Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием
Представлены результаты исследования электродинамических характеристик безбарьерного разряда с электродами типа игла-плоскость при приложении высоковольтного импульса положительной полярности к острийному электроду. Определена эффективность синтеза озона в зависимости от длительности и частоты следо...
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81100 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием / В.И. Голота, Л.М. Завада, О.В. Котюков, А.В. Поляков, С.Г. Пугач // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 91-94. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81100 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-811002025-02-23T17:17:18Z Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием Підвищення ефективності синтезу озону в системі електродів голка-площина з імпульсним живленням Ozone synthesis efficiency upgrading in the pulsed point-to-plane gas discharge Голота, В.И. Завада, Л.М. Котюков, О.В. Поляков, А.В. Пугач, С.Г. Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд Представлены результаты исследования электродинамических характеристик безбарьерного разряда с электродами типа игла-плоскость при приложении высоковольтного импульса положительной полярности к острийному электроду. Определена эффективность синтеза озона в зависимости от длительности и частоты следования импульсов. Показано, что электродинамические характеристики разряда и эффективность синтеза озона в кислородсодержащих газовых смесях существенно зависят от параметров импульсного питания. В качестве высоковольтного коммутатора использовался скоростной высоковольтный полупроводниковый ключ серии HTS-300 фирмы BEHLKE Electronic GmbH (Germany). Представлені результати дослідження електродинамічних характеристик безбар´єрного розряду з електродами типу голка-площина при прикладанні високовольтного імпульсу позитивної полярності до острійного електроду. Визначена ефективність синтезу озону в залежності від тривалості та частоти повторення імпульсів. Показано, що електродинамічні характеристики розряду і ефективність синтезу озону в газових сумішах, що вміщують кисень істотно залежать від параметрів імпульсного живлення. Як високовольтний комутатор використовувався швидкісний високовольтний напівпровідниковий ключ серії HTS-300 фірми BEHLKE Electronic GmbH (Germany). Results are reported from the studies into electrodynamic characteristics of the barrierless point-to-plane gas discharge as a HV pulse of positive polarity is applied to the point electrode. The efficiency of ozone synthesis has been determined as a function of the length and repetition frequency of the HV pulse. It has been demonstrated that the electrodynamic characteristics of the discharge and the efficiency of ozone synthesis in oxygen-containing gas mixtures essentially depend on the parameters of HV power supply. A HV switch HTS-300 (BEHLKE Electronic GmbH) was used for HV pulse shaping. 2006 Article Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием / В.И. Голота, Л.М. Завада, О.В. Котюков, А.В. Поляков, С.Г. Пугач // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 91-94. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 52.80.-s https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81100 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд |
| spellingShingle |
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд Голота, В.И. Завада, Л.М. Котюков, О.В. Поляков, А.В. Пугач, С.Г. Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Представлены результаты исследования электродинамических характеристик безбарьерного разряда с электродами типа игла-плоскость при приложении высоковольтного импульса положительной полярности к острийному электроду. Определена эффективность синтеза озона в зависимости от длительности и частоты следования импульсов. Показано, что электродинамические характеристики разряда и эффективность синтеза озона в кислородсодержащих газовых смесях существенно зависят от параметров импульсного питания. В качестве высоковольтного коммутатора использовался скоростной высоковольтный полупроводниковый ключ серии HTS-300 фирмы BEHLKE Electronic GmbH (Germany). |
| format |
Article |
| author |
Голота, В.И. Завада, Л.М. Котюков, О.В. Поляков, А.В. Пугач, С.Г. |
| author_facet |
Голота, В.И. Завада, Л.М. Котюков, О.В. Поляков, А.В. Пугач, С.Г. |
| author_sort |
Голота, В.И. |
| title |
Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием |
| title_short |
Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием |
| title_full |
Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием |
| title_fullStr |
Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием |
| title_full_unstemmed |
Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием |
| title_sort |
повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81100 |
| citation_txt |
Повышение эффективности синтеза озона в системе электродов игла-плоскость с импульсным питанием / В.И. Голота, Л.М. Завада, О.В. Котюков, А.В. Поляков, С.Г. Пугач // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 91-94. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT golotavi povyšenieéffektivnostisintezaozonavsistemeélektrodoviglaploskostʹsimpulʹsnympitaniem AT zavadalm povyšenieéffektivnostisintezaozonavsistemeélektrodoviglaploskostʹsimpulʹsnympitaniem AT kotûkovov povyšenieéffektivnostisintezaozonavsistemeélektrodoviglaploskostʹsimpulʹsnympitaniem AT polâkovav povyšenieéffektivnostisintezaozonavsistemeélektrodoviglaploskostʹsimpulʹsnympitaniem AT pugačsg povyšenieéffektivnostisintezaozonavsistemeélektrodoviglaploskostʹsimpulʹsnympitaniem AT golotavi pídviŝennâefektivnostísintezuozonuvsistemíelektrodívgolkaploŝinazímpulʹsnimživlennâm AT zavadalm pídviŝennâefektivnostísintezuozonuvsistemíelektrodívgolkaploŝinazímpulʹsnimživlennâm AT kotûkovov pídviŝennâefektivnostísintezuozonuvsistemíelektrodívgolkaploŝinazímpulʹsnimživlennâm AT polâkovav pídviŝennâefektivnostísintezuozonuvsistemíelektrodívgolkaploŝinazímpulʹsnimživlennâm AT pugačsg pídviŝennâefektivnostísintezuozonuvsistemíelektrodívgolkaploŝinazímpulʹsnimživlennâm AT golotavi ozonesynthesisefficiencyupgradinginthepulsedpointtoplanegasdischarge AT zavadalm ozonesynthesisefficiencyupgradinginthepulsedpointtoplanegasdischarge AT kotûkovov ozonesynthesisefficiencyupgradinginthepulsedpointtoplanegasdischarge AT polâkovav ozonesynthesisefficiencyupgradinginthepulsedpointtoplanegasdischarge AT pugačsg ozonesynthesisefficiencyupgradinginthepulsedpointtoplanegasdischarge |
| first_indexed |
2025-11-24T03:46:38Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:46:38Z |
| _version_ |
1849641925485789184 |
| fulltext |
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНТЕЗА ОЗОНА В СИСТЕМЕ
ЭЛЕКТРОДОВ ИГЛА-ПЛОСКОСТЬ С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ
В.И. Голота, Л.М. Завада, О.В. Котюков, А.В. Поляков, С.Г. Пугач
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт"
Харьков, Украина
E-mail: zavadal@kipt.kharkov.ua
Представлены результаты исследования электродинамических характеристик безбарьерного разряда с
электродами типа игла-плоскость при приложении высоковольтного импульса положительной полярности к
острийному электроду. Определена эффективность синтеза озона в зависимости от длительности и частоты
следования импульсов. Показано, что электродинамические характеристики разряда и эффективность синте-
за озона в кислородсодержащих газовых смесях существенно зависят от параметров импульсного питания.
В качестве высоковольтного коммутатора использовался скоростной высоковольтный полупроводниковый
ключ серии HTS-300 фирмы BEHLKE Electronic GmbH (Germany).
PACS: 52.80.-s
ВВЕДЕНИЕ
Использование импульсного однополярного высо-
ковольтного питания позволяет существенно повысить
эффективность синтеза озона и снизить массогабарит-
ные характеристики источника высоковольтного пита-
ния. Оптимизация параметров импульсного питания
может быть решающим фактором широкого распро-
странения озонаторов безбарьерного типа (1,2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА
В настоящей работе исследовались электродина-
мические характеристики разряда, а также эффек-
тивность наработки озона в безбарьерном озонаторе
в зависимости от длительности импульса и частоты
повторения импульсов при разных расходах рабоче-
го газа. Анодная система реактора состояла из 800
игольчатых электродов, коаксиально расположен-
ных вдоль оси трубчатого катода. Зазор составлял
6 мм. Импульсное питание плазмохимического ре-
актора осуществлялось с помощью высоковольтного
импульсного коммутатора серии HTS-300 фирмы
BEHLKE Electronic GmbH. В качестве источника ра-
бочего газа использовался генератор кислорода AS-
12 фирмы «AirSep». Измерения проводились при
двух расходах рабочего газа через реактор: 0,7 и
5 л/мин.
