Научная статья на тему 'Математическое моделирование барьерного электрического озонатора без системы охлаждения'

Математическое моделирование барьерного электрического озонатора без системы охлаждения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
86
26
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 «Математическое моделирование барьерного электрического озонатора без системы охлаждения»

Кузнецов В.А.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БАРЬЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОЗОНАТОРА БЕЗ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Построена, реализована и исследована математическая модель динамики характеристик барьерного электрического озонатора без системы принудительного охлаждения, учитывающая поле скоростей газа, тепловыделение в газе и на стенках разрядного промежутка. Проведенные на модели численные эксперименты хорошо согласуются с натурными экспериментами, позволяют исследовать динамику поля концентрации производимого озона и определять поведение производительности озонатора.

При расчетах производительности барьерных электрических озонаторов, работающих без охлаждения, в силу чувствительности озона к температурным условиям приходится учитывать их динамику во время работы аппарата. Исследованию возможности такого учета посвящена настоящая работа.

Большинство промышленных барьерных электрических озонаторов работают длительное время в установившемся режиме [1, 2], так как выделяющееся в барьерном электрическом разряде тепло, как правило, отводится мощной системой охлаждения водой. С одной стороны, это приводит к необходимости увеличивать размеры озонаторов, а с другой - требует строительства специальных помещений и оборудования для поддержания стабильного температурного режима. В тех случаях, когда указанные условия невозможно выполнить или озонатор не должен работать длительное время, возникает вопрос о возможностях использования озонаторов без системы принудительного охлаждения.

Изложенная проблема привела к необходимости исследования динамики физико-химических процессов и их характеристик в нагревающемся от электрического разряда озонаторе.

Поэтому задачей исследования являлось построение методики расчета оптимальных режимов работы барьерного электрического озонатора без системы принудительного охлаждения.

Решение поставленной задачи производится с помощью математической модели, в основу которой заложены:

- обобщенное кинетическое уравнение для расчета поля концентрации озона;

- гидродинамическое уравнение Навье -Стокса для расчета поля скоростей ламинарного течения газа;

- уравнение теплового баланса для расчета поля температуры в разрядном промежутке.

Модель процессов в барьерном электрическом озонаторе для рассматриваемого случая имеет следующие особенности. Промежуток времени, за который происходит существенное

изменение поля температуры в элементах озонатора (минуты), значительно превышает время пребывания частиц газа в разрядной зоне (секунды). Поэтому при расчете поля скоростей течения газа в разрядном промежутке в каждый момент времени в модели используется, как и в [3], стационарное гидродинамическое уравнение Навье - Стокса. Полученное поле скоростей в газе используется при моделировании поля концентрации озона. Но существенной особенностью рассматриваемого случая является температурная нестационарность этих полей.

Параметры модели «нагревающегося» озонатора содержат в отличие от построенной в [3] модели озонатора, работающего в стационарном режиме, дополнительно: коэффициенты теплоемкости барьера с(Б), металлического электрода -с(М), плотность материала барьера - сБ, металла -сМ и начальную температуру озонатора ТН .

Зависящими от времени здесь становятся переменные величины модели: температура в элементах озонатора Т (х, у, 1) (1 =1, 2, 3) (см. рис. 1), поле концентрации озона в разрядном промежутке С(х, у, 1), средняя интегральная концентрация озона в поперечном сечении разрядного промежутка Сср(у, 1) и средняя интегральная производительность этих сечений 0т(у, 1). Дополнительной выходной характеристикой модели здесь вводится время ненулевой производительности озонатора и производительность по озону за один период его работы.

Расчет поля температуры в зазоре (зона 1 на рис. 1) в зависимости от времени работы озонатора производится с учетом влияния всех остальных зон по следующим уравнениям.

Зона 1: 1г

Э2Т Э2Т

Эх2 Эу2

+qг

ЭТ

- Срг -Рг • V (х,уД) — = Рг • Срг

Эу

ЭТ

Э1

Зона 2:1 Б

Э2Т2 Э 2Т2

—- + —-

Эх2 Эу2

= Рб - с

(Б) ЭТ2

Э1

(1) (2)

Естественные науки

Зоны 3: 1

/э2т3

м

э 2т3

Эх2 Эу2

= Рм • с(м) Э^ (3)

Граничные условия для поля температуры

имеют вид (см. обознач. на рис. 1): Т1 |Г исходная температура газа;

= ТЛ

ЭТ! ЭТ, ЭТ2 ЭТ3 ЭТ3

Эу Г12 Эу Г22 Эу Г21 Эу Гз1 Эу Гз2

= 0 (4)

Т1 =Т2

2

= т.

