ГЕНЕРАТОР ОЗОНА Ю.П.ПИЧУГИНА Российский патент 1999 года по МПК C01B13/10 C01B13/11 A61L9/15 

Изобретение относится к устройствам для получения озона синтезом из воздуха или кислорода и может быть использовано, в частности, в химической и пищевой промышленности, например, для обеззараживания и очистки сточных и питьевых вод.

Известно устройство для озонирования, содержащее подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения два плоских электрода, один из которых выполнен с возможностью вращения, а другой - в виде сетки из проводящего материала, покрытого диэлектриком и установлен параллельно плоскости вращения электрода [1]. Недостатком такого устройства является относительно низкая концентрация озона в процессе его генерирования, так как эффективная поверхность разряда меньше полной поверхности электродов и значительная часть кислородосодержащего газа проходит минуя разряд.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для озонирования, содержащее диэлектрический барьер, выполненный в виде установленного на валу с возможностью вращения диска, электроды, расположенные друг против друга по обеим сторонам диска и вдоль радиуса, образующие четное количество пар (минимум две пары), причем каждая из последующих пар подключена с противоположной полярностью к высоковольтному источнику постоянного напряжения по отношению к предыдущей [2]. Однако этот озонатор имеет такой же недостаток: при генерировании получается низкая концентрация озона. Электрический разряд горит не по всему объему, а только непосредственно в зонах, прилегающих к электродам. Кроме этого, значительная часть разряда носит поверхностный характер. Разряд "стелится" вдоль поверхности диэлектрического барьера.

Другим недостатком такого устройства является недостаточная производительность генерирования озона, обусловленная как предельными размерами вращающегося диэлектрического барьера, так и количеством размещенных по обеим сторонам барьера электродов, каждая пара которых имеет самостоятельное подключение, что значительно усложняет установку, в целом снижает надежность ее работы. Увеличение количества диэлектрических барьеров и электродов вдоль оси установки также не приводит к положительным результатам, так как количество проводов в этом случае еще больше возрастает.

Задачей изобретения является создание компактного и надежного устройства для получения озона, концентрация озона и соответственно производительность процесса в котором выше, чем в известном при сохранении высокого ресурса работы. Техническим результатом является обеспечение электрического разряда по всей окружности, при этом практически весь поступающий кислородосодержащий газ подвергается разряду, что в свою очередь повышает концентрацию и соответственно производительность по озону. Кроме того, предлагаемое изобретение расширяет количество вариантов выполнения генераторов озона.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения озона в электрическом разряде, содержащем разделенные установленным с возможностью вращения диэлектрическим барьером и размещенные по окружности электроды, каждые два из которых образуют пару и расположены друг против друга по разные стороны барьера, причем количество пар электродов должно быть четным (минимум две пары), электроды выполнены сплошными по окружности относительно барьера (кольцевые электроды) и соответственно образуют только одну пару с каждой стороны барьера, т.е. с каждой стороны барьера по одному электроду. Электроды подключаются к высоковольтному источнику питания переменного напряжения в том числе и повышенной частоты.

В настоящее время такие источники реализованы на базе мощных транзисторов. Их отличает простота эксплуатации и высокий ресурс работы.

Для усиления технического результата при использовании вращения барьера может быть применена дополнительная вентиляция. На барьере устанавливаются вентиляционные лопатки. Использование минимального количества электродов (для одного барьера только два электрода) позволяет реализовать многобарьерный вариант озонатора, т.к. использование изобретения позволяет уменьшить число подключенных электродов. Это практически снимает предел по ограничению производительности таких установок. При герметичном использовании многобарьерного озонатора вращающиеся барьеры снабжаются поочередно вентиляционными лопатками для создания замкнутых вентиляционных потоков озонируемого газа. Это приводит как к повышению производительности по озону, так и к интенсификации охлаждения озонаторной установки. На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства с одним барьером; на фиг. 2 - пример конкретного использования многобарьерного и герметичного озонатора.

Установка озонирования содержит диэлектрические барьеры 1 в форме диска, электроды 2 и 3, расположенные по обеим сторонам каждого из барьеров 1, причем с каждой стороны барьера только по одному кольцеобразному электроду, причем электроды, расположенные между барьерами, имеют две рабочие поверхности, а крайние электроды - по одной (крепление электродов 2 и 3 на чертежах не показано), высоковольтный источник 4 переменного напряжения, к которому подключены электроды 2 и 3 (все электроды 2 параллельно подключены к одному из выводов источника 4, а электроды 3 - к другому выводу); диэлектрические барьеры 1 приводятся во вращение с помощью электродвигателя 5; барьеры 1 могут быть снабжены вентиляционными лопатами 6, установленными вдоль внутренней окружности кольцеобразного электрода перпендикулярного плоскости вращения электрода (на фиг. 2 с помощью линий со стрелками показаны циркуляционные потоки, обусловленные величием вентиляционных лопаток); с помощью муфты 7 электродвигатель 5 соединен с валом 8, который выполнен с радиальными отверстиями 9 для принудительной подачи газа в зону генерации озона, на концах вала 8 расположены подшипники 10, которые закреплены в станине 11, обеспечивающей герметизацию установки. Одно целое со станиной 11 составляет коллектор 12 для сбора и последующей транспортировки озоногазовой смеси.

