способ ионизации воздуха и газов

Формула изобретения

СПОСОБ ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА И ГАЗОВ, заключающийся в воздействии на воздух и газы электрическим и тепловым полями, отличающийся тем, что на электрод, выполненный из материала высокоомного сопротивления, подают напряжение накала и разогревают его низковольтным синусоидальным током до 400 1500^oС, а затем высокое напряжение с амплитудой 3 100 кВ и частотой 10 1 МГц, причем высокое напряжение имеет форму последовательно повторяющихся импульсов одной полярности и амплитуды с медленным подъемом и резким спадом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к созданию управляемых биоклиматических условий с генерацией ионов на общий объем помещения и индивидуального пользователя и может быть использовано в таких процессах электронно-ионной технологии, как сепарация, сушка, фильтрация, электрография и др.

Известно, что ионизация атмосферного воздуха и газов осуществляется при переменных температурах, давлениях и плотностях воздуха и газов. Только локализованные системы позволяют получить количественный и качественный спектр ионов, который определяет характер энергообмена в живом организме и окислительно-восстановительные процессы в нем происходящие. Например, для интенсификации окислительных процессов в живом организме необходима генерация отрицательных ионов атомарного кислорода. Идеальными условиями для этого является барокамера, в которой создается тихий электрический заряд в среде кислорода (газа). Такие локализованные системы по созданию управляемых биоклиматических условий могут быть использованы в стационарных условиях физиотерапии. В реальных условиях атмосферного воздуха процесс генерации количественного и качественного спектра ионов неуправляемый. При низких температурах и высокой влажности воздуха снижается эффективность получения легких отрицательных ионов. После генерации их источником они захватываются амикроскопическими аэро- и гидрозольными частицами (влагой) воздуха и превращаются в тяжелые ионы, которые оседают на конструкциях ионизаторов, не достигая альвеол легких и снижая эффективность биоэнергетической жизнедеятельности живого организма. Увеличение концентрации и подвижности ионов за счет увеличения напряженности электрического поля и перехода от тихого разряда к коронному ведет к увеличению выхода озона и окислов азота, нежелательных для биоэнергетической жизнедеятельности живого организма.

Известен способ ионизации воздуха, путем периодичности подачи напряжения на генератор ионов, т.е. подачу напряжения осуществляют периодически с определенным интервалом времени [1]

Недостатком данного способа является уменьшение подвижности ионов после отключения источника высокого напряжения (паузы). При относительной влажности воздуха более 40% концентрация легких ионов резко падает. Степень уменьшения подвижности ионов зависит от плотности водяного пара во влажном воздухе. Опытами установлено, что на гидродисперсную частицу воздуха налипает от 5 до 8 легких ионов, превращая последние в комплексные гидродисперсные частицы в виде тяжелых ионов, приводимая классификация ионов на легкие и тяжелые условная. Кроме того, заведомо известно, что подвижность отрицательных ионов значительно выше положительных и не подлежит сравнительной оценке.

Известен способ ионизации воздуха, заключающийся в уменьшении выхода озона [2] Недостатком данного способа является его низкая эффективность и высокая энергоемкость. В целом затраты энергии в десятки раз превышают затраты на сам процесс ионообразования. Эффективное термическое разложение озона происходит при температуре свыше 120^оС, кроме того, при выходе ионов из излучателя они также "тяжелеют".

Целью изобретения является повышение эффективности ионизации атмосферного воздуха и газов путем повышения монохроматичности, концентрации и подвижности ионов, при снижении энергозатрат.

Способ заключается в создании ионно-радиационной изотермической плазмы из электронного и молекулярного газов путем наложения на электрическое поле объемного заряда (тихого или коронного) радиационного (теплового) поля, создаваемого пропусканием низковольтного синусоидального тока накала, причем поле объемного заряда создается напряжением, имеющим форму последовательно повторяющихся импульсов с медленным подъемом и резким спадом. Кроме, того терморадиационное поле, создаваемое током накала электрода, является источником УФ-, ИК- и видимого спектра излучения, которое совместно с полем объемного заряда создают высокоэнергетическую плазму с плотностью потока энергии, достаточной для термодинамического равновесия электронно-ионного и молекулярного газов. Амплитуда импульсного напряжения и повторяемость (частота) зависят от среды, в которой происходит ионизация воздуха и газов.

Способ осуществляется следующим образом.

На электрод, который представляет собой материал из высокоомного сопротивления, обеспечивающий выделения достаточного джоулевого тепла и лучистой энергии, подается напряжение накала, разогревающее его низковольтным синусоидальным током до температуры 400.1500^оС, а затем высокое напряжение амплитудой от 3 до 100 кВ и частотой импульсов от 10 Гц до 1 МГц. Примером такого электрода может быть нихромовая проволока, нихромовый пруток (проволока), заточенный на угол заострения 30.150^о, нихромовая лента или пилообразная полоса (см. фиг.1). На электрод подается пульсирующее напряжение с амплитудой превышающей напряжение зажигания объемного заряда (тихий или коронный разряды), а затем низковольтное синусоидальное напряжение разогревающее электрод. При отсутствии напряжения накала электрода и подаче высокого напряжения термодинамическое равновесие между электронно-ионным и молекулярным газами ограничено только областью самостоятельного разряда (область А, см. фиг.2,а) в виде чехла (ореола) разряда. Преодолевая высокую плотность атмосферного воздуха, биполярная ионизация переходит в униполярную со спектральным перераспределением концентрации ионов по подвижности за областью А. При подаче напряжения накала на электрод зона самостоятельного разряда расширяется (на фиг. 2б представлена областями А и В). При этом зона термодинамического равновесия увеличивается. Температура нагрева электрода до 400.1500^оС обеспечивает получение электронно-ионной радиационной плазмы, обеспечивающей не только ионизацию, но и создание УФ-, ИК- и видимой частей спектра излучения. Изменением напряжения накала и высоковольтного спектра радиационного излучения может смещаться в сторону ИК-лучей (тепловых), обеспечивая диспергацию, диссоциацию и ионизацию воды воздуха, с образованием дополнительных ионов Н, ОН, Н₂О, Н₂О₂, т.е. обеспечивается общий рост концентрации и подвижности ионов. Генерация озона исключается благодаря термическому разложению его при температурах превышающих 120^оС и недостаточной температуре для ионизации и образования окислов азота воздуха. При этом зона изотермической ионно-радиационной плазмы увеличилась, степень диссоциации молекулярного газа возросла, эффективность аэроионизации увеличилась. Зона термодинамического равновесия возрастает (области А, В и С на фиг.2, в) при подаче высокого напряжения в виде пульсаций, формой кривой напряжения с медленным подъемом и резким спадом до напряжения зажигания (U_o). На гребне импульса напряжения (см. фиг.3,а) концентрируется электрическая и терморадиационная (тепловая) энергия, которая пульсацией (вспышками) передается в окружающее пространство (штриховки на остриях кривой напряжения). Увеличение частоты пульсаций ведет к снижению напряжения зажигания плазмы (см. фиг.3, б), увеличению концентрации и подвижности ионов. Процесс ионизации воздуха и газов обеспечивается широким диапазоном регулирования напряжениями накала электрода и частотой пульсаций высоковольтного напряжения.

Применительно к предлагаемому способу изучалось изменение концентрации ионов в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха. Концентрация ионов измерялась счетчиком ионов с применением аспирационного метода.

Изменение концентрации ионов (N 10, ион/см³) от относительной влажности воздуха и подвижности ионов приведено в таблице.

Из приведенных данных следует, что концентрация ионов уменьшается по мере увеличения влажности воздуха (при фиксированной подвижности). Происходит спектральное перераспределение концентрации ионов по подвижности, т.е. увеличивается концентрация тяжелых и уменьшается концентрация легких ионов. Концентрация ионов при предлагаемом способе возрастает в 2 и более раз, по сравнению с известным.

При изменении температуры воздуха максимальное значение концентрации ионов при температуре 20.22^оС с резким изменением концентрации от подвижности. При изменении температуры воздуха от 10 до 30^оС концентрация ионов с подвижностью 0,1 см²/Вс превышала концентрацию ионов с подвижностью 2,1 см²/Вс в 10 раз. Наблюдался резкий рост концентрации ионов с увеличением температуры от 10 до 22^оС и такое же падение с увеличением температуры до 30^оС и более. Это обусловлено уменьшением концентрации ионов и увеличением их подвижности при переходе через "точку росы", т.е. происходит конденсация водяных паров и сушка воздуха.

Предлагаемый способ обеспечивает управление процессом получения количественного и качественного спектра ионов за счет регулирования напряжением накала электрода, амплитудой и частотой импульсов высоковольтного напряжения, позволяет исключить влияние температурно-влажностного режима атмосферного воздуха и газов.