автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.13, диссертация на тему:Исследование электрических характеристик барьерного озонатора с учетом тепловых процессов

^ #

N° #

На правах рукописи

/

ЛИ Пэйго

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БАРЬЕРНОГО ОЗОНАТОРА С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.09.13 - техника сильных электрических и магнитных полей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре Техники и электрофизики высоких на пряжений Московского энергетического института (ТУ).

Научный руководитель: - доктор технических наук,

профессор И. П. Верещагин

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор В. С. Липатов кандидат химических наук, старший научный сотрудник К. В. Козлов

Ведущая организация: - Всероссийский электротехнически

институт им. В.И. Ленина

Защита диссертации состоится " 18 " июня 1998 г. в аудитории Д-5 в 1 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К.053.16.07 Московског энергетического института (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, пр< сим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.Ь Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "2-5 " мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета К 053.16.07, к.т.н., ст.н.с. ^ Тарасова Т. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: В последние годы в связи с возросшей по-ребностью в озоне, используемом при очистке воды и воздуха от загрязне-ий разработка озонаторов новых типов приобрела особое значение. Из олыпого числа различных современных конструкций озонаторов, исполь-ующих электрический разряд для получения озона, наибольшее распро-гранение получили барьерные озонаторы. В связи с тем, что промышлен-ые озонаторы имеют относительно высокие энергозатраты на получение зона (18-20 кВт-ч/кгОз в воздухе и 13-15 кВт-ч/кЮ3 в кислороде), их синение становится все более важной задачей, что требует исследования про-ессов в барьерном озонаторе.

В озонаторе происходят электрические, тепловые и химические провесы, причем тепловые и химические процессы обусловлены, как правило, пектрическими характеристиками разряда. С другой стороны, тепловые ха-актеристики рабочего газа напрямую влияют на условия развития разряда и а электрохимические процессы в разряде, продукты которых, в свою оче-едь, влияют на электрические характеристики разряда. В этой связи при нализе электрических характеристик озонатора должно учитывать эти вза-мные влияния разных процессов.

В литературе имеется малое количество работ по вопросам, посвящен-ым исследованию электрических характеристик барьерного озонатора с четом вышесказанных процессов, отсутствует достаточно ясное представ-гние о степени влияния тепловых и химических процессов на электриче-ше характеристики озонатора.

Таким образом, дальнейшее совершенствование барьерных озонаторов эебует дополнительного изучения электрических характеристик с учетом ¡аимного влияния электрических, тепловых и химических процессов и соз-ания методики исследования этого взаимодействия.

Целью данной работы является разработка усовершенствованной могли процессов генерации озона в озонаторе, включающей неисследованные »нее моменты, связанные с учетом влияния неравномерности тепловыделе-ия по длине и рабочему промежутку озонатора на его электрические харак-фистики. Для достижения общей цели работы необходимо решение сле-утощих конкретных задач: 1) разработать экспериментальные методики оп-гделения распределения электрических и тепловых параметров по длине юнатора; 2). провести сравнительные оценки известных методов измерения сгивной мощности и температуры и выбрать наиболее достоверные, произ-

вести оценку их точности; 3). разработать методику составления тепловой баланса озонатора с учетом неравномерности тепловыделения в рабочем за зоре и изменения температуры охлаждающей среды. 4). провести теоретиче ский анализ влияния неравномерности тепловыделения по ширине зазора I на основании сопоставления полученных результатов с результатами экспе риментов обосновать профиль тепловыделения в зазоре; 5). разработать экс периментальную методику измерения температуры и провести анализ влия ния распределения температуры по длине озонатора на эффективность еп работы; 6). на основе проведенных исследований по оценке влияния различ ных параметров на режим работы озонатора разработать комплексную мо дель процессов в озонаторе и использовать ее для оценки эффективности ра боты озонатора при различных исходных параметрах.

Метод исследования: В работе использовался комплексный метод, за ключающийся в сочетании теоретического анализа, натурного и математиче ского экспериментального исследования электрических и тепловых процес сов в барьерном озонаторе. Экспериментальное исследование проводилось I разных режимах работы секционированного озонатора с измерением много численных (электрических и тепловых) параметров. Численное исследовани« проводилось в широком диапазоне режимов работы озонатора с привлечени ем персональной ЭВМ.

Научная новизна работы: 1. Разработана усовершенствованная мате матическая модель барьерного озонатора с учетом неравномерности элек трических и тепловых характеристик по длине озонатора и разрядному зазо ру. Модель включает: а) программное обеспечение расчета на ЭВМ теплово го баланса в барьерном озонаторе; б) программное обеспечение расчета н. ЭВМ кинетики синтеза озона в микроразряде; в) программное обеспечен«« расчета на ЭВМ электрических характеристик барьерного озонатора с уче том тепловых процессов.

2. Экспериментально доказана неравномерность распределения элек трических (напряжение горения й активная мощность разряда), тепловы) (температура газа и мощность теплового потока) и кинетически; (концентрация озона и эффективность его получения) характеристик барьер ного разряда по длине озонатора;

3. Сопоставлением измеренных и расчетных результатов обоснова» профиль тепловыделения в разрядном промежутке барьерного озонатора соответствующий выделению энергии разряда вблизи электродов;

4. На основе научно обоснованного подхода к сравнительным оценка*

свестных методов измерения активной мощности барьерного разряда пока-(ано, что метод вольт-кулоновых характеристик является наиболее достоверным.

Практическая значимость: Разработанная модель озонатора позволяет каптировать энергетический баланс в озонаторе, как в существующих кон-¡трукциях, так и при разработке новых типов барьерных озонаторов. Разработанная модель и связанные с ней расчетные программы могут использо->аться для расчета электрических и тепловых характеристик, концентрации >зона, производительности и энергетического выхода озона промышленных > юпаторов для оптимизации режимов их работы.

На защиту выносятся: I. Уточненное представление о взаимном влия-1ии -»лскгричсских, тепловых и химических процессии и оюниторс.

2. Усовершенствованная модель барьерного озонатора, позволяющая [роводить учет неравномерности распределения электрических и тепловых арактеристик по длине озонатора и разрядному промежутку при анализе ежима работы озонатора.

3. Новые экспериментальные данные по распределению электрических тепловых характеристик по длине озонатора и разрядному промежутку.

4. Методика составления теплового баланса в барьерном озонаторе.

5. Методики, позволяющие получить экспериментальные распределе-ия электрических и тепловых характеристик озонатора по его длине.

Апробация работы: Материалы работы докладывались и обсуждались а научном семинаре кафедры Техники и электрофизики высоких напряже-ий МЭИ.

Публикации: По теме диссертационной работы выпущена 1 статья.

Объем и структура работы: Диссертация общим объемом 228 страниц, эстоит из введения, 7 глав, списка литературы (80 наименований), содержит 29 страниц основного текста, 98 рисунков, 9 таблиц, 4 приложени.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведенный в первой главе анализ литературных данных по иссле-эванию электрических характеристик барьерных озонаторов, основных фи-таеских и химических процессов в озонаторе, возможных каналов затрат 1ергии, влияющих на эффективность работы озонатора, показал, что теплоте процессы, впрямую влияющие на условия развития разряда и электриче-сие характеристики озонатора, влияют и на химические процессы, продук->1 которых, в свою очередь, определяют условия зажигания разряда.

В итоге электрические и тепловые характеристики меняются по длин озонатора. Из литературных данных следует, что на электрические и тепле вые характеристики влияют неоднородность разрядного промежутка и ж равномерность распределения энерговыделения в нем.

Проанализированы сущсстиукицис расчетные модели озонатора. Пок! зано, что в настоящее время отсутствует адекватная модель процессов в оз< наторе, позволяющая проводить расчеты режимов с учетом неравномерност распределения электрических и тепловых характеристик по ширине и длин разрядного промежутка и неравномерности самого промежутка.

