Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Барьерно- поверхностный разряд и его применение для синтеза озона 11
1.1 Классический барьерный разряд 11
1.2 Барьерно - поверхностный разряд 16
1.3 Образование озона в электрических разрядах 19
1.4 Синтез озона в барьерном и барьерно-поверхностном разряде 21
1.5 Применение озона в медицине 23
Выводы 27
Глава 2. Экспериментальная установка и методы исследования 28
2.1 Экспериментальная установка 28
2.2 Исследование динамических и статических характеристик разряда 30
2.3 Определение тепловых параметров разряда 33
2.4 Определение концентрации озона в газах 34
2.5 Измерение химических показателей растительных жиров 36
Выводы 38
Глава 3. Энергетические характеристики барьерно-поверхностного разряда с коронирующим электродом 39
3.1 Последовательность развития формы разряда 39
3.2 Динамические характеристики разряда 42
3.3 Статические вольт - амперные характеристики 44
3.4 Влияние параметров разрядного узла на энергетические характеристики разряда 46
3.5. Теплофизические процессы в разряде 52
3.5.1. Тепловой баланс в разряде 52
3.5.2. Определение коэффициента теплоотдачи от газа к стенке диэлектрика 54
3.5.3 Роль электрического ветра в теплообмене разряда 56
Выводы 58
Глава 4. Синтез озона в барьерно - поверхностном разряде с коронирующим электродом 60
4.1 Общие кинетические зависимости электросинтеза озона из кислорода 60
4.2. Влияние длины реакционной зоны 61
4.3. Зависимость синтеза озона от геометрических параметров коронирующего электрода 61
4.4. Электросинтез при различных расположениях спирали внутри трубки 65
4.5. Эффективность синтеза озона в барьерно-поверхностном разряде 66
Выводы 69
Глава 5. Эвристическая модель барьерно-поверхностного разряда 72
5.1 Нахождение напряженности электрического поля 72
5.1.1 Графическое построение силовых линий по методу Максвелла 72
5.1.2 Использование метода зеркальных изображений 74
5.1.3 Расчет напряженности поля вдоль силовых линий 75
5.1.4 Расчет напряженности поля на поверхности диэлектрика 76
5.2 Определение напряжения зажигания и длины стримера 77
5.3 Расчет динамических характеристик разряда 80
5.4 Расчет взаимовлияния соседних витков коронирующего электрода 82
Выводы 85
Приложение.
Применение барьерно - поверхностного разряда с коронирующим электродом для озонирования растительных масел 87
Заключение 89
Литература 91
- Синтез озона в барьерном и барьерно-поверхностном разряде
- Исследование динамических и статических характеристик разряда
- Влияние параметров разрядного узла на энергетические характеристики разряда
- Зависимость синтеза озона от геометрических параметров коронирующего электрода
Введение к работе
Барьерно-поверхностный разряд, скользящий на разделе газовой и диэлектрической фазы - один из наиболее перспективных видов газового разряда, нашедших применение в разных областях жизнедеятельности человека (промышленности, медицине, сельском хозяйстве) [1-Ю]. Барьерно-поверхностный разряд как новый вид разряда был предложен С. Массудой ' (Япония) [11] и B.C. Энгельштом (Кыргызстан) [12]. Барьерно-поверхностный разряд, как и его основа, классический барьерный разряд, не рассматриваются в фундаментальных работах, посвященных физике газового разряда. Это объясняется не только его относительной новизной, но и сложностью в исследовании. Имеющиеся работы по исследованию и применению барьерно-поверхностного разряда можно разделить на два основных направления. Первое направление - это плазмохимический синтез, перешло к нему от классического барьерного разряда [13,14]. Второе связано с применением разряда в качестве плазменного электрода в газовых лазерах. Плазменные электроды обеспечивают непосредственное возбуждение активных сред в лазерах с полосковой формой пучка излучения [15-20]. Для развития обоих направлений имеется большой экспериментальный материал по электрическим и физическим характеристикам разряда, однако отсутствие единства представлений по физике развития и формирования поверхностного разряда затрудняет задачу определения параметров плазмы и создание оптимальных конструкций. Одна из трудностей связана со значительным влиянием свойств диэлектрика (толщины, диэлектрической проницаемости, удельных поверхностных и объемного сопротивления, структуры материала и его химического состава) на характер развития разряда. Результаты исследования, зависимости характеристик разряда от тех или иных свойств диэлектрика содержатся в работах [21-25], однако зависимости представленные в работах не всегда однозначны и изменяются для каждой стадии развития разряда.