На Рис.1 представлена принципиальная электри-
ческая схема экспериментальной установки. Дли-
тельность фронта высоковольтного импульса со-
ставляла 27 нс. Полное время спада напряжения на
реакторе составляло около 20 мс, т.е время спада
напряжения на реакторе соизмеримо с периодом
следования импульсов и реактор оказывается под-
ключенным к источнику медленно уменьшающегося
во времени высоковольтного напряжения, на фоне
которого подаются высоковольтные импульсы с
крутым передним фронтом (режим «long»).
Рис.1. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки
Для уменьшения длительности высоковольтного
импульса (режим «short») параллельно реактору
подключалось дополнительное разрядное сопротив-
ление R3, что приводило к сокращению времени
спада напряжения на реакторе до 250 нс.
В работе исследовались характеристики реактора
при трех режимах высоковольтного питания:
- длинные высоковольтные импульсы с крутым
передним фронтом (режим «long»);
- короткие высоковольтные импульсы с длитель-
ностью 300 нс (режим «short»);
- постоянное напряжение (режим «DC»).
Режим питания реактора постоянным высоко-
вольтным напряжением (режим «DC») достаточно
хорошо изучен [3-5] и использовался для сравнения
и анализа результатов измерений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Характерные осциллограммы импульсов напря-
жения и тока в режиме «short» и «long» представле-
ны на Рис.2. Отметим, что первый импульс на ос-
циллограмме тока через реактор (канал СH4) обу-
словлен зарядом емкости реактора, и вклад в сред-
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.91-94.
91
ний ток не дает. Второй импульс на осциллограмме
тока соответствует собственно току разряда в реак-
торе, причем в зависимости от режима работы реак-
тора и среднего тока, протекающего через реактор,
его форма существенно изменяется. В режиме
«long» токовые осциллограммы отображают только
ту часть тока разряда, которая соответствует им-
пульсной стадии разряда, часть тока, которая проте-
кает на стадии медленно спадающего напряжения,
измерялась отдельно.
Следует отметить, что в режиме «long» разряд в
реакторе начинался с большей временной задержкой
по отношению к фронту высоковольтного импульса
напряжения, чем в режиме «short». Величина за-
держки уменьшалась с ростом среднего тока через
реактор и увеличивалась с ростом частоты следова-
ния высоковольтных импульсов и могла достигать
нескольких микросекунд. Кроме того, в режиме
«long» форма токового импульса разряда и времен-
ная задержка по отношению к фронту высоковольт-
ного импульса напряжения от импульса к импульсу
имели не стабильные характеристики. Можно пред-
положить, что наблюдаемые различия электродина-
мических характеристик в режиме «short» и «long»
обусловлены влиянием объемного заряда.
В режиме «short» напряжение на реакторе в пе-
риод между импульсами отсутствует, что затрудня-
ет процесс рассасывания объемного заряда из раз-
рядного промежутка, поэтому к моменту прихода
последующего высоковольтного импульса в разряд-
ном промежутке остаются заряженные частицы. В
поле последующего импульса напряжения эти заря-
женные частицы облегчают условия для зарождения
нового стримера, что и приводит к понижению
напряжения зажигания разряда по сравнению с ре-
жимом «long».
