ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ОЗОНАТОР Российский патент 1997 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано в установках для подготовки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, для очистки промышленных и бытовых сточных вод, технологических газовых выбросов, а также в химической технологии и других отраслях народного хозяйства.

Известен озонатор, содержащий высоковольтный электрод в виде трубы, внутри которой по герметичным трубопроводам прокачивается охлаждающая среда. Трубу окружает расположенный соосно с ней заземленный электрод, охлаждаемый указанной средой. По зазору между электродами проходит озонируемый воздух, причем охлаждающая среда не попадает в воздух (пат. США N 4.025.441, МКИ C 01 B 13/11, 1975).

Известен высокочастотный озонатор, содержащий цилиндрический корпус с рубашкой для охлаждающей жидкости, коаксиально размещенные в нем цилиндрические низковольтный электрод с диэлектрическим покрытием, высоковольтный электрод, укрепленный в корпусе при помощи высоковольтного изолятора, между поверхностями которых образована разрядная зона, и расположенную по оси корпуса трубку для ввода охлаждающей жидкости в полость высоковольтного электрода (а.с. СССР N 597173, МКИ C 01 B 13/10, 1974 - прототип).

Недостатками известного высокочастотного озонатора являются пониженная температура низковольтного электрода из-за его охлаждения, что снижает количество эмитируемых из электрода электронов, необходимых для озонирования воздуха в разрядной зоне, необходимость обеспечения минимальных зазоров между низковольтным и высоковольтным электродами, высокого напряжения между ними, что, как следствие, вызывает повышенное гидравлическое сопротивление разрядной зоны, конструктивные и технологические сложности изготовления озонатора, невысокую производительность озонатора.

Целью изобретения является создание высокочастотного озонатора, лишенного указанных недостатков, простого по конструкции и технологии изготовления с высокой производительностью.

Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотном озонаторе, содержащем низковольтный электрод, высоковольтный охлаждаемый электрод, разрядную зону с патрубками подвода кислородсодержащего газа и отвода озоносодержащей смеси, низковольтный электрод снабжен нагревателем, а между упомянутыми электродами на опорах установлена охлаждаемая управляющая сетка, подключенная к высокочастотному источнику напряжения и ограничивающая разрядную зону со стороны низковольтного электрода, после патрубка отвода озоносодержащей смеси установлено вакуумирующее устройство.

Указанная совокупность признаков проявляет в предлагаемом озонаторе новые свойства, заключающиеся в том, что за счет нагрева (а не охлаждения, как в известных конструкциях) низковольтного электрода и его повышенной температуры значительно увеличивается количество эмитируемых из него электронов, необходимых для образования озона; за счет управления эмитируемыми электронами с помощью импульсного высокочастотного напряжения, приложенного к сетке, значительно увеличиваются импульсные потоки электронов между электродами, а следовательно, и через разрядную зону; за счет образования холодной разрядной зоны с помощью охлаждаемых высоковольтного электрода и управляющей сетки создаются благоприятные условия для образования озона в разрядной зоне мощными импульсами электронов, проходящими через движущийся в ней кислородсодержащий газ, что в конечном итоге обеспечит значительное увеличение производительности озонатора в вакуумированной разрядной зоне; управление потоком электронов между электродами с помощью сеточного напряжения позволяет значительно понизить напряжение, увеличить расстояние между электродами и устраняет необходимость барьерного покрытия электродов, что значительно упрощает конструкцию озонатора и технологию его изготовления.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретательского уровня.

На чертеже дан предложенный высокочастотный озонатор, где 1 низковольтный электрод; 2 высоковольтный электрод; 3 разрядная зона; 4 - патрубок ввода кислородосодержащего газа; 5 патрубок отвода озоносодержащей смеси; 6 нагреватель; 7 управляющая сетка; 8 керамическая опора; 9 - высоковольтная электроизоляционная опора; 10 вакуумирующее устройство.

Высокочастотный озонатор содержит низковольтный электрод 1 и высоковольтный охлаждаемый электрод 2, между которыми расположена разрядная зона 3. С двух противоположных сторон на стенках разрядной зоны расположены патрубок 4 ввода в зону кислородосодержащего газа и патрубок 5 отвода из зоны озоносодержащей смеси. Низковольтный электрод оснащен нагревателем 6. Между низковольтным и высоковольтным электродами расположена управляющая охлаждаемая сетка 7, подключенная к высокочастотному источнику напряжения и ограничивающая разрядную зону со стороны низковольтного электрода. При этом сетка установлена на таких расстояниях от катода и анода, что в момент подачи на нее положительных импульсов высокочастотного напряжения, подключенного к ней, скорости электронов в разрядной зоне: анод-сетка достаточные для обладания ими кинетической энергией не менее 7,05 эв. Этой энергии достаточно для активизации молекул и атомов кислорода и образования из них атомов озона в разрядной зоне. (см. "Электросинтез озона", Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В. И. Пантелеев, изд. МГУ им. Ломоносова, Москва, 1987 г.) Скорости электронов в любой точке между электродами при заданных геометрических размерах и напряжениях легко определяются для каждого конкретного случая по многочисленным источникам по расчету электронных ламп (например, "Расчет и конструирование электронных ламп", Б.М. Царев, изд. "Энергия", Москва, 1967 г.)

