Устройство для окисления газообразных выбросов в среде озонированного воздуха и улавливания аэрозольных частиц оксида алюминия при испытании ракетных двигателей на смесевом твердом топливе
Владельцы патента RU 2245451:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" (RU)
Устройство для окисления газообразных выбросов в среде озонированного воздуха и улавливания аэрозольных частиц оксида алюминия при испытании ракетных двигателей на смесевом твердом топливе включает корпус, в котором по ходу движения газообразных выбросов последовательно размещены барьерный озонатор и осадительный конденсатор, включающие, соответственно, параллельные пластинчатые электроды двух видов - зарядные и осадительные с электрическим полем в промежутках между пластинами. Зарядные пластины подключены к источнику переменного тока с напряжением выше напряжения пробоя и имеют барьеры в виде диэлектрических покрытий и разрядный промежуток между соседними пластинами для прохода газовых выбросов и образования коронного заряда. Осадительные пластины подключены к источнику постоянного тока с напряжением ниже напряжения пробоя. Изобретение обеспечит проницаемость газовой струи для кислорода, повысит мощность коронного разряда и степень очистки от аэрозольных частиц. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Устройство относится к ракетной технике, вообще, и к технике испытаний и утилизации ракетного топлива, в частности.
Известен метод и устройство по патенту US 6245958 от 12.06.2001 г., недостатком которого является отсутствие очищающего действия высоких температур и неизбежность больших выбросов в атмосферу и сточные воды.
Устройство, описанное в а.с. 503095, имеет малую удельную мощность, так как разряд в нем образуется только на выступающих остриях, а общий объем разрядного пространства на 3-4 порядка меньше, чем в объемном озонаторе на переменном токе, в котором коронный разряд заполняет весь промежуток между пластинами.
В "Технике высоких напряжений" изд. Киевского Университета, 1967 г. М.Е.Иерусалимов, Н.Н.Орлов приведен промышленный электрофильтр, однако он работает в режимах, где относительная массовая плотность твердых частиц в газовых выбросах обычной вентиляционной пыли намного порядков меньше, чем при сжигании ракетного топлива.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения можно считать устройство по патенту US 6101957 от 15.08.2000 г., действие которого сводится к вихревому торможению пограничного слоя сверхзвуковой турбулентной струи, и струя горящих газов становится проницаемой для кислорода воздуха и тем самым обеспечивает доокисление окиси углерода - основного экологически вредного компонента. Однако из-за очень малого времени торможения струя быстро восстанавливает сверхзвуковой характер и становится снова непроницаемой для кислорода.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение проницаемости газовой струи для кислорода, повышение мощности коронного разряда и степени очистки от аэрозольных частиц.
Технический результат достигается тем, что в корпусе устройства по ходу движения газообразных выбросов последовательно размещены барьерный озонатор и осадительный конденсатор, включающие, соответственно, параллельные пластинчатые электроды двух видов - зарядные и осадительные с электрическим полем в промежутках между пластинами, причем зарядные пластины подключены к источнику переменного тока с напряжением выше напряжения пробоя и имеют барьеры в виде диэлектрических покрытий и разрядный промежуток между соседними пластинами для прохода газовых выбросов и образования коронного заряда, а осадительные пластины подключены к источнику постоянного тока с напряжением ниже напряжения пробоя, при этом используется самый мощный окислитель неравновесная плазма коронного разряда, заполняющая все межэлектродное пространство, причем мощность коронного разряда может достигать десятков киловатт на квадратный метр. При этом также создается большой электрический заряд отрицательного знака, благодаря асимметрии явлений автоэлектронной эмиссии в разрядном промежутке барьерного озонатора. Причем частицы аэрозольного корунда в газе теряют свой преимущественно положительный заряд и происходит их инерционное или коагуляционное осаждение.
Применение устройства с высокими окислительными возможностями целесообразно для окисления остатков окиси углерода, которые не удается превратить в углекислый газ путем эжекционного ввода кислорода на высокотемпературной стадии утилизации.
Корпус устройства представляет замкнутую кольцевую трубу, в которой размещен вентилятор с параметрами, обеспечивающими в каналах барьерного озонатора турбулентное течение газовых выбросов, а через осадительные пластины - ламинарное. С двух сторон каждого электрода барьерного озонатора, имеющего диэлектрическое покрытие, размещают сетчатые электроды противоположного знака к знаку электрического заряда последнего, а между соседними сетчатыми электродами создают электрическое напряжение, причем сетчатые электроды выполняют также роль осадительных пластин.
Предлагаемое устройство изображено на чертежах, где на фиг.1 показан электрофильтр для газообразных выбросов при сжигании твердого ракетного топлива,
на фиг.2 - экспериментальные зависимости коэффициента поглощения света в газовых выбросах от времени обращения в электрофильтре, показанном на фиг.1,
на фиг.3 - схема размещения электрофильтра в канале установки для испытания зарядов твердого ракетного топлива.
Устройство состоит из (фиг.1 и фиг.3): барьерного озонатора - 1, осадительного конденсатора - 2, вентилятора - 3, твердого ракетного топлива - 4, измерительной камеры - 5, герметичного корпуса - 6, трубы циклона или другого устройства для вывода выбросов в атмосферу - 8, высоковольтного зарядного пластинчатого электрода, покрытого диэлектрическим барьером - 9, осадительного сетчатого электрода - 10. Знаки приложенного постоянного и переменного напряжения - 7.
Возможны два варианта устройства электрофильтра для очистки газообразных выбросов при сжигании твердого ракетного топлива - закрытый (фиг.1) и открытый (фиг.3).
