STUDIUL POSIBILITĂȚILOR DE UTILIZARE A ......ca metodă de suflaj a gazului, conceput, proiectat,...

UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI” DIN IAȘI

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ, ENERGETICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

Ing. Ioan Ciprian Felea

STUDIUL POSIBILITĂȚILOR DE UTILIZARE A REACTORULUI DE TIP GLIDARC PENTRU BIODECONTAMINARE ÎN INSTALAȚII DE

CONDIȚIONARE A AERULUI

Rezumatul tezei de doctorat

Conducător științific:

Prof.univ.dr.ing. Eugen HNATIUC

Iași, 2019

-Rezumatul tezei de doctorat –

- 1 -

INTRODUCERE

Prezenta teză de doctorat intitulată „Studiul posibilităților de utilizare a reactorului de

tip Glidarc pentru biodecontaminare în instalații de condiționare a aerului” are în vedere

asigurarea și îmbunătățirea calității aerului furnizat într-o instalație de condiționare a aerului

către habitaclurile clădirilor dar și a vehiculelor. Subiectul tezei s-a impus în contextul în care

aplicații ce utilizează descărcările electrice de tip plasmă rece au evoluat de la depoluare și

tratare a suprafețelor către tratamente de biodecontaminare bacteriană și aplicații biomedicale.

Pentru a pune în evidență posibilitățile de decontaminare bacteriană a descărcărilor de

tip plasmă rece apelăm la un reactor Glidarc cu simetrie cilindrică ce utilizează „trecerea dublă”

ca metodă de suflaj a gazului, conceput, proiectat, executat și testat în experimentele aferente

prezentei teze.

Teza de doctorat este structurată pe 5 capitole din care ultimul se referă la concluzii și

include contribuțiile personale cât și perspective de dezvoltare ulterioară a cercetării.

În primul capitol, denumit „Descărcări electrice. Plasma rece”, se fac referiri la

descărcările electrice de tip plasmă rece, fenomenele de ionizare și deionizare din coloana

descărcării electrice stabilind caracterul de plasmă rece a acesteia. Se prezintă un tabel

comparativ cu principalii parametri ai diferitelor descărcări electrice de tip plasmă rece.

Cunoașterea speciior active generate de plasma rece permite, prin reacţiile şi efectele

lor tipice acestora, alegerea convenabilă a descărcărilor electrice de tip plasmă rece

performante pentru o aplicație dată.

Capitolul al doilea, intitulat „Reactoare cu plasmă rece”, prezintă stadiul actual al

utilizării descărcărilor electrice de tip plasmă rece la diverse tratamente de depoluare a aerului

și soluțiilor, adaptarea acestor descărcări electrice și alegerea convenabilă a unui tip de reactor

corespunzător unei aplicații preconizate. Tratamente actuale de biodecontaminare bacteriană și

tratare a țesuturilor vii confirmă și în prezent interesul cercetătorilor atât pentru utilizarea

descărcărilor de tip plasmă rece cât și pentru realizarea unor noi reactoare cu plasmă rece.

Menționăm că experimentele cu privire la tratamentele cu plasmă rece efectuate în

diferite laboratoare ale lumii confirmă fezabilitatea acestora. În prezent se pune cu acuitate

trecerea de la probarea fezabilitătții la trecerea utilizării la scară largă a unor asemenea

descărcări electrice.


- 2 -

Un alt aspect se referă la multitudinea de reactoare cu plasmă rece ce impun definirea

unor indicatori de calitate care să permită aprecierea calității și a performanțelor acestora cât şi

compararea diferitelor variante constructive. Indicatorii de calitate permit și optimizarea

construcţiei acestora, precum şi alegerea corectǎ a parametrilor de funcționare: debit de gaz de

suflaj, puterea nominală, energie specifică.

S-a observat cǎ utilizarea unor reactoare de tip Glidarc cu descărcare volumică cu

simetrie plană a electrozilor cît şi a celor cu simetrie cilindrică, se dovedeşte fezabilă și

oportună din punct de vedere al eficienției tratamentelor preconizate.

Pentru soluția de prepare a PAW (Power Activated Water) „in batch” s-a propus o

soluție de optimizare a instalației din punct de vedere al volumului de apă tratat pentru o șarjă

astfel încât volumul total de PAW obținut într-o oră să fie maximǎ.

Capitolul trei al prezentei teze de doctorat, denumit „Caracterizarea reactoarelor cu

plasmă rece”, urmărește în principal caracterizarea corectǎ din punct de vedere al ingineriei

electrice a unor reactoare cu plasmă rece, definind puterea medie a descărcării și indicatorii de

calitate (randament, energie specifică etc.) astfel încât compararea performanţelor dar şi

evaluarea posibilitǎţilor de optimizare a acestora, corespunzător cerințelor impuse de un anumit

tratament, ceea ce facilitează alegerea justă a acestora.

Ca exemplu, propunând un algoritm de calcul inedit şi folosind o achiziţie de date ce se

referă la evoluţia în timp a tensiunii la bornele descărcării, ud(t), respectiv a curentului ce

parcurge descărcarea, i(t), se determină puterile (instantanee, maximă şi medie) ale acesteia,

pentru diferite reactoare de tip GlidArc. Determinarea puterilor pe baza datelor achiziționate

permit autorului evaluarea indicatorilor de calitate principali, energia specifică, ws , cât și

randamentul, η, facilitând compararea unor asemenea dispozitive și alegerea variantei optime

de reactor pentru tratamente de biodecontaminare.

Cunoașterea timpului de tratare permite evaluarea energiei consumate și deci a costului

tratamentului preconizat, aspect important mai ales la trecerea de la fezabilitate la aplicarea la

scare largă a unor asemenea tratamente.

Caracterizarea reactoarelor cu plasmă rece conform ingineriei electrice a confirmat

opțiunea pentru utilizarea reactorului GlidArc de construcţie originală, cu dublă trecere a

gazului de suflaj prin zona descărcării electrice, pentru efectuarea experimentelor de

decontaminare bacteriană.


- 3 -

Capitolul patru, se referă la „Confirmări experimentale” și prezintă rezultatele

tratamentelor de biodecontaminare bacteriană folosind descărcări electrice de tip Glidarc

produse într-un reactor cu dublǎ trecere a gazului de suflaj prin zona de descǎrcare, care a fost

inclus într-un stand experiemental.

Acest stand (de fapt o incintă etanșă) asigură recircularea aerului contaminat cu bacterii

prin zona descărcărilor electrice și prelevarea probelor pentru evaluarea eficacitǎţii

tratamentului de decontaminare bacterianǎ.

Descărcările electrice de tip plasmă rece produse cu reactorul Glidarc cu simetrie

cilindrică și dublă trecere a gazului de suflaj permit obținerea PAW (Power Activated Water),

astfel confirmând metoda de tratare indirectă, cu PAW pentru decontaminare bacteriană.

Se poate spune astfel că cercetarea efectuatǎ confirmă premisele folosirii descărcărilor

electrice pentru decontaminare bacteriană prin tratamente directe sau indirecte.

Utilizarea indicatorilor de calitate şi definirea valorilor puterii medii a descǎrcǎrilor

electrice, permite aprecierea corectă a eficacității unor asemenea tratamente.

Punerea în evidență a efectelor de decontaminare bacteriană a fost posibilă pe baza

experimentelor efectuate în Laboratorul de Chimioterapie Antimicrobiană din cadrul USAMV

Iași.

Metoda inedită de evaluare a puterilor descărcărilor electrice reactorelor cu plasmă rece

a permis evaluarea indicatorilor de calitate prezentați în capitolul al treilea iar rezultatele

obținute, corelate cu rezultatele experimentale prezentate în capitolul patru au relevat alegerea

justă a tipului de reactor Glidarc pentru tipul de tratament efectuat, oferind și o alternativă de

biodecontaminare a instalațiilor de condiționare a aerului, prin integrarea acestuia pe un astfel

de circuit, recomandat în aval de filtrul de particule.

Menționez că, în prezentul rezumat se va folosi aceeași numerotare a paragrafelor,

figurilor, relațiilor și a indicațiilor bibliografice, ca în teză.

Pentru îndrumare și suport acordat elaborării prezentei teze de doctorat, autorul își

îndreaptă recunoștința către domnul Profesor Universitar Doctor Inginer Eugen HNATIUC.

De asemenea, doresc să mulțumesc colectivului Laboratorului de Chimioterapie

Antimicrobiană din cadrul USAMV Iași și în mod special domnului Prof. Dr. Mihai Mareș care


- 4 -

m-a sprijinit în confirmarea posibilităților de biodecontaminare bacteriană folosind descărcări

electrice de tip plasmă rece.

I.2 Tipuri de descărcări electrice. Plasma rece si caracteristici

În fizică, [70], plasma reprezintă o stare de agregare distinctă a materiei, cu proprietăţi

specifice, fiind constituită din ioni, electroni şi particule excitate sau neutre (atomi sau

molecule). Poate fi considerată ca fiind un gaz total sau parţial ionizat, care macroscopic se

manifestă ca fiind neutru din punct de vedere electric.

Datorită sarcinilor electrice libere conţinute de plasmă, aceasta conduce curentul

electric, manifestarea ei fiind puternic influenţată de prezenţa în zonă a câmpurilor magnetice.

I.2.1 Descărcări electrice

Amorsarea descărcărilor electrice este influenţată de numeroşi factori, dar presupune

de fapt ca particulele existente într-un mediu fluid să dobândească suficientă energie pentru a

trece în stare ionizată.

În cele ce urmează ne vom referi doar la situaţia în care energia primită de particulele

de fluid care se ionizează provine de la o sursă electrică de alimentare.

În Fig. I-2 se poate urmări tranziţia de la starea solidă la starea de plasmă gazoasă [2],

[3]. Presupunând că avem un corp în stare solidă, aflat într-o incintă închisă, căruia i se

furnizează suficientă energie, 0,01 eV/particulă, se obţine trecerea acestuia în stare lichidă.

Continuând acest proces de furnizare a energiei la valori mai mari, 0,1 eV/particulă, rezultă

vaporizarea completă a lichidului,

deci starea gazoasă. Dacă energia

primită creşte la valori de (1÷10)

eV/particulă, majoritatea atomilor şi a

moleculelor gazului se vor ioniza,

obţinând astfel starea de plasmă ,

formată în principiu din electroni,

ioni, particule excitate şi atomi;

temperatura asociată acestei stări este

de ordinul 104÷105 [K].

Fig. I-2 Tranziția fluid - plasmă


- 5 -

Se poate afirma deci că plasma se manifestă sub forma unui gaz ionizat cu temperaturi

ridicate (104÷105 [K]), cu energii mari ale particulelor componente, în care se regăseşte o gamă

variată de specii active [1], [3].

Pentru a explica apariţia descărcărilor electrice se consideră un circuit electric de forma

celui din Fig. I-3, format dintr-o sursă de înaltă tensiune (SIT) şi rezistorul R, care alimentează

un tub în care se găsesc doi electrozi metalici, plasaţi la distanţa d unul de celălalt.

Ecuaţia care descrie comportarea acestui circuit este:

U0=Ud + R*I sau Ud=U0 - R*I, (I-1)

Având în vedere alura caracteristicii tensiune-curent, U(I), proprie descărcărilor

electrice în gaze, v. Fig. I-4, punctele de manifestare staţionarǎ a acestora vor fi tocmai

intersecţiile dintre aceastǎ curbǎ şi dreapta de ecuaţie Ud = Uo – R*I.

Pentru valoarea U0 a tensiunii de funcţionare la gol a sursei de alimentare, indicatǎ în

Fig. I-4, se constatǎ cǎ se pot obţine cinci situaţii de manifestare staţionară a descărcării,

corespunzând unuia dintre cele cinci puncte de intersecţie evidenţiate în figurǎ.

Fig. I-3 Schema electrică de principiu pentru obţinerea descărcărilor electrice


- 6 -

Menţionǎm faptul cǎ zonele 1 - 4 corespund practic descărcărilor de tip plasmǎ non-

termicǎ, în timp ce zona 5 se referǎ la plasma termicǎ, numitǎ şi arc electric; se pot identifica

următoarele tipuri de descărcări electrice, numite obişnuit plasmă rece:

- descărcările de tip Corona (inclusiv descărcări de tip barieră dielectrică – DBD);

- descărcările luminiscente;

- descărcări de tip arc rampant, arc alunecător sau GlidArc (Gliding Arc).

I.2.1.1 Fenomene de ionizare în coloana descǎrcǎrii electrice

Ionizarea reprezintǎ transformarea unei particule neutre într-o pereche de purtători de

sarcină (electron + ion pozitiv). Aceastǎ transformare este condiţionată de un aport de energie,

numită energie de ionizare.

Fenomenele de ionizare prin autoemisie electronică se datoreazǎ câmpurilor electrice

cu intensităţi suficient de mari, de ordinul 3·107 V/cm, pe seama cărora particulele neutre

generează spontan perechi electron-ion pozitiv.

Densitatea de curent de autoemisie electronică, Jae, se poate evalua cu formula lui

Richardson:

Jae=A*a2*E2*e-(b/a*E), (I-2)

Fig. 1-4 Manifestarea descărcărilor electrice de regim staționar


- 7 -

Ionizarea prin autoemisie termică este posibilă datorită creşterii locale a temperaturii

electrozilor metalici, în special a catodului, pe seama ciocnirii acestuia de cǎtre ionii pozitivi

de sarcină iniţiali, rezultaţi prin ionizările iniţiale (autoemisia electronică). Densitatea de curent

de autoemisie termică, Jat, se poate evalua cu relaţia propusǎ de acelaşi Richardson, [1], [4]:

Jat=A*T2*e-(bT

), (I-3)

Considerând cele două relaţii de mai sus, se poate accepta formula de calcul a densităţii

totale de curent datorat fenomenelor de autoemisie, Ja, de forma:

Ja=A*�T+a*E�2*e-(b

T+a*E), (I-4)

Se constată că densitatea de curent asociată fenomenelor de autoemisie are valori reduse

faţă de valorile asociate plasmei termice. Putem afirma deci că fenomenele de autoemisie sunt

caracteristice doar pentru stadiul iniţial, de amorsare a descărcărilor electrice, respectiv pentru

plasma rece.

Ionizarea prin ciocniri este fenomenul de ionizare specific etapei de dezvoltare a

descărcărilor electrice cǎtre plasma termicǎ. Pentru explicitarea acestuia se consideră doi

electrozi metalici, poziţionaţi la distanţa d unul de celǎlalt, într-o incintă ce conţine un gaz, Fig.

I-3, aceştia fiind conectaţi la o sursă de tensiune U, între ei manifestându-se un câmp electric

de intensitate E. Electronii (generaţi prin autoemisie sau cei existenţi liber în spaţiul dintre

electrozi), având sarcina electrică e = 1,6*10-19 [C], sunt acceleraţi datorită acţiunii unei forţe

de tip Coulomb, F:

E=U

d; F=e*E, (I-5)

astfel încât corespunzător masei m a acestora, (m = 9,109 * 10-31 [Kg], aceasta fiind de circa

1840 de ori mai mică decât masa unui neutron), deplasarea lor către anod se va realiza cu

acceleraţia a:

a=F

m , (I-6)

Considerând că fenomenele de descărcare prin ciocniri au loc într-un sistem

termodinamic reprezentat de zona de descărcare, având presiunea p, temperatura absolutǎ T şi

în care drumul mediu de ionizare al electronului este λi, iar drumul mediu liber al electronului

λe, sunt desigur valabile relaţiile:


- 8 -

λi≅λe; λe×p=C=const, (I-7)

astfel încât viteza de deplasare a electronilor, dupǎ parcurgerea drumului lor mediu

liber, λe, va deveni de valoare v, iar energia cinetică a unui electron în această situaţie, Wc poate

fi calculată cu ajutorul relaţiei:

Wc=m×v2

2 , (I-8)

Pentru a realiza ionizarea prin ciocniri, sunt necesare valori suficient de mari ale vitezei

de deplasare a electronilor cǎtre anod, definite prin relaţia de mai jos, când este posibil ca

valoarea energiei cinetice a particulei, Wc, sǎ depǎşeascǎ valoarea energiei de ionizare, Wi = e

* Ui, rezultând deci:

v>�2×e×Ui

m=�2×e×E×λi

m=�2×e×U×C

m×(p×d) , (I-9)

Examinând relaţiile (I-9) se poate afirma cǎ fenomenele de ionizare prin ciocniri sunt

influenţate de sarcina specifică a electronului, (e/m), precum şi de produsul dintre presiunea p

a mediului în zona de descărcare şi distanţa d dintre electrozi (p*d).

Fenomenele de ionizare termică se manifestǎ în întregul volum de gaz dintre electrozi

şi au la bază creşterea importantǎ a temperaturii absolute a mediului în care se produce

descărcarea, T. In consecinţǎ energia cineticǎ de agitaţie termică a electronilor de masǎ m şi

vitezǎ v poate depǎşi energia de ionizare, Wi, putându-se scrie relaţii de forma:

m×v2

2=

3

2×k×T>Wi , (I-10)

Valoarea densitǎţii de curent corespunzǎtoare fenomenelor de ionizare termicǎ, Jt, se

poate evalua cu ajutorul unei relaţii de forma:

Jt=Jarc=χ×N1×E×b×q, (I-11)

χ- gradul de ionizare al gazului este definit ca raport dintre numǎrul de particule ionizate, n şi

numǎrul total de particule, N1, din unitatea de volum de gaz:

� = �

, (I-12)


- 9 -

Fenomenele de ionizare termică depind de presiunea gazului, p şi de natura acestuia,

precizată de tensiunea de ionizare, Ui, aşa cum indică ecuaţia Eggert – Saha, ce pentru aer se

scrie sub forma:

p×χ2

1-χ2 =315,8×T2,5×e-11600×Ui

T ×10-3, (I-13)

Se poate afirma deci că factorii care influenţeazǎ manifestarea fenomenelor de ionizare

termicǎ, conform relaţiilor de mai sus, sunt: natura gazului în care are loc descǎrcarea, prin Ui,

parametrii termodinamici ai acestuia (T, p, b), natura materialului, forma electrozilor şi

intensitatea câmpului electric dintre electrozi, E, [1], [4].

I.2.1.2 Fenomene de deionizare în coloana descǎrcǎrii electrice

Fenomenele de deionizare constau în aceea că o pereche de purtători de sarcină se

neutralizează din punct de vedere electric, generând o particulă neutră, concomitent cu

eliberarea energiei primite prin fenomenul de ionizare.

Fenomenele de deionizare pot decurge prin recombinare respectiv prin difuzie.

Fenomenul de deionizare prin recombinare are loc prin neutralizarea a două particule

cu sarcini electrice contrare, cu generarea unei particule neutre şi eliberarea energiei primite în

timpul fenomenului de ionizare. Datoritǎ vitezelor de deplasare diferite ale purtătorilor de

sarcină din coloana descărcării electrice, ionii pozitivi fiind mai lenţi deoarece masa lor este

mult mai mare decât aceea a electronilor, ciocnirea directă cu recombinare este puţin probabilă..

Fenomenul de deionizare prin difuzie presupune deplasarea perechilor de purtători de

sarcină spre exteriorul coloanei de descărcare, unde apar fenomene de recombinare, în urma

cărora rezultă particule neutre şi este eliberată energia primită la ionizare. Evacuarea de energie

din coloana de plasmă indică faptul că asemenea deionizări sunt mai eficiente pentru controlul

gradului de ionizare al descărcărilor electrice.

Factorii de influenţǎ asupra fenomenelor de deionizare se dovedesc a fi aceiaşi ca în

cazul fenomenelor de ionizare, anunţând eficacitatea deosebită la modificarea acestora: astfel,

de exemplu, scăderea intensităţii ionizǎrilor va fi asociatǎ cu creşterea intensităţii deionizărilor,

pe seama creşterii valorilor presiunii gazului, p sau a vitezei fluidului de suflaj.

Dacă fenomenele de ionizare sunt în echilibru dinamic cu fenomenele de deionizare,

descărcarea electrică se manifestă staţionar, aceasta putând fi însă stabilă sau instabilă.


- 10 -

De asemenea, pentru descărcările electrice de regim staţionar, deosebim descărcări

autonome, care se menţin chiar şi după încetarea fenomenelor iniţiale de ionizare, care au

condus la amorsarea acestora, respectiv neautonome, dacă în absenţa fenomenelor iniţiale de

ionizare descărcarea electrică încetează să se mai manifeste.

Valorile minime ale tensiunii Uo a sursei de alimentare, în funcţie de valorile produsului

(pd), pentru care descărcarea electrică amorsată poate fi autonomă sunt definite de curbele lui

Paschen, v. Fig. I-5 şi se pot calcula cu ajutorul relaţiei:

U= UiC

× (p×d)

ln (p×d)

C×ln(1+1γ)

, (I-14)

Pentru a obţine o descărcare electrică autonomă este necesar ca, pentru o valoare dată

a produsului (pd), valorile tensiunii de alimentare a sursei la gol, Uo, să depăşească valorile

tensiunii U(pd) indicate în Fig. I-5, corespunzătoare gazului în care aceasta se manifestă.

Se constată că aceste curbe, U(pd), prezintă un minim, Umin :

Umin=e×Ui×ln �1+1

γ�, (I-15)

pentru o valoare a produsului (pd)min :

(p×d)min=C×e×ln �1+1

γ� , e = 2,7812, (I-16)

Fig. I-5: Curbele lui Paschen, U(p*d), pentru diferite gaze


- 11 -

Semnalǎm faptul cǎ în cazul aplicaţiilor care utilizeazǎ descǎrcǎri electrice, când este

de dorit ca acestea sǎ se manifeste ca descǎrcǎri autonome, care se întreţin mai uşor, este de

dorit ca punctul de funcţionare să fie în zona Uo > Umin, pentru a reduce nivelul de izolaţie al

instalaţiei şi de asemenea costurile acesteia, astfel încât zona corespunzǎtoare valorilor (pd)min

devenind foarte interesantǎ pentru asemenea situaţii.

I.2.2 Plasma rece şi caracteristici

După cum s-a precizat, descărcările electrice, pe care le numim obişnuit plasmă rece,

sunt cele de tip Corona, descărcările cu barieră dielectrică (DBD), descărcările luminiscente

respectiv cele de tip Glidarc.

În Tabelul I-1 se precizează principalii parametri pentru diferite tipuri de plasmă.

Tabel I-1: Parametrii caracteristici pentru diferite tipuri de descărcări electrice

Parametri

Tipul descărcării

Corona Impuls DBD

Luminiscent GlidARC Arc electric (Plasmă termică)

U0 [KV] (tensiunea descărcării)

>10 100 5 1 ÷ 20 30V ÷ 50V

I [A] (curentul prin descărcare)

< 10-5 < 10-3 0,1 1 10 ÷ 103

p [atm] (presiunea gazului)

≤ 1 ≤ 1 <≤ 1 1 1

T [K] (temperatura gazului)

500 500 < 500 2000 > 10000

χ (gradul de ionizare)

< 10-6 < 10-5 < 10-4 < 10-2 10-2 ÷ 1

J [A/cm2] (densitatea de curent)

10-9 10-5 10-3 1 ÷ 102 102 ÷ 104

I.3.2 Tipuri de specii şi reacţii chimice generate în plasma rece

Moleculele gazului plasmatic se regăsesc sub formă de ioni, electroni, particule

excitate, particule neutre (neîncărcate electric) şi diverse alte specii sau radicali, [16].

Identificarea acestor specii şi radicali a fost necesară în scopul evaluării influenţei lor

asupra diferitelor tratamente cu plasmă rece, pentru a completa constatarea cu privire la

spectrul larg de acţiune al acestor descărcări electrice, cu asigurarea unor tratamente selective

pentru fiecare din multitudinea de aplicaţii diverse preconizate, [45].


- 12 -

În prezenţa unui lichid, cum este apa de exemplu, speciile şi radicalii metastabili

generaţi în urma acţiunii descărcărilor de tip plasmă rece sunt încă mai diversificate, aşa cum

se poate urmări în Fig. I-6, [49].

Speciile active şi radicalii metastabili generaţi pe seama descărcărilor de tip plasmă rece

sunt foarte reactive din punct de vedere electrochimic şi pot întreţine reacţiile tipice care pot fi

reacţii omogene sau reacţii heterogene, [16].

O altă manifestare tipică pentru utilizarea descărcărilor electrice o constituie efectul de

acidificare a unei soluții supuse tratamentului cu plasmă rece, efect unanim recunoscut în

prezent şi important în toate procesele ce presupun fenomene de oxidare, de la aspecte

ecologice legate de descompunerea materiei organice (gunoiul menajer) şi/sau curățarea

solvenților, până la aplicaţiile biomedicale sau cele de biodecontaminare bacteriană, care se

dezvoltă încă în prezent, [47], [48], [49].

Distribuția speciilor reactive care apar în cazul folosirii unei descărcări de tip plasmă

rece (Glidarc), [49], sunt exemplificate în Fig. I -7.

Fig. I-6 Plasma și componentele plasmei în interacțiunea cu mediul lichid


- 13 -

Speciile active generate în plasma rece pot acționa, atât în mod direct cât şi în mod

indirect, asupra mediilor de tratat, evidenţiindu-se prin efecte specifice ale acestora, cum sunt

efectul de acidificare a soluțiilor tratate sau efectul de oxido – reducere, ce induc reacţiile

electrochimice utile în vederea tratării soluțiilor.

În reacțiile de oxidare a speciilor active formate în plasma rece sunt implicate atât

peroxidul de hidrogen, H2O2, cât şi RNS (specii active ale azotului). La formarea nitriților şi

mai apoi a nitraților, sunt implicați peroxinitriții.

II. REACTOARE CU PLASMĂ RECE

Reactorul cu Plasmǎ Rece (RPR), este un ansamblu care permite obţinerea unor

descǎrcǎri electrice tip plasmǎ rece, destinate unor aplicaţii diferite, împreunǎ cu toate

accesoriile aferente.

Menţionǎm faptul cǎ existǎ practic o foarte mare diversitate de asemenea dispozitive,

cu principii de funcţionare distincte şi cu parametri nominali diferiţi, astfel încât pentru a

identifica un anumit RPR utilizat pentru o anumitǎ aplicaţie, din multitudinea de variante şi

tipodimensiuni existente, la denumirea reactorului se precizeazǎ de obicei şi tipul de plasmǎ

rece utilizat. În acelaşi scop se adaugǎ uneori şi informaţii referitoare la sursa de alimentare,

mai ales cu privire la frecvenţa sau forma semnalelor electrice utilizate.

