УСТАНОВКА ДЛЯ ОЗОНИРОВАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C01B13/11 

Изобретение касается промышленного получения и использования озона и может найти применение в энергетике, металлургии, химии, водоочистке, пищевой промышленности, хранении сельхозпродуктов и т.д.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является установка для озонирования (Озонаторы. Каталог ордена "Знак Почета" производственного объединения "Курганармхиммаш", г. Курган, 1979, с. 5), содержащая устройство для получения озона, компрессор, охлаждающее устройство, устройство глубокой осушки воздуха, воздушный фильтр, контактный аппарат и дегазатор с катализатором. Устройство для получения озона представляет собой размещенные в общем корпусе озонирующие элементы, каждый из которых включает трубчатый низковольтный электрод и установленный в нем коаксиально трубчатый высоковольтный электрод с разделяющим их диэлектрическим барьером, нанесенным на внешнюю поверхность высоковольтного электрода, контактное устройство для подключения к высоковольтному электроду через токопровод высоковольтного ввода. Электроды сцентрированы изоляторами-фиксаторами. Обращенные одна к другой поверхности электродов образуют кольцевой зазор, являющийся разрядным промежутком, соединенным с системой подвода воздуха и отвода озона. Устройство для получения озона содержит также систему охлаждения каждого низковольтного электрода. Охлаждающее устройство состоит из последовательно соединенных теплообменника охлаждения воздуха, осушителя воздуха хладоном, воздухоотделителя, а также устройства подачи хладагента в систему охлаждения каждого низковольтного электрода. Устройство глубокой сушки воздуха представляет собой силикагелевый или алюмогелевый адсорбер.

Наличие в известной установке компрессора охлаждающего устройства и устройства глубокой осушки воздуха позволяет подать на озонирующие элементы воздух для электросинтеза озона, использовать озон, например, в контактном аппарате, а остаточный озон полностью разложить на нагреваемом катализаторе дегазатора.

Известная установка содержит сложное, громоздкое оборудование (многотонные блоки компримирования, механического осушителя воздуха, адсорбционной глубокой осушки воздуха), требует большего расхода (до 50 м³/ч) воды как хладагента, использования хладагента типа хладон-12, малоэффективные силикагелевые или алюмогелевые осушители воздуха.

Поставленная задача решается тем, что в установке для озонирования, содержащей компрессор, охлаждающее устройство, устройство глубокой осушки воздуха, воздушный фильтр, контактный аппарат, дегазатор и устройство для получения озона, выполненное в виде размещенных в общем корпусе озонирующих элементов, каждый из которых включает трубчатый высоковольтный электрод и установленный в нем коаксиально трубчатый низковольтный электрод с разделяющим их диэлектрическим барьером, нанесенным на внешнюю поверхность высоковольтного электрода, контактное устройство для подключения к высоковольтному электроду через токопровод высоковольтного ввода, причем электроды сцентрованы изоляторами-фиксаторами, обращенные одна к другой поверхности электродов образуют кольцевой зазор, соединенный с системой подвода воздуха и отвода озона, систему охлаждения каждого низковольтного электрода, охлаждающее устройство состоит из последовательно соединенных теплообменника охлаждения воздуха, осушителя воздуха, а также устройства подачи хладагента в систему охлаждения каждого низковольтного электрода, охлаждающее устройство содержит трубчатый противоточный теплообменник с выходом в межтрубное пространство через вентилятор и воздушный фильтр атмосферного воздуха и выходом из него охлажденного и осушенного воздуха через газораспределитель, имеющий четыре выхода, два из которых составляют две взаимно шунтирующие друг друга ветви тракта возврата воздуха в теплообменник по его трубному пучку и замыкающие контур турбохолодильного цикла через турбины отдельно стоящих соответственно первого и второго турбокомпрессоров, а также через три ступени повышения давления, расположенные последовательно с выходом трубного пучка, соединенные катализатором дегазатора и выполненные в виде компрессорной ступени первого турбокомпрессора и отдельно стоящего двухступенчатого нагнетателя, приводимого во вращение электродвигателем, причем первая из двух ветвей контура турбохолодильного цикла содержит первый вентиль перед турбиной первого отдельно стоящего турбокомпрессора с шунтирующим его трубопроводом подачи через второй вентиль охлаждающего воздуха в систему охлаждения низковольтных электродов, а также третий и четвертый вентили, каждый из которых входом соединен с атмосферой, а выходом третий вентиль соединен с первой ветвью перед первым вентилем, четвертый вентиль соединен с первой ветвью перед турбиной после первого вентиля, вторая ветвь контура турбохолодильного цикла содержит пятый вентиль перед турбиной второго отдельно стоящего турбокомпрессора, третий выход газораспределителя соединен через ступень компрессора второго отдельно стоящего турбокомпрессора с системой подачи воздуха и отвода озона поочередно к контактному аппарату и дегазатору.

Кроме того, диэлектрический барьер каждого высоковольтного электрода устройства для получения озона охватывает внешнюю поверхность металлического трубчатого высоковольтного электрода, его торцы и края внутренней поверхности на глубину не менее 1/10 его длины, контактное устройство установлено в полости каждого высоковольтного электрода и укреплено на нем за диэлектрическим барьером, система подачи воздуха и отвода озона выполнена в виде двух штуцеров, каждый из которых установлен на изоляторе, соединен с разрядным промежутком каждого озонирующего элемента через канал в соответствующем изоляторе и укреплен на последнем в месте соединения каналов, устройство для подвода охлаждающего воздуха к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода выполнено в виде ступенчатого цилиндрического отверстия в одном изоляторе и его отвода в другом, при этом кабель к контактному устройству каждого высоковольтного электрода проложен через отверстие в одном из изоляторов, а число отверстий в каждом изоляторе равно количеству озонирующих элементов, ступень большого диаметра каждого отверстия выполнена в виде упора торца низковольтного электрода, ступень среднего диаметра образует кольцевой зазор разрядного промежутка, а ступень меньшего диаметра выполнена в виде упора торца высоковольтного электрода, через отверстия во фланцах пропущены и приварены низковольтные электроды, состыкованные на концах коаксиально с высоковольтными электродами с изоляторами, с внешней стороны одного из которых в каждое ступенчатое отверстие вставлены штуцеры от коллектора подачи хладагента к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода, четвертый выход газораспределителя охлаждающего устройства соединен через дополнительный шестой вентиль с коллектором подачи хладагента к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода.

Использование в предлагаемом изобретении атмосферного воздуха не только как носителя кислорода для электросинтеза озона, но и как рабочего тела, посредством которого осуществляется преобразование энергии, получение работы, теплоты и холода, позволяет изготовить установку для озонирования как турбокомпрессорную машину, в которой неразрывно соединены все необходимые операции для получения озона и его эффективного использования:
забор воздуха через обычный низконапорный вентилятор, воздушный фильтр в межтрубное пространство трубчатого противоточного теплообменника;
глубокая осушка воздуха в турбохолодильном цикле до температуры точки росы -50^oC;
охлаждение атмосферного воздуха в турбохолодильном цикле одновременно с осушкой;
компримирование части осушенного и охлажденного воздуха, предназначенного для получения озона, до абсолютного давления, равного 1,5 кг/см² ступенью компрессора отдельно стоящего турбокомпрессора, степень сжатия которой определяется приводящей ее во вращение турбиной, подключаемой вентилем к контуру турбохолодильного цикла, сопровождаемое повышением температуры воздуха до +5 +10^oC (в отличии от прототипа, в котором воздух после компрессора нагревается до +60 +80^oC и охлаждается сразу после водяного охлаждения до +30^oC);
охлаждение низковольтных электродов путем вентильного подключения системы их охлаждения к контуру турбохолодильного цикла;
охлаждение высоковольтных электродов осушенным и охлажденным воздухом путем вентильного подключения системы их охлаждения к контуру турбохолодильного цикла;
нагрев катализатора дегазатора воздухом, нагретым в процессе сжатия тремя ступенями повышения абсолютного давления с 0,5 кг/см² до 1,0 кг/см² до температуры +100 +120^oC;
охлаждение озонирующих объектов для более эффективного использования озона путем вентильного разрыва контура турбохолодильного цикла, т.е. подключения объема озонирующего воздуха к контуру турбохолодильного цикла для его быстрого охлаждения и поддержания требуемой температуры в процессе озонирования.

Опорами вращающихся частей отдельно стоящих турбокомпрессоров и нагревателя служат подшипники скольжения с системой принудительной смазки и охлаждения, что обеспечивает ресурс работы подшипниковых узлов до 25000 ч.

Охват диэлектрическим барьером краев и внутренней поверхности высоковольтного электрода надежно предохраняет устройство для получения озона от поверхностного пробоя, обеспечивая тем самым надежную работу при снижении габаритов, и, в сравнении с известным устройством, безопасность эксплуатации, так как место сопряжения клеммы и кабеля скрыто внутри высоковольтного электрода.

Выполнение устройства для подвода и отвода охлаждающего воздуха к внутренним поверхностям высоковольтных электродов в виде отверстий в изоляторах, а также системы охлаждения низковольтных электродов в виде межтрубного пространства обечайки упрощает охлаждение электродов за счет сквозной вентиляции, создает условия для использования высокочастотного высоковольтного напряжения питания трубчатых электродов.

Охлаждающее устройство установки для озонирования может иметь самостоятельное значение как средство для принудительной вентиляции и охлаждения, а в сочетании с устройством для получения озона оно представляет совершенно новый тип установки для озонирования турбохолодильную установку для озонирования ТУРБОЗОН.

Возможности таких установок исключительные:
быстрое (за 10-20 мин) охлаждение воздуха в объемах помещения (несколько тысяч кубометров) до -20 -30^oC в сочетании с соответствующим режимом озонирования. Такое сочетание делает необязательным переохлаждение хранящихся продуктов до минусовых температур, сохраняет все достоинства их свежести и витаминного состава.

Таким образом, совокупность признаков заявляемого технического решения обеспечивает
1. Охлаждение воздуха электродов и самого объекта озонирования воздухом как рабочим телом без какого-либо применения других хладагентов (воды, фреона, аммиака, хладона);
2. Глубокую осушку воздуха до температуры точки росы -50^oC, полностью отказавшись от пористых адсорбентов;
3. Повышение механической, электрической надежности и эксплуатационной безопасности элементов;
4. Существенное уменьшение общего веса и габаритов установки для озонирования с размещением ее на общей раме в габаритах до 2500x2000х1500.

5. Максимальную экономию воды, дефицитных хладагентов, электроэнергии, комплектующих изделий, материалов в сравнении с прототипом;
6. Комплектность установки для озонирования, обусловленную неразрывным газодинамическим единством всех ее составляющих;
7. Универсальность установки для озонирования, обусловленную ее охлаждающими и озонирующими характеристиками.

В настоящее время в науке и технике не имеется технических решений, содержащих совокупность отличительных (от прототипа) признаков заявляемого технического решения, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена установка для озонирования; на фиг.2 устройство для получения озона.

Установка для озонирования состоит из устройства 1 для получения озона, охлаждающего устройства 16, контактного аппарата 38 и дегазатора 30.

Охлаждающее устройство 16 состоит из регенеративного или рекуперативного теплообменника, например, трубчатого противоточного теплообменника 17 с входом в межтрубное пространство через вентилятор 18 и воздушный фильтр 19 атмосферного воздуха как рабочего тела и выходом из него охлажденного и осушенного до температуры точки росы -50^oC воздуха через газораспределитель 20, имеющий четыре выхода, два из которых, 21 и 22, составляют две взаимно шунтирующие друг друга ветви тракта возврата воздуха в теплообменник по его трубному пучку 24 и замыкающие контур турбохолодильного цикла через турбины 25 и 26 отдельно стоящих первого и соответственно второго турбокомпрессоров и срабатывающих в них перепад давления от атмосферного давления до давления разрежения при степени понижения его в пять раз с понижением температуры воздуха до -120^oC, нагрева его на выходе из трубчатого пучка теплообменника до температуры +10^oC, дополнительного нагрева до +200^oC +210^oC, последующим сжатием до атмосферного давления тремя ступенями повышения давления, расположенными последовательно и представляющими собой компрессорную ступень 27 первого из турбокомпрессоров и отдельно стоящий двухступенчатый нагнетатель 28, приводимый во вращение электродвигателем 29, и подачи для разогрева катализатора в дегазатор 30. Первая из двух ветвей контура турбохолодильного цикла содержит турбину 25, первый вентиль 31 с шунтирующим его трубопроводом 32 подачи через второй вентиль 33 охлаждающего воздуха в систему охлаждения низковольтных электродов 2, а также третий 34 и четвертый 35 вентили. Вторая ветвь контура турбохолодильного цикла содержит пятый вентиль 36 и турбину 26. Третий выход 23 газораспределителя соединен через ступень 37 компрессора второго отдельно стоящего турбокомпрессора, степень сжатия которой определяется пятым вентилем в тракте турбины 26 второго контура, приводящей ее во вращение, с системой подачи воздуха и отвода озона поочередно к контактному аппарату 38 и дегазатору 30.

Четвертый выход 39 газораспределителя охлаждающего устройства соединен через шестой вентиль 40 с коллектором подачи хладагента к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода.

Диэлектрический барьер 4 каждого высоковольтного электрода 3 устройства 1 для получения озона охватывает внешнюю поверхность металлического трубчатого высоковольтного электрода, его торцы и края внутренней поверхности на глубину не менее 1/10 его длины. Контактное устройство 5 установлено в полости каждого высоковольтного электрода и укреплено на нем за диэлектрическим барьером. Система подачи воздуха и отвода озона выполнена в виде двух штуцеров 6, каждый из которых установлен на изоляторе 7, соединен с разрядным промежутком каждого озонирующего элемента через канал 8 в соответствующем изоляторе и укреплен на последнем в месте соединения каналов. Устройство для подвода охлаждающего воздуха к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода выполнено в виде ступенчатого цилиндрического отверстия 9 в одном изоляторе и его отвода в другом. При этом кабель 10 к контактному устройству каждого высоковольтного электрода проложен через отверстие в одном из изоляторов, а число отверстий в каждом изоляторе равно количеству озонирующих элементов. Ступень большего диаметра каждого отверстия является упором торца низковольтного электрода 2, ступень среднего диаметра образует кольцевой зазор разрядного промежутка, а ступень меньшего диаметра является упором торца высоковольтного электрода. Низковольтные электроды объединены двумя металлическими фланцами 11 обечайки 12, имеющей два штуцера 13 подачи хладагента к внешней поверхности низковольтных электродов. Через отверстия во фланцах пропущены и приварены низковольтные электроды, состыкованные на концах коаксиально с высоковольтными электродами с изоляторами, с внешней стороны одного из которых в каждое ступенчатое отверстие вставлены штуцеры 14 от коллектора 15 подачи хладагента к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода.

В качестве вентилятора 18 используется серийно выпускаемый вентилятор мощностью 1,5 кВт, производительностью 1,6 кг/с, напором 0,1 кг/см².

В качестве двигателя использован серийный трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель мощностью 30 75 кВт, 3000 об/мин.

Два отдельно стоящих турбокомпрессора 25 и 26 являются серийно выпускаемыми турбокомпрессорами ТКР-23Н-2Б и ТКР-14Н-9А,21 производства Уральского турбомоторного завода.

Двухступенчатый нагнетатель 28 представляет собой модифицированный вариант серийно выпускного турбокомпрессора.

Установка работает следующим образом.

1. Предпусковые операции. Перед пуском вентили 33 36, 40 закрыты, вентиль 31 открыт. Включается вентилятор 18. Высокое напряжение на высоковольтном электроде 3 отсутствует.

2. Пуск охлаждающего устройства 16. Включается электродвигатель 29. Двухступенчатый нагнетатель 28 создает разрежение в предвключенном воздушном тракте, запуская в работу турбину 25 и компрессор 27 первого отдельно стоящего турбокомпрессора. Организованный таким образом воздушный турбохолодильный цикл позволяет обеспечить после расчетного установившегося режима в течение 2 5 мин на выходе из межтрубного пространства через газораспределитель 20 теплообменника 17 поток охлажденного и осушенного до температуры точки росы -50^oC воздуха. Расход воздуха как рабочего тела в этот момент определяется пропускной способностью турбины 25 первого турбокомпрессора и равен 1 кг/с. Двигатель 29, обеспечивающий сжатие данного расхода воздуха от давления разряжения до атмосферного, будет потреблять соответствующую пониженную мощность.

3. Подготовка объекта озонирования. К объектам озонирования относится воздух в объеме временных или стационарных овощехранилищ, холодильников и т. д. Чем выше температура воздуха (около +30^oC), тем менее эффективно озонирование ввиду интенсивного разложения озона. Поэтому необходимо понижать температуру окружающей среды перед озонированием.

Для этого:
вентили 31, 33, 36, 40 закрывают;
вентили 34, 35 открывают;
включают вентилятор 18;
включают электродвигатель 29.

Через открытые вентили 34 и 35 охлаждающее устройство 16 выкачивает тепло из воздуха в объеме объекта озонирования до необходимых параметров с холодопроизводительностью 20000 ккал/ч или 22 кВт/ч, охлаждая, например 3000 м³ воздуха в помещении с начальной температурой +36^oC до +10^oC за 1 ч при затрате электрической мощности 80 кВт, для дальнейшего поддержания полученного температурного режима (+10^oC) в помещении в процессе озонирования допускается отход холода до 2 кВт/ч.

4. Подготовка пуска устройства для получения озона. Открывается вентиль 36 и устанавливается необходимый рабочий режим компрессора 37, приводимого во вращение турбиной 26. При этом компримированный ступенью сжатия воздух до давления P 1,5 кг/см² и температуры +5 +10^oC поступает с расходом 0,2 кг/с в разрядный промежуток озонирующих элементов устройства для получения озона и далее, в контактный аппарат 38, и с расходом 0,1 кг/с -во внутренние полости высоковольтных электродов 3 через открытый вентиль 40 для охлаждения высоковольтных электродов и далее в атмосферу. Открывается вентиль 33 и совместно с вентилем 1 устанавливается расчетный расход воздуха, охлаждающего наружные стенки низковольтных электродов 2.

5. Пуск устройства для получения озона и начало озонирования. Подается высокое напряжение (10 20 кВ) на высоковольтные электроды 3 устройства 1 для получения озона, в котором вырабатывается озон с производительностью до 10 кг/ч. Потребление озона осуществляется в контактном аппарате 38 или в любом объекте озонирования. Остаточный озон разлагается в дегазаторе 30, тепло на катализатор которого подается с воздухом, нагретым до температуры 100 - 120^oC после двухступенчатого нагнетателя 28.

6. Режим стационарного поддержания необходимых теплотехнических параметров объекта озонирования. Вентилями 36, 33, 31, 34, 35 обеспечивается режим непрерывной подачи части охлажденного воздуха на объекте озонирования с целью обеспечения максимальной производительности получения озона и оптимального использования произведенного озона на объекте озонирования.

