УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА Российский патент 1998 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройству для производства озона с источником высокого напряжения и по меньшей мере двумя, расположенными на расстоянии друг от друга, плоскими электродами с расположенными между ними с образованием, по меньшей мере одного пути протекания диэлектриком, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Озон представляет собой трехатомную модификацию кислорода и возникает, помимо прочего, под воздействием электрического поля. При так называемом спокойном разряде (коронный разряд) кислород (O₂) частично превращается в озон. Электрический разряд осуществляет частичное расщепление молекул O₂ на свободные атомы, присоединяющиеся при столкновении с нерасщепленными молекулами с этими молекулами. При образовании озона потребляется электрическая энергия; тепловой эквивалент этого составляет 34,5 ккал на моль O₃. При нагреве озон распадается, причем освобождается энергия и возникает O₂. Газ распадается очень быстро при температурах выше 100^oC или в присутствии катализаторов при комнатной температуре.

Озон является существенно более реактивным по сравнению с кислородом и тем самым исключительно сильным окисляющим средством, используемым в петрохимии для преобразования олефинов в альдегиды, кетоны или карбоксильную кислоты. Далее, он находит применение в качестве отбеливающего средства для органических веществ и для стерилизации питьевой воды и рабочих помещений.

В промышленности озон в общем производится с помощью спокойного разряда. При этом кислород или газовую смесь, содержащую кислород, направляют через плоскую или кольцеобразную щель между двумя электродами и расположенными между ними диэлектриком. При различных устройствах и способах производства озона пытались увеличить выход озона, причем нужно было избежать его нагрева.

Известно устройство для призводства озона (патент ФРГ N 3108563), в котором предусмотрены средства для того, чтобы управлять частотой и амплитудой переменного напряжения, производящего электрическое поле, для повышения выхода озона. При этом настраивают генераторы высокого напряжения по импульсной моде или повышают частоту переменного тока, так как в обоих случаях получают повышенный выход озона. Однако при этом также увеличиваются тепловые потери, за счет чего при производстве озона по принципу спокойного разряда участки разряда нагреваются, что затем приводит к уменьшению выхода озона.

Устройства для производства озона, эксплуатируемые по импульсной моде, также называемые озонаторами, обладают, тем недостатком, что разряд между обоими электродами, вследствие крутизны фронта, происходит в точечной форме или фокусирующим образом, то есть не на всем периметре электрода. Это приводит к тому, что на электродах возникают прожженные отверстия, за счет чего выход озона снижается и создаются помехи для безупречного функционирования устройства.

Известно устройство (заявка ФРГ N 2853436), в котором с целью повышения выхода озона на участках разряда создается турбулентный поток за счет установки тел. Однако это приводит к определенному увеличению каналов протекания, вследствие чего должна увеличиться напряженность поля. Далее, остающееся при этом способе ламинарные составляющие в граничных слоях потока все еще являются относительно высокими.

Известно устройство для производства озона на базе высокого напряжения переменного тока при исключении диэлектрика (заявка ФРГ N 2644978). Для этого требуется технически достаточно известная плоская конструкция для того, чтобы расположить на расстоянии друг от друга два плоских электрода, между которыми расположен без подключения к току по меньшей мере один биполярный электрод.

Известно устройство c фиксированными электродами (патент ФРГ N 299248), в котором расстояние между электродами должно реализовываться с высокой точностью неизменным для того, чтобы предупреждались пиковые разряды. По этой причине на фиксированный непроводник наносили металлическое покрытие для того, чтобы обеспечивалось неизменное расстояние между электродами.

Задачей изобретения является создание устройства названного вначале вида для производства озона, в котором в каналах протекания простым образом создается турбулентный поток при одновременном выравнивании распределения по поверхности каналов для повышения эффективности.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что:
по меньшей мере один из плоских электродов способен вибрировать;
плоский электрод состоит из двух слоев электропроводного материала, причем по меньшей мере один слой способен вибрировать,
между обоими слоями расположен материал, действующий пружинно-демпфирующим образом, и
оба слоя закреплены для обеспечения возможности вибраций электрода.

С помощью такого рода устройства является возможным за счет приложения низкочастотного переменного напряжения и/или надлежащей скорости протекания обрабатываемой среды приведение электродов в вибрирующее состояние, в результате чего на путях, соответственно в каналах, протекание между электродами и диэлектриком образуется турбулентный поток. В частности за счет вибрирующих электродов происходит отрыв граничного слоя, в котором в ином случае обычно преимущественно имеется ламинарный поток.

Ширина путей протекания и скорость потока назначены такими, что обеспечивается создание турбулентного потока.

Как известно, тип потока (ламинарный или турбулентный) определяется на основании величины числа Рейнольдса.

где w - средняя скорость потока, м/с;
d - диаметр трубы, м;
μ - динамическая вязкость, кг/м с;
p - плотность жидкости, кг/м;
v - кинематическая вязкость, м/с;
Если поперечное сечение потока не имеет форму круга, в выражение для Re подставляется эквивалентный диаметр, соответствующий кратному от гидравлического радиуса.

