое получение озона связано с процессами анодного окисления с участием молекулярного кислорода [18-19]. Озон в незначительных количествах образуется также при многих химических реакциях, при которых наблюдается выделение атомарного кислорода. Образование озона в электрических разрядах один из первых методов получения озона. В тлеющем разряде при низких давлениях (25 мм.рт.ст.) наблюдалось образование озона при энергетическом выходе 23 г/кВт«ч [21-23]. При быстром пропускании кислорода через дугу возможна «закалка» образующихся в дуге сравнительно высоких концентраций атомов кислорода с последующим образованием озона вне дуги. В этом случае удается получить до 12 г 03 на кВт»ч [24]. В искровом разряде из кислорода получается примерно в 50 раз меньше озона, чем в других формах [25]. Перечисленные выше химические, физические и физико-химические процессы, сопровождающиеся образованием озона не нашли применения в технологии синтеза озона. Это объясняется низкой энергетической эффективностью данных процессов (100-1000 кВт«ч/кг) и высокой стоимостью конечного продукта. Приемлемые для промышленного производства удельные энергозатраты на синтез озона как показывает мировая практика лежат в интервале 10-30 кВт»ч/кг.
В настоящее время образование озона в "тихом" (барьерном) и "коронном" разрядах остаются практически единственными способами промышленного производства озона.
Наиболее широкое распространение получили озонаторы на основе барьерного разряда. Общая теория электрических процессов, кинетика электросинтеза озона и другие вопросы связанные с физическими явлениями в барьерном разряде озонатора, в достаточной полноте раскрыта в литературе [26-59].
Озон образуется также в коронных разрядах постоянного и переменного тока. Синтезу озона в данных разрядах в литературе уделяется значительно меньшее внимание, чем для барьерного разряда. Полученные результаты, особенно количественные данные, сильно отличаются друг от друга, что связано в первую очередь с различием конструктивных параметров и условий проведения опытов[60-63]. Не смотря на это, интерес к синтезу озона в коронном разряде не ослабевает не только из-за достаточно высокой энергетической эффективности, но и из-за простоты реализации, т.к. не требуется вводить в разрядный промежуток диэлектрический барьер (стекло, керамика, эмаль и т.п.). Озонаторы коронного разряда позволяют использовать в качестве сырья атмосферный воздух, поскольку этот разряд обладает значительно меньшей чувствительностью к влажности и чистоте газа в отличии от барьерного разряда. Синтез озона в коронном разряде при энергозатратах того же порядка, что и в барьерном, происходит в резко неоднородном электрическом поле. Путем оптимизации разрядного контура удается получать устойчивую корону при напряжении 15-25 кВ, способную синтезировать озон в концентрациях до 5г/м при энергозатратах 10-18 кВ,т-ч/кг [65]. В настоящее время, большой интерес проявляется также к генерации озона в наносекундном коронном разряде. На основе импульсного коронного разряда разработаны озонаторы с выходом озона 8-30 кВт*ч/ [67].
Генерация озона, в коронном разряде не смотря на высокий энергетический выход 8-60 кВт#ч/кг (для барьерного разряда 10-30 кВт#ч/кг) не имеет достаточно широкого распространения. Что связано с рядом особенностей данного разряда. Наблюдается зависимость образования озона от материала электродов, времени работы аппарата, состава газа, параметров разрядного контура. Не мало важной причиной в этом отношении является малая величина тока разряда, приходящегося на единицу длинны коронирующего электрода. Так например для воздушного промежутка между проволокой г=0,1 см и коаксиальным цилиндром R=10cm, давлении р=1 атм, и напряжении на разрядном контуре 40кВ ток разряда на единицу длинны коронирующего электрода равен 4,6 мка/см. а мощность 0,184Вт/см [68]. При таких параметрах разряда значительно возрастают массогабариты озонаторной установки.
В этом отношении представляет научный и практический интерес аномальная разновидность положительной йороны -"Факельный разряд" (название разряду дано В.И, Попковым по аналогии с факельным истечением с высокочастотного контура). Разряд имеет вид диффузного свечения заполняющего частично или полностью разрядный промежуток и существует при напряжениях на разрядном контуре ~150 кВ. Факельный разряд, распространившийся до противолежащего электрода, представляется особым типом разряда в воздухе при атмосферном давлении. Он сравнительно мало изучен. Вместе с тем, его исследование может представить не только чисто научный, но и определенный практический интерес. Факельный разряд, простирающийся до противолежащего электрода, может играть роль в тех процессах электронно-ионной технологии, где требуется большая плотность ионов в больших объемах газа, находящегося не при низком, а при высоком давлении. Необходимо отметить что ток факельного разряда в 50 раз больше тока, обычного коронного разряда при одинаковых условиях проведения эксперимента [71].
