Анализ возможности повышения эффективности процесса электросинтеза озона

Цитирование: Киличов О. Г. Анализ возможности повышения эффективности процесса электросинтеза озона / О. Г. Киличов, Ш. М. Музафаров, З. З. Рузикулов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(5). С. 566–574. EDN: WNGVBN

Методика исследования

В существующих устройствах электросинтеза озона применяют синусоидальные напряжения частотой 500 Гц. При питании генератора озона от источника синусоидальной ЭДС ток i в цепи имеет сложный гармонический состав. Усредненная кривая мгновенного значения тока i содержит разрывы (рис. 1) в моменты возникновения разряда. Разряд на периоде питающего напряжения u дважды возникает и прекращается.

Рис. 1. Усредненные кривые мгновенного значения синусоидального напряжения и тока через генератор озона

Fig. 1. Mediated curves of the instantaneous value of the sinusoidal voltage and current through the ozone generator

Существование разряда возможно, если рабочее напряжение U а.с на озонаторе превышает некоторое минимальное напряжение U кр . При этом U а.с выбирается меньше, чем напряжение полного электрического пробоя разрядного промежутка. При питании синусоидальным напряжением происходит нагревание диэлектрического барьера, что приводит к снижению выхода озона. Поэтому в генераторах озона предусматривается охлаждение проточной водой электрода, покрытого барьером [1].

Проанализируем процесс электросинтеза озона при питании синусоидальным напряжением с использованием известной теории синусоидальных токов с подстановкой параметров, соответствующих процессу барьерного разряда [2]. Общая мощность цепи питания генератора озона (ГО) равна

/ , т а⁰'⁵ ( 1 ^т

^„=7к«" X 1рл .                        (1)

общ Т J            Г J

Мощность цепи во время барьерного разряда

В уравнениях (1) и (2)

и - U_ac sin(o_cZ-0.5),

i = I_ac sin®_СЛ                                                              (4)

где ω _с – угловая частота синусоидального напряжения; u, i – мгновенные значения тока и напряжения; U а.с. – амплитуда синусоидального напряжения; I а.с. – амплитуда тока разряда; Т – период синусоидального напряжения; t₁ – время начала разряда; t₂ – время завершения разряда.

Мощность потерь равна

пот общ пот ’

Из анализа формул (1–5) следует, что значительная мощность потерь приходится на время, при котором разряд в ГО отсутствует. Отсюда следует рабочая гипотеза: повысить эффективность процесса электросинтеза озона можно при использовании периодических импульсов напряжения, имеющих форму, схожую с заштрихованной областью синусоидального напряжения, т.е. прямоугольную с большой скважностью (рис. 2). В данном случае можно повысить

Рис. 2. Процесс изменения напряжения в разрядном промежутке при питании периодическими импульсами напряжения

• Fig. 2.    The process of changing the voltage in the discharge gap when powered by periodic voltage pulses

амплитуду питающего напряжения U _и.а выше пробивного порога синусоидального напряжения U пр.с , что характеризуется коэффициентом перенапряжения [3, 4].

U _{и а}I U _пр _с. (6)

При импульсном питании емкость ГО заряжается до амплитудного значения напряжения, которое выше амплитуды синусоидального напряжения. В промежутке времени 0 – t ₁ (рис. 2) мощность разряда определяется зависимостью

В паузе между импульсами (время от 1 1 до 1 2 ) мощность разряда будет определяться зарядом, накопленном в емкости ГО. Заряд будет разряжаться на сопротивлении потерь R _пот ГО, сопротивлении R _о б _м и индуктивности L вторичной обмотки повышающего трансформатора, которые являются элементами колебательного контура (рис. 3). При этом ввиду того,

Рис. 3. Схема замещения цепи питания разрядного промежутка генератора озона в паузе между импульсами

• Fig. 3.    Diagram of replacement of the power supply circuit of the ozone generator discharge gap during the pause between pulses

что R/2L<(CL) ^0.5 [2], в контуре имеем малое затухание, которое складывается из токов потерь на R пот (первое слагаемое правой части уравнения) и процесса в контуре R обм LC ГО :

U² ——— U² -— (       R - А

(8) fl— 1ту                         ту                            К.К л                  К.К I

^пот            ^обм       \           ^^Юк.к         )

В формуле (8) угловая частота ω _к.к колебательного контура определяется соотношением

Начиная с момента времени t ₂ напряжение разрядного промежутка снижается ниже критического U кр , разряд прекращается, и емкость разряжается на R обм, что составляет мощность потерь

U2 JR^ (        R        \

Анализ уравнений (7–10) показывает, что основная часть энергии периодических импульсов напряжения расходуется на процесс разряда, который сопровождается электросинтезом озона.

В схемах питания генераторов озона высоким напряжением активное сопротивление вторичной обмотки повышающего трансформатора может быть в пределах от 2 до 20 кОм, индуктивность от 50 до 200 Гн, емкость генераторов озона 10^–7 до 10^–9 Ф. В этом случае выполняется условие ( R _обм /2L ) < ( LC) и в контуре разряд протекает с малым затуханием. Для перевода контура в режим критического затухания паралельно ГО можно включить конденсатор емкостью, превышающей емкость ГО, что позволит повысить частоту периодических импульсов напряжения и, соответственно, энергетические показатели процесса электросинтеза озона.

В существующих устройствах генерирования озона используется барьерный эффект. Он заключается в том, что в озонаторе имеется диэлектрический слой, или, как его часто называют, барьер, который стабилизирует разрядный ток и придает разряду равномерный характер [1]. Мы считаем, что данное утверждение не совсем обосновано, по утверждению ряда авторов при электрических самостоятельных разрядах в газах одновременно происходят процессы зарядки, рекомбинации и переноса объемных зарядов, и при этом амплитуда и частота токов разряда являются случайными величинами и изменяются в больших пределах [3, 4], отсюда стабилизационная способность барьера сомнительна.

Наличие диэлектрического барьера обусловливает питание озонатора переменным электрическим током. В качестве диэлектрика при изготовлении озонаторов обычно применяют стекло. По числу диэлектрических барьеров озонаторы можно разделить на два типа: одни имеют два диэлектрических барьера (цельностеклянные), разряд в которых происходит между двумя диэлектриками; у других озонаторов один диэлектрический барьер [1, 5].

По форме электродов различают трубчатые и пластинчатые озонаторы. Для работы озонаторов это различие не принципиально, хотя в последнем случае бывает труднее избежать некоторых краевых эффектов.

Наиболее широко применяются трубчатые озонаторы, которые состоят из пакета трубчатых электродов, размещенных в общем цилиндрическом корпусе. Трубчатый озонатор представляет собой двухслойный конденсатор, электрическое поле в котором создается между двумя цилиндрическими поверхностями с общей осью (рис. 4) и имеет радиальное направление.

Рис. 4. Параметры цилиндрического генератора озона: ε ₁ – относительная диэлектрическая проницаемость газового разрядного промежутка; ε ₂ – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического барьера; R 1 – наружный радиус внутреннего электрода; R 2 – внутренний радиус диэлектрического барьера; R ₃ – внутренний радиус наружного электрода

• Fig. 4.    Parameters of the cylindrical ozone generator: ε₁ – relative dielectric permittivity of the gas discharge gap; ε 2 – relative dielectric permittivity of the dielectric barrier; R 1 – external radius of the internal electrode; R 2 – internal radius of the dielectric barrier; R ₃ – internal radius of the external electrode

В силу симметрии равнопотенциальные поверхности имеют цилиндрическую форму; оси этих поверхностей совпадают с общей осью электродов, причем во всех точках одной и той же равнопотенциальной поверхности величина напряженности постоянна и уменьшается от одной равнопотенциальной поверхности к другой.

Для определения емкости такого конденсатора и напряженности электрического поля в каждом диэлектрике представим себе, что вдоль поверхности раздела двух диэлектриков мы поместили бесконечно тонкий металлический цилиндр [2]. Такой металлический цилиндр не искажает электрическое поле в каждом диэлектрике, так как поверхность раздела остается равнопотенциальной (всякая проводящая поверхность в электрическом поле равнопотенциальна.