Fig. I-7: Distribuţia speciilor pentru o descǎrcare tip Glidarc la tratarea cu mediul lichid, [49].


- 14 -

II.1. Tipuri de reactoare cu plasmă rece

Evoluţia continuǎ a aplicaţiilor RPR care folosesc descărcări electrice, a condus firesc

la realizarea de noi surse de plasmǎ rece, mereu mai performante şi mai bine adaptate

tratamentelor preconizate.

Cunoaşterea construcţiei, a principiilor de funcţionare şi a performanţelor diferitelor

tipuri de RPR este esenţialǎ atât pentru alegerea corectǎ a soluţiei de preferat pentru o aplicaţie

datǎ, cât şi pentru definirea corectǎ unor criterii de eficienţǎ pentru asemenea dispozitive.

Aceste aspecte devin încǎ mai importante în etapa actualǎ, de extindere a unor asemenea

aplicaţii, când se preconizeazǎ trecerea de la demonstrarea fezabilitǎţii tratamentelor cu plasmǎ

rece la etapa utilizǎrii lor la scarǎ largǎ, urmǎrindu-se prioritar asigurarea selectivitǎţii respectiv

a eficacitǎţii maxime a diverselor dispozitive.

Vom prezenta deci principalele tipuri de RPR, care sunt:

- reactoarele cu descǎrcǎri electrice de tip Corona;

- reactoarele cu descǎrcǎri electrice de tip DBD;

- reactoarele cu descǎrcǎri electrice de tip Glidarc.

II. 1. 3. Reactoare electrochimice de tip Glidarc

Clasificarea reactoarelor de tip Glidarc poate ţine seama de criterii diverse, deosebind:

a) dupǎ geometria descǎrcǎrii:

- reactoare GlidArc cu descărcare plană, descărcarea manifestându-se între

doi electrozi E1 şi E2, dispuşi la 180° unul faţă de celalalt, Fig. II-15;

- reactoare GlidArc cu descărcare volumică, realizată între trei sau multiplu

de trei electrozi principali, E1, E2 şi E3, dispuşi la 120°, Fig. II-16, sau între

doi electrozi cu simetrie cilindricǎ.

b) dupǎ frecvenţa sursei de alimentare:

- reactoare GlidArc de curent continuu;

- reactoare GlidArc alimentate cu impulsuri;

- reactoare GlidArc de curent alternativ, 50 [Hz];

- reactoare GlidArc de frecvenţǎ ridicatǎ, (100 – 30000) [Hz].


- 15 -

c) dupǎ tipul sursei de alimentare:

- reactoare GlidArc monofazate;

- reactoare GlidArc trifazate.

d) dupǎ modul de circulare a gazului de suflaj:

- reactoare GlidArc fǎrǎ circulare a gazului de suflaj, în „batch”;

- reactoare GlidArc cu circulare continuǎ a gazului de suflaj.

II. 2. 2. Evoluţia reactoarelor electrochimice cu plasmă rece de tip Glidarc

Evoluţia reactoarelor de tip GlidArc a respectat tendinţele anunţate anterior, privind

ameliorarea interfeţei de transfer a speciilor active de la descǎrcarea electricǎ la mediul de

tratat, privind creşterea puterii active a descǎrcǎrii electrice utile şi respectiv necesitatea de a

adapta puterea activǎ a descǎrcǎrii la valorile nesesare pentru un tratament dat, în conformitate

cu cerinţele tot mai diverse impuse prin extinderea aplicaţiilor acestor dispozitive.

Corespunzǎtor primei tendinţe se remarcǎ preferinţa pentru construcţii de reactoare

GlidArc cu descǎrcare volumicǎ, cu 3 sau multiplu de 3 electrozi, respectiv pentru reactoarele

cu simetrie cilindricǎ, cu electrod rotativ sau cu descǎtcare electricǎ rotativǎ, v. § II. 1. 3. 1.

În cazul tratǎrii soluţiilor, ameliorarea interfeţei de transfer a speciilor active este

evidentǎ la amorsarea descǎrcǎrii electrice în lichid dar mai ales în cazul pulverizǎrii soluţiei

de tratat în gazul de suflaj, v. §II. 1. 3. 2.

Creşterea puterii electrice a descărcării are rolul de a spori populaţia de specii active

generate de descǎrcarea electricǎ şi în consecinţǎ creşte reactivitatea şi eficienţa tratamentelor.

O primǎ posibilitate în cazul reactoarelor de plasmă rece de tip Glidarc se referǎ la

creşterea puterii electrice a descărcării, Pd, prin mǎrirea debitului de gaz de suflaj, Q, însǎ valori

prea mari ale acestui debit pot conduce la întreruperea descǎrcǎrii.

O altǎ modalitate de sporire a puterii electrice a descărcării este aceea de a schimba

sursa de înaltă tensiune care alimentează reactoarele de tip Glidarc, înlocuind transformatoarele

cu flux de pierderi mărit şi caracteristicǎ de ieşire căzătoare, U(I), v. Fig. II-34a, cu

transformatoare obişnuite, cu caracteristică de ieşire rigidă, v. Fig. II-34b, când se impune însă

utilizarea raţională a unor limitatoare de curent, pentru a păstra caracterul de plasmă rece al

descărcării, [71].


- 16 -

Elementele de limitare a valorilor curentului care parcurge descǎrcarea pot fi rezistoare,

când randamentul ansamblului sursǎ de alimentare-reactor poate ajunge la 0,45‚ (faţǎ de cca

0,1 în cazul din Fig. II-34a), respectiv bobine cu miez feromagnetic, cu avantaje privind

gabaritul dar şi diminuarea evidentă a pierderilor de putere activă, astfel încât randamentul

ansamblului poate depăşi valoarea de 0,75, [71].

Dacă se acceptă relaţia lui Ayrton, pentru evaluarea tensiunii Ud la bornele descărcării

electrice de tip GlidArc de curent continuu, (II-1):

U� = α + β ∗ δ + ��∗�� , (II-1)

în care i este curentul care parcurge descărcarea, α, β, γ şi δ - coeficienţi constanţi, iar d –

distanţa dintre electrozi, se poate evalua puterea Pd a descărcării electrice iar puterea descărcării

electrice, Pd, se poate scrie sub forma:

P� = U� ∗ i = �α + β ∗ d� ∗ i + �γ + δ ∗ d� ,( II-2)

Se remarcă faptul că pentru a creşte valorile puterii Pd putem apela fie la mărirea

valorilor curentului i, fie la creşterea distanţei d dintre electrozi.

Prima soluţie conduce la transformarea descărcării în plasmă termică, în timp ce a doua

cale implică creşterea valorilor la gol ale tensiunii sursei de alimentare, deci costuri sporite ale

izolaţiei ansamblului.

În evoluţia reactoarelor GlidArc cu simetrie cilindricǎ semnalǎm o variantǎ constructivǎ

realizatǎ în premierǎ la Universitatea Tehnicǎ „Ghe. Asachi” din Iaşi, care permite funcţionarea

Fig. II-34: Caracteristici de ieşire pentru transformatoarele de alimentare ale reactoarelor GlidArc


- 17 -

atât în varianta de reactor electrochimic de tip Glidarc cu o „trecere simplǎ” a gazului de suflaj

prin zona descǎrcǎrii, cum se poate urmari în Fig. II-40, cât şi funcţionarea cu ”trecere dublă”

a gazului prin zona de amorsare a descărcărilor, Fig. II-41.

Pentru a impune zona de amorsare a descǎrcǎrii se foloseşte un electrod auxiliar ce

asigurǎ distanţa minimǎ dintre electrozi, a cǎrui poziţie este corelatǎ cu injecţia gazului de

suflaj.

Aspectul descǎrcǎrilor electrice în cele douǎ variante de funcţionare a dispozitivului

poate fi urmǎrit în Fig. II-42.

Fig. II-40: Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică şi magneţi permanenţi cu „trecere simplă” a gazului prin zona de descǎrcare

Fig. II-41: Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică şi magneţi permanenţi cu „trecere dublă” a gazului prin zona de descǎrcare


- 18 -

II. 2. 3. Indicatori de calitate pentru reactoare electrochimice cu plasmă rece

Având în vedere varietatea impresionantǎ de reactoare cu plasmǎ rece realizate pânǎ în

prezent dar şi a celor cu descǎrcǎri electrice de tip GlidArc, care şi-au probat eficienţa prin

experimente realizate în numeroase laboratoare din întreaga lume, se pune în prezent problema

de a trece de la etapa de a demonstra fezabilitatea unor asemenea tratamente cǎtre etapa de

aplicare la scarǎ largǎ a acestora. Aceasta este o provocare inginereascǎ majorǎ, deoarece

impune identificarea unor indicatori şi parametri care sǎ permitǎ definirea unor criterii pentru

compararea diferitelor variante constructive, optimizarea construcţiei acestora, dar şi alegerea

corectǎ a reactorului potrivit pentru o anumitǎ aplicaţie.

Un prim şi important indicator de calitate pentru reactoarele cu plasmǎ rece este puterea

medie a descǎrcǎrii electrice, Pd, putându-se defini de asemenea puterea instantanee, p,

respectiv puterea maximǎ, Pmax. Menţionǎm dificultǎţile legate de mǎsurarea directǎ a acestor

puteri (cu interes deosebit totuşi pentru puterea medie), datoritǎ descǎrcǎrilor electrice ce se

manifestǎ ca un fenomen neliniar, ce genereazǎ armonici şi mai ales perturbaţii

electromagnetice, [81], [82].

Un alt indicator al reactoarelor de plasmă rece este randamentul, η, ce poate fi definit

ca fiind raportul dintre puterea medie a descărcării electrice utile, Pd şi puterea electrică

absorbită de la reţea, Pa:

η = ��

,( II-3)

Fig. II-42: Aspecte ale descărcării Glidarc pentru funcţionarea cu „trecere simplă” şi respectiv cu „trecere dublă”


- 19 -

S-a observat faptul cǎ valorile randamentului nu sunt menţionate de obicei de

cercetǎtorii care folosesc reactoare cu plasmǎ rece, iar ca putere medie se anunţǎ adesea puterea

absorbitǎ de la reţea.

Indicatorul care anunţǎ reactivitatea gazului ce trece prin zona descǎrcǎrii electrice în

tratamentele cu plasmǎ rece este energia specificǎ, ws [J/L], definită ca fiind raportul dintre

puterea medie a descărcării electrice utile, Pd şi debitul gazului de suflaj Q [L/s].

w! = ��" ,( II-4)

Se poate defini, ca un nou parametru al reactoarelor cu plasmă rece, energia electrică

necesară pentru un tratament dat, Wd [KWh], de duratǎ τ, pentru un volum cunoscut de tratare,

V [L],

#$ = %$ ∗ & ,( II-5)

indicator ca şi energie electrică consumată pe unitatea de volum de tratat, Ed:

'$ = ()$ , ( II-6)

În ceea ce priveşte costurile energiei consumate pe durata τ a tratamentului, se poate

defini ca un nou indicator, costul pe unitate de volum de tratat, Cd:

*$ = '$ ∗ + , ( II-7)

p fiind preul unitar al energiei consumate.

Considerând valorile puterii medii a descărcării electrice, Pd şi ale energiei specifice,

ws, pentru diferite tipuri de descǎrcǎri electrice de tip plasmă rece, este posibilǎ o comparare a

acestora, aşa cum se poate urmǎri în Tabelul II-1, [1].

Tabel II-1: Indicatori de calitate pentru principalele tipuri de descǎrcǎri electrice-plasmǎ rece

Indicator de calitate

Tipul descǎrcǎrii

Corona DBD-impuls GLIDARC

Pd [W] 10-50 0,5-5 2500

ws[J/L] 10 20-30 400


- 20 -

Se constatǎ cǎ reactoarele de tip GlidArc sunt cele mai performante prin prisma acestor

indicatori, justificând opţiunea noastrǎ pentru utilizarea acestora.

Subliniem faptul cǎ prin considerarea unor asemenea indicatori de calitate este posibilǎ

atât compararea performanţelor unor reactoare cu plasmǎ rece, chiar dacǎ funcţioneazǎ cu

descǎrcǎri electrice diferite, cât, mai ales, optimizarea construcţiei unui anumit tip de reactor.

Considerând astfel ca indicatori de calitate puterea medie a descǎrcǎrii electrice, Pd şi

energia specificǎ, ws, ambele depinzând de debitul gazului de suflaj, Q, se constatǎ cǎ în cazul

reactoarelor GlidArc monofazate cu simetrie planǎ, curbele Pd(Q) şi ws(Q), au alura indicatǎ

în Fig. II-45.

Examinând aceste curbe se constatǎ cǎ ambele prezintǎ puncte de maximum,

interesante pentru diferite experimente, însǎ pentru valori diferite ale debitului de gaz, Q1

pentru curba 2, respectiv Q2 pentru curba 1. Existǎ desigur aplicaţii pentru care este de preferat

ca puterea descǎrcǎrii sǎ fie maximǎ, şi altele care necesitǎ valori cât mai mari ale energiei

specifice.

Funcţionarea optimǎ a unui asemenea reactor GlidArc cu simetrie planǎ, se obţine când

valorile maxime ale puterii descǎrcǎrii şi energia specificǎ maximǎ se obţin pentru o aceeaşi

valoare a debitului de gaz de suflaj, deci când Q1 = Q2. Acest deziderat se poate obţine prin

considerarea unor aspecte specifice curgerii fluidelor (gazelor) prin incinta reactorului.

