Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 11
1.1 Барьерный разряд. Образование озона в барьерном разряде 11
1.2 Свойства озона 13
1.2.1 Физические свойства озона 14
1.2.2 Химические свойства озона 17
1.2.3 Биологические свойства озона 19
1.3 Основные характеристики промышленных озонаторов 20
1.4 Тепловые характеристики озонаторов 34
1.5 Актуальность применения современных программных средств и информационных технологий при проектировании РОУ с учетом тепловых процессов 38
1.6 Основные характеристики ПК ТРиАНА 2.0 48
1.7 Постановка задачи 52
2 Компоненты математического обеспечения автоматизированного анализа тепловых характеристик РОУ 57
2.1 Тепловое проектирование роторных озонаторных устройств с позиции системного анализа 57
2.2 Анализ тепловых характеристик РОУ с помощью интегрированных компьютерных технологий 61
2.3 Электротепловая аналогия РОУ 64
2.4 Граничные условия 69
2.4.1 Граничные условия 1-го рода 69
2.4.2 Граничные условия 2-го рода 70
2.4.3 Граничные условия 3-го рода 71
2.4.4 Граничные условия 4-го рода 72
2.5 Алгоритмы анализа математической модели тепловых процессов для стационарного режима работы роторных озонаторных устройств 75
2.5.1 Итерационные методы решения систем уравнений 79
2.5.2 Прямые методы решения систем уравнений 83
2.6 Выводы 91
3 Разработка экспериментальной установки для исследования тепловых характеристик роторного озонатора 92
3.1 Основные характеристики РОУ 92
3.1.1 Вольтамперные характеристики озонаторов 95
3.1.2 Моделирование составляющих емкости электродного блока роторного озонаторного устройства 105
3.1.3 Моделирование активной мощности озонатора 117
3.2 Конструкция РОУ. Принцип работы , 120
3.3 Изучение характеристик РОУ 127
3.4 Особенности измерения активной мощности разряда в роторных озонаторах 131
3.4.1 Метод вольтамперных характеристик , 132
3.4.2 Метод вольт-кулоновых характеристик , 134
3.4.3 Сопоставление результатов измерения активной мощности разными методами по литературным данным 136
3.5 Выводы 138
4 Математическое моделирование тепловых процессов в роторном озонаторном устройстве 139
4.1 Постановка задачи на моделирование 139
4.2 Описание конструкции с точки зрения тепловых и аэродинамических процессов 140
4.3 Топологическая форма представления моделей тепловых процессов РОУ 146
4.4 Иерархическое моделирование тепловых процессов в РОУ 148
4.5 Разработка модели тепловых процессов в РОУ 149
4.6 Исследование моделей тепловых процессов в РОУ 154
4.7 Выводы 195
Заключение 196
Список использованных источников 199
Приложения 207
- Актуальность применения современных программных средств и информационных технологий при проектировании РОУ с учетом тепловых процессов
- Анализ тепловых характеристик РОУ с помощью интегрированных компьютерных технологий
- Моделирование составляющих емкости электродного блока роторного озонаторного устройства
- Описание конструкции с точки зрения тепловых и аэродинамических процессов
Введение к работе
Уже около ста лет осуществляется промышленный выпуск электроразрядных генераторов озона [1, 2]. За это время накоплен большой опыт в инженерном оформлении этих устройств. Отечественная промышленность производит следующие виды озонаторов: П-850, П-647, П-514, П-379, П-270 (ОАО «Курганхиммаш») [3], ПО 20/03, ПО 20/04 (ООО НЛП «Техозон») [4], Озон-50ПВ, Озон-ЮОПВ (НПО «Пульсар») [5]. Иностранные фирмы также поставляют на отечественный рынок озонаторное оборудование: CFL-5, CFL-10, ZF 10, ZF 14, ZF20 («Ozonia», представительство в Нижнем Новгороде) [6], BONa 5 A, BONa 7A, BONa 9A (ProMinent Dosiertechmk, Германия, используется в установках очистки воды ЗАО ТЭКО) [7] (Приложение 1).
Высокая активность воздействия озона на среду обусловила его широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Это очистка природных и сточных вод, очистка газовых выбросов, сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицина, химическая промышленность, бытовое применение [1, 2, 8- 14].
Первое промышленное озонаторное устройство было спроектировано в 1898 г. во Франции, а уже в 1907 г. прошли испытания станции озонирования питьевой воды производительностью 22500 м3/сут. К 1977 г. во всем мире действовало более 1000 установок. В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озоновую подготовку.
На заседании президиума Госсовета 3 сентября 2003 г. Президент В.В. Путин отметил трудное положение водного комплекса страны и определил три основных направления работы по его модернизации [15]. Одним из таких направлений он назвал развитие водосберегающих и экологически чистых технологий. В качестве них могут использоваться озоновые технологии, которые зарекомендовали себя во всем мире как достойная альтернатива хлору.
В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью разработаны озонаторы производительностью более 30 кЮ3/ч, которые могут комплектоваться в озонаторные станции производительностью до 200 кг озона в час [6]. Потребляемая мощность таких установок достигает 500 кВт и более. В России действует установка мощностью 90 кг в час в Нижнем Новгороде, ведется оснащение еще двух водопроводных станций в Нижнем Новгороде (40 и 120 кг в час), и одной в Перми [6]. Об актуальности проблемы освоения озоновых технологий можно судить по развитой озоновой индустрии западных стран.
Из большого числа различных конструкций современных озонаторов, использующих электрический разряд для синтеза озона, наибольшее распространение получили озонаторы с барьерным разрядом. Барьерный разряд - это разряд, возникающий в газе под действием приложенного к электродам напряжения, при этом хотя бы один из электродов должен быть покрыт диэлектриком [1, 2, 16, 17]. Обычно ширина газового промежутка между электродами составляет 1-2 мм [1, 2, 17]. Хотя существуют озонаторы и с зазором в 0,1 мм. Как правило, озонаторы с производительностью более 1 кг03/час выполнены в виде камер синтеза озона цилиндрического исполнения с водяным охлаждением. К недостаткам этого конструктивного исполнения, в первую очередь, следует отнести высокие требования к кислородосодержащей смеси, в т.ч. воздуху, по содержанию запыленности и влажности (точка росы -50°С). Их удовлетворение приводит к удорожанию комплекса оборудования и соответственно к росту капитальных и эксплуатационных расходов.
Авторским коллективом, при непосредственном участии автора в создании озонатора, разработана новая конструкция озонатор ного устройства в роторном исполнении (РОУ). Основные конструктивные особенности РОУ представлены в патентах РФ [18, 19], которые являются интеллектуальной собственностью Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева и научных статьях [42, 48, 61-69, 84].
Следует отметить, что в камере синтеза озонатора основная часть мощности выделяется в виде тепла [1, 2, 17]. Описанные в данных источниках методики расчета тепловых характеристик озонаторов не могут быть применены для описания тепловых характеристик роторного озонаторного устройства в виду сложности его конструкции: 900 линейных электродов и 4 дисковых электрода, вращающихся с большой скоростью. Вследствие этого аэродинамические потоки в камере синтеза РОУ носят турбулентный характер и описание температурного поля РОУ является трудной задачей.
Учитывая большое энергопотребление единицы оборудования в процессе создания новых озонаторов, остаются актуальными проблемы поиска эффективных методов отводов тепла и, соответственно, методов исследования тепловых процессов с построением их математических моделей.
Результатом решения задачи по оптимизации конструкции озонатора, нами, в отличие от традиционных исполнений, предложено озонаторное устройство с камерой синтеза озона, позволяющей производить озон из кислородосо-держащей смеси, подаваемой для синтеза без ее предварительного обеспыливания и осушки до минус 50°С.
Применение роторного исполнения камеры синтеза в РОУ обеспечивает снижение себестоимости одного килограмма озона за счет использования решетчатого исполнения неподвижных электродов из диэлектрических материалов и вращающегося металлического электрода. Использование неподготовленного воздуха в камере синтеза позволяет сократить сложное энергоемкое оборудование по очистке и осушке воздушной смеси, что значительно снижает капитальные и эксплуатационные затраты.
В процессе разработки и исследований выявлено множество проблемных задач по отводу тепла из зоны барьерного разряда. Известно, что озон является термически нестойким веществом [2, 17]. Концентрирование огромного количества тепла в разрядной камере отрицательно сказывается на времени его жизни. Поэтому, одна из основных задач при конструировании роторных барьерных озонаторов заключается в исследовании электрофизических, физико-химических и тепловых процессов в камере синтеза озона для конкретных их конструктивных исполнений. Описанная Ю.В. Филипповым с сотрудниками в [20 - 23] «электрическая теория барьерного озонатора» позволяет теоретически обосновать выбор основных параметров озонатора - напряжение, ток, влияние частоты на эффективность синтеза озона. Однако, в указанных выше работах недостаточно уделено внимания вопросам конструирования и исследованию теплофизических и физико-химических процессов в зоне синтеза озона.
Из обзора литературных источников можно сделать заключение, что комплексное решение задач по оптимизации конструктивных исполнений озонаторов и разработка эффективных технологических процессов производства озона из кислородосодержащей среды без ее предварительной подготовки исследованы недостаточно.
Тепловые процессы в роторных барьерных озонаторах из-за их новизны мало изучены. Таким образом, дальнейшее совершенствование роторных барьерных озонаторов требует дополнительного изучения тепловых процессов в РОУ, их влияние на электрические и химические процессы и создания методики исследования их комплексного взаимодействия на эффективность синтеза озона.
Учитывая актуальность создания эффективного природоохранного оборудования и разработки технологичного производства озона для экологических целей, была сформулирована основная цель данной работы - разработка математической модели тепловых процессов в РОУ. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
1. Исследование и разработка оборудования, позволяющего производить озон из воздуха или кислородосодержащей среды без предварительной подготовки - роторного озонаторного устройства.
2. Определение методики измерения тепловых параметров разрабатываемого озонаторного устройства.
3. Исследование основных энергетических параметров конструкции озонаторного устройства в их взаимосвязи с эффективностью синтеза. 4. Разработка топологических и математических моделей тепловых процессов в РОУ.
5. Параметризация топологической модели РОУ, исследование тепловых характеристик РОУ при вариации этих параметров.
6. Оптимизация элементов конструкции РОУ, влияющих на отвод тепла.
Научная новизна работы: Работа посвящена комплексному исследованию задач по оптимизации конструкций озонаторных устройств широкого применения в природоохранных целях с низкими капитальными и эксплуатационными затратами и включает соответственно создание математической модели озонаторного устройства роторного исполнения.
Практическая значимость: Создание практического руководства по математическому моделированию сложных тепловых систем на примере роторного озонаторного устройства, разработанного на кафедре автоматики МГУ им. Н.П. Огарева по заказу Министерства Экологии и финансированного Правительством Республики Мордовия по теме НИОКР 99.01.Г.99. — «Разработка и изготовление опытного образца роторного озонаторного устройства для обработки сточных вод». Акты выполненных работ по изготовлению и сдаче заказчику прилагаются (Приложение 2).
Использование математической модели озонаторного устройства средней мощности в процессе проектирования позволило создать оптимизированный вариант конструктивного исполнения озонатора широкого применения для природоохранных целей с заданными производительностью и малой себестоимостью озона. Методическая составляющая работы станет практическим руководством конструкторов новых поколений озонаторов средней мощности.
На защиту выносятся: Новое конструктивное исполнение озонаторов средней мощности — роторное озонаторное устройство, позволяющее производить синтез озона из воздуха без его предварительной подготовки (очистка и осушка до минус 50-60°С), конструкция которого выполнена с использованием математических моделей тепловых процессов в камере синтеза озона; математические модели тепловых процессов в роторном озонаторном устройстве с вариацией основных параметров; результаты исследований теплофизических процессов в роторном озонаторном устройстве.
Методы исследования: В работе использовался комплексный метод, заключающийся в сочетании теоретического анализа, экспериментального исследования и математического моделирования тепловых процессов в роторном озонаторном устройстве. Математическое и экспериментальное исследования проводилось для ряда модификаций роторного озонатора с измерением многочисленных тепловых характеристик. Математическое моделирование проводилось с использованием ЭВМ и программного обеспечения ПК ТРиАНА 2.0.
Актуальность применения современных программных средств и информационных технологий при проектировании РОУ с учетом тепловых процессов
При анализе энергозатрат в системе генерации озона все устройство раз-деляют на 4 подсистемы: подсистема подготовки газа, блок питания, озонатор (генератор озона) и система охлаждения. По анализу энергозатрат в каждой подсистеме авторы [2, 17] заключают, что главные энергозатраты происходят в подсистеме генератора озона, составляющие примерно 60-95% всех энергозатрат в озонаторе. Поэтому предпринимаемые исследователями усилия для снижения энергозатрат должны быть направлены на генератор озона.
По термодинамическим данным из энтальпии реакции Ог = Оз следует, что минимальные энергозатраты на синтез озона составляет 1,48 эВ/Оэ или 0,82 кВт-ч/кгОз, что соответствует предельному выходу озона 0,68 Оз/эВ или 1,22 кг03/(кВт-ч)[1,2,17]. Однако, если учесть, что синтез озона в разряде происходит в основном в результате реакции между атомарным и молекулярным кислородом [2, 17], то для оценки величины предельных энергозатрат необходимо учитывать значение энергии, которая затрачивается на процесс диссоциации молекулярного кислорода электронным ударом [17]. Диссоциация молекулярного кислорода в рассматриваемых условиях может происходить с двух электронных уровней (6 эВ и 8,4 эВ), что приводит к энергозатратам 3,0 и 4,2 эВ/Оз. В этом случае предельный энергетический выход составляет 700 и 500 г03/(кВт-ч) соответственно. Однако, если принять во внимание, что при дрейфе электронов в кислороде имеет место распределение потерь энергии по различным каналам, то можно получить более сложный вид оценки величины предельных энергозатрат на синтез озона [17].
Таким образом, эффективность синтеза озона в барьерном разряде, в лучшем случае, составляет 400/1220 = 33% для кислорода и 200/1220 = 17% для воздуха. При этом можно сделать вывод о том, что примерно одна третья часть энергии, выделяемой в разряде, идет на синтез озона (в кислороде), а остальная конвертируется, в основном, в тепло [2, 17]. Приведенные значения энергетического выхода озона являются теоретически предельными. В промышленных озонаторах энергетический выход озона (эффективность синтеза) составляет примерно 50-55 гОз/(кВт-ч) в воздухе при концентрации озона 2 - 3% и 65 -80 гОї(кВт-ч) в кислороде при концентрации озона 6% [17]. В лабораторных условиях наблюдаемая максимальная эффективность синтеза озона при его низкой концентрации достигает 100 гОз/(кВт-ч) в воздухе и 250 гОз/(кВт-ч) в кислороде [1, 17].
Как следует из вышесказанного, большая часть электроэнергии барьерного разряда выделяется в виде тепла, а на синтез озона тратится меньшая доля энергии. Выделение тепла, кроме затрат энергии, имеет и другую негативную сторону. Как известно, озон - это термически нестойкое вещество, поэтому выделение тепла и нагрев рабочего газа ведет к разложению уже образованного озона. Поэтому знание распределения температуры в разрядном промежутке и построение соответствующих моделей является важной задачей. Распределение температуры газа в разрядном промежутке и связь ее с электрическими и конструктивными параметрами были предметом значительного числа исследований [35 - 38]. Измерение температуры газа внутри разрядного промежутка в потоке является сложной задачей в связи с быстрым выравниванием температуры газа на выходе из зоны разряда и близостью высоковольтного электрода [17]. Вместо температуры газа в работах [35, 36] измерялась температура неохлаждаемого диэлектрического электрода с помощью термопар. Непосредственное измерение температура газа было проведено в работах [39] при помощи оптических сенсоров. В этой работе автор определял распределение температуры газа по толщине зазора. Поскольку охлаждение электродов проводилось с одной стороны, то эпюра температуры в разрядном промежутке была несимметричной и имела максимум на неохлаждаемом электроде.
Авторами работ [35, 37 — 40] было определено распределение температуры в зоне барьерного разряда вдоль потока газа. Было обнаружено, что температура быстро становится постоянной в некотором расстоянии от входа газа.
Измерение температуры газа внутри разрядного промежутка в потоке газа представляется сложной задачей. Знание этой величины, а также температуры электродов (особенно диэлектрического электрода) необходимо при оценке эффективности конструкции озонаторов [1].
Расчет теплопередачи в озонаторе дает хорошо совпадающие с экспериментальными данными значения температур на диэлектрическом электроде. Однако, расчет температуры в газе согласуется с экспериментом лишь при использовании коэффициента теплопроводности газа, в 2-2,5 раза превышающего табличную величину [37, 38]. Авторы этих работ объясняют такое расхождение ионизацией газа, но в [1] отмечено «трудно представить себе увеличение теплопроводности на 130% при той слабой ионизации газа, которая существует в барьерном разряде».
Различия между расчетом и экспериментом в [37, 38] можно объяснить неравномерностью тепловыделения по объему разрядной зоны. Из экспериментально полученных данных о температуре газа и ее теоретической оценки авторы работы [1] считают, зона тепловыделения составляет 40-50% от величины разрядного промежутка, т.е. 20-25% от величины разрядного промежутка от поверхностей обоих электродов.