з1ь,

= Т1

Л ЭТ2

Л ЭТз

= Л м "ЭХ

ЭТ2

Ьз

эл

Эх

Л ЭТз

+q гм

Эх

Л ЭТ

= Лг —— Эх

+q гб

Рисунок 1. Схема разрядного промежутка барьерного электрического озонатора: 1 - разрядный промежуток; 2 - диэлектрический барьер; 3 - металлические электроды.

Расчеты на построенной модели дают зависимости от времени следующих величин: 1) распределение температуры в элементах озонатора; 2) распределение концентрации озона в разрядном промежутке озонатора; 3) производительность озонатора и сечений его разрядного промежутка в любой момент времени; 4) энергетический выход озона в любой момент времени; 5) производительность за один период работы; 6) время ненулевой производительности озонатора.

Далее приводятся результаты расчетов динамики выходных характеристик модели озонатора со следующими входными параметрами:

Ь2 Ь2

Начальное условие: Т(х; у; 0) = Тн (1 =1, 2, 3) -начальная температура озонатора до его включения. Здесь: Т1(х; у; 1) - температура в точке (х; у) 1-й зоны озонатора в момент времени 1; дГ -объемная плотность мощности выделения тепла в газе; д*ГБ - поверхностная плотность мощности источников тепла на границе газ-барьер; Я*ГМ - поверхностная плотность мощности источников тепла на границе газ-металл; лГ, лБ, лм - коэффициенты теплопроводности газа, барьера и металла.

Реализация модели проводилась численно и дала результаты, отклоняющиеся от контрольных натурных экспериментов в пределах 5-13%.

длина электродов 1 м;

общая площадь электродов - 2 5 м ;

ширина разрядного промежутка 3 мм;

толщина барьера (стекло) 2 мм;

толщина электродов (нерж.сталь) 5мм;

рабочее давление газа 0,16 мПа;

расход газа 10 м3/ч;

исходная температура озонатора -10° С;

исходная температура газа -10° С;

амплитуда подаваемого напряжения 24 кВ;

частота 50 Гц.

Сравнительно толстые электроды здесь выбраны умышленно для обеспечения запаса тепловой инерции в озонаторе при его предстоящем нагревании.

Рисунок 2. Зависимость средней температуры в разрядном промежутке озонатора (без системы охлаждения) от времени: I - режим производства озона (расход воздуха - 10 м3 /ч); II - режим продувки при отключенном напряжении, расход воздуха - 100 м3 /ч.

С,% об

' \

а) \

\ 1, мин

1111 —►

i к Q, г/ч

250

200 \

150 . . б) >

100 . ■ \

50 \ 1, мин —X—1—►

24 30 36

Рисунок 3. Зависимость от времени работы озонатора без принудительного охлаждения: а) концентрации озона; б) производительности озонатора.

20

10

1,00

0 6 12 18

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

0 6

18

24 з0

36

Кузнецов ВА.

Математическое моделирование барьерного электрического озонатора...

Расчеты показали, что за 30 мин. работы такой озонатор нагревается в среднем до температуры 440 С (см. рис. 2). Концентрация озона при электросинтезе из воздуха держится примерно на одном уровне в течение 18 мин. (1% об.), а затем начинает резко падать и к 29-й минуте работы озонатора оказывается равной нулю (рис. 3а). Соответственно этому ведет себя и производительность озонатора - сначала 250-280 г/ч, а затем падение к нулю (рис. 3б). Энергетический выход озона удерживается 18 мин. примерно на уровне (22-19 мг/кДж), а затем быстро убывает к нулю.

Дальнейшее численное экспериментирование, проведенное на модели, показало, что для каждой конструкции озонатора такого типа, его условий работы и исходной температуры существует и может быть определен реальный временной промежуток, в течение которого возможна стабильная по производству озона работа озонатора.

Следует отметить, что расчет времени, необходимого для охлаждения озонатора (после периода его работы) продувкой воздуха при отключенном напряжении, может быть произве-

ден при необходимости по тому же алгоритму, что и исходный расчет. Для этого требуется только соответствующее задание исходных данных. Так, по проведенным расчетам, для озонатора с параметрами приведенными выше, и расходом охлаждающего воздуха Ру=100 м3/ч для охлаждения барьера озонатора, имеющего исходную температуру 1=400 С, до средней температуры +30 С требуется 63 мин. (рис. 2). А при расходе в 500 м3/ч за это же время барьер охладится до -9,50 С.

В результате проведенного математического моделирования барьерного электрического озонатора с температурной динамикой подтверждена реальность предложенного циклического режима его работы и разработана методика расчета таких озонаторов без системы охлаждения.

Чередование промежутков работы таких озонаторов с промежутками охлаждения может стать полезной системой работы озонаторов в условиях, затрудняющих использование системы постоянного охлаждения аппаратов во время их работы.

Список использованной литературы:

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

2. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М.,1987. - 237 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. - 17с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.