Факельный разряд, а точнее коронный факельный разряд (КФР) исследуется в отношении потерь в линиях электропередачи. С технологической же точки зрения в частнбости для синтеза озона данный разряд не исследовался. Хотя предварительные результаты исследований указывают на перспективность данного разряда в этом отношении. Ограничением применимости данного разряда возможно является необходимость использования сравнительно высоких напряжений (~150 кВ) что в свою очередь влечет за собой усложнение и удорожание конструкции озонатора. К тому же известно, что во всех случаях коронного разряда наблюдается зависимость образования озона от материалов электродов, от времени работы озонатора, температуры, влажности и состава газа. Все это относится также и к коронному факельному разряду. Более того, коронный факельный разряд весьма чувствителен не только к внешним условиям, но и к параметрам разрядного контура (межэлектродное расстояние, толщина электродов и т.п.). Изменение выше перечисленных факторов может способствовать переходу коронного факельного разряда в другие разновидности коронного разряда и как следствие изменению энергетических характеристик синтеза озона.
Сложность и пространственная неоднородность физико-химических процессов в коронном факельном разряде не позволяют до настоящего времени дать достаточно полное описание этого разряда. Неясны характеры и последовательность процессов в разрядном промежутке, и их зависимость от параметров разрядного контура. Мало изучена динамика развития разряда и кинетика химических реакций, не ясны причины и степени влияния внешних условий на срыв устойчивости разряда, отсутствуют данные о роли неравновесных процессов в синтезе озона.
Актуальность,
С учетом выше изложенного актуальным является поиск оптимальной формы разрядного контура и определение таких геометрических параметров электродов, при которых реализуется устойчивый режим горения коронно-факельного разряда при пониженных напряжениях (~30 кВ). Необходимо набрать экспериментальный материал, который позволит достаточно полно описать данный тип электрического разряда. Электросинтез озона в многокомпонентном газе сопровождается большим числом химических процессов и до настоящего времени как отдельные его детали, так и в целом весь механизм образования озона в коронно-факельном разряде практически не изучен. Поэтому в настоящее время не представляется возможным создание озонаторов на коронном факельном разряде без дополнительных исследований. В связи с этим необходимо провести широкий комплекс экспериментальных и теоретических исследований характеристик синтеза озона в коронном факельном разряде в зависимости от изменения геометрии, расположения и полярности электродов, формы разрядного контура, подводимого напряжения и мощности источника, рабочего давления и химического состава газа.
Нахождение связи между током коронного факельного разряда и приложенной разностью потенциалов в зависимости от геометрии разрядного промежутка, давления, температуры и физических свойств газа является сложной задачей. Вместе с тем знание вольтамперной характеристики необходимо как для сравнительной оценки эффективности различных коронирующих систем, так и для расчета мощности, потребляемой коронно-факельным разрядом. Методы и средства исследования неоднородных электрических полей с объемным зарядом оказываются специфическими и могут сильно отличаться от методов исследования электростатических полей. Поэтому необходимы зондовые методы измерений для исследования электрического поля короны.
Для оптимизации синтеза озона в коронном факельном разряде необходима разработка математических моделей физико-химических процессов, учитывающих ' пространственную неоднородность разряда, колебательно-поступательную и химическую неравновесность плазмы, кинетику атомно-молекулярных превращений. Необходимо определить теплофизические и переносные свойства используемых газов (кислорода, воздуха), констант скоростей и сечений различных элементарных процессов, включая процессы возбуждения и дезактивации колебательных уровней молекул, электронных состояний, диссоциации, ионизации и т.п.
