автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процессов разделения и очистки неоднородных систем с использованием сильных электрических полей

' ' " " ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

1 О АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

СЕМЕНОВ ВЛАДИМИР КОНСТАНТИНОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

(ОГ>. 17.08 - Процессы и аппараты химической технологии) (05.14.12 - Техника высоких напряжений)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново - 1996

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом

университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Максимов Б. К., доктор технических наук, профессор Кардашев Г.А., доктор технических наук, профессор Мизонов В.Е.

Ведущая организация: Институт химии неводных растворов РАН, г. Иваново.

Защита состоится 17 декабря '1996 г. в 14 часок на заседании диссертационного совета по защите докторских диссертаций Д 064.76.01 при Ивановской архитектурно-строительной академии по адресу: Иваново, ул. 8 Марта, д. 2"-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан

м

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доцент Н.М. Ладаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ------------ - Актуальность проблемы. В химической технологии большее значение имеют процессы разделения и очистки твердых, жидких Тазовых систем. Традиционные ( механические) методы являются, как правило, высокозатратными, поэтому поиск и разработка новых эффективных технологий представляется весьма актуальным. Поскольку возможности известных методов в значительной мере исчерпаны, то решение следует искать на стыке естественных и технических наук. В частности, исследование физико-химических процессов, обусловленных взаимодействием сильных электрических полей с диспергированными и сплошными средами, открывает новые перспективы для эффективного решения широкого спектра задач химической технологии: разделения и очистки неоднородных жидких и газообразных систем, классификации и разделения порошков, обогащения полезных ископаемых, нанесения пленочных и облицовочных покрытий, смешения жидкостей и сыпучих материалов. Использование сильных электрических полей в технологии выгодно отличается от других способов воздействия на среды отсутствием промежуточного звена при преобразовании электрической энергии в энергию процесса и возможностью тонкого управления процессом.

Электрические методы нашли широкое применение для разделения, классификации и смешения твердых диспергированных материалов (электронно-ионная технология). В основе этой технологии лежат процессы зарядки и движения потоков заряженных частиц под действие?.! сил электрического поля. К настоящему времени методы расчета траекторий частиц с заданными зарядами довольно хорошо разработаны, тогда как существующие теории зарядки частиц позволяют определить липа средние заряды. Однако, для определения основных характеристик технологического процесса часто необходимо знать не только средние заряды частиц, но и их флуктуации. Решение этой задачи имеет фундаментальное значение для всех процессов, связанных с транспортом

диспергированных материалов в сильных электрических полях.

Весьма актуальной задачей при разделении жидких систем являет ся очистка от воды обводненных нефтепродуктов. В химической техно логии одним из методов ее решения является электрокоалесценция, ос нованная на создании сильного электрического поля в эмульсии путе погружения электродов в жидкость. В последнее время для нефтехими большую проблему представляет очистка сильнообводненных нефтепро дуктов, когда указанный выше способ не годится из-за больших токо сквозной проводимости.

Решение ряда задач по очистке жидкостей и газов связано с при менением озона, полученного из воздуха или кислорода в барьернь озонаторах. Интенсификация и экономичность синтеза озона требук повышения эффективности барьерных озонаторов, которая напрямую свя зана с отводом тепла из зоны разряда. Поиск различных конструктир ных решений должен опираться на углубленные теоретические и экспе риментальные исследования процессов теплообмена в каналах озонатс ров. Кроме того, ряд технологических процессов (очистка отхсдявд газов, производство молекулярного неравновесного газа, проведем плазмохимических реакций и пр.) связан с пропуском через аппарг большого количества запыленного газа при сравнительно невысокс концентрации озона. В последнем случае газоразрядное устройстс совмещает в себе функции генератора озона и реактора плазмохимичес ких процессов. Таким образом, требуется разработка устройств большим проходным сечением и объемными формами неравновесного ра; ряда при атмосферном и повышенном давлении.

Характеризуя направление в целом, следует сказать, что широкс внедрение электрофизических методов в химическую технологию сдерж! вается недостаточной разработанностью теоретических основ, отсут< твием математических моделей и методов расчета различных физико-х] мических процессов, обусловленных взаимодействием сильных злектр]

ческих полей с диспергированными и сплошными средами. В этой связи разработка математических моделей и аппаратного оформления электро-физических_методов интенсификации химико-технологических процессов, представляется весьма актуальной. ----------------------------- _

Работа выполнена в соответствии с планами основных научных направлений Ивановского государственного энергетического университета и программой ГКНТ "Проблемы создания и внедрения высокоэффективных установок и оборудования для производства озона" (постановление ГКНТ СССР №409 от 08.09. 86 г.).

Дель исследований - разработка и совершенствование электрофизических методов интенсификации процессов разделения и очистки неоднородных систем на основе математического и физического моделирования, создание эффективных аппаратов и методик их расчета.

Основные методы научных исследований: использовались прямые методы математической физики (метод Ритца, Галеркина, Кармана-Поль-гаузена); методы электрофизики, физической и химической кинетики, теории самоорганизации, теории устойчивости, теории пограничного слоя и теплопроводности; математическое и физическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена стохастическая модель основных механизмов зарядки аэродисперсных частиц (в поле короны, на электродах и в "кипящем" слое), позволяющая более точно рассчитать различные аппараты, связанные с транспортом диспергированного сырья электрическим полем.

2. Разработаны математические модели и методы расчета процессов, определяющих перемешивание диэлектрических и разделение полупроводящих жидкостей на основе экспериментально обнаруженных явлений самоорганизации упорядоченных структур: бенаровской электроконвекции в жидком диэлектрике и сотовой системы проводящих каналов в водно-масляной эмульсии. Для бенаровской электроконвекции выполнено исследование устойчивости равновесия, определен порог возникновения

электроконвекции и характер движения после потери равновесия. Д) сотовой системы каналов в водно-масляной эмульсии определен хара* тер распределения водяных проводящих каналов в дисперсионной сред« числа диполей воды и их флуктуаций внутри каналов. Предложен эврис тический принцип иерархии упорядоченных структур, позволяющий опре делить наиболее вероятную среди предполагаемых.

3. На базе предложенного в работе нового способа возбужден факельной короны на постоянном напряжении разработаны конструкщ озонаторов-реакторов, совмещающих в себе функции генераторов озот и плазмохимических реакторов. Разработаны математические модели г с зоразрядных и плазмохимических процессов в озонаторе-реакторе сформулировано условие самоподдержания разряда, рассчитана скоросч распространения разряда, толщина ионизационного слоя, распределен* напряженности поля и плотности объемного заряда, проанализировав кинетика химических превращений газов.

4. Сформулированы математические модели газодинамики и тепле обмена в барьерных озонаторах и озонаторах-реакторах факельной кс роны. Получены аналитические решения системы уравнений Буссинесн для вертикальных и горизонтальных барьерных озонаторов с симметрия ными и несимметричными барьерами, решена сопряженная задача по рас чету поля температур внутри барьеров и разрядном канале, определен основные динамические характеристики разрядного канала. Аналитичес ки решена задача теплопереноса в озонаторах-реакторах факельной ко роны. Определена зависимость равновесной концентрации озона от дли ны разрядного элемента.

Практическая значимость работы.

