Научная статья на тему 'Барьерный электрический озонатор с вращающимся магнитным полем'

Барьерный электрический озонатор с вращающимся магнитным полем Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
282
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Кузнецов В. А.

С целью раскручивания озонируемого газа по разрядному промежутку цилиндрического барьерного электрического озонатора предлагается и исследуется возможность применения вращающегося магнитного поля. На основе уравнений Навье Стокса и Максвелла получены аналитические выражения для составляющих вектора скорости и перепада давления в разрядном промежутке, которые важны при оптимизационных расчетах поля концентрации озона с целью максимизации производительности озонатора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Барьерный электрический озонатор с вращающимся магнитным полем»

Кузнецов В.А.

БАРЬЕРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОЗОНАТОР С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

С целью раскручивания озонируемого газа по разрядному промежутку цилиндрического барьерного электрического озонатора предлагается и исследуется возможность применения вращающегося магнитного поля. На основе уравнений Навье - Стокса и Максвелла получены аналитические выражения для составляющих вектора скорости и перепада давления в разрядном промежутке, которые важны при оптимизационных расчетах поля концентрации озона с целью максимизации производительности озонатора.

Для производства озона высокой концентрации в барьерном электрическом разряде приходится применять ползучий (ламинарный) режим течения газа в разрядном промежутке озонатора (рис. 1), при котором насыщение озоном происходит в большей степени у стенок разрядного промежутка (1, 3) и в меньшей степени по центру потока газа в канале (2) [1]. Это обусловлено тем, что для каждого температурного режима в разрядном промежутке существует своя константа оптимальной энергии разряда, приходящейся на единицу объема газа. В результате получается озоно-воздушная смесь с невысокой средней концентрацией озона. Для повышения концентрации озона в этой ситуации предлагается принудительное перемешивание газа в разрядном промежутке.

Одним из способов перемешивания газа может служить увеличение его скорости течения при сохранении времени пребывания в разрядном промежутке неизменным. В случае трубча-

0

■С*

0

<*1

о

<

1,4 - металлические электроды;

2 - разрядный промежуток;

3 - диэлектрический барьер;

5 - охлаждающая жидкость

Рисунок 1. Схема разрядного промежутка барьерного электрического озонатора

того озонатора этого можно добиться, дополнительно создавая в цилиндрическом канале течения газа тангенциальную составляющую вектора скорости. А так как в разрядном промежутке озонатора газ под действием радиального электрического поля приводится в состояние неравновесной плазмы и потому становится электропроводным, то тангенциальную составляющую вектора скорости ему можно придавать с помощью вращающегося магнитного поля. Моделированию течения газа в таком случае и посвящена настоящая работа.

Главными искомыми в задаче будут составляющие вектора скорости газа, так как они нужны для обобщенной нами ранее [2, 3] кинетики образования озона в барьерном электрическом разряде при ламинарном течении озонируемого газа в виде

^Ур + Уу + ГФуф-_^ = q[k0 -к1С], (1)

др ду у р Дф р

где С(р,ф,у) - объемная концентрация озона, Ур Уф Уу - составляющие вектора скорости газа в цилиндрической системе координат, д - объемная плотность мощности разряда в разрядном промежутке, к0 и к1 - соответственно константы образования и разложения озона [1].

Низкотемпературная плазма барьерного электрического разряда в озонаторе в данной работе рассматривается как электропроводный газ. На ток в газе предлагается воздействовать магнитным полем, создаваемым посредством катушки индуктивности, расположенной снаружи внешнего цилиндрического электрода озонатора (рис. 2).

Моделирование взаимосвязи участвующих полей в случае ламинарного режима течения газа можно провести на основе уравнения На-вье - Стокса и уравнений Максвелла:

ЭУ г г г г г г

р (^- + (У У)У) = -Игаа р + ^А У + □ х В], (2) Э 1

аіуУ=о,

(3)

2

5

4

3

гаг в = тто і,

й э В

гог е =-----------

Э1 ,

і = о(Е + [У х В ]): div В = 0,

(4)

(5)

(6) (7)

div j = 0 . (8)

Здесь ц0 - магнитная постоянная; ц - магнитная проницаемость среды; а - проводимость среды; р - плотность среды; ^ - коэффициент динамической вязкости; р - давление; А - оператор Лапласа; V - Набла-вектор.

Сразу можно отметить, что уравнения (7) и (8) являются следствиями уравнений (4) и (5), т. к. (Иу(то1 А) = 0. Значит фактически здесь 13 уравнений с 13-ю неизвестными функциями.

