Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОЗОНО-КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Исмагилов Ф.Р. Максудов Д.В.
Экспоненциально быстрый рост численности автопарка мегаполисов развитых стран привел в последние десятилетия к назреванию экологических проблем, которые актуализируют развитие технологий нейтрализации токсичных примесей выхлопных газов.

Применяемые в настоящее время платино-паладиевые катализаторы в сотовом исполнении (сотовые каталитические блоки) осуществляют эффективную нейрализацию токсичных примесей при температуре выхлопных газов порядка нескольких сотен градусов.

Однако известно, что значительное количество вредных веществ выделяется в момент старта двигателя, когда температура выхлопных газов еще не достаточна для преодоления энергетического барьера каталитических реакций.

Эта проблема, получившая название «проблемы холодного старта» требует адекватного решения.

Одно из возможных решений, предлагаемое совместно лабораторией экологического катализа Института Катализа СО РАН (Новосибирск) и кафедрой электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета (Уфа), заключается в возможности повысить энергетику реакции за счет параллельного применения озона, генерируемого по всему объему сотового каталитического блока [1,2].

Подобный подход к решению проблемы «холодного старта» в свою очередь актуализирует ряд исследований, проводимых авторами, в частности поиск оптимальной частоты барьерного разряда, при которой имеет место наиболее эффективная и энергоэкономичная генерация озона в присутствии некоторых каталитических веществ.

Возможности для поиска оптимальной частоты предоставляет разработанная авторами математическая модель распределения электрических полей в сложно-геометрическом диэлектрике и, в частности, в сотовых каталитических блоках.

Результаты, полученные в ходе математического моделирования и проведенных экспериментов, показывают, что данная частотная характеристика далека от прямолинейной формы и имеет как пиковые области, соответствующие оптимальным частотам, так и интервалы частот, в которых генерация озона практически прекращается. Последние были названы авторами «мертвыми зонами». Причина их возникновения имеет следующее физическое обоснование: рост частоты может достигнуть предела, при котором полупериод приложенного напряжения оказывается короче времени запаздывания старта ионизационных процессов в газоразрядном промежутке, для инициации которых необходим начальный, случайно возникающий заряд, а также то, что, с другой стороны, при достаточно высокой (первой критической) частоте ионы не успевают в течение полупериода пересечь разрядный промежуток и способны оказывать влияние на ионизационные процессы в следующем полупериоде.

Исходя из вышесказанного можно предположить существование «мертвой зоны» частотного диапазона, в которой полупериод уже слишком краток, чтобы за это время мог случайно появиться первичный ионизационный электрон, но в то же время еще слишком долог для того, чтобы заряды из предыдущего полупериода, не успев пересечь разрядный промежуток и нейтрализоваться на электроде противоположной полярности, могли принять участие в старте ионизационных процессов в данном полупериоде, то есть чтобы выполнялось неравенство f1< f2, где f1 - частота, при которой полупериод становится сравним со статистическим временем запаздывания начала ионизационных процессов, f2 - частота, при которой заряды не успевают покидать газоразрядный промежуток в течение полупериода и могут оказывать влияние на ионизационные процессы в следующем полупериоде.

Будет ли выполняться данное неравенство, (то есть, возникнет ли «мертвая зона» в частотном диапазоне) зависит от конкретной конструкции озонатора и геометрии его диэлектрического наполнения, и может быть однозначно определено посредством разработанного математического моделирования.

Путем плавного регулирования частоты подаваемого напряжения экспериментально установлено, что интенсивная генерация озона (свыше 6 г/м3 при расходе воздуха 22,5 л/ч и энергопотреблении 2 Вт) наблюдается в диапазоне частот 500-4000 Гц. При частоте свыше 4000 Гц имеет место концентрация озона на уровне 10-15 мг/м3 с выбросами до 20 мг/м3 при расходе воздуха 9л/ч. При низких частотах порядка 300 Гц наблюдается и концентрация озона 40 мг/м3.

В тоже время при частоте 4 кГц, которая, по данным экспериментов, является верхней границей оптимального для озоногенерации участка частоты, длительность полупериода составляет 125 мкс, то есть, близка ко времени запаздывания начала ионизационных процессов.

Таким образом, в данном случае резкое снижение эффективности озоногенерации при частотах свыше 4 кГц, связано с тем, что питающее напряжение попадает в диапазон «мертвой» зоны частот.

При частотах свыше первой критической частоты, возможность для вычисления которой предоставляет разработанная математическая модель, интенсивность газоразрядных процессов, равно как и озоногенерации, снова возрастает.

Итак, математическая модель предсказывает для данной конструкции озонатора с учетом его габаритов и геометрии диэлектрического наполнения существование в частотном диапазоне «мертвой зоны» и двух оптимальных интервалов, в которых генерация озона имеет высокую эффективность. Экспериментальные исследования, проведенные для первого оптимального интервала, показали значительную активность процесса образования озона, близкую к теоретическому пределу эффективности барьерного разряда, и прекращение этой активности при предсказанной частоте верхней границы данного оптимального интервала.

Разработанная математическая модель рассматривает барьерный разряд во взаимодействии с электрическими полями диэлектрических структур и позволяет прогнозировать его развитие в присутствии сложно-геометрического (например, сотового) диэлектрика-катализатора, в частности оптимизировать частоту питания перспективных озоно-каталитических устройств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Хайруллин С.Р., Исмагилов З.Р., Максудов Д.В. Study of ozone generation in the bed of heterogeneous catalysts of varies geometry //Eurasian Chemico-Technological Journal. - 2002, №4. - P. 271-276.
  2. Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В. Озон в автотранспорте //Автомобильный транспорт. - 2002, №6. - 36 с.

Библиографическая ссылка

Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОЗОНО-КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ // Успехи современного естествознания. – 2006. – № 4. – С. 49-50;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=10222 (дата обращения: 01.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674