1. На базе разработанных математических моделей предложены ме тоды расчета физико-химических процессов, основанных на взаимодейс твии сильных электрических полей с диспергированными и сплошным средами: зарядки потоков диспергированного сырья, перемешивания ди

электрических и разделения полупроводящих жидкостей, газоразрядных процессов и плазмохимических реакций в озонаторах-реакторах факель-

--------ной._ короны, газодинамики и теплообмена в барьерных озонаторах и

озонаторах-реакторах. --------------------

2. Разработаны и внедрены в различных отраслях народного хозяйства:

конструкции аппаратов газоочистного оборудования различного назначения: озонаторов-реакторов факельной короны, аппарата для разделения смеси газов на компоненты, электрофильтра с жидким оса-дительным электродом;

метод разделения на фазы сильнообводненных нефтепродуктов.

3. Предложены и прошли лабораторные испытания конструкции электросепараторов с подзарядным устройством двухсторонней униполярной короны, способ отделения волокон асбеста от пыли и гали и способ повышения эффективности сжигания низкореакционных углей.

Реализация результатов работы. Внедрение разработок осуществлено на ряде предприятий: ИвНйИПИК, ИХНР РАН г. Иваново, Ивановское областное онкологическое объединение, Ивановский областной госпиталь ИВВ, Российский институт мощного радиостроения г. Санкт-Петербург, ОНИЛ ТЭС И АЭС, НИИ электротехнологий (Иваново), АО "Электроцентрмонтаж" г. Смоленск, ТЭЦ-2 г. Смоленск, НПО "ЭКИП" г. Москва, НПФ "СЕЛЕНА" г. Москва и др. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Ивановского энергетического университета.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Математическая модель стохастического процесса зарядки частиц диспергированных материалов с учетом флуктуации зарядов при различных механизмах: в поле коронного разряда, индукционной- на электродах и трибоэлектрической- в "кипящем" слое.

2. Математические модели перемешивания диэлектрических и раз-

деления полуПГС5С'ляпл." жидкостей на основе самг,ооганизац1Ш бои=-роЕской злектроконвекции е жидких диэлектриках и самоорганизашц сотовой системы пооводяших каналов в сильнообводненных нефтепродуктах под действием электрического поля ионного заояда. нанесенного на свободную псЕерхкость жидкости.

3. Математическая модель газоразрядных процессов в озонатс рах-реакторач шакельноп короны.

4. Математические модели газодинамики и теплообмена в барьерных озонаторах и озонатора»реакторах факельной короны.

•5. Практические разработки: озонаторы-реакторы факельной короны, аппарат для разделения смеси газов, электрофильтр с жидким оса-дительным электродом, метод обезвоживания сильнообводненных нефтепродуктов, электросепаратор с подзарядным устройством двухсторонне; униполярной короны, способ отделения волокон асбеста от пыля и гали, способ повышения эффективности сжигания низкореакционных углей

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались ! докладывались на итогоеых научно-технических конференциях ИЕаноЕС кого энергетического университета (1974-1994 г), на городском меж вузовском семинаре по технической физике и гидродинамике (1978-198! г.), на научном семинаре B.C. Сорокина по теоретической физике пр Ивановском государственном университете в 1984-85 г., на Всесоюзно научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы перспективы энергетики и технологии в электроснабжении" (Ивано ео,1987,1989 г.), на Всесоюзном совещании "О мерах по усилению ох раны природы и улучшению использования природных ресурсов в легко промышленности" (Москва, 1987 г.), на заседаниях научного Совет ГКНТ СССР по проблеме "Сильные электрические поля в технологически процессах - электронно-ионная технология" (секция озонаторостроени и применения озона. Москва, 1980-1990 г.;, на международных науч но-технических конференциях "Состояние и перспективы развити

электостехнологии" (ИЕаноЕо.1991.199!Г.1994 г. '1. на. Вс^оюзчом НаСб "ТеОСИЯ и п23.ктик?- ПЛаЗМ0ХИМПЧ>:)'~,-г'>т*т ппппппгпи,;т ^ч.-ат-г^м тт месных пленок" (Иванове. Институт \-т,тут;' и^тлиит-.- г.^^^г-^г ли СССР.1991 г. ), но. 4-ой Всесоюзной коит^п>з-цнн "Псимеир11нл но-ионной технологии в народном хозяйстве" (Москва, МЭИ, 1991 г.). на международном симпозиуме "Математические модели экологических псо"?^соб" (Иваново. 1995^.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 науинь;х работ, в том числе б авторских свидетельств и 7 отчетов по научно- исследовательским работам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит иг введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы из 156 наименований. Текст работы содержит 305 страниц, включающих 250 страниц машинописного текста. 84 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, ссс-мулиоуются цели и задачи исследования, излагаются концептуальные принципы синергетики, дается оценка изученности проблемы. ее практической значимости, приводится обща-? характеристика работы.

Первая глава посвящена стохастическому описан'-по процесса зарядки частиц диспергированных материалов: в поле коронного разряда, индукционной зарядке на электродах и тоибоэлектоической- е "кипящем" слое. Различные технологические процессы, связанные с Бездействием сильных электрических полей на диспергированное сырье, основаны на предварительной заоядке. По аналогии с электронными и ионными приборами здесь имеется принципиальная возможность самого тонкого1 управления потоками заряженных частиц. Однако для ее практической реализации необходимо знание не только средних зарядов частиц, но и флуктуации зарядов. Поэтому возникает настоятельная несс-ходимость в разработке математической модели ззрядки частиц с уче-

ф0м тлд/утуягтт■тт'т ^. ^т^кзззнс. что н6"гмотсл нэ. 03л1/тьл2льнс'1' рз.з лич1то в мбхзниомэх с'сг'ялкп« (госмэльно ( мзт n! з.т i- !ч с ум') нэ. стсхзсти и^г1 чсм упоен1? огшсэния всэ они полчнняются урзтен^нню фок^боз-'плэлк

01" (N.1) 3 г ] д~ Г

- = - — ШЮШ.С) + —— В Г N) I [N.1) . (1.1)

31 ам ^ I ам-1- " у

где пИ,!:) - функция распределения частиц по числу элементарных за рядов N.

А(М) = |ы(М,а)дск1. В(Ю = ^ . (1.2)

Кинетические коэффициенты А(М) и В(М) соответственно представляю собой среднее и среднеквадратичное изменение заряда частицы за еди ницу времени. Они определяются вероятностью перехода ы(М,д). кото рая в свою очередь зависит от конкретного механизма зарядки частиц Эта вероятность представляет собой средний поток числа элементарны зарядов а на частицу, когда её заряд фиксирован и равен N. Как пра вило, зависимость ы(Ю нелинейна, поэтому решение уравнения Фокке ра-Планка даже в стационарном случае можно найти только численным методами при помощи вычислительной техники. Между тем, для практик часто достаточно знать, как ведут себя средние величины зарядов их флуктуации. Для знания этих величин не требуется определения яв ного вида функции распределения.

При малой дисперсии распределения Д =< (М- ¿М;-)^ уравнение дл среднего заряда имеет еид

с1' М-

= А('М>). (1.3)

СИ:

На детерминирсЕанном уровне описания именно это уравнение лежит э основе всех известных теорий зарядки частиц.

После необходимых вычислений и пео^хода с^ песеменнпп ^ к -"вой~несемейной ' М4'^ получено ~у~савнрии-' 11 л? дн^^-с^пи ^-

() й 6 г „ 7 В(<"М>)

= 4- 1г. А~ М- ! + 2- . (1.4)

& И' сЬ'М-- 1.....J ~

А~('' М--) Г = —- Д-. + 2А~ (■' )

А-(^о-)1

-И'-

скЫ. (1.5;

А3(: Ы>) -1'

Здесь <N0' и До - средний заряд и дисперсия начального распределения частиц по зарядам. В работе в аналитической форме получены выражения для дисперсии распределения при направленной и диффузионной зарядке частиц в поле униполярной и биполярной короны. На основан;'.:', проверенного анализа можно сделать вывод о тем. что Флуктуапни заряда невелики пои напоазленной зарядке частиц в псл° униголяс^сй косоны. но они существенны пои диффузионной заоядке и при любом механизме зарядки в поле биполяиней коссны.

При индукционной зарядке частиц на электродах для определения среднего заояда в момент отрыва частицы от электрода использован приближенный метод дипольного приближения, точность которого оценена теоретически и проверена экспериментально методом траекторий в условиях электросепарации волокон асбеста. На основании уравнения (1.4) найдена дисперсия распоеделения

А^М-(1 - _) .

Эд^сь Hp - пр^TT^jrf заояд. г'ст—очй может получит- частица пр контакте с злектсодом. Максимум дисперсии лежит в точке N/Mr>= 1/2 а дисперсия б максимуме Л = 0.25 МР.

дЛя полимерных посошков произведено измерение Функций оаспре деления частиц по удельным заоядам пси различных условиях перемети вания в "кипящем" слое. Показано, чтс независимо от начальных уело вий перемешивания посошка в нем устанавливается одно и то же прису щее данному порошку распределение частиц по зарядам. Методом мик роскопических исследований установлен механизм симметричной пеоеза рядки частиц при перемешивании и предложена математическая модел процесса, позволяющая по найденным из опыта среднему заряду и дис Персии найти стационарную функцию распределения частиц по зарядам.

Полученные здесь результаты являются базой для организаци тонкого управления потоками диспергированного сырья при решении ря да технологических задач по транспорту, смешению, разделению, cena рации и классификации частиц, а также при нанесении различных жид ких и сухих порошковых покрытий в сильном электрическом поле, частности, они нашли применение в научно-исследовательских работах с НИИ "Урачмеханобр" для расчета потокое заряженных частиц при раз делении диспергированных материалов в камерных коронных сепаратс pax, электросепараторах типа "Электроцикложет", е предложенных ав тором электростатических сепараторах с подзарядкам коронным уст Ройстеом (рис.1.1) и при разработке электрических методоЕ обогаще ния асбеста (рис.1.2); с НПО " Лакокраспокрытие" при исследована зарядки полимерных порошков в " кипящем" слое в условиях нанесем сухих полимерных покрытий с использованием сильных электрически полей. Кроме того, на основе полученных результатов в работе npej ложен и экспериментально подтвержден способ повышения эффективное1! сжигания низ ко сеакцио иных твердых теплив, основанный на обогащен} частиц топлива ионами озона и кислорода путем предварительной з;

рядки частиц теплина л поле биполярной факельной короны.

Рис.1.1. 1,2 - осадительные Рис.1.2. 1- грохот, 2- высоковс-электроды, 3 - изолированный вольтный электрод, 3- транспортер, коронируюший электрод. 4- отсекатель.

Во второй главе изложены результаты исследований по самоорганизации различных пространственных структур в объемно заряж0"?1-"' го1-—л-ческих и полупровсдящих жидкостях пси инжекции сквозь свободную поверхность ионного заряда. Исследования ориентированы на ние обнаруженных диссипативкых структур в технологических грс'^с^ах по интенсификации перемешивания диэлектрических и разделения на зы смеси дизлетрически/. и проводящих жидкостей. Для диэлектрических жидкостей экспериментально установлено возникновение ячеистого пви-жения типа известных ячеек Еенара гравитационной конвекции. В соответствии с общей идеологией синергетики, для нахождения порога возникновения бенаровской электроконвекции определено условие равновесия жидкости и исследована его устойчивость. Из анализа условий равновесия пси сопоставлении различных механизмов проводимости осъ-емнозаряженного диэлектрика выявлен случай, имеющий важное прикладное значение,- это слабозаряженный диэлектрик в вертикальном электрическом поле с резко неоднородным распределением заряда, по объему.

В рабо^ показано, что равновесие е неравномерно заряженном жи77к диэлектрике, находящемся в однородном вертикальном электрическ поле , возможно, если градиент плотности объемного заряда по во поверхности постоянен и вертикачен

7рс. = - зЕо, (£.1)

где а - постоянна? величина.

Для определения порога самоорганизации бенаровской электроко! векции в работе выполнено исследование устойчивости равновесия: ш лучены уравнения возмущенного движения

3 v -

__ = - Ур - V * (V * v) + СрЕ , (2.2)

а I

сИу v = 0 , (2.3)

3 р

5 - = С(У-Е) + V"р , (2.4)

д I

и показано, что задача с одной свободной поверхностью может бы: сведена к задаче с двумя твердыми стенками и соответствующими грг ничными условиями на поверхности з

др

Уз = Рз = (— =0 . (2.5)

ап

Здесь V э'сД2

Б = - , С = --(2.6)

д

оги

критерии подобия, а электрическое поле Е однородно и направлено п оси 2. В уравнениях (2.2)- (2.5) приняты следующие обозначения соотЕетсвенно плотность и кинематическая вязкость жидкого диэ лектрика. ¿о. О- соответственно плотность инжектированного чере свободную поверхность тока ионов и их коэффициент диффузии в диэ

лектопке. 1- толщина, слоя диэлектрика.

Из анализа уравнений возмущенного движения установлено, что возмущения затухают или усиливаются монотонно, без колебаний, топчем для каждой_ задачи^ существует»бесконечная-последовательности

критических чисел Со, С; каждому из котооы,/ соо^°ефстР,/^гг' стационарное движение. Наблюдать в чистом виде можно только движение с наименьшим значением Сс,. т.к. при С немного больше С0 жидкость неустойчива по отношению к ^ижению только типа "О" э^^ меньшее критическое число определяется мин^умом функционала

Для его нахождения в работе использован метод Ритца. Как показали наши наблюдения, при возникновении движения еся жидкость разбивается на множество одинаковых ячеек, имеюнпьх форму прямых шрстигоаннкх призм. Движение во всех ячейкам одинаково, поэтому, сформулировав надлежащие граничные условия, можно рассматривать одну ячейку. Отсутствие перетока жидкости между ячейками и перпендикулярность вихря скорости к боковой поверхности ячейки позволяет полученные для плоского слоя интегральные соотношения использовать для бенаровской ячейки. 'Хотя характеристические числа зависят от формы и размеров ячейки, метод позволяет найти наименьшее критическое число С0 не зная ни формы ни размеров ячейки. Критическое число 0о определяется однозначно, но соответствующие ему движения могут быть разными, т.к. ячейки могут быть любой формы. Численный расчет дат приближенное значение CV, * 1187. По нему находится критический градиент заряда

С0 = min

ао = —^- .. VPkp = - аг£о. (2.9)

C0~D ov

Результаты эксперимента подтверждают теоретические еыеоды.

При инжекции тока ионов сквозь свободную поверхность водно-масляной эмульсии между свободной поверхностью и заземленньй электродом в работе экспериментально обнаружена самоорганизацге? системы водяных проводят« каналсв. 5ти каналы, равноотстоящие друг от друга, напоминают пчелиные соты. Б работе построена математическая модель самоорганизации системы проводящих каналов, в основу которой положена изЕестназ аналогия между фазовыми переходами в термодинамически равновесной системе и самоорганизацией в неравновесной системе. В рамках этой аналогии для бесконечной среды сформулировано модельное уравнение Гинзбурга-Ландау для параметра порядка Ч (x,y,t)

дЧ

- = aiM + а2(у- V)? + аз? + а^ (2.10)

д t

и методом Галеркина найдено его стационарное решение, описывающее распределение концентрации еоды п в дисперсионной среде

- ,-, По „ их „ пу

п(х) = п = -с03~ -cos"- . (2.11)

( Г-Гоч 2L 2L

ехр(—J И

Здесь ai - 34 - эмпирические коэффициенты, т - единичный вектор, направленный по скорости движения диполей воды под действием электрического поля ионного заряда, L - пространственный период структуры, Li - толщина переходного слоя между водяным канатом и окружающей его жидкостью. На основе уравнения Фоккера-Планка найдены флуктуации распределения диполей воды в проводящем канале. Определена

область существования названной СТРУКТУРЫ.