В настоящее время разработка и внедрение новых экологически чистых технологий, например, безреагентных методов обеззараживания питьевых и сточных вод, становится жизненной необходимостью. Среди современных технологий очистки и обеззараживания питьевой воды в последнее время прогрессируют передовые окислительные технологии (Advanced Oxidation Technology - АОТ). Которые основаны на совместном воздействии, на примеси воды окислителей (хлор, озон, перекись водорода), ультрафиолетового излучения (УФ)> кавитационных явлений, ультразвука и т.п. [72]. Электрические разряды, реализуемые в воде или на ее поверхности, позволяют реализовать АОТ в одном устройстве. Так как газоразрядная плазма при определенных условиях может быть эффективным источником практически всех выше перечисленных элементов передовых окислительных технологий. Особенности применения импульсных электрических разрядов для очистки воды приведены в литературе [73-85]. Причем наблюдается увеличение эффективности воздействия на воду при уменьшении величины протекающего тока в разряде. Так в случае реализации импульсной короны по поверхности воды получены минимальные энергозатраты на ее обеззараживание по сравнению с другими видами импульсного воздействия [77-82]. Подобная тенденция наблюдается также при воздействии на воду коронного и барьерного разряда [83-85]. Воздействия коронного факельного разряда на воду с целью ее обеззараживания (по доступным литературным данным ) вообще не рассматривается. Поэтому является актуальным всестороннее исследование особенностей воздействия факельного разряда горящего на воду. Это определение энергетической эффективности синтеза окислителей (озон, перекись водорода) поступающих в воду, исследование изменения химического состава воды при различных режимах воздействия, апробация метода на реальной или искусственно зараженной воде, оптимизация режимов воздействия для получения минимальных удельных энергозатрат. Цель и задачи работы.
Целью данной работы является исследование условий формирования стабильного во времени коронного факельного разряда реализуемого при напряжениях до 30 кВ и комплексное изучение электрических, энергетических, теплофизических и плазмохимических (синтез озона и других окислителей) характеристик данного разряда. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Найти условия существования стабильного во времени КФР при напряжениях до 30 кВ;
Изучить статические и динамические характеристики КФР при различных параметрах разрядного контура;
Разработать модель физических и плазмохимических процессов в поле коронного факельного разряда;
Исследовать синтез озона в КФР из воздуха, кислорода и смесей газов. Найти оптимальные режимы генерации озона. Определить предельный энергетический выход озона для данного разряда;
Изучить особенности воздействие КФР на воду с целью ее обеззараживания. Оптимизировать режимы с энергетической и технологической точек зрения. Научная новизна.
Получен новый вид коронного факельного разряда при напряжении положительной полярности до 30 кВ на основе коронирующего электрода выполненного в виде диска, диаметром 5-10мм плоскость которого расположена на расстоянии до 30 мм параллельно заземленному электроду;
Установлено, что одними из основных факторов определяющих стабильность КФР является оседание на коронирующей кромке электрода образующихся в разряде на воздухе ангидрида, азотной и азотистой кислот с последующим образованием солей металлов;
Выявлено, что ток в КФР имеет постоянную и импульсную составляющую, соотношение между которыми существенно зависит от напряжения на разрядном контуре;
Впервые проведены исследования синтеза озона в коронном факельном разряде горящем на воздухе, кислороде и его смесях с другими газами. Определен предельный энергетический выход озона для данного разряда.
Предложена математическая модель для численного анализа физических процессов в кислородной неравновесной плазме коронного факельного разряда с учетом химических реакций, включающих образование озона;
Установлено, что при взаимодействии плазмы КФР с водой в нее поступают перекись водорода, озон и соединения азота (NH^ NO2" и NO3"). Результаты бактериологических исследований указывают на возможность применения данного разряда для очистки и обеззараживания воды. Практическая значимость работы:
Результаты исследований энергетических характеристик КФР дают возможность оптимизации процессов электронно-ионной технологии большой плотности ионов, в объемах газа находящегося при высоком давлении. Удельная мощность разряда составляет 8,5кВт/м2 коронирующей площади. Плотность ионного тока достигает величины 0,34 А/м2.
Технологические устройства со стабилизированными во времени параметрами на основе КФР можно реализовать при условии: а) Коронирующие элементы выполняются из коррозионностойких металлов или их сплавов, б) Электроды - диски диаметром 6-10 мм и толщиной 50 мкм, расстояние между дисками 2,5 см, расстояние до заземленного электрода до 30 мм, в) Рабочая среда осушенные воздух или кислород.
Полученные данные о синтезе озона в КФР позволяют проектировать озонирующие установки, использующие в качестве рабочей среды воздух или кислород.
Показана возможность создания на основе коронного факельного разряда устройств для очистки и обеззараживания воды с энергозатратами ~1 кВт»ч /м3 воды.
На защиту выносятся:
Коронный факельный разряд при напряжении положительной полярности до 30 кВ реализуемый путем подбора параметров коронирующих электродов от заостренного проводника к диску диаметром 6-Ю мм и толщиной 50 мкм параллельного заземленной плоскости.
Результаты исследований механизмов влияющих на устойчивость горения КФР и способы позволяющие стабилизировать его характеристики: а) дестабилизирующим фактором для существования разряда является оседание на электроды азотной и азотистой кислот и образование при этом солей металлов (например, СиСМО^г), б) изготовление электродов из химически стойких металлов и удаление влаги из рабочего газа способствует стабилизации разряда.
