Використання: отримання озону. Суть винаходу: в способі виробництва озону з кисню повітря в електричному розряді при тиску менше 10 мм рт.ст. переважно для використання на літальному апараті з метою відновлення втраченого захисного озонового шару в атмосфері Землі продування розрядного проміжку озонатора здійснюють потоком повітря зі швидкостями, відповідними числах Маха не менше 0,8. 2 мул.
Винахід відноситься до проблеми штучного відновлення втраченого захисного озонового шару в атмосфері Землі.
В даний час виникла загроза глобальної екологічної катастрофи, пов'язаної з руйнуванням захисного озонового шару, розташованого на висотах близько 25 км. Озоновий шар захищає рослинний і тваринний світ від згубного дії жорсткої ультрафіолетової частини спектра сонячної радіації. Руйнування озонового шару відбувається спонтанно зі зростаючою швидкістю під впливом накопичених в атмосфері промислових забруднень.
Найбільш близьким до пропонованого є спосіб виробництва озону з кисню повітря в умовах розподіленого (дифузного), наприклад, тліючого електричного розряду при статичному тиску 1 10 мм рт.ст. Спосіб полягає в формуванні електричного поля в розрядному проміжку і продування розрядного проміжку повітряним потоком. Тліючий розряд характеризується низькою щільністю струму на поверхнях електродів (0,1 0,5 А / см 2) і високою напругою (3 5 кВ). При збільшенні щільності струму розподілений розряд контрагіруется і перетворюється в дугового, плазма якого забруднена парами електродного матеріалу, тому не придатна для виробництва озону.
Кількість озону, яке необхідно утворити в стратосфері за сезон (100 150 на добу) для покриття його дефіциту, становить (1 2) 10 6 т при його питомій енергетичному виході 30 50 / кВт. Потрібна потужність електричного розряду при цьому повинна бути в межах (2 4) 10 6 кВт. Поверхня електродів однієї полярності для таких умов буде обчислюватися сотнями квадратних метрів, що перешкоджає їх розміщення на літальному апараті і не дозволяє виробити озон в потрібній кількості.
Як показали експериментальні дослідження, при підвищенні струму тліючого розряду до режиму дугового розряду при малих швидкостях повітря в розрядному проміжку розряд контрагіруется і витягується по потоку. Дуга зноситься потоком, падіння напруги збільшується, струм зменшується і дуга гасне. При досить високій напрузі електроживлення відбувається вторинний пробою, струм зростає і новий канал дуги починає зноситися потоком. Процес носить періодичний характер і зберігається в широкому діапазоні швидкостей потоку. Таким чином, при малих швидкостях продувки розряд не придатний для вироблення озону.
Метою винаходу є збільшення виходу озону в електричному розряді для відновлення втраченого захисного озонового шару в атмосфері.
Мета досягається тим, що в способі виробництва озону, що полягає у формуванні електричного поля в розрядному проміжку озонатора і продування розрядного проміжку повітряним потоком при статичному тиску не більше 10 мм рт. ст. на відміну від прототипу продування розрядного проміжку озонатора здійснюють потоком повітря зі швидкостями, відповідними числах Маха польоту не менше 0,8.
При великих дозвукових і надзвукових швидкостях, як показали експерименти (Алфьоров В.І. Бушміна А.С. Калачов В.А. Дослідження процесів горіння розряду в потоці повітря великій швидкості. ІСЕТФ, 1966, т.51, N 5, с.1281 1 287), розряд стає розподіленим (дифузним) і стійким. За кожним електродом утворюються протяжні світяться плазмові освіти, які виконують функції газових електродів. Між цими (газовими) електродами протікає розрядний струм, який забезпечує утворення озону. При цьому потрібна конструктивна робоча поверхня електродів у порівнянні з прототипом зменшується більш ніж на порядок і для названих потужностей не перевищує десятків квадратних метрів. Таким чином, при щільності струму на поверхнях електродів, характерних для дугового розряду, щільність струму в просторі за електродами відповідає тліючому розряду, що сприяє високому енергетичному виходу озону. Електроди, охолоджуючись потоком повітря, що не плавляться, не руйнуються і не вигоряють і тим самим забезпечують більшу тривалість функціонування, не забруднюючи парами матеріалів електродів повітряний потік, збагачений озоном. Пропонований спосіб дозволяє виробляти озон в стаціонарних умовах на установках високої продуктивності.
Особливо доцільно проводити озон для зазначеної мети на борту літального апарату генератора озону.
Компактні електроди, обдуваються швидкісним потоком, що не погіршують аеродинамічних характеристик літака і не зменшують практичної стелі його польоту, забезпечуючи тим самим виробництво озону безпосередньо в тому місці повітряного простору, яке характеризується його дефіцитом.
Ознаки, що відрізняють пропоноване технічне рішення від прототипу, дозволяють зробити висновок про його відповідність критерію "новизна". Сукупність ознак, що відрізняють пропоноване від прототипу, при вивченні даної проблеми не виявлено в інших технічних рішеннях і, отже, забезпечує пропонованого рішення відповідність критерію "істотна відмінність".
На основі запропонованого способу виробництва озону може бути реалізований літальний апарат-генератор озону, здатний протягом 100 150 на добу польоту напрацювати (1 2) 10 6 т озону. Всього 10 15 таких літаків зможуть повністю ліквідувати його дефіцит, які тривалий час підтримувати потрібну установку сверхравновесной концентрації озону в стратосфері і тим самим запобігти небезпеці, що загрожує екологічній катастрофі, створити резерв часу 50 100 Всі років, необхідний для самоочищення атмосфери від газоподібних промислових забруднень.
На фіг. 1 показаний один з можливих варіантів літального апарату-генератора озону, забезпеченого потужної енергетичної установкою для харчування електророзрядних пристроїв; на фіг.2 електродний вузол озонатора в збільшеному масштабі.
Генератор містить плоскі електроди 1-3, а електроізоляційний матеріал 4, утворює зовнішню поверхню літального апарату в області електродного вузла. Під знаками "+" і "-" умовно зображені силові кабелі, які постачають електричну енергію до електродному вузлу від бортової енергетичної електроустановки (не показана). Стрілками В, Iе. Іг і словом "Озон" показані відповідно напрямку набігаючого потоку повітря, струму електричного розряду, що надходить від електродів, струму електричного розряду між газовими електродами і потоку повітря, збагаченого озоном.
Генератор озону на основі запропонованого способу працює наступним чином.
При польоті в стратосфері на висотах, що характеризуються дефіцитом озону і вище, по силовим тоководов (+ і -) подається електричний струм напругою 3 5 кВ на електроди 1 3 Від електрогенератора (не показаний). З поверхонь електродів надходить струм розряду Iе з щільністю струму, властивої дугового розряду, наприклад, 10-15 А / см 2. Рівноважна високотемпературна плазма електричної дуги в проміжку між електродами не реалізується в зв'язку зі скосом її швидкісним повітряному потоком за межі міжелектродного проміжку. Протікає між електродами замість гарячої плазми холодне повітря здатний зняти тепло, що виділяється на електродах, незважаючи на збільшене приелектродному падіння напруги, викликане зменшенням температури на поверхні електродів. У повітряному потоці за електродами утворюються шлейфи світиться газорозрядної плазми, які виконують функції газових електродів. Між шлейфами плазми протікає струм розряду Іг. еквівалентний тліючому розряду, наприклад, з щільністю струму 0,1 1 А / см 2. Якщо тиск зовнішнього середовища не перевищує 10 мм рт.ст. то плазма стає двухтемпературной з високою температурою електронів, що, як відомо, сприяє збільшенню концентрації атомарного кисню і, отже, збільшення питомої енергетичного виходу озону в потоці повітря за електродами. Збільшення абсолютного виходу озону в заданий час очікується за рахунок збільшення потужності розряду на електродах при обмеженій їх поверхні.
Техніко-економічний ефект полягає в тому, що за допомогою літального апарату можливо генерування озону на основі запропонованого способу, при цьому напрацювання озону протягом 100-150 сут може досягти (1-2) 10 6 т. Необхідно 10-15 літаків, як уже говорилося вище, які зможуть не тільки повністю ліквідувати дефіцит озону, а й підтримувати необхідну значення сверхравновесной концентрації озону в атмосфері, створювати резерв часу, необхідний для самоочищення атмосфери від газоподібних промислових забруднень.
Пропонований винахід засноване на використанні результатів експериментальних досліджень електричних розрядів в швидкісному потоці повітря.
Дослідження проводилися на надзвуковий аеродинамічній трубі в ЦАГІ (Алфьоров В.І. Бушміна А.С. Калачов Б.В. Дослідження процесів горіння розряду в потоці газу великій швидкості, ЖЕТФ, 1966, т.51, N 5, с.1281-1287 ). Було встановлено, що при малих швидкостях потоку 7 10 м / с канал дуги контрагірован і витягнуть по потоку. Процес горіння нестаціонарний, дуга зносилася потоком, напруга збільшувалася, а струм зменшувався і розряд припинявся. При деякому значенні напруги між електродами відбувався вторинний пробою, струм різко зростав, новий канал дуги починав зноситися потоком. Процес носив періодичний характер. Частота проходження пробоїв збільшувалася з підвищенням швидкості. Починаючи зі швидкості 30 м / с, форма розряду змінювалася, канал переставав бути контрагірованним і ставав дифузним. Частота пульсації в діапазоні швидкостей до 130 м / с (М 0,4) становила близько 2300 Гц. Амплітуда коливань напруги близько середнього його значення із зростанням швидкості зменшувалася. При швидкостях, відповідних числах Маха близько 0,8, коливання в розряді припинялися і розряд ставав більш стійким.
При подальшому підвищенні швидкостей потоку стійкість розряду підвищувалася і при М 4,5 розряд виявився найбільш стабільним. При більш високих швидкостях потоку дослідження не проводилися.
Щоб запобігти виникненню небезпечних коливання в лініях енергоживлення розрядних пристроїв і забезпечити стабільну роботу електроозонатора, швидкість повітря, що обдуває електроди, була прийнята не менше М 0,8, що і запропоновано в заявці.
Виробництво озону в атмосфері з метою відновлення озонового шару пропонованим способом повинно здійснюватися на висотах близько 30 км. Це пов'язано з тим, що на менших висотах при тиску понад 10 мм рт.ст. в електричному розряді збільшується вихід оксидів азоту, які призводять до руйнування озону. Щоб утримати літак-озонатор на робочій висоті, швидкість його польоту повинна бути не менше 1200 м / с, що відповідає числу Маха близько 4.
Швидкість повітря, що проходить в розрядному пpомежутке озонатора, виражена числом Маха в зв'язку з тим, що цей критерій визначає газодинамічні властивості швидкісного потоку. Вони постійні при постійному числі Маха, в той час як розмірна швидкість залежить від статичної температури газу. Наприклад, при числі Маха польоту 0,8 в діапазоні температур повітря від -50 до +50 о С розмірна швидкість буде змінюватися в межах від 240 до 290 м / с.
Дослідження розряду проводилися в умовах аеродинамічної труби саме при постійних числах Маха, але при різних розмірних швидкостях.
СПОСІБ ВИРОБНИЦТВА ОЗОНУ, що полягає у формуванні електричного поля в розрядному проміжку озонатора і продування розрядного проміжку повітряним потоком при статичному тиску не більше 10 мм рт.ст. відрізняється тим, що, з метою збільшення виходу озону в електричному розрядці для відновлення захисного озонового шару в атмосфері, продування розрядного проміжку озонатора здійснюють потоком повітря зі швидкостями, відповідними числах Маха не менше 0,8.