Установка работает следующим образом: с помощью электродвигателя 5 система, состоящая из вала 8 и диэлектрических дисков 1, приводится во вращение. Переменное напряжение от высоковольтного источника 4 подается на электроды 2 и 3, при этом в зазорах между диэлектрическим барьером 1 и электродами 2, 3 возникает объемно-барьерный электрический разряд, в котором осуществляется синтез озона. Так как электроды 2 и 3 выполнены сплошными в виде кольца, объемный разряд тоже сплошной и занимает весь зазор между электродами и барьером. В результате получаются высокая концентрация и соответственно повышенная производительность по озону.

При наличии вентиляционных лопаток 6, установленных на барьере 1, создаваемые ими радиальные потоки газа обеспечивают как многократное поступление газа для озонирования, так и необходимую интенсивность охлаждения электродов 2, 3 и барьеров 1, что также приводит к повышению производительности озонаторной установки.

При использовании предлагаемого устройства повышается производительность по генерации озона также за счет использования не одного, а нескольких вращающихся диэлектрических барьеров, сохраняя оптимальные размеры и скорость вращения их.

В случае многобарьерного герметичного использования (фиг. 2) воздух (кислород) принудительно подается через полый вал 8 и далее через радиальные отверстия 9 газ попадает в зазоры между электродами 2, 3 и барьерами 1, где горит объемно-барьерный разряд и осуществляется синтез озона. Затем озоногазовая смесь через коллектор 12 подается по месту назначения. В этом случае барьеры 1 должны быть снабжены вентиляционными лопатками 6 поочередно, т.е. между каждыми двумя барьерами с лопатками расположен один без лопаток. За счет разности давлений кроме основного потока создаются дополнительные циркуляционные потоки (на фиг. 2 они показаны замкнутыми кривыми со стрелками). Кроме улучшения охлаждения циркуляционные потоки повышают эффективность озонирования газа, так как одни и те же молекулы озонируемого газа из-за циркуляции потоков неоднократно подвергаются воздействию объемно-барьерного разряда. Существенная разница по сравнению с пластинчатым озонатором [3] заключается в том, что в предлагаемом озонаторе барьер в форме диска вращается со значительной скоростью вокруг своей оси. Этим исключается возможность локализации объемно-барьерного разряда из-за неоднородности как материала диэлектрического барьера, так и геометрии зазора, в котором осуществляется разряд. Локализация объемного разряда (образование стримметров и искр), что характерно для работы озонаторов с неподвижным барьером - основная причина выхода из строя озонаторов. Происходит электроискровое разрушение материала диэлектрического барьера, которое в итоге завершается электрическим пробоем. Чем выше напряжение источника питания, тем меньше ресурс работы озонатора.

Длительная эксплуатация озонаторов с вращающимся барьером, выполненных согласно [2] и действующим макетам предлагаемого устройства, показала их надежность и высокую работоспособность. Ни один вращающийся диэлектрический барьер не вышел из строя, даже при напряжениях на барьере, близких к его электрической прочности. При этом за счет повышения рабочего напряжения на электродах производительность озонаторов увеличивалась без повышения частоты источника питания. Это позволяет с большей эффективностью использовать для генерации озона самый простой высоковольтный источник питания - источник промышленной частоты (f = 50 Гц).

Кроме этого, за счет вращения барьера под действием центробежных сил происходит самоочищение барьера от отходов озонирования, что значительно упрощает эксплуатацию озонаторных установок. Последний фактор является одной из причин, препятствующих реализации так называемого трубчатого озонатора с вращающимся барьером в форме цилиндра.

Литература
1. Авт. св.СССР N 1181991, кл. C 01B 13/11, 1985.

2. Патент РФ N 2027664, кл. C 01B 13/11, 1995.

3. Патент США N 3801791, кл. C 01 B 13/12, 1964.

Использование: получение озона. В генераторе озона с вращающимися с помощью электродвигателя диэлектрическими барьерами электроды выполнены сплошными в форме кольца. Электроды подключаются к высоковольтному источнику переменного напряжения. Такая конструкция позволяет обеспечить сплошной объемный разряд в зазорах между электродами и барьерами. Это приводит как к повышению концентрации озона в озоногазовой смеси, так и к увеличению производительности генератора озона при сохранении высокого ресурса работ. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения озона в электрическом разряде, содержащее электроды, разделенные установленным с возможностью вращения диэлектрическим барьером и образующие пары, каждая последующая из которых подключена с противоположной полярностью к источнику высокого напряжения по отношению к предыдущей, отличающееся тем, что электроды выполнены кольцеобразной формы и установлены последовательно, а каждый электрод образует с последующим пару, разделенную диэлектрическим барьером. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вращающийся барьер снабжен вентиляционными лопатками. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в случае его герметичного многобарьерного исполнения вращающиеся барьеры снабжены вентиляционными лопатками поочередно.