Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
158
принудительным  дутьём,  определяется    следующей  приближённой  формулой,  которая 
справедлива для случая R > 1 мм: 
     
 
 
U
в
 = 
3
/
8Rg  
≈  
R
, 
                                    (1) 
 
где  g – ускорение    свободного  падения,  равное 10 м/сек
2
 /8/. В  этом  случае  время 
нахождения  пузырька  на  острие иглы  будет  приближённо  равно 
Δ Т
п
 = 2
R
.  В  этом  и 
другом  случаях  промежуток  времени,  когда  пузырёк  находиться  на  острие,  определят 
длительность  разрядных  процессов  в  пузырьке  газа  и,  следовательно,  по  его  величине 
рассчитываются параметры разрядного устройства. 
Главным моментом для возникновения коронного разряда в пузырьке газа является 
начальная  напряжённость  поля  Е
k
,  которая    определяется  как  напряжённость  поля  на 
поверхности острия иглы коронирующего электрода. Экспериментальные зависимости Е
k
 
в воздухе хорошо аппроксимируются уравнением: 
   
   
)
/
1
(
δ
δ
r
B
A
E
k
+
=
,                                           (2) 
 
где 
;
5
,
1
=
B
 
)
5
,
6
5
(
÷
=
A
кВ/см (для отрицательного коронного разряда); 
δ
 - 
относительная плотность воздуха, равная для Алматы 0,9 /9/.   
       
Таким образом, расчетная формула значений Е
k
 выглядит следующим 
образом: 
 
 
   
r
E
k
12
,
7
5
,
4
+
=
,
                                                                       
(3) 
где Е
k
 в кВ/см, r – см.  
        Известно,  если  расстояние  до  внешнего  электрода  значительно  больше  радиуса 
кривизны  коронирующего  электрода  в  виде  острия,  то  электрическое  поле 
сконцентрировано  вблизи  острия,  а  напряженность  на  его  поверхности  определяется,  в 
основном, отношением приложенного напряжения к радиусу кривизны острия (Е
≈ U/r) и 
мало  зависит  от  межэлектродного  расстояния (R). Это  позволяет  при  сравнительно 
небольших напряжениях и значительных межэлектродных расстояниях получать высокие 
Е на острие электрода, что обеспечит  появление интенсивного коронного разряда. 
       Исходя из общеизвестных закономерностей,  приведем выражения для определения 
времени зарядки и разрядки устройства: 
   
;
ln
0
2
1
2
k
U
U
U
U
c
R
T
T
−
−
=
−
   
,
ln
0
1
3
4
U
U
c
R
T
T
m
=
−
                             (4) 
 
где  U
m
 – максимальное  напряжение  на  острие  электрода,  которое  достигается  при 
протекании коронного разряда в пузырьке (Т
3
 – Т
2
). 
        Приведенные выражения (1-4) позволяют выполнить оценочные расчеты и сравнить 
их  с  экспериментальными  данными,  полученными  на  одном  из  вариантов  устройства, 
реализующего предложенный способ получения коронного разряда в жидкости. 
        Для  сравнения    с  экспериментальными  данными  были  произведены  оценочные 
расчеты  всех  параметров  устройства  при  постоянстве  радиуса  кривизны  острия 
коронирующего электрода (r = 0,05 см) и для трех размеров пузырьков газа (таблица). При 
этом получены: U
k
 = 1,82 кВ, E
k
 = 36,42 кВ/см. По данным таблицы 1 выбрано значение 
напряжения источника питания U = 5,4 кВ. 
Исходя  из  данных  таблицы,  было  собрано  устройство  на  одиночных  пузырьках 
воздуха,  всплывающих  в  воде.  Пузырьки  воздуха  создавались  с  помощью 
микрокомпрессора,  а  коронирующий  электрод  располагался  в  воде  в  вертикальном 
положении.  Коронирующий  электрод  представляет  собой  проволоку  из  нержавеющей 
стали диаметром 1 мм, которая помещена в стеклянный капилляр и конец ее затуплен под 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
159
полушар. Напряжение  питания составило 5,4 кВ, а зарядное устройство имело следующие 
параметры: С = 0,1 мкФ, R
1 =  
100 кОм,
 
R
2
 = 400 кОм. Размеры всплывающих пузырьков 
колебались от 0,3 до 0,5 см, причем, протыкание их острием иглы также неравномерно. 
 
