Технические науки

Д.т.н. Боканова¹ А.А., д.т.н. Бахтаев² Ш.А., Абдурахманов² А.А., к.т.н. Абишова³ А.С.

¹Казахский национальный исследовательский технический университет им.К.И.Сатпаева, Казахстан

²Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан

³Алматинский технологический университет, Казахстан

Исследование приборов контроля озонаторной установки

В большинстве случаев известные способы и методы для контроля дисперсного состава аэрозолей в газе отличаются трудоемкостью анализа и не обеспечивают непрерывность измерения. Кроме того, за исключением анализа под микроскопом, все методы являются косвенными и работают в узком диапазоне размеров аэрозолей. Известен способ контроля концентрации озона в потоке озонсодержащего газа. Способ основан на измерении величины разности напряжений на нагрузках двух последовательно расположенных участков положительного коронного разряда при прохождении через них потока газа, причем в первом участке обеспечивается взаимодействие озонсодержащего газа с положительным объемным зарядом, а во второй участок разряда поток газа поступает без озона [1]. Ввиду того, что в этом способе в основу контроля озона положены молекулярные процессы, протекающие при взаимодействии молекул озона с ионами азота и кислорода в положительном объемном заряде коронного разряда, в данном случае зарядка диспергированных частиц в потоке газа протекает малоэффективно. Это ведет к непригодности предложенного способа для контроля степени загрязненности газа. Поэтому возникла необходимость в разработке устройства контроля загрязненности газа, который обеспечивал бы высокую точность, широкий диапазон и непрерывность измерений, а также простоту и удобство при работе.

В предлагаемом устройстве объемные заряды разной полярности в камерах образуются между коронирующими иглами и металлическими сетками, служащими в качестве внешних электродов. В этом случае направления потока загрязненного газа и токовых линий аэроионов совпадают и при соблюдении условия «прозрачности» сеточного электрода к аэрозольным частицам влияние эффекта «потери аэрозолей» на счетные характеристики устройства, будет минимально. Кроме того, следует считать, что для процессов зарядки и разрядки аэрозолей более предпочтительней является одно направленность потоков аэрозолей и аэроионов, ежели при их пересечениях, как было в прототипе. Между тем, едва ли такое положение может сыграть существенную роль в процессах контроля из-за высоких скоростей ионов (»5 ×10²м/с) по сравнению со скоростями потока аэрозольных частиц.

Следует отметить, что в этом случае предлагаемое устройство работает по принципу действия ионно-конвекционного насоса [1]. В устройстве в отличие от прототипа поток загрязненного газа через измерительные камеры создается естественным образом с помощью электрического ветра, возникающего между коронирующими иглами и плоскими сетчатыми электродами (1-3м/с). В конечном итоге, изменения величины скорости потока газа через камеры коронного разряда не оказывают влияние на точность контроля из-за равенства времен зарядки и разрядки аэрозолей.

В устройстве измерительные камеры электрически подключены к источнику питания параллельно, что обеспечивает измерения токов зарядной и разрядной камер раздельно, что отличает его от известных. Таким образом, соединение измерительных камер позволяет определить эффективность тех или других процессов взаимодействия аэроионов с аэрозольными частицами и изучить их диэлектрические свойства, размеры и зарядовую плотность. В то же время, в процессе контроля используется один измерительный прибор, включенный в общую цепь схемы.

Предлагаемое устройство обладает более высокой точностью контроля, так как в виду одно направленности потоков аэрозолей и аэроионов и применения в качестве внешнего электрода плоской металлической сетки эффект «потери аэрозолей» в зарядной камере сведен до минимума. Кроме того, для работы устройства не требуется принудительного дутья загрязненного газа через него, поступление атмосферного воздуха с аэрозольными частицами обеспечивается электрическим ветром, образующимся в измерительных камерах при возникновении коронного разряда между иглами и внешними электродами. Устройство приспособлено работать при любых естественных потоках загрязненного газа, так как влияние скорости потока на результат измерения исключается из-за равенства времен зарядки и разрядки частиц. В прототипе не обеспечивается высокая точность контроля из-за последовательного подключения двух камер, что ведет к перераспределению напряжении между ними в процессе работы.

На рисунке представлена функциональная схема устройства для контроля загрязненности атмосферного воздуха.

Предлагаемое устройство содержит корпус из диэлектрического материала 1, коронирующие иглы 2 и внешние электроды в виде металлических сеток 3. Коронирующие иглы 2 соосно с корпусом 1 крепятся к сеточным электродам. Сеточный электрод, к которому закреплена вторая игла является одновременно внешним электродом для первой зарядной камеры и служит общей электрической цепью для двух камер из-за заземления его через выходной прибор 4. Металлическая сетка, к которой закреплена первая игла и сеточный электрод 3, служащий внешним электродом для второй разрядной камеры соединяются через измерительные приборы 5 и балластные сопротивления R с отрицательным полюсом источника питания. После подключения высокого напряжения и возникновения коронного разряда в камерах в рабочем объеме образуется электрический ветер в направлении коронирующих игл 2.

1 –корпус; 2 –коронирующие электроды; 3 –внешние электроды; 4 –выходной прибор; 5 – измерительный прибор; 6 –загрязненный газ

Рисунок. Устройство для контроля загрязненности газа

Устройство работает следующим образом. При подаче достаточно высокого напряжения на первую иглу 2 между ней и сеточным электродом 3 возникает отрицательный коронный разряд, в то время между второй иглой 2 и сеточным электродом 3 появляется положительный коронный разряд. После чего с помощью электрического ветра загрязненный газ, в котором измеряется содержание пыли (аэрозолей), втягивается в рабочий объем устройства, где он взаимодействует поочередно, сначала с отрицательным, а затем с положительным объемными зарядами разрядных промежутков. В зарядной камере аэрозольные частицы заряжаются отрицательно и, увлекаясь электрическим ветром, покидают зону разряда, тем самым уменьшая ток разряда в общей цепи схемы. Затем отрицательно заряженные частицы попадают в зону второй разрядной камеры, где коагулируют с положительными ионами и, нейтрализуясь, уменьшает еще раз ток коронного разряда [1]. Таким образом, по значению отклонения показания выходного прибора 5 от первоначального определяется степень загрязненности газа, проходящего через рабочий объем устройства, причем из-за применения сеточных электродов влияние эффекта «потеря аэрозолей» на точность контроля сводится к минимуму. К тому же измерительные камеры работают независимо друг от друга из-за параллельного подключения их к источнику питания, и поэтому изменения токов разряда в камерах при прохождении загрязненного газа суммируются без потерь.

Устройство имеет следующие параметры: радиус иглы 0,2 мм, корпус из диэлектрического материала имеет внутренний диаметр, равный 15 мм, расстояния между иглами и сеточными электродами равны 8 мм, окно сеток - 2´2 мм², напряжение питания может меняться в диапазоне от 6 до 14 кВ, рабочий ток коронного разряда может быть выбран в пределах от 10 до 20 мкА в зависимости от степени загрязненности атмосферного воздуха.

Испытания и контрольные измерения предлагаемого устройства были выполнены в условиях задымленности атмосферного воздуха. Испытания показали, что стабильный электрический ветер через устройство устанавливается в течение 2-3 сек, после чего можно производить измерения. Чувствительность измерения устройства к высокодисперсным частицам в виде дыма оказалась высокой, при этом рабочий ток может уменьшаться на 4-5 мкА, причем это значение не зависит от величины рабочего тока. Это значит, что высокодисперсные частицы заряжаются предельным зарядом и его величина дальше уже не зависит от увеличения плотности аэроионов в разрядном промежутке. При увеличении задымленности воздуха, примерно в 2 раза, рабочий ток уже снижается на 6 мкА, что показывает существование некоторой нелинейности в зависимости тока разряда от степени загрязненности атмосферного воздуха.

Литература:

1. Бахтаев Ш.А., Боканова А.А., Бочкарева Г.В., Сыдыкова Г.К. Физика и техника коронноразрядных приборов. –Алматы: АУЭС, 2007. –С.50-58.