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

Изобретение относится к устройствам для получения озона, по тексту называемые также озонаторами.

Известны озонаторы на основе барьерного разряда. В этих озонаторах между параллельными пластинчатыми или цилиндрическими электродами помещается диэлектрик, например пластины из специального стекла, и на электроды подается высоковольтное переменное напряжение. Создавая таким образом в промежутке между электродами барьерный электрический разряд и пропуская через этот промежуток сухой воздух или кислород, можно обеспечить генерацию озона. В такой системе эффективность использования электрической энергии не высока, примерно 60 г озона на 1 кВт-ч затрачиваемой энергии при использовании сухого воздуха и 100-120 г озона на 1 кВт-ч при использовании кислорода. Кроме того, необходимость применения диэлектрика усложняет конструкцию, увеличивает стоимость озонатора и уменьшает его надежность из-за возможности электрических пробоев диэлектрика. Однако озонаторы на основе барьерного разряда нашли широкое практическое применение, поскольку обеспечивают необходимый уровень концентраций озона: порядка 20 г/нм³ на осушенном воздухе и порядка 100 г/нм³ на кислороде [1].

Наиболее близким к заявляемому устройству для получения озона является устройство, состоящее из корпуса с впускным отверстием для ввода сухого воздуха или кислорода и выпускным отверстием для подачи наружу воздуха с полученным озоном, внутри корпуса в проходе для газа установлена по меньшей мере одна пара взаимно изолированных и расположенных напротив друг друга электродов, один из которых является коронирующим, вне корпуса установлены источник коротких импульсов высокого напряжения с длительностью в пределах нескольких десятков микросекунд и источник высокого постоянного напряжения, выходные зажимы которых подключены к паре электродов в согласованной полярности [2]. В этой системе зажигается импульсный коронный разряд, при пропускании через который сухого воздуха или кислорода обеспечивается генерация озона. В указанном устройстве достигается расход энергии на генерацию озона: 95-125 г озона на 1 кВт-ч, а при использовании кислорода 190-250 г на 1 кВт-ч. Однако в данной заявке не указаны достигнутые концентрации озона, но известно, что в озонаторах такого типа достигнутый уровень концентраций составляет 5 г/нм³, что недостаточно для практического применения.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение концентрации озона - не менее 20 г/нм³ (необходимой для практического применения озонатора) при минимальной энергетической цене генерации озона (100 г озона на 1 кВт-ч) в озонаторе на основе импульсного коронного разряда.

Для достижения указанного результата предложен озонатор для получения озона в импульсном коронном разряде, который зажигается путем подачи коротких (меньше 100 нс) импульсов высокого напряжения положительной полярности на коронирующий электрод, при этом некоронирующий электрод (по крайней мере его часть, контактирующая с разрядом) сделан из алюминия или сплава алюминия (или из проводящего сплава с теплопроводностью выше 50 Вт/м • град), источник импульсов высокого напряжения с функцией включения/выключения высокого напряжения обеспечивает удельную мощность импульсного коронного разряда более 50 Вт/л, частота следования импульсов превышает 500 Гц, отношение амплитуды импульсов высокого напряжения к амплитуде остаточного постоянного напряжения между импульсами составляет 1,5-3.

Такое выполнение озонатора позволяет достичь концентрации озона в случае использования осушенного воздуха 20-30 г/нм³ при энергетической цене озона на уровне 100 г озона на 1 кВт•ч.

Экспериментальные данные, иллюстрирующие влияние материала и диаметра некоронирующего электрода, параметров импульсного коронного разряда на генерацию озона, получены для случая электродной конфигурации "струна в трубе". Разрядные камеры из стали и алюминия имели длину 300 мм. Формирование импульсов высокого напряжения осуществлялось с помощью тиратрона.