Гидравлический радиус r представляет собой отношение площади поперечного сечения потока к омываемому (смачиваемому) потоком периметру U.

Для трубы круглого сечения, через которую полностью проходит поток,

Следовательно, для потока с некруглым поперечным сечением вместо диаметра можно подставить эквивалентный диаметр:

В общем при турбулентном течении число Рейнольдса превышает 2300, при этом при Re > 10.000 имеется абсолютно турбулентное течение.

За счет описанного выполнения путей протекания согласно изобретению и вызванного за счет этого турбулентного течения достигается равномерно распределенное поле искровых разрядов, и за единицу времени существенно большее количество частиц газа доставляется к поверхности электродов. При этом особенным преимуществом является то, что возникает большое количество малых разрядов, приводящих к существенно меньшему выделению тепла, обычно противостоящему эффективному выходу озона, так что в качестве охлаждающей среды полностью достаточно окружающего воздуха.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения следуют из дополнительных пунктов формулы изобретения.

Так предусмотрено, что согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения оба слоя являются способными вибрировать. За счет этого улучшается возможность производства турбулентного течения.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения предусматривается, что оба способных к вибрированию слоя соответственно сведены вместе на концах, благодаря чему получается простая опора плоского электрода.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения имеются несколько электродов с соответственно расположенными между двумя электродами диэлектриками и они объединены вместе в качестве одного подузла, причем электроды включены параллельно таким образом, что одна группа электродов подключена к потенциалу земли, а другая группа электродов подключена к высокому напряжению. При этом несколько подузлов могут объединяться вместе в один агрегат.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что агрегат является нагружаемым от одного общего газораспределительного узла. При этом способные вибрировать слои могут состоять из электропроводной - также обработанной фольги.

Согласно следующему возможному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что способные вибрировать слои состоят из электропроводного листового материала.

Ввиду целесообразности способные вибрировать слои состоят из платины, титана, оцинкованного железа или алюминия. Эти металлы обеспечивают хорошее выполнение электрического поля. При этом покрытия из платины, титана, оцинкованного железа или алюминия могут выполняться в виде фольги, листов или проволочных сеток.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что способные вибрировать слои имеют отверстия. За счет этого не только обеспечивается отрыв граничного слоя и тем самым производство полностью турбулентного течения, но также, далее, эти отверстия при объединении вместе нескольких узлов обеспечивают возможность газообмена между отдельными путями протекания, благодаря чему турбулентность течения увеличивается еще более.

Для предупреждения нежелательной большой амплитуды вибрации электродов является возможным предусмотреть поблизости от концов электродов направляющие канавки. Сведение в месте покрытий на краях электродов и соответствующая опора этих краев направляющих канавки обеспечивают беспрепятственное выполнение низкочастотной вибрации электродов, направление потока и замкнутую на себя систему массы пружинного демпфирования.

Для дальнейшего повышения эффективности также является возможным снабжение электродов более, чем двумя способными вибрировать слоями вдоль и/или поперек направления течения из электропроводного материала, которые могут осуществлять относительные движения, управляемые, например, за счет сдвинутого по фазе направления тока.

Помимо этого можно также себе представить последовательное включение электродов друг за другом с определенной длиной в направлении течения.

Ввиду целесообразности производится регулирование пружинного демпфирования электродов для того, чтобы обеспечивать необходимые для протекания газа величины ширины щели.

За счет надлежащих регулировочных устройств также является возможным управлять шириной щели отдельных путей протекания.

Дальнейшее предпочтительное воздействие на вибрации электродов достигается за счет того, что распределение опускания гибких слоев электродов является регулируемым.

Хотя в качестве среды между гибкими слоями может быть использован любой проводящий или непроводящий материал, действующий пружинно-демпфирующим образом, в качестве особенно предпочтительных проявили себя стеклянные волокна.

На фиг. 1 дана принципиальная схема устройства в разрезе; на фиг. 2 - схематическое расположение нескольких узлов (согласно фиг. 1); на фиг. 3 - принципиальное расположение электродов с противоположной полярностью, образующих подузел; на фиг. 4 - объединение нескольких подузлов в один агрегат.

На фиг. 1 схематически показана первая форма осуществления устройства для производства озона, причем оба электрода 5 соединены с вторичной катушкой 1 трансформатора высокого напряжения. Высокое напряжение в зависимости от потребности составляет от 5 до 30 кВ. Трансформатор высокого напряжения, изображенный на фиг. 1, спроектирован для частоты 50 Гц. Между обоими электродами 5 для выполнения, например, двух путей протекания расположен диэлектрик 6.

Электроды 5 состоят соответственно из упругой подложки 2 с расположенным на поверхности подложки гибким покрытием 3, 4 из электропроводного материала. Электроды 5 имеют сквозные отверстия, проходящие перпендикулярно путям протекания. Гибкие покрытия 3, 4 преимущественно состоят из платины, титана, оцинкованного железа или алюминия. Они могут выполняться в виде фольги, листов или проволочных сеток. Также являются возможным напылять на подложку 2 или фольгу 3, 4 электропроводный материал. Упругая подложка 2 состоит преимущественно из стеклянных волокон.

