Основные способы получения озона

Из большого числа различных современных конструкций озонаторов, использующих электрический разряд для получения озона, наибольшее распространение получили озонаторы с так называемым барьерным разрядом. Производительность одной установки может составлять от граммов до 150 кг озона в час.

Барьерным разрядом называют разряд в узком газовом зазоре между плоскими или коаксиальными электродами, один из которых (или оба) покрыт слоем твердого диэлектрика (рис. 1) Если к электродам приложено переменное напряжение с амплитудой, превышающей пробивное напряжение газового промежутка, то в нем возникает разряд, состоящий из большого числа отдельных искр, дискретных в пространстве и во времени. Разряд продолжается до тех пор, пока мгновенное значение напряжения на электродной системе не достигнет Umax. Особенностью барьерного разряда является локальное накопление заряда на поверхности диэлектрического барьера в процессе развития в промежутке каждой отдельной искры

Электродная система озонатора
Рис.1 Электродная система озонатора
1, 3 — электроды;
2 — диэлектрический барьер;
4 — зона разряда

Рассмотрим подробнее указанное явление. Пусть к промежутку с барьером приложено переменное напряжение, при котором еще нет разряда. Это напряжение распределяется по емкостям барьера и газового промежутка, так что к газовому промежутку приложено напряжение

Uг = U Cб/[Cг + Cб] (1)

где U — напряжение на электродах; Сб — емкость барьера; Сг — емкость газового промежутка.

Для цилиндрической системы электродов

Cб = 2πε0εб L/[ln D/Dвн]; Сг = 2πε0εгL/[ln Dн/D]

где εб и εг — диэлектрические проницаемости барьера и газа; L — длина электродов; Dн, D, Dвн — диаметры электродов барьера (рис. 1).

Рассмотрим первый полупериод воздействующего напряжения, когда электрод с диэлектриком является анодом (рис. 2, а). Когда напряженность внешнего поля Eвн, создаваемого приложенным напряжением, достигнет значения начальной напряженности, в промежутке начинаются интенсивные ионизационные процессы и создается большое число лавин, продвигающихся по направлению к диэлектрическому барьеру.

Расчеты показывают, что при нормальной плотности газа в разрядном промежутке длиной l = 1 — 3 мм развитие лавин может привести к созданию объемных зарядов с плотностью N, при которой выполняется условие перехода лавины в стример (количество электронов в лавине достигает 108). При выполнении этого условия в каком-то месте промежутка возникает стримерный канал, головка которого доходит до поверхности электрода, покрытого диэлектрическим барьером.

Происходит пробой газового промежутка по многолавинно-cтримерному механизму. Внешне разряд выглядит как искра. Этому процессу соответствует напряжение Uпр.
В ходе образования и движения лавин и, в особенности, при подходе к диэлектрическому барьеру головки стримера, на поверхность барьера оседают отрицательные заряды — электроны. Диаметр канала стримера составляет при рассматриваемых условиях ≈0,1 мм. Примерно таких же размеров оказывается и пятно заряда, осевшего на барьер. Что касается положительных ионов, образовавшихся при развитии лавин, то, обладая гораздо меньшей подвижностью, они постепенно смещаются в сторону металлического катода. Подходя к нему, они нейтрализуются. Накопление отрицательного заряда на поверхности диэлектрического барьера вызвано большим объемным сопротивлением материала барьера (порядка 1014-1016 Ом⋅см). Большое поверхностное сопротивление препятствует растеканию заряда по поверхности.

Образуется заряженный диск с максимальной плотностью заряда в центре диска. Заряженный диск создает поле, имеющее как нормальную Еос, так и тангенциальную Епов составляющие. Под действием последней составляющей вдоль поверхности барьера начинается поверхностный разряд лавинного типа. В рассматриваемом нами случае отрицательно заряженного диска поверхностный разряд создает круглое пятно отрицательного заряда с диаметром, во много раз превышающим диаметр начального заряда. Одиночный разряд в промежутке может создать пятно диаметром до 15-17 мм (рис. 2, а).

Развитие разряда в промежутке озонатора
Рис.2 Развитие разряда в промежутке озонатора

Образовавшееся на барьере после поверхностного разряда пятно отрицательного заряда создает в разрядном промежутке свое поле с нормальной составляющей напряженности Еос, направленной встречно к приложенному внешнему полю. Измерения и расчеты показывают, что напряженность Еос может достигать нескольких кВ/см. В итоге суммарное поле в промежутке ЕΣвнос снижается, и ионизационные процессы в этой части промежутка прекращаются. Разряд гаснет. Весь описанный процесс занимает время до десяти наносекунд, за которое приложенное напряжение не успевает измениться. Одновременно начинается развитие стримера в другой части промежутка, где процесс повторяется.

Образование в разных точках искр и их затухание будет продолжаться до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет максимального значения Um. После этого разряд в промежутке прекращается. Осциллограмма тока через промежуток выглядит так, как показано на рис. 3, где на кривую тока смещения iсм наложены импульсы тока отдельных искр.

Осциллограммы тока и напряжения
Рис.3 Осциллограммы тока и напряжения
а) осциллограмма напряжения на
электродах;
б) осциллограмма тока через озонатор

Рассмотрим теперь полупериод, когда электрод с диэлектрическим барьером является катодом. При этом вновь рассматривается самый первый полупериод, при котором развитие разряда в промежутке начинается при отсутствии заряда на диэлектрике.

Развитие разряда идет в этом случае в направлении металлического электрода. Вновь образуется стример, но при подходе его головки к аноду все электроны уходят в металл. Накопления заряда на аноде не происходит. Но развитие стримера идет и в сторону катода, к которому перемещаются положительно заряженные ионы. Подходя к барьеру, они оседают на нем, образуя положительный заряд, являющийся причиной возникновения поверхностного разряда. В данном случае поверхностный разряд носит стримерный характер и на поверхности барьера остается пятно в виде звездочки (рис. 2,б), максимальная напряженность поля Еос, также составляет несколько кВ/см. В результате суммарная напряженность поля в промежутке снижается и разрядные процессы в этой части промежутка прекращаются. Диаметр звездочек одиночных разрядов достигает 20-25 мм. Когда напряжение на промежутке достигает Um, разряд прекращается.

Иначе обстоит дело, когда разряд развивается в промежутке, в котором на диэлектрическом барьере уже имеется заряд, оставшийся от предыдущего полупериода. Поскольку поверхностное сопротивление материала барьера очень велико, заряд не успевает релаксировать за время одного периода. Распределение зарядов на поверхности к началу разряда в данный полупериод остается практически тем же, как в момент окончания разряда в предыдущий полупериод. Это означает, что в новый полупериод поле осевших зарядов складывается с внешним полем, усиливая его. Поэтому в местах, где расположены пятна или звездочки осевших зарядов, напряженность поля достигает начальной Eн раньше, чем в остальной части промежутка. Развитие ионизационных процессов и разряд оказываются «привязанными» к местам разряда в предыдущий полупериод.

Картина разряда в промежутке становится еще более сложной после длительного воздействия переменного напряжения. Но есть определенные закономерности, проявляющиеся во всех случаях: в каждый полупериод разряд имеет вид отдельных, быстро затухающих искр. Разряд начинается, когда напряжение, приложенное к электродной системе, меньше разрядного напряжения газового промежутка. В каждый полупериод образуются импульсы тока, число и амплитуда которых являются статистическими величинами.

В процессе развития каждой отдельной искры происходят электрохимические реакции, результатом которых является образование озона и его разложение. Процесс образования озона состоит из нескольких этапов, хотя в общем случае число реакций, связанных с образованием озона и его разложением, превышает 70, существуют основные, без прохождения которых получение озона невозможно. Основной реакцией является процесс диссоциации молекул кислорода при взаимодействии со свободным электроном;

О2 + e → O + O + e, (2)

постоянная времени этого процесса очень мала и составляет единицы наносекунд.
Следующий этап состоит в образовании молекулы озона

O + O2 + M → O3+ M, (3)

в которой принимает участие третья частица М: молекула, ион, электрон или атом в нейтральном или возбужденном состоянии. Исследования показывают, что образование озона требует времени до 10 мкс.

