ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ОЗОНАТОР Российский патент 1998 года по МПК C01B13/11 

Предлагаем изобретение относится к химическому машиностроению, а именно к устройствам, предназначенным для получения озона из кислорода или кислородсодержащих смесей, и может быть использовано как для решения экологических проблем (подготовка питьевой воды, обработка сточных вод и т.д.), так и в некоторых областях народного хозяйства: в пищевой промышленности (увеличение сроков хранения овощей, фруктов и др. продуктов), для стерилизации воды плавательных бассейнов и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является озонатор, содержащий высокочастотный источник питания, генератор озона, выполненный в виде цилиндрического конденсатора, снабженного иглами, и искусственную длинную линию, последовательно соединенную с генератором озона.

Одним из основных недостатков данного устройства является нестабильный режим его работы, выражающийся в изменении концентрации озона в выходной озоно-газовой смеси. Существует несколько причин этому. Первая причина нестабильность собственной емкости генератора озона, который состоит из двух проводящих электродов с воздушным зазором. Генератор озона в нерабочем состоянии имеет собственную емкость C_г, во время работы генератора озона в разрядном промежутке между электродами образуется плазма, которая обладает относительной диэлектрической проницаемостью ε > 1(3) вследствие чего емкость генератора озона становится равной C_г+ΔC_г. .

Искусственная длинная линия характеризуется на единицу длины распределенными сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью C, проводимостью G. Для линий передачи с малыми потерями при высокой частоте справедливы неравенства:

где
ω = 2πf -циклическая частота колебаний, и имеет место соответствие

где
Z_в- волновое сопротивление линии.

искусственная линия имеет емкостную нагрузку (генератор озона)
Z1 = -iX1 = -i•1/(ω•C), (4)
тогда напряжение в этой линии имеет распределение:

где
-коэффициент распространения

Таким образом, напряжение на генераторе озона достигает максимального значения при длине искусственной линии равной x_c, что несколько меньше λ/4, , в этих условиях он работает оптимально.

При изменении же емкости в нагрузке с C_г на C_г+ΔC_г изменяется величина нагрузки XI и, как следствие, на генераторе озона напряжение будет равно U_x < U_макс, т. е. будет иметь место отклонение от оптимального режима, а следовательно и концентрация озона в озоно-газовой смеси на выходе озонатора будет ниже оптимальной, что вносит элемент нестабильности в работу озонатора.

Вторая причина нестабильности - открытость искусственной длинной линии, выполненной в виде спирали. Спиральная линия генерирует магнитное поле вокруг себя, если в зону действия полей рассеивания попадает посторонний электропроводный предмет, или предмет, обладающий магнитной проницаемостью μ > 1, , то изменяется параметр линии L. Исходя из формулы (5) видно, что в этом случае снова будет отклонение от оптимального режима и напряжение на генераторе озона снова будет равно U_x<U_макс. Это является вторым фактором нестабильности работы озонатора.

Третья причина нестабильности озонатора - термический прогрев искусственной длинной линии и ее элементов под действием расходного тока, который приводит к изменению L и C за счет конструктивных изменений спирали под действием термического расширения линейных параметров.

Если выполняется условие U_макс = U_n, где U_n - напряжение поджига генератора озона, то при U_x <U_макс = U_n разряд в генераторе озона может прекратиться вообще, затем он после восстановления параметров L и C может возникнуть снова и т.п.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение стабильности работы высокочастотного озонатора
Указанная цель достигается, во-первых, включением в систему питания генератора озона высоковольтного конденсатора C_o с емкостью значительно большей, чем собственная емкость генератора озона C_г. Это приводит к тому, что нагрузкой для длинной линии является уже величина
-i•XI₁= -i•1/[ω•(C₀+C_г)]
при неработающем генераторе озона и,
-i•XI₂= -i•1/[ω•(C₀+C_г+ΔC_г)]
при работающем генераторе озона, а так как выполняется соотношение C₀ ≫ C_г> ΔC_г то величина ΔC_г на изменение нагрузки практически не влияет, ею можно пренебречь и высокочастотный озонатор работает стабильно.