11« оспопс обюра и аншшш литсритурм сформулированы задачи, зак;п чающиеся в разработке усовершенствованной модели процессов генерации озона и озонаторе с учетом влияния неравномерности тепловыделения по дл не и рабочему промежутку озонатора на его электрические характеристики.

Основой диссертационной работы является описанное во второй гл; ве построение усовершенствованной модели трубчатого барьерного озон« тора. Озонатор представлен цилиндрической системой, имеющей двухст< роннее или одностороннее охлаждение (рис.1). Внутренний электрод покры диэлектрическим слоем. Рассматривается элемент потока газа длиной Д; перемещающийся от хг=0 до х;=/. Он проходит всю длину озонатора шаг з шагом, поглощая энергию от микроразрядов, образуя озон и нагревала Здесь тепловые процессы ифают очень важную роль. Во-первых, тепловы характеристики напрямую влияют на условия развития разряда; а во-вторы) они сильно влияют на химические процессы в разряде, продукты которых, свою очередь, оказывают влияние на условия развития разряда.

Предположим, что по ходу газа его температура, температура воды, кс центрация озона, напряжение горения разряда и удельная (на единицу повер ности электрода) активная мощность разряда меняются. Их взаимное влияш и последовательность расчета параметров можно представить на схеме рис.^

Расчет предполагает следующие шаги:

1) задается температура газа, одинаковая для всех участков Х(, как н) левое приближение, и считается, что концентрация озона на входе газа озонатор Со3(х|=0) = 0;

2) определяется (рассчитывается или определяется экспериментально) напряжение горения разряда игор(х(), которое связано с напряжением зажигания разряда изаж(х0 через некоторый коэффициент кгор: и^х^кгори^х). Коэффициент кгор определяется экспериментально и для широкого круга условий был найден равным 0,7-0,75. Напряжение зажигания разряда, в свою

вода

газ

вода

х1+1

I

В.Н. вода

Рис.1 Схематическое представление озонатора

*

>

х

Рис.2 Модель процессов в озонаторе

очерсдь, зависит от концентрации озона и температуры газа в разрядном промежутке и может быть определено как

II«* = 151(6(1) + Х255-М + 0.00291Соз + 0.00211(5фСоз (1) \

3) по значениям игор и емкостям газового зазора и барьера рассчитывается активная мощность разряда

Р = 4ю4(и0-иго,)С<-игорСг] (2)

Энергия, выделяемая в объеме газа рассматриваемого участка равна Л^уч-|=Р18г„аДхЛ'пца, где Бпо, — площадь поперечного сечения газового канала, Лх~длина участка, \/Г|Иа--объемный расход газа;

4) вычисляется концентрация озона в объеме каждого ¡-го участка после прохождения в нем микроразрядов, причем где

— средняя энергия, выделяющаяся в канале одного микроразряда. Расчет концентрации озона ведется по основным кинетическим реакциям, константы которых представлены в табл. 1;

Табл. I

Основные кинетичсские реакции в микроразрядс, определяющие образование и разложение озона

РЕАКЦИИ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ

е+02-»е+0+0 (Ш) к 1=20.2x10"'° см3/с, при Е/п= 100 Тс1 к,=27.9х10"|исм'/с, при Е/п=120 Тс1 к 1 ~40.4х 10"10 см^/с, при ГУп-150 Ти

()К);1М"Х>/|М (1<2) к2 6.4х 10" ,лсхр(663/Т„„), см"/с

0+03-»202 (ЯЗ) к3=! .8х 10'"ехр(-2300/Т|МН), см3/с

О+Оз* ->202 (Я4) к4=1600х к3,

03*+М->0з+М (Я5) к5=2.3х10'и, см3/с

е+03->е+0+02 (Я6) кб=(5—20)х к.