Кроме образования озона, при движении частиц газа происходит разложения молекул O3 по реакции

O3 + M → O2 + O + M. (4)

Эта реакция идет тем интенсивнее, чем выше температура газа.
Образующийся в зоне разряда озон диффундирует в соседние области. В результате прохождения рабочего газа через разрядную зону озонатора на выходе получается озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь с концентрацией озона (10-1-10) г/м3, при этом получаемое количество озона зависит от превышения интенсивности образования над интенсивностью разложения.

Рассмотренный механизм развития разряда в однородном поле промежутка с диэлектрическим барьером на электроде позволяет установить те особенности, из-за которых барьерный разряд стал одним из основных источников озона. Главная особенность — дискретность разрядных процессов в пространстве и во времени. В течение части каждого полупериода воздействующего напряжения разряд распределен по всему промежутку. Это позволяет интенсивно охлаждать всю разрядную зону охлаждением электродов, что особенно важно для предотвращения термического разложения уже образовавшегося озона. Барьерный разряд, кроме того, является наиболее рациональной формой разряда и для образования озона. Барьер выступает в роли токоограничивающего сопротивления для каждой отдельной искры, что предотвращает большие токи, т.е. потери энергии на разогрев разрядного канала. Вместе с тем, в таком разряде процессы диссоциации молекул кислорода идут с наибольшей интенсивностью, что обеспечивается имеющим место распределением по энергиям свободных электронов.

Образование искры в каждой области промежутка, где напряженность поля превысит пробивную и затухание этой искры из-за спада напряженности поля, вызванного осевшими зарядами, поддерживает на электродах практически неизменное напряжение на газовом промежутке Uг в течение всего времени горения разряда в данный полупериод. Поэтому средняя напряженность поля в газовом промежутке в течение всего времени горения разряда лишь незначительно отличается от начальной. Постоянство напряженности обеспечивает при разряде стабильное распределение электронов по энергиям, что важно для прохождения электрохимических реакций образования озона.

С ростом приложенного напряжения время горения разряда в каждый полупериод увеличивается, увеличивается число искр и возрастает выход озона. Однако почти пропорциональный рост выхода озона с ростом напряжения продолжается до определенного предела (рис. 4). С ростом числа искр увеличивается температура разрядной зоны, усиливается разложение озона. Работа озонатора при перегреве становится неэффективной. Поэтому рабочий режим озонатора должен лежать в области линейной части кривой зависимости концентрации озона CO3 от напряжения.

Выход озона в зависимости от напряжения
Рис.4. Выход озона в зависимости от напряжения
частота f = 1500 Гц;
расход газа vг = 1 л/мин

Приведенное выше описание процессов в озонаторе отражает только физическую картину в газовом промежутке. Для электрической цепи, включающей источник питания и озонатор, последний представляет сложную нагрузку, изменяющуюся при каждом зажигании разряда. Анализ процессов в эквивалентной электрической цепи содержащей озонатор, позволяет связать физические процессы с электрическими величинами, определяющими эти процессы.

В эквивалентной электрической схеме озонатор может быть представлен двумя последовательно включенными емкостями: емкостью газового промежутка и емкостью барьера, как это было определено ранее.

Пусть к озонатору приложено переменное напряжение

U = U0 sin ωt (5)

До начала разряда в газовом промежутке, т.е. при напряжении Uг < Uпр, приложенное напряжение распределяется по емкостям газового промежутка и барьера: U =

Uг + Uб, причем
Uб = U[Uг/(Uг+Uб)] ; Uг = U[Uг/(Uб+Uг)] (6)

Ток через озонатор равен:

i = U0ω CбСг/(Cб+Cг)cos ωt (7)

Когда напряжение на газовом промежутке станет достаточным для его пробоя, в промежутке начинается разряд, напряжение на газовом промежутке становится равным напряжению горения разряда Uгор и не меняется пока горит разряд. Тогда напряжение на диэлектрическом барьере может быть определено как
Uб = U0 sin ωt — Uгор (8)
Ток через озонатор при разряде

I = d/dt (CбCб) = U0ωСбsin ωt (9)

Так как εб > εг, то суммарная емкость озонатора меньше емкости барьера, и при возникновении разряда ток скачком возрастает.

