автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование диэлектрических барьеров с короностойким покрытием и разработка высокоресурсных систем электродов генераторов озона

На правах рукописи

005535378

Кравченко Галина Алексеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ С КОРОНОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОРЕСУРСНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДОВ ГЕНЕРАТОРОВ ОЗОНА

Специальность 05 09 03 «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОКТ 2013

Чебоксары - 2013

005535378

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» на кафедре электромеханики и технологии электротехнического производства.

Научный руководитель: Пичугин Юрий Петрович

кандидат технических наук, доцент Официальные оппоненты: Гении Валерий Семенович

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электрооборудования и автоматики ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», г. Балашиха.

Силкип Евгений Михайлович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, генеральный директор ООО «Силовая электроника», г.Ульяновск

Ведущая организация:

ООО «Научно-производственное предприятие «ВЭЛИТ», г. Истра Московской области.

Защита состоится «18» октября 2013 г. В 14 часов 00 минут в зале Ученого совета на заседании диссертационного совета Д212.301.06 при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская д. 38, библиотечный корпус, третий этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО « Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу 428015, г. Чебоксары, Московский проспект ,15 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

УУ <пд

Автореферат разослан «'*'» 2013г.

Ученый секретарь /7) I /

Диссертационного совета Д212.301.06 Чл/А[ Н.В. Руссова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Использование озонных технологий в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве связано с разработкой экологически чистых способов решения проблемы защиты от вредных выбросов в атмосферу и окружающую среду. Расширяется применение озона в медицине и биотехнологии.

Озонаторный комплекс включает в себя систему подготовки воздуха, систему синтеза озона, систему подачи, распределения и диспергирования озоно-воздушной смеси, систему отведения и деструкции остаточного озона, систему озонобезопасности.

Наиболее важной частью озонаторного комплекса является система синтеза озона, состоящая из высоковольтного источника питания и системы электродов, формирующей газоразрядное пространство, где вследствие электрохимических реакций образуется озон.

Основополагающую роль в развитии озонаторной техники играют монография и многочисленные статьи Ю.В. Филиппова - создателя электрической теории озонаторов, работы В.Г. Самойловича , В.В. Лунина, С.Н.Ткаченко, В.А. Вобликовой, В.И. Пантелеева, В.И. Гибалова, К.В. Козлова, большой вклад в развитие озонаторной техники внесли, В.Н. Бондалетов, В.В.Данилин, М.П. Кокурин, М.М. Пашин.

Большинство современных исследований направлено на повышение производительности озонаторов при уменьшении энергозатрат. Показано, что наиболее эффективно и энергетически выгодно получение озона в барьерном разряде.

Однако недостаточно внимания уделено ресурсу озонаторных комплексов, хотя одной из проблем при эксплуатации барьерных систем генерации озона -является повышение ресурса их работы, связанного в основном с выходом из строя диэлектрического барьера.

Существует несколько путей исследований в области повышения ¡ресурса работы систем генерации озона. В частности, это поиск и разработка наиболее стойких материалов для барьера, использование оригинальных конструкций при проектировании озонаторных комплексов, применение систем предварительной подготовки газовой смеси для генерации озона и меры по снижению интенсивности воздействия факторов старения на барьер при производстве озона.

Одним из перспективных направлений повышения ресурса является совершенствование конструкции диэлектрических барьеров.

Тема диссертационной работы, посвященная исследованию диэлектрических барьеров с короностойким покрытием и разработке высокоресурсных систем генерации озона для озонаторных комплексов является весьма актуальной и востребованной.

Целью работы является разработка высокоресурсных систем высоковольтных электродов озонаторного комплекса на основе исследования многослойных барьеров с защитным покрытием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ причин разрушения диэлектрического барьера. Разработка математической модели отдельного микроразряда. Исследование воздействия частичных разрядов и высокой температуры на систему электродов озонаторной установки.

2. Обзор существующих решений, направленных на повышение срока службы систем генерации озона и разработка способа повышения ресурса систем высоковольтных электродов путем применения многослойных диэлектрических барьеров.

3. Разработка физических моделей систем высоковольтных электродов с многослойными диэлектрическими барьерами. Исследования и разработка защитных покрытий. Определение основных характеристик полученных покрытий.

4. Разработка методики проведения экспериментальных исследований и статистической обработки их результатов. Построение дисперсионных моделей, позволяющих оценить влияние термокороностойкого слоя на срок службы и производительность системы генерации озона.

5. Разработка экспериментальной установки для проведения форсированных испытаний системы высоковольтных электродов. Оценка ресурса физической модели системы высоковольтных электродов при работе в нормальном режиме.

6. Реализация результатов и полученных практических рекомендаций при разработке вариантов конструкций высокоресурсных систем высоковольтных элеюродов установок для генерации озона.

Методы исследования: физическое и математическое моделирование, с использованием общей теории электрических цепей и теории дифференциальных уравнений в частных производных. Экспериментальные исследования проведены на опьггных образцах озонаторов в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность полученных результатов обеспечена принятием обоснованных допущений, применением апробированных методов измерений, тщательной калибровкой средств измерений, а также сопоставлением расчетных и экспериментальных данных с результатами других авторов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ повышения ресурса систем генерации озона барьерного типа путем применения многослойных диэлектрических барьеров, защищенный патентом РФ №2355627 бюл. № 5 от 20.05.09.

2. Методика проведения экспериментальных исследований моделей систем высоковольтных электродов.