О+О+М-Ю^+М (Я7) к7=3.8хЮ'30ехр(-170/Тин)/Ти1н, смб/с

^=2к,[03]п.-к2[0][02]-[М1-к3[01[0,] - к, [О] [О;] + к, • [03] • п. - к7 • [О]2 • [М] ^1=к?-[01[0г] [М]-к4[о] [о;]-к5[о;][м]

[М]-к, [О] {Оэ1-кв {Оа] п.

5) по энтальпии реакции О2ОО3 определяется мощность, затрачиваемая на образование озона Роз;

6) по уравнениям теплового баланса для Q(x) = Р(х)-Ро3(х) вычисляется распределение температуры газа Т^х) по длине озонатора с учетом неравномерности тепловыделения по ширине разрядного промежутка. Это дает тервое приближение распределения температуры газа по длине озонатора.

Шаги 2-6 повторяются до тех пор, пока изменение результатов послед-тего цикла расчета по сравнению с предыдущим циклом не достигнет вы-5ранной погрешности. В итоге расчета получается распределение по длине >зонатора следующих параметров: Urop(x), Р(х), Со3(х) и Tm,(x) и зависящих >т них параметров, например, удельные энергозатраты на получение озона.

Для проведения расчетов по предложенной модели требуется знание юходных параметров, указанных на рис.2, ряда зависимостей, достаточно сорошо исследованных, например, зависимость активной мощности от на-фяжения горения разряда, кинетика образования озона, и ряда факторов, готорые до сих пор исследовались очень слабо: неясно распределение на-фяжение горения по длине озонатора; неясно распределение тепловыделе-шя в разрядном промежутке. Для получения этих необходимых для состав-1ения модели данных и для проверки ее достоверности, нужно проводить кспериментальные исследования электрических и тепловых характеристик донатора и их изменения по длине.

Описание экспериментальной установки, использованных эксперимен-альных методик и полученных экспериментальных результатов приведено в лавах 3-5 диссертации.

Центральной частью установки является специально разработанный екционированный озонатор (рис.3), в котором наружный электрод состоит 13 четырех секций, изолированных друг от друга с помощью капролоновых »ланцев. В каждом изоляционном фланце расположен терморезистор, с по-шщыо которого измеряется температура газа в части промежутка между екциями, и штуцер, через который отводится смесь рабочего газа с озоном ля измерения концентрации озона после каждой секции. На охлаждаемой оверхности наружного электрода последней по ходу газа секции размеще-ы 6 датчиков теплового потока, позволяющие проводить измерения доли епловой энергии, отводимой наружным охлаждением.

Каждая секция может подключаться к измерительной емкости для оп-едсления активной мощности разряда по вольг-кулоновой характеристике. )стальные секции при этом заземляются.

NN Название детали материал

1 штуцер сталь

2 внутренний электрод стальная труба с покрытием из эмали ЭСГ-21

3 крышка сквозная орг. стекло

4 штуцер для ввода газа сталь

5 штуцер для вывода воды сталь

6 рубашка электрода алюминий

7 терморезистор

8 наружный электрод алюминий

9 втулка крепежная капролон

10 штуцер для вывода газа сталь

11 фланец орг. стекло

12 штуцер для ввода воды сталь

13 болты сталь

14 фланец изоляционный капролон

15 штуцер для ввода воды сталь

16 уплотнитель полиматериал с керметиком

17 датчики теплового потока

Рнс.З Секционированный озонатор

Установка в целом обеспечивает проведение исследований в следующих условиях: рабочее напряжение до 10 кВ эфф; частота 50-5000 Гц; газ-кислород или осушенный воздух с влажностью не хуже -30 градусов точки росы; расход газа 0,5-3 л/мин; двустороннее охлаждение водой; измерение концентрации озона до 100 мг/л с помощью спектрофотометра СФ~4ба.

При исследовании наибольшее внимание уделено выбору метода измерения активной мощности разряда, разработке методики измерения температуры газа в разрядном промежутке и разработке методики измерения тепловой мощности, отводимой через наружный электрод.

