ОЗОНАТОР Российский патент 1997 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для получения озона, и может быть использовано в установках по подготовке питьевой воды, в медицинских целях, а также в других приборах, использующих озон, производимый из воздуха и кислорода.

Известно устройство для получения озона, содержащее внутренний электрод, выполненный в виде разделенной на две части поперечной перегородкой трубки, внешний трубчатый электрод и расположенный между электродами диэлектрик.

В стенках передней по ходу газа части первого электрода выполнены выпускные отверстия, через которые газ, например кислород, попадает в зазор между диэлектриком и первым электродом, где он озонируется. В стенках второй части первого электрода имеются выпускные отверстия, через которые газ попадает из упомянутого зазора внутрь второй части трубки, являющейся первым электродом, и выходит из нее к потребителю [1]
Недостатком известного устройства является его сложность, связанная, в основном, с конструкцией первого электрода. Выполнение его в виде трубки увеличивает габаритный размер всего устройства в поперечном сечении, а разделение этого электрода поперечной перегородкой приводит к застойным зонам во внутренних полостях первой и второй его частей, что ухудшает управляемость процессом озонирования газа. Кроме того сложность конструкции и сравнительно большие габариты ухудшают эксплуатационные качества известного устройства.

Известен трубчатый озонатор, включающий в себя ряд разрядных элементов, каждый из которых выполнен в виде цилиндрических коаксиально расположенных электродов с установленной между ними диэлектрической трубкой, при этом внутренний электрод выполнен в виде стержня. С целью увеличения производительности диаметр внутреннего, высокопотенциального электрода выполняют равным 0,25 1,0 мм, при этом соотношение диаметров наружного и внутреннего электродов равно 6 10 (авт. св. СССР N 1608108, кл. C 01 B 13/11, 1990).

Конструкция известных разрядных элементов предназначена для использования в составе ряда аналогичных элементов, установленных в одном общем контейнере и омываемых в нем охлаждающей водой.

Указанные соотношения габаритных размеров применимы для озонаторов с достаточно малым расходом озонируемого газа или когда, как в известном авт. св. отдельные озонаторы работают совместно с другими. В случае использования озонаторов для получения большего расхода, что гораздо чаще встречается на практике, применение упомянутых устройств не представляется возможным.

Наиболее близким техническим решением является озонатор, содержащий связанные с источником питания внутренний и внешний электроды, большая часть первого из которых расположена с герметичным закреплением внутри стеклянной трубки, установленной посредством торцевых крышек в корпусе, имеющем входное и выходное отверстия для газа, а внешний электрод установлен с зазором относительно упомянутой стеклянной трубки (патент США N 4.963.331, кл. 422/186.18, 1990).

Недостатком известного озонатора является то, что конструкция внешнего электрода представляет собой перфорированную металлическую пластину, имеющую в поперечном сечении звездчатую многоугольную форму. Такая конструкция сложна в изготовлении, а с точки зрения эффективности работы при наличии выступов с острыми углами очень проблематично добиться усиления воздействия разряда между электродами на проходящий газ с целью увеличенного выхода озона.

Кроме того, конструкция внешнего электрода увеличивает размер поперечного сечения озонатора и требует наличия дополнительной наружной части корпуса, усложняющей устройство озонатора.

В основе настоящего изобретения лежала задача создания озонатора, эффективно работающего с получением максимального выхода озона при простой конструкции устройства, имеющего минимально возможное количество деталей, простого в эксплуатации и в изготовлении.

На фиг. 1 показано продольное сечение озонатора; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1.

Предложенный озонатор включает диэлектрическую, например стеклянную, трубку 1 с газовым наполнением, глухую с одного конца, в которой по оси симметрии установлен внутренний электрод 2. Внутренний электрод 2 может быть выполнен из нержавеющей стали, вольфрама или другого металла без или с покрытием литием для облегчения эмиссии электронов. Внешний электрод 3 установлен с зазором относительно стеклянной трубки 1 и выполнен из нержавеющей стали, пассивированного алюминия или другого металла, стойкого к озону. В предпочтительном варианте электрод 3 является наружной частью корпуса озонатора и представляет собой круглый цилиндр, который образует корпус озонатора совместно с торцевыми крышками 4 и 5. Через торцевую крышку 4 проходит металлический вывод 6 от внутреннего электрода 2, герметично закрепленный в стеклянной трубке 1 и выполненный из металла, имеющего близкий к стеклу коэффициент линейного расширения. Вывод 6 с наружной стороны крышки 4 припаивается к электрическому штыревому контакту 7, закрепленному на крышке 4.

Противоположная торцевая крышка 5 имеет центрирующие выступы 8, контактирующие с внешней поверхностью стеклянной трубки 1 для ее фиксации. Другой конец стеклянной трубки 1 фиксируется цоколем 9, который может приклеиваться к ней и соединяться с фланцем крышки 4. Между крышкой 4 и внешней частью 3 корпуса образованы отверстия 10 для входа обрабатываемого газа, а в крышке 5 имеется штуцер с отверстием 11 для выхода озонированного газа.

