ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к устройствам для получения низкотемпературной неравновесной газоразрядной плазмы и может быть использовано в качестве базового элемента в установках очистки воздуха и газов для плазмохимической конверсии вредных, токсичных и дурно пахнущих газов в безвредные и нетоксичные химические соединения в химической, металлургической, фармацевтической, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности.
Известны газоразрядные элементы трубчатой и пластинчатой формы со спиральными и цилиндрическими электродами, а также электродами в форме иголок для электросинтеза озона и генерации низкотемпературной плазмы с целью обеззараживания воздуха и воды (патенты RU №2066292, SU №1608108, US №5554344).
Известны также газоразрядные камеры и плазмохимические реакторы для очистки и обезвреживания отходящих газов, газовых выбросов различных производств и процессов, а также плазмохимического синтеза химически активных соединений (RU №2105439, RU №2128085, RU №2157060).
Наиболее близким к заявляемому в качестве полезной модели техническому решению является устройство, описанное в патенте России №2066292, МПК С01В 13/11, приоритет от 10 сентября 1993 года. Известное устройство выполнено в виде диэлектрической трубки с коронирующим электродом, выполненным в виде токопроводящей ленты, закрепленной по спирали на внешней стенке трубки, и со вторым электродом, расположенным на ее внутренней стенке, выполненным в виде токопроводящей ленты, закрепленной по спирали на внутренней стенке, один длинный край каждого электрода выполнен зубчатым и отогнутым и размещен соответственно над другим длинным краем другого электрода, прижатым к изолятору токопроводящей шиной, причем зубчатый край наклонен к поверхности трубки под углом от 3° до 60°,а расстояние между остриями зубцов и поверхностью трубки составляет от 0,5 мм до 10 мм.
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды между остриями зубчатых краев и соответственно прижатыми краями
возникает барьерный разряд, под действием которого образуется озон. Электрический ветер, образованный движением электронов и ионов воздуха к разноименным электродам направлен вдоль поверхности трубки в противоположные стороны.
Описанное выше устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как предназначено только для озонирования воздуха за счет возникновения барьерного разряда и не обеспечивает его очистку от вредных примесей. В описанном выше устройстве скорость воздушного потока, обтекающего поверхность диэлектрической трубки, неодинакова, что связано с конструкцией электродов, выполненных с одной стороны с наклоном зубчатого края к поверхности трубки. Кроме того, размещение края внешнего электрода над другим краем внутреннего электрода также препятствует равномерному растеканию поверхностного разряда по поверхности диэлектрической трубки, поскольку максимальная напряженность поля между электродами возникает в локальной области вблизи электродов и резко уменьшается при удалении от них, что также не позволяет использовать известное устройство для очистки воздуха от вредных примесей.
Задачей заявляемого в качестве полезной модели технического решения является создание газоразрядного элемента для очистки воздуха от вредных примесей за счет получения неравновесной низкотемпературной плазмы в приповерхностном слое диэлектрика в скользящем барьерном разряде.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в газоразрядном элементе, содержащем диэлектрическую трубку с закрепленными на ее внутренней и наружной стенках электродами, подключенными к высоковольтному источнику переменного тока, каждый из электродов выполнен в виде проволочной спирали с закрепленным на ней носителем игл, выполненным из металлической сетки в виде полосы, причем электрод, расположенный на внутренней стенке диэлектрической трубки, установлен относительно электрода, расположенного на наружной стенке трубки, со сдвигом, равным половине шага намотки проволочной спирали электродов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид газоразрядного элемента;
фиг.2 - вид А фиг.1;
фиг.3 - пример подключения газоразрядного элемента к источнику переменного тока;
фиг.4 - плазмохимический модуль;
фиг.5 - плазмохимический реактор.
Предлагаемый газоразрядный элемент (фиг.1-3) содержит диэлектрическую трубку 1 с закрепленными на ее наружной и внутренней стенках электродами 2 и 3, каждый из которых выполнен в виде проволочной спирали с закрепленным на ней носителем игл 4, выполненным из металлической сетки в виде полосы, причем электрод 3, расположенный на внутренней стенке трубки, установлен относительно электрода 2, расположенного на наружной стенке трубки, со сдвигом, равным половине шага намотки проволочной спирали электродов. Электроды 2 и 3 через токопроводящую шину подключены к высоковольтному источнику переменного тока. Схема подключения содержит также вентилятор или воздушный насос 6 для подачи потока газа или воздуха через газоразрядный элемент.
Диэлектрическая трубка может быть изготовлена из любых диэлектрических материалов (стекла, керамики, полимеров) с относительной диэлектрической проницаемостью от 4,5 до 250, обладающих химической стойкостью к окислителям и щелочам, а также обладающих электрической и механической прочностью. Так, пробивное напряжение материала, из которого изготовлена диэлектрическая трубка, должно быть выше 40 кВ/мм, ударопрочность материала, должна составлять не менее 110 МПа. Длина диэлектрической трубки может составлять 100-700 мм, толщина трубки составляет 0,8-1,2 мм, диаметр трубки 22-33 мм. Выбор диаметра диэлектрической трубки зависит от скорости воздушного потока, проходящего через трубку. Так при скорости воздушного потока менее 3 м/сек диаметр трубки минимальный и составляет 22 мм, для скоростей свыше 7 м/сек - максимальный и составляет 32 мм.
Спирали электродов, выполняющие роль основы электродов, могут быть выполнены из различных материалов: алюминий, медь, хром, никель. На спиралях с помощью сварки закреплен носитель игл, выполненный из металлической сетки с размером ячеек 0,5×0,5 мм в виде полосы шириной 8-12 мм, с каждой из сторон которой удалены продольные краевые проволочные нити. Образованные таким образом из поперечных краевых проволочных нитей многочисленные тонкие иглы поднимаются над поверхностью диэлектрической трубки на высоту до 3 мм. Проволочная спираль с закрепленной с помощью сварки сеточной полосой образует электроды. Электроды могут быть выполнены
не только из различных материалов (алюминий, медь, хром, никель), но и подвергаться процессам нанесения гальванических покрытий или напыления различных материалов. Так например, при нанесении на электроды меди, хрома, кобальта и марганца наблюдается эффект увеличения степени конверсии углеродов на 20-30%.
-
-
Устройство работает следующим образом. С помощью вентилятора или воздушного насоса 6 через газоразрядный элемент пропускают газовоздушный поток, содержащий вредные, ядовитые, дурно пахнущие или токсичные химические соединения. Одновременно с этим на электроды газоразрядного элемента подается высокое напряжение 12-20 кВ переменного тока частотой от 50 Гц до 10 кГц. При подаче высокого напряжения с амплитудным значением 12-20 кВ переменного тока на электроды 2,3 между ними образуется электрическое поле нелинейной формы, и на поверхности диэлектрической трубки возникает скользящий электрический барьерный разряд, который растекается между витками электродов, и за счет упорядоченного их расположения равномерно распределяется по поверхности диэлектрической трубки и имеет очень узкую область затухания (от -2,8 кВ до +2,8 кВ). Свободные электроны, возникающие в плазме разряда, вызывают интенсивную ионизацию газового или воздушного потока, проходящего через сечение газоразрядного элемента. Все молекулы подвергаются интенсивной бомбардировке электронами, происходит ионизация и деструкция молекул, возникают радикалы ОН, О и другие возбужденные молекулы, которые вступают в химические реакции окисления - восстановления и также разрушают вредные вещества. Кроме того, в устройстве происходит электросинтез озона, который также участвует в реакции разрушения вредных веществ.
Заявляемая конструкция газоразрядного элемента может использоваться как самостоятельно, так и в качестве базового элемента плазмохимического реактора для синтеза низкотемпературной плазмы. Для получения необходимых энергетических характеристик разряда газоразрядные элементы собираются в плазмохимический модуль (фиг.4), который монтируется в плазмохимический реактор (фиг.5). При этом подключение высоковольтного трансформатора производится не к каждому газоразрядному элементу в отдельности, а к плазмохимическому модулю, а газоразрядные элементы подключаются параллельно как емкостные элементы, благодаря этому становится возможным создание плазмохимических реакторов на любые электрические мощности.
Преимущество заявляемой конструкции заключается в том, что расположение металлических игл на одинаковом расстоянии друг от друга и на одинаковом расстоянии от наружной и внутренней стенок диэлектрической трубки, а также расположение одного электрода относительно другого со сдвигом, равным половине шага намотки проволочной спирали электродов создает область поверхностно-пространственного ионного облака по всей длине диэлектрической трубки как внутри, так и снаружи, образуя плазменный канал без темных промежутков, что обеспечивает равномерную ионизацию газового или воздушного потока на протяжении всего времени его протекания через газоразрядный элемент.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство может быть изготовлено в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования.