шування і пульсацій (тобто безладних швидких змін швидкості і тиску).
Ламінарна течія можливе лише до деякого критичного значення числа Рейнольдса, після якого воно переходить у турбулентний.
Для руху газу в плоскому каналі між двома електродами бар'єрного електричного озонатора число Рейнольдса (Re) можна визначити так:
де Vср - середня швидкість течії газу,?- Коефіцієнт кінематичної в'язкості газу,?- Товщина газового шару.
Турбулентний режим досягається тільки при значеннях Re gt; 2500. Більшість озонаторів мають? lt; 4 мм і Vср lt; 1 м/с, отже, течія в них ламинарное.
(а) - ламінарний режим, (b) - турбулентний.
Одним з головних недоліків озонування є дорожнеча озонаторів.
Моделювання теплових явищ в озонаторе
Одновимірна модель
Процеси утворення і розкладання озону дуже сприйнятливі до температурних умов: при підвищенні температури озоніруемого газу відбувається швидкий спад виходу озону. Тому важливо підтримувати необхідну температуру за допомогою системи охолодження.
Існують різні способи тепловідводу:
· охолодження тільки не покритого діелектриком електрода
· охолодження тільки покритого бар'єром електрода
· одночасного охолодження обох електродів.
Однак експериментально встановлено, що при двосторонньому охолодженні не спостерігається сильного зміни виходу озону з плином часу, при односторонньомуохолодженні температура неохолоджуваного металевого електрода зростає швидше, ніж температура неохолоджуваного бар'єрного електрода, тому краще охолоджувати саме металевий електрод.
Схема розрядного проміжку з охолодженням тільки електрода без діелектричного покриття:
d - ширина електрода,?- Ширина розрядного проміжку,?- Ширина бар'єру, L - довжина розрядного проміжку.
Припустимо, що з часом роботи озонатора в ньому встановлюється рівномірний розподіл тепла по всьому об'єму розрядної зони, тоді розподіл температури описується рівнянням:
(1)
де - коефіцієнт теплопровідності газу, - температура газу, q - об'ємна щільність потужності тепловиділення в газі, х - координата по ширині розрядного проміжку.
Введемо декілька позначень: P1 - потужність розряду, яка припадає на одиницю площі електродів; ? М,? Г- коефіцієнт теплопровідності металу і газу, відповідно; ТМ, ТГ і ТЖ - температура металу, озоніруемого газу і охолоджуючої рідини, відповідно.
Якщо припустити, що потік тепла, що виділяється спрямований в холодильник, то буде справедливо рівність:
(2)
Вважаючи, що потік охолоджуючої рідини досить інтенсивний, можна покласти:
(3)
З (2) і (3) випливає:
(4)
Так як відсутній тепловідвід через бар'єр, отримуємо:
(5)
(6)
З урахуванням (5) і (6) рішення рівняння теплопровідності для шару газу можна отримати у вигляді:
(7)
Так як, охолодження виробляється тільки з одного боку, максимальна температура в газі буде досягатися при x=d + ?:
(8)
Тоді при Р1=1 (кВт/м2) і? =3 мм, як у більшості промислових озонаторах, отримаємо, що q=0,8P1 /? =333 (кВт/м3), так як 80% енергії перетворюється в тепло, а також:
(9)
Однак за технологічними характеристиками на виході газ має температуру не перевищує 30оС. Побудована таким чином модель, що припускає розподіл тепла по всьому разрядному проміжку, виявилася не точною, тому така модель не може бути використана.
Існують і інші моделі. Наприклад, передбачається, що щільність потужності тепловиділення в розрядному проміжку змінюється східчасто:
(10)
h і в можна підібрати таким чином, щоб середня температура вихідного газу буде збігатися з розрахунком моделі, однак вибір кордонів ступені ніяк не пояснюється з точки зору фізики.
Просторова модель
В основі моделі лежати фізичні закони тепловиділення, теплопровідності та теплопереносу.
Розглянемо моделі для озонатора з плоскими електродами і в сталому в часі режимі роботи.
За рахунок перетворення електричної енергії газу в теплову в одиницю часу виділяється тепла QГ ·? x ·? y ·? z, де? x ·? y ·? z - обсяг частки газу, QГ - щільність потужності тепловиділення в газі.
За рахунок теплопровідності газу передається теплової енергії:
(11)
і несеться теплоти з потоком газ...