Изобретение относится к получению озона. Установка для озонирования, содержит компрессор, охлаждающее устройство, устройство глубокой осушки воздуха, воздушный фильтр, контактный аппарат, дегазатор и устройство для получения озона, выполненное в виде размещенных в общем корпусе озонирующих элементов, каждый из которых включает трубчатый высоковольтный электрод и установленный в нем коаксиально трубчатый низковольтный электрод с разделяющим их диэлектрическим барьером, нанесенным на внешнюю поверхность высоковольтного электрода, причем охлаждающее устройство содержит трубчатый противоточный теплообменник с входом в межтрубное пространство через вентилятор и воздушный фильтр атмосферного воздуха и выходом из него охлажденного и осушенного воздуха через газораспределитель, имеющий четыре выхода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для озонирования, содержащая компрессор, охлаждающее устройство, устройство глубокой осушки воздуха, воздушный фильтр, контактный аппарат, дегазатор и устройство для получения озона, выполненное в виде размещенных в обшем корпусе озонирующих элементов, каждый из которых включает трубчатый высоковольтный электрод и установленный в нем коаксиально трубчатый низковольтный электрод с разделяющим их диэлектрическим барьером, нанесенным на внешнюю поверхность высоковольтного электрода, контактное устройство для подключения к высоковольтному электроду через токоподвод высоковольтного ввода, причем электроды сцентрованы изоляторами-фиксаторами, обращенные одна к другой поверхности электродов образуют кольцевой зазор, соединенный с системой подвода воздуха и отвода озона, систему охлаждения каждого низковольтного электрода, охлаждающее устройство состоит из последовательно соединенных теплообменника охлаждения воздуха, осушителя воздуха, а также устройства подачи хладагента в систему охлаждения каждого низковольтного электрода, отличающаяся тем, что охлаждающее устройство содержит трубчатый противоточный теплообменник с входом в межтрубное пространство через вентилятор и воздушный фильтр атмосферного воздуха и выходом из него охлажденного и осушенного воздуха через газораспределитель, имеющий четыре выхода, два из которых составляют две взаимно шунтирующие друг друга ветви тракта возврата воздуха в теплообменник по его трубному пучку и замыкающие контур турбохолодильного цикла через турбины отдельно стоящих соответственно первого и второго турбокомпрессоров, а также через три ступени повышения давления, расположенные последовательно с выходом трубного пучка, соединенные с катализатором дегазатора и выполненные в виде компрессорной ступени первого турбокомпрессора и отдельно стоящего двухступенчатого нагнетателя, приводимого во вращение электродвигателем, причем первая из двух ветвей контура турбохолодильного цикла содержит первый вентиль перед турбиной первого отдельно стоящего турбокомпрессора с шутируюшим его трубопроводом подачи через второй вентиль охлаждающего воздуха в систему охлаждения низковольтных электродов, а также третий и четвертый вентили, каждый из которых входом соединен с атмосферой, а выходом третий вентиль соединен с первой ветвью перед первым вентилем, четвертый вентиль соединен с первой ветвью перед турбиной после первого вентиля, вторая ветвь контура турбохолодильного цикла содержит пятый вентиль перед турбиной второго отдельно стоящего турбокомпрессора, третий выход газораспределителя соединен через ступень компрессора второго отдельно стоящего турбокомпрессора с системой подачи воздуха и отвода озона поочередно к контактному аппарату и дегазатору. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрический барьер каждого высоковольтного электрода устройства для получения озона охватывает внешнюю поверхность металлического трубчатого высоковольтного электрода, его торцы и края внутренней поверхности на глубину не менее 1/10 его длины, контактное устройство установлено в полости каждого высоковольтного электрода и укреплено на нем за диэлектрическим барьером, система подачи воздуха и отвода озона выполнена в виде двух штуцеров, каждый из которых установлен на изоляторе, соединен с разрядным промежутком каждого озонирующего элемента через каналы в соответствующем изоляторе и укреплен на последнем в месте соединения каналов, устройство для подвода охлаждающего воздуха к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода выполнено в виде ступенчатого цилиндрического отверстия в одном изоляторе и его отвода в другом, при этом кабель к контактному устройству каждого высоковольтного электрода проложен через отверстие в одном из изоляторов, а число отверстий в каждом изоляторе равно количеству озонирующих элементов, ступень большего диаметра каждого отверстия выполнена в виде упора торца низковольтного электрода, ступень среднего диаметра образует кольцевой зазор разрядного промежутка, а ступень среднего диаметра образует кольцевой зазор разрядного промежутка, а ступень меньшего диаметра выполнена в виде упора торца высоковольтного электрода, низковольтные электроды объединены двумя металлическими фланцами обечайки, имеющей два штуцера подачи хладагента к внешней поверхности низковольтных электродов, через отверстия во фланцах пропущены и приварены низковольтные электроды, состыкованные на концах коаксиально с высоковольтными электродами с изоляторами, с внешней стороны одного из которых в каждое ступенчатое отверстие вставлены штуцеры от коллектора подачи хладагента к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода, четвертый выход газораспределителя охлаждающего устройства соединен через шестой вентиль с коллектором подачи хладагента к внутренней поверхности каждого высоковольтного электрода.