Конструкции на барьерно-поверхностном разряде постоянно
усовершенствуются и предлагаются новые варианты, однако большинство из них основано на модернизации и усовершенствовании чисто технических характеристиках разрядного контура. Внутренние теплофизические и физико-химические процессы в разряде остаются в стороне, и не учитываются при оптимизации, что, прежде всего, связано с недостатком экспериментальных и теоретических исследований этих процессов. Имеется небольшое количество работ [25,26] посвященных исследованию температурных процессов в барьерном разряде, где также остаются открытыми вопросы, связанные с теплообменом в разряде. Работы по исследованию теплофизики барьерно-поверхностного разряда встречаются еще реже. Несколько лучше обстоит дело с численным моделированием разрядных процессов [25,27-29]. При разработке численных моделей основным является нахождение распределения поля на поверхности диэлектрика, что само по себе представляет уже сложную задачу, так как рассматривается неоднородная среда (газ-диэлектрик). Для вычисления поля в воздушном зазоре над диэлектриком и на поверхности диэлектрика в ряде работ решается плоская задача Дирихле для двумерного уравнения Лапласа [30,31]. Находя напряженность электрического поля, и рассчитывая тангенциальную и нормальную составляющие, авторы не всегда связывают их с динамическими характеристиками разряда. Тогда как фаза распространения разряда по поверхности диэлектрической подложки, в виде линейных токовых каналов, приводит к появлению и разрастанию на ней проводящего слоя плазмы, изменяющего емкость всей системы, в момент протекания разряда. Процесс протекания электрического тока в разряде авторы [27] разделяют на две стадии. Первая стадия описывает ток стримера, который может рассматриваться как активный проводник тока, где потенциал коронирующего электрода практически без изменения переносится в головную часть микроразряда. Вторая стадия описывает ток смещения, который возникает после прохождения микроразряда. В работе [28] авторами предложена численная модель барьерно-поверхностного
разряда, описывающая нахождение распределения напряженности поля и расчет первой стадии процесса - протекание стримерного тока. Актуальность работы
С учетом выше изложенного актуальным вопросом является исследование теплофизических и физико-химических процессов, сопровождающих барьерно-поверхностный разряд в диэлектрической трубке с коронирующим электродом. Руководствуясь тем, что на сегодняшний день не сложилось единой системы взглядов на механизм барьерно-поверхностного разряда и описание его сложной внутренней структуры, необходимо провести комплекс экспериментальных и теоретических исследований эволюции разряда, его энергетических и электрических характеристик, установить процесс теплопередачи и теплообмена в разряде.
Для наиболее высокого энергетического выхода озона большое значение имеет поиск оптимальных геометрических параметров разрядного узла. В связи с чем, целесообразно изучить процесс синтеза озона в барьерно-поверхностном разряде с коронирующим электродом в зависимости от изменения расположения коронирующего электрода в полости трубки, длины разрядной зоны, параметров коронирующего электрода, эффективного значения напряжения и расхода рабочего газа. Нахождение связи между током разряда и приложенной разностью потенциалов в зависимости от геометрии разрядного промежутка является сложной задачей. Вместе с тем знание вольтамперной и вольткулоновской характеристик необходимы для расчета мощности потребляемой разрядом и наблюдения за динамикой плазмы в разряде. Из-за отсутствия теоретического описания разрядных процессов, важным является разработка такой теоретической модели барьерно-поверхностного разряда, которая позволит рассчитывать динамические параметры разряда.
Цель работы - экспериментальное и теоретическое исследование электрических, теплофизических и плазмохимических процессов, протекающих в барьерно-поверхностном разряде с коронирующим
электродом; определение оптимальных параметров плазмохимического реактора для синтеза озона на основе барьерно-поверхностного разряда. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
исследовать механизм возникновения и эволюции барьерно-поверхностного разряда с коронирующим электродом;
изучить статические и динамические характеристики барьерного поверхностного разряда;
-установить влияние геометрических параметров разрядного узла на энергетические характеристики барьерно-поверхностного разряда и эффективность синтеза озона;
-определить особенности тепловых процессов, происходящих при горении барьерно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке, и установить доли тепловой энергии, передаваемой от разряда газовому потоку и через диэлектрический барьер охлаждающей жидкости;
разработать теоретическую модель барьерно-поверхностного разряда, позволяющую находить динамические характеристики разряда;
оценить эффективность использования плазмохимического реактора на основе исследуемого разряда для озонирования растительных масел.
Научная новизна:
Впервые установлен механизм развития барьерно-поверхностного разряда с коронирующим электродом: коронный, поверхностный, объемный;
Выявлено, что одним из основных факторов, влияющих на электрические характеристики разряда, является динамическая емкость разряда, характеризующая заполнение плазмой поверхности диэлектрика;
Определены оптимальные геометрические параметры разрядного контура для эффективного электросинтеза озона;
Впервые определен тепловой баланс в разряде и установлены доли тепловой энергии, передаваемой от разряда газовому потоку и через диэлектрический барьер охлаждающей жидкости;
Выявлена первостепенная роль электрического ветра в теплообмене
между плазмой и диэлектрической стенкой в барьерно-поверхностном разряде;
6. Разработана эвристическая модель барьерно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке с коронирующим электродом, позволяющая находить распределение электрического поля на поверхности диэлектрика, рассчитывать напряжение зажигания и основные динамические характеристики разряда.
Практическая значимость:
Установлено, что барьерно-поверхностный разряд целесообразно вводить в диэлектрические теплообменники с целью интенсификации теплообмена электрическим ветром, который увеличивает коэффициент теплоотдачи от плазмы к диэлектрической стенке.
Разработана оптимальная конструкция плазмохимического реактора на барьерно-поверхностном разряде с коронирующим электродом для энергетически выгодного электросинтеза озона.
Разработана эвристическая модель для расчета динамических характеристик барьерного и барьерно-поверхностного разрядов.
На защиту выносятся:
Механизм развития барьерно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке с коронирующим электродом;
Статические и динамические вольтамперные и вольткулоновские характеристики барьерно-поверхностного разряда с коронирующим электродом;
Результаты расчета теплового баланса энергии, передаваемой от разряда газовому потоку и через диэлектрический барьер охлаждающей жидкости;
Механизм теплообмена в барьерно-поверхностном разряде, определяющая роль в котором принадлежит электрическому ветру;
Эвристическая модель барьерно-поверхностного разряда, позволяющая определять напряженность поля на поверхности диэлектрика, напряжение зажигания разряда, длину стримера и динамические характеристики разряда;
Оптимизированная конструкция плазмохимического реактора для синтеза озона на основе барьерного поверхностного разряда с коронирующим электродом.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-техническом симпозиуме «Образование через науку» (Бишкек 7-9 октября 2004 г.), 4 - Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, Россия, 13-18 мая 2005 г.), Первой всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» (Москва, Россия, 6-9 июня 2005 г.), Научно-практической конференции посвященной Всемирному году физики (Каракол 17-18 июня 2005 г.), Республиканской научно-практической конференции «Физика в Кыргызстане: прошлое, настоящее и прогнозы» (Бишкек 21-22 октября 2005 г.), Международной научной конференции «Физика и физическое образование: достижения и перспективы развития» (Бишкек 7-9 сентября 2006 г.).
Основные положения диссертационной работы отражены в 11 печатных работах.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, заключения и списка литературы из 161 наименования, содержит 103 страницы машинописного текста, включая 41 рисунок и 2 таблицы.
Краткое содержание работы
В первой главе приводится обзор данных о классическом барьерном и
барьерно-поверхностном разряде. Рассмотрен вопрос синтеза озона в электрических разрядах. Определено современное значение использования озона в медицинской практике.
Во второй главе приведена экспериментальная установка и основные методы исследования динамических, статических и тепловых параметров разряда. Описаны методики определения концентрации озона и химических показателей озонированного масла.
В третьей главе описаны последовательность развития формы разряда, динамические и статические характеристики разряда. Приведены результаты исследования влияния параметров разрядного узла на энергетические характеристики разряда. Исследованы теплофизические процессы в разряде, определен тепловой баланс разряда, установлены доли тепловой энергии, передаваемой от разряда газовому потоку и через диэлектрический барьер, охлаждаемой жидкости, оценена роль электрического ветра в процессе теплообмена.
Четвертая глава посвящена исследованию электросинтеза озона в барьерно-поверхностном разряде с коронирующим электродом в зависимости от геометрических параметров разрядного контура, напряжениях питания и расхода газа. Определена эффективность процесса синтеза озона в озонаторе на исследуемом виде разряда.
В пятой главе представлена эвристическая модель барьерно-поверхностного разряда. Модель позволяет, находить распределение напряженности поля на поверхности диэлектрика, линейные размеры токовых каналов, напряжение зажигания разряда, а также основные динамические характеристики разряда.
В приложении описан процесс озонирования растительного масла с помощью озонатора на барьерно-поверхностном разряде с коронирующим электродом. Проведен анализ комплекса химических показателей в озонированном и эталонном растительных маслах.
Синтез озона в барьерном и барьерно-поверхностном разряде
Неоспоримыми преимуществами барьерно-поверхностного разряда является простота исполнения конструкций и более высокий энергетический выход озона. На современном этапе плазмохимические реакторы на барьерно-поверхностном разряде вытесняют конструкции на барьерном разряде. 1.3 Образование озона в электрических разрядах
Озон Оз - это второе относительно устойчивое простое соединение, которое наряду с обычной формой Ог 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 [83-96].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, хранение пищевых продуктов, химическая, нефтяная, текстильная промышленность, промышленный неорганический и органический синтез, все больший интерес к озону проявляет медицина и фармакология.
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 кислородосодержащей плазмы [97,99]. Фотохимическое образование озона наблюдается при облучении газообразного или жидкого кислорода ультрафиолетовым светом с длиной волны Х=2100нм нм. Электрохимическое получение озона связано с процессами анодного окисления с участием молекулярного кислорода. Озон в незначительных количествах образуется также при многих химических реакциях, в которых наблюдается выделение атомарного кислорода[100-102].
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. На сегодняшний день для получения озона используют в основном один из первых методов его получения - газовые разряды.
В тлеющем разряде при низких давлениях (25 мм.рт.ст.) наблюдалось образование озона при энергетическом выходе 23 г/кВт»ч. При изучении образования озона в различных частях тлеющего разряда с охлаждением разрядной трубки жидким воздухом было показано, что озон образуется только в положительном столбе, причем энергетический выход достигает 150 г/кВтвч. Максимальный энергетический выход достигается при давлении 35 мм. рт. ст. и снижается при добавлении к кислороду других газов [103-105].
Дуговой разряд относится к разрядам с изотермической плазмой, поэтому протекающие в нем реакции имеют термический характер. Соответственно этому в зоне дугового разряда могут получаться лишь незначительные термодинамические равновесные концентрации озона. Попытки спектроскопического определения озона в зоне дугового разряда показали его полное отсутствие [106]. Однако 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 Оз на кВт ч [107].
В искровом разряде из кислорода получается примерно в 50 раз меньше озона, чем в других формах. При разряде в воздухе озон может вообще отсутствовать, а образуются лишь окислы азота.
