ОЗОНАТОР И ГЕНЕРАТОР ОЗОНА Российский патент 1999 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к технике получения озона из кислорода или воздуха в электрическом разряде и может быть использовано в установках для обеззараживания воды или воздуха.

Известен озонатор (патент РФ N 2019905, H 03 K 3/53, 1994), включающий генератор высоковольтных импульсов, содержащий высоковольтный источник питания переменного тока, выпрямитель с токоограничивающим элементом, емкостный накопитель, вращающийся разрядник с двумя коммутаторами, согласующую частотозадающую цепь и нагрузку в виде генератора озона. Генератор высоковольтных импульсов вырабатывает разнополярные импульсы большой мощности сравнительно низкой частоты. Мощность, передаваемую на генератор озона, регулируют частотой срабатывания вращающегося разрядника и, в небольших пределах, изменением зарядного напряжения. Следовательно, на генератор озона поступают импульсы в виде симметричного меандра относительно небольшой частоты - до нескольких сотен герц, что позволяет повысить производительность озона по сравнению с традиционным синусоидальным источником питания примерно в два раза за счет высокой скорости нарастания напряжения, т. е. короткого фронта импульса. Для дальнейшего увеличения производительности озона в этом озонаторе необходимо увеличивать емкость частотозадающих конденсаторов и соответственно электрическую емкость и геометрический объем генератора озона и емкость накопителя. Основной недостаток этого озонатора - низкая рабочая частота, что приводит к низкой удельной производительности выработки озона и снижает удельные параметры установки, т.е. производительность выработки озона на единицу объема и массы установки.

Известен каскадный озонатор для получения озона в электрическом разряде, содержащий генератор озона с секционированным катодом и анод, расположенные с зазором относительно друг друга, причем площади секций катода и зазоры между электродами выполнены со ступенчатым увеличением (АС СССР N 1763357, C 01 B 13/11, 23.09.92). Недостатком данного генератора является неустойчивость разряда, вызванная тем, что необходимо очень точно устанавливать зависимость между давлением и расходом рабочего газа и расстоянием между электродами. Озонатор имеет большие габариты, поскольку работает на низкой частоте.

Известен также озонатор (АС СССР N 1370072, C 01 B 13/11, 1988), который содержит генератор озона, управляемый генератор импульсов, включающий выпрямитель, тиристорный высокочастотный инвертор, систему управления инвертором, переключающий элемент и элемент накопления энергии в виде конденсатора, через который управляемый генератор импульсов подключен к первичной обмотке импульсного трансформатора, во вторичную обмотку которого включен генератор озона. Озонатор работает в резонансном режиме, что обеспечивается наличием во вторичной обмотке импульсного трансформатора датчика резонансной частоты, включенного последовательно с генератором озона. Время разряда накопительного элемента составляет несколько мкс, что обусловлено наличием коммутирующего тиристора, поэтому время нарастания (фронт) импульса во вторичной обмотке импульсного трансформатора составляет ≥ 1 мкс. При этом в генераторе озона могут возникать локальные разряды в газе, что приводит к местному перегреву, снижению производительности и увеличению образования окислов азота. Другим недостатком данного устройства вследствие большой длительности импульса являются большие габариты импульсного трансформатора и, как следствие, большие габариты всего устройства. Данный озонатор выбран в качестве прототипа.

Известно также устройство для ионизации газа с использованием барьерного разряда, состоящее из внутреннего и внешнего концентрических металлических электродов и заземленного экрана со стеклянной диэлектрической трубкой, расположенной между ними. Рабочий газ пропускается между диэлектриком и заземленным экраном. Электроды и заземленный экран рассчитаны таким образом, что достигается охлаждение рабочей камеры (Патент США N 5554344, C 01 B 13/11, 10.09.96). Данный генератор выбран в качестве прототипа.

Основным недостатком прототипа являются большие габариты, поскольку есть внешний потенциальный электрод, нуждающийся в экранировании и защите от заземленного экрана. Другим недостатком является неравнозначность по емкости потенциальных электродов.

В основу изобретения поставлена задача создать экологичный малогабаритный, высокопроизводительный и экономичный озонатор с возможностью регулировки выработки озона.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой группы изобретений, является повышение стабильности и однородности электрического разряда в генераторе озона путем создания мгновенной перенапряженности по всему объему разрядного промежутка и сокращения времени горения разряда. Это позволяет свободным электронам рабочего газа набрать энергию, достаточную для осуществления диссоциации молекул кислорода (E_дис = 5,1 эВ). Коэффициент перенапряжения и времена запаздывания для такого разряда составляют соответственно 1,4-2,2 и t_зап≈10^-7 для промежутка ≈ 1 мм. Следовательно, до закорачивания пробоем разрядного промежутка электроны могут набрать среднюю энергию в 1,5-2 раза большую, чем в обычном режиме и соответственно повысить энергетический выход озона, т.е. количество выработанного озона увеличивается в 1,5-2 раза при тех же энергетических затратах (Самойлович В. Г. , Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. Издательство МГУ, 1989 г., стр. 149-153).

Указанный технический результат достигается тем, что в озонатор, содержащий управляемый генератор импульсов, накопительный элемент и импульсный трансформатор, к выходной обмотке которого подключен генератор озона, дополнительно введена линия сжатия мощности, включенная последовательно между накопительным элементом и первичной обмоткой импульсного трансформатора.

Целесообразно, чтобы параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора были подключены корректирующая емкость и дополнительный коммутирующий элемент.

Указанный технический результат достигается также тем, что в генераторе озона, содержащем расположенные с зазором высоковольтные электроды, барьерный диэлектрик и вспомогательный охлаждающий заземленный электрод, высоковольтные электроды выполнены идентичными, размещены внутри вспомогательного электрода и по меньшей мере в одном месте предусмотрено соприкосновение диэлектрика, покрывающего высоковольтные электроды, со вспомогательным электродом.

Целесообразно, чтобы высоковольтные электроды генератора озона были размещены с переменным зазором.

Целесообразно, чтобы вспомогательный электрод разделял разрядный промежуток на две разрядные камеры.

Линия сжатия включает в себя емкости и насыщающиеся дроссели, соединенные в линию передачи энергии для уплотнения мощности импульса одной полярности [ ПТЭ, N 5, 1972, с. 103-105]. Но в нашем случае эта линия работает в двуполярном режиме использования отраженной волны для формирования импульса противоположной полярности.

Традиционно линия сжатия и трансформации работает в режиме формирования однополярного импульса, что приводит к необходимости вводить подмагничивание сердечников дросселей и трансформатора и, как следствие, к усложнению схемы, увеличению габаритов и стоимости устройства. В предлагаемом озонаторе на вход линии сжатия подают два разнополярных импульса с такими параметрами, что магнитные звенья сжатия работают в "псевдорезонансном" режиме, т.е. импульс противоположной полярности начинает формироваться в момент прихода отраженного импульса, а расстояние между парами импульсов существенно больше суммарной длительности пары импульсов и определяется необходимой производительностью. Это позволяет существенно снизить габариты линии сжатия и трансформатора за счет использования полного размаха индукции насыщения сердечников без подмагничивания и уменьшения ≈ в 100 раз длительности выходного импульса. Дополнительный коммутирующий элемент - дроссель насыщения - формирует общую длительность выходного импульса и его короткий задний фронт в зависимости от напряжения на первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора, что исключает возможность вхождения в насыщение сердечника импульсного трансформатора и его перегрев, сокращает длительность переходных процессов и за счет крутого заднего фронта повышает дополнительно энергетический выход озона и уменьшает размеры выходного трансформатора. Для дополнительного сокращения длительности переднего фронта используют корректирующую емкость, подключенную параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора. Использование парных импульсов позволяет также в два раза снизить емкость накопительного конденсатора и емкость звеньев линии магнитного сжатия, а за счет уменьшения времени релаксации цепи после прохождения рабочего импульса существенно повысить максимальную частоту следования пар импульсов, что при малых размерах электрической схемы и генератора озона существенно повысит производительность озонатора. Формирование двух разрядных камер путем размещения высоковольтных электродов внутри дополнительного электрода позволяет повысить перенапряжение, эффективно и просто охлаждать рабочий газ. Диэлектрический барьер как распределенная емкость "гомогенизирует" разряд, ограничивая локальное энерговыделение, и позволяет существенно снизить концентрацию окислов азота. Ограничение тока разряда достигается конструктивной индуктивностью рассеяния трансформатора, импедансом насыщенной линии сжатия и барьерной емкостью. Вследствие того, что разрядные промежутки генератора озона соединены последовательно, из-за статистической неоднородности и собственных емкостей один из них будет пробиваться раньше, формируя для второго еще более крутой фронт рабочего импульса, что позволяет сократить количество звеньев линии сжатия мощности. Увеличивающийся в сторону движения рабочего газа зазор между электродами позволяет увеличить объем озонируемого газа в режиме бегущего фронта разряда с подсветкой ультрафиолетом, возникающим сначала в месте соприкосновения диэлектрика со вспомогательным электродом для создания большего количества свободных электронов. Соприкосновение диэлектрика с нейтральным электродом для указанных режимов (скорость нарастания напряжения, большая плотность тока и пр.) позволяет при сохранении эффекта перенапряжения повысить устойчивость зажигания разряда в широких диапазонах давлений.