Статические и динамические вольтамперные характеристики разряда позволяющие определить характер протекания тока и распределение электрического поля в коронном факельном разряде.
Математическая модель (уравнения, граничные условия, коэффициенты переноса, константы скоростей химических реакций) для численного анализа физических процессов в кислородной плазме коронного факельного разряда.
Совокупность условий и требований к разрядному контуру необходимых для генерации озона из воздуха и кислорода при минимальных удельных энергозатратах. Обоснование возможности генерации озона с энергетической эффективностью близкой к термохимическому пределу 0,85 кВт#ч/кгОз.
Возможность обеззараживания воды с помощью коронного факельного разряда с энергозатратами на уровне 1кВт»ч/м .
Апробация,
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2й научной конференции Кыргызско-Российского Славянского университета (Бишкек-1995), на International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry (Milovy, Czech Republic, September 2-4, 1996), на Международной научно-теоретической конференции, посвященной 5-летию образования Кыргызско-Российского университета (Бишкек-1998), на третьем международном конгрессе "Вода: Экология и технология" ЭКВАТЕК-98 (Москва, 26-30 мая 1998г.), на конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (15-19 сентября, Минск, Беларусь 1997), in the 14th Ozone World Congress in Dearborn, Michigan, USA (August 22-26, 1999). Основные положения диссертации опубликованы в14 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 147 страниц основного текста, две таблицы и 85 рисунка. Список цитируемой литературы включает 104 наименованя.
Краткое содержание работы.
В первой главе приводится обзор данных о способах синтеза озона в химических, физических или комбинированных процессах. Проведен анализ вопросов, связанных с воздействием газоразрядной плазмы на воду с целью ее обеззараживания.
Во второй главе проанализированы характеристики (КФР) В.И. Попкова при напряжениях на разрядном контуре до 150 Кв. В главе рассмотрена схема экспериментальной установки для исследования энергетических и плазмохимических свойств нового вида коронного факельного разряда реализуемого при пониженных напряжениях (до 30 кВ).
В третей главе изложены результаты исследования статических и динамических вольтамперных характеристик нового вида КФР реализуемого в кислороде или в воздухе, а также приведены результаты зондовых измерений распределения потенциала в зоне разряда.
В четвертой главе приведены результаты моделирования физических процессов в поле коронного факельного разряда.
В пятой главе исследуется генерация озона в коронном факельном разряде из воздуха, кислорода и его смесей с другими газами.
В шестой главе приведены результаты исследований воздействия коронного факельного разряда на воду с целью ее обеззараживания.
Образование озона в электрических разрядах
Разряд имеет вид диффузного свечения заполняющего частично или полностью разрядный промежуток и существует при напряжениях на разрядном контуре 150 кВ. Факельный разряд, распространившийся до противолежащего электрода, представляется особым типом разряда в воздухе при атмосферном давлении. Он сравнительно мало изучен. Вместе с тем, его исследование может представить не только чисто научный, но и определенный практический интерес. Факельный разряд, простирающийся до противолежащего электрода, может играть роль в тех процессах электронно-ионной технологии, где требуется большая плотность ионов в больших объемах газа, находящегося не при низком, а при высоком давлении. Необходимо отметить что ток факельного разряда в 50 раз больше тока, обычного коронного разряда при одинаковых условиях проведения эксперимента [71].
Факельный разряд, а точнее коронный факельный разряд (КФР) исследуется в отношении потерь в линиях электропередачи. С технологической же точки зрения в частнбости для синтеза озона данный разряд не исследовался. Хотя предварительные результаты исследований указывают на перспективность данного разряда в этом отношении. Ограничением применимости данного разряда возможно является необходимость использования сравнительно высоких напряжений ( 150 кВ) что в свою очередь влечет за собой усложнение и удорожание конструкции озонатора. К тому же известно, что во всех случаях коронного разряда наблюдается зависимость образования озона от материалов электродов, от времени работы озонатора, температуры, влажности и состава газа. Все это относится также и к коронному факельному разряду. Более того, коронный факельный разряд весьма чувствителен не только к внешним условиям, но и к параметрам разрядного контура (межэлектродное расстояние, толщина электродов и т.п.). Изменение выше перечисленных факторов может способствовать переходу коронного факельного разряда в другие разновидности коронного разряда и как следствие изменению энергетических характеристик синтеза озона.
