Использование защитного покрытия диэлектрического барьера для повышения ресурса озонаторов

УДК 541.13

ГА. КРАВЧЕНКО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ОЗОНАТОРОВ

Ключевые слова: генераторы озона, барьерный разряд, озон.

Для создания генераторов озона с высоким ресурсом предложено использование диэлектрических барьеров из текстолита и гетинакса с покрытием на основе кремнийорганического лака и порошка оксида алюминия. Эксперименты показали: такие барьеры обеспечивают больший ресурс работы генераторов озона

G.A. KRAVCHENKO HIGH RESOURCE DIELECTRIC BARRIER DEVELOPMENT FOR GENERATORS OF OZONE

Keywords: generators of ozone, barrier discharges, ozone.

For making the generators of ozone with the high resource, offered using the dielectric barriers from organic materials, with covering on the base of silicones varnish and powder of alumina. Experiments have shown: such barriers ensure greater resource of functioning the generators of ozone.

В настоящее время наиболее распространенным способом получения озона является его генерация в области барьерного разряда [3]. Озонаторные установки этого типа могут обеспечить требуемую производительность по озону как для промышленных, так и для бытовых целей. Главный недостаток таких установок - это низкий ресурс их работы, в основном определяемый сроком службы диэлектрического барьера. Это объясняется воздействиями на диэлектрический барьер озона, непосредственно электрического поля и высокотемпературным воздействием каналов микроразрядов. Кроме этого, за счет влажности, загрязнённости обрабатываемого газа и продуктов, сопровождающих синтез озона, на поверхности органического барьера происходит образование углеродистых соединений, имеющих значительную проводимость. Это приводит к локализации и повышенной интенсивности разрядов в области таких пятен и быстро разрушает диэлектрический барьер. Таким образом, материал барьера кроме достаточной электрической прочности должен обладать высокими озоно-, короно- и термостойкостью.

Можно выделить несколько направлений, по которым ведутся исследования в области повышения стойкости диэлектрических барьеров. В частности это поиск и разработка наиболее стойких материалов для барьера [4], использование оригинальных конструкций при проектировании озонаторных установок [4,6], применение систем предварительной подготовки газовой смеси для генерации озона [1] и меры по снижению интенсивности воздействия факторов старения на барьер при производстве озона.

В настоящее время стали пользоваться популярностью диэлектрические барьеры из керамики на основе Al2O3 [7]. Керамические материалы не подвержены тепловому старению, а ионизационное старение протекает значительно медленнее, чем у органических материалов. Ресурс таких барьеров выше, чем ресурс барьеров из органических материалов. Но их недостатком являются дороговизна, трудность обработки, плохие конструктивные свойства и ограничен-

ность в размерах. Многих этих недостатков лишены материалы, используемые в качестве диэлектрика высоковольтных конденсаторов [5]. В конденсаторах, даже при больших электрических напряженностях, такие материалы длительно работают вплоть до 50 000 ч. Основное отличие конденсаторного режима от озонаторного - отсутствие барьерного разряда. Очевидно, что эти материалы, также длительно работали бы и в озонаторном режиме, если их поверхность со стороны барьерного разряда защитить термо-, короностойким слоем.

Целью данной работы является повышение стойкости барьеров из различных органических материалов путём применения защитного покрытия на основе кремнийорганической эмали с наполнителем из Л120з. Выбор в качестве связующего кремнийорганической эмали обусловлен высокой короно-дуго- и озоностойкостью, а также стойкостью материалов этой группы к действию повышенных температур. Введение в качестве наполнителя порошка оксида алюминия увеличивает теплопроводность поверхности барьера. Таким образом, наполнитель обеспечивает более равномерное распределение температуры по поверхности барьера, снижая вероятность локального перегрева. Были созданы две модели генераторов озона. Для ускорения процесса старения диэлектрического барьера испытания проводились на частоте 400 Гц. Напряжение подбиралось таким образом, чтобы образец без покрытия работал до пробоя около 20 мин. Фиксировался ток. Для того, чтобы выход озона был не меньше, чем в первом случае, ток такой же величины устанавливался для испытания образца с защитным покрытием. Защитный слой создавал некоторое дополнительное сопротивление, поэтому испытание материалов с покрытием проходило при более высоких напряжениях.

В первой серии экспериментов использовались плоские электроды из алюминия. Конструкция модели представлена на рис. 1. Воздушные зазоры составляли 1 мм, в качестве барьера исследовались лавсановый гетинакс толщиной 1 мм и фторопласт толщиной 1 мм. При использовании конструкции с плоскими электродами из-за плохого теплоотвода наблюдался сильный нагрев. Можно предположить, что пробой в этом случае носил тепловой характер. Поэтому различие во времени работы лавсанового гетинакса без защитного покрытия и с защитным покрытием небольшое.

1

Рис. 1. Модель генератора озона с плоскими электродами:

1- плоские электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - воздушные зазоры

При применении в качестве диэлектрического барьера фторопласта наблюдалось значительное увеличение времени работы барьера с защитным покрытием. Фторопласт - материал повышенной нагревостойкости и, следовательно, в меньшей степени разрушается под действием температуры. Недостатком этого материала является низкая короностойкость, он легко разрушается под действием электрических разрядов и не может применяться в качестве диэлектрического барьера в генераторах озона [2]. Применение же защитного покрытия значительно увеличивает срок службы модели. В этом случае наблюдается значительное увеличение времени работы материала, даже при плохом теплоотводе. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты испытаний модели с плоскими электродами______________________

Диэлектрический барьер Ток, мА Напряжение, кВ Среднее время работы образца до пробоя

Лавсановый гетинакс без защитного покрытия 1,8 5 15 минут

Лавсановый гетинакс с термо-, короностойким покрытием. 1,8 5,5 20 минут

Фторопласт без защитного покрытия 3,1 9 8 час

Фторопласт с термо- короностойким покрытием. 3,1 9,5 Более 16 часов без пробоя

В целях обеспечения лучшего теплоотвода за счет конвекции была создана модель с проволочными электродами. Здесь присутствует интенсивное естественное охлаждение и пробой носит электрический характер. Конструкция такой модели представлена на рис. 2.

Проволочные электроды изготовлены из алюминиевой проволоки диаметром 2,5 мм. Воздушные зазоры между электродом и диэлектрическим барьером создавались с помощью изоляции алюминиевого провода и составляли по 1 мм. В качестве диэлектрического барьера использовался стеклотекстолит марки СТ-М толщиной 0,5 мм. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

А 1 А-А

Рис. 2. Модель генератора озона с проволочными электродами:

1 - проволочные электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - воздушный зазор

Таблица 2

Результаты испытаний модели с проволочными электродами________________

Диэлектрический барьер Ток, мА Напряжение, кВ Среднее время работы образца до пробоя, ч

Стеклотекстолит без защитного покрытия 2,6 7 1

Стеклотекстолит с термо-, короностойким покрытием. 2,6 8 Более 10 без пробоя

На рис. 3 показан диэлектрический барьер из стеклотекстолита после пробоя. На фотографии видно, что на поверхности диэлектрика образовалось два пятна, одно из которых и привело к пробою диэлектрического барьера.

Рис. 3. Поверхность стеклотекстолита после пробоя

Испытания показали высокую эффективность термо-, короностойкого покрытия. Использование барьеров из широко распространённых материалов (стеклотекстолит, текстолит, гетинакс), поверхность которых защищена тер-мо-, короностойким слоем позволяет, во-первых, обеспечить высокий ресурс и надёжность работы генераторов озона, во-вторых, снизить стоимость озо-наторных установок как за счет использования дешёвых материалов, так и за счет хороших конструктивных качеств.

Литература

1. Кожинов В.Ф. Озонирование воды / В.Ф. Кожинов, И.Ф. Кожинов. М.: Стройиздат, 1974. 159 с.

2. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. М.: Высшая школа, 2004. 519 с.

3. Лунин В.В. Физическая химия озона / В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 480 с.

4. Материалы I Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии», посвященная 250-летию МГУ им. М.В. Ломоносова. М.: Книжный дом «Университет», 2005. 113 с.

5. Рене В.Т. Пленочные конденсаторы с органическим диэлектриком / В.Т. Рене. Л.: Энергия, 1971.

6. Филиппов Ю.В. Электросинтез озона / Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В.И. Пантелеев. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987.

7. Masuda S. On streamer discharges in ceramic-based ozoniser using high frequency surface discharge / S. Masuda, Е. Kiss // Inst. Conf. Ser.№ 85. Poster Session 2.ed. IOP Publishing Ltd. Oxford. 1987. P. 243-248.

КРАВЧЕНКО ГАЛИНА АЛЕКСЕЕВНА родилась в 1968 г. Окончила Ленинградский электротехнический институт. Ассистент кафедры электромеханики и технологии электротехнических производств Чувашского государственного университета. Область научных интересов - электротехнологии, электроматериаловедение. Автор 2 научных статей.