Из эксперимента следует, что энергетическая цена озона уменьшается с ростом удельной мощности импульсного коронного разряда. Отмеченная зависимость является особенностью озонатора на импульсном коронном разряде. Это связано с различными механизмами разрушения озона. В разрядной зоне озон может гибнуть в газовом объеме или на поверхности разрядной камеры. В первом случае энергетическая цена производства озона увеличивается (при постоянной концентрации озона) с увеличением удельной вкладываемой мощности, так как происходит рост температуры газа. Во втором случае, если озон разрушается главным образом на поверхности разрядной камеры, энергетическая цена производства озона будет уменьшаться (при постоянной концентрации озона) с увеличением удельной вкладываемой мощности, так как при этом уменьшается время пребывания газа в разрядной камере и, соответственно, меньшее количество молекул озона успевает достичь поверхности разрядной камеры и разрушиться на ней. В озонаторе на импульсном коронном разряде реализуется второй случай (гибель на поверхности). Объемная плотность мощности (одновременно температура газа и максимально достижимая концентрация озона) в озонаторе на импульсной короне существенно меньше, чем барьерном разряде, а разрядная зона обычно относительно больше. В результате для достижения высокой концентрации озона время пребывания газа в разрядной камере должно быть больше сравнительно со случаем барьерного разряда. Кроме того, большой разрядный промежуток приводит к появлению эффективного конвективного перемешивания газа в разрядной зоне. Это перемешивание значительно увеличивает перенос тепла и частиц на стенку разрядной камеры в сравнении с диффузным переносом. Данные эксперимента показывают, что конвективный теплообмен в разрядной камере импульсного коронного разряда: коэффициент теплопроводности газа (а следовательно, и диффузии) почти в 10 раз выше расчетного без учета конвекции. Полученный результат свидетельствует, что конвективные потоки вносят основной вклад в процесс тепло- и массопереноса в коронном разряде данной геометрии.

В случае импульсного коронного разряда рассмотренные факторы приводят к существенно более эффективным процессам тепло- и массопереноса, чем в барьерном разряде. Это положительный эффект, т.к., несмотря на большой разрядный промежуток, не происходит перегрев газа, что возможно в барьерном разряде, где в узком зазоре конвекция практически отсутствует и перегрев газа ведет к разрушению озона. В импульсной короне максимальная температура газа превышает температуру стенки разрядной камеры примерно на 15^oC. В барьерном разряде эта разница температур в несколько раз больше. Однако большое время пребывания в разрядной камере и конвективное перемешивание газа приводят к росту гибели озона на стенках разрядной камеры. При увеличении средней удельной мощности импульсного коронного разряда и уменьшении времени нахождения газа в разрядной камере уменьшается энергетическая цена генерации озона и увеличивается его концентрация. Важность разрушения озона на поверхности разрядной камеры импульсного коронного разряда подтверждается большой разницей в эффективности генерации озона в камерах из нержавеющей стали и алюминия. По-видимому, разрушение озона на поверхности происходит, главным образом, в "горячих точках", образующихся в импульсном коронном разряде, когда стример достигает поверхности отрицательного электрода. Эти "горячие точки" напоминают катодные пятна в дуговом разряде и имеют повышенную температуру. Если разрушение озона связано с повышенной температурой этих "горячих точек", различная эффективность синтеза озона в разрядных камерах из нержавеющей стали и алюминия объясняется различной теплопроводностью этих материалов.

Рассмотрим пример выполнения озонатора средней производительности на импульсном коронном разряде. На фиг. 1 приведен общий вид разрядной камеры озонатора. Каждая труба имеет внутренний диаметр 50 мм, по центру трубы натянута струна диаметром 1 мм, отделенная изолятором от трубы. На вход озонатора подается воздух, осушенный до точки росы не выше -40^oC под давлением до 2 атм. На все струны одновременно подаются импульсы высокого напряжения. На фиг. 2 приведена схема источника импульсов высокого напряжения, где 1 - генератор управляющих импульсов сетки; 2 - источник питания смещения сетки, 3 - источник питания нагрева катода, 4 - высоковольтный источник постоянного напряжения питания рабочего конденсатора, 5 - вакуумная лампа, 6 - разрядная камера, 8 рабочий конденсатор.