Сложность и пространственная неоднородность физико-химических процессов в коронном факельном разряде не позволяют до настоящего времени дать достаточно полное описание этого разряда. Неясны характеры и последовательность процессов в разрядном промежутке, и их зависимость от параметров разрядного контура. Мало изучена динамика развития разряда и кинетика химических реакций, не ясны причины и степени влияния внешних условий на срыв устойчивости разряда, отсутствуют данные о роли неравновесных процессов в синтезе озона.
С учетом выше изложенного актуальным является поиск оптимальной формы разрядного контура и определение таких геометрических параметров электродов, при которых реализуется устойчивый режим горения коронно-факельного разряда при пониженных напряжениях ( 30 кВ). Необходимо набрать экспериментальный материал, который позволит достаточно полно описать данный тип электрического разряда. Электросинтез озона в многокомпонентном газе сопровождается большим числом химических процессов и до настоящего времени как отдельные его детали, так и в целом весь механизм образования озона в коронно-факельном разряде практически не изучен. Поэтому в настоящее время не представляется возможным создание озонаторов на коронном факельном разряде без дополнительных исследований. В связи с этим необходимо провести широкий комплекс экспериментальных и теоретических исследований характеристик синтеза озона в коронном факельном разряде в зависимости от изменения геометрии, расположения и полярности электродов, формы разрядного контура, подводимого напряжения и мощности источника, рабочего давления и химического состава газа. Нахождение связи между током коронного факельного разряда и приложенной разностью потенциалов в зависимости от геометрии разрядного промежутка, давления, температуры и физических свойств газа является сложной задачей. Вместе с тем знание вольтамперной характеристики необходимо как для сравнительной оценки эффективности различных коронирующих систем, так и для расчета мощности, потребляемой коронно-факельным разрядом. Методы и средства исследования неоднородных электрических полей с объемным зарядом оказываются специфическими и могут сильно отличаться от методов исследования электростатических полей. Поэтому необходимы зондовые методы измерений для исследования электрического поля короны.
Для оптимизации синтеза озона в коронном факельном разряде необходима разработка математических моделей физико-химических процессов, учитывающих пространственную неоднородность разряда, колебательно-поступательную и химическую неравновесность плазмы, кинетику атомно-молекулярных превращений. Необходимо определить теплофизические и переносные свойства используемых газов (кислорода, воздуха), констант скоростей и сечений различных элементарных процессов, включая процессы возбуждения и дезактивации колебательных уровней молекул, электронных состояний, диссоциации, ионизации и т.п.
В настоящее время разработка и внедрение новых экологически чистых технологий, например, безреагентных методов обеззараживания питьевых и сточных вод, становится жизненной необходимостью. Среди современных технологий очистки и обеззараживания питьевой воды в последнее время прогрессируют передовые окислительные технологии (Advanced Oxidation Technology - АОТ). Которые основаны на совместном воздействии, на примеси воды окислителей (хлор, озон, перекись водорода), ультрафиолетового излучения (УФ) кавитационных явлений, ультразвука и т.п. [72]. Электрические разряды, реализуемые в воде или на ее поверхности, позволяют реализовать АОТ в одном устройстве.
Стабильность коронного факельного разряда во времени
Корона на электроде находящемся при положительной полярности стационарного напряжения в атмосферном воздухе, может принимать в зависимости от совокупности условий различные формы. При непрерывной форме зона ионизации ограничена небольшими расстояниями возле электрода, в токе короны отсутствуют импульсы. В других случаях корона носит прерывистый характер: ток является совокупностью следующих друг за другом импульсов, свечение распространяется в глубь промежутка и может иметь вид ярких от шнурованных каналов ("стримерная корона") [69].
В некоторых случаях коронный разряд с положительного острия, провода, или острой кромки может принять форму "Факельного разряда" (Название разряду дано В.И. Попковым по аналогии с факельным истечением с высокочастотного контура). Разряд имеет вид диффузного свечения заполняющего частично или полностью разрядный промежуток. Факельный разряд, распространившийся до противолежащего электрода, представляется особым типом разряда в воздухе при атмосферном давлении. В некоторых случаях такой разряд является стабильным, т.е. не прерывается и не переходит в другие виды разряда—искру или дугу. Он сравнительно мало изучен [70]. Вместе с тем, его исследование может представить не только чисто научный, но и определенный практический интерес. Факельный разряд, простирающийся до противолежащего электрода, может играть роль в тех процессах электронно-ионной технологии, где требуется большая плотность ионов в больших объемах газа, находящегося не при низком, а при высоком давлении. Одной из важных задач исследования факельного разряда является изучение его основных электрических характеристик и определение условий его устойчивого существования.