В работах [35, 36] считается, что распределение тепловыделения в объеме разрядной зоне не только неравномерно, но и несимметрично. В этих работах предложен коэффициент симметричности тепловыделения Ф (0 Ф 1), характеризуемый профилем тепловыделения. Причем Ф = 1/2 соответствует симметричному профилю тепловыделения. Авторами [35] оценивается, по экспериментальным данным на трубчатом озонаторе шириной разрядного промежутка 2,25±0,25 мм, что распределение тепловыделения является несимметричным, причем симметричность профиля тепловыделения Ф = 0,42 0,5, что означает, что больше энергии выделяется у металлического охлаждаемого электрода.
Кроме того, авторы этих работ считают, что увеличение электроотрицательности, связанное с образованием озона в потоке газа, приводит к смещению максимума тепловыделения к диэлектрическому электроду [36].
Экспериментальным свидетельством неравномерности энерговыделения служат неравномерные распределения интенсивности излучения при разряде и концентрации озона, измеренной сразу же после импульса тока [1]. Авторы работы [1] связывают неравномерные распределения излучения и концентрации Оз с распределением энерговыделения по оси микроразряда и считают, что они отражают, в какой-то степени, неравномерность энерговыделения в разрядном промежутке.
Анализ тепловых характеристик РОУ с помощью интегрированных компьютерных технологий
Ограниченный ряд аэродинамических и гидравлических моделей не позволяет исследовать аэродинамические и тепловые характеристики в стоечных конструкциях линейных электродов РОУ при вращающихся подвижных электродах. При исследовании тепловых процессов отсутствует возможность в алгоритмах автоматического или полуавтоматического синтеза моделей учитывать конструкторско-технологические решения, характерные для РОУ. Это, в свою очередь, не дает возможности в полной мере исследовать электрические характеристики, а также корректно проводить совместное моделирование тепловых и аэродинамических процессов, а также тепловых и механических процессов в разрабатываемом РОУ.
В программных средствах, ориентированных на исследование аэродинамических, тепловых и механических процессов (Auto Flow, «АСОНИКА-Т», «АСОНИКА-ТМ», Beta Soft, «Pilot» и др.), отсутствует возможность создавать геометрические модели локальных конструкторско-технологических решений одновременно с трансляцией (автоматической или полуавтоматической) их в модели или макромодели физических процессов с последующим их хранением в специальной библиотеке, из которой модели, в случае необходимости, могли бы импортироваться специальной программой в общую композицию глобальной модели, отражающей протекание физических процессов в конструкции РОУ в целом.
Несмотря на развитые комплексы конверторов, у ПС нет на уровне текущих проектов интегрирующих сред. При этом некоторые системы, такие как MENTOR GRAPHICS, «АСОНИКА» и пр., имеют в своем составе средства запуска программных единиц, обмена данными между программными единицами и ведения специализированных баз данных. В системе «АСОНИКА» существует единая управляющая программа, выполняющая функции запуска проблемных подсистем по конвейерному принципу, а также функции обмена данными через общую проектную часть базы данных [74] и ведения справочных частей специализированных баз данных. Однако, перечисленные интегрированные средства не позволяют создавать функциональные модели отдельных этапов проекта с целью реализации определенной единой методологии проектирования РОУ.
Программный комплекс ТРиАНА предназначен для моделирования на ЭВМ стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях радиоэлектронных средств (РЭС), таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы, функциональные ячейки, микросборки.
Целью моделирования является получение тепловых полей конструкций РЭС 3-го и 4-го уровней конструктивной иерархии (температур конструктивных узлов, элементов и потоков хладоносителя в сети каналов конструкции стойки или блока), тепловых полей конструктивных узлов 2-го уровня конструктивной иерархии (тепловых полей оснований функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов).
Для решения указанной задачи в ПК ТриАНА2.0 используются критериальные уравнения теории подобия и уравнения теплоообмена, метод узловых потенциалов для формирования математической модели тепловых процессов в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ), системы нелинейных алгебраических уравнений (СНАУ),
Для решения СОДУ используется метод формул дифференцирования назад (ФДН), для решения СНАУ используется метод простых итераций, а для решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к которым сводятся СОДУ и СНАУ (на каждом шаге по времени и/или на каждой итерации по нелинейностям), метод /.{/-разложения с символьной факторизацией и учетом разреженности матрицы тепловых проводимостей.
ПК ТРиАНА-2.00 состоит из ряда как автономно функционирующих, так и в составе ПК следующих программных единиц: MTPEditor, МТРViewer, BoardEditor, Conv2triana, Triana. Графический редактор топологических моделей тепловых процессов (МТП) MTPEditor позволяет формировать МТП конструкций РЭС с параметрическим описанием их компонентов, использующих геометрические и тегагофи-зические параметры графических образов исследуемых узлов и/или конструкций РЭС в целом; отображать результаты моделирования непосредственно на топологической модели.
Графический редактор конструкций РЭС типа «печатный узел», «функциональная ячейка», «гибридно-интегральная схема или микросборка», BoardEditor, который позволяет создавать геометрические модели конструкций ПУ, ФЯ, МСБ с позиций исследования в них тепловых процессов; вести базу данных по геометрическим и теплофизическим параметрам электрорадиоэлементов; отображать результаты моделирования на геометрической модели исследуемого конструктивного узла.
Конвертор топологий печатных плат Conv2triana реализует функции автоматического преобразования основных параметров несущей конструкции (НК) ПУ, ФЯ или МСБ, а также схемы размещения ЭРЭ на НК из форматов систем топологического проектирования печатных плат (PCAD, ACCEL и др.) в формат ПК ТРиАНА.
Математическое ядро Triana, включает в свой состав: набор специализированных программ, реализующих функции автоматического синтеза моделей тепловых процессов конструктивных узлов РЭС на основе их геометрической модели и температурных условий их эксплуатации (граничные и начальные условия); набор модулей, выполняющих функции: формирования математических моделей для моделирования тепловых процессов исследуемой конструкции в стационарном и нестационарном режимах; анализа математической модели, которая может быть сформирована в виде системы линейных алгебраических уравнений, системы нелинейных алгебраических уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений; библиотеку аналитических моделей (набор критериальных уравнений) для анализа различных видов теплообмена и их модификаций (в библиотеке содержится около 70 разделов).
Моделирование составляющих емкости электродного блока роторного озонаторного устройства
Для изучения тепловых процессов в роторных озонаторных устройствах была разработана экспериментальная установка РОУ-1. Как было отмечено в главе 1, роторные озонаторы предполагается производить трех видов. РОУ-1 соответствует 2 виду — роторное озонаторное устройство закрытого типа. Для соответствия 1 виду с экспериментальной установки снимается кожух, для соответствия 3 виду - добавляется водяное охлаждение.
Этапы разработки РОУ с применением программного комплекса ПК ТРиАНА 2.0 (выбор программного обеспечения приведен в главе 1) показаны на рисунке 3.1. Алгоритм состоит из следующих действий. 1. На первом этапе проводится анализ технического задания на разработку РОУ (задание производительности, размеров). 2. Затем разрабатывается эскиз проектируемой конструкции озонатора. 3. На третьем этапе производится декомпозиция конструкции РОУ на конструктивные элементы: корпус, диски, стойки электродов (линейный электрод 1, линейный электрод 2, линейный электрод п). 4. На четвертом этапе идет поиск элементов моделей тепловых процессов в библиотеке. 5. Далее разрабатывается тепловая модель создаваемой конструкции роторного озонаторного устройства. 6. Затем рассчитываются параметры МТП озонатора. 7. На седьмом этапе проводятся исследования характеристик озонатора на базе созданной МТП (ТРиАНА). 8. После моделирования происходит сравнение температуры элементов озонатора с допустимыми температурами (таблица 2.1), если она превышает эти значения температур, то проводится анализ моделирования и принимается решение: изменение конструкции РОУ, либо изменение системы охлаждения или проводится корректировка технического задания. 9. Если принимается 1-ое или 2-ое решение, то происходит возвращение к этапу поиска МТП элементов в библиотеке модели, а если принимается 3-е ре шение, то алгоритм переходит на 2-ой этап — разработка эскиза проектируемой конструкции. При условии получения температуры элементов озонатора мень ше допустимых значений (таблица 2.1) МТП озонатора и МТП его составных частей заносятся в библиотеку МТП. 10. На последнем этапе проводятся исследования показателей надежно сти созданного озонатора. Существует следующие способы повышения эффективности синтеза озона: - увеличение частоты напряжения питания; - охлаждение электродов и газовой смеси; - применение в качестве газовой смеси кислорода. - усовершенствование конструкции разрядной камеры. Реализация первых трёх способов требует подключения дополнительного оборудования, что существенно повышает стоимость озонаторной установки. Поэтому разработка велась в направлении усовершенствования разрядной камеры, которая отличалась бы от известных вариантов рядом конструктивных изменений, позволяющих проводить синтез озона из воздуха без его предварительной очистки и осушки до -50С. При проектировании РОУ должны учитываться такие основные характеристики, как вольтамперные характеристики, напряжение горения, ток через озонатор, потребляемая мощность, емкостная составляющая. Лишь правильно подобрав эти параметры, можно спроектировать генератор озона без его последующей многократной доработки. 