3. Результаты проведения испытаний физических моделей систем высоковольтных электродов генераторов озона. Рекомендации по увеличению ресурса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложено и обосновано применение многослойного диэлектрического барьера, позволившего увеличить ресурс систем генерации озона барьерного типа до 10 ООО часов (патент РФ №2355627 бюл. № 5 от 20.05.09)

2. Разработаны конструкции систем высоковольтных электродов, отличающиеся от известных наличием короностойкого покрытия, защищающего поверхность диэлектрического барьера от воздействия частичных разрядов и высокой температуры (патент РФ №2355627 бюл. № 5 от 20.05.09)

3. Предложена и обоснована методика, ускоренных ресурсных испытаний озонаторных секций, позволившая сократить время испытаний.

Практическая значимость работы:

1. На уровне изобретения (патент РФ №2355627 бюл. № 5 от 20.05.09, патент № 122084 бюл.№32 от 20.11.12 ) разработаны системы генерации озона с применением кассет с многослойным барьером, отличающихся от ранее известных наличием короностойкого покрытия диэлектрического барьера, а также повышенным ресурсом работы.

2. Разработаны и внедрены в эксплуатацию системы генерации озона для озонаторных комплексов (акт о внедрении ООО НПП «Экология» г. Чебоксары от 25.07.2012, акт о внедрении ООО НПП « ВЭЛИТ» г. Истра от 20.09.2012).

3. Разработана и внедрена установка для испытания систем высоковольтных электродов озонаторов барьерного типа, позволяющая проводить ускоренные ресурсные испытания.

Публикация и апробация работы

По теме диссертации опубликовано 13 работ, из которых 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, два патента РФ.

Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и республиканских конференциях:

На XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭ - 2008 Крым, Алушта.

На Научной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии в XXI веке», Чебоксары 2008 г.

На 30-ом Всероссийском семинаре «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии», Москва 2008 г.

На Молодежной международной научной конференции «Туполевские чтения», Казань 2009 г.

На Республиканской научно-практической конференции «Молодёжь, наука, комплексное развитие села» Чебоксары, ГСХА 2009 г.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 110 наименований и приложения Общий объем работы составляет 136 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована её цель, определены задачи и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой аналитический обзор теме исследования. Рассмотрены основные физические процессы, проходящие в системах генерации озона, приведены основные типы конструкций современных озонаторов, проанализированы их достоинства и недостатки. Особое внимание в главе уделено проблеме ресурса озонаторных комплексов. В диссертации приведен обзор известных решений, позволивших повысить ресурс работы озонаторных комплексов. Показано, что эти способы имеют существенные ограничения, как по ресурсу, так и по другим параметрам: стоимости, простоте эксплуатации, технологичности изготовления. В первой главе показано, что главным фактором, обеспечивающим решение указанных проблем, является разработка и создание высокоресурсных диэлектрических барьеров.

Во второй главе проведен анализ причин разрушения диэлектрических барьеров в генераторах озона. Установлено, что одной из основных причин разрушения диэлектрических барьеров является воздействие микроразрядов на материал барьера. Рассмотрена структура отдельного микроразряда. С использованием математического моделирования проведена оценка размеров его прибарьерной области и температурного воздействия на барьер. Предложено применение многослойных диэлектрических барьеров в генераторах озона. Для оценочных расчетов геометрических размеров микроразряда, в частности диаметра прибарьерной области, использовалась одномерная система, в которой возникает барьерный разряд (рисунок 1). Здесь в точке х = 0 с поверхностью диэлектрического барьера соприкасается тонкая электропроводящая пластина (электрод 1), второй электрод расположен на противоположной поверхности диэлектрика (электрод 2). При подаче напряжения на электроды около пластины в области -х1<х< + х1 по поверхности барьера зажигается электрический разряд.

Электрод I

Рисунок 1 - Взаимное расположение электродов и диэлектрического барьера в модельной системе

Для такой системы справедливо уравнение параболического типа

341^0 зио,

? 0 Си 5 V ✓

&Г <7/

где [/(*,/> распределение напряжения по барьеру для любого момента времени /; Л,, - удельное поверхностное сопротивление барьера; С - удельная емкость барьера. Начальные и граничные условия:

ит=ии

где и! - постоянное напряжение, которое под держивается на пластине.

и(х,0)=0.

Изменением потенциала в области -Х1<Х<Х1 можно пренебречь, т.к. удельное поверхностное сопротивление в зоне разряда Яр 0 Ом, намного меньше удельного поверхностного сопротивления диэлектрика Яд > 10 Ом, из которого изготовлен барьер.

и2(х,о~о.

Решая уравнение (1), учитывая начальные и граничные условия, получены выражения для определения параметров микроразряда

= 0,7 —

/„ = 0,41

яРс

3 т

Проведена оценка полученных величин: при Лр= 104 Ом, С = 10 7 Ф/м",

и0= 10 кВ, Ер = 30 кВ/см.

Получено а = 45; Х1Ш1х=2,3 мм; /р- 7,6-10" с.

Расчетные кривые представлены на рисунке 2.

КцвмЛм

I

го

о 4м0 600» 8000 11юоо и, в 0 4000 6000 ®1хм5 10000 к в Рисунок 2 - Зависимость размера прибарьерного пятна (а), длительности микроразряда (б) от приложенного межэлектродного напряжения.

Оценочные расчеты размера прибарьерной области согласуются с экспериментальными данными, полученными на электрогазодинамическом устройстве для визуального наблюдения структуры барьерного разряда, разработанном в лаборатории «озона и озонных технологий» ЧГУ (схематически изображено на рисунке 3). Полученные фотографии структуры барьерного разряда (рисунок 4), позволяют определить геометрические размеры микроразряда.