Озон образуется также в коронных разрядах постоянного и переменного тока [108-113]. Синтез озона в коронном разряде 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/м3 при энергозатратах 10-18 кВт#ч/кг. Во всех случаях коронного разряда наблюдается зависимость образования озона от материала электродов, а также от времени работы аппарата, что, по-видимому, объясняется коррозией и распылением металлических электродов. 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/кг. Наиболее широко в настоящее время используется для синтеза озона барьерный и барьерно-поверхностный разряды.
Исследование динамических и статических характеристик разряда
Измерение химических показателей в озонированном масле проводилось по стандартным методикам определения показателей растительных жиров [143]. Определялось кислотное, йодное, эфирное число и число омыления.
Кислотным числом называют количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в одном грамме исследуемого вещества.
Около 5 г. (точная навеска) масла, растворяют в 5 мл. смеси равных объемах 95 % спирта и эфира, предварительно нейтрализованной по фенолфталеину 0,1 н. раствором едкого натра (если нужно, нагревают с обратным холодильником на водяной бане до полного растворения ). Прибавляет 1 мл. раствора фенолфталеина и титруют при постоянном помешивании 0.1 н. раствором едкого натра до появления розового окрашивания, не исчезающего в течении 30 сек. Для веществ с небольшим кислотным числом (до 1) титрование производят из микробюретки. 1 мл. 0.1 н. раствора едкого натра соответствует 5.61 мг едкого кали. Кислотное число вычисляют по формуле: .4 = 3-5,61/6 где а количество мл. 0,1 н. раствора едкого натра, израсходованное на титрование; где б навеска вещества в граммах.
Число омыления называют количество мл. едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот и омыление сложных эфиров, содержащихся в 1 г. исследуемого вещества. Около 2 г. вещества (точная навеска) смешивают в колбе присоединяют обратный холодильник и погружают ее в кипящую водяную баню на 1А -1 час, поддерживая легкое кипение до полного омыления. Конец омыления определяет по образованию совершенного прозрачного и однородного раствора, не изменяющегося и при разведении водой. Параллельно в тех же условиях нагревают 25 мл. 0,5 н. спиртового раствора едкого кали. Оба раствора тот час же после прекращения нагревания разбавляют 25 мл. свеже прокипяченной горячей водой, прибавляют по 1 мл. раствора фенолфталеина и титруют 0,5 н. раствором соляной кислоты до обесцвечивания. Из количества мл. 0,5 н. раствора соляной кислоты, израсходовано в контрольном опыте, вычитают количество мл. 0,5н. раствора соляной кислоты, израсходованное на титрование испытуемого вещества. Полученная разность представляет собой количество мл. 0,5 н. раствора едкого калия, израсходованное на омыление эфиров и нейтрализацию свободных кислот, содержащейся во взятой навеске. 1мл. 0,5 н. раствора едкого калия содержится 28,05 мг едкого калия . Число омыления вычисляют по формуле: Ч0.=(а-б)-28,О5/в где а - количество миллилитров 0,5 н. раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование контрольного опыта; б - количество миллилитров 0,5 н. раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование испытуемого вещества; в - навеска масла в граммах Эфирным числом называют число миллиграммов едкого калия, необходимое для омыления сложных эфиров, содержащихся в 1 г. исследуемого вещества. Эфирное число определяют по разности между числом омыления и кислотным числом. Йодным числом называют количество граммов йода, связываемое 100 г. исследуемого вещества. Точную навеску испытуемого вещества помещают в сухую колбу с притертой пробкой емкостью 250-300 мл. Приливают 10мл хлороформа и прибавляют 25 мл. раствора йодбромида. Колбу закрывают пробкой, смоченным раствором йодида калия, осторожно взбалтывают вращательным движением и выдерживают в темном месте ( для веществ с йодным числом до 100 30 мин. для веществ с йодным числом выше 100-1 час). По истечению этого времени жидкость должна сохранять бурый цвет ( если окраска более светлая, опыт повторяют с уменьшенной навеской исследуемого вещества). Затем прибавляют последовательно 20 мл. раствора йодида калия и около 100 мл. воды и титруют 0,1 н. раствором тиосульфата натрия при постоянном энергетическом взбалтывании до светло-желтой окраски, после чего прибавляют раствор крахмала и титруют до обесцвечивания. Параллельно проводят контрольный опыт. Из количества мл. 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходовано в контрольном опыте, вычитают количество мл. 0,1н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование исследуемого вещества. Полученная разность соответствует количеству мл. 0,1 н. раствора йода, связанному навеской исследуемого вещества. Йодное число вычисляют по формуле: #.ч. = (а-б)0,01269 100/в где а - количество миллилитров 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходовано на титрование контрольного опыта; б - количество миллилитров 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование испытуемого вещества; в - навеска вещества в граммах Выводы 1. Исследование электрических характеристик разряда проводилось методом осциллографирования вольтамперных и вольткулоновских характеристик разряда. 2. Тепловые характеристики разряда определялись с помощью контрольных датчиков температуры рабочего газа и воды на входе и на выходе из плазмохимического реактора. 3. Измерение концентрации озона проводилось по стандартному йодометрическому методу.