В этом случае емкость газового промежутка будет равна:

Cj = 2nfe0e1 (InA, Д),(11)

где ℓ – длина конденсатора, м; ε ₀ = 8,85·10^–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Емкость диэлектрического барьера

C2 =2лй0£,(1пй3/Д),(12)

Емкость последовательно включенных конденсаторов

C = C1C2/(C1 + C2)(13)

Напряженность электрического поля цилиндрического конденсатора

^ = Q / £os2tiRC,(14)

где R – радиус равнопотенциальной поверхности, для которой определяется напряженность электрического поля.

Так как при последовательном включении конденсаторов заряды на всех обкладках одинаковы по величине, то

Q = СД = C2U2 = cu.(15)

Отсюда можно определить напряженность электрического поля в каждом слое конденсатора. Напряженность электрического поля в слое газа

Ex = CU I s^lnR^C,(16)

где R _ε1 – радиус равнопотенциальной поверхности в слое газа, для которой определяется напряженность электрического поля.

Напряженность электрического поля в слое барьера

E2 = CU / eoe2 2nRe2 C,(17)

где R ε2 – радиус равнопотенциальной поверхности в слое барьера, для которой определяется напряженность электрического поля.

Результаты исследований

Для проведения числового анализа используем генератор озона с параметрами: R 1 =0.011м; R 2 =0.017 м; R 3 =0.02 м; s 1 =1; s 2 =7. Параметры синусоидального и импульсного напряжений приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры синусоидального и импульсного напряжений, использованных в экспериментальных исследованиях

Table 1. Parameters of sinusoidal and impulse voltages used in experimental studies

Параметры	Синусоидальное 50 Гц	Импульсное100 Гц
Действующее напряжение, кВ	9,4	4,12
Амплитуда напряжения, кВ	13,5	20,6
Ток разряда, mА	1,5	6,8
Коэффициент амплитуды	1,41	5

Таблица 2. Результаты расчетов влияния параметров диэлектрического барьера на электрические параметры генератора озона

Table 2. Results of calculations of the influence of the dielectric barrier parameters on the electrical parameters of the ozone generator

Определяемый параметр	Обозначение	Используемая формула	Значение параметра
1. Емкость газового слоя ГО, 10–11 Ф	С 1	(11)	5.1
2. Емкость диэлектрического слоя, 10–10 Ф	С 2	(12)	9.57
3. Общая емкость ГО с барьером, 10–11 Ф	С	(13)	5.03
5. Радиус равнопотенциальной поверхности в слое газа, м	R 81	(R i +R 2 )/2	0.014
6. Радиус равнопотенциальной поверхности барьера, м	R 82	(R з +R 2 )/2	0.0185
7. Радиус равнопотенциальной поверхности конденсатора без барьера, м	R бб	(R з +R i )/2	0.0155
8. Напряженность электрического поля в слое газа, кВ/м	Е 1	(16)	873* 1332**
9. Напряженность электрического поля в барьере, кВ/м	Е 2	(17)	94* 144**

Примечание: * – параметры для синусоидального напряжения; ** – параметры для импульсного напряжения

В расчетах использовались амплитудные значения синусоидальных и импульсных напряжений. Это связано с тем, что процессы разряда происходят на узком участке напряжений, прилегающем к их амплитудам. Результаты расчетов приведены в табл. 2, анализ которых показывает, что наличие диэлектрического барьера значительно повышает напряженность электрического поля в слое газа, что способствует процессу электросинтеза озона.

Выводы

Использование импульсных напряжений большой скважности позволит устранить такие недостатки существующих генераторов озона, как нагрев и необходимость охлаждения диэлектрического барьера, повысить их эксплуатационную надежность и выход озона.

При питании разрядных промежутков ГО периодическими импульсами значительно снижаются потери мощности по сравнению с синусоидальным напряжением. Повышается выход озона за счет превышения амплитуды импульсного напряжения. Неотъемлемым условием эффективной работы ГО является необходимость полной разрядки емкости разрядного промежутка, что устранит процесс перезарядки емкости, сопровождаемый потерями энергии и нагревом барьера.