          Таблица 1 – Расчетные оценки параметров устройства 
 
R, см 0,1 
0,2 
0,3 
П
T
Δ
,сек 
0,063 0,089 0,109 
R
1
, кОм 100 
100 
100 
R
2
, кОм 300 
400 
500 
С, мкФ 0,1 
0,1 
0,1 
Т
1
-Т
2
,сек 0,015 
0,022 
0,027 
Т
3
-Т
4
,сек 0,048 
0,067 
0,082 
 
Опытные  испытания  устройства  показали  следующее.  В  период  ожидания 
напряжение U
0
 составило не более 1 В, т.е. ток, который течет при замкнутом состоянии 
электрода  с  жидкостью,  определяется  значениями  R
1
  и    R
2
.  В  момент  прохождения 
пузырька воздуха через иглу электрода появляется импульс тока длительностью о,1 сек с 
амплитудой  порядка 2 кВ,  что  достаточно  для  возникновения  коронного  разряда,  т.к. 
коронный разряд в пузырьке воздуха является маломощным, и свечение его наблюдается 
только  в  темноте.  Следует  отметить,  что  свечение  разряда  также  носит  статистический 
характер. 
Другое  устройство,  предлагаемое  авторами,  позволяет  вести  физико-химическую 
обработку  технологических  растворов  и  жидкостей,  где  окислительные  процессы  слабо 
протекают с озоном и совсем не протекают с обычным кислородом. Для этого устройство 
помещается  в  жидкость  или  раствор  и  через  него  создается  избыточное  давление 
кислородсодержащего  газа  (воздух,  кислород),  что  ведет  к  барботажу  жидкости.  После 
чего,  при  подаче  достаточно  высокого  напряжения  между  электродами  устройства 
возникает  электрический  разряд,  который  ведет  к  образованию  озона  и  других 
высокоактивных  атомов  и  молекул  кислорода,  попадающих  вместе  с  потоком  газа  в 
жидкость /10/. 
Устройство  содержит металлический  корпус  в  виде  цилиндра,  на  который  насажен 
металлический  полушар  с  отверстиями,  служащий  в  качестве  внешнего  электрода. 
Коронирующий электрод в виде иглы расположен осесимметрично с внешним цилиндром 
корпуса и находится в центре полушарового электрода. Иглодержатель крепится соосно к 
корпусу  с  помощью  диэлектрического  кольца  с  отверстиями  для  прохождения  потока 
газа, который нагнетается в корпус через входную трубку. Корпус устройства помещается 
в рабочий объем с жидкостью. 
Устройство  представляет  собой  длинную  трубу  и  может  быть  помещено  в  любом 
положении  и  в  любом  месте  рабочего  объема  с  жидкостью.  В  корпус  нагнетается 
кислородсодержащий  газ,  который  проходя  через  отверстия,  попадает  в  жидкость  и 
барботирует ее. После установки стабильного режима барботируемой жидкости и между 
электродами  подается  напряжение  достаточной  величины  для  возникновения  и 
протекания  коронного  разряда.  Полученные  в  разрядном  промежутке  активные 
компоненты  кислорода  и  озон  с  помощью  протекающего  газа  через  отверстия 
доставляются  в  реакционную  зону  жидкости,  причем,  скорость  потока  газа 
рассчитывается  по  значениям  расхода  газа  через  устройство  и  по  внутреннему  сечению 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
160
цилиндра корпуса. Ввиду того, что разрядный промежуток имеет сложную сферическую 
конфигурацию,  это  может  вести  к  ошибке  при  определении  скорости  потока.  Поэтому, 
практически  значение  скорости  потока  берется  с  запасом  и  устанавливается  намного 
больше, чем необходимо. 
В  связи  с  тем,  что  окислительное  действие  озона  на  органические  соединения 
общеизвестно /11/, а  изучение  процессов  взаимодействия  других  химически  активных 
компонентов  кислорода  находится  в  начальном  этапе,  предложенное  устройство  было 
экспериментально проверено в рабочем объеме с водой без определения концентраций и 
степени  взаимодействия  активированного  кислорода  (кроме  озона)  на  органические  и 
другие вещества. Устройство имеет следующие параметры: радиус иглы – 0,1 мм, радиус 
полушара  равен 5 мм,  диаметры  отверстий (5 шт.)  симметрично  расположенных  по 
полушарию,  равны 3 мм,  диаметр  внутреннего  цилиндра  корпуса – 10 мм,  отверстия (6 
шт.) в диэлектрическом кольце имеют диаметры по 2 мм, а  иглодержатель представляет 
собой  капиллярную  трубку  из  стекла  с  наружным  диаметром 4 мм.  При  напряжении 
питания  отрицательной  полярности  на  коронирующем  электроде  ток  разряда  равен 1,2 
мА,  что  обеспечило  производительность  по  озону 0,2 г/ч  при  потребляемой мощности 5 
Вт. 
Микрокомрессор    обеспечивает  расход  воздуха  через  устройство  порядка 15 м
3
/ч, 
что  позволяет  получить  скорость  потока  воздуха  внутри  корпуса,  равной 0,05 м/с.  При 
такой  скорости  обеспечивается  доставка  в  реакционную  зону  активного  компонента 
кислорода  с  минимальным  временем  жизни 0,1 с.  Концентрация  озона  на  выходе 
устройства составила 14 мг/м
3
, а предварительные расчеты концентраций О(
3
Р) и О
2
 (
1
Δ
g)  
на выходе дали 0,2 и 0,6 доли озона, соответственно. 
Выводы      
Устройство  обеспечивает  стабильность  режима  процессов  образования  активных 
компонентов кислорода в коронном разряде и своевременность их доставки в реактивную 
зону  в  жидкости.  Кроме  того,  предлагаемое  устройство  ввиду    существующей 
возможности регулирования расхода воздуха через устройство, что же самое возможности 
выбора  времени  доставки  активного  компонента,  создает  условие  для  ведения 
избирательной реакции того или иного компонента кислорода с объектом. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
1.  Бахтаев Ш.А. и др. Озонаторы на коронном разряде (аналит. Обзор). КазгосИНТИ, 1998, 
30 с. 
2.  Бахтаев  Ш.А.,  Бокова  Г.И.,  Утеуов  М.Х.  Условия  получения  коронного  разряда  в 
жидкости //Вестник АГУ. Сер. Физ.-мат., №1 (3), 2001, с.22-25. 
3.  Предпатент РК № 8625, кл. С01В 13/11, 2000. 
4.  Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск. Изд-во ТГУ, 1975. 
5.  Техн. Физ., 1986, 56, №8, с.1569-1572. 
6.  А.с.СССР №316646, кл. С 01В 13/12, 1971. 
7.  Предпатент РК № 11891, кл. Н01Т 19/04, С02F 1/48 
8.  Гегузин Я.Е. Пузыри. М., 1985, 112 с.. 
9.  Бахтаев Ш.А. Коронный разряд на микропроводах, Алма-Ата, 1984, 138 с. 
10.  Предпатент РК № 11961, кл. С01 В13/11, С012D 13/02. 
11. Разумовский  С.Д.,  Заиков  Г.Е.  Озон  и  его  реакции  с  органическими  соединениями.  М., 
Наука, 1974, 142 с. 
 
 
 
 
 
 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
161
УДК 628.162.8 
 
Абдрешова Самал Бексултановна – ст. преподаватель (Алматы, АИЭС) 
Бахтаев Шабден Абуович - д.т.н., профессор (Алматы, АИЭС) 
Шарипова Сара Аубакировна - к.х.н., доцент (Алматы, КазНТУ) 
Дюсебаев Марат Канафьевич - д.т.н., профессор (Алматы, АИЭС) 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА  С 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ   
БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА 
 
Барьерный  разряд  состоит  из  большого  числа  микроскопических  разрядов, 
пронизывающих  заполненный  газом  зазор  между  барьерами;  при  давлениях  порядка 
атмосферного они представляют искровые разряды малой мощности. Несмотря на то, что 
благодаря  наличию  диэлектрика  барьерный  разряд  отличается  от  обычных  разрядов  с 
металлическими  электродами,  в  обоих  случаях  в  динамике  изменение  распределений 
локальной  напряженности  электрического  поля  и  концентраций  заряженных  частиц  в 
разрядном  промежутке  есть  много  общего;  например,  к  процессам  в  барьерном  разряде 
применимы представления о лавинно-стримерном переходе /1/. 
Процесс  формирования  искрового  пробоя  определяется  интенсивностью  процесса 
ионизации  газа  на  стадии  развития  одиночной  электронной  лавины  и  на  последующих 
стадиях.  Важным  моментом  является  правильное  описание  процесса  нарастания 
концентрации  заряженных  частиц  в  разрядном  промежутке,  обычно  для  этого 
используется коэффициент ударной ионизации α – число пар ионов, которое создает один 
электрон  на  единице  длины  пути  при  своем  дрейфе  в  электрическом  поле.  При  этом 
нарастание числа носителей в лавине, созданной одним электроном, подчиняется закону 
 
N = ехр (αx), 
 
где  х = vt – расстояние,  пройденное  электроном  за  время t при  движении  с  дрейфовой 
скоростью v. В  однородном  электрическом  поле  при  эмиссионном  токе  с  катода  I
эм
, 
ударной  ионизации  в  газе  и  вторичных  процессах  на  катоде  полный  ток  в  цепи 
определяется выражением 
[
]
1
)
exp(
1
)
exp(
−
−
=
ad
ad
I
I
эм
γ
, 
 
где d – расстояние  между  электродами,  γ – коэффициент  Таунсенда,  характеризующий 
вторичные процессы. 
Коэффициент  ударной  ионизации  связан  с  напряженностью  поля  Е  и  давлением 
газа р законом подобия, который можно получить в виде: 
 
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
p
E
B
A
p
exp
α
, 
 
где А и В зависят от газа и интервала параметра Е/р. 
Отличительным  признаком  таунсендовского  механизма  пробоя  является  то,  что 
объемный  заряд  электронной  лавины  практически  не  искажает  электрическое  поле  в 
разрядном промежутке, т.е. число электронов в лавине меньше некоторого критического 
N
кр
 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
162
exp(αd) < N
кр
, 
 
при этом должно выполняться условие самостоятельности разряда 
 
μ = γ /ехр(αd)/ ≥ 1, 
 
смысл  которого  в  том,  что  при  развитии  одиночной  электронной  лавины  в  результате 
вторичных  процессов  на  катоде  возникает  хотя  бы  один  электрон,  который  порождает 
новую  лавину.  Параметр  μ  показывает  во  сколько  раз  число  электронов  в  каждой 
последующей лавине больше, чем в предыдущей /3/. 
Увеличение усиления в лавине приводит к росту числа фотонов и положительных 
ионов,  что  приводит  к  росту  вероятности  освобождения  новых  электронов  из  катода  и 
формирование таким образом лавинных серий, 
В  случае  перенапряжения  с  коэффициентом 
%
100
1
⋅
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
Π
ПР
E
E
K
, (Е,  Е
ПР
 – 
напряженность  поля  в  промежутке  и  пробивная  напряженность  поля)  число  носителей  в 
лавине  растет,  условия  развития  одиночной  лавины  существенно  изменяются  и 
реализуется стримерный механизм пробоя, критерием которого является соотношение 
 
exp(αd) > N
кр
. 
 
Когда  число  электронов  достигает  N
кр
,  в  лавине  создаются  условия,  при  которых 
может  протекать  стримерный  разряд,  т.е.  может  образоваться  узкий  светящийся  канал 
ионизированного  газа,  который  распространяется  с  высокой  скоростью,  до 10
6 
м/с. 
Пространственный  заряд  лавины  становится  достаточным,  чтобы  электрическое  поле 
внутри  нее  было  сравнимо  с  внешним  полем  и  направлено  противоположно  ему;  на 
«головке»  и  на  «хвосте»  лавины  оказывается  усиленным,  при  этом  лавина  излучает 
достаточно большое число фотонов для фотоионизации газа в области усиленного поля. В 
этих  условиях  из  лавины  быстро  распространяются  к  аноду  и  катоду  слабопроводящие 
каналы  малого  диаметра,  которые  называются  анодным  и  катодными  стримерами.  В 
результате  в  разрядном  промежутке  образуется  перемычка  в  виде  узкого  канала, 
выделение  энергии  в  котором  приводит  к  росту  его  проводимости  и  формированию 
искрового  разряда.  Время  от  начала  стримерной  фазы  разряда  до  образования 
высокопроводящего  канала,  как  правило,  меньше,  чем  время  развития  лавины  с  числом 
носителей N
кр
. Тогда время формирования стримерного пробоя оценивается как 
 
t
ф  
≈ (ln N
кр
) / αv 
 
Многочисленными экспериментами установлено, что лавинно-стримерный переход 
осуществляется при N
кр
 ~ 10
8
, поэтому lnN
кр
 ≈ 18 ÷ 20. 
Познакомившись  с  основными  представлениями  о  лавинно-стримерном  переходе 
перейдем  теперь  к  рассмотрению  барьерного  разряда.  Основное  отличие  барьерного 
разряда  от  разряда  с  проводящими  электродами  заключается  в  том,  что  интенсивный 
перенос заряда между электродами в барьерном разряде снижает напряженность поля за 
счет  зарядов,  осевших  на  поверхности  диэлектрика,  и  разряд  прекращается;  поэтому  в 
барьерном  разряде  присутствуют  начальные  стадии  лавинно-стримерного  перехода,  но 
отсутствуют стадии термической ионизации. 
При наличии диэлектрических барьеров возможно существование двух различных 
механизмов формирования ионизационных волн в канале микроразряда /4/. 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
163
Первый – механизм  двух  стримеров – действует  при  достаточно  больших 
начальных  концентрациях  электронов  и  больших  величинах  напряженности 
электрического поля. Электронная лавина, возникающая в этом случае, еще не достигнув 
анода, вызывает значительное возмущение электрического поля в разрядном промежутке, 
что  приводит  к  появлению  двух  ионизационных  волн,  распространяющихся  к  аноду  и 
катоду,  что  аналогично  начальной  стадии  искрового  разряда  между  проводящими 
электродами. 
Второй – механизм  катодного  стримера – действует  при  малой  начальной 
концентрации  электронов  и  небольших  значениях  напряженности  поля.  В  этом  случае 
первая  лавина  может  быть  небольшой  и  не  приводят  к  заметному  изменению 
электрического  поля  в  разрядном  промежутке,  но  она  приводит  к  созданию  запаса 
отрицательных  ионов,  что  в  дальнейшем,  приводит  к  перераспределению  зарядов  в 
разрядном промежутке, связанному с разрушением отрицательных ионов, размножением 
и прилипанием электронов при их движении к аноду; в результате этих процессов у анода 
накапливается  объемный  положительный  заряд  и  возникает  ионизационная  волна 
длительностью в несколько наносекунд, распространяющаяся от анода к катоду /5/. 
Сложность процессов, происходящих в разрядной зоне не позволяет до настоящего 
времени  дать  полное  теоретическое  описание  барьерного  разряда.  В  связи  с  этим 
значительный  интерес  представляют  различные  феноменологические  модели  этого 
явления /6/. 
Феноменологическая  модель,  в  которой  барьерный  разряд  рассматривается  как 
нелинейный объект электрической цепи, впервые была предложена Ю.В. Филипповым с 
сотрудниками в приложении к озонаторам. 
Эта  модель  оказалась  весьма  плодотворной  при  описании  электрических,  свойств 
барьерного  разряда  и  получила  название  «электрической  теории  озонаторов».  Суть  ее 
заключается  в  замене  барьерного  разряда  некоторыми  эквивалентными  схемами, 
состоящими из конденсаторов, сопротивлений и т.п./7/ 
Полная теоретическая модель барьерного разряда должна включать в себя: 
а)  описание  процесса  образования  канала  микроразряда  в  газовом  промежутке 
(возникновения  и  развития  электронных  лавин,  элементарных  процессов  с  участием 
электронов); время от 10
-9 
с до 10
-7
 с; 
б)  рассмотрение  дрейфа  ионов  в  канале  микроразряда  учёт  «быстрых» 
элементарных процессов с участием ионов; время от 10
-7
 с до 10
-5
 с; 
в)  достаточно  полную  модель  «медленных»  плазмохимических  реакций  газовом 
промежутке, учитывающую диффузию частиц; время от 10
-5
 с до 10
-2
с. 
Для  замкнутого  описания  плазмохимических  систем  на  первом  этапе  численного 
моделирования,  включающем  процессы  взаимодействия  электронов  с  атомами, 
молекулами,  ионами  и  электрическим  полем,  необходимо  знать  изменение  ФРЭЭ  в 
пространстве и во времени /8/. 
Расчет  реалистичной  ФРЭЭ  представляет  собой  достаточно  сложную  задачу; 
результаты  в  значительной  степени  определяются  набором  сечений  элементарных 
процессов,  которые  использовались  при  этом.  В  настоящее  время  нет  газовых  сред,  для 
которых был бы известен полный набор необходимых сечений элементарных процессов с 
достаточной точностью /9/. 
Важным  моментом  при  расчете  реалистичной  ФРЭЭ f(ε)  является  ее  связь  с 
функцией  распределения  молекул  по  колебательным  уровням  в  основном  электронном 
состоянии N
v
 и в электронно-возбужденных состояниях N
*
v
. 
Колебательное распределение влияет на ФРЭЭ посредством  
1) сверхупругих столкновений с дезактивацией колебательных уровней; 
2) неупругих столкновений с колебательно-возбужденными молекулами; 

жүктеу/скачать 5,31 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: