статье представлены результаты НИОКР по созданию промышленных озонаторов, работающих на поверхностном барьерном разряде. Приведены электрические и кинетические характеристики озонаторов. Показано, что параметры озонатора на поверхностном барьерном разряде качественно не отличаются от таких же для озонаторов C объемным барьерным разрядом. Некоторые количественные отличия не носят принципиальный характер и, в целом, озонаторы на поверхностном барьерном разряде представляют собой надежную и эффективную конструкцию, которая может занять свое место на рынке.

Конструкции промышленных озонаторов всех типов за более чем вековую историю их существования на рынке озонных технологий, устоялись. Плюсы и мин минусы каждой 13 них известны и конструирование озонатора чаше всего превращается в рутинную операцию. Тем не менее, существуют определенные области озонаторостроения, в которых нет такого богатого опыта. В частности, это относится к озонаторам на поверхностном барьерном разряде. Эти озонаторы имеют очевидную положительную характеристику отсутствие газового зазора, формирование которого является серьезной конструкторской задачей. С другой стороны, эти озонаторы apriori характеризуются более низкой производительностью в сравнении с такими же для объемного барьерного разряда. Все же в определенных условиях, в частности, когда требуются озонаторы небольшой производительности, до 100 грамм озона в час, такие озонаторы могут представлять определенный интерес.

2. Поверхностный барьерный разряд

В последние два года авторами была разработана серия озонаторов на поверхностном барьерном разряде. Цель этих разработок создание надежных, сравнительно дешевых в изготовлении озонаторов малой производительности для оснащения установок очистки воды. Производительность единичных кислородных озонаторов в серни составляла от 10 до 80 грамм озона в час.

Рисунок 1. Скетч разрядной ячейки поверхностного барьерного разряда. 1 высоковольтные электрода: 2 диэлектрическая пластина: 3 заземленный электрод: 4 поверхностный разряд.

В случае поверхностного барьерного разряда проводящие электроды разделены диэлектриком, как и в объемном барьерном разряде. Но электроды «прижаты» к поверхности диэлектрика, отсутствует газовый промежуток, и разряд развивается вдоль поверхности диэлектрика рисунок 1.

Как правило, один из электродов, «заземленный», представляет собой пластину, прижатую к одной из поверхностей диэлектрика. Второй, «высоковольтный» электрод представляет собой проволоку. лежащей на другой поверхности диэлектрика, рисунок 1.

Разряд появляется на поверхности диэлектрика в виде отдельных каналов микроразрядов, которые развиваются нормально к оси высоковольтного электрода, рисунок 2.

Рисунок 3. Фотография поверхностного разряда на электроде озонатора. І высоковольтный электрод. 2 поверхностный разряда. 3 эмалированный заземленный электрод.


3. Электрические характеристики поверхностного барьерного разряда
Ток и напряжение на разрядном элементе озонатора определяют активную мощность озонатора и, тем самым, энергозатраты на синтез озона. С другой стороны, их значения влияют на долговечность электротехнических элементов блока питания озонатора.

Электрические параметры поверхностного барьерного разряда отличаются от объемного. Это связано с тем, что длина канала микроразрядов зависит от амплитуды приложенного напряжения. По мере нарастания напряжения меняется эффективная площадь поверхности диэлектрика, вовлекаемого в разрядные процессы. С точки зрения электротехники это означает наличие в электрической цепи емкости, величина которой зависит от значения напряжения на ней.

Измерение активной мощности озонатора является принципиальным моментов при работе с озонатором. Серия озонаторов. которые представлены в данной работе, работали на частотах от 7 до 15 кГц, при амплитуде высокого напряжения не выше 5-6 кВ. Так как частота работы инвертора блока питания в сотни раз превышала сетевую, то в сети постоянного тока инвертора наблюдались импульсы тока, рисунок 4. Форма и амплитуда этих импульсов не имеют ничего общего, как с АС, так и с DC-напряжением. По этой причине, невозможно измерять эффективное значение сетевого тока питания озонатора простыми приборами, типа мультиметра.

В силу вышесказанного, в ходе испытаний этих озонаторов, большинство измерений мощности были получены с помощью цифровых осциллографов, которые позволяют перемножать кривые токов и напряжений на озонаторе с последующим интегрированием полученных результатов. Ток и напряжение на озонаторе измерялись. соответственно, с помощью пояса Роговского и емкостного делителя напряжений.

Рисунок 5. Осциллограммы электрических параметров работающего озонатора. Частота 10.0 кГц: 1 -напряжение на озонаторе, цена деления 800 Вольт/дет: 2 - ток через озонатор, цена деления Ампер/дел. 3 произведение тока на напряжение, цена деления кВ*/дел.