В дальнейшем сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - электрическая схема озонатора;
фиг.2 - генератор озона;
фиг.3 - эпюры напряжений.

Озонатор (фиг. 1) содержит источник питания 1, управляемый генератор импульсов 2, накопительный элемент - конденсатор 3, соединенный через ограничивающий зарядный дроссель 4 с магнитной линией сжатия мощности 5, например, из двух последовательно соединенных звеньев магнитного сжатия, состоящих из насыщающего дросселя 7 и емкости 6 и аналогичных дросселя 9 и емкости 8. Выход линии сжатия мощности 5, зашунтированный корректирующей емкостью 10 и дополнительным коммутирующим элементом 11, например дросселем насыщения, через высоковольтный импульсный трансформатор 12 подключен к генератору озона 13. Генератор озона 13 (фиг.2) содержит три электрода - вспомогательный охлаждающий выравнивающий электрод 14 и два идентичных высоковольтных электрода 15 и 16, покрытых диэлектриком 17 и 18, образующим диэлектрический барьер. Вспомогательный электрод 14 и высоковольтные электроды 15, 16, расположенные внутри электрода 14, образуют две одинаковые разрядные камеры, электрически соединенные последовательно, создавая два одинаковых разрядных промежутка. Зазор разрядного промежутка может быть переменным, увеличиваясь в 1,5-2 раза плавно или ступенчато по направлению движения озонируемого газа. Для рабочего газа разрядные камеры могут быть соединены как параллельно, так и последовательно в зависимости от требуемой максимальной концентрации озона и расхода газа. Непосредственное соприкосновение нейтрального вспомогательного электрода с барьерным диэлектриком, особенно в зоне подачи рабочего газа, существенно повышает устойчивость работы генератора озона в широком диапазоне давлений, увеличивая число свободных электронов в газе в начале импульса, т.к. в точках касания разряд зажигается раньше и далее возникает ультрафиолетовое свечение. Это позволяет упростить конструкцию генератора озона и существенно снизить требования к точности изготовления конструктивных элементов генератора озона, особенно при параллельном соединении нескольких пар разрядных камер.