Рисунок 4

- фотография структуры барьерного разряда

Рисунок 3-схема устройства для наблюдения структуры баьерного разряда

Для оценки температурного воздействия, оказываемого отдельным микроразрядом на диэлектрический барьер, было рассмотрено развитие тепловых процессов с помощью уравнения теплопроводности:

д& д23 -а-

д( ох~ ' где а - коэффициент температуропроводности; <9 начальные и граничные условия:

(2)

- температура;

9----/О) при / = О д&

—- = g(t) при х = О дх

(начальное условие) (граничное условие)

Используя температуры:

решение уравнения (2), получена формула для оценки

-9 = 20

Тепловой поток определен по формуле б =

Ж

Энергия микроразряда: УУ = ид, Заряд микроразряда ц = .

Используя литературные данные о типичных характеристиках микроразряда: ир^1кВ , 1тах -0.5 А, г^=10* с. 5 = ях,„„г «16.6 мм2, а= 1 10 ' м/с, получено 1 0 С.

Таким образом, показано, что один микроразряд повышает температуру на поверхности диэлектрика примерно на 1°С. За один период, в установившемся режиме работы происходит два микроразряда. Соответственно за 1 секунду при частоте 50 Гц без учета процесса охлаждения температура может достичь 100 С. В результате, происходит значительное повышение температуры на поверхности диэлектрического барьера.

Характер разрушения поверхности диэлектрика микроразрядами подтвердили следующие эксперименты. Диэлектрический барьер из стеклотекстолита покрывался лавсановой плёнкой. При длительной работе модели на лавсановой пленке образовались проплавленные отверстия диаметром около 5 мм (рисунок 5).

Рисунок 5 - разрушение лавсановой пленки.

В представленной работе исследовались многослойные барьеры с защитным покрытием, на основе кремнийорганической эмали с наполнителем из порошков неорганических материалов. Эта разработка выполнена на уровне изобретения и защищена патентом РФ №2355627, соавтором которого является соискатель.

Третья глава посвящена описанию методики проведения исследований, экспериментальной установки и физических моделей систем высоковольтных электродов. Там же приведены результаты экспериментов ускоренных испытаний различных моделей озонаторных секций. Проведена статистическая обработка опытных данных. Это позволило построить дисперсионную модель эксперимента, а также произвести оценочный расчет срока службы озонаторной секции, работающей в нормальном режиме.

Для исследований были созданы физические модели систем высоковольтных электродов генераторов озона. Разработан испытательный стенд для проведения экспериментов. Основной частью испытательного стенда (рисунок 6) является источник высокого напряжения с регулируемой частотой.

Основные характеристики электромеханического источника питания:

Максимальная выходная мощность 700 Вт.

Скорость вращения в пределах от 500 до 7000 об/мин,

Частота напряжения при указанных скоростях вращения от 50 до 700 Гц.

Величина выходного напряжения генератора до 220 В.

-е

К ИСПЫТ^'С! модели

К1-700 Ом К2-1.5 кО*

Рисунок 6 - электрическая схема установки

С целью сокращения времени экспериментов, разработана методика ускоренных испытаний. Эксперименты проводились в форсированном режиме:

на частоте 400 Гц при напряжении от 6 до 12 кВ. Выбор напряжения определялся опытным путем, чтобы образец без покрытия работал до пробоя от 15 до 60 минут, при этом фиксировался ток. Для испытания образца с защитным покрытием устанавливался ток той же величины. За счет защитного слоя увеличивалась общая толщина барьера, поэтому испытание материалов с покрытием проходило при более высоких напряжениях.

Исследования проводились на различных диэлектрических барьерах, при различных конструкциях моделей систем электродов генераторов озона, с разным типом охлаждения.

В качестве диэлектрического барьера исследовались текстолит, стеклотекстолит, лавсановый гетинакс и др. Защитный слой выполнялся на основе эмали «Церта» (ТУ 2312-001-492 48846-2000), кремнийорганического лака КО-85 (ГОСТ 11066-74), а также пентафталевых лаков ПФ115 (ГОСТ 646576) и ПФ170 (ГОСТ 15907-70) . В качестве наполнителей использовались порошки следующих материалов: оксид алюминия, двуокись титана, тальк, слюда, асбест.

Опытным путем установлено оптимальное соотношение связующего и наполнителя. Хорошей адгезией, приемлемыми механическими свойствами и достаточной короностойкостью обладает состав с 50% содержанием наполнителя. Эмаль, приготовленная в лабораторных условиях, наносилась на поверхность исследуемого диэлектрического барьера кистью, толщина покрытия составляла 0,1—0,15мм.

На рисунке 7 представлена модель секции генератора озона с плоскими электродами с водяным охлаждением.

Модели испытывались до пробоя при токе 2 мА и напряжении от 7 до 12 кВ. Толщина барьера составляла 0,5 мм.

Результаты испытаний на различных барьерах с защитным слоем, выполненным на основе кремнийорганического лака и наполнителя из порошка А1203 представлены на рисунке 8.

/

1 - плоские электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - воздушный зазор;

4 - водяное охлаждение; 5 - короностойкое покрытие Рисунок 7 - Модель системы высоковольтных электродов генератора озона

сгеоютекстопит текстогот лавсановый гетинжс

Рисунок 8 - Результаты испытаний модели с водяным охлаждением

В экспериментах с различным составом короностойкого покрытия лучшие результаты наблюдались при использовании в качестве наполнителя порошков А1203 и талька, а в качестве связующего - кремнийорганического лака. Результаты экспериментов представлены на рисунке 9.

л«$>! 15

Рисунок 9 - Результаты исследований по влиянию различных наполнителей и связующих на ресурс моделей

В работе испытывались модели с естественным воздушным охлаждением. Были проведены эксперименты на моделях с плоскими и с проволочными электродами. Конструкция модели и полученные опытные данные на моделях с плоскими электродами представлены на рисунке 10.

. материал барьера-фторопласт

1 - плоские электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - воздушные зазоры; 4 - короностойкое покрытие Рисунок 10 - Модель системы высоковольтных электродов генератора озона с плоскими электродами

Модель с проволочными электродами представлена на рисунке 11. Проволочные электроды изготовлены из алюминиевой проволоки диаметром

2,5 мм. Воздушные зазоры между электродом и диэлектрическим барьером создавались с помощью изоляции алюминиевого провода и составляли по 1 мм. В качестве диэлектрического барьера использовался стеклотекстолит марки СТ — М, толщиной 0,5 мм.

1 - проволочные электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - воздушный зазор Рисунок 11 - Модель системы высоковольтных электродов генератора озона с проволочными электродами.

В процессе исследований были измерены основные электрические характеристики защитного покрытия (Эмаль «Цетра», лак К085, наполнитель А1203):

Епр = 2 кВ/мм, £ = 7, рг =1012 Ом-м, р8 =10"1 Ом, 1е5=10~3.

Кроме экспериментов с листовыми материалами, выпускаемыми промышленностью, проводились исследования с твердеющими материалами, имеющими высокие электроизоляционные свойства. Использование таких материалов в качестве диэлектрического барьера даёт возможность изготавливать барьеры малой толщины и достаточно просто ремонтировать пробитые диэлектрические барьеры.

Проведены эксперименты на моделях, где диэлектрическим барьером служил слой лака КО-916 без наполнителя, а также моделях с двухслойными барьерами, состоящими из слоя лака без наполнителя и дополнительного защитного слоя с наполнителем из талька и А12Оз.

Результаты экспериментов представлены в таблице 1. Таблица 1 - результаты испытаний модели с барьером на основе дака КО-916

Материал диэлектрического барьера Ток, мА Напряжение, кВ Среднее время работы модели до пробоя

Лак КО-916 без дополнительного слоя 1.5 5 4 часа

Лак КО-916 с дополнительным слоем с наполнителем 1.5 6 более 10 часов

С целью изучения влияния покрытия на выход озона, созданы герметичные модели систем высоковольтных электродов, конструкции которых представлены на рисунке 12.

1'3

1 - воздушный зазор; 2 - короностойкий слой; 3 - диэлектрический барьер;

4 - электроды;

5 - штуцера для ввода озонируемого газа и вывода озоно - газовой смеси Рисунок 12-Конструкция герметичных моделей систем высоковольтных электродов

В первой модели в качестве диэлектрического барьера использовался лак КО-916 без наполнителя, во второй модели использовался барьер с защитным слоем, третья модель «классическая» с барьером из стеклотекстолита. Эксперименты показали, что выход озона во всех конструкциях примерно одинаковый. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2 - результаты испытаний герметичных моделей Материал диэлектрического барьера

Лак КО-916

Лак КО-916 с защитным слоем _

стеклотекстолит

I, мА

1.1

1.1

1.1

и, кВ

6,2

Выход озона О, грамм озона в час

2,3

2,1

2,2

По результатам экспериментов проведён дисперсионный анализ, целью которого являлось определение значимости факторов и их взаимодействия в многофакторном эксперименте. Составлены математические модели экспериментов, состоящие из эффектов факторов, входящих в эксперимент, взаимодействий факторов и ошибки. Дисперсионная модель двухфакторного эксперимента имеет вид:

у = А + В + АВ±еош

Где А, В - эффекты факторов, АВ - эффект взаимодействия факторов, 5е -ошибка Исследовалось влияние наличия короностойкого покрытия и материала барьера на срок службы диэлектрического барьера. Исходные данные и результаты дисперсионного анализа данных представлены в таблицах 3 и 4.

Исследовалось влияние состава короностойкого покрытия на срок службы диэлектрического барьера. Таблица исходных данных и результаты дисперсионного анализа представлены в таблицах 5 и 6.

Проведена проверка однородности дисперсий. Гипотеза о воспроизводимости проверялась с помощью критерия Кохрена.

Таблица 3 - исходные данные испытаний с защитным покрытием и без него

Наличие покрытия Материал диэлектрического барьера

текстолит Стекло текстолит Лавсановый гетинакс

47 50 20

« 39 40 180

13 ь- 50 -а- 35 ^ 1- 40 ЧО

о. и о с 35 г-' О! <л 120 Ч© ОС !£} чо 90

65 .7 ¡1. 45 чо 11 45

т о 30 «1 90 95 •г« *

Ю 43 60 160

55 95 120

165 85 300

172 132 210

и Я 120 си 137 1П чо 180 5 ««

н 3 180 чо чо ¥ ¥ 280 00 ~ г-- ^ чо 00 т 285 чо »О

к 100 320 270 сч

с О 120 Ъ> * 180 ОТ X 150 ■го *

95 120 120

220 215 130

Таблица 4—результаты дисперсионного анализа данных испытаний с защитным покрытием и

без него

Источник изменчивости Общая дисперсия Число степеней свободы Средняя дисперсия Р- отношение Р- табличное

Материал барьера 23120,5 2 11260,3 3,7 3,23

Наличие покрытия 144870,2 1 144870,2 47,4 4,08

Взаимодействие факторов 520,1 2 260,1 0,08 3,23

Ошибка 8 128232 42 3053,1

168639 47

Оценка влияния качественных факторов по критерию Фишера доказывает значимость наличия защитного покрытия на увеличение ресурса работы модели генератора озона. Сильное влияние оказывает материал связующего, также применение наполнителя значительно повышает ресурс работы.

Таблица 5—исходные данные экспериментов с различным составом покрытия

Связующее Наполнители

Оксид алюминия Двуокись титана тальк слюда асбест

Лак КО 240 СП 2? о г," н ОТ X 140 го т £40 ¥ ОТ X 265 ОС ^ О — II гч Ъ & 145 сч11 1! ОТ « 135 ОС СП •л ос ЧР 2 "от Ь

210 120 220 95 100

250 130 240 135 150

Лак ПФ115 135 СП § ОС с" II от X 120 СП СП 2 СЧ сч" ¥ ОТ X 105 'Г: ГЧ о """ 2 ¥ ¥ ~от * ПО ОС С} о оо Т 2 от Ц. 80 СО чо О 2 5 ¥ СЯ X

120 90 180 125 180

160 160 135 90 45

Таблица 6 -результаты дисперсионного анализа данных экспериментов с различным

Источник изменчивости Общая дисперсия Число степеней свободы Средняя дисперсия Р- отношение Р- табличное

Материал наполнителя 38497,8 4 9624,5 9,4 2,87

Материал связующего 25114,1 1 25114,1 24,6 4,35

Взаимодействие факторов 8499,9 4 2112,5 2,07 2,87

Ошибка е 20339,3 20 1017,0

92451,1 29

Ц 1 р X иНЧ/ЛША А V«)! V V*-* ХГ * - — —' - ---" I---------- ^ Г V

Обработаны данные экспериментов с барьером из стеклотекстолита, и защитным покрытием на основе кремнийорганического связующего с различными наполнителями. Результаты ранжирования по критерию Дункана представлены на рисунке 13.

Без локрытя -1-

Осст

Асбест Слюда ИГГЯТ1Я --4-•-

Оксид

алюмштя Тальк

_ Время

" работы

Рисунок 13 - Результаты ранжирования фактора «наполнитель» по критерию Дункана Результаты дисперсионного анализа показали, что наличие любого из рассмотренных покрытий существенно повышает ресурс работы диэлектрического барьера и наилучшим наполнителем выделяются тальк и оксид алюминия.

По экспериментальным данным, полученным при форсированных испытаниях, произведена оценка ресурса усовершенствованных моделей при работе в обычном режиме. Для этого были построены и экстраполированы «кривые жизни». Результаты экстраполяции представлены на рисунке14.

Оценочные расчеты показали, что ресурс усовершенствованных озонаторов существенно повысился и составляет около 10 ООО часов.

V, кВ III 9 ! 7

6 }

4

ъ

0,1 0,1 О.» »,* 0,5 0,6 6,7 О.) ,

а

£

7\

и

у

г

0.1 03 /и 9.4 0,6 О,

7

Рисунок14 - Экстраполяция экспериментальных данных для получения расчетного значения и„ для модели с диэлектрическим барьером без защитного покрытия (а) и с защитным

покрытием (б).

В четвертой главе описано использование результатов исследований при разработке новых систем генерации озона на основе высокоресурсных диэлектрических барьеров. Приведены результаты практического использования разработанных озонаторных комплексов и конструктивные решения.

I. Озонаторная установка с проволочными электродами.

Рисунок 15 — Конструкция системы с проволочными электродами, состоящими из алюминиевых проволок с изоляцией из поливинилхлорида.

Рисунок 17 — Кассета и внешний вид озонаторной установки с плоскими электродами

Рисунок 16

— Кассета и внешний вид озонаторной установки с проволочными электродами

с плоскими электродами

Рисунок 18,-Озонаторная установка открытого Рисунок 19 — Малогабаритный

типа высокочастотный озонатор

Технические характеристики озонаторных установок

Озонаторная установка с проволочными электродами Озонаторная установка с плоскими электродами. Озонаторная установка открытого типа. Малогабаритный высокочастотный озонатор.

Производительность озона, г/час 15 100 4 2

Потребляемая мощность, Вт 300 1500 80 40

Напряжение сети, В 220 220 220 220

Ресурс, час 10000 10000 10000 10000

Габариты, мм 500x500x800 730x850x650 400x400x400 180x200x370

Вес, кг 20 120 5 3

Предложенные озонаторные установки по сравнению с известными

аналогами обладает преимуществами:

- высокий ресурс работы;

- простота эксплуатации;

- высокая производительность по озону.

С участием автора действующие образцы озонаторных комплексов

внедрены на следующих предприятиях:

1. ВЭИ г.Истра Московской области;

2. ООО научно-производственное предприятие «Экология»; что подтверждается актами о внедрении, приведенными в приложении дисертации.

В заключении изложены основные выводы, даны рекомендации по разработке новых озонаторных установок на основе высокоресурсных диэлектрических барьеров.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Использование диэлектрических барьеров из доступных и распространенных изоляционных материалов, защищенных короностойким слоем, позволяет повысить ресурс систем генерации озона до 10 ООО часов, а также сделать производство озонаторов более технологичным и дешевым.

2. Разработан состав короностойкого покрытия диэлектрического барьера. Лучшие свойства в качестве наполнителя показали оксид алюминия АЪОз и тальк. В качестве связующего целесообразно использовать кремнийорганический лак. Найдено оптимальное соотношение связующего и наполнителя 1:1. На данную разработку получен патент на изобретение Российской федерации.

3. Предложена методика ускоренных испытаний на ресурс моделей систем высоковольтных электродов генераторов озона.

4. Разработана экспериментальная установка для испытания систем высоковольтных электродов озонаторов.

5. Построенная по экспериментальным данным дисперсионная модель подтверждает значимость влияния как важнейшего фактора короностойкого покрытия на ресурс работы диэлектрического барьера.

б. Разработаны конструктивные решения, изготовлены и внедрены опытные образцы генераторов озона с использованием полученных рекомендаций.

Список опубликованных работ по теме диссертации

В изданиях рекомендованных ВАК

1. Кравченко Г.А. Исследование высокоресурсного диэлектрического барьера для генераторов озона /Г.А. Кравченко // Вестник Чувашского университета. - 2008. -№2, -С. 100-103.

2. Андреев В.В. Результаты исследования структуры барьерного разряда / В.В. Андреев, JI.A. Васильева, Г.А. Кравченко, Ю.П. Пичугин // Нелинейный мир. -2008.-T.7, №11 - С. 811-819.

3. Кравченко Г.А. Оценка геометрических и температурных параметров микроразрядов в барьерном разряде / Г.А. Кравченко, Ю.П. // Вестник Чувашского университета. -2011. -№3, -С. 102-106.

Авторские свидетельства

4. Устройство для генерирования озона: патент Рос. Федерация МПК С01В13/11/ Пичугин Ю.П., Кравченко Г.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ЧГУ им. И.Н. Ульянова.-№ 2355627 заявлен 25.09.07; опубликован 20.05.09, бюл № 5

5. Озонаторный комплекс: патент № 122084 Рос. Федерация: МРК С01В 13/11 / Андреев В.В., Кравченко Г.А., Пичугин Ю.П., Телегин Г.Г., Телегин В.Г. заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова», заявлен 04.06.12, опубликован 20.11.12, бюл. №32.

прочие

6. Исследование влияния термостойкого покрытия диэлектрического барьера на работу генераторов озона / Г.А. Кравченко, И.В. Тимофеев, Е.С. Гаврилов // Студент. Наука. Будущее: Сборник трудов региональной 41-й научной студенческой конференции. - Чебоксары, 2007.-С. 307-308.

7. Совершенствование барьера - основной вариант повышения надёжности и ресурса озонаторных установок / Ю.П. Пичугин, Г.А. Кравченко /У Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии: сборник трудов 30 -ого Всероссийского научно-практического семинара. — М. МГУ, 2008. — С. 223-227.

8. Разработка высокоресурсного диэлектрического барьера для генератора озона / Ю.П. Пичугин, Г.А. Кравченко // Тинчуринские чтения: материалы докладов III молодежной международной научной конференции. — Казань. 2008. - С. 57-58.

9. Создание и исследование диэлектрических барьеров с защитным покрытием / Ю.П. Пичугин, Г.А. Кравченко // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: сборник трудов XII Международной конференции. Труды МКЭЭЭ. - Крым, Алушта, 2008, - С. 103.

10. Совершенствование генераторов озона для агропромышленного комплекса / Ю.П. Пичугин, Г.А. Кравченко, А.Н. Матюнин // Наука в развитии села:

материалы республиканской научно-практической конференции. Чув. ГСХА - Чебоксары, 2009. - С. 231-237.

11. Использование двух-трёхслойного барьера в генераторах озона для технологических и экологических целей / Ю.П. Пичугин, Г.А. Кравченко // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках: сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань, 2009. - с. 179-180.

12. Эффективность защитного покрытия в барьерных озонаторах / Г.А. Кравченко // Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов. -Чебоксары, 2009. - С. 48-52.

13. Разработка и исследование озонаторных установок с повышенным ресурсом работы / Ю.П. Пичугин, Г.А. Кравченко // Электрическая изоляция 2010: сборник научных трудов пятой Международной научно-технической конференции. - СПб. - 2010,- С. 86-91.

Подписано в печать 17.09.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Объём 1,0 пл.. Тираж 100 экз. Заказ № 654

Отпечатано в типографии Чувашского госуниверситета. 428015, Чебоксары, Московский просп., 15

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

На правах рукописи

Кравченко Галина Алексеевна 04201454054

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ С КОРОПОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОРЕСУРСНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДОВ ГЕНЕРАТОРОВ

ОЗОНА.

Специальность 05 09 03 «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Кандидат технических паук, доцент Ю.П. Пичугин

Чебоксары 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................................................................4

Глава 1. Аналитический обзор литературных источников............................................13

1.1 Способы получения озона.....................................................................................................13

1.1.1 Особенности электросинтеза озона в коронном разряде.............................................13

1.1.2 Особенности синтеза озона на поверхностном разряде................................................14

1.1.3 Особенности синтеза озона в барьерном разряде.........................................................15

1.2 Электрофизические процессы, происходящие в барьерном разряде................................16

1.3 Конструкции современных озонаторов и меры, направленные на повышение их ресурса...........................................................................................................................................23

Глава 2. Анализ причин разрушения диэлектрических барьеров озонаторных установок 38

2.1 Воздействие частичных разрядов - основная причина разрушения диэлектрического барьера...........................................................................................................................................38

2.2 Построение одномерной математической модели микроразряда и определение его геометрических размеров............................................................................................................39

2.3 Устройства для визуального наблюдения структуры барьерного разряда и результаты визуальных наблюдений..............................................................................................................43

2.4 Оценка температурного воздействия микроразряда на поверхность диэлектрика.........48

2.5 Применение многослойных барьеров...................................................................................50

2.6 Термо-короностойкие покрытия диэлектрического барьера.............................................52

Глава 3. Ресурсные испытания барьеров с короностойкими покрытиями и обработка результатов измерений.......................................................................................54

3.1 Описание экспериментальной установки............................................................................54

3.2 Описание методики испытаний............................................................................................57

3.3 Описание моделей системы высоковольтных электродов генератора озона...................57

3.4 Описание материалов диэлектрического барьера, применяемых в исследованиях........59

3.5 Исследование свойств покрытия от концентрации наполнителя......................................60

3.6. Ресурсные испытания моделей систем высоковольтных электродов генераторов озона ........................................................................................................................................................62

3.6.1 Исследование влияния наполнителя на защитные свойства короностойкого покрытия....................................................................................................................................63

3.6.2 Исследование влияния связующего на защитные свойства короностойкого покрытия....................................................................................................................................65