Fig. II-45: Cu privire la optimizarea reactorului Glidarc cu simetrie plană


- 21 -

Considerând acum aceleaşi curbe, Pd(Q) şi ws(Q), pentru un reactor GlidArc cu simetrie

cilindricǎ şi descǎrcare electricǎ rotativǎ, v. Fig. II-46, se constatǎ cǎ valorile maxime ale

acestor indicatori de calitate se obţin pentru o aceeaşi valoare a debitului de gaz de suflaj,

putându-se afirma cǎ un asemenea dispozitiv funcţioneazǎ optim d.p.d.v. aerodinamic.

Vom prezenta acum o posibilitate de optimizare a reactoarelor GlidArc pentru

prepararea apei activate cu plasmǎ rece în „șarjǎ” sau „batch”, fǎrǎ recircularea lichidului însǎ,

Fig. II-47.

Dacǎ se noteazǎ cu Vo volumul de apǎ distilatǎ de tratat într-o şarjǎ, timpul de tratare al

acestei şarje, T [s], se poate evalua cu relaţia:

Fig. II-46: Cu privire la optimizarea reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică

Fig. II-47: Cu privire la optimizarea unui reactor GlidArc pentru prepararea PAW


- 22 -

T=τ0+τ1 , ( II-8)

unde τ0 reprezintǎ timpul de manevrare a instalaţiei, iar τ1 – un timp depinzând de volumul V0

de lichid de tratat, conform unei relaţii de forma:

τ1=αV0+βV02 , ( II-9)

valorile coeficienţilor α şi β putându-se determina conform experimentului efectuat.

Volumul total de PAW preparat într-o orǎ de exemplu, V, se poate calcula cu ajutorul

relaţiei:

V=N×V0 , ( II-10)

în care N este numǎrul de şarje realizate în acest timp:

N=3600

(τ0+αV0+βV02)

, ( II-11)

Considerând relaţiile (II-10) şi (II-11), rezultǎ final pentru volumul total V, o expresie

de forma:

V=3600×V0

(τ0+αV0+βV02)

, ( II-12)

Se constatǎ cu uşurinţǎ cǎ funcţia V (Vo) prezintǎ un punct de maximum pentru o

valoare V0*:

V0*=�τ0

β , ( II-13)

valoarea V0* fiind soluţie a ecuaţiei:

dV

dV0 = 0 , ( II-14)

Alura curbei V(V0) este ilustratǎ în Fig. II-48 şi

confirmǎ o valoare maximǎ pentru volumul total V ce

corespunde valorii V0*.

Fig. II-48: Cu privire la optimizarea unui reactor GlidArc

pentru prepararea PAW


- 23 -

Atunci când studiile cu privire la diferitele aplicaţii ale descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece

vor considera şi protocolul de tratare, se vor identifica criterii şi cerinţe specifice, astfel încât

aceşti indicatori de calitate, ca şi aceia care vor identificaţi poate ulterior, vor permite alegerea

corectǎ a tipului de reactor pentru o aplicaţie datǎ.

Utilizarea descărcărilor electrice de tip plasmă rece pentru diferite tratamente, folosind

metoda directǎ pentru depoluarea gazelor sau a soluţiilor de exemplu, ori metoda indirectă

(pentru generarea PAW sau PAM), pentru biodecontaminare bacterianǎ sau tratarea ţesuturilor

vii, este necesară adaptarea constructivǎ şi funcţională a reactorului, la tipul de tratament ce

urmează a fi efectuat.

Principalele utilizǎri ale reactoarelor ce apeleazǎ la descărcări electrice de tip plasmă

rece, se referǎ la tratarea diverselor afecţiuni ale ţesuturilor vii, folosind metode directe sau

indirecte (cu producere de PAW sau PAM), la tratamente de depoluare a mediului, la

tratamente de biodecontaminare bacterianǎ, cât şi la procedee tehnologice de condiţionare a

suprafeţelor în vederea asigurǎrii biocompatibilitǎţii materialelor de implant sau în vederea

unor operaţiuni tehnologice ulterioare.

Analiza reactoarelor cu plasmă rece folosind indicatorii de calitate amintiţi anterior,

relevă chiar posibilităţi de optimizare a construcţiei acestora, în scopul îmbunătăţirii

performanţelor şi a mai bunei adaptǎri la cerinţele tratamentului preconizat, legate fie de

interfaţa de transfer a speciilor active cǎtre mediul de tratat, fie de necesitatea creşterii puterii

medii a descǎrcǎrii electrice, Pd, fie de utilitatea unor valori mai mari a energiei specifice, ws.

Se remarcǎ faptul cǎ utilizarea unor reactoare de tip Glidarc cu descărcare volumică cu

simetrie plană a electrozilor cît şi a celor cu simetrie cilindrică şi descǎrcare rotativǎ, se

dovedeşte beneficǎ în instalaţii de biodecontaminare.

III. CARACTERIZAREA REACTOARELOR CU PLASMĂ RECE

Alegerea corectǎ a variantei de reactor cu plasmǎ rece, din marea varietate de construcţii

existente, care permitǎ o utilizare eficientǎ pentru o aplicaţie datǎ, presupune în primul rând

caracterizarea corectǎ a unor asemenea dispozitive, pentru a le putea compara performanţele şi

a evalua posibilitǎţile de a rǎspunde optim la cerinţele de funcţionare proprii unui anumit

tratament preconizat.


- 24 -

III. 1. Oportunitatea caracterizării reactoarelor cu plasmă rece

Plasma rece, inactivează cu eficienţă bacterii, levuri, mucegaiuri şi fungi, substanţe cu

potenţial de alertă bio–teroristă. Reactoarele electrochimice cu plasmǎ rece pot fi întrebuinţate

pentru biodecontaminare şi sterilizare a suprafeţelor, a instrumentarului medical, a apei, a

aerului, a hranei umane, a ţesuturilor vii, fără a cauza distrugerea acestora ori efecte adverse,

demonstrându-şi astfel potenţialul important în domeniile amintite.

Efectele de sterilizare atribuite plasmei reci de exemplu, sunt o consecinţǎ a acţiunii

sinergice a mai multor mecansime, ce au la bazǎ manifestarea descǎrcǎrilor electrice de acest

tip, cum ar fi obţinerea radiaţiei UV, a câmpului electric, a particulelor încărcate de tip ioni, a

speciilor active şi a radicali metastabili asociaţi.

Cunoaşterea şi înţelegerea acestor mecanisme, a rolului fiecǎrei specii şi a sinergiei ce

intervine în acţiunea lor simultanǎ, este esenţială pentru a sparge caracterul de ”black – box”

al proceselor induse, ce permit obţinerea unor tratamente eficiente de biodecontaminare,

sterilizare sau cu efecte medicale în diverse maladii.

Este deci necesarǎ o abordare multidisciplinară a cunoaşterii acestor mecansime, ceea

ce implicǎ expertize din domeniul fizicii, al chimiei, al microbiologiei, al medicinei şi ingineriei

electrice.

Până în prezent se vorbea mai ales despre caracterizarea reactoarelor electrochimice cu

descărcări electrice tip plasmă rece, pe baza expertizei corespunzǎtoare fiecǎruia din domeniile

anterior anunţate.

Astfel, fizica plasmei apreciazǎ descărcările electrice tip plasmǎ rece, identificând şi

analizând, în principal, următoarele caracteristici:

densitatea de particule ionizate ca fiind definită de concentraţia electronilor, ne,

concentraţia ionilor, ni, şi concentraţia particulelor neutre, nn;

intensitatea câmpului electric, E, depinzând de tensiunea de alimentare, de distanţa

dintre electrozi şi de geometria acestora;

temperatura electronilor, Te și temperatura ionilor, Ti care în cazul plasmelor reci

sunt inegale, Te>>Ti;

temperatura rotațională, Tr, ca fiind temeperatura ce descrie numǎrul de niveluri

de rotaţie a speciilor moleculare;


- 25 -

temperatura vibrațională, Tv, descrisă ca fiind numărul de stări vibraţionale a

speciilor moleculare;

tensiunea de ionizare, Ui ;

lungimea Debye, λD, descrisă ca distanţa pe care sunt ecranate câmpurile electrice

externe plasmei;

Chimia, are în vedere mai ales, studierea efectelor descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece prin

identificarea şi analizarea compuşilor chimict generaţi de acestea (ioni, specii active, particule

excitate, radicali etc.), la interfaţa cu un gaz de suflaj sau cu un lichid de tratat, identificând şi

principalele tipuri de reacţii electrochimice care pot interveni în asemenea condiţii. Ca urmare

au rezultat următoarele::

identificarea speciilor sursă, de tipul O2, N2 și H2O;

identificarea speciilor primare, de tipul moleculelor excitate de O, N, H2O și a

radicalilor de tip hidroxil oH, oOH, oO, specii activate de tip ROS și RNS;

identificarea speciilor secundare, de tipul O2+, O+, N2

+, N+, OH-, NO2-, NO3

-, ONO2-

, H, OH, H2O2, HO2, O3, NO, NO2, ONO2H (radical hidroxil, peroxid de hidrogen,

radical peroxil);

identificarea speciilor tratate rezultate ca urmare a tratării cu plasma rece denumite și produși ai oxidării, de tipul NO2

-, NO3-, H+.

Evoluţiile tehnologice din ultimii ani au permis utilizarea unor metode speciale pentru

analiza şi studiul descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece, cum ar fi spectrometria sau analiza

descărcărilor electrice prin utilizarea camerelor de filmare ultrarapide (engl.” high speed

camera”).

Folosirea spectrometriei pentru studiul şi analiza plasmei reci are ca scop considerarea

unui eşantion de gaz plasmatic şi evaluarea calitativǎ şi cantitativǎ a constituenţilor produşi în

condiţii controlate. Utilizarea spectrometriei în analiza plasmei reci, ce se manifestǎ în afara

echilibrului termodinamic, a fost posibilǎ doar dupǎ perfecţionarea metodelor de achiziţie de

date şi în condiţiile acceptǎrii unor ipoteze speciale de studiu.

Analiza cu camera de filmare de mare viteză are ca scop studierea deplasării

descărcărilor de tip plasmǎ rece de-a lungul electrozilor, urmǎrirea geometriei şi a parametrilor

geometrici ai acesteia, cât şi a evoluţiei descărcării în timp, de la amorsare până la stingerea ei.

Definirea lungimii medii a descǎrcǎrii de tip GlidArc pentru o semiperioadǎ, ar permite


- 26 -

utilizarea relaţiei lui Ayrton, pentru aprecierea comportǎrii circuitului electric în care este

montat reactorul.

O altă posibilitate de caracterizare a reactoarelor ce folosesc descărcări electrice de tip

plasmă rece răspunde unor cerinţe ale ingineriei electrice şi presupune determinarea unor

parametri specifici, cum sunt:

tensiunea la bornele descărcării electrice, Ud(i);

curentul electric care parcurge descărcarea de tip plasmă rece, i;

puterile electrice ale descărcării, instananee, p, maximă, Pmax, respectiv medie, Pm;

puterea consumată de la reţeaua de alimentare, Ps şi randamentul reactorului cu

plasmă rece, η;

spectrul de armonici şi nivelul perturbaţiilor electromagnetice asociat funcţionării

unor asemenea reactoare.

Semnalǎm faptul cǎ pentru mǎsurarea valorilor tensiunii la bornele descǎrcǎrii se

apeleazǎ obişnuit la divizoare de tensiune sau la sonde de înaltǎ tensiune asociate cu un

osciloscop, iar pentru mǎsurarea valorilor curentului ce parcurge descǎrcarea se folosesc

transformatoare de curent sau traductoare Hall, mai rar mǎsurarea directǎ cu ajutorul

ampermetrului, din cauza nivelului de izolaţie impus de sursa de alimentare de înaltǎ tensiune.

Caracterizarea electrică a reactoarelor cu descărcări de tip plasmă rece permite ca, în

condiţiile existenţei unei diversităţi impresionante de dispozitive, ce pot genera diferite tipuri

de descărcări, caracterizate prin parametri nominali diferiţi, să fie posibilă aprecierea raţionalǎ

a performanţelor, dar mai ales compararea lor, în vederea alegerii corecte a soluţiei pentru o

aplicaţie dată, considerând eventual şi indicatorii de calitate ai reactoarelor, definiţi anterior

Se consideră puterea electrică medie a descărcării, Pm = Pd, ca indicator de bază pentru

evaluarea performanţelor reactoarelor cu plasmă rece, fiind necesar însă să se precizeze şi

valorile puterii maxime ale acesteia, Pmax, respectiv ale puterii instantanee, p.

Menţionǎm faptul cǎ, la funcţionarea în curent continuu sau în curent alternativ

sinusoidal, în absenţa armonicilor, evaluarea acestor puteri este relativ simplǎ.

Astfel în cazul curentului continuu, pentru un consumator rezistiv, parcurs de curentul

Imax atunci când este alimentat de la o sursǎ având tensiunea Umax, se pot scrie relaţiile evidente:

+ = %, = %,-. = /,-. ∗ 0,-. ,(III-1)


- 27 -

În cazul aceluiaşi consumator, care funcţioneazǎ în curent alternativ, fiind alimentat de

la o sursǎ de tensiune u(t) şi care este parcurs de curentul i(t):

1�2� = √2 ∗ / ∗ 567�82� , 6�2� = √2 ∗ 0 ∗ 567�82� , (III-2)

unde U respectiv I reprezintǎ valorile efective ale tensiunii respectiv ale curentului iar ω –

pulsaţia tensiunii sursei, expresia puterii instantanee, p, disipate pe rezistor este :

+�2� = 1�2� ∗ 6�2� = / ∗ 0 ∗ 91 − <=5�282�> , (III-3)

aceasta evoluând cu pulsaţia 2ω, între o valoare minimǎ (nulǎ) şi o valoare maximǎ, Pmax :

%,-. = 2 ∗ / ∗ 0 = /,-. ∗ 0,-. , (III-4)

Pentru a evalua puterea medie, Pm, se apeleazǎ la relaţia:

%, = 1? @ +�2�A2

B

C= 2

? @ +�2�A2BD

C= 2

? @ 1�2� ∗ 6�2�A2BD

C , �III − 5�

rezultând:

%, = / ∗ 0 = HIJKD ,(III-6)

Dacǎ se utilizeazǎ, pentru alimentarea aceluiaşi rezistor, o sursǎ ce genereazǎ un impuls

de tensiune u(t), de duratǎ τ, având de exemplu forma din Fig. III-8, cu Umax respectiv Imax

notându-se valorile maxime ale tensiunii respectiv ale curentului, se pot scrie realţiile ce

definesc succesiv, pentru aceastǎ situaţie, puterea instantanee, p:

%�2� = 1�2� ∗ 6�2� ,(III-7)

puterea maximǎ, Pmax:

%,-. = /,-. ∗ 0,-. ,(III-8)

sau puterea medie pe durata τ a impulsului, Pm:

%, = LM %,-. ,(III-9)


- 28 -

De remarcat că pentru asemenea situaţii se mai poate defini şi puterea medie pe durata

T a ciclului, ce ţine seama de frecvenţa de repetare a impulsurilor, Pm*, parametru mai

reprezentativ pentru sursele de alimentare impulsionale:

%,∗ = & ?N ∗ %, ,(III-10)

de exemplu pentru τ = 10 [ns] şi T = 10 [µs], obţinându-se Pm* = 0,001 Pm.

Descǎrcǎrile electrice de tip plasmǎ rece reprezintǎ fenomene tipic neliniare şi inerţiale,

care genereazǎ armonici de rang superior şi perturbaţii electromagnetice în circuitele electrice

în care se manifestǎ, astfel încât mǎsurarea directǎ a puterilor nu mai este posibilǎ nici cu

aparate de mǎsurǎ analogice, nici chiar cu aparate de mǎsurǎ digitale.

Ca urmare se propune pentru aprecierea puterii medii o metodǎ proprie, originalǎ, care

are la bazǎ înregistrarea curbelor ce corespund variaţiei în timp a tensiunii la bornele

descǎrcǎrii, u(t) şi respectiv variaţiei în timp a curentului ce parcurge descǎrcarea electricǎ de

tip plasmǎ rece, i(t).

III.2.1. Definirea puterilor în descărcările electrice

Puterea instantanee, p, pentru o descărcare electrică, este în fiecare moment, datǎ de

relaţia:

+ = 1$ ∗ 6 9#> ,(III-11)

unde ud reprezintă valoarea tensiunii măsurată între electrozii reactorului, iar i - curentul prin

descărcare.

Fig. III-8: Cu privire la puterea medie pentru surse impulsionale [63]


- 29 -

Valoarea puterii instantanee, p, se modificǎ în timp, în concordanţǎ cu variaţia tensiunii

descărcării, ud(t) şi respectiv a curentului ce parcurge descărcarea, i(t), atât în cazul surselor de

curent alternativ cât şi a celor de tip impulsional. Cea mai mare valoare a puterii instantanee

reprezintă practic puterea maximă a descǎrcǎrii electrice, Pmax [W].

Puterea medie a descărcărilor electrice poate fi evaluatǎ în mod direct doar dacǎ acestea

se manifestǎ în regim staţionar, pentru surse de alimentare de curent continuu, folosind relaţia,

[64]:

%, = /$ ∗ 0 9#> ,(III-12)

unde, Ud reprezintă tensiunea la bornele descărcării iar I, curentul prin descărcare.

Aceşti parametri sunt constanţi pentru un regim staţionar de funcţionare a descǎrcǎrii

electrice, în aceste condiţii fiind valabile relaţiile:

+ = %,-. = %, 9#> ,(III-13)

Menţionǎm faptul cǎ pentru reactoarele de tip GlidArc, gazul de suflaj injectat în zona

descǎrcǎrii electrice, produce alungiri ale acesteia, urmate de stingeri repetate şi de reamorsǎri

dupǎ fiecare stingere, deci descǎrcarea se manifestǎ într-un continuu regim dinamic, în care

intervin modificǎri ale tensiunii Ud(t), respectiv ale curentului Id(t), astfel încât relaţiile (III-12)

şi (III-13) nu sunt valabile în aceastǎ situaţie.

Similar, în cazul alimentǎrii reactorului de tip GlidArc de la o sursǎ de curent alternativ,

u(t), v. rel. (III-2), prin intermediul unui rezistor, R [Ω], cu rolul de a limita curentul din circuit,

i(t), caracterul neliniar al descǎrcǎrii electrice face ca atât tensiunea la bornele descǎrcǎrii, ud(t),

cât şi curentul ce o parcurge, id(t), sǎ evolueze periodic în timp, corespunzǎtor unor amorsǎri şi

stingeri repetate ale descǎrcǎrii, dar nesinusoidal, astfel încât ţinând seama de evoluţia în timp

a mǎrimilor ud(t) şi id(t), se pot defini doar puterile instantanee ale descǎrcǎrii, p(t), folosind o

relaţie de forma:

+�2� = 1$�2� ∗ 6$�2� ,(III-14)

Urmǎrind evoluţia puterii instantanee a descǎrcǎrii electrice în funcţie de timp, p(t), se

poate identifica cea mai mare valoare a acesteia, care este puterea maximǎ a descǎrcǎrii, Pmax.

Evaluarea puterii medii a descǎrcǎrii electrice nu se poate însǎ realiza prin mǎsurǎtoare

directǎ, fiind necesar sǎ se identifice alte soluţii pentru rezolvarea acestei probleme.


- 30 -

În plus, pentru valori mari ale debitului gazului de suflaj, se evidenţiazǎ amorsǎri şi

stingeri repetate ale descǎrcǎrii pentru o semiperioadǎ a evoluţiei tensiunii de alimentare, când

evaluarea puterii medii a descǎrcǎrii este încǎ mai dificilǎ, [65].

III. 2. 2. Evaluarea puterii medii a descărcării electrice pentru reactorul

GlidArc

Pentru evaluarea puterii medii a descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece, se propune un algoritm

de calcul care considerǎ formele de undă ce descriu evoluţia în timp a tensiunii, ud(t) şi a

curentului, id(t), corespunzǎtoare descărcării electrice, v. Fig. III-9, ambele având evoluţii

periodice şi trecând simultan prin valoarea zero, în conformitate cu comportamentul rezistiv al

descărcării, în cazul unei surse de alimentare de curent alternativ.

Formele de undă obţinute cu sisteme de achiziţie a datelor pentru un reactor Glidarc

conectat la o sursă de alimentare în curent alternativ şi cu valori mici ale debitului de gaz de

suflaj, au o evoluţie similară cu cea descrisă în Fig. III-9. Valorile tensiunii Uam şi Ust corespund

amorsǎrii descărcării electrice, respectiv stingerii acesteia

Corespunzǎtor acestor curbe, se poate obţine cu uşurinǎ curba p(t), a evoluţiei în timp

a puterii instantanee, pentru o semiperioadǎ, (sau pentru o perioadǎ dacǎ cele douǎ

semiperioade nu sunt identice), cum se observǎ în Fig. III-10.

Fig. III-9: Evoluția tensiunii şi a curentului pentru o descărcare electrică de tip Glidarc, [65]


- 31 -

Puterea electrică medie a descărcării electrice tip GlidArc, Pm, se poate obţine pornind

de la curba p(t), folosind relaţia, [63]:

%$ = %, = 1& @ +�2�A2

O

C= 2

& @ +�2�A2OD

C= 2

& @ 1�2� ∗ 6�2�A2.OD

C , �III − 15�

Pentru a evalua integrala din relaţia (III-15), vom apela la o partiţie a intervalului de

timp (0,T/2) din Fig. III-10, în „n” intervale de timp egale, de duratǎ τ :

τ=T

2n ,(III-16)

dupǎ care vom considera succesiv valorile pk ale puterilor instantanee, pentru fiecare moment

kτ, k = 0, 1, 2, ..., n.

Pentru definirea puterii medii a descǎrcǎrii, vom substitui integrala din relaţia (III-15)

cu suma Riemann, pentru valori ale puterilor p0=pn=0, rezultând:

@ p�t�dt

T/2

0

= Q Sk

n

j=0

, �III − 17�

Fig. III-10: Evoluția puterii instantanee pentru o descărcare electrică de tip Glidarc, [65]


- 32 -

aproximarea fiind cu atât mai precisǎ cu cât valorile „n” sunt mai mari, valorile Sk putându-se

aproxima cu aria unui trapez, având bazele pk-1 şi pk, iar înǎlţimea τ :

Sk=(p

k-1+p

k)*τ

2, p

0=p

m=0 ,(III-18)

Dupǎ efectuarea calculelor, se obţine pentru evaluarea puterii medii a descǎrcǎrii

electrice de tip GlidArc, Pm = Pd, o expresie de forma:

Pm=1

n* Q pk

n-1

1

,(III-19)

unde pk reprezintă puterile instantanee definite conform partiţiei din Fig. III-10.

Subliniem faptul cǎ acest procedeu se poate aplica nu doar pentru descǎrcǎrile electrice

de tip plasmǎ rece de curent alternativ, ci pentru toate situaţiile în care dispunem de

înregistrarea curbelor u(t) respectiv i(t), iar metodele uzuale de evaluare a puterii nu se pot

utiliza.

III. 2. 3. Caracterizarea electricǎ a unor reactoare de tip GlidArc.

Confirmǎri experimentale

Măsurarea parametrilor electrici primari şi înregistrarea acestora, pentru reactoare de

tip Glidarc, a apelat la o schemǎ de forma datǎ în Fig. III-11, în care s-a utilizat un divizor

rezistiv pentru obţinerea valorilor tensiunii la bornele descǎrcǎrii, ud(t) şi un transformator de

curent pentru a evalua curentul ce parcurge descǎrcarea, id(t), [65].

Menţionǎm faptul cǎ divizorul de tensiune este de tip compensat, pentru ca timpul de

rǎspuns sǎ fie minim, parametrii electrici ai acestuia îndeplinind condiţii de forma, [66] [67]:

R1*C1=R2*C2=R3*C3=R4*C4 ,(III-20)

La măsurarea curentului, având în vedere valorile mari ale tensiunii sursei de

alimentare, s-a ales un transformator de curent, ce asigură un nivel corespunzǎtor de izolaţie,

[67]. Clasa de precizie a transformatorului de curent este între 0.02÷0,05 %, iar raportul de

transformare, ki, se poate evalua cu relaţia, [66]:

ki=I1

I2≅ n2

n1 , (III-21)


- 33 -

unde I1 şi I2 sunt intensităţile curenţilor din circuitul primar, respectiv secundar, iar n1 şi n2

sunt numerele de spire din circuitul primar, respectiv cel secundar.

Reactoarele au fost alimentate la o sursă de înaltă tensiune de 10 [kV], care furnizează

un curent maxim de 100 [mA]. Înregistrarea parametrilor electrici, pentru fiecare tip de reactor,

s-a realizat corespunzător funcţionǎrii fără magneţi permanenţi, respectiv cu magneţi

permanenţi, considerând valori diferite ale debitului de gaz de suflaj, conform informaţiilor din

Tabelul III.2.

Fig. III-11: Schema de măsurare a curentului şi a tensiunii pentru reactoare tip Glidarc

Q[L/min] Nr. probă

15 1

25 2

30 3

40 4

50 5

Tabel III.2: Valori ale debitului de aer folosite la înregistrarea parametrilor electrici ai reactoarelor GlidArc


- 34 -

Pentru fiecare dintre tipurile de reactoare GlidArc considerate, se înregistreazǎ curbele

ud(t) şi respectiv id(t), în condiţii de funcţionare precizate, dupǎ care se va evalua puterea

electricǎ medie a descǎrcǎrii, Pm= Pd. Este desigur posibil sǎ se evidenţieze efectul magneţilor

permanenţi asupra funcţionǎrii acestor reactoare cu plasmǎ rece, ca şi influenţa valorilor

debitului de gaz de suflaj, asupra puterilor ce caracterizeazǎ descǎrcarea electricǎ.

III. 2. 3. 1. Reactoare GlidArc cu simetrie cilindricǎ cu trecere dublǎ a

gazului

În cazul reactorului GlidArc cu simetrie cilindricǎ şi „trecere dublǎ” a gazului prin zona

descǎrcǎrii electrice, v. Fig. II-41, formele de undă înregistrate pentru ud(t) şi i(t), la

funcţionarea fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru un debit al gazului de suflaj Q = 15 [L/min],

sunt date în Fig.III-12, urmate de graficul corespunzător evoluţiei în timp a puterii instantanee,

p(t), prezentat în Fig. III-13.

Aplicând metoda anunţată anterior de estimare a puterii medii a descǎrcǎrii electrice, v.

rel. (III-19), pentru o partiţie a semiperioadei, T/2, în n = 30000 de intervale de duratǎ τ, pentru

un debit de gaz de suflaj Q=15 [L/min], valoarea puterii medii a descărcării electrice rezultǎ

Pm=54[W], iar puterea maximă are valoarea Pmax≈ 160 [W].

Fig. III-12: Formele de undă ale curentului şi ale tensiunii, în cazul reactorului de tip Glidarc cu simetrie cilindrică cu „dublǎ trecere”, la funcţionarea fără magneţi

permanenţi, pentru un debit de gaz de suflaj Q=15 [L/min]


- 35 -

Formele de undă pentru tensiunea şi curentul ce parcurge descărcarea, în cazul aceluiaşi

reactor de tip GlidArc cu trecere dublǎ, la funcţionarea fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru un

debit de gaz de suflaj Q = 50 [L/min], sunt prezentate în Fig. III-20, iar evoluţia puterii

instantanee, p(t), se prezintă în graficul din Fig. III-21.

Fig. III-13: Evoluţia în timp a puterii electrice instantanene, p(t), în cazul reactorului de tip Glidarc cu simetrie cilindrică şi „trecere dublǎ”, la funcţionarea fără magneţi permanenţi, pentru un debit al gazului de suflaj de Q=15 [L/min]

Fig. III-20: Formele de undă ale curentului şi ale tensiunii, în cazul reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică şi trecere dublǎ, la funcţionarea fără magneţi permanenţi, pentru

un debit de gaz de suflaj Q=50 [L/min]


- 36 -

Aplicând algoritmul propus, pentru acelaşi reactor de tip GlidArc cu „trecere dublǎ”,

prin modificarea debitului gazului de suflaj la valoarea Q=50 [L/min], valoarea puterii medii

a descărcării electrice este Pm=110[W], iar puterea maximă este Pmax≈ 500 [W].

Folosind rezultatele pentru evaluarea puterii medii, Pm şi a puterii maxime a descărcării

pentru reactorul GlidArc cu „dublǎ trecere” la funcţionarea fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru

diferitele valori ale debitului de gaz de suflaj considerate, s-au evaluat indicatorii de calitate,

definiţi în Capitolul II.2.3, prezentaţi în Tabelul III.3.

Se constată o creştere a valorilor puterii maxime, Pmax, mai pronunţată decât aceea a

puterii medii, Pm, rezultate prin creşterea debitului de gaz de suflaj, cu observaţia că energia

Fig. III-21: Evoluţia puterii electrice instantanee, p(t), în cazul reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică şi „trecere dublǎ”, la funcţionarea fără

magneţi permanenţi, pentru un debit de gaz de suflaj Q=50 [L/min]

Q[L/min] Pmax

[W] Pm

[W] ws

[J/L] η

15 160 54 216 0.34

25 250 70 168 0.28

30 260 84 168 0.32

40 270 92 138 0.34

50 500 110 132 0.22

Tabel III. 3: Indicatori de calitate pentru reactorul Glidarc cu simetrie

cilindrică cu „dublǎ trecere”, funcţionând fără magneţi permanenţi, pentru diferite valori ale debitului gazului de suflaj, Q


- 37 -

specifică maximă, respectiv randamentul maxim, nu corespund valorilor maxime ale puterii

medii.

Se constată din Fig. III-22 că la creșterea valorilor debitului de gaz de suflaj se obțin

valori mereu mai mari ale puterii medii a descărcării electrice, Pm, respectiv valori mai mici

ale energiei specifice. Alegerea valorii debitului de gaz de suflaj în funcționarea reactorului

ține seama de valorile energiei specifice corespunzătoare tratamentului preconizat.

Evaluarea și alegerea reactoarelor de tip plasmă rece pentru diverse aplicații se poate

face din punct de vedere al fizicii plasmei, a chimiei, microbiologiei, medicinei și ingineriei

electrice.

Utilizarea indicatorilor de calitate sunt necesari pentru compararea și analizarea

diverselor variante constructive de reactoare în scopul integrării cât mai eficiente în aplicații

de tratare și decontaminare bacteriologică.

Utilizarea unui algoritm ce se fundamentează pe studierea formelor de undă a tensiunii

ud(t) și curentului i(t) corespunzătoare descărcării electrice este o soluție pentru a analiza

evoluția în timp a puterii instantanee, p(t), a puterii maxime, Pmax și a puterii medii Pmed.

Facilitarea comparării diferitelor reactoare de tip plasmă rece, evaluând eficiența

electrică a acestora, prin intermediul indicatorilor de calitate are ca scop alegerea unei soluții

optime de reactor adaptată la aplicația de tratare.

Fig. III-22: Evoluţia puterii electrice medii, Pm, respectiv a energiei specifice, ws, în cazul reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică şi „trecere dublǎ”, la

funcţionarea fără magneţi permanenţi, pentru diferite debite de gaz de suflaj


- 38 -

La reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică ce utilizează metoda ”trecerii duble” s-a

observat, odată cu introducerea unui câmp magnetic prin integrarea magneților permanenți, la

diferite debite ale gazului de suflaj, o creștere a puterii medii concomitent cu descreșterea

puterii maxime a descărcării, o creștere a energiei specifice și un randament îmbunătățit chiar

și la debite de gaz de suflaj mai mici.

În condițiile de testare anunțate s-a optat pentru alegerea din punct de vedere electric a

reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică și injectare a gazului de suflaj utilizând ”trecerea

dublă” pentru integrarea sa în instalația de tratare și decontaminare bacteriologică.

IV. CONFIRMĂRI EXPERIMENTALE

În prezenta teză de doctorat se propune o posibilitate de biodecontaminare bacteriană a

aerului care folosește descărcări electrice de tip plasmă rece. Această soluție poate fi integrată

în instalațiile de condiționare a aerului utilizate în spații publice cât și habitacluri ale diverselor

vehicule.

Utilizarea descărcărilor electrice de tip plasmă rece cu rol în biodecontaminare poate deveni

fezabilă, acestea producând electroni excitați energetic, ce intră în coliziune cu moleculele

neutre ale amestecului de gaz care la rândul lor produc molecule de gaz în stare excitată,

molecule de gaz disociate, ioni și electroni. Acestea la rândul lor induc reacții chimice datorită

caracteristicilor proprii reactive.

Într-o perioadă relativ scurtă de timp și, mai mult în ultimul sfert de veac, aria de răspândire

a aplicațiilor și domeniilor ce folosesc descărcări electrice de tip plasmă rece s-a extins din ce

în ce mai mult. Aceasta a fost posibil datorită reactivității chimice oferită de plasma aflată în

afara echilibrului termic dar și a varietății de condiții chimico – fizice conferită prin controlul

parametrilor ce stau la baza generării descărcărilor electrice de tip plasmă rece (tensiune,

curent, putere, debit de gaz).

Datorită posibilității de control a acestor parametri ce oferă unui gaz ionizat caracterul de

plasmă rece există o varietate mare de descărcări electrice de tip plasmă rece ce sunt implicate

în diferite aplicații de tratare, biodecontaminare și securitate.

Au fost dezvoltate și integrate diferite variante constructive de reactoare electrochimice de

tip plasmă rece ce folosesc următoarele metode de tratare:


- 39 -

Tratarea directă în cadrul căreia mediul ori suprafața de tratare este expusă în mod

direct acțiunii plasmei reci și care reprezintă o metodă de tratare în vederea

depoluării mediului, a tratării suprafețelor metalice și plastice, biodecontaminare,

tratamente medicale;

Tratarea indirectă asociată cu generarea în prealabil a ”apei activate cu plasmă”

(PAW) și a ”mediului activat cu plasmă” (PAM), care sunt aplicate ulterior în

vederea tratamentului și / sau biodecontaminării. Astfel tratarea indirectă este

preferată pentru biodecontaminare bactericidă, tratarea țesuturilor vii,

recondiționarea artefactelor și obiectelor arheologice, dar și pentru diverse aplicații

tehnologice.

Utilizarea și integrarea unui reactor electrochimic în vederea tratării folosind una din cele

două metode trebuie să țină seama de cerințe specifice tratării cu descărcări electrice de tip

plasmă rece.

Astfel, pentru tratamente în vederea depoluării mediului trebuie luate în considerație

următoarele cerințe:

timpi de tratare cât mai scurți;

tratarea în același timp cu producerea ”poluantului” (dacă este posibil);

puterea maximă a descărcării, Pmax;

distribuție volumică uniformă a speciilor active;

în cazul volumelor mari de poluanți de tratat se are în vedere posibilitatea conectării

la rețele de furnizare a energiei electrice cu valori mari ale tensiunii de alimentare;

asigurarea unei bune interfețe între speciile active și poluant.

În ceea ce privește tratarea țesuturilor vii se au în vedere următoarele cerințe:

timpi limitați de tratare pentru a evita efecte secundare ale tratamentului;

putere limitată a descărcării la suprafața de tratat (piele);

alegerea optimă a metodei de tratare, directă sau indirectă;

alegerea unor reactoare ce furnizează valori mici ale puterii necesare descărcării și

/ sau utilizarea unor surse de alimentare impulsionale.

La efectuarea tratamentelor de biodecontaminare se iau în considerație următoarele cerințe:

descreșterea puterii necesare descărcării, Pd;


- 40 -

optimizarea timpilor de tratare;

adaptarea tratamentului de inactivare la tipul de bacterie de tratat;

îmbunătățirea interfeței de transfer între speciile create în descărcare și mediul de

tratat.

Pentru tratarea suprafețelor se va ține seama de următoarele cerințe:

alegerea puterii necesare descărcării în corelație cu proprietățile materialului de

tratat;

descreșterea timpilor de tratare;

distribuție uniformă a energiei pe suprafața de tratat.

IV.1. Tratamente directe cu plasmă rece

O soluție constructivă de instalație pentru efectuarea tratării directe cu plasmă rece, folosind

reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică, cu injectarea gazului de suflaj prin metoda ”trecerii

duble” a fost proiectată și executată având în vedere aplicativitatea acestuia, anume integrarea

într-o instalație de condiționare a aerului. Ținând cont de acest aspect se realizează o instalație

de recirculare a aerului ilustrată schematic în Fig. IV-4

Fig. IV-4 Schema bloc a instalației de recirculare a gazului tratat direct cu reactorul Glidarc și simetrie cilindrică

1. Incintă de sticlă, ermetizată; 2. Pompă de aer cu debit constant; 3. Recuperator de gaz tratat; 4. Sursă de înaltă tensiune; 5. Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică; 6. Aparat de aerosolizare


- 41 -

Utilizarea și integrarea reactorului de tip Glidarc cu simetrie cilindrică în instalația de

recirculare a aerului a fost realizată astfel: în incinta (1) ermetizată și realizată din sticlă, cu un

volum de 0,5 [m3] a fost montată pompa de aer cu debit constant (2) pentru recircularea gazului

gazului dar și pentru asigurarea unui debit de 50 [L/min]. Prin intermediul aerosolizorului (6)

a fost introdus mixul de fungi de tip Penicilium și ulterior Aspergillus sub formă de suspensie

în aerosoli. După aerosolizare s-a pornit pompa de recirculare și s-a trecut gazul din incinta (1)

prin reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică (5) conectat la sursa de înaltă tensiune (4). La

injectarea gazului de suflaj s-a ales metoda ”trecerii duble” pentru o durată de timp de 20

minute, ceea ce ar însemna ca volumul total de gaz amestecat cu mixul de fungi din interiorul

incintei (1) a fost tratat de două ori. După tratarea volumului de gaz utilizând descărcările

electrice de tip plasmă rece, reactorul a fost decuplat de la sursa de înaltă tensiune, iar cu

ajutorul unui robinet s-a trecut gazul prin recuperatorul de gaz tratat (3) și apoi direct în

instalația de recirculare a gazului realizând un „by-pass” al instalației. Recuperatorul (3) este

un recipient din sticlă, ermetizat, umplut cu un volum de soluție soluție salină sterilă (0.25 L),

prin care trece gazul din incintă realizând o barbotare a soluției lichide pentru același interval

de timp de 20 minute.

Din recuperatorul (3) au fost prelevate ulterior probe biologice în vederea evaluării

conținutului de fungi pentru a fi comparat cu cel inițial și pentru a putea fi calculat factorul de

reducție. Analizele biologice ale probelor prelevate nu au indicat prezența fungilor în soluția

lichidă din interiorul recuperatorului (3) ceea ce a condus la repetarea experimentelor.

Mai multe ipoteze au fost emise în urma experimentelor, din care amintim:

1. Mixul de fungi a aderat la pereții incintei;

2. Mixul de fungi a rămas fixat în pompa de recirculare;

3. Mixul de fungi a rămas fixat pe pereții interiori ai conductelor instalației de

recirculare a gazului;

4. Mixul de fungi a fost inactivat în totalitate la tratarea directă a gazului de suflaj prin

reactor.

Mixul de fungi și experimentele au fost realizate în colaborare cu specialiști ai

Laboratorului de Chimioterapie Antimicrobiană din cadrul USAMV Iași.

