Содержание к диссертации
Введение
Плазмохимические методы синтеза озона: современное состояние вопроса
1.1. Озонные технологии и их роль в организации безотходных экологически чистых производств 8-11
1.2. Способы получения озона 11-
1.2.1. Иерархия описаний физико-химических процессов в плазмохимических реакторах 12-19
1.2.2. Электросинтез озона в воздухе 19-23
1.3. Прогнозирование характера исследований в области неравновесных разрядов для синтеза озона 23-36
1.3.1. Баланс энергии неравновесных плазмохимических процессов 23-30
1.3.2. Типы неравновесных газовых разрядов 30-
1.4. Электрофизические процессы и их математические модели 36-38
1.5. Теплофизические и газодинамические процессы и их математическая модель 38-40
1.6. Постановка задачи исследования 40-42
ГЛАВА 2 43-90
Математическое моделирование теплофизических процессов в реакторах емкостного разряда
2.1. Обоснование модельного кинетического уравнения 43-49
2.2. Математическая модель физико-химических процессов 49-54
2.3. Моделирование теплофизических процессов в вертикальных реакторах с непроточной системой охлаждения 55
2.3.1. Реактор с несимметричным охлаждением 56-67
2.3.2. Реактор с симметричным охлаждением 67-70
2.4. Математическое моделирование теплофизических процессов в канальных реакторах с проточным охлаждением 70-86
2.4.1. Прямоточное охлаждение 72-76
2.4.2. Противоточное охлаждение 76-86
2.5. Проточное охлаждение камерного реактора 87-89
Выводы по второй главе з
ГЛАВА 3 91-108
Экспериментальное исследование синтеза озона в высокочастотном емкостном разряде
3.1. Методика определения подгоночных коэффициентов кинетического уравнения 91-97
3.1.1. Определение скорости рождения озона, энергии активации и порядка химической реакции распада озона 92-95
3.1.2. Определение зависимости скорости рождения озона от длины активной зоны 96-97
3.2. Методика эксперимента 97-103
3.3. Результаты эксперимента 103-108
Выводы по третьей главе 108
ГЛАВА 4 109-129
Численные эксперименты по синтезу озона в кислородосодержашей плазме
4.1. Интегральный метод решения модельного кинетического уравнения для стационарных состояний 109-111
4.2. Математическое моделирование синтеза озона в реакторах с непроточным охлаждением 111-117
4.3. Математическое моделирование синтеза озона в реакторах с проточным охлаждением 117-128
4.3.1 .Реакторы с прямоточным охлаждением 117-124
4.3.2. Реакторы с противоточным охлаждением 124-128
Выводы по четвертой главе 128
Основные выводы по работе 130-132
Список литературы
- Прогнозирование характера исследований в области неравновесных разрядов для синтеза озона
- Моделирование теплофизических процессов в вертикальных реакторах с непроточной системой охлаждения
- Определение скорости рождения озона, энергии активации и порядка химической реакции распада озона
- Математическое моделирование синтеза озона в реакторах с проточным охлаждением
Введение к работе
Актуальность проблемы. В различных отраслях
промышленности и сельского хозяйства широкое применение
получили окислительные процессы, использующие кислород или минеральные и газообразные окислители (хлор; соли хромовых кислот, пероксид водорода и пр.). Озон занимает особое место среди традиционно применяемых окислителей, т.к. обладает высокой реакционной способностью и является экологически чистым окислителем. Продуктом восстановления озона является кислород, который свободно улетучивается из любых окисляемых продуктов. Основным способом получения озона в промышленных масштабах является его производство в плазме барьерного разряда. Традиционные озонные технологии основаны на самостоятельной работе генератора, когда его тепловой и газодинамический режим работы определяется условиями наибольшей эффективности синтеза озона. В последние годы разрабатываются различные технологии, основанные на включении генератора озона в тракт технологического процесса, когда газодинамический и тепловой режим работы реактора определяются внешними условиями и могут варьироваться в весьма широких пределах. Это развивающееся направление потребовало проведения интенсивных исследований по получению озона с использованием иных форм разряда: импульсной короны, фронтальных волн ионизации, высокочастотных поверхностных разрядов, скользящих разрядов и пр.