Внутренний 2 и внешний 3 электроды соединены с источником питания (на чертежах не показан), который обеспечивает подачу напряжения в диапазоне 4,0
15 кВ переменного тока частотой 50 1000 Гц.

Озонатор работает следующим образом.

Через отверстие 10 в кольцевой зазор между внешним электродом 3 и стеклянной трубкой 1 поступает воздух или кислород. Под действием электрического напряжения, подаваемого на электроды 2 и 3, в указанном зазоре происходит электрический разряд, который обеспечивает процесс электросинтеза озона. Озонированный газ, проходя между выступами 8, идет в отверстие 11 штуцера на крышке 5 и дальше к потребителю.

В общем случае количество получаемого озона можно выразить зависимостью:

где l_p длина разрядного участка стеклянной трубки;
D_ст диаметр стеклянной трубки;
d_ст толщина стенки стеклянной трубки;
U>U_о напряжение питания озонатора;
U_о пороговое напряжение возникновения разряда;
Δ зазор между внешним электродом и стеклянной трубкой;
K коэффициент оптимизации зазора.

Проведенные многочисленные испытания выявили характерные зависимости величины получаемого озона от указанных параметров.

Так, был определен диапазон значений зазора D между внешним электродом и стеклянной трубкой, при котором синтезируется максимальное количество озона. Этот зазор можно выразить выражением

где K упомянутый коэффициент оптимизации зазора. Максимальный выход озона осуществляется при значениях Δ 1,5-3,5 мм.

При этом однозначно отмечено, что незначительное отклонение от указанных значений в сторону уменьшения или увеличения зазора резко снижает эффективность озонатора. Отмеченные условия выполняются при практически всех реальных габаритных размерах озонатора. При этом величина зазора D значительно меньше диаметров внешнего электрода и стеклянной трубки и мало зависит от изменения напряжения. Так, при величине напряжения 5 5,5 кВ значения K 0,25, а при напряжении 7 8 кВ значения K 0,2.

Выбор оптимальной толщины стенки d_ст стеклянной трубки (толщина диэлектрика) связан с двумя факторами:
а) выход озона, исходя из вышеприведенной формулы 1, растет при уменьшении толщины стенки трубки;
б) уменьшение толщины стенки приводит к уменьшению ее механической прочности.

Оптимальная толщина стенки стеклянной трубки, удовлетворяющая условиям формулы (I) и обеспечивающая достаточную прочность для напряжения питания озонатора 4 15 кВ, была определена в диапазоне 0,2 0,9 мм.

Как указывалось выше в предпочтительном варианте реализации, внешний электрод является наружной частью корпуса озонатора, что упрощает конструкцию и изготовление устройства, а также не требует специального охлаждения при функционировании "холодного" коронного разряда.

Проведенный анализ конструкции озонатора позволяет создавать устройства с максимальной эффективностью использования электроэнергии и получения озона.

Изобретение относится к получению озона. Сущность изобретения: озонатор, содержит связанные с источником питания внутренний и внешний электроды, первый из которых расположен с герметичным закреплением внутри трубки, выполненной из диэлектрического материала и установленной посредством торцевых крышек в корпусе, имеющем входное и выходное отверстия для газа, а внешний электрод установлен с зазором относительно диэлектрической трубки, причем величина зазора между внешним электродом и диэлектрической трубкой равна 1,5 - 3,5 мм. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Озонатор, содержащий связанные с источником питания внутренний и внешний электроды, первый из которых расположен с герметичным закреплением внутри трубки, выполненной из диэлектрического материала и установленной посредством торцевых крышек в корпусе, имеющем входное и выходное отверстия для газа, а внешний электрод установлен с зазором относительно диэлектрической трубки, отличающийся тем, что величина зазора между внешним электродом и диэлектрической трубкой равна 1,5 3,5 мм. 2. Озонатор по п.1, отличающийся тем, что внешний электрод выполнен в виде наружной части корпуса в форме круглого цилиндра. 3. Озонатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что металлический вывод внутреннего электрода расположен с внешней стороны соответствующей торцевой крышки и жестко соединен с электрическим штырьевым контактом, закрепленным на крышке. 4. Озонатор по пп.1 3, отличающийся тем, что входное отверстие для газа расположено между наружной частью корпуса и одной из торцевых крышек. 5. Озонатор по пп.1 4, отличающийся тем, что торцевая крышка у металлического вывода внутреннего электрода выполнена в виде фланца и связанного с ним цоколя, контактирующего с диэлектрической трубкой. 6. Озонатор по пп.1 4, отличающийся тем, что на одной из торцевых крышек выполнены центрирующие выступы, взаимодействующие с внешней поверхностью диэлектрической трубки. 7. Озонатор по пп.1 6, отличающийся тем, что толщина стенки диэлектрической трубки равна 0,2 0,9 мм.