Введение к работе
Актуальность темы. Одним из современных, экологически чистых и эффективных способов нейтрализации вредных химических и биологических примесей в воде и воздухе является способ их окисления озоном. С помощью озона можно очищть выбрасываемые промышленными предприятиями газы, природные и сточные воды, производить санитарнуп обработку помещений, увеличивать сроки хранения сельхозпродуктов, обрабатывать гноящиеся раны, очищать кровь, повышать КПД двигателей внутреннего сгорания, уменьшать их токсичность и т. д.
Самым распространенным способом получения озона в настоящее время является его синтез из кислорода или кислородосодер-жащего газа в барьерном электрическом разряде. В связи с разнообразием сфер применения озона существует потребность в конструировании озонаторов с очень разнообразными целевыми назначениями и с соответственно заданными производительностью и концентрацией озона в выходящем газе.
В озонаторе, аппарате для электросинтеза озона (см. схему на рис.1), газ пропускается через узкий зазор (2) между электродами (1) и (4), подключенными к источнику переменного электрического тока высокого напряжения. Между электродами находится диэлектрический барьер (3), обеспечивающий тихий разряд, в котором и происходит образование озона.
Экспериментально установлено, что интенсивность и эффективность процесса электросинтеза озона в основном зависит от геометрических размеров разрядного промежутка, частоты и амплитуды напряжения переменного тока, качеств диэлектрического барьера, расхода озонируемого газа, его исходной температуры и влажности, интенсивности теплоотвода от зоны разряда. Так как при разработке новых конструкций озонаторов в настоящее время конструкторам приходитйя опираться, в основном, на результаты поисковых физических экспериментов, то очень актуально получить - возможность для численных расчетов параметров и переменных конструируемых озонаторов в зависимости от требуемых про-изводителыгостей и необходимых концентраций озона
Теоретических описаний отмеченных зависимостей, в достаточной мере удовлетворительно соответствующих результатам
а о
О)
о>
я н о
О)
га а> о
о-
(И
а х о
(В
ш п
о ш о я
а 0)
"1
N
I' I . " I ' I 'Г | I |
,1,4 ХОЛОДИЛЬНИК J і і І і І і
І 11 ' І' І 1111111 І І І І
І 'І
І І І ХОЛОДИЛЬНИЙ J2I і
IjlJiJiV.Hi!!',!!!!!!
экспериментов и позволяющих моделировать во время конструирования озонаторов, нами не обнаружено.
Важным для аналитических расчетов концентрации озона в барьерном разряде является фактор удельной энергии (энергия разряда, приходящаяся на единицу объема газа), который зависит, в частности, от времени пребывания частиц газа в зоне разряда. В известных публикациях при расчетах этого параметра исследователи пользуются средним значением скорости газа в разрядном промежутке, однако это серьезное упрощение действительной картины. Расчеты и оценка числа Рейнольдса для условий работы озонаторов показывают, что течение газа в разрядном промежутке ламинарное. Из-за наличия вязкости газа его поле скоростей неоднородно. Следовательно, время пребывания слоев газа в зоне разряда неодинаково. Кроме того, в разрядном промежутке озонатора из-за. интенсивности процесса теплоотвода имеет место неоднородность поля температуры, которое через зависящие от него константы образования и разложения озона су-іцественно влияет на изменение концентрации озона в газе на пути его следования по разрядному промежутку. Это тоже в известных нам исследованиях не учитывается.
Поэтому представляется актуальной проблема учета и исследования влияния неоднородности полей температуры и скорости газа в разрядном промежутке на эффективность работы озонатора.
Основной цель» диссертационной работы является исследование влияния поля скоростей и поля температуры в разрядном промежутке озонатора на его технологические характеристики, разработка и реализация методики расчета выходных характеристик барьерных электрических озонаторов с учетом названных полей.