Влияние параметров разрядного узла на энергетические характеристики разряда
Дальнейшее увеличение длины разрядной зоны приводит к резкому возрастанию энергозатрат до 80 кВт-час/кгОз. (рис. 4.7).
Зависимости энергозатрат от напряжения для различных шагов навивки коронирующего электрода приведены на рис. 4.8. Энергозатраты убывают с напряжением до минимума на U = 6 кВ, после чего несколько увеличиваются. При напряжении около 6кВ значение минимальных энергозатрат колеблются в пределах 3,6 -г4,5 кВт-час/кг
На рис. 4.9 представлен график зависимости энергозатрат на синтез озона от эффективного напряжения на разряде для расхода кислорода 0,2л/мин, при различных расположениях спирали внутри трубки. Энергозатраты проходят через минимум с увеличением напряжения, приходящийся на 6 кВ, что также имело место при варьировании шага спирали. При плотном прилегании (П) спирали энергозатраты несколько меньше, чем при свободном (С) расположении спирали. На подобном значении энергозатрат, сказываются более высокие концентрации озона и потребляемые мощности для плотного прилегания спирали к трубке.
Автором [160] приводятся данные, показывающие, что вблизи напряжения зажигания коронного разряда можно генерировать озон из кислорода с энергозатратами, близкими к теоретически минимальному пределу 0,835 кВт-ч/кгОз, где практически весь нарабатываемый озон выносится за пределы разряда без разрушения. В нашем случае получены минимальные энергозатраты около 4,5 кВт-ч/кгОз, при концентрации 32 г/м и наработке 2,5 г/час. На аналогичном озонаторе с длиной трубки 12 м и шаге спирали 1см энергозатраты в минимуме составляли 80 кВт ч/кгОз, такая разница объясняется мощностями разрядов и техническим исполнением озонаторов. Выводы 1. Концентрация озона при выходе на постоянное значение проходит через экстремум, появление которого связано со скоростью наработки озона и установлением равновесия между реакциями образования и разложения озона, а также временем прогрева внутренней поверхности диэлектрического барьера и как следствие увеличение доли термического разложения озона в совокупности реакций образования озона. 2. Концентрация и наработка озона с увеличением длины разрядной зоны проходит через максимум, приходящийся на 5 метров. Подобное поведение, вероятно, связано с наличием двух процессов влияющих на конечный выход озона - это процессы его образования и разложения. С увеличением длины диэлектрической трубки увеличивается разрядная область, увеличивается мощность и количество микроразрядов, что до определенного момента повышает концентрационные показатели. На некотором этапе, по-видимому, начинает преобладать процесс разложения, вызванный, по крайней мере, двумя факторами. С увеличением длины разрядной зоны увеличивается время нахождения газа в зоне разряда. Больший процент наработанного озона попадает в зону микроразрядов, где и происходит его деструкция. Не менее важным является и второй фактор роста температуры внутри разрядной области, приводящей к термическому разложению озона. 3. Преобладание концентрации озона, при плотном расположении спирали внутри трубки в сравнении со свободным, связано с развитием более мощных токовых каналов при фиксированных остальных параметрах, развитие которых зависит от распределения поля на поверхности диэлектрика. Наблюдаемое различие в качественной форме зависимостей, скорее всего, отражает процессы доминирования синтеза и деструкции. 