3.1.1 Вольтамперные характеристики озонаторов Изучение внешних вольтамперных характеристик озонаторов послужило основой для разработки электрической теории озонаторов. Е. Брине с сотрудниками в своих работах приводит результаты изучения вольтамперных характеристик при различных условиях [47]. Ими было найдено, что статические вольтамперные характеристики состоят из двух частей: при напряжениях меньше определенной величины, которую они назвали критическим напряжением, или порогом, разряд в озонаторе отсутствует, и он представляет собой обычный трехслойный конденсатор. Вольтамперная характеристика в этом случае имеет вид прямой, проходящей через начало координат; наклон этой линии определяется общей электрической емкостью озонатора. При напряжениях выше критического в озонаторе возникает разряд, наклон вольтамперной характеристики увеличивается, она искривляется, принимая S-образный вид. При еще более высоких напряжениях характеристика вновь выпрямляется. Причем наклон этой прямолинейной части определяется уже емкостью диэлектрических барьеров озонатора. Теоретического объяснения подобного вида вольтамперных характеристик Е. Брине не дает.
Японские исследователи получили вольтамперные характеристики озонаторов в виде двух прямолинейных, пересекающихся между собой отрезков. Авторы также не приводят объяснения такой формы вольтамперных характеристик.
Таким образом, удовлетворительного объяснения формы статических вольтамперных характеристик озонаторов не было. Частично это можно объяснить трудностями экспериментального изучения характеристик. Для получения воспроизводимых неискаженных результатов необходимо соблюдение ряда условий. Озонатор должен быть технически безупречным, в особенности важно выдержать постоянство величины разрядного промежутка. Форма электродов не должна создавать нежелательные краевые эффекты. Необходимо поддерживать постоянство температуры охлаждения электродов, давления и скорости потока газа. Газ, поступающий в озонатор, должен быть тщательно очищен и осушен [17]. Для избежания изменения его состава вследствие химических процессов изучение вольтамперных характеристик необходимо проводить при сравнительно большой скорости потока газа через озонатор. На вольтамперные характеристики влияет состояние поверхности электродов озонатора и, в частности, наличие на ней адсорбированных газов. Поэтому перед снятием вольтамперных характеристик проводят обработку электродов разрядом в течение 5 -6 часов.
На рисунке 3.2 изображена вольтамперная характеристика озонатора [1]. Первый отрезок АВ соответствует зависимости тока от напряжения при отсутствии разряда в озонаторе. Озонатор в этом случае представляет собой систему трех последовательно включенных конденсаторов, поэтому наклон этого участка характеристики, определяется общей электрической емкостью озонатора. Более сложная зависимость наблюдается для участка характеристики, соответствующего напряжениям, при которых в озонаторе уже происходит разряд. Этот участок по причинам, рассмотренным ниже, не всегда прямолинеен.
Описание конструкции с точки зрения тепловых и аэродинамических процессов
Нагнетаемый с помощью компрессора воздух Пвх в камеру синтеза озона разделяется в целом на два воздушных потока Пкшх и Пювх- Воздушный поток Пкшх проходит по каналу 1, образованному отверстиями на подвижном электроде и щелями между линейными электродами (рисунок 4.3).
Воздушный поток Пкшх» проходя через вращающийся электрод, частично проходит поступательно (потоки Пи, П П ... Піп, где п - количество отверстий в диске), а частично его выбрасывает центробежной силой из дискового электрода (поток Пді). Прошедшие через отверстия в диске потоки воздуха попадают в разрядный промежуток и подвергаются действию барьерного разряда, образуя озоновоздушную смесь первой ступени обработки. При вращении диска в его полости образуется разряженная область. Ближе к оси вращения это значение имеет пик. Дабы выровнять давление происходит принудительное засасывание воздушного потока Пг в разрядный промежуток 1, где он перемешивается с потоками Пи, П Пи ... Пі„. Предположим, что далее поток Пі будет двигаться поступательно, т.е. воздушный напор образованный ПКшх не дает озоновоздушной смеси двигаться в обратном направлении.
Таким образом, объединенные потоки Пц, Пі2 Піз Піп и Пкшх» пройдя разрядный промежуток, натыкаются на стойку с линейными электродами. Ввиду особенностей компоновок линейных электродов (трех рядное исполнение в шахматном порядке (главаЗ)) озоновоздушная смесь разбивается на m потоков, которые омывают электроды и тем самым отводят от них часть тепла. Далее их движение будет ускоряться разряженной областью, созданной диском 2. По этой же причине в этот разрядный промежуток попадет и поток Тії. Потоки объединяются, подвергаются обработке в барьерном разряде (вторая ступень) и через отверстия в диске 2 попадают в его полость. Далее все происходит аналогично процессам в диске 1. Потоки озоновоздушной смеси Пдь Пд2, Пдз и Пд4, выбрасываемые из дисков, натыкаются на стенку корпуса и перемешиваются с поступательным потоком Пк2- В свою очередь в дальнейшем этот поток разделяется на потоки Пь П2, П3, ГЦ, П5, Пб, которые устремляются в разряженные области в центре камеры синтеза, для выравнивания давления. Выходя из отверстий четвертого диска, озоновоздушная смесь образует поток Пктых» который, сливаясь с потоком из второго канала ПК2вых. создает итоговый выходной поток Пвых- Таким образом, на выходе получается озоновоздушная смесь, прошедшая многоступенчатую обработку в барьерном разряде. Выполним идеализацию конструкции с точки зрения протекания в ней тепловых процессов. 1. Ввиду большого значения коэффициента теплопроводности материала стенок корпуса, а также ввиду применения подвижных вращающихся электродов в форме крыльчатки вентилятора, примем изотермичным корпус блока. 2. Сеть каналов в МТП будем формировать в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 4.3 и 4.4. При этом для каналов К1 и К2 входной воздушный поток будем моделировать одним узлом МТП (так как температура воздушного потока на входе в каждый канал является величиной постоянной -Твх) а выходные потоки озоновоздушной смеси на выходе каждого канала — отдельными узлами МТП. Система уравнений формируется программой ТРиАНА2.0 на основе построенной топологической модели. Под топологической моделью тепловых процессов (МТП) понимается модель, представленная в виде ненаправленного графа. Вершины (узлы) такого графа в МТП моделируют соответствующие конструктивные элементы и узлы конструкции РОУ (представляются в виде условно нагретых зон). Ветви (ребра) графа отражают в МТП тепловые потоки. Переменными узлов МТП являются расчетные значения температур (Т,), переменными ветвей будут тепловые потоки ( Fjj), а параметрами ветвей — тепловые проводимости (Ху). В общем случае, при рассмотрении нестационарных тепловых процессов в МТП можно выделить два типа параметрических ветвей: 1-й тип. Параметрические диссипативные ветви. Ветви, для которых известны значения Хц или аналитические выражения для расчета Xyj 2-й тип. Параметрические консервативные ветви. Ветви, для которых известны значения теплоємкостей (Су) или аналитические выражения для их расчета. В отличие от других видов моделей, топологические модели тепловых процессов позволяют в простой форме задавать граничные условия различных родов и их комбинаций по объемам и поверхностям конструкции РОУ при помощи соответствующих компонентов графа (ветвей, источников заданной температуры и источников с заданной тепловой мощностью), К достоинствам топологических моделей следует отнести: возможность довольно простого перехода, в случае необходимости, к другим унифицированным видам математических моделей РОУ [51]; возможность применения единых методов формирования и решения математических моделей, включая аппарат теории чувствительности [51, 54]. Топологическую МТП РОУ можно условно разделить на фрагменты 2-х типов: 1. Фрагменты МТП отдельных конструктивных узлов и элементов РОУ, отражающие протекание в них тепловых процессов без учета условий охлаж дения (граничных условий). 2. Фрагменты МТП, учитывающие условия охлаждения (граничные усло вия). Фрагменты МТП первого типа отражают тепловые модели конструктивных узлов (линейные электроды, дисковые электроды), которые могут быть легко получены на основе конечно-разностной аппроксимации уравнения теп-лопроводимости [53]. При этом следует отметить, что при таком подходе возможно формирование фрагментов МТП различного уровня детализации, что позволяет применять их на различных этапах проектирования, используя иерархический подход. Применение аналитических моделей для вычисления параметров ветвей МТП позволяет вычислять их через геометрические и тепло-физические параметры конструкции, что дает возможность учитывать любые особенности конструкции РОУ.