По смыслу задачи можно положить в цилиндрической системе координат, что Уг=0, д д V

— (...) = 0, —а (...) = 0, и движение газа считать д 0 д у

установившимся во времени. Тогда гидродинамические уравнения (2) и (3) преобразуются к виду:

У

1 Э р р Э г

(9)

Е - напряженность приложенного электрического поля, обеспечивающего тихий разряд; В - аксиальнонаправленное магнитное поле, синфазное току в газе; - электрический ток в газе;

V - поле скоростей частиц газа.

Рисунок 2. Схема полей озонатора с вращающимся магнитным полем

Э г2 г Э г г2

V /

—а • в у)=о, (10) р у

1Эр

р Э у

+ V

Э 2У +1 ЭУ

Э г2 г Э г

Э У

____у_

Э у

= о.

= о, (11)

(12)

Граничные условия к ним:

У0| = VI = о; V = V = о; (13)

В 1г=г, у1 г=г у|— у|— у 7

1 г1

----------[Уу (г)dг = Уу

г1 - г2 То

Если обозначить

г = —і Ву. р V

(14)

(15)

то легко показать, что решение уравнения (10) методом вариации произвольных постоянных после удовлетворения граничным условиям (13) можно получить в виде

3г(г + го)

Подстановка полученного УВ в (9) и его решение дают

Ув =

-(г3(г1 + го) - г2(г12 + г1го + го2) + го2г12) . (16)

, ч р Г2

Р(г’ у) = ™^

9(гі + го)2

2

(г1 + го) г4 -

- 3(г1 + го)(г12 + г1го + го2)г3 +

1 2 2 2 2 2 2 + 2(г1 + г1го + го ) г + 2 (г1 + го)г1 го г -

^22,2, , 2Ч, 1 4 4 1

-2г1 го (г1 + г1го + го )1пг-2г1 го

+ Сз(у). (17)

Чу). (18)

Подставляя полученное р в уравнение (11), получим

дЧ + 1 д Уу = д С3 д г2 г д г р V д у

Левая и правая части уравнения (18) здесь не могут зависеть ни от г, ни от у, поэтому можно записать

д2Уу 1 д V

- + —

у= С, — ^ = С4. (19)

Э г2 г Э г 4’ р V Э у Решение (19) можно получить в виде С

Уу = ^г2 + С51пг+С6.

(20)

V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2

г

4

Удовлетворение граничным условиям (13) приводит (20) к виду

Vy =

C

4ln—

r r r

4—(г2 ln— + rj2ln— + r02ln-4. (21)

Подчиняя (21) условию (14), находим, что

—, (22)

12VyCp ln^-

С 4 =-

где

3(ri -Го)-2(r + r Го + r,)ln^-

Q

р(Гі - Го)

(23)

А Р = -

г„

3(Гі2 - Го2 ) - 2(Гі2 + Гі Го + Го2 ) ln^-

ro

(25)

Здесь Ь - длина разрядной зоны. Окончательно с учетом (23) можно выразить

12р vLQln^-

А Р = ■

Р(Гі2 - Г?)(3(Гі2 - Го2) - 2(Гі2 + Гі г, + Го2)ln^1)

г Г г

3Q (г2 ln^ + r12ln— + r02ln-^)

, (26)

Vy =

p(ri2 - Го2)(3(Гі2 - г,2) - 2(Гі2 + Гі г, + r,2)ln^L)

(27)

Среднее интегральное по зазору значение У0 ср получается из (16) в виде

ф - расход озонируемого газа через озонатор.

д Р '

Так как из (17) следует, что — = С3(у), то

д у

с учетом (19) получаем С3(у) = р vC4. Отсюда следует, что

С3(у) = р VС4 у + С5 . (24)

Тогда из (17) получим с учетом (24) и (22), что

г

12р V Ь Уу ср 1п^

V0 ср

2 2, Г1 ri ro 1п~

22 г0 г1 + г1г0 + г0

г, - rn

(28)

Обозначенное в (15) f можно вычислить как mwnоJ0U0 .

f = -П----sm,

2 S

где ю - круговая частота вращающегося магнитного поля; n - число витков катушки индуктивности; S - площадь электродов озонатора; J0- амплитудное значение тока в катушке; U0 - амплитудное значение напряжения на электродах озонатора.

Список использованной литературы:

1. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М.: МГУ, 1989. - 175 с.

2. Кузнецов В.А. Математическая модель тепломассообмена в барьерном электрическом озонаторе // Основные направления научно-методических исследований преподавателей физико-математического факультета Магнитогорского госпединсти-тута. - Магнитогорск: МГПИ, 1992. - С. 8-16.

3. Кирко И.М., Кузнецов В.А. Применение математического моделирования при конструировании барьерных электрических озонаторов // Синтез озона и современные озонные технологии: Материалы 22-го Всероссийского семинара.- Москва: МГУ, 2001.- С. 55-64.

г

o

0

г,

0

0

0

0

6

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.