ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 4, с. 391-398
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 553.9.07
ГИБРИДНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР © 2015 г. В. М. Лелевкин, Ю. Г. Смирнова, А. В. Токарев
Кыргызско-Российский Славянский университет, Бишкек, Кыргызская Республика
e-mail: lelevkin44@mail.ru Поступила в редакцию 02.06.2014 г. Окончательный вариант получен 14.08.2014 г.
Разработан гибридный плазмохимический реактор, на основе барьерного разряда в трансформаторе. Определены характеристики реактора в зависимости от параметров барьерного разряда.
DOI: 10.7868/S0367292115040022
1. ВВЕДЕНИЕ
Барьерный разряд широко применяется для создания неравновесной плазмы, модификации поверхностей, напыления покрытий, разрушения окислов азота, возбуждения эксимерных ламп и плазменных дисплеев и т.д. [1]. Барьерный разряд впервые был использован Сименсом для создания озонатора [2]. В настоящее время промышленный синтез озона базируется на различных типах барьерных, коронных и тлеющих разрядов [3—6], позволяющих получать высокие концентрации озона при минимальных энергетических затратах.
Основным направлением при конструировании озонаторов является улучшение их технико-экономических показателей, которое достигается путем уменьшения диаметра трубчатых электродов и разрядных промежутков, определения оптимальных энергетических параметров источника питания и методов охлаждения электродов, использования специальных диэлектриков [7, 8]. Разработаны озонаторы с частотой питания до 500 Гц [9, 10], сочетающие в одном устройстве высокочастотный преобразователь, повышающий трансформатор и разрядную ячейку.
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований барьерного разряда в гибридном озонаторе (ГО), особенностью которого является объединение разрядной ячейки и высоковольтного трансформатора в единый комплекс, что расширяет возможности регулировки характеристик разряда, повышает производительность и концентрацию озона при сохранении энергетических затрат на низком уровне.
2. КОНСТРУКЦИЯ РАЗРЯДНОЙ ЯЧЕЙКИ
В представленной конструкции озонатора разрядный узел и высоковольтный трансформатор
объединяются в единое устройство (рис. 1). Разрядный узел базируется на прямоугольном магнитопроводе 1, собранном из ферритовых стержней, на поверхности которого размещены первичная 2 и вторичные 7, 8 обмотки трансформатора. Первичная обмотка 2 содержит 50 витков провода ПЭВ, намотанного на диэлектрическую подложку цилиндрической формы. Вторичная обмотка состоит из трех коаксиально расположенных стеклянных цилиндров (4—6), где на цилиндре 4 размещен первый слой вторичной обмотки 7, выполненный проводом и изолированный стеклянным цилиндром 5, и второй слой вторичной обмотки 8 размещен на цилиндре 6. Конец первого слоя вторичной обмотки соединен с началом второго. Подобная конструкция позволяет равномерно приложить к зазору напряжение, равное половине напряжения всей вторичной обмотки. Между диэлектрическими цилиндрами 5 и 6 имеется зазор размером 0.5 мм, в котором зажигается барьерный разряд. Длина разрядной ячейки 160 мм, при сечении разрядной области 43 мм2. Торцы вторичной обмотки герметично закрыты и через патрубок в разрядный зазор подается рабочий газ — кислород с расходом 0.2—1 л/мин. Концентрация озона определяется на выходе из разрядной ячейки оптическим озо-нометром "МедОзон—254/3", с относительной погрешностью измерения 5%.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Гибридный плазмохимический реактор (ГПР) нагружен на обратноходовой источник питания (рис. 2), состоящий из задающего генератора (ЗГ) и основного транзистора Ш. В качестве генератора используется микросхема иС3843В, формирующая импульсы управления транзистором Ш [9]. Частота и коэффициент заполнения импульсов
Рис. 1. Схема разрядной ячейки гибридного озонатора: 1 — ферритовый магнитопровод, 2 — первичная обмотка трансформатора, 3 — диэлектрическая подложка, 4, 5, 6 — стеклянные барьеры, 7 — первый слой вторичной обмотки, 8 — второй слой вторичной обмотки.
регулируется в диапазоне 15—30 кГц и 0—50% соответственно.
При запирании транзистора U1, накопленная в индуктивности первичной обмотки трансформатора Т1 за время его открытого состояния, энергия создает резонансный переходный процесс в контуре, образованном индуктивностью первичной обмотки, емкостью трансформатора и выходной емкостью транзистора. Резонансный процесс формирует на выходе транзистора выброс напряжения в форме половины синусоиды величиной 800 В. Такой же по форме, но более интенсивный (в коэффициент трансформации раз) импульс напряжения существует на вторичной обмотке трансформатора. Под действием импульса в раз-
T1
и
R4
R5
Рис. 2. Схема экспериментальной установки.
рядной ячейке озонатора возникает барьерный разряд. Когда половинка синусоиды на выходе транзистора проходит через нуль, открывается внутренний диод и фиксирует напряжение на стоке. В этот момент с задающего генератора на транзистор приходит следующий импульс и обеспечивается режим работы преобразователя с переключением транзистора при нуле напряжения. Далее описанный выше цикл повторяется.
Динамические и статические характеристики разряда определялись путем регистрации тока и напряжения разряда двулучевым осциллографом С1-96. Частота источника питания 29.4 кГц, максимальная выходная мощность 60 Вт. Регулировка мощности осуществлялась путем изменения входного напряжения. Для регистрации импульсов тока 1(1) использовался токовый шунт Я1 с сопротивлением 100 ом, изготовленный из кон-стантановой проволоки бифилярно намотанной на цилиндрический каркас. Регистрация импульсов напряжения производилась с помощью омических делителей Я2—Я3, Я4—Я5. Высоковольтными плечами делителей Я2—Я3 и Я4—Я5 служат резисторы марки КЭВ—10 сопротивлением 50 Мом. Сопротивление низковольтных плеч Я3 и Я5 подбирались при калибровке делителей. Доводка коэффициента деления до величины к = = 500 производилась при подключенных делителях к осциллографу путем подачи на них прямоугольных импульсов с амплитудой до 60 В, длительностью 5 мс. Нелинейные искажения фронта и спада сигнала, возникающие за счет паразитной емкости и индуктивности резисторов, устранялись с помощью медных цилиндров диаметром 20 мм, одеваемых на высоковольтные резисторы. Длина цилиндров и их местоположение относительно оси резисторов, подбирались в процессе калибровки делителей.
Рис. 3. Эквивалентная схема модели озонатора (на рисунке индуктивная связь катушек обозначена точками).
Регистрация вольт-кулоновских характеристик #( и) осуществлялась двухканальным осциллографом С1-83, с помощью делителя напряжения Я2—Я3 и измерительного конденсатора С1 емкостью 0.1 мкФ. Напряжение, пропорциональное величине заряда #(?), с измерительного конденсатора подавалось на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, а горизонтально отклоняющие пластины фиксировали изменение напряжения и^). В результате сложения колебаний на экране осциллографа формировались фигуры Лиссажу.
Для снятия вольт-кулоновских характеристик измерительный конденсатор подбирался с минимальной собственной индуктивностью и максимальной емкостью. Иначе при измерениях на частотах выше 10 кГц наблюдаются искажения вольт-кулоновских характеристик. Необходимые результаты достигаются при использовании конденсатора типа К73-9 емкостью 101 нФ.
При регистрации динамических характеристик барьерного разряда наблюдается размытие сигналов тока с шунта и напряжения с измерительного конденсатора, которое обусловлено высокочастотным характером протекания тока. Величина искажения достигает 80% от амплитуды не возмущенного сигнала. Для ликвидации высокочастотной составляющей сигналов в измерительные линии устанавливаются ЯС фильтры с полосой среза порядка 200 кГц. Точная настройка фильтра позволяет практически ликвидировать ВЧ составляющую и не искажать низкочастотную часть сигнала. Входные электрические характеристики экспериментальной установки — ток, напряжение, активная и полная мощности — измерялись с помощью измерительного комплекта К509. Контроль газовой температуры по разрядной зоне в работе не проводился.
4. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЗОНАТОРА
Для расчета гибридного плазмохимического реактора применялась программа моделирования Allspice, входящая в систему конструкторского проектирования электронных устройств Switcher CAD III. Полная эквивалентная схема модели реактора (рис. 3) включает: элементы V2, D6, С2, которые соответствуют входному источнику постоянного тока; V3 задающий генератор; U2-IGBT транзистор; R1 сопротивление первичной обмотки трансформатора L1; С2 формирующий конденсатор; L2. 1, L2. 2 — вторичные обмотки трансформатора с соответствующими сопротивлениями R3, R4; С3 измерительный конденсатор; R5, R6 сопротивления соответствующие делителю напряжения; С4, С6 емкости диэлектрических барьеров; С5 емкость разрядного промежутка; диодов Dl—D4, V1 — источник ЭДС, заменяющий сопротивление разрядного промежутка.
Расчет характеристик барьерного разряда производился с помощью электротехнической модели, основанной на описании барьерного разряда как нелинейного объекта электрической цепи. Барьерный разряд в гибридном озонаторе представляется эквивалентной электрической схемой (рис. 3), состоящей из конденсаторов С4—С6, диодов D1—D4 и источника ЭДС-V! [3, 4]. При отсутствии разряда схема представляется в виде трех последовательно включенных конденсаторов, соответствующих электрическим емкостям барьеров С4, Сб озонатора и разрядного промежутка С5. При горении барьерного разряда эквивалентная схема состоит из последовательно соединенных конденсаторов С4, С6 (диэлектрические барьеры) и источник ЭДС—V! с внутренним сопротивлением, равным нулю (разрядный промежуток). Величина напряжения источника ЭДС определяет напряжение горения разряда.
При расчетах использовались следующие параметры ГПР (рис. 1, 2): С4 = 233 пФ и С6 =
Рис. 4. Осциллограммы напряжения 1 на коллекторе основного транзистора и тока 2 в первичной обмотке трансформатора: а) — эксперимент, б) — расчет.
= 209 пФ — емкости барьеров, образованных стеклянными цилиндрами 4 и 5; С5 = 273 пФ — е
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.