ЛР_электроразрядная очистка воды

Исследование влияния параметров импульсов напряжения на
энерговклад в импульсный коронный разряд и генерацию озона
в водо-воздушном потоке
1. Общие сведения
В настоящее время импульсный коронный разряд находит широкое применение в различных
технологиях. Одним из наиболее перспективных направлений являются технологии водоочистки.
Это обусловлено тем фактом, что в разряде происходит интенсивная генерация активных частицокислителей – озона (О3), короткоживущих гидроксильных радикалов (ОН), атомарного кислорода
(О) и др. Эти частицы обеспечивают деструкцию органических веществ, окисление неорганических
примесей и обеззараживание воды.
Импульсный коронный разряд (ИКР) зажигается под действием импульсного напряжения в
системе электродов с высоким коэффициентом неоднородности электрического поля. К типичным
электродным системам ИКР относятся системы «остриё-плоскость» и «провод-плоскость», а также
различные их варианты. Первые исследования по обработке воды проводились с конфигурацией
электродов «остриё-плоскость», помещенных в объем обрабатываемой воды. Однако в ходе
дальнейших исследований было установлено, что зажигание ИКР в газовой фазе при обеспечении
контакта разрядных каналов с поверхностью воды значительно более эффективно. Наиболее
важными факторами, оказывающим влияние на происходящие в разряде процессы, являются:
параметры высоковольтных импульсов (амплитуда и скорость нарастания напряжения, частота
следования импульсов); параметры водо-воздушной среды (геометрические размеры капель,
объемная скорость потока воды и воздуха); геометрические характеристики электродной системы.
Развитие ИКР в водо-воздушном потоке можно разделить на три характерных стадии. До
момента зажигания коронного разряда, с ростом напряжения на электродах происходит
пропорциональное увеличение напряженности электрического поля во всех точках
рассматриваемого промежутка. При этом геометрическая ёмкость реактора заряжается током
смещения, плотность которого в каждой точке поля пропорциональна скорости изменения его
напряженности. При достижении напряжения зажигания разряда U0 в межэлектродном промежутке
зажигается ИКР, характеризующийся более интенсивным свечением у коронирующего электрода
относительно остального объема межэлектродного промежутка. После зажигания разряда плотность
тока в межэлектродном промежутке практически полностью определяется током проводимости, роль
которого увеличивается по мере роста концентрации носителей заряда. Зарождение стримеров
начинается в области повышенной напряженности электрического поля у анода. Ток, протекающий
на этой стадии разряда, обусловлен уходом электронов из стримеров на провод. Длительность тока,
прежде всего, определяется количеством и длиной стримеров, а также скоростью движения
электронов вдоль них. На последней стадии, после прохождения основного импульса тока, ёмкость
реактора постепенно разряжается током проводимости, обусловленного дрейфом объёмного заряда
положительных и отрицательных ионов.
Образование активных частиц-окислителей происходит на второй стадии развития разряда. В
этот момент энергия электронов в стримерных каналах становится достаточной для диссоциации
молекулярного кислорода при столкновении с ним:
O2 + e → O + O + e
(1)
Образующийся атомарный кислород вступает в реакции с образованием озона и
гидроксильного радикала:
O + O2 + M → O3 + M
(2)
O + H2O → 2OH
(3)
На практике необходимо обеспечить наибольшую эффективность генерации активных
частиц-окислителей. Измерение концентрации короткоживущих частиц (O, OH) весьма
затруднительно ввиду их высокой реакционной способности и требует применения специальных
методов. Косвенно оценить эффективность генерации окислителей в электрическом разряде можно с
помощью измерения концентрации озона в электроразрядном реакторе, что наиболее просто
осуществимо на практике.
Цель работы: Изучение динамики изменения концентрации озона в реакторе импульсного
коронного разряда в водо-воздушном потоке при различных параметрах импульса напряжения.
2. Описание экспериментальной установки
Основными элементами экспериментальной установки (рис. 1) являются электроразрядный
реактор с размещенной в нем системой электродов и генератор высоковольтных импульсов.
Электродная система коронного разряда построена по схеме «провод-плоскость», расстояние между
заземленным плоским электродом и высоковольтными проволочными электродами – 20 мм, диаметр
коронирующих электродов – 0,3 мм. На высоковольтные электроды подается напряжение
положительной полярности. В верхней части электроразрядного реактора расположен эжектор, с
помощью которого вода диспергируется на капли размерами 0,1-5 мм и подается на электроды ИКР.
Рис. 1. Экспериментальная установка
Для формирования импульсов высокого напряжения используется магнитотиристорный
генератор импульсов (рис. 2). Генератор построен по принципу разряда накопительного
конденсатора в нагрузку через быстродействующий ключ, в качестве которого выступает дроссель
насыщения. Накопительный конденсатор ёмкостью 800 пФ заряжается до напряжения 27 кВ. При
этом накопленная в генераторе энергия составляет 0,34 Дж. Варьируя индуктивность дросселей
насыщения можно регулировать длительность, как самого импульса напряжения, так и его фронта.
Рис. 2. Упрощенная схема генератора
Регистрация осциллограмм тока и напряжения проводится цифровым осциллографом
Tektronix TDS2014 при помощи низкоиндуктивного бифилярного шунта и высоковольтного
ёмкостного делителя. Для измерения концентрации озона в газовой фазе реактора исследуемый газ с
помощью компрессора подается в газоанализатор «ОЗОН–5–25», на выходе которого
устанавливается деструктор озона.
3. Порядок выполнения работы
1. При помощи высоковольтного кабеля подключить магнитотиристорный генератор импульсов
к электроразрядному реактору;
2. Проверить заземление элементов экспериментальной установки. Включить вытяжную
вентиляцию;
3. Подключить измерительную
Tektronix TDS2014;
аппаратуру:
газоанализатор
«ОЗОН–5–25»,
осциллограф
4. Снять изменение концентрации озона в газовой фазе реактора для различных параметров
импульса: а) длительности фронта – 50 нс и 100 нс при одинаковой длительности импульса
напряжения; б) длительности импульса – 200 нс и 600 нс при одинаковой длительности
фронта;
5. С интервалом 5 минут снять изменение осциллограмм тока и напряжения со временем;
6. Рассчитать энерговыделение в реакторе. Для этого нужно проинтегрировать осциллограммы
тока и напряжения в соответствии с известной формулой:
(4)
7. Рассчитать энерговыделение в разряде. Для этого нужно из измеренного тока вычесть
емкостную составляющую:
(5)
Подставляя полученное значение в формулу (4), вычисляется энерговклад в разряд;
8. Написать отчет и объяснить полученные результаты.
4. Контрольные вопросы
1.
Что такое импульсный коронный разряд?
2.
Какие три основных стадии развития ИКР в водо-воздушном потоке?
3.
Поясните механизм образования частиц-окислителей в ИКР в водо-воздушном потоке.
4.
Принцип работы магнитотиристорного генератора наносекундных импульсов.
5.
Каким образом можно варьировать параметры импульсов напряжения на выходе
генератора?
6.
Для чего необходима вытяжная вентиляция в установке?
7.
Можно ли беспредельно увеличивать количество звеньев сжатия генератора с целью
получения импульсов напряжения с большей крутизной нарастания напряжения?