Pentru a confirma efecte de decontaminare prin tratare directă a gazului de suflaj utilizând

reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică și injectare a gazului de suflaj prin metoda ”trecerii


- 42 -

duble” s-a propus construcția unei noi instalații ce tratează culturi de bacterii direct pe plăci cu

mediu solid (agar), pregătite în prealabil și astfel eliminând dubii cu privire la posibila fixare a

acestora de pereții interiori ai instalației de recirculare a gazului. Schema bloc a instalației astfel

pregătite pentru experimente de tratare directă cu plasmă rece este prezentată în Fig. IV-6.

La integrarea reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică, pentru tratarea directă a

microorganismelor dispersate pe medii solide, în instalația de tratare s-a avut în vedere

injectarea gazului folosind ”trecerea dublă” și un debit de 50 [L/min]. Astfel, gazul de suflaj

este injectat reactorului Glidarc (2) de la sursa de tip compresor (1). Pentru obținerea

descărcărilor electrice reactorul este conectat la sursa de înaltă tensiune (3). Gazul plasmatic

este condus în circuit și transferat în incinta de sticlă (6), și distribuit pe suprafața plăcii cu

mediu solid (5) prin utilizarea difuzorului (4), realizând astfel tratarea directă a a plăcii

însămânțate în prealabil cu material biologic. Evacuarea gazului din incinta de sticlă către

exterior are loc prin utilizarea unui filtru de gaz (7) ca măsură suplimentară de prevenire a

posibilelor contaminări nedorite ca urmare a efectuării experimentului. Timpii de tratare

conveniți au fost de 15 minute, 20 minute și 25 minute pentru fiecare placă supusă tratării

directe, plăcile tratate fiind analizate după incubare de până la o săptămână.

Fig. IV-6 Schema bloc a instalației de tratare directă a plăcii agar

1. Compresor de aer; 2. Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică; 3. Sursă de înaltă tensiune; 4. Difuzor de gaz; 5. Placă agar; 6. Incintă de sticlă, ermetizată; 7. Filtru de gaz


- 43 -

Menționăm faptul că dispozitivul care permite biodecontaminare bacteriană folosind

descărcări electrice de tip plasmă rece prezentat în Fig. IV-4 poate fi inclus în instalații de

condiționare a aerului, de preferință în aval de filtrul de particule.

Aspecte ale plăcilor martor și a celor tratate direct cu plasmă rece produsă de reactorul

Glidarc cu simetrie cilindrică ce utilizează metoda ”trecerii duble” a gazului de suflaj sunt

prezentate în Fig. IV-8, Fig.IV-9, Fig.IV-13, Fig.IV-16.

Rezultatul analizelor în urma tratării directe cu plasmă rece a reliefat reducția numărului de

colonii (Colony Forming Units - CFU) de fungi și bacterii, de ordinul 103-105 pentru diferiți

timpi de tratare. Astfel, s-a conturat opinia conform căreia tratarea directă cu plasmă rece cu

reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică are efecte vizibile de biodecontaminare. că la plăcile

Fig. IV-8 Tratare 15 minute placă agar de cultură cu Staphylococcus Aureus

Fig. IV-9 Tratare 20 minute placă agar de cultură cu Staphylococcus Aureus

Fig. IV-13 Tratare 20 minute placă agar de cultură cu Escherichia coli

Fig. IV-16 Tratare 15 minute placă agar de cultură cu Candida Albicans


- 44 -

tratate mai mult de 15 minute, survin deshidratări ale mediului nutritiv ce asigură creșterea

culturilor de bacterii și fungi. Pentru a confirma / infirma o ipoteză de inactivare termică a fost

realizată măsurarea temperaturilor pe placa cu agar.

Pentru măsurători s-au utilizat 4 senzori de temperatură lipiți pe suprafața mediului, Fig.

IV-21, care au fost conectatați la un înregistrator digital de temperatură, având astfel

disponibile 4 canale de înregistrare pentru aceeași timpi de monitorizare. S-au înregistrat

temperaturile pe cele 4 canale din minut în minut pentru un interval total de 20 minute, iar

valorea maximă a temperaturii a fost de 46 [°C], calculată ca medie a temperaturilor maxime

înregistrate pe cele 4 canale. Temperatura respectivă nu este capabilă să inducă efecte

distructive asupra microorganismelor, de aceea reducția numărului de CFU s-a datorat gazului

plasmatic obtinut în reactorul Glidarc cu dublă trecere.

Astfel, efectele de biodecontaminare prin tratarea directă cu plasmă rece sunt confirmate

pentru diferiți timpi de tratare și diferite tipuri de fungi și bacterii, cu evidențe clarificatoare

pentru tratarea directă pe plăcile agar comparativ cu tratarea directă la recircularea gazului într-

o incintă închisă.

IV.2. Tratamente indirecte cu plasmă rece

Pentru tratarea indirectă cu plasmă rece s-a utilizat apa activată cu plasmă (PAW – Plasma

Activated Water, engl.) produsă cu reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică folosind metodele

de injectare a gazului de suflaj descrise în capitolul IV.1.

Fig. IV-21 Schema bloc de înregistrare a temperaturilor pe placa agar

1. Placă agar; 2. Cititor temperatură; 3. Înregistrator temperatură cu canale


- 45 -

PAW are o varietate largă de aplicații iar proprietățile unice ale acestui mix de apă, ioni,

electroni și specii active sunt în continuare analizate și investigate. La momentul actual se

cunosc beneficii ale utilizării PAW cu rezultate notabile în următoarele domenii:

Agricultură - prin folosirea apei activate la udare și stropire, speciile active

contribuind la intensificarea procesului de germinare a semințelor, de tratare

împotriva fungilor specifici cerealelor. Nitrații prezenți în PAW sunt absorbiți prin

rădăcinile plantelor și acționează ca un intesificator de creștere;

Horticultură - prin udarea și stropirea culturilor de viță de vie, a florilor, în vederea

prevenirii formării fungilor, cum ar fi ”Putregaiul cenușiu” (Botrytis cinerea);

Medicină - la tratarea diverselor afecțiuni ale țesuturilor vii, decontaminarea

instrumentarului medical, aplicații stomatologice;

Microbiologie - la decontaminare bacteriologică.

Prin utilizarea PAW este posibilă substituirea mijloacelor tradiționale de soluții ”sanitare”

datorită caracterului puternic acidifiant obținut în urma tratării cu plasma rece. pH-ul PAW este

adesea < 3 după tratare iar observațiile post descărcare au relevat o revenire a apei activate

către pH-ul inițial, înainte de tratarea cu plasmă rece, cu efecte directe în protejarea mediului.

În cazul utilizării reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică, obținerea PAW s-a realizat prin

barbotarea continuă a gazului plasmatic furnizat direct de reactor, într-un volum de 0,3 [L] apă.

Schema bloc a obținerii PAW prin procedeul barbotării este prezentat în Fig. IV-22.

Fig. IV-22 Schema bloc de obținere PAW prin barbotare

1. Stativ; 2. Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică; 3. Pahar Erlenmeyer gradat; 4. sursă înaltă tensiune


- 46 -

PAW a fost obținută în reactorul cilindric cu simetrie cilindrică pentru ambele variante de

injectare a gazului de suflaj, folosind metoda ”trecerii duble” și a ”trecerii simple”.

PAW obținută în ambele situații a fost testată pentru capacitatea bactericidă prin metoda

punerii în contact cu suspensii bacteriene (Escherichia coli), timpii de tratare conveniți fiind de

5, 10 și 15 minute. După tratare, volume prestabilite (100 microlitri) din amestecul de PAW și

bacterii au fost însămânțate pe plăci cu mediu solid (Agar Triptonă Soia) care au fost apoi

incubate 24-48 ore la 37°C. Numărul de CFU restante a fost comparat cu martorii netratați

(suspensia bacteriană în apă distilată) pentru a evalua gradul de reducție a bacteriilor viabile.

Aspecte ale plăcilor tratate indirect, cu PAW, produsă de reactorul Glidarc cu simetrie

cilindrică ce utilizează ambele variante de injectare a gazului de suflaj, folosind metoda

”trecerii duble” și a ”trecerii simple” sunt prezentate în Fig. IV-24, Fig.IV-25, Fig.IV-26,

Fig.IV-27.

Fig. IV-24 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere simplă” a gazului de suflaj

timp de 10 minute

Fig. IV-25 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere simplă” a gazului de suflaj timp de 15 minute

Fig. IV-27 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere dublă” a

gazului de suflaj timp de 10 minute

Fig. IV-26 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere dublă” a gazului de suflaj timp de 5 minute


- 47 -

Rezultatul analizelor în urma tratării indirecte cu plasmă rece a reliefat reducția nr. CFU de

Escherichia coli de la o valoare inițială de 2,1*107 [CFU/mL] la o valoare finală estimată de

1,3*105 pînă la 103 [CFU/mL] în cazul injectării folosind ”trecerea simplă” și de 0,7*103 pînă

la 2,1*102 [CFU/mL] în cazul injectării folosind ”trecerea dublă”. În cazul ”trecerii duble”

putem spune că biodecontaminarea a avut efect dincolo de pragul de detecție prin mijloacele

curente de laborator.

Tratarea directă cu plasmă rece a dovedit efecte de decontaminare bacteriologică.

Utilizarea metodei de tratare directă prin integrarea reactorului Glidarc în circuitul de

recirculare a aerului poate fi o soluție alternativă, viabilă tehnic, de decontaminare a instalațiilor

de condiționare a aerului.

Compoziția chimică a PAW și valoarea redusă a pH-ului acesteia dovedesc efecte sinergice

antimicrobiene față de bacterii, biofilme, fungi și alte microorganisme.

Producerea PAW, în vederea tratării indirecte, folosind reactorul Glidarc cu simetrie

cilindrică a fost posibilă cu ambele metode de injectare a gazului de suflaj.

Tratarea indirectă cu PAW, obținută prin ”trecerea dublă” și ”trecerea simplă” a demonstrat

capacități de decontaminare în ambele cazuri, cu rezultate apropiate, dar cu un plus de

eficacitate pentru metoda ”trecerii duble” în ceea ce privește timpul de tratare.

Din punct de vedere al eficacității autorul recomandă utilizarea reactorului folosind

”trecerea dublă” ca metodă de injectare a gazului de suflaj.

V. 1. Concluzii

1. Studiile cu privire la descărcările electrice de tip plasmă rece reprezintǎ, în ultimele

decenii, preocupări majore ale numeroaselor echipe de cercetare din întreaga lume,

caracterizate printr-o continuă actualitate, susţinută deplin prin extinderea şi

diversificarea aplicaţiilor acestor fenomene, de la depoluarea aerului sau a

soluţiilor, la tratarea suprafeţelor (metalice sau din plastic), respectiv de la

tratamente de decontaminare bacteriană la aplicaţiile biomedicale ca provocare a

ultimilor ani. La acestea se pot adăuga tratarea materialelor de implant pentru

asigurarea biocompatibilităţii cu ţesutul uman sau tratamentele cu plasmă rece

utilizate în agricultură.


- 48 -

2. O caracteristică importantă privitoare la utilizarea descărcărilor electrice, şi desigur

şi a celor de tip plasmă rece, o constituie faptul că experimentul a devansat

cunoaşterea ştiinţifică. Diferitele tratamente cu plasmă rece, care şi-au confirmat

experimental fezabilitatea, au condus la realizarea unei diversităţi impresionante de

variante constructive şi de principii care permit obţinerea unor asemenea descărcări

electrice, cu parametri nominali foarte diferiţi şi cu performanţe dificil de apreciat

sau de comparat.

3. Trebuie menţionat de asemenea faptul că s-au diversificat şi modalităţile în care

intervine plasma rece în diversele tratamentele preconizate, putându-se vorbi în

prezent despre tratarea directă, pe seama speciilor generate de plasmă, de tratarea

indirectă, ce foloseşte apa activată cu plasmă (PAW) sau mediul activat cu plasmă

(PAM), dar şi despre valorizarea efectului post-discharge.

4. Investigarea fizică fundamentală a plasmei reci, care se manifestă în afara

echilibrului termodinamic, a fost abordată mai ales în ultimul deceniu şi este

dominată de identificarea speciilor generate de descărcarea electrică în diferite

condiţii de funcţionare, în vederea asocierii acestora cu efectele utile ale

tratamentelor preconizate, ca un prim pas către asigurarea selectivităţii acestora. În

aceste condiţii se dovedeşte a fi foarte greu, pentru specialiştii care abordează

fenomenele de tip plasmă rece, să aleagă varianta de reactor mai adaptată pentru un

anumit tratament, care să poată fi utilizată cu eficacitate maximă în scopul propus.

5. În prezenta lucrare, după prezentarea principalelor descărcări electrice cunoscute

sub numele de „plasmă rece” şi trecerea în revistă a reactoarelor cu plasmă rece

reprezentative, a speciilor generate de descărcare şi a reacţiilor tipice ce pot avea

loc, se definesc indicatori de calitate pentru asemenea reactoare, subliniindu-se

oportunitatea caracterizării (electrice mai ales) a unor asemenea dispozitive, ca şi

posibilităţile de a aprecia puterile (instantanee, maximă şi medie) ale descărcărilor

electrice, în vederea aprecierii performanţelor unor asemenea ansambluri, dar şi

pentru a compara multiplele variante constructive existente.

