Бойко Н.И. и др.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОТХОДОВ

Бойко Н. И., Борцов А. В., Евдошенко Л. С., Зароченцев А. И., Иванов В. М., Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина

Электрофизические технологии используются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Однако масштабы их использования малы, а перспективы велики благодаря большой эффективности и отсутствию реагентов, что характерно для технологий с использованием химических методов.
Отделение электрофизических технологий (ОЭФТ) Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института (НИПКИ) «Молния» НТУ «ХПИ» в течение 30 лет занимается созданием различных высоковольтных установок. Последние 15 лет были посвящены созданию установок для осуществления различных электрофизических технологий. Часть этих установок успешно опробована при решении ряда конкретных задач в сфере обращения с отходами. Получены обнадеживающие результаты по обеззараживанию воды при помощи сильных импульсных электрических полей, искрового разряда. Созданы высоковольтные импульсные генераторы для электросинтеза озона при помощи импульсного коронного разряда и импульсного барьерного разряда, конкурентоспособные по отношению к традиционным генераторам озона частотой 50 Гц и более высокочастотным (400—4000 Гц). Генерирование озона при помощи импульсных разрядов перспективно из-за возможности уменьшения удельных энергозатрат при получении озона. Озонные технологии могут быть использованы для решения многих задач в сфере обращения с отходами.
Установки — инструмент для реализации той или иной технологии. Целью данной работы является представление основных характеристик некоторых созданных установок и перспектив их использования при решении проблемы отходов.
Установка № 1. Установка содержит силовой шкаф с блоком управления, высоковольтный блок, состоящий из двух высоковольтных импульсных генераторов на основе импульсных трансформаторов. Номинальное выходное импульсное напряжение генераторов имеет амплитуду до 120 кВ. Генераторы могут работать на общую нагрузку. Средняя суммарная мощность генераторов достигает 20 кВт. При средней мощности 10 кВт установка может работать непрерывно 8 ч/сут. Под непрерывностью работы понимается, что частота следования импульсов в нагрузке высоковольтных генераторов составляет примерно 100 имп./с, а пиковая импульсная мощность в нагрузке может достигать 1000 МВт (при средней мощности, потребляемой от сети, 10—20 кВт).
При испытаниях генератора нагрузкой служила рабочая проточная камера, через которую прокачивалась насосом та или иная жидкость с производительностью до 5 м³/ч. Действующими факторами служили сильное импульсное электрическое поле со средней напряженностью до 150 кВ/см и искровой разряд в жидкости. В основном при испытаниях установки рабочая камера заполнялась водой с различными примесями. В частности, экспериментально было обнаружено, что после обработки сильным импульсным электрическим полем и искровыми разрядами в несколько раз уменьшается количество поверхностно-активных веществ в воде.
Следует учесть, что в представляемой установке используются искровые разряды и высоковольтные импульсы с длительностями наносекундного диапазона, для которых электрогидравлический эффект существенно меньше выражен, чем для импульсов микросекундного диапазона длительностей. Это обстоятельство смягчает требования к механической прочности рабочей камеры.
Установка может быть использована для очистки сточных вод и в других технологиях, применяемых для решения проблемы отходов, в которых эффективны сильные электрические поля, электрические разряды, плазмохимические реакции и их продукты. Внешний вид высоковольтного блока установки № 1 представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид электротехнологической установки № 1

Установка № 2. Установка предназначена для получения различных активных частиц (в том числе атомарного кислорода, озона, ионов ОН и др.) в плазме высоковольтных импульсных разрядов — коронного и барьерного. Эти частицы вместе с сильным импульсным электрическим полем, которое вызвало разряд, являются действующими факторами в тех или иных процессах, технологиях требуемого преобразования отходов.
Установка содержит силовой низковольтный блок, импульсный высоковольтный трансформатор, блок управления и электродную систему для получения импульсного коронного либо барьерного разряда.
Схема электрическая принципиальная установки с обострителем фронта импульсов представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная установки с обострителем фронта импульсов (установка № 2):

ТГИ — тиристорный генератор импульсов; ИТ — импульсный трансформатор; Соб — обострительная емкость; МЗР — многозазорный обостряющий искровой разрядник; L — индуктивность подсоединения С_обк электродной системе; СЭ — электродная система; D1 — диаметр тонкого высоковольтного коронирующего диска; D2 — диаметр внешнего низковольтного трубчатого электрода; S — осевой стержень, на который нанизаны коронирующие диски; l — длина коаксиальных электродов; d1 — расстояние от кромки коронирующего дискового электрода до внешнего трубчатого электрода; d2 — расстояние (шаг) между двумя соседними дисковыми электродами; стрелками указано направление продува воздуха через электродную систему

Оригинальной является реализованная возможность обострения фронта высоковольтных импульсов на нагрузке — электродной системе, в которой горит разряд. Установка успешно прошла испытания. Она может использоваться для реализации различных технологий с применением плазмохимических реакций, в том числе технологий по переработке отходов. В качестве примера таких технологий можно привести очистку отходящих газов (например, на тепловых электростанциях), обработку загрязненных природных и сточных вод, обезвоживание нефтепродуктов, отделение воды от нефти, переработку использованных автомобильных покрышек и др.
Достигнута частота следования высоковольтных импульсов в электродной системе около 2200 имп./с. Амплитуда импульсов напряжения на нагрузке — электродной системе — может регулироваться от 20 до 100 кВ. Средняя мощность установки — до 3 кВт.
Перспектива использования импульсного напряжения на электродной системе-реакторе, где горит разряд и нарабатываются активные частицы (в том числе озон), состоит в возможности увеличения рабочих напряженностей электрического поля. Именно величина напряженности электрического поля в разряде определяет возможности установки по минимальным удельным энергозатратам на производство озона, максимальным концентрациям синтезируемого озона.
В барьерном разряде максимальной рабочей напряженности в разрядном промежутке достигают путем уменьшения рабочего газового зазора и толщины барьера.
Использование импульсных напряжений в генераторах озона позволяет увеличить рабочую напряженность, а, следовательно, и эффективность по наработке озона при использовании как барьерного, так и коронного разряда. Однако наличие барьера при воздействии импульсных напряжений приводит к увеличению потерь энергии в диэлектрическом барьере (диэлектрические потери). Этот недостаток отсутствует в электродных системах с безбарьерным коронным разрядом.
Кроме того, в электродных системах с коронным разрядом (где существенно большие по сравнению с барьерными системами межэлектродные промежутки) гораздо меньше потери энергии за счет нагрева электродной системы разрядом (гораздо меньший нагрев).
С другой стороны, именно диэлектрический барьер позволяет минимизировать межэлектродный промежуток и за счет этого увеличить рабочую напряженность в электродной системе.
Таким образом, барьерный и коронный разряды для получения озона имеют каждый свои преимущества и недостатки. Применение же импульсных напряжений для питания электродных систем улучшит характеристики коронного разряда по эффективности наработки озона в большей степени, чем характеристики барьерного разряда.
Обе представленные здесь установки прошли полный путь от научно-технической идеи до опытного образца и апробации в условиях, соответствующих реальным производственным.
Способ генерирования озона при помощи импульсного коронного разряда с расширенной зоной ионизации и устройство для его осуществления (см. установку № 2) защищены патентом на изобретение №71940 Украины и патентом №2211800 РФ с конвенционным приоритетом Украины.

ELECTROPHYSICAL SYSTEMS AND TECHNOLOGIES FOR WASTE MANAGEMENT

Boyko N. I., BortsovA. V., Evdoshenko L. S., Zarochentsev A. I., Ivanov V. M., Research and Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkov Polytechnic Institute», Kharkov, Ukraine

Two high-voltage pulsed electro-technological plants with long operational life, designed to address various waste management issues (including intensive physical and physical/chemical wastewater treatment) are described.
In Plant 1, key factors are high-pulsed electric field, spark discharge and active particles. Its average capacity (P_av) is up to 20 kW. Amplitude of voltage (U) on the load — working chamber is up to 120 kV. Frequency of pulses repetition (f_r) in load is up to 200 1/s.
In Plant 2, key factors are active particles (including atomic oxygen, ozone, ions OH and other) of high-voltage pulsed discharge (corona or barrier discharge). P_av is up to 3kW. U is up to 100 kV. f_r is up to 2200 1/s.

Главная страница

Сведения об авторах

Бойко Николай Иванович, д. т. н., г. н. с, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», ул. Шевченко, 47, оф. 112, Харьков, 61013, Украина. Тел./факс (057) 707-61-83. E-mail: eftdogkpi.kharkov.ua, qnabdogvk.kh.ua

Борцов Александр Васильевич, с. н. с, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», ул. Шевченко, 47, оф. 112, Харьков, 61013, Украина. Тел./факс (057) 707-61-83. E-mail: eftdogkpi.kharkov.ua

Евдошенко Леонид Свиридович, с. н. с, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», ул. Шевченко, 47, оф. 112, Харьков, 61013, Украина. Тел./факс (057) 707-61-83. Е mail: eftdogkpi.kharkov.ua

Зароченцев Александр Иванович, с. н. с, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», ул. Т. Шевченко, 47, оф. 112, Харьков, 61013, Украина. Тел./факс (057) 707-61-83. E-mail: eftdogkpi.kharkov.ua

Иванов Владимир Михайлович, нач. отдела, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», ул. Т. Шевченко, 47, оф. 112, Харьков, 61013, Украина. Тел./факс (057) 707-61-83. E-mail: eftdogkpi.kharkov.ua

Последние изменения внесены 23.04.07