В экспериментах Богдановой Н.Б. и Попкова В.И использовались аноды - провод внутри концентрической изолирующей трубки, имеющей одно отверстие посредине, либо металлическая трубка с укрепленным на ней остриём рис.2.
Характеристики факельного разряда вольтамперные характеристики Icp=f(U), средние пробивные градиенты, форма, амплитуда и частота импульсов тока-были измерены при различных геометрических и иных параметрах анодов, размерах промежутка, электрических параметрах цепи. Были исследованы условия, при которых факельный разряд, распространившийся на весь промежуток, является устойчивым, то есть, существует длительное время, не прерываясь и не переходя в другие формы разряда - искру или дугу. Варьируемыми параметрами для анода первого типа служили: диаметр проволоки, меняющийся от 0,3 до 2 мм, диаметр отверстия в изолирующей трубке- (0,3-2мм), материал изолирующей трубки. При аноде второго типа менялся диаметр металлической трубки (8-27 мм), форма и размер укрепленного на ней острия, то есть диаметр его цилиндрической части (2го=2-15 мм), длина выступающей части (L=5-20 мм), угол конусности (а=15-45). Расстояние между электродами Н менялось в пределах, от 60 до 250 мм, электрическое сопротивление в цепи электродов R- от5 кОм до 30 мОм, ёмкость С, подсоединенная между анодом и землей, от 250 до 2800 пкФ .
Измерения показали возможность устойчивого существования факельного разряда при варьировании ряда параметров, относящихся к электродам, промежутку и цепи, в довольно широких пределах.
Из наблюдений выявляется следующая последовательность развития разряда по мире возрастания напряжения: при некотором напряжении в отверстии изолирующей трубки или на кончике острия возникает факельная корона - короткий яркий ствол, . окруженный ореолом диффузного свечения; с ростом напряжения яркость и распространенность свечения в глубь промежутка увеличиваются, при некотором напряжении ифак оно достигает противолежащего электрода. При напряжении несколько большем l aK, происходит искровой или дуговой пробой промежутка. Вольтамперная характеристика описанного разряда показана на рис.3: по оси абсцисс отложено напряжение на электродах, по оси ординат ток разряда. Факельная корона возникает при напряжении Uo и поддерживается до напряжения ифак, при котором факел достигает плоскости. Ток факельного разряда резко возрастает ( в вольтамперной характеристике появляется излом)-от 1Макс.кор- (наивысший ток факельной короны) до 1МакС.фак. (наивысший ток перед пробоем). Область напряжений Аифак, в которой устойчиво существует факельный разряд, достигающий плоскости, составляет несколько киловольт и она тем больше, чем больше расстояние между электродами [71]. Условием практического использования факельного разряда является заполнение таким разрядом достаточно большого объема. В промежутке с плоским не коронирующим электродом естественно расположить очаги факельного разряда на аноде линейно, так чтобы они были обращены в сторону плоскости. Это можно осуществить на анодах обоих форм. Наибольший суммарный ток 20 мА/м был измерен с фарфоровой трубкой, имеющей 14 отверстий на длине L=400 мм; этот ток в 50 раз больше тока, отнесенного к единицы длинны коронирующего провода, освобожденного от фарфоровой изоляции рис.4.
Зондовые измерения коронного факельного разряда
Импульсная составляющая тока находилась следующим образом: с помощью осциллографа определялась частота импульсов и средний заряд переносимый одиночным импульсом, произведение заряда на частоту позволяет найти среднюю величину тока переносимого импульсами.
Из рисунка видно, что половина среднего тока приходится на импульсы, а остальная часть приходится на постоянную составляющую. Сумма импульсной и постоянной составляющей тока (1и+п) с точностью в пределах погрешности эксперимента совпадает с током измеренным микроамперметром, что говорит о правильности выбранной методики разделения импульсной и постоянной составляющей тока коронного факельного разряда.
Полученные результаты можно объяснить, основываясь на лавинном и стримерном механизмах формирования коронного разряда. При очень низких напряжениях в положительной короне в воздухе имеют место только лавины, возникающие поблизости от кромки диска, где существуют условия для отрыва электронов, т.е. где Е/р. 90 в/см мм.рт.ст. По мере роста напряжения лавины увеличиваются в размерах и распространяются в боковых от диска направлениях за счет фото ионизации; возникают вспышечные импульсы, наблюдаемые в виде слабого свечения, покрывающего кромку диска, а также стримеры, представляющие собой нитевидные разряды, простирающиеся вглубь разрядного промежутка. Эти напряжения соответствуют порогу появления коронного факельного разряда, характеризуемого возникновением на осциллограммах импульсов тока (0,1—0,4 мксек), и резким увеличением среднего значения тока, текущего в промежутке.
Импульсы на осциллограммах тока короны вызваны образованием облака положительных ионов в разрядном промежутке. Когда последовательные лавины создадут положительные ионы в количестве, достаточном для уменьшения поля вблизи коронирующего диска, до значения, при котором дальнейшие лавины появляться не смогут, разряд прекращается; облако положительных ионов расплывается (за —10"—10"4 сек, в зависимости от напряжения) до тех пор, пока поле вблизи кромки не станет достаточно большим, чтобы снова вызвать образование лавин. Постоянная составляющая тока коронного факельного разряда, скорее, всего, обусловлена медленным дрейфом положительных и отрицательных ионов в разрядном промежутке.
Искажение импульсов тока, не стабильность амплитуды и периода следования импульсов можно объяснить тем, что кромка диска имеет не идеальную форму, на ней присутствуют шероховатости, неровности, заусенцы. Дефекты кромки являются местами, где реализуются максимальные напряженности электрического поля и развиваются ионизационные процессы, формирующие лавины и стримеры которые являются причиной появления импульсов тока. Геометрическое различие дефектов естественно приводит к неравнозначным условиям формирования лавин, стримеров и объемного заряда в их окрестности и в конечном итоге сказывается на амплитуде, частоте, и форме наблюдаемых импульсов тока [89-90].
Для моделирования коронного разряда и интерпретации экспериментов необходимы точные решения уравнений электростатики для распределения напряженности поля в разрядном промежутке. Для простых конфигураций разрядного промежутка имеются аналитические решения. Например, в пространстве между коаксиальными цилиндрами радиусов г (внутреннего) и R (внешнего), на радиальном расстоянии х от оси и напряжении между цилиндрами V.,
В случае КФР мы имеем диск (коронирующий) над плоскостью. Получение точного аналитического решения осложнено для поля в данном разрядном промежутке не только не симметричной геометрией, но и тем, что поле может быть искажено самим коронно факельным разрядом, заполняющим весь разрядный промежуток. Поэтому для восстановления картины распределения электрического поля в разрядном промежутке используется зондовый способ измерения потенциала относительно заземленного электрода в нужной точке разряда. Схема измерений приведена на рис.24. При подаче на диск 1 необходимого напряжения зажигается КФР 2 распространяющийся до заземленного электрода 3. В нужную точку разрядного промежутка с помощью двух координатного оптического столика 4 вводится сферический зонд 5. Оптический столик позволяет установить зонд с точностью до 0,1 мм в любую точку плоскости сечения разряда 6. Зонд представляет собой капиллярную трубку длиной 10 см из стекла, при внешнем диаметре 0,5 мм. Через капилляр пропущен провод из меди на одном конце, которого закреплен медный шарик 1 0-0,5 мм. Второй конец зонда подсоединяется к электростатическому киловольтметру (типа С 196). Выбор данного прибора немаловажен, так как его ток утечки при изменении напряжения составляет не более 10"12 А, что позволяет проводить измерения с минимальным искажением электрического поля в разрядном промежутке. Конструкция с помощью зажима крепится к координатному столику. При измерении готовилась координатная сетка в масштабе 1: 10 (1 -размер диска) где наносились точки, в которых проводились измерения величин потенциала измеренного киловольтметром. Предварительно начальные координаты сетки согласовывались с отсчетом по лимбам координатного столика. Затем на координатной сетке находились точки одинакового потенциала и соединялись в изолинии. Нормами к эквипотенциальным линиям дают картину распределения напряженности электрического поля, её величину можно рассчитать, зная координаты двух близлежащих точек измерения, и величины их потенциала.
На рис.25 совмещены изолинии измеренного и рассчитанного распределения потенциала в разряде, горящем в воздухе. Пунктиром показана условная область разряда, где визуально наблюдается максимальное свечение плазменного ствола, протекает большая часть электрического тока, происходит активная ионизация газа и идут плазмохимические реакции. Под диском и в области не ограниченной дугами основной перенос тока происходит за счет медленного дрейфа положительных (0+, N ) и отрицательных (Ог", О") ионов. Деформация линий потенциала связана с экранирующим действием области протекания тока и пространственным униполярным зарядом, возникающим в КФР [87]. Выводы. Статические вольт-амперные характеристики позволяют разделить области существования обычной положительной короны и КФР.