6. Devine astfel posibilă chiar optimizarea construcţiei reactoarelor, cu descărcări de

tip GlidArc de exemplu, iar prin corelarea performanţelor acestor dispozitive cu

speciile generate de plasma rece, în diferite condiţii de funcţionare, se pot concepe

reactoare adaptate fiecărui tip de tratament preconizat, din multitudinea de aplicaţii

recunoscute la momentul actual.


- 49 -

7. Folosind un algoritm de calcul inedit, propus în această lucrare şi folosind o

achiziţie de date ce se referă la evoluţia în timp a tensiunii la bornele descărcării,

ud(t), respectiv a curentului ce parcurge descărcarea, i(t), se determină puterile

(instantanee, maximă şi medie) ale acesteia, pentru diferite reactoare de tip GlidArc,

ca şi indicatori de calitate aferenţi (ws , η), ce fac posibilă compararea unor

asemenea dispozitive. Se constată astfel de exemplu că prin creşterea valorii puterii

maxime a descărcării electrice utile nu se obţine şi creşterea puterii medii a acesteia,

dar şi faptul că valorile maxime ale puterii medii, ale energiei specifice, respectiv

ale randamentului se obţin pentru valori diferite ale debitului gazului de suflaj, fiind

deci necesară optimizarea construcţiei reactorului în concordanţǎ cu cerinţele

prioritare pentru o anumită aplicaţie.

8. Trecerea de la etapa de a demonstra fezabilitatea tratamentelor cu plasmă rece la

aplicaţiile la scară largă ale acestora, presupune continuarea susţinută a studiilor cu

privire la fizica plasmei şi la speciile generate de asemenea descărcări electrice şi

corelarea acestora cu eficienţa diferitelor tratamente, considerând desigur şi

informaţiile referitoare la caracterizarea reactoarelor cu plasmă rece, ce precizează

puterile descărcărilor electrice şi indicatorii de calitate anunţaţi anterior.

9. Exemplul de utilizare a plasmei reci pentru tratamente de biodecontaminare

bacteriană apelează la un reactor GlidArc de construcţie originală, cu dublă trecere

a gazului de suflaj prin zona descărcării electrice, care este inclus într-un stand

experimental, ce permite prelevarea probelor pentru a aprecia rezultatele

tratamentului.

10. Subliniem opţiunea noastră pentru utilizarea reactoarelor de tip GlidArc, cărora le

corespund valori ale energiei specifice, ce caracterizează potenţialul lor reactiv, mai

mari de circa 10 ori decât cele corespunzătoare descărcărilor de tip Corona sau

DBD, pentru care funcţionarea cu surse de alimentare de frecvenţǎ industrială (50

Hz), la presiunea atmosferică şi la temperatura ambiantă, reprezintă avantaje

hotărâtoare cu privire la preţul de cost al instalaţiei în ansamblu, în vederea trecerii

la aplicaţiile la scară largă preconizate.

11. Producerea descărcărilor electrice de tip plasmă rece în reactoarele de tip GlidArc

necesită utilizarea unui gaz de suflaj (aer, mai ieftin, sau alt gaz) şi a energiei

electrice de la reţeaua de alimentare de tip industrial.


- 50 -

12. La utilizarea plasmei reci pentru tratamente şi biodecontaminare se folosesc metode

de tratare directă sub acţiunea descărcării, dar şi indirectă, prin generarea apei

activate cu plasmă, în cercetare aceasta fiind convenţional cunoscută sub numele de

PAW. În lucrare se propune şi o posibilitate de optimizare a unui reactor de tip

GlidArc pentru producerea PAW, prin precizarea volumului de apă distilată de

tratat astfel incât cantitatea de PAW obţinută într-o oră să fie maximă.

13. Subliniem faptul că optimizarea reactoarelor cu plasmă rece poate fi realizată prin

corelarea indicatorilor de calitate cu eficacitatea tratamentului de efectuat,

completată cu alegerea justă a tipului de reactor.

14. Alegerea tipului de reactor în concordanţă cu cerinţele asociate unei aplicaţii anume

este mai facilă dacă se apelează, în etapa de studiu preliminar, la avantajele oferite

de posibilitatea de reglare a puterii descărcării electrice pentru reactoarele de tip

GlidArc cu electrozi auxiliari, pentru a defini domeniul de puteri pentru care

eficacitatea tratamentului este maximă.

V. 2. Contribuții proprii

În lucrarea curentă, contribuţiile aduse de autor pentru domeniul abordat, prin studierea

posibilităţilor de integrare a unui reactor Glidarc cu simetrie cilindrică în structura unui stand

experimental, având ca scop studiul decontaminării bacteriene prin tratare directă cu plasmă

rece, pentru a permite apoi realizarea decontaminării instalaţiilor de condiţionare a aerului, sunt

următoarele:

propunerea, proiectarea şi realizarea unei noi soluţii de reactor de tip GlidArc cu

simetrie cilindrică şi dublă trecere a gazului de suflaj prin zona de descărcare, având o

construcţie originală, inedită;

propunerea unei soluţii pentru optimizarea unui reactor de tip GlidArc pentru

producerea apei activate cu plasmǎ (PAW), în scopul de a obţine cantitatea maximǎ de

PAW într-o orǎ de exemplu;

propunerea unui algoritm de evaluare a puterilor (medie, maximǎ şi instantanee), bazat

pe o achiziţie de date ce permite înregistrarea evoluţiei în timp a tensiunii la bornele

descărcării electrice, ud(t) şi respectiv a evoluţiei în timp a curentului ce parcurge

descǎrcarea electricǎ, i(t), apelând la sume Riemann care permit evaluarea integralei ce

defineşte puterea medie, consideratǎ ca un indicator de performanţǎ relevant pentru

reactoarele cu plasmǎ rece;


- 51 -

propunerea caracterizării electrice a reactoarelor cu plasmǎ rece, folosind în acest scop

indicatori de calitate, care permit evaluarea performanţelor unor asemenea dispozitive

şi chiar compararea diferitelor variante constructive;

caracterizarea unor variante diferite de reactoare de tip GlidArc, cu simetrie cilindricǎ

şi descǎrcare electricǎ rotativǎ, cu definirea valorilor puterilor (instantanee, maximǎ şi

medie), dar şi a unor indicatori de calitate (energie specificǎ şi randament), pentru

funcţionarea cu sau fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru diferite valori ale debitului de gaz

de suflaj, fiind posibilǎ aprecierea influenţei acestor factori asupra performanţelor

ansamblului;

compararea în premierǎ a performanţelor acestor reactoare de tip GlidArc, prin

aprecierea puterilor (medie, maximǎ şi instantanee), pentru aceleaşi condiţii de

funcţionare cu privire la debitul de gaz de suflaj şi la prezenţa sau nu a magneţilor

permanenţi;

caracterizarea electricǎ a unui reactor de tip GlidArc cu simetrie planǎ, cu definirea

puterilor şi a unor indicatori de calitate;

proiectarea și realizarea instalației de recirculare a aerului pentru a simula circulația de

aer într-o instalație de condiționare a aerului, care include un reactor GlidArc cu dublǎ

trecere a gazului prin zona de descǎrcare, având o pompǎ de aer cu debit constant pentru

a asigura condiţiile normale de evoluţie a descǎrcǎrii electrice utile, prevǎzutǎ cu

posibilitatea prelevǎrii probelor pentru evaluarea eficacitǎţii tratamentului de

decontaminare bacterianǎ;

proiectarea și execuția instalației de tratare directă a plăcilor agar cu reactor de tip

Glidarc.

V. 3. Perspective ale cercetării

În primul rând cercetarea efectuatǎ asigurǎ premisele comparǎrii diferitelor variante de

reactoare cu plasmǎ rece, folosind indicatori de calitate şi cunoscând valorile puterii medii a

descǎrcǎrii electrice, prin utilizarea algoritmului de evaluare propus.

Pe seama acestor informaţii şi prin definirea populaţiei de specii active generate de plasma

rece, se va putea alege corect varianta de reactor care funcţioneazǎ performant pentru o

aplicaţie datǎ.


- 52 -

Algoritmul propus se poate concretiza în realizarea unui aparat de mǎsurare a puterii

descǎrcǎrilor electrice, în condiţii de regim nesinusoidal de funcţionare, în prezenţa armonicilor

de rang superior şi a perturbaţiilor electromagnetice.

Reactorul de tip GlidArc cu simetrie cilindricǎ şi dublǎ trecere a gazului prin zona de

descǎrcare poate fi utilizat în instalaţia de condiţionare a aerului din habitaclul automobilelor,

pentru a asigura decontaminarea bacterianǎ a acestuia.

Prin definirea mai precisǎ a cerinţelor legate de funcţionarea reactoarelor cu plasmǎ rece

destinate diferitelor tratamente posibile şi prin definirea indicatorilor de calitate anunţaţi, va

deveni posibilǎ chiar optimizarea construcţiei unor asemenea instalaţii.

Prin creşterea eficienţei acestor ansambluri, costul diverselor tratamente cu plasmǎ rece

posibile va scǎdea, facilitând trecerea de la etapa de probare a fezabilitǎţii, la etapa de aplicare

la scarǎ largǎ a unor asemenea procedee.

Bibliografie

Bilbliografie

1. E. Hnatiuc, Electroecologie, Ed. SETIS, Iaşi, 2009, ISBN 973-606-92041-0-8.

2. Anghel S. D., Fizica plasmei şi aplicaţii - note de curs, Universitatea Babeş-Bolyai

Cluj, Facultatea de Fizică,

http://www.phys.ubbcluj.ro/~anghels/teaching/Plasma/Capitole_curs/

3. Indrek Jõgi, Characteristics and classification of plasmas, PlasTEP trainings course

and Summer school 2011, Warsaw/Szczecin

http://www.plastep.eu/fileadmin/dateien/Events/2011/110725_Summer_School/Joegi

_SummerSchool_2011_Part2.pdf

4. Hnatiuc E., Burlica R., Hnatiuc B., Bazele teoretice ale funcționării aparatelor

electrice, ISBN: 973-7960-52-1, Casa de Editură Venus, Iași, 2004

16. Nehra V., Kumar A., Dwivedi H.K., Atmospheric Non-Thermal Plasma Sources,

International Journal of Engineering, Vol. 2, Issue 1, pg. 53-68, 2008

45. Iulia-Elena Vlad, Sorin Dan Anghel, PLASMA NON-TERMICĂ LA PRESIUNE

ATMOSFERICĂ ÎN CONTACT CU MEDII LICHIDE PENTRU APLICAȚII

PRACTICE, Universitatea “Babeş-Bolyai” Cluj-Napoca, Facultatea de Fizică, 2017

47. Brisset J.-L., Hnatiuc E., Plasmas for Chemical, Environmental, Biological and

Medical Applications – 2 - Elements of Chemistry, Scoala avansata de Plasmă, Iași,

2012

48. Brisset J.-L., Hnatiuc E., Plasmas for Chemical, Environmental, Biological and

Medical Applications – 1 – Some basic views, Scoala avansata de Plasmă, Iași, 2012

49. Jean-Louis Brisset, Eugen Hnatiuc, Peroxynitrite: A Re-examination of the Chemical

Properties of Non-thermal Discharges Burning in Air Over Aqueous Solutions, ISSN

0272-4324, Volume 32, Number 4

64. Eugen Hnatiuc, Ioan-Ciprian Felea, Dragos Astanei, Evaluation of Electrical

Discharges Useful Power as Main Indicator for Quality Assessment for Non- Thermal

Plasma Reactors, Optim – Acemp 2017, Brasov

65. B. Hnatiuc et.al., “Sur le bilan des puissances pour les installations d’alimentation

des générateurs de plasma froid de type « GLIDARC »”, Buletinul Institutului

Politehnic din Iaşi, Tom XL (XLIV), Fasc. 1-4, Sectia a III-a, pp. 97-102, 1994

66. David V., Măsurări electrice I, curs,

http://iota.ee.tuiasi.ro/~demm/Cursuri%20David/Curs%20MEl.pdf

Bibliografie

67. Măsurări electrice și electronice, curs, Universitatea ”Dunărea de Jos” din Galați,

Facultatea de Inginerie Electrică, http://www.emie.ugal.ro/cursmee.html

70. https://ro.wikipedia.org/wiki/Plasm%C4%83

71. E. Hnatiuc, R. Burlică, B. Hnatiuc, J. –L. Brisset, C. Badel, "The optimization of the

current limitation elements for the GlidArc electrochemical reactors", XVI-th

Symposium on Physics of Switching Arc, Brno, Czech Republic, September 2005

81. Todiraşi Gabriel, Hnatiuc Eugen, Gavril Bogdan, Cold Plasma Electrochemical

Reactors and Environmental Impact, 4-th International Conference on Energy and

Environment, November 12-14, CIEM 2009, Bucharest, Romania, ISSN 2067-0893

82. G. Todirasi, E. Hnatiuc, B. Hnatiuc, B. Gavril, The study of electromagnetic

perturbations in steady state conditions for cold plasma electrochemical reactors

GLIDARC type, 19th International Symposium on Plasma Chemistry, ISPC2009,

Bochum, July 26 – 31, 2009, Germany

STUDIUL POSIBILITĂȚILOR DE UTILIZARE A ......ca metodă de suflaj a gazului, conceput, proiectat,...

Documents

Transcript of STUDIUL POSIBILITĂȚILOR DE UTILIZARE A ......ca metodă de suflaj a gazului, conceput, proiectat,...