4. Максимальная наработка и концентрация озона приходится на шаг коронирующего электрода S =1,5 см, при напряжении ЮкВ. Положение пика объясняется тем, что при малых шагах S концентрация озона меньше из-за ограничения разрядной области интерферирующими полями соседних витков спирали. При увеличении межэлектродного расстояния S влияние полей уменьшается, длина микроразрядов увеличивается, что ведет к росту концентрации. При шагах спирали порядка 1,5см, влияние полей становится незначительным, и формируются каналы микроразрядов, размеры которых оптимальны для электросинтеза. Так как синтез озона эффективно происходит в лавинах, а не в каналах мощных стримеров, то спад концентрации, и связан с развитием мощных каналов стримеров. 5. На конечный выход озона оказывают влияние все параметры разряда. С увеличением напряжения и расхода кислорода наработка возрастает, это удобно использовать там, где имеются большие расходы газа, и требуется высокая производительность по озону, контролировать процесс можно варьированием напряжения. С увеличением длины диэлектрической трубки и шага навивки спирали, наработка проходит через максимум, на положение которого сказываются внутренние процессы, происходящие, в микроразряде (образования и деструкция озона) и взаимное влияние электрических полей создаваемых витками спирали. 6. На барьерном поверхностном разряде с коронирующим электродом получены минимальные энергозатраты около 4,5 кВт-ч/кгОз, при концентрации 32 г/м3. Общий разброс приходится на область от 4,5 -20 кВт-ч/кгОз, в зависимости от условий синтеза и параметров разрядного контура. 7. Для конструирования энергетически эффективного плазмохимического реактора для синтеза озона на барьерно-поверхностном разряде с коронирующим электродом необходимо чтобы длина реакционной зоны разряда не превышала 5 метров, шаг навивки коронирующего электрода соответствовал 1,5 см, диаметр проволоки d 0,8мм. Выходная концентрация при этом выше в случае, когда коронирующий электрод лежит на поверхности диэлектрика. С учетом всех выше названных параметров плазмохимическии реактор позволяет получать концентрации озона в пределах 150 г/см3, при наработке около 5 г/час, и энергозатратах до 10 кВт-ч/кгОз
Зависимость синтеза озона от геометрических параметров коронирующего электрода
Для озонирования растительных масел используется экспериментальный вариант озонатора на основе барьерно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке с коронирующим электродом, оптимизированной конструкции [160]. Озонатор прост в изготовлении, удобен и безопасен в эксплуатации, позволяет получать высокие концентрации озона. Озон синтезируемый в барьерно- поверхностном разряде выносится, транспортируемым через озонатор потоком кислорода. При выходе из озонатора, озоно-кислородна смесь попадает в барботер с очищенным, пищевым, рафинированным подсолнечным маслом, охлаждаемым проточной водой. Как показывает сравнительный анализ, процесс охлаждения необходим, в связи с постепенным нагревом масла до температуры деструкции озона (порядка 60С). Выходящая озоно-кислородная смесь, содержит 150 г Оз/м О2 при расходе кислорода 0,2л/мин и наработке 1,8г/час. Максимальная масса озона, поглощенного подсолнечным маслом составляет 140 г Оз/л. масла. Для озонирования одного литра масла требуется порядка 35 часов. В начале процесса, и на протяжении первых 15 часов, проскока озона не наблюдается, контрольный барботер с раствором для йодометрии, установленный на выходе газовой смеси из масла, не окрашивается, что свидетельствует о полном поглощении озона маслом. После 20 часов озонирования, наблюдается слабая окраска раствора йодистого калия, что говорит о частичном проскоке озона. После 35 часов окрас становится интенсивный и концентрация озона на выходе совпадает с концентрацией на входе, что позволяет сделать вывод о насыщении масла озоном и свободном прохождении озона, без поглощения.