На рисунке 5 приведены типичные осциллограммы токов и напряжений на озонаторе. Хорошо различаются моменты зажигания разряда в озонаторе: появляется высокочастотная «борода» на кривой тока. Зажигание разряда происходит раньше изменения полярности напряжения на озонаторе. Такое смещение момента загорания разряда происходит из-за заряда на поверхности диэлектрика, который в этом типе барьерного разряда достигает значительной плотности. Активная мощность разряда определялась интегрированием произведения тока на напряжение за период частоты питания, рисунок 5. кривая 3.

Одновременно с озонатором был сконструирован и испытан блок питания озонатора. Основные принципиальные характеристики перечислены ниже:

возможность управления производительностью озонатора в диапазоне 0-100%;

отслеживание аварийных ситуаций в работе озонатора: пробой диэлектрика, отсутствие воды в контуре охлаждения озонатора, перегрев озонатора и т.д.;

возможность автономного и дистанционного управления работой озонатора от внешней системы управления.

Кроме того, так как блок питания озонатора имел собственный микропроцессор, функции блока питания были расширены до измерения давления в озонаторе, измерения расхода кислорода и «мягкого» пуска озонатора. Последнее исключало бросок тока в цепи питания озонатора при его включении. Кроме того, микропроцессор блока питания обеспечивал связь озонатора с внешней системой управления по каналу RS485.

4. Кинетика синтеза озона в поверхностном барьерном разряде

Кинетическая кривая синтеза озона в таком озонаторе практически не отличается от такой же в объемном барьерном разряде, рисунок 6. Можно отметить невысокое значение (по сравнению с «хорошими» озонаторами на объемном барьерном разряде) стационарной концентрации озона, порядка 100 грамм в кубическом метре.

Рисунок 6. Кинетическая кривая синтеза озона в поверхностном барьерном разряде.

Удельные энергозатраты на синтез озона, рассчитанные по линейной части кинетической кривой, оцениваются в 8-9 кВт*час/кг озона, совсем неплохо для конструкции, которая никогда не считалась оптимальной.

Стационарная концентрация озона, п соответствии результатами Ю.В. Филиппова, полученными в МГУ в 60-ых годах, зависит от средней температуры в разрядной зоне. Для озонаторов поверхностного барьерного разряда эта зависимость приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Температурная зависимость значения стационарной концентрации от температуры в поверхностном барьерном разряде.

Наблюдается падение стационарной концентрации озона примерно на 1 грамм/м3 на каждые 2 градуса подъема температуры. Как правило, озонаторы работают B режиме максимальной производительности, которая достигается на линейной части кинетической кривой рисунок 6. Концентрация озона в этом режиме не превышает 50-60 грамм/м3 и не зависит от температуры в разрядной зоне.

5. Производительность озонаторов на поверхностном барьерном разряде

Производительность одного из озонаторов представлена на рисунке 8. Кривые на этом рисунке имеют привычный вид: производительность минимальна при небольших расходах кислорода, растет и выходит на насыщение с ростом его. Производительность становится максимальной на линейной части кинетической кривой синтеза озона рисунок 6. То есть при концентрации озона ниже 50-60 г/м³. Это не очень высокая концентрация, но чаще всего от озонатора требуется максимальная производительность без особых требований к концентрации озона. Например, при использовании озонаторов в установках водоподготовки. В этом случае, отслеживается доза озона на кубический метр обрабатываемой воды, которая редко превышает уровень 3-5 грамм озона на кубический метр воды.

Рисунок 8. Производительность озонатора на поверхностном барьерном разряде

Таким образом, увеличивая расход кислорода можно кратно увеличить производительность озонатора, которая ограничивается двумя факторами. Во-первых, при концентрации озона ниже 50-60 г/м3 производительность достигает своей предельной величины. И во- вторых, большие расходы кислорода увеличивают габариты и стоимость кислородного оборудования.

Несколько озонаторов поверхностного барьерного разряда были запущены в опытную эксплуатацию и проработали более 25 месяцев.

6. Выводы

Изучение эксплуатационных характеристик озонаторов. работающих на поверхностном барьерном разряде показало, что они представляют собой надежную и производительную конструкцию и могут найти вполне устойчивую нишу на рынке озонаторов малой производительности: от 5-10 до 100-200 грамм озона в час.

Автор книги "Озон и другие экологически чистые окислители: Наука и технологии: сборник статей 34-й Всероссийской конференции"
В.В. Лунин, Самойлович, В.Г., С.Н. Ткаченко, И.С. Ткаченко

По вопросам и предложениям свяжитесь с нами любым удобным способом

Телефон: 8 (800) 775-28-45
E-mail: info@ozonbox.pro
Соцсети: Вконтакте | Rutube