3.6.3 Описание экспериментов на моделях с естественным воздушным охлаждением....66

3.6.4 Исследования с твердеющими материалами................................................................70

3.7 Влияние короностойкого покрытия диэлектрического барьера на выход озона.............76

3.8 Измерение электрических характеристик защитных покрытий различного состава......78

3.9 Статистическая обработка данных. Построение дисперсионных моделей......................79

3.10 Оценка ресурса предложенной конструкции озонатора с многослойным диэлектрическим барьером..........................................................................................................85

Глава 4. Разработка озонаторных установок на основе высокоресурсных диэлектрических барьеров 90

4.1 Разработка озонаторной установки на основе высокоресурсных кассет и особенности ее эксплуатации.................................................................................................................................90

4.2 Разработка малогабаритного трехфазного генератора озона высокой производительности.....................................................................................................................92

4.3 Разработка конструкций высокочастотных озонаторов.....................................................97

4.4 Разработка конструкции малогабаритной озонаторной камеры с охлаждением для высокочастотного озонатора.....................................................................................................101

4.5 Разработка переносной высокоресурсной озонаторной установки открытого типа.....103

4.6 Разработка универсальной озонаторной установки..........................................................105

4.7 Разработка конструкции компактных озонаторных камер..............................................111

Заключение....................................................................................................116

Список использованных источников.....................................................................117

Приложение!................................................................................................................................. 128

Приложение II................................................................................................131

Введение

В последние время во всем мире интенсивно ведутся новые разработки и исследования в области озонных технологий. Бурному развитию технологий с использованием озона способствует его уникальные свойства. Озон имеет ряд бесспорных преимуществ по сравнению с другими агентами:

В процессах дезинфекции озон самопроизвольно переходит в кислород, который не токсичен и не образует токсичных соединений, не накапливается в организме.

В отличие от других известных окислителей озон в процессе реакций образует предельные оксиды. При этом неиспользованный озон разлагается на атомарный и молекулярный кислород. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ, как, например, при окислении хлором или фтором.

Для генерации озона необходим только воздух или кислород и электроэнергия.

При применении озоновых технологий исключаются транспортировка и хранение реагентов, связанные с соблюдением специальных мер безопасности.

В процессах инактивации бактерий, спор бактерий, грибов, вирусов, для озона требуется меньшее время контакта, чем для других дезинфектантов.

Озоновая дезинфекция не требует последующей обработки - промывки или дегазации изделий в специальных помещениях.

Озон представляет собой экологически чистый окислитель, фунгицид, дезодоратор и дезинфектант. Использование озонных технологий в большинстве случаев связано с проблемами экологии: разработкой экологически чистых технологий, решением проблем защиты от вредных выбросов в атмосферу и окружающую среду. Благодаря широкому спектру действия и экологической совместимости с окружающей средой, озон применяется практически во всех отраслях промышленности [1-5]:

в химической (производство серной кислоты, органических веществ, оксидов металлов);

нефтехимической (производство пластмасс, органических кислот, жирных спиртов и других продуктов);

целлюлозно-бумажной (отбеливание целлюлозы);

пищевой (рафинирование масел, жиров, стерилизация тары, дезинфекция холодильных камер для хранения мяса и рыбы и др.);

металлургической, фармацевтической, текстильной промышленности, в сельском хозяйстве.

В медицине озон используется при лечении ряда заболеваний, в числе которых вирусные и грибковые инфекции, заболевания органов дыхания и многие другие, не поддающиеся излечению другими средствами, как дезинфицирующее средство для консервации донорской крови, а также для стерилизации помещений и инструментов. [5,6].

С начала прошлого века озон используется в технологии подготовки питьевой воды для её обеззараживания, очистки промышленных и сточных вод с целью удаления из них токсичных соединений, не поддающихся биологическому разложению [7,8].

Актуальность темы

Одной из наиболее острых экологических проблем современности, в решении которой озону отводится важная роль, является подготовка питьевой воды, а также очистки промышленных и сточных вод.

По материалам Государственных докладов «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации» за 2009-2010 г.г. [9,10] объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты в 2010 г., увеличился

л

на 0,4% по сравнению с 2009 г. и составил 47 921 млн. м . При этом сброс загрязненных сточных вод возрос на 2,4% - до 16 239 млн. м (33,9% от общего объема сброса сточных вод). Объем нормативно очищенных сточных вод уменьшился с 2036 млн. м3 в 2009 г. до 2002 млн. м3 в 2010 г.

Объем нормативно очищенных сточных вод в 2009 г. составил лишь 2,00

3 3

км , т.е. 11% объема сточных вод, требующих очистки (17,9 км ). Это является результатом отсутствия очистных сооружений, низкой эффективности их работы, в том числе вследствие ухудшения их технического состояния.

Волжский бассейн - важнейший в экономическом отношении регион России. Здесь производится 48% валового регионального продукта, 45% промышленной и 36% сельскохозяйственной продукции России, что определяет

высокую степень антропогенной нагрузки. На Волжский бассейн приходится около трети сброса сточных вод в России. Несмотря на высокую обеспеченность региона очистными сооружениями, эффективность их работы крайне низка, в результате чего в водные объекты поступает значительная масса загрязняющих веществ. По результатам анализа динамики качества поверхностных вод на территории Российской Федерации, выполненном на основе статистической обработки данных гидрохимической сети наблюдений Росгидромета за 2010 г, наиболее распространенными загрязняющими веществами в бассейне Волги были органические вещества, соединения меди, железа, фенолы, нефтепродукты, аммонийный и нитритный азот, соединения цинка. По комплексной оценке поверхностные воды бассейна Волги в большинстве створов оценивались как «загрязненные» и «грязные», вода Чебоксарского водохранилища в большинстве створов характеризовалась как «загрязненная» и «очень загрязненная».

По данным Госкомсанэпиднадзора России, около 50 % населения страны вынуждено использовать для питья воду, не соответствующую в той или иной степени требованиям по ряду показателей. Всемирной организацией здравоохранения установлено, что до 80% заболеваний человека связано с потреблением некачественной воды. В результате население использует воду, оказывающую, отрицательное воздействие на систему кровообращения, органов желудочно-кишечного тракта, на иммунную систему и приводящих к возникновению раковых заболеваний [11,12].

Известно, что получившие широкое применение технологии и сооружения для очистки воды из поверхностных источников рассчитаны на извлечение из них загрязнений природного происхождения. Барьерная роль таких сооружений по отношению к химическим загрязнениям антропогенного происхождения крайне низка. Многие действующие водоочистные станции, запроектированные по традиционной технологии (коагуляция, хлорирование, отстаивание и фильтрование), не только не могут обеспечить удаление химических загрязнений, но, напротив, в ряде случаев способствуют повышению концентрации некоторых соединений. Например, хлор вступает в химические реакции со всеми органическими и неорганическими веществами, находящимися в воде. И

предварительное хлорирование воды из поверхностных источников, может приводить к образованию в обрабатываемой воде повышенных концентраций различных хлорорганических соединений, а также соединений, способных трансформироваться в диоксиновые.

Кроме этого хлор и хлорсодержащие соединения обладают высокой токсичностью, что требует строгого соблюдения повышенных требований техники безопасности. Необходимость транспортировки, хранения и применения на водопроводных станциях значительного количества жидкого хлора, а также сбросы этого вещества и его соединений в окружающую среду обусловили высокую экологическую опасность.

В настоящее время, единственным методом обработки воды, позволяющим эффективно воздействовать на большое число различных загрязнителей искусственного и естественного происхождения с одновременным обеззараживанием вод, является озонирование.

В Европе 95 % питьевой воды проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и ряде других городах). Приняты программы перевода на озонирование еще нескольких крупных станций водоподготовки.

За последнее десятилетие Лабораторией технологии и оборудования очистки природных вод НИИ КВОВ АО «НИИ Коммунального водоснабжения и очистки воды» г. Москва проведены обширные исследования по определению эффективности озонирования воды в различных регионах России (г. Владимир, Таганрог, Рязань, Кемерово, Новокузнецк, Ярославль, Оренбург и др.)[13]. Было убедительно показано, что без применения озонирования получить воду требуемого качества, из воды загрязненных водных объектов, используемых в качестве источников, практически невозможно.

Возможности озонирования достаточно велики но, обладая рядом положительных свойств, существуют и недостатки. К ним относится необходимость производства озона на месте использования, так как озон - нестойкое соединение, его хранение и транспортировка не возможны, малое последействие,а также необходимость затрат электроэнергии на его синтез. Недостатки метода

озонирования не могут служить причиной его ограничения при использовании в технике водоподготовки и очистки сточных вод. Длительный опыт использования озона и эксплуатации озонаторных установок убеждает в том, что этот метод является высокоэффективным. Дальнейшее совершенствование техники озонирования исключит возможные недостатки, и он получит широкое применение.

Основополагающую роль в развитии озонаторной техники играют монография и многочисленные статьи Ю.В. Филиппова - создателя электрической теории озонаторов, работы В.Г. Самойловича, В.В. Лунина, С.Н. Ткаченко, В.А. Вобликовой, В.И. Пантелеева, В.И. Гибалова, К.В. Козлова [35-39], большой вклад в развитие озонаторной техники внесли В.Н. Бондалетов, В.В. Данилин, М.П. Кокурин, М.М. Пашин и др. [40-46]. Большинство современных исследований направлено на повышение производительности озонаторов при уменьшении энергозатрат при генерации озона. Показано, что наиболее эффективным и энергетически выгодным способом получения озона является его генерация в барьерном разряде [14]. В настоящее время существуют озонаторные комплексы производительностью до 500 кг Оз/ч, где озон производится в барь-

о

ерном разряде. Концентрация выходящего озона может достигать 200 г/м . Фактически синтез озона можно считать единственным плазмохимическим процессом, реализованным в промышленном масштабе.

Однако, в литературе недостаточно внимания уделено ресурсу озонаторных установок, хотя одной из проблем при эксплуатации барьерных систем генерации озона - повышение ресурса их работы, связанного в основном с выходом из строя диэлектрического барьера. Таким образом - повышение ресурса работы озонаторных установок является актуальной проблемой.

Можно выделить несколько путей, по которым ведутся исследования в области повышения ресурса работы озонаторных установок. В частности это поиск и разработка наиболее стойких материалов для барьера, использование оригинальных конструкций при проектировании озонаторных установок. Одним из перспективных направлений повышения ресурса является совершенствование диэлектрических барьеров. Таким образом, тема диссертационной работы посвящена дальнейшим исследованиям и разработкам в этой области, что

является весьма актуальным и востребованным.

Целью работы является разработка высокоресурсных систем высоковольтных электродов озонаторного комплекса на основе исследования многослойных барьеров с защитным покрытием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1.Анализ причин разрушения диэлектрического барьера. Разработка математической модели отдельного микроразряда. Исследование воздействия частичных разрядов и высокой температуры на систему электродов озонаторной установки.

2.Обзор существующих решений, направленных на повышение срока службы систем генерации озона и разработка способа повышения ресурса систем высоковольтных электродов путем применения многослойных диэлектрических барьеров.

3.Разработка физических моделей систем высоковольтных электродов с многослойными диэлектрическими барьерами. Исследования и разработка защитных покрытий. Определение основных характеристик полученных покрытий.

4.Разработка методики экспериментальных исследований и статистическо