Для измерения доли тепла, отводимой охлаждением наружного электрода, впервые использован метод, основанный на измерении теплового потока с помощью специальных датчиков теплового потока, располагающихся на поверхности, через которую отводится тепло. Внешняя поверхность датчиков охлаждается водой, омывающий наружный электрод. Равномерное расположение датчиков по всей поверхности наружного электрода одной из секций озонатора, позволяет измерить все тепло, отводимое через наружный электрод данной секции.

Для достоверного измерения активной мощности разряда, проведен анализ результатов ее измерения разными методами, и обоснована целесообразность использования метода вольт-кулоновых характеристик как дающего наиболее достоверные результаты.

Наибольшую сложность представляет измерение температуры газа в разрядном промежутке. В связи с малой термоинерцией газа он быстро охлаждается после выхода из разрядной зоны. Температура, измеренная термо-резистрами в отверстиях изоляционных фланцев Т(го (рис.3), не является температурой в разрядной зоне. Для того, чтобы связать температуру Тятг, измеренную терморезистром в отверстии с температурой ТКТ1 на выходе газа из разрядной зоны, была проведена специальная калибровка, при которой поток газа нагревается не разрядом, а нагревателем, причем температура на выходе из "разрядной зоны" ТЯп измерялась другим терморезистором. При этом получалась зависимость (Т^О для заданного расхода газа. Было оценено влияние температуры Т, и расхода воды. Показано, что при изменении температуры и расхода воды в пределах, использованных в эксперименте, эти изменения практически не влияют на соотношение Тип-Т, и Тт-Т,.

В связи с тем, что электрические, тепловые и кинетические процессы в озонаторе взаимно связаны, в экспериментальном исследовании нужно время для выхода режима работы озонатора в установившийся. По предвари-

тельным экспериментам это время составляет ~2 часа при одностороннем охлаждении, и -20 минут при двухстороннем охлаждении в наших условиях. Неучет этого времени может дать ошибочные результаты измерений.

В процессе экспериментов наблюдалось повышение напряжения зажигания разряда и напряжения горения по ходу газа. Установлено, что содержание озона с концентрацией 15-20 мг/л в воздухе повышает напряжение зажигания разряда на 15 %. Для кислорода это увеличение составляет 13 % при концентрации озона в смеси 85 мг/л, что хорошо совпадает с расчетом по уравнению (1). Определен используемый в модели коэффициент кГОр=игор/и,аж. По измерениям КроР составляет 0,7— 0,75 не зависимо от концентрации озона и рабочего газа.

Измерениями мощности разряда установлено значительное снижение удельной мощности по длине озонатора, особенно при малых значениях перенапряжения (рис.4). При коэффициенте перенапряжения, равном или близком 1,1 разряд в последней по ходу газа секции отсутствует.

Измерениями распределения концентрации озона по длине озонатора показано, что прирост выхода озона по ходу газа замедляется или вообще прекращается как при высоких перенапряжениях, так и при низких. При высоких — неэффективность образования озона в последней секции связана с насыщением концентрации озона. При низких — с тем, что разряд в последней секции слаб или вообще прекращается из-за повышения напряжения зажигания. Поэтому эффективность работы последних по ходу газа участков озонатора снижается.

Проведенные измерения средней по ширине промежутка температуры газа показали, что в пределах использованных расходов газа (до 3 л/мин, что соответствует времени пребывания газа в разрядной зоне ~2.с) главный процесс нагрева газа от начальной температуры происходит на длине, не превышающей длины первой секции (60 мм).

Важное значение для использования в модели при расчете теплового баланса имеет определение с помощью датчиков теплового потока долр энергии разряда, преобразующейся в тепло и отводимой наружным охлаждением. На рис.5 приведены определенные экспериментально значения отводимой доли тепловой энергии для последней по ходу газа секции озонатора. Для этой секции доля энергии разряда, идущая на образование озона минимальна, и можно считать, что вся энергия разряда переходит в тепло.

Данные рис.5 соответствуют разным расходам газа и охлаждающей воды. Доля энергии СЬ/С^е лежит в пределах 45-50 % для всех значений

50

| —А— 5.0 icB

.7 kB 5.4 kB

40

30 -X

20 ~ ---й

10 ■-□

0

0 200 400

расстояние от входа газа, х, мм

Рис.4 Распределение удельной мощности по длине озонатора.

0.6

0.55 О* 0.5

0.45 0.4

О о о о g о

S

о о

0

о

о

20

40

Удельная мощность разряда P/S, Вт/дм*

Рис.5 Доля энергии, отводимой внешним охлаждением.

удельной мощности разряда. Этот результат имеет очень большое значение, так как подтверждает предположение о том, что основная доля выделившейся в разряде энергии уносится водой, охлаждающей электрод.

Для решения уравнений теплового баланса, являющихся составной частью модели, необходимо знание распределения тепловыделения по ширине разрядного промежутка. До сих пор это является нерешенной задачей. Анализ теплового баланса и выбор профиля тепловыделения изложены в шестой главе диссертации.

Модель озонатора для расчета теплового баланса в озонаторе показана на рис.6. Озонатор представляет собой коаксиальную цилиндрическую систему. Поверхность внутреннего электрода покрыта диэлектрическим слоем. Изоляционный фланец на входе озонатора использован для моделирования входной части озонатора до разрядной зоны. Возможно охлаждение обоих электродов или только наружного. Ниже приведены соответствующие дифференциальные уравнения для озонатора с двухсторонним охлаждением. В случае одностороннего охлаждения нужно только принять в качестве граничного условия на поверхности внутреннего электрода ЗТ / дг = 0.

ЭгТ(х,г) ^(х.г) 1 аТ(х.г)

ÖX2

дг'

дг

= 0 (в электродах и изоляционном фланце)

И»оли-циохшй флак*ц

[наружно* охлаждение

- L -

Рис.6 Схема озонатора для расчета теплового баланса

ат(хг) ,ч Sэгт(х,г) а2Т(х,г) 1 aT(x.rfl

+--г— | + qv(x, г) (в газовом зазоре)

г от /

dT.i(x)

2яп

dx

P.. v.,

q,(x).

dT»z(x) dx

2яг5

"P. 2

P.2V.2

q2(x)

(в воде)

По законам теплообмена эти уравнения должны быть дополнены следующими соотношениями:

[T(x,r,) - T.i(x)] = R..(x)q,(x), [Т(х, г5) - Т.2(х)] = R.2(x)q2(x) В этих уравнениях Т(х,г)—температура в рассматриваемой точке; T„i(x), Тв2(х)—среднемассовые температуры воды внутреннего и наружного охлаждений соответственно; qv(x,r)—мощность теплового источника; qi(x) и q2(x)—удельные тепловые потоки через внутренний и наружный электрод; Rb1,Rb2—термические сопротивления для системы внутреннего и наружного охлаждения; ср,рД—удельная теплоемкость, плотность и теплопроводность газа; cp»i,p,i,X,i и Ср.в2,р,2Лв2 —такие же физические параметры воды системы внутреннего и наружного охлаждений.

Решение этих дифференциальных уравнений с учетом соответствующих граничных условий дает распределение температурного поля в разрядном промежутке и в электродах, распределение средней температуры охлаждающей воды по длине озонатора, и распределение тепловой энергии по объектам (Qi,Q2 и Qrm)-

Основное отличие данной модели озонатора для расчета теплового баланса от других — озонатор рассматривается с учетом изменения условий теплообмена по длине озонатора как система теплообменника. Температура охлаждающей среды не задана заранее, а рассчитывается в процессе составления теплового баланса по заданной температуре воды на входе в систему. Для определения профиля тепловыделения в разрядном промежутке рассмотрены следующие семь вариантов распределений (рис.7). Показано, что расчетная доля энергии, отводимая через наружный электрод последней секции озонатора, совпадает с измеренными значениями (рис.5) лишь при использовании профилей типа (а),(б),(г),(д),(е). А расчетная температура совпадает с измеренными значениями только при использовании профилей (д) и (е) (рис.8). Поэтому, можно считать, что в барьерном разряде энергия выделяется практически только вблизи поверхности обоих электродов, причем несколько больше у диэлектрического электрода.Используя предложенную модель озонатора и профиль тепловыделения типа (е) можно показать, что изменение напряжение зажигания разряда и,« по длине озонатора связано, главным образом, с изменением концентрации озона. Изменение изаж может достигать 20% по длине озонатора при концентрации озона на выходе 120 мг/л.

В этой связи распределение активной мощности разряда по длине озонатора оказывается неравномерным и зависит от кратности перенапряжения и неравномерности ширины разрядного промежутка.

Итак, построена усовершенствованная модель процессов в озонаторе. Данная модель отличается от существующих тем, что а модель введен тепловой баланс с совместным учетом следующих неизученных или малоизученных раньше факторов:

1). неравномерности тепловыделения по ширине разрядного промежутка и по длине озонатора;

2). влияния образующегося озона в рабочем газе на электрические характеристики озонатора;

3). впервые учтено влияние возможной неравномерности ширины разрядного промежутка на электрические характеристики озонатора;

4). впервые учтено влияние изменения по длине озонатора доли энергии, идущей на образование озона.

Данная модель предназначена для расчета режимов работы барьерных озонаторов цилиндрической конструкции с рабочим промежутком от десятых

Ркс.7 Предположенные распределения знерговыделения по ширине разрядного промежутка.

О 20 40

Удельная мощность разряда,

Вт/дм2

Рис.8 Зависимость повышения температуры газа над температурой воды на выходе разрядной зоны от удельной лющности. (линии - расчетные результата; точки -экспериментальные)

0

кв = кв = 20 к.

4РЛ/г„,Вт.ч/л 8

Рис.9 Зависимость расчетной концентрации озона от удельной энергии при разных частотах напряжения (1—£=50 Гц, 2—£=500 Гц, 3— £=2000 Гц) и константах к« скорости реакции 6, описанной в табл.1. ((1=0.5 мм, Д=0.5 мм, Т.=5 °С, кислород)

долей миллиметров до нескольких миллиметров. Поток газа должен быть ламинарным. Для проведения расчетов по усовершенствованной модели составлена программа расчета на ЭВМ, включающая блок расчета кинетики образования озона и блок расчета теплового баланса.

Для проверки достоверности расчетов по модели в седьмой главе проведены сопоставления следующих параметров, рассчитанных по модели, с экспериментальными результатами: 1) распределения концентрации озона по длине, 2) распределение температуры газа, 3) мощности разряда, и 4) доли энергии, отводимой через наружный электрод.

Показано, что расчеты по модели согласуются с экспериментами. Это подтверждает справедливость модели.

Расчетами по предложенной модели показано, что распределение энергии разряда по различным каналам потребления зависит от режима охлаждения. Если в случае двухстороннего охлаждения потоком газа уносится незначительная часть энергии разряда (менее 5%), то в случае одностороннего охлаждения эта часть энергии становится заметной (до 30%) и сильно зависит от расхода газа.

Анализом результатов расчета по предложенной модели показано, что влияние температуры газа на входе в разрядную зону очень слабое, так как температура газа быстро достигает своего установившегося значения, определяемого энергией разряда вместе с интенсивностью охлаждения электрода. В итоге концентрация озона на выходе озонатора и энергозатраты на его получение почти не меняются при изменении температуры газа на входе.

Вместе с тем, расчеты показывают, что наибольшее влияние на эффективность работы озонатора оказывают такие параметры как кратность перенапряжения, частота приложенного напряжения, температура охлаждающей юды на входе ее в озонатор, расход рабочего газа. Роль этих факторов в работе озонатора была известна и ранее, но расчеты по модели позволяют оценить степень этого влияния для конкретных режимов работы.

Таким образом разработанная модель позволяет оценить эффектив-юсть работы озонатора конкретной конструкции и оценить возможные на-зравления ее совершенствования.