Синтез озона в коронном факельном разряде из смесей газов
В последнее время, стали активно разрабатываться теоретические и экспериментальные методы исследования характеристик коронного разряда применительно к задачам электросинтеза озона в кислородосодержащих средах, внедряться в производство различные конструкции озонаторов на коронном типе разряда [91 -93].
Коронный разряд в молекулярных газах сопровождается протеканием большого числа различных взаимосвязанных явлений, из которых в первую очередь следует выделить неравновесные [94]. Методы исследования таких систем при наличии сильных неоднородных электрических полей в настоящее время находятся в стадии разработки [95]. Генераторы неравновесной плазмы с разрядами различных типов характеризуются единством происходящих в них физических процессов [91-92]. Это позволяет использовать накопленный опыт в моделировании неравновесной плазмы и для исследования физико-химических процессов коронного разряда. В плазмохимических системах ситуация усложняется тем, что интенсивные химические превращения влекут за собой изменения состава газа, что может существенно повлиять и на баланс заряженных частиц [94].
Объектом теоретического исследования является коронный факельный разряд, который зажигается при постоянном токе высокого напряжения в открытой среде молекулярного кислорода атмосферного давления. Коронирующий электрод представляется в виде тонкой круглой пластинки (диска) или в виде тонкого стержня (проволоки), к которому подводится положительный потенциал фь второй заземленный электрод - в виде плоскости с потенциалом q 2=0. Рассматривается одиночный разряд (рис.10), который выделяется из разрядного контура, образованного группой симметрично расположенных в одной плоскости коронирующих электродов, находящихся под одним и тем же потенциалом и объединенных в разрядную кассету [93]. Плоскости всех коронирующих дисков располагаются параллельно заземленному электроду, а в случае стержневого электрода - по нормали к его поверхности. Заданными считаются параметры нейтральной среды (температура, давление), напряжение на электродах, форма и геометрия одиночного разрядного контура. Необходимо: для анализа физических процессов в кислородной плазме коронного разряда предложить математическую модель (уравнения, граничные условия, коэффициенты переноса, константы скоростей химических реакций включающих образование озона в условиях термохимической неравновесности рабочей среды); разработать алгоритм и численный метод решения исходной системы дифференциальных уравнений; провести численный анализ влияния формы и размеров коронирующего электрода и разрядного контура, подводимого напряжения на величину и распределение электрического поля, термической и химической неравновесности плазмы.
Развитие физических процессов в газовом разряде может иметь различное направление, в каждом из которых может проявляться своя специфика в формировании параметров разряда и его характеристик [96]. Для моделирования физических процессов и качественной оценки характеристик коронного разряда используется упрощенная двухтемпературная модель плазмы. Полагается, что коронный разряд устанавливается вследствие ионизации неподвижной газовой среды под действием стационарного неоднородного электрического поля с существенно неравновесной плазмой Те»Т. При этом распределение электронов по энергиям считается квазиравновесным. Такое состояние плазмы с сильным отрывом электронной и газовой температур поддерживается благодаря слабой эффективности передачи энергии электронами в столкновениях с тяжелыми частицами. К тому же при слабой ионизации, характерной для коронного разряда, плотность тока и выделение джоулева тепла малы. Поэтому допустимо считать, что изменение температуры тяжелых частиц в поле коронного разряда не существенно, а ее величина определяется значением температуры окружающей среды.
Электрическое поле является определяющим фактором движения зарядов и в первом приближении можно пренебречь влиянием потока нейтрального газа. Генерируемое разрядом течение плазмы осесимметричное и установившееся. Индуцированное движением зарядов магнитное поле не вносит существенного вклада в динамику плазмы из-за малой плотности тока и им пренебрегается. Параметры стационарной плазмы определяются кинетикой химических реакций, давлением газа, плотностью разрядного тока, характерными размерами газоразрядной области и граничными условиями для температуры и концентрации всех частиц, составляющих плазму. Отрыв температур электронов и тяжелых частиц определяется балансом между выделением джоулева тепла в электронном газе, с одной стороны и передачей энергии от электронов тяжелым частицам - с другой.
Температура атомарных и молекулярных ионов, нейтральных частиц, коронирующего и не коронирующего электродов одинаковы и определяются параметрами окружающей среды. Плазма слабо ионизована и квазинейтральна. Инерциальными членами в уравнениях движения электронов и ионов пренебрегается по сравнению с силой трения между компонентами, что позволяет описать движение заряженных частиц в диффузионном приближении. Термодиффузией пренебрегается. Поверхность заземленного электрода является поглощающей для всех заряженных частиц, движущихся к нему.
