ОЗОНАТОР Российский патент 1995 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к авиационным устройствам. Авиационные озонаторы, которые создаются для использования на различных летательных аппаратах, должны обладать высокой производительностью, иметь малые веса и габариты и потреблять минимальную мощность.

Известно устройство кислородного озонатора Сименса, состоящее из корпуса озонатора и системы его охлаждения, электрического низкочастотного источника питания с трансформатором, системы подвода и отвода кислорода [1]
Недостатками такого устройства являются низкая удельная производительность, большие затраты электроэнергии на получение 1 кг озона, низкий КПД озонатора (20% ), большие тепловые потери, большие расходы охлаждающего рабочего тела, большие габаритные и весовые характеристики озонатора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство, использующее СВЧ-излучение, где озон получают путем воздействия на газообразный кислород искусственного разряда. Устройство содержит кварцевые трубки, систему охлаждения с рабочим телом, высокочастотный магнитофон с волноводами, источник электрического питания [2]
Недостатками данного устройства являются большие потери энергии, затрачиваемые при получении атомарного кислорода (12,5 эВ), низкие значения КПД озонатора, низкая удельная производительность озонатора.

Техническая задача изобретения повышение КПД и удельной производительности озонатора.

Задача решается тем, что в известный озонатор, содержащий кварцевые трубки с входом и выходом, снабженные охладителем, высокочастотный магнитрон с волноводами, источник электропитания, соединенный с магнитроном, дополнительно снабжен каналом, соединяющим входы и выходы кварцевых трубок, вентилятором, расположенным внутри канала, камерой смешения, расположенной на входе в кварцевые трубки, дополнительными электродами, расположенными внутри кварцевых трубок, соединенными с источником питания, газовой турбиной, камерой сгорания воздушно-реактивного двигателя, причем вход газовой турбины подключен к выходу охладителя, а выход к камере сгорания воздушно-реактивного двигателя, а источник питания выполнен в виде электрического генератора, вал которого соединен с валом газовой туpбины.

На чертеже показан озонатор.

Озонатор состоит из ряда охлаждаемых кварцевых трубок 1, на входе каждой из которых размещено сопло 2 со смесительной камерой 3, вход и выход трубки связаны каналом 4, внутри которого установлен вентилятор 5, а внутри каждой кварцевой трубки размещены электроды 6 и 7 противоположного знака, электрически связанные с электрическим генератором 8, с которым также электрически связан магнитрон 9, наружная поверхность трубок охвачена водородным охладителем 10. Выход охладителя 10 подключен трубопроводом 11 к входному каналу газовой турбины 12, вал которой соединен с электрическим генератором 8. Выходной канал газовой турбины 12 через трубопровод 11 связан с камерой сгорания 14 воздушно-реактивного двигателя 15. На выходах из кварцевых трубок имеется труба для слива жидкого озона 16.

Озонатор работает следующим образом.