Рис.2. Осциллограмма напряжения на реакторе (СH1 - первый канал осциллографа) и тока через реактор
(СH4 - четвертый канал осциллографа) при расходе рабочего газа 5 л/мин и частоте повторения высоко-
вольтных импульсов 333 Гц: а) режим «short», средний ток через реактор 0,2 мА; б) режим «short», сред-
ний ток через реактор 0,4 мА; с) режим «long», средний ток через реактор 0,2 мА; д) режим «long», сред-
ний ток через реактор 0,4 мА
Следует отметить, что если для режима «short»
вся мощность вкладывается в разряд за время про-
хождения токового импульса, то в режиме «long»
мощность, вложенную в разряд можно представить
в виде суммы двух вкладов слагаемых:
long pulse part DC partW W W= + , (1)
pulse partW − мощность, соответствующая импульс-
ной части разрядного тока; DC partW − мощность,
соответствующая постоянной составляющей тока,
92
а б
с д
Рис.3. Зависимость относительной величины импульсной составляющей мощности от полной мощности
(режим «long»), вложенной в разряд для разной частоты следования высоковольтных импульсов:
а) расход рабочего газа 5 л/мин; б) расход рабочего газа 0,7л/мин
который протекает после прохождения импульсной
части разрядного тока. На графике Рис.3 представ-
лена зависимость относительной величины им-
пульсной мощности K= pulse partW / longW от пол-
ной мощности вложенной в разряд в режиме «long»
при разных частотах следования высоковольтных
импульсов и расходах рабочего газа. Как видно из
графиков Рис.3, для режима «long» импульсная
часть мощности возрастает с ростом полной мощно-
сти вложенной в разряд. Причем, если при низкой
частоте следования импульсов питания реактора
pulse partW больше DC partW , то с ростом частоты
это соотношение изменяется на обратное.
По экспериментально измеренным значениям
вложенной в разряд мощности и концентрации озо-
на на выходе реактора были определены энергоза-
траты (см. Рис.4) на синтез озона для данного реак-
тора η:
3O
W = ,
n Q
η (2)
где nO3 − концентрация озона на выходе реактора,
г/м3; Q − расход рабочего газа через реактор, м3/ч.
Анализ данных графиков Рис.4 позволяет сде-
лать следующий вывод, что, как и для мощности,
производительность по синтезу озона для реактора в
режиме «long» Рlong можно представить в виде сум-
мы двух независимых процессов:
long pulse part DC part P P P .= + (3)
Ppuls part – производительность по озону за время про-
хождения импульсной составляющей мощности
pulse partW , когда озон нарабатывается аналогично
режиму «short» и, соответственно, энергозатраты на
синтез озона одинаковы с режимом «short». Произ-
водительность по озону PDC part соответствует вкладу
постоянной составляющей мощности озона.
Рис.4. Энергозатраты на синтез озона в зависимости от концентрации озона на выходе реактора:
а) расход рабочего газа 0,7 л/мин; б) расход рабочего газа 5 л/мин
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.91-94.
93
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования импульсного безба-
рьерного разряда в обогащенном кислороде при ат-
мосферном давлении с электродами типа игла-плос-
кость при приложении высоковольтного импульсно-
го питания положительной полярности к острийно-
му электроду показали, что при импульсном пита-
нии с длительностью высоковольтного импульса
300 нс, разряд в реакторе начинается при напряже-
нии на 20…25% ниже, чем при питании разаряда
длинными импульсами с резким фронтом нараста-
ния и медленным спадом (порядка 50 мкс). Это обу-
словлено влиянием остаточного объемного заряда в
межэлектродном промежутке к моменту прихода
последующего высоковольтного импульса напряже-
ния для коротких импульсов. В то же время для
длинных импульсов изоляционные свойства разряд-
ного промежутка к моменту прихода последующего
импульса восстанавливаются полностью.
Показано, что при использовании импульсного
питания с частотой следования импульсов от 100 Гц
до 10 кГц энергозатраты на синтез озона увеличива-
ются для импульса большей длительности. Это свя-
зано с тем, что для импульса напряжения с длитель-
ностью больше 300 нс, ток через реактор имеет кро-
ме импульсной еще и достаточно большую постоян-
ную составляющую, вклад которой увеличивается с
ростом частоты следования импульсов и уменьшает-
ся с увеличением средней мощности, вложенной в
реактор.
Было экспериментально подтверждено предпо-
ложение, что синтез озона при импульсном питании
плазмохимического реактора можно представить
как два независимых процесса: импульсная стадия с
низкими энергозатратами на синтез озона и стадия
медленно спадающего напряжения на реакторе, ко-
торой соответствует постоянная составляющая раз-
рядного тока через реактор и высокие энергозатраты
на синтез озона. Таким образом, чем больше величи-
на постоянной составляющей разрядного тока реак-
тора, тем выше энергозатраты на синтез озона.
Для коротких высоковольтных импульсов с дли-
тельностью меньше 300 нс. энергозатраты на синтез
озона составляли 5…6 Вт⋅ч/г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е.А. Горденя. О повышении эффективности ге-
нерации озона в стримерном коронном разряде
// Письма в ЖТФ. 1995, т.21, вып.17.с.28-32.
2. Р.Х. Амиров, Э.И. Асиновский, И.С. Самойлов,
А.В. Шепелин. Синтез озона в коронном разря-
де с комбинированным питанием // Применение
электронных пучков и импульсных разрядов для
очистки дымовых газов. 1991, с.42-46.
3. Л. Леб. Основные процессы электрических раз-
рядов в газах. М.-Л.: “Гостехтеориздат”, 1950.
4. Д. Мик, Д. Крэгс. Электрический пробой в га-
зах. М.: “ИЛ”, 1960.
5. В.И. Голота, Л.М. Завада, Б.Б. Кадолин и др. Ге-
нерация озона в тлеющем разряде положитель-
ной полярности // Вопросы атомной науки и
техники. 2000, №1, с.58-62.
OZONE SYNTHESIS EFFICIENCY UPGRADING
IN THE PULSED POINT-TO-PLANE GAS DISCHARGE
V.I. Golota, L.M. Zavada, O.V. Kotyukov, O.V. Poliakov, S.G. Pugach
Results are reported from the studies into electrodynamic characteristics of the barrierless point-to-plane gas dis-
charge as a HV pulse of positive polarity is applied to the point electrode. The efficiency of ozone synthesis has
been determined as a function of the length and repetition frequency of the HV pulse. It has been demonstrated that
the electrodynamic characteristics of the discharge and the efficiency of ozone synthesis in oxygen-containing gas
mixtures essentially depend on the parameters of HV power supply. A HV switch HTS-300 (BEHLKE Electronic
GmbH) was used for HV pulse shaping.
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СИНТЕЗУ ОЗОНУ В СИСТЕМІ ЕЛЕКТРОДІВ
ГОЛКА-ПЛОЩИНА З ІМПУЛЬСНИМ ЖИВЛЕННЯМ
В.І. Голота, Л.М. Завада, О.В. Котюков, О.В. Поляков, С.Г. Пугач
Представлені результати дослідження електродинамічних характеристик безбар´єрного розряду з
електродами типу голка-площина при прикладанні високовольтного імпульсу позитивної полярності до
острійного електроду. Визначена ефективність синтезу озону в залежності від тривалості та частоти
повторення імпульсів. Показано, що електродинамічні характеристики розряду і ефективність синтезу озону
в газових сумішах, що вміщують кисень істотно залежать від параметрів імпульсного живлення. Як
високовольтний комутатор використовувався швидкісний високовольтний напівпровідниковий ключ серії
HTS-300 фірми BEHLKE Electronic GmbH (Germany).
94
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт"
V.I. Golota, L.M. Zavada, O.V. Kotyukov, O.V. Poliakov, S.G. Pugach
|