В работе выполнено экспериментальное исследование иерарх:::: возникавших днссипативных структур в зависимости от г'е„гт<',",н'-! т^ инжекиии ипооводимости жидкости.. - - На-основании- прямых —

сформулирован принцип. согласно которому пои данном зна'-^нии у^оан-ля:-ощ~гс тока реализуется та структура, которой отвечает мни:^/м потребляемой мощности. Действие этого принципа хотя строго и не доказано. подтверждается всеми экспериментами, и в плане синс*огс,гт,::т-:'^,~-кой идеологии кажется весьма естественным. Так как исследование на устойчивость- процедура довольно трудная, то применение подобного принципа на практике является весьма полезным при предварительном анализе с целью отбора претендентов для подробного исследования на устойчивость. Разумеется, пока нет строгого обоснования, пользоваться этим принципом следует с осторожностью. Нужно заметить, что выдвигаемый здесь принцип применялся ранее в физике газового разряда. Этот принцип впервые был сформулирован Штеенбексм в 1932 год1/ ^мрнно г;;описания, говоря современным языком, процессов самсоога-нисэи'л'л в газовом разряде. Однако дальнейшее необдуманнее применение этого принципа для анализа состояний, не связанных с самссога-низацией в системе (т.е. там где этот принцип заведомо не верен), дискредитировало его.

Результаты теоретических исследований воплощены в практических разработках. Еенаровская электроконЕекция может быть использована для турбулентного перемешивания жидкостей, приготовления суспензий и получения гомогенных систем, а также для интенсификации химических . тепловых и маосообменных процессов.

Предложен метод очистки сильнсобводненных нефтепродуктов. Разработана опытная установка (рис.2.1) и проведены эксперименты г.с очистке эмульсии типа "вода в масле" при 10% содержании воды. Метод дает быстрое и эффективное обезвоживание эмульсии при весьма низких

значениях потребляемой мощности (истребляемый ток ограничен токо{, коронного разряда) и может быть положен б основу технологии непрерывного обезвоживания эмульсии в потеке.

Другое применение процессов самоорганизации в жидкости СЕЯзанс с разработкой и испытанием модели электрофильтра с жидким осади-тельным электродом в виде слоя воды (рис.2.2). Этот электрофильт{ полностью исключает появление обратной короны. Экспериментальные исследования по улавливанию высокодйсперсного аэрозоля полимерногс материала (30% частиц размером 20-30 мкм и 70% размером 1-15 мкм) с удельным сопротивлением 101ь Ом-м показали следующее. При макси-мать ном времени пребывания в активной зоне , равном 0.1 с и плотности тока короны 1,36 мА/'м2, эффективность улавливания состазилг 82% при начальной запыленности 10 г/'м^. Для принятых Еесьма неблагоприятных условий полученный результат говорит о высокой эффективности электрофильтра.

Т

Рис.2.2. 1- коронирующий электрод, 2- вода, 3 -заземленный электрод.

Рис.2.1. 1- коронируюший электрод, 2- Еодяные каналы, 3- диэлектрический корпус, 4- заземленная сетка, 5- заземленный электрод.

Третья глава посвящена математической модели факельной корою в воздухе при атмосферном давлении на постоянном токе. Для решен®

ряда, задач газоочистки требуется разработка аппаратов, со-ч^щающих в себе Функции генератора озона и плазме-пми^'^ск^г0 необходимо использовать объемные Формы разряда при атмссЕ-еонсч давлении. одной из которых и является Факельная ксрона ^т ментадьнс.ч исследовании иерархии диссипатиЕных структур, возникающих при нанесении на поверхность жидкого диэлектрика исннг"п да. автором обнаружено появление Факелов обратной короны. свободной поверхности жидкости в сторону зарядного электрода. 5 работе рассмотрены различные способы возбуждения этой фермы раз-ряда при отсутствии жидкого диэлектрика, в том числе и способ, предложенный автором. Этот способ заключается в последовательном включении в основную разрядную цепь дополнительного разрядного элемента (система с "двойным" разрядом). На основе анализа различных способов возбуждения факельной короны на постоянном токе установлены характерные условия осуществления этого разряда*. нали1-1н^ анодной "накачки" положительного заряда в промежуток и тсксстранп-чивзющргС' элемента. Е работе сФ-осмулнсовача гипот°тич°гкал мол^ль согласно которой распространение разряда как на начальной так и на лг.винно-стоимеоной стадии можно рассматривать в виде однородных поперек канала фронтальных волк ионизации. Волновая модель основана на визуальной однородности разряда в пределах струи факела и наличии периодических импульсов тока, которым отвечает распространение разряда с почти постоянной скоростью. Показано, что предлагаемая гипотетическая модель может действительно иметь место на начальной стадии разряда, представляющего ссбой однородную стримерную ксрсну. Наличие волн ионизации в таком разряде связано с его доменкой неустойчивостью. обусловленной флуктуациями электронной температуры, когда контрагисования разряда еще не происходит. "Затравочные" электроны, обеспечивающие однородность стримеркой короны (перекрытие отдельных лавин.1, обусловлены несколькими механизмами: сотонс-

низацией в объеме, процессом Пекнинга. в котором молекулы возбужденного азота ионизируют при столкновениях молекулы кислорода, отлипанием з сильном электрическом поле электронов от отрицательны}-ионов, поставляемых с коронирующего катода и т.д. Удельный вес названных здесь процессов определяется конкретными условиями эксперимента. Пауза между отдельными импульсами тока обусловлена нейтрализацией положительного заряда на катоде и рекомбинацией ионных зарядов в струе факела после прохождения волной ионизации разрядногс промежутка, т.к. "накачка" новой порции положительного заряда с анода возможна только после восстановления диэлектрических свойсте промежутка.

В рамках предлагаемой волновой модели распространение разряде для осредненных поперек факела величин описывается системой дифференциальных уравнений

3 д Рр

- и -- + — (реДоЕ) = «РеНеЕ--.

дуду X

д р+ д

- и ----(р+ц+Е) = «реИ^Е - Вр+р-. (3.2)

а у о у

д р- д р6

- и -— + — (р-|х+Е) = - - Зр+р-. (3.3)

дуду х

в Е

а у

Р

(3.4)

Здесь р = р+ - ре - р- - плотность избыточного объемного заряда. де. р,-. - соответственно подвижности электронов, отрицательных I положительных ионов, « (Тс) - коэффициент ударной ионизации электронами, в общем случае являющийся функцией электронной температурь Те, х - время прилипания электронов к молекулам кислорода, и - скорость распространения разряда^ ^ — ОС - К "Ь.

Так как упор сделан на Физическую сторону дела, то все ослож-

илюшин состоятб'льств2.. н е сушес т е е н ы ^ ^ля '"п^и^ики ^энн^и ^з^атл*

не учитывались . Бс~пеовых . неэкспоненциально изменяющееся величин

- ¡1 И $ СЧПТаЛИСЬ ПОСТОЯННЫМИ. ЕО-ВТОСЫХ. ПОСКОЛЬКУ ОСНОВНЫМ М^ХЗ."