Озонатор работает следующим образом. Источник постоянного напряжения поддерживает напряжение на рабочем конденсаторе на уровне 70 кВ. В момент импульса генератор управляющих сигналов формирует на сетке импульс напряжения, открывающий лампу на время длительности управляющего сигнала. При этом на коронирующих электродах формируется импульс положительной полярности амплитудой примерно 60 кВ, приводящий к зажиганию импульсного коронного разряда с пиковым током более 1000 А. Длительность управляющих сеточных импульсов выбирается не более времени развития искрового разряда в газовом промежутке разрядной камеры. Частота следования высоковольтных импульсов более 1000 Гц, длительность на уровне 200 нс. После закрытия лампы остаточный ток короны разряжает емкость разрядной камеры до напряжения около половины от максимального напряжения на электродах. Описываемые характеристики вакуумной лампы и параметры источника импульсов обеспечили достижение плотности мощности в импульсном коронном разряде более 50 Вт/л. В результате в рассматриваемом примере получена производительность озонатора 2,0 кг/ч, концентрация озона 20 г/нм³ при энергетической цене озона на уровне 10 кВт • ч/кг.

Возможные конструкции озонатора на импульсном коронном разряде не ограничиваются приведенным вариантом разрядной камеры и источника импульсов высокого напряжения. Возможно также использование вакуумных ламп с другими параметрами (анодное напряжение, пиковый ток, коммутируемая мощность и т.д.)
Источники информации
1. Proceedings of International Ozone Symposium, Warsaw, Poland, 1994.

2. Япония, заявка N 3-64443, 15.12.82, кл. C 01 B 13/11.

Может быть использовано для получения озона на основе импульсного коронного разряда. Озонатор для получения озона в импульсном коронном разряде содержит коронирующий и некоронирующий электроды, при этом некоронирующий электрод (по крайней мере его часть, контактирующая с разрядом) сделан из алюминия или сплава алюминия (или из проводящего сплава с теплопроводностью выше 50 Вт/м • град), источник импульсов высокого напряжения с функцией включения/выключения высокого напряжения обеспечивает удельную мощность импульсного коронного разряда более 50 Вт/л, частота следования импульсов превышает 500 Гц, отношение амплитуды импульсов высокого напряжения к амплитуде остаточного постоянного напряжения между импульсами составляет 1,5-3. Изобретение позволяет осуществить повышение концентрации озона - более 20 г/нм³ (необходимой для практического применения озонатора) при минимальной энергетической цене генерации озона (на уровне 10 кВт • час/кг озона) в озонаторе на основе импульсного коронного разряда. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения озона, состоящее из корпуса с впускным отверстием для ввода сухого воздуха или кислорода и выпускным отверстием для подачи наружу воздуха или кислорода с полученным озоном, внутри корпуса в проходе для газа установлена по меньшей мере одна пара взаимно изолированных и расположенных напротив друг друга коронирующего и некоронирующего электродов, вне корпуса установлен источник коротких импульсов высокого напряжения положительной полярности с длительностью до 1000 нс, выходные зажимы которого подключены к электродам в согласованной полярности, отличающееся тем, что некоронирующий электрод или по крайней мере его часть, контактирующая с разрядом, выполнен из алюминия, или сплава алюминия, или из электропроводящего сплава с теплопроводностью выше 50 Вт/м • град. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник коротких импульсов высокого напряжения обеспечивает среднюю удельную мощность коронного разряда более 50 Вт/л, частоту следования импульсов высокого напряжения более 500 Гц, отношение амплитуды импульсов высокого напряжения к амплитуде остаточного постоянного напряжения на электродах между импульсами составляет 1,5 - 3.