Расчетом показано сильное влйяниё константы к« скорости реакции 6, »писанной в табл.1. Максимальная концентрация озона (-280 мг/л) получа-ггея только при минимальном значении соотношения константы к контенте к| (ко"5к|), предложенном в литературе. Это условие, но литерачур-1ым данным, соответствует высокой напряженности поля в канале микро-

разряда. Таким образом, получить большую концентрацию озона можно только при небольшой ширине промежутка.

Предложенную модель можно использовать для выбора оптимального режима работы озонатора (рис.10—11). Если в работе требуется большая удельная (на единицу площади электрода) производительность по выходу озона, например, 20—25 (гОз/ч)/дм2, при не слишком высокой его концентрации (40-80 мг/л) в кислороде, то можно выбрать режим, при котором удельные энергозатраты имеют наименьшее значение, не превышающее 4—6 кВт-ч/кгОз. Если требуются высокие концентрации озона (более 200 мг/л), то можно выбрать режим, при котором удельные энергозатраты не слишком велики (например, 6—7 кВт ч/кгОз).

Со3, мг/л

Рис.10 Зависимость удельных энергозатрат на получение озона от концентрации озона, (условия расчета: см. рие.У)

0 100 200 300

Со3, мг/л

Рис. 11 Зависимость удельной производительности озонатора от концентрации озона^условия расчета: см. рис.9)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Построена усовершенствованная комплексная модель процессов в барьерном озонаторе, позволяющая более корректно учитывать тепловыделение в озонаторе, а именно учитывать:

— неравномерность тепловыделения по ширине разрядного промежутка и по длине озонатора,

— влияние образующегося озона в рабочем газе на электрические характеристики с учетом изменения концентрации озона по длине озонатора,

— влияние возможной неравномерности ширины разрядного промежутка на электрические характеристики озонатора,

— влияние изменения по длине озонатора доли энергии, идущей на образование озона.

2. Впервые разработана двумерная модель расчета теплового баланса в озонаторе, в которой температура охлаждающей среды определяется по теории теплообмена, а не является заданной, как в других работах.

3. Разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования распределения электрических и тепловых характеристик по длине озонатора.

4. Разработаны оригинальные экспериментальные методики измерения тепловых потоков, и устройства для измерения температуры газа в рабочем промежутке. Это дает возможность получить неизвестные до сих пор данные } распределении тепловой энергии, выделяющиеся в разряде, по разным каналам потребления.

5. Из сопоставления результатов расчета по тепловому балансу с экс-териментальными значениями температуры установлено, что профиль теп-ювыделения в разрядном промежутке является сильно неравномерным. Энергия выделяется вблизи электродов на расстоянии примерно 10% от ши->ины промежутка.

6. Для подтверждения достоверности расчетов по модели сопоставле-1Ы расчетные распределения концентрации озона, температуры газа и ак-ивной мощности разряда по длине озонатора. Расчетные и экспериментально результаты различаются не более, чем на 10%, что соответствует по-решности эксперимента.

7. Выполнены измерения доли энергии разряда, отводимой через на->ужный электрод. Установлено, что изменения скорости газа и охлаждающей юды, а так же величины напряжения и частоты в широких диапазонах не ока-ывают сильного влияния на эту долю энергии. Расчеты по модели согласует-

ся с экспериментом, что является подтверждением справедливости модели.

8. Разработанная модель позволяет по заданным исходным параметрам конструкции озонатора и режима его работы рассчитывать выходные характеристики озонатора.

9. Разработанная модель позволяет оценить эффективность работы озонатора конкретной конструкции и оценить возможные направления ее совершенствования.

Часть результатов диссертационной работы изложена в статье:

Ли Пэйго, Соколова М.В.. Особенность измерения активной мощности разряда в барьерном озонаторе//Вестник МЭИ.-1997.-№4-с.23-29.

\

Подписано к печати Л— <9 7/

Печ. л. 1г5 Тираж -4с/С Заказ ~ 'ч/

Типография МЭИ, красноказарменная, 13