6.1.3. Производство озонированного газа в барьерном озонаторе

Наиболее эффективным средством получения озонированного газа - кислорода, воздуха или другой кислородно-газовой смеси - является коронный разряд в барьерном озонаторе.

Барьерный озонатор был предложен немецким ученым, изобретателем и предпринимателем Вернером фон Сименсом

Барьерный озонатор Сименса и Гальске представлял собой (рис 6.2.) два вставленных друг в друга герметичных стеклянных сосуда 1,2, через которые прокачивалась охлаждающая вода, разделенные воздушным промежутком 3, через который пропускался воздух. Вода в сосудах подключалась к цепи высоковольтного генератора переменного тока. Таким образом оба слоя воды

образовывали конденсатор, разделенный воздушным промежутком и двумя диэлектрическими барьерами в виде тонких стенок стеклянных сосудов и слоя воздуха.

Рис.6.2. Барьерный озонатор

Простейшая схема разрядной области озонатора изображена на рисунке 2. К пластинам конденсатора подсоединен электрический генератор 3 с напряжением U.

Внутрь конденсатора вставлена диэлектрическая пластина 4 с диэлектрической проницаемостью  толщиной . Будем считать, что  < D, где D - расстояние между пластинами конденсатора, а промежуток (D-) заполняется озонируемым газом, диэлектрическую проницаемость которого примем равной единице.

При малом напряжение U электрический разряд ни в воздушном промежутке (D-) , ни в диэлектрике толщиной  не возникает.

Распределение полей в этом случае описывается уравнениями:

уравнение напряжений (6.9)

равенство электрических смещений (6.10)

Рис.6.3.схема разрядной области озонатора

Из уравнений (6.9, 6.10 ) значения напряженности электрического поля в диэлектрике и в воздушном зазоре определяется выражениями

(6.11)

(6.12)

Для наглядного представления, что произошло с электрическим полем после того, как в воздушный конденсатор вложили диэлектрическую пластину, преобразуем последние выражения в безразмерную форму, обозначая безразмерность чертой над соответствующими величинами. Введем за единицу новых измерений E₀ = - напряженность электрического поля в воздушном конденсаторе до помещения в него диэлектрической пластины ( D - расстояние между пластинами последнего).

Введем относительную толщину диэлектрической пластины < 1, относительные напряженности электрического поля в диэлектрике и в воздушном промежутке .

Формулы (6.11) и (6.12) в этом случае преобразовываются к виду

(6.13)

(6.14)

Так как 0 < < 1, то 0 < < 1 и 1< <  , то есть вложение диэлектрической пластины ("барьера") в пустой конденсатор приводит к уменьшению электрического поля внутри барьера 0 <E_ < E₀ и его увеличению в воздушном промежутке E₀ < E < E₀ . Так, например, диэлектрическая проницаемость стекла с примесью окислов титана  = 4,2, напряженность электрического поля в достаточно тонком воздушном промежутке (D-)<<D будет увеличена почти в 4,2 раза по сравнению с E₀ , а в достаточно тонком стеклянном барьере  << D - уменьшена в то же число раз.

При увеличении приложенной к электродам разности потенциалов U в первую очередь достигает значения электрического пробоя E_r напряженность электрического поля в воздушном промежутке ( Для сухого воздуха E_r = 1,810⁶ В/м). Внутри диэлектрического барьера напряженность электрического поляв  раз меньше, поэтому она не достигает значений пробоя ( например, для кварцевого стекла E_r = 3010⁶ В/м). При достижении пробоя воздух в зазоре (D-) теряет свои диэлектрические свойства и начинается ионный процесс переноса зарядов и выравнивание потенциалов на воздушном промежутке, в то время, как в диэлектрике напряженность электрического поля возрастет до значений

. Значение разности потенциалов U_r, при которой начинается режим ионизации воздушного промежутка можно получить из формулы (6.11)

(6.15)

Анализ изменения энергии электрического поля при переходе напряжения через предел ионизации воздушного промежутка U_r показывает, что этот предел может преодолеваться двумя путями - приданием U значения выше U_r или уменьшением D, или смещением одной из пластин конденсатора. Оба способа эквивалентны и будут освобождать энергию электрического поля.

Величину энергии конденсатора на единицу площади для условия U < U_r можно записать как

(6.16)

или с учетом соотношений (6.11) и (6.12)

(6.17)

Максимальное значение энергия достигает при выполнении условия UU_r :

(6.18)

В момент достижения напряжения U > U_r воздушный промежуток будет заполнен плазмой коронного разряда, энергия электрического поля в ней уменьшится во много раз и ее уже можно не учитывать, но электрическая энергия в диэлектрике возрастет до значения

[ Дж/м²] (6.19)

Таким образом, переход через потенциал зажигания U_r и обратно будет сопровождаться обменом энергией "конденсатор  электрическая цепь" порцией энергии, которую можно рассчитать как

, (6.20)

где S - площадь конденсатора.