Достижение этой цели возможно путем разработки обоснованного математического алгоритма расчета зависимостей выходных характеристик озонатора (концентрации озона, производительности озонатора и производных от них величин) от его геометрических размеров, качеств материалов и условий работы (напряжения переменного тока, его частоты, расхода газа и исходной температуры, способа охлаждения озонатора и температуры охлаждающей жидкости).
В связи с отмеченным была поставлена задача о построении математической модели барьерного электрического озонатора, учитываеодэй гидродинамику течения газа,- интенсивность тепло-
отвода, неоднородность температурного поля и кинетику образования озона в разрядном промежутке.
В основу работы положена гипотеза о том, что сложная зависимость концентрации озона в разрядном промежутке барьерного электрического озонатора, его производительности и зависящих от них других технологических характеристик от температуры и гидродинамических условий течения газа может быть аппроксимирована математической моделью, использующей уравнение Навье-Стокса для течения вязкого газа, уравнение неразрывности сплошной среды и уравнение теплового баланса энергии.
Нзвизна работы заключается в том, что при построении и реализации модели впервые решены следующие задачи:
-
о 'расчете поля температуры в потоке газа через узкий канал при распределенных источниках тепловыделения в потоке газа и в стенках канала при наличии теплоотвода;
-
о расчете поля скоростей ламинарного течения вязкого газа в узком канале при неоднородности теплофизических условий;
-
получено и использовано в модели обобщение формулы для определения активной мощности барьерного электрического озонатора;
-
получено и использовано в модели обобщение кинетического уравнения образования озона из кислорода, учитывающее неоднородность поля скоростей, поля температуры и активной мощности в разрядном промежутке озонатора;
-
аппроксимирована зависимость поля концентрации озона в разрядном промежутке озонатора при его производстве из воздуха;
-
построена математическая модель озонатора в гидродина- ' мическом приближении, позволяющая рассчитывать оптимальные режимы работы озонаторов.
На защиту выносятся следующие положения и результаты исследования :
вывод о существенном влиянии неоднородности поля скоростей и поля температуры в разрядном промежутке на поле концентрации озона в нем;
обобщение кинетического уравнения образования озона в кислороде и воздухе;
методика применения кинетических уравнений образования озона в барьерном электрическом разряде, учитывающая неоднородность поля температуры и поля скоростей в раз-
рядном промежутке;
методика расчета тепловых явлений в озонаторе;
методика расчета поля скоростей в разрядных промежутках озонаторов;
математическая модель барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении;
результаты оптимизационных расчетов трех конкретных конструкций барьерных электрических озонаторов.
Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы и составленные программы расчета барьерных электрических озонаторов могут быть использованы для модельных численных экспериментов с проектируемыми озонаторами на предмет оптимизации их режимов работы. Проведенные автором на основе построенных моделей озонаторов численные эксперименты, позволили сконструировать и успешно построить в Пермском институте физических проблем техяологии под руководством академика АН Латвии И. М. Кирко несколько типов озонаторов, предназначенных для специальных условий работы.
Апробация работы. Штериалы, содержащиеся в диссертации, обсуждались на Пермском гидродинамическом семинаре в 1991 г. (руководители - профессора Г. 3. Гершуни и Е. М. Жуховицкий), в конструкторском бюро завода Курганхиммаш в 1991 г., на семинаре кафедры электротехники ПЛИ в 1992 г. (руководитель профессор Н. В. Щулаков), на Пермском ЫГД-семинаре в 1993 г. (руководитель академик АІ! Латвии И. М. Кирко), на научных конференциях в магнитогорском госпединституте в 1992, 1993 и 1994 г. г.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Основной текст содержит 161 стр., включая 37 рисунков и 20 таблиц. Список использованной литературы состоит из 129 наименований.
Автор выражает сердечную благодарность академику АП Латвии Кирко Игорю Михайловичу за руководство и ценную помощь в проведении исследований, профессору Кирко Галине Евгеньевне за терпеливое, внимательное прочтение рукописи и ценные замечания.