Устройство работает следующим образом. При подаче питания от источника питания 1 на управляемый генератор 2 и соответствующих необходимых разрешающих уровнях сигналов управления ( это определяется конкретными условиями работы и условиями регулировки, например наличие хладагента, температура генератора озона, концентрация озона, величина расхода газа и пр.) генератор 2 начинает вырабатывать пары разнополярных импульсов предпочтительно прямоугольной формы (фиг.3, U_aa1), при этом накопительный элемент 3 через ограничивающий дроссель 4 заряжает емкость 6 первого звена линии сжатия 5, причем параметры дросселей таковы, что сердечник дросселя 7 входит в насыщение в момент достижения максимального напряжения на емкости 6. Импеданс дросселя 7 скачком уменьшается в 10-1000 раз, что приводит к тому, что емкость 8 следующей ступени зарядится до максимального значения напряжения ≈ в 10-1000 раз быстрее, а соответствующий дроссель 9 как раз в этот момент войдет в насыщение и т.д. В результате на выходе линии сжатия 5 происходит компрессия мощности: вся энергия, запасенная в накопительном конденсаторе 3, выделяется за гораздо меньшее время, чем время перезарядки конденсатора 6, что соответствует увеличению в соответствующее количество раз импульсной мощности при неизменной средней за счет низкого выходного импеданса насыщенной линии сжатия. Сокращение длительности выходного импульса позволяет не только значительно снизить габариты и количество витков высоковольтного импульсного трансформатора 12, но и существенно увеличить удельную производительность генератора озона, получить объемный разряд во влажном газе, избежав окислов азота, причем при использовании диэлектрика со сравнительно малой диэлектрической проницаемостью ε ≈ 5-10 и более простой и технологичной конструкции. Т.к. генератор озона представляет собой емкостную нелинейную нагрузку, соединенную с линией сжатия мощности через импульсный трансформатор, имеющий индуктивность рассеяния, для более полного согласования нагрузки с линией сжатия используется корректирующий конденсатор 10, емкость которого подбирают из условий максимальной скорости нарастания напряжения, а индуктивность дополнительного коммутирующего дросселя 11 выбирают так, чтобы он входил в насыщение раньше сердечника трансформатора и формировал крутой задний фронт импульса, вызывая форсированный перезаряд барьерной емкости (фиг.3, U_bb1).

Большие импульсные мощности сопровождаются большими токами за короткое время, что при несимметричной нагрузке может приводить к большим импульсным помехам, затрудняющим нормальную работу управляемого генератора 2 и ухудшающих электромагнитную совместимость устройства. Симметрирование нагрузки введением третьего электрода 14 позволяет свести помехи к минимуму, одновременно с этим достигая следующих эффектов: 1) увеличения теплоотводящей поверхности для рабочего газа; 2) дополнительного повышения пробойного напряжения за счет замены одного промежутка на два одинаковых с вдвое меньшим зазором; 3) вследствие погрешностей изготовления разрядных камер и статической неоднородности рабочего газа (флуктуации плотности, свободных электронов и т.д.) один из промежутков пробьется раньше, формируя при этом дополнительный скачок напряжения на втором промежутке с еще более крутым фронтом. Второй промежуток, пробиваясь, формирует аналогичные условия для первого. В результате в контуре, образованном из индуктивности рассеяния трансформатора и барьерной емкости электродов генератора озона, возникают высокочастотные колебания затухающей амплитуды с характерной длительностью периода колебаний ≈ 20-50•10^-9 с (фиг.3, U_cc1), что может приводить к дополнительному энерговкладу в диссоциацию и ионизацию рабочего газа за счет высокой плотности тока, до 5-20 А/см². Длительность выходного импульса целесообразно выбирать равной времени затухания колебаний (Сб. Инжекционная газовая электроника. Новосибирск, Наука, 1982 г. стр. 81-83, 95-97).