Современные теоретические исследования в плазмохимии и, в частности, в технологии производства озона направлены в основном на выяснение механизмов и каналов осуществления различных плазмохимических реакций в неподвижной среде. Вопросы, связанные с взаимным влиянием газодинамических, теплофизических и физико-химических процессов друг на друга и их связь с геометрическими размерами активной зоны реактора, до сих пор остаются мало исследованными. Отсутствие, указанной информации приводит к тому, что задачи оптимизации геометрии плазмохимических генераторов озона и их режимов работы, решаются, как правило, эмпирически, что не позволяет в полной мере использовать преимущества этого направления. В особенности это касается реакторов, включаемых в тракт технологической цепочки, т.е. той области исследований, где большой практический опыт еще не накоплен.
В связи с этим математическое моделирование теплофизических и газодинамических процессов, протекающих в плазмохимических реакторах, их связь с физико-химическими процессами и разработка единой математической модели этих процессов являются актуальными задачами.
РОС. І.'ЛЦ/ІОНАДЬНЛЯ |
Цель работы заключалась в разработке полуэмпирической математической модели взаимосвязанных теплофизических и физико-химических процессов, протекающих в плазмохимическом генераторе озона, позволяющих оптимизировать геометрию реактора и режимы его работы в заданных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Впервые разработана-математическая модель переноса теплоты в плазмохимических реакторах с учетом смешанной конвекции и отводом теплоты через боковые стенки реактора охлаждающей системой.
-
Получены приближенные аналитические решения для поля температур в вертикальных и горизонтальных камерных и канальных реакторах с различными системами охлаждения (непроточной, прямоточной и противоточной).
-
В рамках двухтемпературного приближения для процесса синтеза озона предложено модельное кинетическое уравнение с параметрами идентификации. Разработана и экспериментально подтверждена методика определения указанных параметров.
-
Предложена математическая модель взаимосвязанных теплофизических, газодинамических и физико-химических процессов, определяющих эффективность электросинтеза озона в плазмохимических реакторах барьерного и высокочастотного поверхностного разрядов при широком варьировании газодинамического и теплового режима работы реактора.
-
Разработан пакет прикладных программ и приведены результаты численных экспериментов по влиянию различных режимных параметров: расхода газа, расхода охлаждающей жидкости, удельной мощности тока, направления течения жидкости (прямоток, противоток) на производительность реактора и характер зависимости концентрации озона от длины активной зоны реактора. Практическая значимость работы. В результате выполненных
исследований созданы научные основы для выбора и оптимизации длины активной зоны и режимов работы генераторов озона различного назначения:
-
Предложены инженерные методы расчета газодинамических, теплофизических и физико-химических процессов в плазмохимических реакторах, позволяющие при варьировании различных параметров процесса прогнозировать характер зависимости концентрации продуктов химических реакций от длины активной зоны реактора.
-
Предложена уточненная методика расчета реакторов барьерного и поверхностного разряда, позволяющая в заданных условиях выбрать
оптимимальную длину активной зоны и оптимальный режим работы
реактора. 3. Обоснована возможность практического применения-генераторов
озона для интенсификации нейтрально-кислородного водного
режима на энергоблоках сверхкритического давления ТЭС и АЭС. Полученные результаты математического моделирования процессов в плазмохимических реакторах используются в разработках НИИ Электротехнологий при ИГЭУ, а также в спецкурсе "Высоковольтные электротехнологии" на кафедре "Высоковольтная электроэнергетика, электротехника и электрофизика" Ивановского государственного энергетического университета.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
-
Математическая модель и методы расчета поля температур в плазмохимических реакторах в условиях смешанной конвекции и при наличии внешней охлаждающей системы.
-
Аналитические выражения для поля температур в камерных и канальных реакторах горизонтального и вертикального расположения при различных системах охлаждения реакторов.
-
Обоснование модельного кинетического уравнения с эмпирическими параметрами идентификации и методика экспериментального определения этих параметров.
-
Математическая модель взаимосвязанных- физико-химических и теплофизических процессов в плазмохимическом реакторе и методы ее реализации.
-
Результаты численных экспериментов по математическому моделированию теплофизических и физико-химических процессов в канальных и камерных реакторах с проточной и непроточной системами охлаждения.
Апробация работы и публикации. Основные положения, диссертации были доложены на следующих конференциях и симпозиумах:
-
III международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново, 2002.
-
VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2003.
-
Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бенардосовские чтения), Иваново, 2003.
4. Научный семинар, посвященный 200-летию открытия электрической дуги В.В. Петровым и 160-летию со дня рождения Н.Н. Бенардоса, Иваново, 2003.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 54 рисунка. Список литературы содержит 124 наименования.
Прогнозирование характера исследований в области неравновесных разрядов для синтеза озона
Электросинтез озона в кислородосодержащей плазме является типичным плазмохимическим процессом, со всеми присущими этим процессам особенностями. Во-первых, в плазме газового разряда, как правило, химические реакции неотделимы от процессов переноса вещества и энергии, а во-вторых, наличие ударной и фотоионизации приводит к электронно-колебательному возбуждению тяжелых частиц и делает плазмохимические процессы неравновесными и многоканальными [42-59]. В таких условиях, строго говоря, законы классической химической кинетики не применимы.
Как известно, классическая химическая кинетика основана на том факте, что во все время проведения реакции имеет место локальное термодинамическое равновесие: максвелловское распределение по скоростям реагирующих частиц и больцмановское распределение по колебательным уровням [53,60,61]. При этом процессы смешения и диффузии газов считаются законченными. Таким образом, химическая задача отделена от физической и исследуется поведение реагирующих частиц при наличии только одного канала- канала химической реакции. В таких условиях скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в некоторые степени. Так для реакции вида аА + рВ + уС-+ продукты (1.2.1) скорость реакции можно представить в виде - - = Ь ВЧ, (1.2.2) где & = Сехр( —)- константа скорости реакции, определяемая на основе RT закона Аррениуса энергией активации и температурой системы и не зависящая от концентрации реагирующих веществ. Экспоненциальный характер зависимости константы скорости реакции от названных параметров находит строгое обоснование в термодинамике. Сумма показателей степени при концентрациях реагирующих веществ определяет порядок реакции: т = а + /3 + у. (1.2.3) По значению числа п реакцию называют соответственно реакцией нулевого порядка (т=0), реакцией первого порядка (т=1), реакцией второго порядка (т=2) и т.д. Исследуя характер зависимости концентрации того или иного вещества от времени, в принципе, можно определить порядок реакции и если реакция идет в соответствии со стехиометрическим уравнением, то можно сделать определенные заключения относительно ее механизма. Для сложных реакций, идущих через промежуточные стадии, порядок реакции вообще не дает оснований для суждения об ее механизме. Так как уравнение (1.2.2) выражает лишь суммарный эффект влияния концентрации компонентов на скорость реакции, то порядок реакции может быть и дробной величиной. Практически порядок реакции редко получается выше третьего [60]. В отличие от обычной химической кинетики, в которой имеется только один энергетический порог, в плазме газового разряда имеются частицы в разных квантовых состояниях, энергия которых может быть выше пороговой. Роль таких частиц в механизме химических реакций может быть весьма существенной. В этих условиях нарушается термодинамическое равновесие между отдельными компонентами, теряет смысл понятие константы скорости реакции и закон Аррениуса. Плазмохимические реакции могут быть квазиравновесными и неравновесными [54-57]. Если время приложения электрического поля превышает характерные времена релаксации по отдельным степеням свободы молекул, то для каждого вида частиц установится локальное термодинамическое равновесие по поступательному, вращательному и колебательному движениям. При этом можно ввести соответствующие данному типу движения и виду молекул температуры, которые, тем не менее, могут весьма сильно отличаться друг от друга.
Корректного описания плазмохимической кинетики удается достичь на основе применения поуровневой колебательной химической кинетики, базирующейся на общих кинетических уравнениях типа уравнения Больцмана, Фоккера-Планка, Паули, Колмогорова и пр. [55-57,62]. Для пояснения сути дела рассмотрим многоканальный плазмохимический процесс, в котором имеют место: рождение и гибель активных частиц с учетом колебательных квантовых переходов, активация за счет неупругих ударов электронами, химические реакции и перенос вещества. Будем считать рассматриваемый процесс медленным, в том смысле, что характерное время релаксации процесса велико по сравнению со временами элементарных актов (временем столкновения частиц и временем колебательных квантовых переходов). Для такого процесса изменение числа реагирующих частиц в результате элементарного акта мало по сравнению с их средним значением, а значит, вероятность перехода в данное состояние определяется только предшествующим состоянием и не зависит от предыстории системы. Такой процесс является марковским [63,64]. Рассмотрим непрерывный во времени и дискретный в пространстве состояний марковский многоканальный процесс, в котором частица А, находящаяся в і-том квантовом состоянии реагирует с частицей В, находящейся в j квантовом состоянии:
Моделирование теплофизических процессов в вертикальных реакторах с непроточной системой охлаждения
В кинетическое уравнение (2.1.13) входят температура и скорость газа, поэтому математическая модель физико-химических процессов должна основываться на соответствующих уравнениях переноса импульса и энергии потоком газа. Кроме того, боковые стенки реактора могут быть покрыты диэлектрическими барьерами с внутренними источниками тепла. Теплота, выделенная в барьерах, может как отводиться наружу за счет принудительного охлаждения, так и поступать в разрядный канал. Теоретически здесь возможны два предельных случая. Первый из них заключается в том, что все теплота, выделенная в разрядном канале и диэлектрических барьерах отводится конвективно потоком газа. Этот случай имеет место в быстропроточных конверсионных реакторах, предназначенных для очистки отходящих газов от вредных примесей [108]. Другой предельный случай реализуется в камерных реакторах. Он будет рассмотрен отдельно ниже. В общем случае перенос теплоты в разрядном канале неразрывно связан с процессами теплопередачи в барьерах, поэтому должна решаться сопряженная задача, в которой учитывается обмен теплотой между разрядным каналом, барьерами и внешним хладоагентом. Таким образом, исходная система уравнений имеет следующий вид:
Здесь 0 - температура диэлектрического барьера, а индексом w обозначены величины, относящиеся к диэлектрическому барьеру. При этом в рабочем интервале температур, равном разности между температурой выхода и входа газа в реактор, коэффициенты вязкости и температуропроводности будем считать постоянными и равными их средним значениям Т .„ 1
Приведенные уравнения должны быть дополнены соответствующими граничными условиями: на входе в плазмохимический реактор должны быть заданы профили скорости и температуры, расход газа, концентрации веществ, вступающих в химические реакции, теплоотвод через стенки реактора и объемные источники теплоты. Таким образом, исходная система уравнений (2.2.1-2.2.5), дополненная электрофизическими уравнениями и соответствующими краевыми условиями, представляет собой единую математическую модель взаимосвязанных физико-химических процессов. Следует учесть, что доля теплоты, отводимой системой охлаждения и доля теплоты, выносимой конвективно с потоком газа, заранее не могут быть заданы. Они должны находиться из решения сопряженной задачи теплообмена между плазмохимическим реактором и системой охлаждения. Однако при формулировке основных уравнений, чтобы не загромождать задачу уравнения переноса тепла системой охлаждения не приведены. Они будут учтены при решении конкретных задач. Заметим, что в случае турбулентного движения газа указанная система уравнений стандартным методом преобразуется в уравнения для осредненных по турбулентным пульсациям величин с соответствующими для турбулентного движения коэффициентами переноса [92].
Практическая реализация предлагаемой математической модели основана на введении дальнейших допущений и предположений. Во-первых, отказавшись от подробного рассмотрения колебательной кинетики, будем считать, что при нормальном режиме работы реактора отсутствуют процессы VT- релаксации, т.е. разряд является термодинамически устойчивым. Второе допущение заключается в следующем. Строго говоря, процесс теплопереноса в канале связан с плазмохимическими реакциями, протекающими в нем. Учитывая что более 95% энергии, подведенной в разряд идет на нагрев газа, этой связью можно пренебречь и считать тепловыделение в канале в единицу времени равным подведенной мощности. Поскольку при атмосферном давлении все емкостные разряды носят стримерный характер, энерговклад в газ осуществляется во время отдельных импульсов тока, когда объем активной зоны заполняется большим количеством разветвленных стримеров. При этом их количество, степень заполнения разрядного промежутка, пространственная локализация, геометрия и переносимый заряд от импульса к импульсу меняются случайным образом. Поскольку стримеры имеют хаотические параметры, а время их жизни и время паузы между их поколениями мало по сравнению со временем пребывания газа в реакторе, то можно ввести предположение о равномерном заполнении стримерами разрядного промежутка. В силу однородности распределения тока j и напряженности поля Е по длине канала будем полагать, что мощность объемного источника тепла не зависит от координат q = jE = const. Тепловыделение в диэлектрических барьерах, обусловленное токами сквозной проводимости и установлением различных видов поляризации, мало по сравнению с тепловыделением в разрядном канале и им можно пренебречь. Чтобы обнаружить факторы, влияющие на рассматриваемые процессы, введем безразмерные переменные. В качестве единицы длины возьмем характерный размер активной зоны h (ее ширину или полуширину в зависимости от симметрии задачи), а остальные масштабы выберем так, чтобы все коэффициенты при всех слагаемых, за исключением последнего, в уравнении Навье - Стокса (2.2.2) оказались единицами. Для этого необходимо взять следующие масштабы: 2 2 і = — ;Vi = ;РІ = P0V2 =21о.;7 1 =- _;И1 = Л ,,. (2.2.б) v h h2 CpPov При таком выборе масштабов в теплофизической части задачи появляются четыре параметра: число Прандтля, число Грассгофа и еще три параметра, не имеющие специальных названий
Определение скорости рождения озона, энергии активации и порядка химической реакции распада озона
В соответствии с предложенной математической моделью физико-химических процессов зависимость концентрации озона от длины активной зоны определяется на основе модельного кинетического уравнения + div(Vn -DVn) = R0(1 + rxs) - nmk0 exp(- ) at RT с параметрами: Ro, r, s, m EA и ко, подлежащими экспериментальному определению. Их определение проведем на основании установления связи скорости рождения и гибели озона с энергетическими характеристиками разряда. Из определения скорости химической реакции (1.2.9) и уравнений химической кинетики (1.2.18 и 1.2.19) следует, что слагаемые в уравнении (1.2.18) &2І002І» 3 І І З Iй 4І ЗІ определяются плотностью электронного тока j. Поскольку во время горения разряда напряженность электрического поля на разрядном промежутке изменяется незначительно, то удельная мощность тока w = JE также изменяется незначительно. Отсюда следует, что указанные коэффициенты Ro и ко в кинетическом уравнении должны быть пропорциональны удельной мощности электронного тока Ко=Ум ко =S + sw, (3.1.1) где у, 8, є — коэффициенты идентификации. Заметим, что предлагаемая здесь точка зрения о пропорциональности брутто-констант скорости реакции мощности разряда впервые была высказана С.С.Васильевым, И.И. Кобозевым и Е.Н. Ереминым, а также Ю.В. Филипповым и его сотрудниками [24,110]. Ими подробно исследован синтез озона в барьерном разряде промышленной частоты в области высоких концентраций озона без учета слагаемого 8 в константе скорости реакции гибели озона и без учета зависимости константы скорости реакции рождения озона от длины активной зоны реактора. Напомним, что эта зависимость нами связывается с влиянием колебательно-возбужденных молекул (КВМ) на скорость рождения озона. Для поверхностного емкостного разряда повышенной частоты (20-40 кГц) экспериментальные данные по вышеназванным параметрам в известной нам литературе не обнаружены, поэтому мы выполнили самостоятельное исследование. Для определения подгоночных коэффициентов нами предлагается следующая группа экспериментов.
Как известно, константа скорости распада озона определяется законом Аррениуса (7 0ехр( ). К1 где ЕА - энергия активации процесса [Дж/моль], R- универсальная газовая постоянная. Так как процесс распада озона активирован электронными ударами, то для нахождения энергии активации рассмотрим решение уравнения (2.1.13) в камерном реакторе при неподвижном газе (u = 0,Vn = 0,r = 0) - = R0-k{T)n \ at .m (3.1.2) В равновесном состоянии при достижении равновесной концентрации R0=k(T)nrn. (3.1.3) В первой серии опытов следует измерить концентрацию озона в камере при одинаковых энерговкладах, но различных температурах газа в области низких концентраций озона, когда имеет место неравенство 8 » sw. Такой режим будет иметь место при различной интенсивности работы системы принудительного охлаждения. Так как скорость реакции рождения озона пропорциональна удельной мощности (Ro w), то из условия Wi=W2 и формулы (3.1.3) получим
Во второй серии опытов следует измерить концентрацию озона при различных подведенных мощностях, но одинаковых температурах газа. Опять-таки такой режим можно создать за счет разной интенсивности работы системы охлаждения. Из условия равенства температур Ті=Тг и формулы (3.1.2) получаем формулу для определения порядка химической реакции
Подставив значение параметра m в формулу (3.1.3), находим выражение для энергии активации ЕА = Rm In п2 J \ 1_ Ц т2 (3.1.6) Характер дальнейших решений зависит от численного значения порядка химической реакции распада озона т. На основании проведенных нами экспериментов, изложенных ниже, т 1. Для определения ко и Ro обратимся к стационарному решению (3.1.3) для камерного реактора
Таким образом, построив экспериментальную зависимость концентрации озона от удельной мощности тока и выделив на ней линейный участок и у є плато, можно определить параметры — и — состояние устанавливается очень быстро, то снятие экспериментальной зависимости n(t) весьма затруднительно и следует рассмотреть иной способ определения вышеназванного параметра. Этот способ связан с измерением стационарной концентрации озона на выходе узкого канального реактора с известным расходом газа и распределением газовой температуры в реакторе. Для упрощения получаемого решения от температурной зависимости Т(х) следует избавиться, т.е. систему охлаждения реактора сконструировать так, чтобы она могла обеспечить отвод всего тепла, выделенного в активной зоне через боковые стенки реактора. В этом случае температура газа будет постоянна. При этом длина активной зоны должна быть небольшой (порядка 10 см), чтобы возможной зависимостью скорости рождения озона от длины активной зоны также можно было пренебречь. Оценить этот размер можно только на эксперименте после снятия зависимости п(х).
Математическое моделирование синтеза озона в реакторах с проточным охлаждением
На рис A3.11 приведены кривые зависимости концентрации озона от продольной длины активной зоны реактора при различных расходах газа через реактор и неизменном энерговкладе м? = 6Мвт1м и неизменном расходе охлаждающей жидкости ию =100. Здесь приняты следующие обозначения: кривая h(x) соответствует и0=100, кривая g(x) -Uo =200, кривая f(x) - u0 =1000, кривая s(x) - u0 =2000, кривая q(x) - Uo =4000. Как видно из представленных кривых также как и в случае реактора с прямоточным охлаждением с ростом расхода генерирующего газа максимум в зависимости п(х) становится более размытым и сдвигается в область большей длины. J0.037. 15 Рис.4.3.11. Зависимость концентрации озона от длины активной зоны при различных расходах газа (начальный участок). Верхняя кривая соответствует Ию =10, средняя - Uio =1 и нижняя кривая -Uio =0,1. Здесь влияние расхода охлаждающей жидкости на эффективность работы озонатора выражено более сильно, чем в прямоточном реакторе.
На рис.4.3.13- 4.3.15 представлены кривые, позволяющие сопоставить эффективность действия прямоточной и противоточной систем охлаждения при различных расходах генерирующего газа и охлаждающей жидкости. Кривые на рис.4.3.13 отвечают и0=200 и ию=0,2, кривые на рис. 4.3.14 соответствуют Uo=200 и ию=200, и кривые на рис.4.3.15- Uo=2000 и ию=200. Верхние кривые соответствуют прямоточной системе охлаждения, а нижние - противоточной.
Такой ход кривых на рис.4.3.13-4.3.15 объясняется соответствующими температурными зависимостями, представленными на рис.2.4.12 —2АЛА. Обычно противоточная система охлаждения является более эффективной, чем прямоточная. Однако при наличии объемного источника тепла и больших расходах охлаждающей жидкости противоточная система охлаждения не приводит к значительному выигрышу.
В заключение данного раздела следует заметить, что наличие в кривых п(х) максимума и его высота обусловлены соотношением между количеством теплоты, отводимой через боковые стенки реактора и конвективным выносом. При выполнении критерия (2.4.35) конвективным выносом теплоты можно пренебречь. В этом случае температура газа вдоль реактора остается неизменной и уравнение (4.1.8) приобретает следующий вид:
Из сравнения представленных кривых видно, что режим работы реактора с теплоотводом только через боковые стенки можно считать идеальным. Как уже говорилось во второй главе (раздел 2.5), такой режим работы практически реализуется в промышленных озонаторах барьерного разряда, характеризующихся малыми расходами газа ( и = 15-20 см/с) и малыми межэлектродными расстояниями (2-3 мм). К рассматриваемому режиму работы также близок режим работы камерного реактора с теплоизолирующими торцами и малым расходом газа. Однако в канальных реакторах, включенных в технологическую цепочку газоочистного оборудования, когда расход газа и проходное сечение задаются технологическим процессом всей цепочки, в той или иной мере всегда будет присутствовать конвективный вынос теплоты, что соответствующим образом скажется на характере зависимости п(х).
Полученные результаты по математическому моделированию теплофизических процессов в плазмохимических реакторах можно использовать при уточнении методики расчета реакторов, с задаваемым технологическим процессом значениями расхода газа и проходного сечения. В приложении 1 излагается предлагаемый нами подход.
1. Разработан пакет прикладных программ для расчета зависимости концентрации озона от протяженности активной зоны при различных режимах канальных и камерных проточных и непроточных реакторов-озонаторов.
2. На основе выполненных численных экспериментов определен характер зависимости п(х). Установлено, что вид названной зависимости определяется соотношением между количеством теплоты, отводимой через охлаждаемые боковые стенки и количеством теплоты, уносимой за счет конвекции. Конструкцию реактора и режим его работы следует выбирать так, чтобы как можно больше теплоты отводилось через боковые стенки за счет системы принудительного охлаждения. В таком режиме работают барьерные озонаторы. 3. Проанализировано влияние различных режимных параметров: скорости газа, скорости охлаждающей жидкости, удельной мощности тока, направления течения жидкости (прямоток, противоток) на производительность реактора и характер зависимости п(х). Оценена длина участка стабилизации концентрации и установлено наличие максимума в кривой зависимости п(х) при определенном соотношении параметров процесса.