Если к устройству прикладывается высокое напряжение для производства электрического поля, то электроды 5 приводятся в низкочастотные вибрации. За счет этого газ, текущий в щелях между электродами 5 и диэлектриком 6, также приводится в вибрирующее состояние, благодаря чему создается поддержка для возникновения турбулентного течения.

За счет этого является возможным, чтобы за единицу времени к поверхности электродов доставлялось существенно большее количество частиц газа и чтобы получалось более равномерно распределенное поле искрового разряда.

При первичном сетевом напряжении 220 В при изображении на фиг. 1 примере осуществления на вторичной стороне трансформатора высокого напряжения имеются приблизительно 10 кВ. В сравнении с обычными озонизаторами это устройство обеспечивает приблизительно на 25% более высокий выход озона из воздуха.

На фиг. 2 показано объединение вместе нескольких узлов, причем края 7 гибких покрытий 3, 4 сведены вместе и соединены друг с другом для образования кромки. Эта кромка вставляется в надлежащие направляющие канавки корпуса, так что для создания вибраций отдельных электродов 5 не создается препятствий, но они ограничены. Далее, в электродах 5 выполнены сквозные отверстия, проходящие перпендикулярно путям протекания 11. За счет этих отверстий обеспечивается возможность газообмена между отдельными путями протекания, за счет чего, далее, улучшается равномерность распределения, то есть выполнение турбулентного течения.

На фиг. 3 показана форма осуществления, состоящая из нескольких электродов 5 и расположенных между ними диэлектриков 6. В этом узле 8 параллельно включены две группы электродов, причем одна группа электродов заземлена, а другая группа электродов имеет потенциал высокого напряжения. Образованный таким образом узел 8 расположен в корпусе, закрытом газонепроницаемым образом, так что газ может протекать через этот узел.

На фиг. 4 представлена другая форма осуществления, состоящая из нескольких узлов согласно фиг. 3, объединенных в агрегат 9, нагруженный от общего газораспределительного узла 10.

Использование: в устройствах для получения озона. Устройство для производства озона выполнено с источником высокого напряжения и по меньшей мере двумя расположенными на расстоянии друг от друга плоскими электродами с расположенными между ними для образования по меньшей мере одного пути протекания диэлектриком, причем, по меньшей мере один из плоских электродов способен вибрировать, плоский электрод состоит из двух слоев электропроводного материала, из которых по меньшей мере один слой способен вибрировать, между обоими слоями расположен материал, действующий пружинно-демпфирующим образом, и оба слоя закреплены для обеспечения возможности вибраций электродов. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для производства озона с источником высокого напряжения и по меньшей мере двумя расположенными на расстоянии друг от друга плоскими электродами с расположенным между ними с образованием по меньшей мере одного пути протекания диэлектриком, отличающееся тем, что по меньшей мере один из плоских электродов способен вибрировать, плоский электрод (5) состоит из двух слоев (3, 4) электропроводного материала, из которых по меньшей мере один слой (3, 4) способен вибрировать, между обоими слоями (3, 4) расположен субстрат (2), действующий пружинно-демпфирующим образом, и оба слоя (3, 4) закреплены для обеспечения возможности вибраций электрода (5). 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оба слоя (3, 4) способны вибрировать. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оба способных к вибрированию слоя (3, 4) соответственно сведены вместе на их концах (7). 4. Устройство по одному по меньшей мере из пп.1 3, отличающееся тем, что имеется несколько электродов (5) с соответственно расположенными между двумя электродами (5) диэлектриками (6) и они объединены вместе в качестве одного подузла (8), причем электроды (5) включены параллельно так, что одна группа электродов подключена к потенциалу земли, а другая группа электродов подключена к высокому напряжению. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что несколько подузлов (8) объединены вместе в один агрегат (9). 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что агрегат (9) является нагружаемым от одного общего газораспределительного узла (10). 7. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 6, отличающееся тем, что способные вибрировать слои (3, 4) состоят из электропроводных фольг или фольг, напыленных электропроводным материалом. 8. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 7, отличающееся тем, что способные вибрировать слои (3, 4) состоят из электропроводного листового материала. 9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что способные вибрировать слои (3, 4) состоят из платины, титана, оцинкованного железа или алюминия. 10. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 9, отличающееся тем, что способные вибрировать слои (3, 4) имеют отверстия. 11. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 10, отличающееся тем, что способные вибрировать слои (3, 4) состоят из проволочной сетки. 12. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 11, отличающееся направляющими канавками для ограничения вибрации электродов (5). 13. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 12, отличающееся тем, что пружинное демпфирование электродов (5) является регулируемым для обеспечения величин ширины щели, необходимых для пропускания газа. 14. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 13, отличающееся тем, что величины ширины щели являются регулируемыми. 15. Устройство по одному по меньшей мере из пп. 1 14, отличающееся тем, что субстрат (2), действующий пружинно-демпфирующим образом, состоит из стеклянных волокон.