К.т.н. Боканова А.А.

Казахский национальный технический университет

им.К.И.Сатпаева, Республика Казахстан

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА

Разработано устройство для получения озона, отличающееся от известных простотой конструкции, не имеющее дополнительных приспособлений для работы и обеспечивающее высокую эффективность выхода озона при малых удельных энергозатратах. Автор использовал принцип работы ионно-конвекционного насоса, в основе работы которого и возникновения электрического ветра в коронном разряде лежат одни и те же процессы, а также эффект «пониженного давления» воздуха в зоне образования озона [1,2]. Для ионно-конвекционного насоса и для случая образования электрического ветра в воздухе наиболее приемлимой формой разрядного промежутка является система электродов «коронирующая игла – плоскость», что обеспечивает узконаправленность потока ионов и наибольшие значения скорости ветра. При этом в расчет принимались свойства и характеристики ионного потока во внешней области коронного разряда, который является причиной возникновения перепада давления воздуха в этой области [1]. Упрощенное выражение для определения перепада давления воздуха, возникающего непосредственно в насосе при прохождении разрядного тока, выглядит следующим образом:

,

где напряжение на коронирующем электроде, расстояние между электродами, и диэлектрическая проницаемость и плотность воздуха, скорость потока воздуха, коэффициент гидравлического сопротивления насоса, который может меняться от 0 до 1.

Из этого выражения видно, что тем больше чем больше и , и тем меньше и . Для расчета в этом выражении не достает значения , которое обычно определяется путем экспериментального исследования характеристик электрического ветра в воздухе в системе электродов «игла – плоскость» [2].

Применение принципа работы ионно-конвекционного насоса с учетом известных параметров электрического ветра в коронном разряде, в целом, приводит к перепаду давления воздуха, то есть к снижению давления в разрядном промежутке, что, в свою очередь, позволяет поднять эффективность работы озонатора. Кроме того, установлено, что эффект снижения давления в межэлектродном пространстве будет более ощутим, если электрическую систему поместить в полузакрытой камере таким образом, чтобы возникший электрический ветер был направлен в сторону открытой части камеры

На рисунке 1 представлена функциональная схема озонатора, работающего в полузакрытом режиме и состоящего из отдельных озонирующих элементов (от 1 до n), прикрепленных последовательно[5]. Озонирующие элементы выполнены из озоностойкого изоляционного материала (фторопласт, винипласт и т.д.) в виде фигурных цилиндров, на которых прикреплены сеточные электроды с коронирующей иглой, причем озонирующие элементы 1 и последний n отличаются от остальных по своей конструкции. Если 1 озонирующий элемент не имеет сеточного электрода, то в последнем n озонирующем элементе к сеточному электроду не прикреплена коронирующая игла. Кроме того, озонатор содержит блок питания БП (U₀) и схему для поочередного включения озонирующих элементов, состоящую из цепочек R₁C₁,…, R_nC_n.

Рис.1

Озонатор работает следующим образом. После включения напряжения питания (U₀) начинается зарядка конденсаторов С₁,С₂,…С_n через сопротивления соответственно (R₁+R₂+…+R_n), (R₂+…+R_n), …, и R_n. При равенстве емкостей С₁=С₂=…=С_n раньше всех до номинального значения напряжения U_n зарядится конденсатор С_n, что создает условие для возникновения коронного разряда в предпоследнем n-1 озонирующем элементе. Если время полной зарядки С_n (95%) определяется значением t₃=3R_nC_n, то для t₃=1,5 с (время установления электрического ветра) будут равны R_n=1 Мом, С_n=1 мкФ. Затем, после зарядки С_n-1 через 1,5с начинает работать (n-2) озонирующий элемент и так далее, до 1 озонирующего элемента. После запуска всех озонирующих элементов (от 1 до n), то есть полной зарядки всех емкостей (С₁, С₂,…, С_n), на каждом озонирующем элементе установится свое рабочее напряжение, равное напряжению (U₁,U₂,…,U_n) точки их присоединения к делителю (R₁+R₂+…+R_n). В виду того, что геометрические параметры электродных систем всех озонирующих элементов идентичны по форме и размерам, то следует ожидать идентичность их электрических характеристик, то есть разности потенциалов между электродами в озонирующих элементах одинаковы и равны:

.

С течением времени 1,5 nс устанавливается устойчивый режим электрического ветра во всех озонирующих элементах, что создает результирующий поток воздуха в открытой части озонатора (ЭВ), причем микроамперметр А, включенный в общую цепь, покажет максимальный ток потребления. Следует ожидать также, через нескольких 1,5 nс времени, увеличение показания А из-за перераспределения давлений воздуха в озонаторе, приводящее к существенному снижению давления в зоне 1,2 озонирующих элементов. При этом общий перепад давления определяется суммой , и поэтому величины разрядных токов в озонирующих элементах при одних и тех же разностях потенциалов имеют тенденцию к увеличению, начиная с последнего n-1 в сторону 1. Выбор количества озонирующих элементов n ограничивается возможностью блока питания, так как должно быть .

Озонирующий элемент выполнен из фторопласта в виде стакана цилиндрической формы, а внутри закрытой части стакана осесимметрично прикреплена коронирующая игла из вольфрама, а к открытой части – тонкая сетка из нержавеющей стали. Устройство имеет следующие параметры: радиус закругления иглы 0,2 мм, внутренний радиус цилиндрической трубки равен 5 мм, расстояние от иглы до сетки меняется от 4 до 6 мм, а напряжение питания разрядной камеры менялось в диапазоне от 4 до 14 кВ. Как показали испытания, при одном озонирующем элементе эффект снижения давления воздуха в зоне коронного разряда мало заметен. Между тем, при выборе оптимального варианта параметров озонирующего элемента (расстояние L=5мм, U₀=8,5кВ) проявление этого эффекта было определено по изменению величины тока коронного разряда до появления электрического ветра (порядка до 1,5-2с) и после его появления. Измерения величин токов коронного разряда соответственно показали 8 и 10 мкА, что приводит к удельным энергозатратам 20 и 23,5 г озона на кВт∙ч соответственно. При присоединении нескольких озонирующих элементов последовательно этот эффект будет более ощутим и значителен, а производительность озонатора будет повышаться в соответствии с количеством озонирующих элементов.

Литература:

1.Рубашов И.Б., Бортников Ю.С. Электрогазодинамика. – М.: Атомиздат, 1971, с. 139-153.

2. Бахтаев Ш.А., Боканова А.А., Кожаспаев Н.К. Способ получения озона и устройство для его осуществления/ Предпатент №12180 НПВ РК. Бюл. №11, 15.11.2002.

3. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.117-128.

4. Боканова А.А. и др. Физика и техника коронноразрядных приборов. – Алматы, 2007. – 278 с.

5. Бахтаев Ш.А. и др./Положительное решение НИИС по заявке 2006/0588.1 от 16.05.2006.