При визуальном исследовании готового продукта - озонированного масла, ярко выявляется специфический запах не характерный для исходного продукта, в цветовой гамме внешнее наблюдение различий не выявляет, однако данные спектрофотометрии на длине волны 350 нм, показывают увеличение оптической плотности в 300 раз, а уменьшение коэффициента пропускания почти в 2 раза. При длительном хранении озонированного масла, более 2лет, внешние свойства озонированного масла изменяются, специфический запах ослабевает, продукт из жидкого состояния превращается в густую желеобразную массу более близкую к полимерным материалам, чем к маслам. Детальных исследований образовавшегося продукта не проводилось.
Измерение химических показателей проводилось в озонированном подсолнечном масле и эталонном неозонированном. Исследовались йодное, кислотное, эфирное число, число омыления и уровень рН. Было установлено, что при озонировании йодное число подсолнечного масла уменьшается в 1,5 раза, кислотное число увеличивается в 2 раза, эфирное число и число омыления увеличиваются в 4 раза, значение рН не изменялось. При хранении все показатели уменьшаются за исключением числа омыления, которое ежемесячно увеличивается в 0,6 раза.
Озонированное растительное масло применяется в профилактических целях в медицине [161]. 1. Установлен трехступенчатый механизм в развитии барьерного поверхностного разряда с коронирующим электродом. Разряд зажигается в виде короны на проволоке около U = 2 кВ. При напряжении U = 3 кВ разряд приобретает поверхностную форму, переход к которой объясняется повышением напряженности поля у поверхности диэлектрика вследствие его поляризации. При напряжениях больше 7 кВ у разряда фиксируется объемная форма, что связано с конструктивными особенностями разрядной ячейки. 2. Показано, что основным фактором, влияющим на статические и динамические характеристики барьерно-поверхностного разряда, является динамическая емкость разряда, которая растет с напряжением, достигая насыщения. Изменение динамической емкости влияет на изменение формы вольткулоновских характеристик от овальной до параллелограмма и отражается на напряжении горения разряда. 3. Определено, что для конструирования энергетически эффективного плазмохимического реактора на барьерно-поверхностном разряде с коронирующим электродом необходимо, чтобы длина реакционной зоны не превышала 5 метров, шаг навивки коронирующего электрода 1,5 см, диаметр проволоки d 0,8 мм. Усовершенствованная конструкция позволяет получать концентрации озона не менее 150 г/см , при наработке около 5 г/час и энергозатратах в пределах 10 кВт-ч/кг Оз. 4. Рассчитанный тепловой баланс в разряде показал, что 94 % подводимой мощности передается через диэлектрический барьер охлаждающей жидкости, 3 % выводится из системы проходящим газовым потоком, оставшиеся 3 % - энергия эндотермических реакций образования озона. Интенсивный теплообмен в рассматриваемой конструкции происходит за счет электрического ветра (скоростью 6-7 м/с), возникающего в зоне разряда у коронирующего электрода. За счет турбулизации газа электрическим ветром происходит увеличение коэффициента теплопередачи в 6 раз в сравнении с ламинарным течением газа. 5. Разработана эвристическая модель барьерно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке с коронирующим электродом, которая позволяет находить распределение электрического поля на поверхности диэлектрика, напряжение зажигания разряда, длину микроразрядов, основные динамические характеристики разряда, а также интерференцию полей создаваемых соседними витками коронирующего электрода. Определен комплекс химических показателей озонированного подсолнечного масла. Установлено, что при озонировании йодное число подсолнечного масла уменьшается в 1,5 раза, кислотное число увеличивается в 2 раза, эфирное число и число омыления увеличиваются в 4 раза, значение рН не изменялось. При хранении все показатели уменьшаются за исключением числа омыления, которое ежемесячно увеличивается в 0,6 раза.