В условиях полета самолета озон получают из бортового запаса кислорода путем воздействия искусственного электрического разряда на молекулы кислорода. Жидкий кислород поступает из бака по трубопроводу в смесительную камеру 3, в которой смешивается с газообразным остаточным кислородом, а через сопло 2 поступает в кварцевые трубки 1, в которых с помощью электродов 6 и 7 создается поток свободных электронов. Одновременно газ в трубках подвергается воздействию электрическим разрядом, который создается импульсным СВЧ-полем десятисантиметрового диапазона при длительности импульса 2-4 мкс. В этом случае электронный поток, движущийся в трубке под действием постоянного электрического поля, подвергается воздействию со стороны магнитрона 9 импульсным электрическим СВЧ-разрядом, что позволяет при наличии свободных электронов в потоке приобрести кинетическую энергию Е 5,1 эВ. В результате столкновения электронов с молекулами кислорода, последние диссоциируют на атомарный кислород, который необходим для образования озона, при этом низкая температура озоносодержащей среды не превышает 200-300^оК, которая обеспечивается охлаждением кварцевой трубки жидким водородом в охладителе 10, поступающим из бака. В этих условиях атомарный кислород соединяется с молекулами кислорода, образуя озон, который вследствие охлаждения трубки жидким водородом при 161^оК переходит в жидкое состояние, оседает на стенках кварцевых трубок и сливается по трубопроводу 16, оставшийся кислород для вторичного озонирования поступает из кварцевой трубки 1 под действием вентилятора 5 по каналу 4 возвращается в смесительную камеру 3, в которой обогащается кислородом, поступающим из бака, и поступает в рабочую камеру озонатора, и осуществляется повторный цикл до тех пор, пока кислород полностью не превратится в озон, т.е. система работает по замкнутому циклу. Из охладителя 10 подогретый водород поступает по трубопроводу 11 в туpбину 12, приводящую в движение электрогенератор 13, вырабатывающий электрическую энергию для магнитрона 9 и для питания электродов 6 и 7. Из турбины 12 водород поступает по трубопроводу 14 для дожигания в камеру сгорания 15 воздушно-реактивного двигателя 17. При этом создается тяга двигателя.

Преимущество данного озонатора заключается в том, что по сравнению с традиционным методом получения озона в предлагаемом озонаторе электрический разряд поддерживается за счет наличия в рабочей зоне искусственно введенных электронов. Тем самым кинетическая энергия электронов в разряде соответствует энергии диссоциации молекул кислорода (5,1 эВ), что позволяет свести к минимуму тепловые потери энергии в процессе озонообразования.

Предлагаемый озонатор имеет следующие преимущества:
минимальные затраты электроэнергии для получения одного килограмма озона ≈(1,42 кВт-ч/кг О₃ промышленный озонатор 10-25 кВт-ч/кг О₃);
обеспечивается жидким водородом и кислородом, отвод тепла при этом ≈0,6 кВт-ч/кг О₃ с расходом водорода 0,6-0,7 кг Н₂/кг О₃ (промышленный озонатор требует 2000-4000 кг Н₂/кг О₃);
используется сбрасываемая тепловая энергия озонатора для получения электроэнергии;
остаточная тепловая энергия озонатора используется для повышения экономичности воздушно-реактивного двигателя;
теплоноситель (водород) озонатора используется как горючее воздушно-реактивного двигателя.

Все это позволяет существенно повысить КПД авиационного кислородного озонатора по сравнению с известными.

Использование: при создании озона для использования в авиации. Озонатор, содержащий кварцевые трубки с входом и выходом, снабженные охладителем, высокочастотный магнитрон с волноводами, источник электропитания, соединенный с магнитроном, дополнительно снабжен каналом, соединяющим входы и выходы кварцевых трубок, вентилятором, расположенным внутри канала, камерой смешения, расположенной на входе в кварцевые трубки, дополнительными электродами, расположенными внутри кварцевых трубок, соединенными с источником питания, газовой турбиной, камерой сгорания воздушно-реактивного двигателя, причем вход газовой турбины подключен к выходу охладителя, а выход к камере сгорания воздушно-реактивного двигателя, а источник питания выполнен в виде электрического генератора, вал которого соединен с валом газовой турбины. 1 ил.

ОЗОНАТОР, содержащий кварцевые трубки с входом и выходом, снабженные охладителем, высокочастотный магнитрон с волноводами, источник электропитания, соединенный с магнитроном, отличающийся тем, что он снабжен каналом, соединяющим входы и выходы кварцевых трубок, вентилятором, расположенным внутри канала, камерой смешения, расположенной на входе в кварцевые трубки, дополнительными электродами, расположенными внутри кварцевых трубок, соединенными с источником питания, газовой турбиной, камерой сгорания воздушно-реактивного двигателя, причем вход газовой турбины подключен к выходу охладителя, а выход к камере сгорания воздушно-реактивного двигателя, а источник питания выполнен в виде электрического генератора, вал которого соединен с валом газовой турбины.