Если такие переходы будут совершаться с частотой  ( [] = 1/сек), то в рассмотрение можно ввести мощность обмена, аналог реактивной мощности в теории переменного тока

(6.21)

При каждом возникновении электрического разряда в воздушном промежутке будет безвозвратно теряться энергия, которая частично идет на химическое преобразование О₂О₃ ,

, (6.22)

что образует аналог активной мощности в теории электрических цепей переменного тока

(6.23)

Используя полученные выражения (6.21) и (6.23), коэффициент полезного действия барьерного озонатора можно представить как

(6.24)

В связи с разнообразием сфер применения озона в сельском хозяйстве существует потребность в конструировании озонаторов с очень разнообразными целевыми назначениями и с соответственно заданными производительностью и концентрацией озона в выходящем газе.

В настоящее время разработано большое количество конструктивных форм озонаторов. Между тем, принцип их действия основан на идентичной физической модели, представленной на рис. В озонаторе, аппарате для электросинтеза озона (см. схему на рис.6.4.), газ пропускается через узкий зазор (2) между электродами (1) и (4), подключенными к источнику переменного электрического тока высокого напряжения. Между электродами находится диэлектрический барьер (3), обеспечивающий тихий разряд, в котором и

происходит образование озона.

Рис. 6.4. Физическая модель барьерного электрического озонатора

Интенсивность и эффективность процесса электросинтеза озона в основном зависит от геометрических размеров разрядного промежутка, частоты и амплитуды напряжения переменного тока, качеств диэлектрического барьера, расхода озонируемого газа, его исходной температуры и влажности, интенсивности теплоотвода от зоны разряда. Так как при разработке новых конструкций озонаторов в настоящее время конструкторам приходится опираться, в основном, на результаты поисковых физических экспериментов, то очень актуально получить возможность для численных расчетов параметров и переменных конструируемых озонаторов в зависимости от требуемых производительностей и необходимых концентраций озона.

Первое по времени удачное кинетическое уравнение синтеза озона в проточных условиях было предложено Х.Беккером

(6.25)

где _С - объемная концентрация озона, а_1, а_2, а_3, постоянные, Q - объемный расход газа, P - мощность разряда.

Васильев С.С., Кобозев Н.И., Еремин Е.Н. предложили более приемлемое кинетическое уравнение образования озона в виде:

, (6.26)

где k₀, k₁- константы, соответственно, образования и разложения озона,

_{P -} мощность разряда; V- объемный расход газа в единицу времени. Расчеты по уравнению (6.26) достаточно хорошо согласуются с результатами экспериментов при различных расходах газа, но только для малых значений удельной энергии разряда , означающей энергию разряда, приходящуюся на единицу объема газа.

В работах Филиппова Ю.В., Кобозева Н.И. и др. экспериментально установлена зависимость констант образования и разложения озона от температуры.

Проведенное Филипповым Ю.В., Вобликовой В.А. и Пантелеевым В.И. сравнение концентрации озона, рассчитанной по уравнению (6.26), с результатами экспериментов, показало, что уравнение (6.26) не отражает имеющего место в экспериментах значительного снижения концентрации озона при переходе мощности разряда через некоторую точку экстремума. Отсюда возникают предположения о том, что изменение температурных условий при повышении мощности разряда влечет за собой изменение поля концентрации озона. Остается только установить аналитическую форму этой зависимости.

Экспериментальные данные по температурному полю в зоне разряда приводятся в работах Филиппова Ю.В., Вобликовой В.А., Пантелеева В.И., Самойловича В.Г., Гибалова В.И., Козлова К.В. и др. Они свидетельствуют об изменениях температурных условий в газе как по длине, так и по ширине разрядного промежутка. В одномерной постановке задача о распределении температуры в разрядном промежутке рассмотрена Филипповым Ю.В., Вобликовой В.А. и Пантелеевым В.И. Однако учета влияния неоднородности поля температуры на пути газа по разрядному промежутку на поле концентрации озона ими не проведено.

Строгий учет фактора удельной энергии, входящего в уравнение (6.26) и зависящего от времени пребывания газа в зоне разряда, требует исследования характера течения газа и времени его пребывания в разрядном промежутке. Учет неоднородности полей температуры и скоростей течения газа является актуальной проблемой при уточнении теоретических основ для расчетов барьерных электрических озонаторов.

Схема зависимостей выходных характеристик озонатора от его входных параметров и переменных (см.рис.6.5), позволяет наметить возможные пути решения повышения энергоэффективности. Направления стрелок в схеме отражают влияние одних характеристик и параметров рассматриваемого процесса на другие.

Рис. 6.5. Схема зависимостей выходных характеристик озонатора от его входных параметров