Во-вторых, спиральная искусственная длинная линия снабжается высокоэлектропроводным экраном, который исключает полностью влияние посторонних электропроводных предметов и предметов с магнитной проницаемостью больше 1.

В-третьих, система питания высокочастотного озонатора снабжается датчиком тока и системой автоматической подстройки частоты, имеющей обратную связь на высокочастотный источник питания. Эта система работает таким образом, что любое изменение тока на входе искусственной длинной линии (а она имеет на входе максимум тока при частоте, на которой на ее конце образуется максимум напряжения) в сторону уменьшения приводит к изменению частоты в ту сторону, где ток восстанавливается до максимального (а значит и напряжение на генераторе озона восстанавливается до величины U_макс.

При исследовании, проведенном по патентной и научно-технической литературе, выявлены признаки, отличающие предполагаемое изобретение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные признаки".

Приведенные отличительные признаки, по сравнению с прототипом, позволяют сделать заключение о соответствии заявляемого устройства критерию "новизна".

На чертеже изображена схема высокочастотного озонатора. Высокочастотный озонатор содержит высокочастотный источник питания 1, питающийся от сети, подключенный к искусственной длиной линии 2, снабженной высокоэлектропроводным экраном 3, изолированным от ввода и вывода динии изоляторами 4, которая последовательно соединена с генератором озона 5, параллельно которому дополнительный высоковольтный конденсатор 6, причем между высоковольтным источником питания 1 и длиной линией 2 расположен датчик тока 7, соединенный с блоком автоматической подстройки частоты 8 по максимуму тока, имеющим обратную связь с высоковольтным источником 1.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотный источник питания I генерирует колебания с амплитудой U_г на рабочей частоте ω, которые подаются в систему: искусственная длинная линия 2-генератор озона 5-дополнительный конденсатор 6, где происходит повышение напряжения до U_макс которое больше или равно напряжению поджига генератора озона U_г.

Под действием U_макс в генераторе озона 5 (кислород или воздух подается в межэлектродное пространство) возникает высокочастотный разряд, происходит синтез озона. Так как емкость высоковольтного конденсатора 6 много больше собственной емкости генератора озона (C_o>> C_г), то возникает разряд, и последующее изменение не нарушает стабильности работы генератора. По мере термического разогрева элементов длинной линии 2 под действием электрического тока происходит изменение ее распределенных параметров L и C, которые стремятся нарушить стабильность работы высокочастотного озонатора, но любое малое изменения тока на входе длинной линии 2 влечет за собой малое изменение рабочей частоты и выходные параметры озонатора остаются стабильными.

Преимуществом предлагаемого изобретения является возможность существенного увеличения стабильности выходных параметров высокочастотного озонатора и, как следствие, повышение надежности работы устройства.

Использование: получение озона из кислорода или кислород-содержащих смесей (в частности из воздуха). Сущность изобретения: высокочастотный озонатор, содержащий источник питания высокой частоты, искусственную длинную линию и генератор озона, снабжен высоковольтным конденсатором, емкость которого значительно больше собственной емкости генератора озона, введенным в систему питания генератора озона, высокоэлектропроводным экраном, введенным в искусственную длинную линию, датчиком тока и системой автоматической подстройки частоты, которые подключены между источником питания и искусственной длинной линией. 1 ил.

Высокочастотный озонатор, содержащий источник питания высокой частоты, искусственную длинную линию и генератор озона, выполненный в виде конденсатора, отличающийся тем, что искусственная длинная линия снабжена высокоэлектропроводным экраном, параллельно генератору озона подключен высоковольтный конденсатор с емкостью большей, чем его собственная емкость, а между источником питания высокой частоты и длинной линией размещен датчик тока, соединенный с блоком автоматической подстройки частоты, управляющим частотой источника питания высокой частоты.