__________низмом -сождения злектооноБ - является-- удаоная ионизация;—не ■ учитыва~ —

Ла^Ь Кт/НеТНКа О^ЛППаНИЯ *=,Леи*ТрпНрЕ ОТ О^рИЦЗТ^ЛЬ НЧ%' ™0и,,лЕ ПОЛЕТЕ." что в с иль ном электрическом полр на сЬронте ионизационной ^олчы начальная концентрация электронов обеспечивала условие перекрытия ла-

енч. в-то^тьих, г^еттполагал^^ь ц^о функция оа^по13-а^риг^т»-

нов по энергии определяется локальным параметром Е/'М. Здесь N -плотность газа. 5 этом случае а(Те) = й (Е/М) и уравнение переноса энергии может быть отделено от остальных уравнений. Кроме того, в выражении для электронного тока принято, что ток диффузии мат по сравнению с током миграции.

Для волны ионизации заданы дЕа краевых условия: начальная концентрация электронов и напряженность электрического поля на фронте волны. Б рамках принятых допущений получено условие самостоятельности разряда

Зс / 1 1 л «(Е-;) { \ 1

----- - Е- -Е1---1п- . (5.5)

н0|!е ^ Ех Е2> 3 ^ " > ДеХ Ех

Здесь Е2 и Ех - соответственно напряженность поля на фронте волны и в псоиснизованнсй зоне, Е'г - напряженность поля, пои которой ударная ионизация исчезает. Это условие является аналогом условий самостоятельности разряда типа критерия Мика и Ретера. Теоретически определена скорость распространения разряда

и = |хеЕ2 • (З.б'1

Мотиэттрэд Гал^окина рассчитаны паспоеделение напряженности поля и плотности объемного засяда электронов и ионов. Из полученных результатов следует, что интегральный избыточный заряд ионизационного слоя составляет лишь долю от полного положительного заояда

Е: , Е:

1 - - + !п-

Е1

Это связано с тем обстоятельством, что из зоны ионизации успеваю уйти только быстоые электроны. Остальные, оставаясь в зоне иониза ции. частично экранируют положительный заряд слоя. Поэтому в созда нии электрического поля на фронте ионизации участвует в основном н весь положительный заряд слоя, а только его часть.

В четвертой главе приводятся результаты эксперимектатьног исследования по разработке, изготовлению и испытанию газоочистног оборудования - озонаторов-реакторов факельной короны. На основ сравнительного анализа результатов экспериментов по различным спо собам возбуждения факельной короны разработана конструкция единич ного разрядного элемента с"двойным" разрядом. В результате исследо ваний по оптимизации формы электродов изготовлены и испытаны раз личные конструкции газоразрядных элементов: плоских с подачей воз духа вдоль и перпендикулярно к электродам и цилиндрических.

Газоразрядный элемент с подачей воздуха вдоль электроде представлял собой двухкачальный аппарат (рис.4.1). Размеры электро дов 600*300 мм2 каждый. Центральный коронирующий электрод бы двухстороннего действия, а каждый из наружных заземленных факельны электродов представлял собой металлический лист, покрытый слоем ди электрика с иглами. Конструкция электрода обеспечивала постоянны зазор между пятой иглы и металлическим листом, рагный 0,3-1,0 мм Боковые стенки аппарата были выполнены из прозрачного оргстекла.

Газоразрядный элемент с подачей воздуха перпендикулярно элект родам имел кассетную конструкцию (рис.4.2). Блок кассет содержал рксрониоующпн элс,ктродгб ч ~ кассеты Факельной коп^нк 'де

ДВОЙНЫХ И тт^Э. ОДИНЭ.0Нb!.v ЭЛ6КТ0СДЗ.) рЗсМ^ООМ -2'C'U4 MM"' u*3.,1ÍITb:l'T. ДЛЯ ПРОХО^Э. ГЗ.ЕЗ. CKBOc-i? ЭЛбКТрОДЫ В НИХ ПООСЕрОЛрНЫ OTE 6* ОС ^ ИР ДНО.-MÍTOCM .СО ММ С 1ИЗ.Г0М М6ЖДУ II f* НТО 5-МИ £5 MM. ОЛпКЭ p3cO03S0HH--НЫХ-ЗЛбМвН^ОВ • ВЫП'^ЛН^НЫ' ИЗ"НПОсОЕЧНОГО" ООГгтоо!ЛО ' "" -----------

"".....Т"

2

I I I iTll Г1

i

minify

2

Рис.4.1. 1- коронирующий электрод, 2- факельный электрод.

Рис.4.2. 1- факель ный электрод. 2- коронирующий электрод.

Дилиндрические разрядные элементы имели диаметр от 60 до S20 мм и длину активной зоны 700 мм. Факельный электрод представлял собой цилиндр из стекловолокна, покрытый снаружи металлической рубашкой. а ксоониоующий центральный электрод представлял собой систему звездочек на одной оси.

Экспериментальные исследования блоков газоразрядных элементен выполнены на атмосферном воздухе, который продувался скеозь них вентилятором. Скорость подачи воздуха регулировалась задвижкой, поставленной в вытяжном канале. Температура и расход газа определялись при пемещи датчиков, имеющих выход на термсачемсметр. Электрическое питание разрядных элементов осуществлялось от генератора постоянного тока мощностью 10 кВт и регулируемым напряжением до 150 кВ. Измерения тока разряда производилось при помощи миллиамперметра. еключ°нного в цепь заземленных Факельных электродов. Напряжение на объекте измерялось киливольтметром и контролировалось шаровым пазоядником. Концентрация озона измерялась методом ультрасЬиолетсвси спектроскопии с контролем отдельных проб методом йодометрии.

Основные выходные технологические параметры для всех конструк-

ЦИЙ РаЗРЯ^НЫ'^ ЭЛеМеНТОЕ ОЗОНаТОРОЕ"ОеаКТОРОВ СРаВНИТеЛЬНО бЛИЗКИ. i честности, пси работе на. атмосферном неочищенном воздухе наг ванны« выше разрядные элементы позволяют в зависимости от межэлектосдног< расстояния получать огон концентрацией до 1.С г/м~ при удельном выходе 40-50 г/кЕт-час и вводимой в разряд энергии 10-40 кЗж/'м~' npi производительности порядка 50-100 г/час озона.

3 работе рассмотрен один из возможных примеров применения озонаторов-реакторов - озонный способ очистки уходящих газов ТЭС с окислов серы и азота. На основе фундаментальных принципов синергетики проведен общий анализ кинетики химических превращений газов Результаты теоретического рассмотрения и лабораторные эксперимент! позволяют сделать еыеод о том, что ожидаемый расход электроэнерги: с использованием озонаторов-реакторов должен быть Едвое ниже чем способе, основанном на применении барьерных озонатороЕ. Полученны1 результаты были положены в основу разработки лабораторией "Охран, воздушного и водного бассейнов от вредных примесей ТЭС и АЭС" про ектной документации по изготовлению и применению озонаторов-реакто ров различного класса , а также проекта на полупромышленную уста новку по очистке уходящих газов на ТЭС от окислов серы и азота.

Рассмотренный пример применения озонаторов-реакторов в систе мах газоочистки является не единственным. Вследствие простоты и на дежнссти конструкции озонаторы-реакторы могут найти применение пр решении ряда задач химической технологии, в строительной промышлен ности, на предприятиях агропрсма в системах кондиционирования воз духа на птицефермах, свинокомплексах, в пищеБой промышленности дл санитарной обработки продуктов питания, в медицине для санации по мещений, а также е системах массовой защиты населения от физиологи чески активных веществ.