На фиг.2 приведена зависимость коэффициента поглощения света в газовых выбросах от времени после включения озонатора (Кр1, Кр2, Кр5). Нулевое значение коэффициента поглощения означает практическую очистку воздуха в установке.
Вариант закрытого типа (фиг.1) представляет собой герметичный корпус - в виде закольцованной на себя трубы, в которой размещаются барьерный озонатор, осадительный конденсатор, вентилятор, твердое ракетное топливо. В измерительной камере размещается оптическая система для измерения коэффициента поглощения света и отбора проб. Открытый вариант (фиг.3) может не иметь специального корпуса и располагаться в трубе циклона или другого устройства, причем высоковольтный зарядный электрод, покрытый диэлектрическим барьером, чередуется с параллельными сетками осадительного электрода, а между сетками осадительного электрода приложено напряжение, т.е. в этом варианте сетки осадительного электрода 10 аналогичны позиции 2 осадительного конденсатора, но совмещены в пространстве с озонатором.
Устройство действует следующим образом. Закрытый вариант может быть предложен для лабораторных испытаний относительно небольших образцов твердого ракетного топлива, в нем очистка газообразных выбросов происходит при их движении через плазму коронного разряда в разрядном промежутке пластинчатого барьерного озонатора 1, причем аэрозольный оксид алюминия, имеющий при образовании выбросов положительный заряд, в отрицательно заряженной неравновесной плазме озонатора нейтрализуется и осаждается на электродах. Далее газовые выбросы поступают в осадительный конденсатор 2, который подсоединен к источнику постоянного напряжения. В нем нет коронного разряда, но вследствие явления электрического дрейфа частицы оксида алюминия, имевшие отрицательный заряд или получившие его вследствие перезарядки при движении через озонатор, осаждаются на электродах, имеющих положительный знак заряда. В устройстве предусмотрены вентилятор 3 и тигель для образцов твердого ракетного топлива 4, после срабатывания которого образуется турбулентный поток газовых выбросов через барьерный озонатор, осадительный конденсатор и измерительную камеру 5, в которой происходит измерение коэффициента поглощения света, характеризующего степень очистки газа, и при достижении последней поступает сигнал о выключении высокого напряжения. Все перечисленные элементы устройства размещены в кольцеобразном герметичном корпусе 6, обеспечивающем многократную обработку очищаемого газа. На фиг.2 изображены результаты экспериментального срабатывания образцов твердого ракетного топлива массой от 1 до 5 грамм в установке, изображенной в плане на фиг.1. Ее длина составляет около 2 м. Производительность озонатора ~0,5 г озона в час, производительность вентилятора ~80 м3/час. По оси абсцисс откладывается время t с момента включения озонатора с осадительным конденсатором, которые включались после полного сгорания образцов в тигле, и вентилятор поднимал поглощение света в измерительной камере до максимума. На оси ординат откладывается коэффициент поглощения света Кр в камере как функция времени t:
Kp(t)=(1/L)ln(Jo/(Jo-J(t))),
где Jo - показания гальванометра, подсоединенного к фотоэлементу с узким световым лучом в чистом воздухе,
J(t) - его же показания в течение времени обработки озоном,
h - длина светового луча в измерительной камере.
Из определений концентрации озона в процессе эксперимента можно также получить следующий важный вывод: общее время всех экспериментов на 7 образцах составило около 295 секунд, при этом озона выделилось озонатором около 0,041 г, а сработало 18 г твердого ракетного топлива и при этом выделилось около 25% от массы горючего угарного газа, т.е. 4,5 г. Стехиометрическое количество озона, необходимое для доокисления окиси углерода, составляет 48/28 · 4,5=7,7 г, т.е. примерно в 188 раз больше, чем использовалось в экспериментах для полного и очень быстрого осаждения оксида алюминия. Это явление полностью объясняется современными теориями коронного разряда как среды, имеющей значительную плотность носителей электрического заряда - свободных электронов и ионов.
Открытый вариант устройства, изображенный на фиг.3, действует подобным же образом, но очистка выбросов в нем происходит при однократном проходе через озонатор. Тот же самый эффект достигается значительно большей относительной длиной разрядных промежутков озонатора и введением системы охлаждения электродов.
Устройство для очистки газообразных выбросов и улавливания аэрозоля оксида алюминия по предлагаемому техническому решению изготовлено и прошло опытную проверку при испытании твердого ракетного топлива с положительным результатом.
1. Устройство для окисления газообразных выбросов в среде озонированного воздуха и улавливания аэрозольных частиц оксида алюминия при испытании ракетных двигателей на смесевом твердом топливе, включающее корпус, отличающееся тем, что в корпусе по ходу движения газообразных выбросов последовательно размещены барьерный озонатор и осадительный конденсатор, включающие, соответственно, параллельные пластинчатые электроды двух видов - зарядные и осадительные с электрическим полем в промежутках между пластинами, причем зарядные пластины подключены к источнику переменного тока с напряжением выше напряжения пробоя и имеют барьеры в виде диэлектрических покрытий и разрядный промежуток между соседними пластинами для прохода газовых выбросов и образования коронного заряда, а осадительные пластины подключены к источнику постоянного тока с напряжением ниже напряжения пробоя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус представляет собой замкнутую кольцевую трубу, в которой размещен вентилятор с параметрами, обеспечивающими в каналах барьерного озонатора турбулентное течение газовых выбросов, а через осадительные пластины - ламинарное.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с двух сторон каждого электрода барьерного озонатора, имеющего диэлектрическое покрытие, размещают сетчатые электроды противоположного знака к знаку электрического заряда последнего, а между соседними сетчатыми электродами создают электрическое напряжение, причем сетчатые электроды выполняют также роль осадительных пластин.
