Научная статья на тему 'Математическая модель химической кинетики озонируемого газа при учете явлений турбулентности, тепломассопереноса и электродинамики'

Математическая модель химической кинетики озонируемого газа при учете явлений турбулентности, тепломассопереноса и электродинамики Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
53
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
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 «Математическая модель химической кинетики озонируемого газа при учете явлений турбулентности, тепломассопереноса и электродинамики»

И.М. Кирко, В.А. Кузнецов

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ОЗОНИРУЕМОГО ГАЗА ПРИ УЧЕТЕ ЯВЛЕНИЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ, ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И

ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

В статье рассматривается кинетика образования озона в поле коронного разряда с учетом кинематических и тепловых полей. Показано, что при турбулентных режимах течения можно в десять раз увеличить расход озона.

Практика конструирования барьерных озонаторов повышенной производительности и надежности привела к принципу применения турбулентного потока озонируемого газа (воздуха или другой кислородсодержащей смеси) при многократной его циркуляции через зону коронного разряда [4]. При этом экспериментально было обнаружено явление самоочищения диэлектрических барьеров озонатора в отличие от озонаторов, работающих в ламинарном режиме, требующих регулярной промывки диэлектрических барьеров. Переход на турбулентный режим течения газа на порядок увеличивает коэффициент теплопередачи между озонируемым газом и электродами озонатора. Это обстоятельство открывает новые возможности в различных конструкторских решениях по схемам: озонируемый газ заодно теплоноситель, охлаждение озонатора по специальным воздушным каналам, охлаждение повышенной интенсивности при помощи вакуумного кипения жидкого хладоагента.

Высокое напряжение на электродах озонатора, узость зазоров в его разрядных промежутках при сильной пространственной неоднородности физико-химических явлений затрудняют экспериментальные исследования непосредственно в зоне разряда. По этой причине строится математическая модель этих явлений. Кроме вышеупомянутых условий математическая модель должна учитывать существенные потери образующегося озона на окисление азота и доокисление низших окислов азота до его пятиокиси, ибо при высоких удельных энергиях разряда происходит значительная активация азота [1, 2].

Таким образом, для объемной концентрации озона С03 (у) в сечении разрядного промежутка у (рис.1) предложено уравнение

С«,(у) = а С (у)-См(1 -е ^ ).

(1)

Здесь С(у) - объемная концентрация синтезируемого озона из кислорода воздуха без влияния азота, д - объемная плотность мощности электрического разряда, V - среднее значение продольной составляющей скорости течения газа, а - коэф-

V

V

Б У

^ а

, р /

\л/у V V V VI

V V

[У-уУ

? Г32

/8/ р

'Е/

г//

X о л о д и л ь н и к

2

?+Р Г

Г А 3

Рисунок 1. Схема расположения элементов озонатора для расчета поля температуры

фициент сенсибилизирующего влияния азота [5], 1/Рм - обобщенная константа разложения окислов азота, См - отношение константы образования низших окислов азота к константе их разложения (дальнейшее согласование модели с экспериментом определило приближенно следующие значения этих параметров: а=1,5; Рм=3,2 107; См= 0,49).

Для расчета величины С(у) используется в соответствии с [3] выражение

_ у -^(тю)^

С(у) = £ К(Тг (П))е 4 ал,

V,

(2)

где к0(Т(л)) и к1(Т(л)) - зависимости констант, соответственно, образования и разложения озона от температуры Т(л) в точке с ординатой л .

Необходимая для (2) температура газа по пути следования частиц газа в разрядном промежутке в модели находится по уравнению теплового баланса в виде:

а2тг

атг

= -Чг .

(3)

Здесь 1Г - коэффициент теплопроводности газа, р - его плотность массы, с - удельная тепло-

31

41

3

ь

И.М. Кирко, В.А. Кузнецов

Математическая модель химической кинетики озонируемого газа...

емкость газа при постоянном давлении, q г - объемная плотность мощности тепловыделения в газе.

Уравнение (3) решается в совокупности уравнениями теплопроводности для твердых сред (электродов и барьера) и с учетом исходной температуры газа, граничных условий равенства тепловых потоков на границах между средами и пренебре-жимой малости отвода тепла через торцы электродов и барьера.

Сравнение показывает, что среднеквадратичес-кое отклонение расчетов на построенной модели от результатов экспериментов в 5-6 раз меньше, чем соответствующее отклонение расчетов по уравнению Васильева С.С., Кобозева Н.И., Еремина E.H. [1, 2]. Таким образом, получено значительное улучшение существующей модели.

На модели проведен анализ зависимостей выходных характеристик озонатора (концентрации озона и производительности озонатора) от задаваемых его параметров (рис. 2-5). Так, при изменении расстояния между электродами (рис. 2), частоты переменного тока (рис. 3) изменяются энергетические характеристики озонатора и, соответственно, температурные условия в разрядной зоне, а все в совокупности влечет изменения концентрации. Кроме того, изменение исходной температуры газа (рис. 4) влияет на положение максимальной концентрации озона.

Данные расчетов свидетельствуют о наличии максимумов концентрации при изменении входных параметров озонатора, что позволяет решать соответствующие задачи оптимизации конструкций озонаторов.

На рис. 5 изображена в сравнении зависимость производительности озонатора при ламинарном (а:У ср=1 м/с) и турбулентном (б:У =20 м/с) потоках газа. Здесь видно, что при турбулентном потоке воздуха можно добиться производительности озонатора в десятки раз более высокой, если соответственно повысить удельную мощность разряда. Однако при одном проходе воздуха через разрядный промежуток с высокой скоростью в нем образуется озон невысокой концентрации, поэтому при необходимости повысить концентрацию применяется многократное пропускание газа через разрядный промежуток.

Выводы:

1. Построенная модель позволяет адекватно учитывать влияние изменения поля температуры в зависимости от расхода газа и мощности разряда не только качественно, но и количественно, а также учитывает влияние способа и интенсивности охлаждения озонатора.

С,%об.

0,04

0,03

0,02

0,01

/

4/ р

1/ N s2

у \

Л

/

____

0 2 4 6 8 10

Толщина разрядного промежутка [мм]

Рисунок 2. Зависимость объемной концентрации озона от толщины разрядного промежутка при различных

частотах переменного тока: (1) - 100 Гц; (2) - 400 Гц; (3) - 700 Гц; (4) - 1000 Гц. Охлаждения электродов нет.

4 6 8 10

Расход озонируемого газа [куб.м / с]

Рисунок 3. Зависимость объемной концентрации озона от расхода газа при различных частотах переменного тока у неохлаждаемого озонатора (толщина разрядного промежутка - 4 мм): 1 - 100 Гц; 2 - 400 Гц; 3 - 700 Гц; 4 - 1000 Гц

0,05

ю 0,045

0

^ 0,04 та

1 0,035

0

■§ 0,03

zt

§■ 0,025

1 0,02

X

I 0,015 го

1 0,01

g 0,005

(\

\

1 - 10 град.С; 2 - 25 град.С;

1

3 - 30 град.С

2

3

/

12345678 Расход газа, куб.м/с

Рисунок 4. Зависимость объемной концентрации озона от расхода газа при различных его исходных температурах.

0

Естественные науки

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

2. Модель отражает специфику ламинарного и турбулентного режимов течения газа в разрядном промежутке.

3. Модель позволяет решать оптимизационные задачи при конструировании озонаторов с ламинарным и турбулентным потоками озонируемого газа.

4. Модель позволила выяснить при турбулентном течении газа причину самоочищения разрядного промежутка озонатора от пятиокиси азота и выработать соответствующие рекомендации по организации режима энергетической нагрузки и охлаждения озонаторов.

Список использованной литературы:

1. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М.,1987. - 237 с.

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

3. Кирко И.М., Кузнецов В.А. Математическое моделирование электросинтеза озона //Теоретические основы теплотехники: межвузовский сборник научных трудов. - Магнитогорск: Магнитогорский госуниверситет, Уральский государственный технический университет, 2000. - 17 с.

4. Кирко И.М., Кузнецов В.А. Ламинарный и турбулентный режим течения в плазме коронного разряда // Восьмой всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Пермь, 23-29 августа 2001 г.): Аннотации докладов. - Екатеринбург. - УрОРАН, 2001. - с. 322

5. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. - Л.:Химия,1981. - 248 с.

Рисунок 5. Сравнение зависимостей производительности озонатора от уцельной мощности разряда при различных режимах течения воздуха в разряде: (а) - ламинарный режим; (б) - турбулентный режим.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.