В качестве опытного образца был изготовлен озонатор с производительностью озона 1,2 г/час, имеющий в качестве источника питания 1 двухполупериодный сетевой (220 В, 50 Гц) выпрямитель со сглаживающим фильтром. Генератор импульсов 2 - транзисторный, формирующий между точками aa₁ (фиг. 1) импульсы длительностью 5•10^-6 сек с амплитудой напряжения 1000 В и максимальным током до 10 А. При значении накопительной емкости 3, равном 0,047 мкФ, и индуктивности зарядного дросселя 4, равной 0,5•10^-3 Гн, амплитуда напряжения на конденсаторе 6 емкостью 0,027 μФ составит ≈ 660 В, запасенная в нем энергия ≈ 5•10^-3 Дж. Линия сжатия мощности 5 двухступенчатая, коэффициент сжатия ≈ 20-22, выполнена на дросселях, намотанных на ферритовых кольцах типа 2000НМ, C₆ = 0,027 мкФ; C₈ = 0,018 мкФ, типа К78-2 x 1000 В. Выходной импульсный трансформатор намотан на кольце М2000НМ К42х24х11, W₁ = 8; W₂ = 160, где W₁, W₂ - число витков в первичной и вторичной обмотках. Барьерная емкость генератора озона ≈ 34 пФ; длина разрядной камеры равна 90 мм, диаметр 8 мм. Диаметры электродов с изолятором - 6 мм, толщина диэлектрика 1 мм, материал диэлектрика - керамика с ε = 8. Частота следования импульсов 0-2,5 кГц, потребляемая мощность до 15 Вт. Длительность выходного импульса ≈ 200-250•10^-9 сек, развиваемая в импульсе мощность до 25000 Вт. Габариты озонатора - 155х100х45 мм. Концентрация окислов азота - ниже чувствительности метода определения. Количество (концентрация озона и окислов азота) определялось химически по поглощению озона и окислов азота раствором йодистого калия (KJ) при барботировании озонированного воздуха. Температура воздуха на входе - 22^oC, влажность - 78%. Все анализы проводились в Аккредитованной межвузовской лаборатории радиационной спектроскопии Томского политехнического университета (свидетельство об аккредитации N POCC.RU. 0001.510653).

Таким образом, приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявленных озонатора и генератора озона выполняются следующие условия:
- эти объекты предназначены для установок, в которых необходим озон, или для самостоятельного использования;
- для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, позволяют обеспечить получение указанного технического результата: повышение стабильности и однородности электрического разряда в генераторе озона путем создания мгновенной перенапряженности по всему объему разрядного промежутка и сокращения времени горения разряда.

Использование: для получения озона из кислорода или воздуха в электрическом разряде в установках для обеззараживания воды или воздуха. Сущность изобретения: озонатор содержит управляемый генератор импульсов, накопительный элемент и импульсный трансформатор, к выходной обмотке которого подключен генератор озона, и в него дополнительно введена линия сжатия мощности, включенная последовательно между накопительным элементом и первичной обмоткой импульсного трансформатора, причем параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора подключены корректирующая емкость и дополнительный коммутирующий элемент. Генератор озона содержит расположенные с переменным зазором высоковольтные электроды, барьерный диэлектрик и вспомогательный охлаждающий заземленный электрод, высоковольтные электроды выполнены идентичными, размещены внутри вспомогательного электрода и по меньшей мере в одном месте предусмотрено соприкосновение диэлектрика, покрывающего высоковольтные электроды, со вспомогательным электродом. При этом вспомогательный электрод разделяет разрядный промежуток на две разрядные камеры. Изобретение позволяет повысить эффективность устройства. 2 с. и 3 з.п.ф-лы. 3 ил.

1. Озонатор, содержащий управляемый генератор импульсов, накопительный элемент и импульсный трансформатор, к выходной обмотке которого подключен генератор озона, отличающийся тем, что в него дополнительно введена линия сжатия мощности, включенная последовательно между накопительным элементом и первичной обмоткой импульсного трансформатора. 2. Озонатор по п.1, отличающийся тем, что параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора подключены корректирующая емкость и дополнительный коммутирующий элемент. 3. Генератор озона, содержащий расположенные с зазором высоковольтные электроды, барьерный диэлектрик и вспомогательный охлаждающий заземленный электрод, отличающийся тем, что высоковольтные электроды выполнены идентичными, размещены внутри вспомогательного электрода и по меньшей мере в одном месте предусмотрено соприкосновение диэлектрика, покрывающего высоковольтные электроды, со вспомогательным электродом. 4. Генератор озона по п.3, отличающийся тем, что высоковольтные электроды генератора озона размещены с переменным зазором. 5. Генератор озона по п.3, отличающийся тем, что вспомогательный электрод разделяет разрядный промежуток на две разрядные камеры.