где W_э= 7,05 эв 7,05•1,6•10^-19 дж -минимально необходимая кинетическая энергия электрона;
кг масса электрона;
V м/с скорость электрона.

где V≥1,58•10⁶ м/с 1580 км/с.

Для обеспечения этой скорости достаточно установить сетку на расстоянии от катода, где разность потенциалов достигает не менее

где U разность потенциалов меду катодом и местом установки сетки в разрядной зоне

При этом отличие условий движения электронов: вакуум в электронных лампах -паз в разрядной зоне учитывается введением поправочных экспериментальных коэффициентов.

Низковольтный электрод и сетка соединены между собой с помощью керамических опор 8, а высоковольтный электрод и сетка соединены между собой с помощью высоковольтных электроизоляционных опор 9. После патрубка 5 установлено устройство 10.

Предложенный высокочастотный озонатор работает следующим образом.

Подают напряжение к нагревателю 6, который передает тепло к низковольтному электроду 1. Включают вакуумирующее устройство 10, за счет чего создают вакуум в разрядной зоне 3. В результате нагрева низковольтного электрода из него имитирует электроны и образуют возле электрода электронное облако.

От внешнего источника во внутренние полости управляющей сетки 7 и высоковольтного электрода 2 подают охлаждающую среду; к низковольтному электроду подают низкое отрицательное напряжение, к управляющей сетке подают отрицательное напряжение смещения, к высоковольтному электроду подают высокое положительное напряжение. В результате этого между низковольтным и высоковольтным электродами появится разность потенциалов, но ток будет небольшой, так как облако электронов возле низковольтного электрода будет заперто отрицательным напряжением на сетке.

Подают импульсное высокочастотное напряжение вместо запирающего напряжения к управляющей сетке, что обеспечивает импульсное течение электронов между низковольтным и высоковольтным электродами из образованного ранее электронного облака. В течение времени включения озонатора высоковольтный электрод и управляющая сетка остаются холодными за счет их охлаждения внешней средой, а следовательно, остается холодной и разрядная зона между ними. Соответствующую теплоизоляцию и электроизоляцию между низковольтным электродом, управляющей сеткой, высоковольтным электродом обеспечивают керамическая опора 8 и высоковольтная электроизоляционная опора 9.

Подают в разрядную зону через патрубок 4 кислородосодержащий газ. В результате того, что через холодную разрядную зону одновременно идут кислородосодержащий газ и импульсный поток электронов, создаются условия для образования озона из молекул и атомов кислорода. Образовавшийся озон в смеси с кислородосодержащим газом поступает через отводящий патрубок 5 и вакуумирующее устройство 10 к потребителю озона.

Применение предложенного высокочастотного озонатора позволит:
упростить конструкцию и технологию изготовления как отдельных озонаторов, так и озонаторных станций в целом;
повысить производительность и получить любые желаемые производительности по озону в одном озонаторе;
понизить напряжение электропитания высоковольтного электрода озонатора, что улучшит электробезопасность эксплуатации озонатора и его блока электропитания.

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано в установках по подготовке питьевой воды, воды плавательных бассейнов, в установках по очистке промышленных и бытовых сточных вод, технологических газовых выбросов, а также в химической технологии и других отраслях народного хозяйства. Предложен высокочастотный резонатор, содержащий низковольтный электрод 1, охлаждаемый высоковольтный электрод 2, разрядную зону 3 с патрубками 4, 5 ввода в нее кислородсодержащего газа и отвода озоносодержащей смеси, нагреватель 6 низковольтного электрода, охлаждаемую управляющую сетку 7, расположенную на опорах 8, 9 между упомянутыми электродами, подключенными к высокочастотному источнику напряжения и ограничивающую разрядную зону со стороны низковольтного электрода, вакуумирующее устройство 10, установленное после патрубка отвода озоносодержащей смеси. 1 ил.

Высокочастотный озонатор, содержащий низковольтный электрод, высоковольтный охлаждаемый электрод, разрядную зону с патрубками подвода кислородсодержащего газа и отвода озоносодержащей смеси, отличающийся тем, что низковольтный электрод снабжен нагревателем, между упомянутыми электродами установлена охлаждаемая управляющая сетка, подключенная к высокочастотному источнику напряжения и ограничивающая разрядную зону со стороны низковольтного электрода после патрубка отвода озоносодержащей смеси установлено вакуумирующее устройство.