Пятая глава посвящена расчету газодинамики и теплообмена барь ерных озонатороЕ и озонаторов-реакторов факельной короны. Еарьерны

озонаторы являются основными аппаратами для массового производства

ЕЫССКОКСН""1,,тР.',ООЕаНРРТО 03СЧ3. Нате^Ш^ГО щп^^к^^ гтпгг^си.ои'г.з пси

решении различных задач по очистке жидкостей и газе—.

цня ггрпце'~'сот^ 'т'прпурф ^рс рпуц'/ ?-из-"--г.--

которая напрямую связана с отеодом тепла из зоны разряда. Поиск различных конструктивных решений полжеч опираться на у^лу^.^'^н-'о теоретические и экспеоиментатьные исследования газодинамики и тег-лсобмена в каналах озонаторов. Теплообмен в барьерных озонаторах при ламииаои^м т°чйиии газа ° условиях ^м°шанной к^н^екц**!* ^о^да наряду с движущим перепадом давления учитывается сила Архимеда, описывается системой уравнений Буссинеска. которые можно представить в безразмерном Еиде

а у

3 I

а 1

+ (V•V) у = - V р + Л V - у•6г• Т , (5.1)

сНу v = 0 , (5.2) 1

+ (у-У) Т = - 4 1+1. (5.3)

д I Рг

->

Здесь у - единичный вектор, направленный вертикально вниз. При та-кей форме записи в уравнениях появляются два параметра: число Прандтля и число Грассгсфа.

V

Рг = - , 6г = -. (5.4)

а СрРоУ

Здесь V а - соответственно коэффициенты кинематической вязкости и температуропроводности газа, я - объемный источник тепла. Ср. р: -соответственно удельная теплоемкость и плотность газа при ксхслнои температуре, 3 - коэффициент расширения газа.

Граничные условия могут быть разными в разных конкретных зала-

rjciy hjo qtjpt^tttryn из ртаиь'дy озз.р? ttu.-st4 q kshana ckcdncmt- d3bh3 к

лю. Если станка поддеожиЕается при постоянной температуре. то дол на быть задана эта температура если чеоез стенку есть пот тепла, то должна быть задана нормальна:? составляющая вектора пло ности потока тепла. Кроме того, граничными условиями задается ра ход газа, т.е. средняя по сечению канала скорость <U>, которая п принятых масштабах является средним по сечению качала числом Ре нольдса

а Т ' у* h

V/s = 0, T/s = Tl. ir, = - ^ ~ • Re = - , (5.5)

an v

где Л- коэффициент молекулярной теплопроводности. На основе модифицированного метода Кармача-Польгаузена проведен ф зический анализ и найдены приближенные аналитические решения сист мы уравнений Еуссинеска для смешанной конвекции в газоразрядных к налах барьерных озонаторов. Рассчитано течение газа по вертикальн и горизонтальным каналам. Во всех случаях установлен точный зак роста среднемассоЕой температуры вдоль разрядного качала

З/Рг + 1

<Т> = -х (5.6

<U>

и определены основные динамические характеристики течения: профи скоростей, перепад давления, гидравлическое сопротивление.

Роль свободной конвекции учитывается значением конвективно параметра, представляющего собой отношение числа Грассгофа к чис Рейнольдса. Физически наиболее интересной является задача о верт кадьном канале. На осноЕе качественного анализа установлено, ч при пренебрежении участком динамической стабилизации весь разрядн канал следует разбить на дез участка : участок тепловой стабилиз ции и асимптотический. На участке стабилизации поперек канала име

две* зоны: в пристеночной зон^ кооме сотыми о,г о изотерми^^^ксго нагрева газа есть дополнительный нагрев за счет выхода потока, тепла, из оаоьесоЕ. в остальной зоие тол ько с ал г.п^.^т-.'мт'т

Внутри погоанслоя-(нагретого-слояV на~газ су^т" дспсл-

нительнал сила о хí,L—к^т^о^я в^'зо^е^ п-^еточ газ*^ из - ^ части в нагретый пристеночный слой. При этом общий поток газа остается неизменным, но погранслой расширяется и скорость его частил растет. Вне нагретого слол ^ксрс^-ть и-^^уч гсзза п--77-'7''71 a о

ней падает и градиент давления. Дальнейшее развитие ситуации может пойти по дьум сценариям. Во-первых. может случиться, что скорость в середине канала не успеет упасть до нуля до того момента как весь качал прогреется, погранслой сомкнутся в средней точке, и участок стабилизации закончится. Б этом случае газ всюду будет течь вверх ламинарно. Во-вторых, может случиться, что газ не успеет прогреться, а скорость в середине упадет до нуля и должна падать далее до возникновения спутнсго (возвратного) течения. Возникшее спутнсе течение будет нарастать до трх пор. пока канал не прогреется, и оно должно идти от самого верха разрядного канала. В работе показано, что появление спутного течения означает срыв стационарного движимил и зарождение туооул^нтчо'^ти. В работе теоретически определено значение конвективного параметра, при котором произойдет зарождение турбулентности и показано, что при существующих режимах эксплуатации озонаторов подобная ситуация не возникает. На асимптотическом участке прогрев газа за счет тепла, исходящего из барьеров, закончен и течение стабилизировано. Для рассматриваемых участков рассчитаны все динамические и тепловые характеристики, зависимость толщины теплового погранслоя от продольной координаты и длина, участка тепловой стабилизации. Поскольку длина участка тепловой стабилизации оказывается того же порядка, что и длина участка динамической стабилизации и составляет около 2 п, а при принятых режимах зксплу-

■2.TЗЛИY 03СНаТг,С^В СОЫВа ЛоМИНаОНОГО т^'^ння не происходит. тс последующих 03.cT-Tftfr?_4 ^^им участком можно пренебречь.

Решена ^тационаонач сопряженная задала по оэ/^чету температур ного поля в барьерах и газоразрядном канале пои еодяном охлаждени озонатора. Проанализировано влияние зависимости вязкости и темпера туропроводности газа от температуры на основные характеристики теп лообмена. Получены соответствующие интегральные соотношения.

Проанализировано влияние теплового и динамического режима озс натора на синтез озона. Аналитически получена зависимость концент рации озона от длины разрядного канала. Показано, что при существу ющих режимах работы озонаторов концентрация озона в данном мест близка к равновесной концентрации, определяемой температурой этог места, вследствие чего длина разрядного элемента должна быть огра ничена. Введено понятие идеального озонатора, у которого все выде ленное в объеме тепло отводится через боковые стенки. У такого озс натора с ростом длины канала концентрация экспоненциально стремитс к максимальному значению, которое является наибольшим для Есех озс наторов с данным объемным тепловыделением. Уточнена методика расче та барьерных озонаторов, согласно которой длина разрядного элемент доложна задаваться не произвольно, а определятся эффективност! системы охлаждения.

Решена задача теплообмена в условиях смешанной конвекции озонаторах-реакторах факельной короны при турбулентном течении г< за. Показано, что расчет динамических характеристик может быть све ден к расчету этих характеристик при изотермической турбулентност! Результаты расчетов подтверждены экспериментом. На основе математ! ческих моделей электроразрядных и тепловых процессов предложен а горитм расчета озонатороЕ-реакторов факельной короны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе подучены следующие основные результаты: -------------------- разработаны,научные основы интенсификации процессов разделения и очистки неоднородных физико-химических систем, базирующиеся на рациональном использовании тонкого управления массовыми силами взаимодействия сильных электрических полей с заряженными частицами с целью организации их упорядоченного движения в необходимом для получения готового продукта направлении. В частности, для сыпучих материалов получены следующие результаты:

- разработана математическая модель стохастического процесса зарядки аэродисперсных систем. Получены аналитические выражения для флуктуаций зарядов при направленной и диффузионной зарядке частиц в поле униполярной и биполярной короны, при индукционной зарядке на электродах и трибоэлектрической зарядке в "кипящем слое";

- для эмпирического обеспечения моделей выполнены экспериментальные исследования на конкретных материалах: методом траекторий исследована индукционная зарядка волокон асбеста тувинского месторождения, а методом микроскопических наблюдений установлен механизм перезарядки различных полимерных порошков отечественного и зарубежного производства и выполнены измерения функций распределения частиц по зарядам;

- разработаны инженерные методики расчета потоков заряженных частиц в камерных коронных и трибоэлектрических сепараторах, в сепараторах "Электроцикложет", в аппаратах по нанесению сухих порошковых покрытий и в предложенных автором комбинированных электросепараторах и установках по отделению волокон асбеста от пыли и гали. Полученные результаты позволяют повысить достоверность научных прогнозов , а также оптимизировать форму электродов и конфигурацию создаваемых ими электрических полей.

2. Поставлена и решена задача по целенаправленному использова-

нию процессов самоорганизации отдельных упорядоченных структур в технологиях очистки жидкостей и газов. Получены новые экспериментальные и теоретические результаты по исследованию самоорганизации различных структур в диэлектрических и полупроводящих жидкостях при облучении их свободной поверхности коронным разрядом. В частности:

- для интенсификации процессов перемешивания жидкостей и суспензий выполнено теоретическое и экспериментальное исследование обнаруженной экспериментально бенаровской электроконвекции диэлектрических жидкостей, определен характер критических движений вблизи равновесия, установлен порог ее возникновения и способы интенсификации;

- для разделения эмульсий типа "вода в масле" исследована впервые экспериментально обнаруженная самоорганизация сотовой системы водяных проводящих каналов. В рамках уравнения Гинзбурга-Ландау построена ее математическая модель: определен закон распределения каналов воды в дисперсионной среде и закон распределения молекул воды в канале с точностью до флуктуаций;

- для очистки газов от диэлектрических пылей выполнено экспериментальное и теоретическое исследование по зарядке, движению и осаждению диэлектрических частиц на свободную поверхность их водной суспензии;

- на основании экспериментальных исследований предложен эмпирический принцип иерархии диссипативных структур, который позволяет определить наиболее вероятную структуру среди предполагаемых;

- разработаны инженерные методы расчета и аппаратное оформление технологических процессов гомогенизации суспензий, разделения н; фазы эмульсий типа "вода в масле" и эффективной очистки газов 0' диэлектрических пылей с полным исключением обратной короны.

3. Для предложенных в работе озонаторов-реакторов факельно] короны, совмещающих в себе функции генераторов озона и плазмохими ческих реакторов, сформулированы математические модели газоразряд

- -

ных и плазмохимических процессов:

- выдвинута гипотетическая волновая модель факельной короны, отличающаяся тем, что распространение разряда как на стадии однородной

- стримерной-короны,- - так~и~~при^лазинно-стримерном переходе может рассматриваться как самоорганизация фронтальных волн ионизации, периодически движущихся от анода к катоду с постоянной скоростью;

- получено условие самоподдержания разряда, рассчитаны скорость его распространения , толщина ионизационного слоя, распределение напряженности поля и плотности объемного заряда в зоне ионизации;

- рассмотрена кинетика плазмохимических реакций при очистке газов от окислов серы и азота, учитывающая процессы рождения и гибели атомарного кислорода и озона в зоне реакции озонатора-реактора;

- разработан алгоритм электрического расчета озонаторов-реакторов факельной короны.

4. Для поиска путей интенсификации процесса синтеза озона разработаны математические модели теплопереноса в барьерных озонаторах и озонаторах-реакторах факельной короны:

- аналитически рассчитаны тепловые и динамические характеристики вертикальных и горизонтальных барьерных озонаторов с симметричными и несимметричными барьерами, представляющие научную базу для поиска путей оптимизации конструкций разрядных элементов;

- решена сопряженная задача по расчету температурного поля в барьерах и газовом канале, учитывающая теплообмен между разрядным каналом, диэлектрическими барьерами и охлаждающей жидкостью;

- показано, что за счет перенормировки давления для озонаторов-реакторов факельной короны расчет динамических характеристик сводится к расчету этих характеристик при изотермической турбулентности; -проанатизироЕано влияние нагрева газа на зависимость равновесной концентрации озона от длины разрядного элемента, позволяющее определить оптимальный тепловой режим элемента и его длину;

- предложены алгоритмы расчета озонаторов-реакторов и уточнение методики расчета барьерных озонаторов.

5. Теоретически и экспериментально обоснованные рациональные оптимальные решения реализованы в следующих практических разработ ках:

- предложены различные аппараты для очистки газов - озонаторы-реа^ торы факельной короны, аппарат для разделения смеси газов на компс ненты, электрофильтр с жидким осадительным электродом. Газоразря? ные элементы озонаторов-реакторов при работе на атмосферном неоч& щенном воздухе позволяют в зависимости от межэлектродного рассто* ния получатъ озон концентрацией до 1,2 г/м3 при удельном выхо; 40-60 г/кВт-час и вводимой в разряд энергии 10-40 кДж/м3 при прои; водительности порядка 50-100 г/час озона. Аппарат для разделен! газов обеспечивает плотность потока выделяемой компоненты поряд? 1013- 1014 1/ см2-с. Электрофильтр с жидким осадительным электроде позволяет полностью исключить появление обратной короны. Экспер! менты на лабораторной установке по улавливанию диэлектрической пьи с удельным сопротивлением 1018 0м-м (фракционный состав: 70%- 1-1 мкм и 30% - 20-30 мкм), при времени пребывания в активной зон« равном 0,1 с и плотности тока короны 1,36 мА/м2 показали, что зс фективность улавливания составила 82% при исходной запыленности : г/м3;

- предложен электроконвективный метод перемешивания жидкостей и гс могенизации суспензий и способ отделения воды от сильнообводненш нефтепродуктов. При низком энергопотреблении установки (3 кВт/( или при общей мощности установки 30 Вт против 8 кВт по методу погружением электродов в эмульсию) способ обеспечивает высокую ск< рость разделения фаз (порядка одной секунды);

-предложены конструкции комбинированных электросепараторов с под: рядным устройством двухсторонней униполярной короны, способ отдел«

ния волокон асбеста от пыли и гали и способ повышения эффективности сжигания низкореакционных углей.

6. Практическая реализация результатов работы выполнена по -----------следующим направлениям:

- передача методов расчета и оптимизации оборудования и технологических процессов в научно-исследовательские организации ("Уралмеханобр", НПО "Лакокраспокрытие" и др.);

- использование результатов в проектировании реальных технологических процессов (ОНИЛ ТЭС и АЭС г. Иваново, ВТИ г. Москва и др.);

- передача опытных образцов на практическую реализацию (Рос. ин-т мощного радиостроения г. С-П, Ивановское онкообъединение , ИВНИШШК и др.);

- непосредственное использование на различных промышленных предприятиях (Смоленская ТЗЦ-2, А.О. "Электроцентрмонтаж" г. Смоленск, НПО "ЭКИП", НПФ "СЕЛЕНА" г. Москва и др.).

Основные публикации по теме диссертации:

1. Семенов В. К., Волков В.Н., Прудников Н. К. Электризация полимерных порошков при перемешивании. Изв. АН СССР Энергетика и транспорт, № 1, 1977. - с. 146-150.

2. Волков В.Н., Семенов В.К. К теории флуктуации осаждения ионов на аэрозольных частицах. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1971, №2. - с. 160-165.

3. Волков В.Н., Ревнивцев В.И., Семенов В.К., Движение аэрозольных частиц в поле двухсторонней униполярной короны. Сб. "Обогащение железных и марганцевых руд", вып.18, изд. ин-та Уралмеханобр, СЕердловск, 1972. - с. 89-101.

4. Волков В.Н., Ревнивцев В.И., Семенов В.К. Расчет траекторий частиц в злектросепараторах с движущейся средой. Сб. "Обогащение железных и марганцевых руд", вып.18, изд. ин-та Уралмеханобр, СвердлОЕСК, 1972.- с. 73-89.

5. Волков В.Н., Семенов В.К. Особенности зарядки проводящю частиц в поле униполярной короны. Изв. АН СССР Энергетика и транспорт, №1 1971. - с. 160-164.

6. Семенов В.К., Волков В.Н. О роли трибозлектрических зарядоз при их движении и зарядке в поле униполярной короны. Электронна* обработка материалов, № б, 1972. - с. 57-60.

7. Волков В.Н., Палкин Л.Н., Семенов В.К. К гидродинамике электрического ветра. В кн. "Сильные электрические поля в технологических процессах" (электронно-ионная технология), вып. 2, М., "Энергия", 1971. - с. 216-226.

8. Волков В.Н., Семенов В.К. Электрогидростатический метод измерения подвижностей ионов в поле униполярной короны. Изв. вузо! Физика, 1971, №4. - с. 142-144.

9. Семенов В.К. Озонаторы-реакторы факельной короны. Проблемь энергосбережения, № 2-3, Киев, 1994. - с. 89-94.

10. Салов Ю.В., Щелыгин Б.Л., Бахирев В.И., Семенов В.К.,Кобе-лев Б.М. К вопросу повышения эффективности сжигания низкореакционных углей. Энергетика, № 2, 1990, с. 70-75.

11. Волков В.Н., Ревнивцев В.И., Семенов В.К. Измерение электрических зарядов грубодисперсных порошков. Труды института Уралме-ханобр, вып. 16, изд. ин-та Уралмеханобр, Свердловск, 1969.- с. 154-157.

12. Семенов В.К., Прудников Н.К. Метод измерения электропроводности полимерных порошковых покрытий в упакованном состоянии. Сб. "Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике", вып. 4, изд. ИЭИ, Иваново, 1975. - с. 65-68.

13. Семенов В.К. Экспериментальное исследование электризации полимерных порошков при перемешивании. Сб. "Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике",

вып. 4, изд. ИЭИ, Иваново, 1975. - с. 59-64.

14. Семенов В.К. Функции распределения по зарядам при перемешивании и распылении полимерных порошков. Сб. "Новые методы исследования в-теоретической электротехнике-и- инженерной-электрофизике","" изд. изд. ИЭИ, Иваново, 1976. - с. 71-77.

15. Семенов В.К. К электропроводности объемнозаряженных диэлектриков. Сб. "Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике", изд. ИЭИ, Иваново, 1976. - с. 84-87.

16. Семенов В.К., Царьков Л.Г. Расчет поля короны электрофильтра с жидким осадительным электродом при большой запыленности газового потока. Сб."Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике", изд. ИЭИ, Иваново, 1978. - с.

24-28.

17. Семенов В.К., Сандлер В.А. Метод измерения малых токов

стекачия заряда с частиц асбеста в электрическом поле. Сб."Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике", вып. 3, изд. ИЭИ, Иваново, 1974. - с. 72-75.

18. Семенов В.К. Внутреннее электрическое поле порошковых покрытий. Сб. "Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике", изд. ИЭИ, Иваново, 1975. -с. 69-72.

19. Семенов В.К., Волков В.Н., Булавкин Г.В. Разделение водно-нефтяной эмульсии на фазы. ЦНТИ, Иваново, 1982.

20. Семенов В.К., Царьков Л.Г. Электрофильтр с жидким осадительным электродом . Сб. "Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике", изд. ИЭИ, Иваново, 1978. - с. 54-59.

21. Семенов В.К., Салов Ю.В., Слышалов В.К. Оптимизация формы электродов факельной короны в электроразрядных устройствах. Сб. "Исследование электромагнитных процессов в энергетических установ-

ках", изд. ИЭИ, 1988, С. 103-107.

22. Семенов В.К. Влияние электрического ветра на движение ] зарядку частиц в поле униполярной короны. Сб. "Новые методы исследования в теоретической электротехнике и инженерной электрофизике" изд. ИЭИ, 1973, с. 12-15.

23. Семенов В.К. Озонаторы-реакторы биполярной факельной короны. ЦНТИ, Иваново, 1989.

24. Семенов В. К. О возможности управления параметрами факель ной короны. Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференци "Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и техно логш в электроснабжении", изд. ИЭИ, Иваново, 1989.- с. 15-16.

25. Семенов В. К. Электроразрядные устройства факельной короны Тезисы докладов международной нучно-технической конференции "Состо яние и перспективы развития электротехнологии", Иваново, 1991.- с 25.

26. Семенов В.К. Качественная теория факельной короны. Тезис докладов международной нучно-технической конференции"Состояние перспективы развития электротехнологии". Иваново, 1992.- с. 4.

27. Семенов В.К., Шипко М.Н. Интенсификация сжигания низкосо; тых твердых топлив методом озонирования. Тезисы докладов между нг родной нучно-технической конференции "Состояние и перспективы ра: вития электротехнологии". Иваново, 1992.- с. 3.

28. Семенов В.К. 0 возможности применения обратной короны д. производства озона и неравновесного молекулярного газа. Тезисы до] ладов Всесоюзного семинара "Теория и практика плазмохимической о< работки тканей и полимерных пленок". ИХНР АН СССР, Иваново, 1991. С. 33.

29. Семенов В. К. Озонатор-реактор факельной короны. Тези докладов IV Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионн технологии в народном хозяйстве". МЭИ, Москва, 1991. - с. 103.

30. Верещагин И.П., Коньков Ш.Х., Калинин A.B., Семенов В.К. Опыт применения озона для дезинфекции в реанемационной практике. Тезисы докладов 1У__Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве". МЭИ, Москва, 1991. - с. 108.

31. Семенов В.К. Фронтальные волны ионизации факельной короны. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии", Иваново, 1994,-с. 14.

32. Семенов В.К., Горбунцов А.Ф., Горбунцов Д.А. Конвективное охлаждение обмоток мощных электрических трансформаторов. Сб. "Исследования в области теоретических основ электротехники и инженерной электрофизики", ИЭИ, Иваново, 1982.- с. 113-117.

33. Семенов В.К. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Нейтронная физика". Иваново, Минтопэнерго, 1995,- 32 с.

34. Семенов В.К., Салов Ю.В., Сльппалов В.К., Парадзинский A.C. Газоразрядный элемент озонатора. A.c. № 1707902, 1991.

35. Семенов В.К., Слышатов В.К., Бахирев В.И., Щелыгин Б.Л. Озонатор. A.c. № 1786772, 1992.

36. Семенов В.К., Слышалов В.К., Салов Ю.В., Бахирев В.И., Щелыгин Б.Л. Анод газоразрядного элемента озонатора. A.c. № 1786773, 1786774, 1992.

37. Семенов В.К., Макальский Л.М. Аппарат для разделения газа. A.c. № 1662646, 1991.