Как уже говорилось выше, кривая тока через озонатор при разряде имеет сложную форму, учитывающую импульсы тока отдельных разрядов. Поэтому обычно пользуются понятием среднего тока через озонатор при разряде, соответствующего двухполупериодной схеме выпрямления

Iср = (U0 — Uгор)2/π ωCб (10)

Очень важной характеристикой, определяющей не только интенсивность ионизационных процессов в газовом промежутке, но и эффективность образования озона, является активная мощность разряда Р, с ростом которой выход озона возрастает. Правильная оценка активной мощности при работе озонатора позволяет определить эффективность работы устройства в целом.

Расчет активной мощности в цепи переменного тока проводится по уравнению

P = 1/t ∫iUdt = 1/2π ∫iUd(ωt) (11)

Если этот интеграл разбить на участки, соответствующие интервалам, когда разряд в промежутке есть и когда его нет, и на каждом участке использовать свои уравнения для напряжения и тока, то можно получить уравнение для активной мощности вида

P = Uгор[2(U0-Uгорбω/π — 2UгωСг/π (12)

где первое слагаемое а квадратных скобках соответствует среднему по схеме двухполепериодного выпрямления току через озонатор при горении разряда, а второе слагаемое — среднему току в момент зажигания разряда, когда напряжение на промежутке становится равным пробивному. С небольшой погрешностью это напряжение можно считать равным напряжению горения разряда. Ток, соответствующий этому напряжению, называют критическим.

Тогда уравнение для мощности приобретает вид

P = Uгор(Iср — Iкр) (13)

Это уравнение используется для определения мощности при построении вольтамперной характеристики. Этот метод использован и в данной работе.

Метод состоит в том, что измеряют выпрямленный по схеме двухполепериодного выпрямления ток через озонатор при изменении напряжения, приложенного к электродам, и строят вольтамперную характеристику I = f(U). До начала разряда эта характеристика имеет вид прямой с наклоном, обусловленным сопротивлением всего озонатора (рис. 5). После зажигания разряда ток определяется в основном емкостью барьера, и наклон прямой меняется. Точка излома соответствует критическому режиму, при котором ток равен Iкр. Если продлить разрядную часть вольтамперной характеристики до пересечения с осью напряжения, то точка пересечения дает напряжение горения разряда Uгор.

Вольт-амперная характеристика озонатора
Рис.5.Вольт-амперная характеристика озонатора

Зная значения Iкр и Uгор, можно найти мощность для любого значения напряжения по соответствующему значению Iср

Основными параметрами, определяющими эффективность работы барьерного озонатора, являются: напряжение на электродах U; газовый зазор l (эта величина определяет характер разряда и его интенсивность); диэлектрическая проницаемость материала барьера εб; частота f воздействующего напряжения и расход газа vг, определяющий концентрацию озона в выходящей из озонатора газовой смеси.

Зная значения Iкр и Uгор, можно найти мощность для любого значения напряжения по соответствующему значению Iср

Для выноса образовавшегося озона из разрядного промежутка необходимо создать равномерный поток газа через разрядную зону. Наиболее удобно это осуществляется в коаксиальной системе электродов, так называемого, трубчатого озонатора (рис. 6).

Трубчатый барьерный озонатор
Рис.6.Трубчатый барьерный озонатор
1 — наружный электрод; 2 — барьер из стеклоэмали; 3 — внутренний электрод

От скорости протекания газа через озонатор, или от расхода газа vг (л/мин) зависит время пребывания каждого единичного объема газа в зоне разряда. Это означает, что число разрядов, развивающихся в каждом единичном объеме газа при движении его вдоль озонатора зависит от vг, т.е. концентрация озона на выходе из озонатора зависит от расхода газа.

С расходом газа связана производительность озонатора

G = CO3vг (14)

измеряемая в граммах (или килограммах) озона в час. Наряду с кон-центрацией озона в воздухе на выходе озонатора CO3 (г/л) производительность G является важной характеристикой озонатора.
Следующей важной величиной, определяющей эффективность работы озонатора, являются удельные затраты энергии на получение озона

W = P/G кВт⋅ч/кг

Эта величина имеет особо важное значение для промышленных озонаторов с производительностью до 150 кг/час.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru