Способ производства озона

 

Использование: получение озона. Сущность изобретения: в способе производства озона из кислорода воздуха в электрическом разряде при давлении менее 10 мм рт.ст. преимущественно для использования на летательном аппарате с целью восстановления утраченного защитного озонового слоя в атмосфере Земли продувку разрядного промежутка озонатора осуществляют потоком воздуха со скоростями, соответствующими числам Маха не менее 0,8. 2 ил.

Изобретение относится к проблеме искусственного восстановления утраченного защитного озонового слоя в атмосфере Земли.

В настоящее время возникла угроза глобальной экологической катастрофы, связанной с разрушением защитного озонового слоя, расположенного на высотах около 25 км. Озоновый слой защищает растительный и животный мир от губительного действия жесткой ультрафиолетовой части спектра солнечной радиации. Разрушение озонового слоя происходит спонтанно с возрастающей скоростью под влиянием накопленных в атмосфере промышленных загрязнений.

Наиболее близким к предлагаемому является способ производства озона из кислорода воздуха в условиях распределенного (диффузного), например, тлеющего электрического разряда при статическом давлении 1 10 мм рт.ст. Способ заключается в формировании электрического поля в разрядном промежутке и продувке разрядного промежутка воздушным потоком. Тлеющий разряд характеризуется низкой плотностью тока на поверхностях электродов (0,1 0,5 А/см²) и высоким напряжением (3 5 кВ). При увеличении плотности тока распределенный разряд контрагируется и превращается в дуговой, плазма которого загрязнена парами электродного материала, поэтому не пригодна для производства озона.

Количество озона, которое необходимо образовать в стратосфере за сезон (100 150 сут) для покрытия его дефицита, составляет (1 2)˙10⁶т при его удельном энергетическом выходе 30 50 /кВт. Потребная мощность электрического разряда при этом должна быть в пределах (2 4)˙10⁶ кВт. Поверхность электродов одной полярности для таких условий будет исчисляться сотнями квадратных метров, что препятствует их размещению на летательном аппарате и не позволяет выработать озон в нужном количестве.

Как показали экспериментальные исследования, при повышении тока тлеющего разряда до режима дугового разряда при малых скоростях воздуха в разрядном промежутке разряд контрагируется и вытягивается по потоку. Дуга сносится потоком, падение напряжения увеличивается, ток уменьшается и дуга гаснет. При достаточно высоком напряжении электропитания происходит вторичный пробой, ток возрастает и новый канал дуги начинает сноситься потоком. Процесс носит периодический характер и сохраняется в широком диапазоне скоростей потока. Таким образом, при малых скоростях продувки разряд не пригоден для выработки озона.

Целью изобретения является увеличение выхода озона в электрическом разряде для восстановления утраченного защитного озонового слоя в атмосфере.

Цель достигается тем, что в способе производства озона, заключающемся в формировании электрического поля в разрядном промежутке озонатора и продувке разрядного промежутка воздушным потоком при статическом давлении не более 10 мм рт. ст. в отличие от прототипа продувку разрядного промежутка озонатора осуществляют потоком воздуха со скоростями, соответствующими числам Маха полета не менее 0,8.

При больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, как показали эксперименты (Алферов В.И. Бушмин А.С. Калачев В.А. Исследование процессов горения разряда в потоке воздуха большой скорости. ИСЭТФ, 1966, т.51, N 5, с.1281 1287), разряд становится распределенным (диффузным) и устойчивым. За каждым электродом образуются протяженные светящиеся плазменные образования, которые выполняют функции газовых электродов. Между этими (газовыми) электродами протекает разрядный ток, обеспечивающий образование озона. При этом потребная конструктивная рабочая поверхность электродов по сравнению с прототипом уменьшается более чем на порядок и для названных мощностей не превышает десятков квадратных метров. Таким образом, при плотностях тока на поверхностях электродов, характерных для дугового разряда, плотность тока в пространстве за электродами соответствует тлеющему разряду, что способствует высокому энергетическому выходу озона. Электроды, охлаждаясь потоком воздуха, не плавятся, не разрушаются и не выгорают и тем самым обеспечивают большую продолжительность функционирования, не загрязняя парами материалов электродов воздушный поток, обогащенный озоном. Предлагаемый способ позволяет производить озон в стационарных условиях на установках высокой производительности.

Особенно целесообразно производить озон для указанной цели на борту летательного аппарата генератора озона.

Компактные электроды, обдуваемые скоростным потоком, не ухудшают аэродинамических характеристик самолета и не уменьшают практического потолка его полета, обеспечивая тем самым производство озона непосредственно в том месте воздушного пространства, которое характеризуется его дефицитом.

Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, позволяют сделать вывод о его соответствии критерию "новизна". Совокупность признаков, отличающих предлагаемое от прототипа, при изучении данной проблемы не выявлена в других технических решениях и, следовательно, обеспечивает предлагаемому решению соответствие критерию "существенное отличие".

На основе предлагаемого способа производства озона может быть реализован летательный аппарат-генератор озона, способный в течение 100 150 сут полета наработать (1 2)˙10⁶ т озона. Всего 10 15 таких самолетов смогут полностью ликвидировать его дефицит, длительно поддерживать требуемое значение сверхравновесной концентрации озона в стратосфере и тем самым предотвратить опасность грозящей экологической катастрофы, создать резерв времени 50 100 лет, необходимый для самоочистки атмосферы от газообразных промышленных загрязнений.

На фиг. 1 показан один из возможных вариантов летательного аппарата-генератора озона, снабженного мощной энергетической установкой для питания электроразрядных устройств; на фиг.2 электродный узел озонатора в увеличенном масштабе.

Генератор содержит плоские электроды 1-3, а электроизоляционный материал 4, образует наружную поверхность летательного аппарата в области электродного узла. Под знаками "+" и "-" условно изображены силовые кабели, поставляющие электрическую энергию к электродному узлу от бортовой энергетической электроустановки (не показана). Стрелками В, I_э, I_г и словом "Озон" показаны соответственно направления набегающего потока воздуха, тока электрического разряда, поступающего от электродов, тока электрического разряда между газовыми электродами и потока воздуха, обогащенного озоном.

Генератор озона на основе предлагаемого способа работает следующим образом.

При полете в стратосфере на высотах, характеризующихся дефицитом озона и выше, по силовым тоководам (+ и -) подается электропитание напряжением 3 5 кВ на электроды 1 3 от электрогенератора (не показан). С поверхностей электродов поступает ток разряда I_э с плотностью тока, свойственной дуговому разряду, например, 10-15 А/см². Равновесная высокотемпературная плазма электрической дуги в промежутке между электродами не реализуется в связи со скосом ее скоростным воздушном потоком за пределы межэлектродного промежутка. Протекающий между электродами вместо горячей плазмы холодный воздух способен снять тепло, выделяющееся на электродах, несмотря на увеличенное приэлектродное падение напряжения, вызванное уменьшением температуры на поверхности электродов. В воздушном потоке за электродами образуются шлейфы светящейся газоразрядной плазмы, которые выполняют функции газовых электродов. Между шлейфами плазмы протекает ток разряда I_г, эквивалентный тлеющему разряду, например, с плотностью тока 0,1 1 А/см². Если давление внешней среды не превышает 10 мм рт.ст. то плазма становится двухтемпературной с высокой температурой электронов, что, как известно, способствует увеличению концентрации атомарного кислорода и, следовательно, увеличению удельного энергетического выхода озона в потоке воздуха за электродами. Увеличение абсолютного выхода озона в заданное время ожидается за счет увеличения мощности разряда на электродах при ограниченной их поверхности.

Технико-экономический эффект состоит в том, что с помощью летательного аппарата возможно генерирование озона на основе предлагаемого способа, при этом наработка озона в течение 100-150 сут может достичь (1-2)˙10⁶ т. Необходимо 10-15 самолетов, как уже говорилось выше, которые смогут не только полностью ликвидировать дефицит озона, но и поддерживать требуемое значение сверхравновесной концентрации озона в атмосфере, создавать резерв времени, необходимый для самоочистки атмосферы от газообразных промышленных загрязнений.

Предлагаемое изобретение основано на использовании результатов экспериментальных исследований электрических разрядов в скоростном потоке воздуха.

Исследования проводились на сверхзвуковой аэродинамической трубе в ЦАГИ (Алферов В.И. Бушмин А.С. Калачев Б.В. Исследование процессов горения разряда в потоке газа большой скорости, ЖЭТФ, 1966, т.51, N 5, с.1281-1287). Было установлено, что при малых скоростях потока 7 10 м/с канал дуги контрагирован и вытянут по потоку. Процесс горения нестационарный, дуга сносилась потоком, напряжение увеличивалось, а ток уменьшался и разряд прекращался. При некотором значении напряжения между электродами происходил вторичный пробой, ток резко возрастал, новый канал дуги начинал сноситься потоком. Процесс носил периодический характер. Частота следования пробоев увеличивалась с повышением скорости. Начиная со скорости 30 м/с, форма разряда менялась, канал переставал быть контрагированным и становился диффузным. Частота пульсации в диапазоне скоростей до 130 м/с (М 0,4) составляла около 2300 Гц. Амплитуда колебаний напряжения около среднего его значения с ростом скорости уменьшалась. При скоростях, соответствующих числам Маха около 0,8, колебания в разряде прекращались и разряд становился более устойчивым.

При дальнейшем повышении скоростей потока устойчивость разряда повышалась и при М 4,5 разряд оказался наиболее стабильным. При более высоких скоростях потока исследования не проводились.

Чтобы предотвратить опасные колебания в линиях энергопитания разрядных устройств и обеспечить стабильную работу электроозонатора, скорость воздуха, обдувающего электроды, была принята не менее М 0,8, что и предложено в заявке.

Производство озона в атмосфере в целях восстановления озонового слоя предлагаемым способом должно осуществляться на высотах около 30 км. Это связано с тем, что на меньших высотах при давлении более 10 мм рт.ст. в электрическом разряде увеличивается выход окислов азота, которые приводят к разрушению озона. Чтобы удержать самолет-озонатор на рабочей высоте, скорость его полета должна быть не менее 1200 м/с, что соответствует числу Маха около 4.

Скорость воздуха, проходящего в разрядном пpомежутке озонатора, выражена числом Маха в связи с тем, что этот критерий определяет газодинамические свойства скоростного потока. Они постоянны при постоянном числе Маха, в то время как размерная скорость зависит от статической температуры газа. Например, при числе Маха полета 0,8 в диапазоне температур воздуха от -50 до +50^оС размерная скорость будет изменяться в пределах от 240 до 290 м/с.

Исследования разряда проводились в условиях аэродинамической трубы именно при постоянных числах Маха, но при различных размерных скоростях.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОЗОНА, заключающийся в формировании электрического поля в разрядном промежутке озонатора и продувке разрядного промежутка воздушным потоком при статическом давлении не более 10 мм рт.ст. отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода озона в электрическом разрядке для восстановления защитного озонового слоя в атмосфере, продувку разрядного промежутка озонатора осуществляют потоком воздуха со скоростями, соответствующими числам Маха не менее 0,8.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2