СПОСОБ СИНТЕЗА ОЗОНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к области озонирования воздуха и может быть использовано для очистки воздуха от вредных газов и микроорганизмов, а также для водоочистки и водоподготовки.

Известен способ синтеза озона (см. Ю.В.Филиппов и др. Электросинтез озона. Изд-во МГУ, 1987 г., стр. 21) в коронном разряде постоянного и переменного тока. Во всех случаях коронного разряда наблюдается зависимость образования озона от материала электродов, а также от времени работы озонатора, что объясняется коррозией и распылением металлических электродов.

Известно устройство для озонирования воздуха (см. а.с. СССР 1543193, кл. F 24 F 3/16, С 01 В 13/11, опубликовано 15.02.1990 г., Бюл. 6), содержащее расположенную в воздуховоде озонирующую камеру с игольчатыми электродами, подключенными к источнику высокого напряжения и направленными остриями друг другу навстречу, и размещенную между электродами металлическую диафрагму, которая подключена к отрицательной полярности источника, а электроды расположены симметрично диафрагме и подключены к положительной полярности источника. Недостатками данного устройства являются: низкий выход озона; большие удельные энергозатраты; необходимость осушения и очистки воздуха; сложность охлаждения электродов, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.

Наиболее близким к заявляемому является способ синтеза озона, заключающийся в том, что в озонаторе имеется диэлектрический слой, или, как его часто называют, барьер, который стабилизирует разрядный ток и придает разряду равномерный характер (см. Ю.В. Филиппов и др. Электросинтез озона. Изд-во МГУ, 1987 г., стр. 44). Наличие диэлектрического барьера приводит к дополнительным потерям, локальному перегреву диэлектрика и выходу его из строя.

Наиболее близким к заявляемому устройству является высокочастотный трубчатый озонатор (см. патент 2056344, кл. С 01 В 13/11, опубликовано 20.03.1996 г. Бюл. 8), содержащий корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенные в корпусе разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода с диэлектриком между ними, и две поперечные перегородки, установленные в корпусе, образующие камеру охлаждения и выполненные со сквозными отверстиями для установки разрядных элементов, две поперечные перфорированные диафрагмы, а внешние низковольтные электроды выполнены из металлической трубы и по краевой части приварены к перегородкам. Диэлектрик выполнен в виде трубы, установленной с зазором между электродами, на поверхности перегородок, противоположной поверхности, обращенной к камере охлаждения, выполнены кольцевые выступы соосно со сквозными отверстиями.

Недостатком таких устройств является технологическая сложность нанесения барьеров и необходимость предварительного осушения и очистки воздуха перед подачей в камеру синтеза озона. Малая величина межэлектродного зазора создает большое аэродинамическое сопротивление потоку газа через озонатор, ограничивающее поток газа.

Обязательным условием синтеза озона в прототипе является наличие диэлектрического барьера. При отсутствии барьера разряд от объемного переходит к искровому, и синтез озона прекращается. Наличие барьеров приводит к дополнительным потерям, нагреву диэлектрика, снижению выхода озона и уменьшению долговечности озонатора. Кроме того, наличие пыли в воздухе и повышенная влажность приводят к созданию локальных неоднородностей электрического поля и, как следствие этого, к снижению выхода озона и образованию азотосодержащих соединений. Для предотвращения этого необходимо использовать специальные системы воздухоподготовки, что приводит к усложнению и удорожанию озонатора в целом.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении надежности, снижении удельных энергозатрат, исключении воздухоподготовки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе синтеза озона в объемном электрическом разряде в электродной системе формируют электрическое поле длительностью не более 55•10^-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 2•10¹³ В/м•с. Указанное сочетание длительности, скорости нарастания и коэффициента неоднородности электрического поля позволяет предотвратить образование канала пробоя межэлектродного промежутка.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве для синтеза озона, содержащем корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных металлических внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания, согласно изобретению отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e, где
r - наружный радиус внутреннего электрода;
R - внутренний радиус внешнего электрода;
е - основание натурального логарифма.

В предлагаемом техническом решении согласование геометрических параметров разрядных элементов и электрических параметров источника питания позволяет получить объемный разряд между двумя металлическими электродами без диэлектрического барьера. Кроме того, при малой длительности импульса повышенная влажность не влияет на выход озона и не приводит к появлению азотосодержащих соединений, что позволяет отказаться от сложных и дорогостоящих систем воздухоподготовки.

На чертеже изображено устройство, реализующее способ синтеза озона.

Устройство содержит корпус 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 газа и патрубками ввода 4 и вывода 5 охлаждающей жидкости в межтрубное пространство 6. В корпусе 1 размещена электродная система 7, содержащая внешние, соединенные с корпусом низковольтные электроды 8, выполненные из металлических труб, и высоковольтные электроды 9 - меньшего диаметра, закрепленные в высоковольтных электродах 8 при помощи изоляторов 10, имеющих сквозные отверстия 11 для подачи газа в зону разряда. Высоковольтный наносекундный источник питания 12 соединен одним выводом с заземленным корпусом озонатора 1, а вторым - с высоковольтными электродами 9. Причем отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e. При этом в электродной системе формируется электрическое поле длительностью не более 500•10^-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электродов 9 с меньшим радиусом кривизны не менее 2•10¹³ В/м•с.

Озонатор работает следующим образом.

Подача воздуха на электродную систему 7 осуществляется через входной патрубок 2, расположенный в нижней части корпуса 1, отверстия 11 в изоляторах 10.

При подаче от высоковольтного наносекундного источника питания 12 на внутренние высоковольтные электроды 9 напряжения длительностью не более 500•10^-9 с в зазоре между высоковольтным электродом 9 и низковольтным электродом 8 формируется электрическое поле, максимальная напряженность которого на поверхности внутреннего электрода равна
Emax = U/r In R/r,
где U - напряжение между электродами, R - внутренний радиус внешнего электрода, r - внешний радиус внутреннего электрода. Пользуясь указанной простой формулой, можно в первом приближении качественно рассмотреть вопрос о том, как будет протекать процесс формирования разряда при различных отношениях R/r.

Если считать для грубой оценки, что коронирующий слой газа обладает очень большой электропроводностью, то появление короны в месте максимальной напряженности, т.е. у поверхности внутреннего электрода, будет эквивалентно увеличению радиуса этого электрода. В случае r<R/e ударная ионизация локализуется у поверхности внутреннего электрода, т.е. образуется корона. С увеличением напряжения радиус короны будет расти, и, когда он достигнет величины R/e, корона перейдет в искру. При r>R/e возникновение ударной ионизации у поверхности внутреннего электрода сразу же приведет к пробою, т.к. при увеличении эффективного радиуса Емах будет расти, и ударная ионизация распространится на весь газовый промежуток. Следовательно, для эффективного синтеза озона наиболее приемлемо соотношение r<R/e, при этом скорость нарастания напряженности электрического поля на внутреннем электроде должна быть не менее 2•10¹³ В/м•с, а длительность импульса напряжения между электродами не должна превышать 500•10^-9 с. Малая длительность импульса ограничивается временем образования азотных соединений и временем распространения ударной ионизации на весь межэлектродный промежуток, а скорость нарастания напряженности электрического поля определяется максимальной эффективностью синтеза озона.

Под действием электрического разряда часть кислорода кислородосодержащей газовой смеси, подаваемой через патрубок входа 2 в разрядные зоны, превращается в озон, после чего отводится через патрубок выхода 3.

При действии электрического разряда образуется значительное количество тепла, которое передается через внешние низковольтные электроды 8 в охлаждающую жидкость, а внутренние высоковольтные электроды 9 охлаждаются с двух сторон кислородосодержащей газовой смесью. Жидкость для охлаждения внешних низковольтных электродов 8 поступает через патрубок ввода 4 в межтрубное пространство 6, омывает поверхности этих электродов и выводится через патрубок вывода 5.

Возможно следующее выполнение разрядных элементов. Диаметр внешнего низковольтного электрода равен 36 мм, диаметр внутреннего электрода 8 мм, длина разрядного промежутка 1000 мм, при этом соотношение r/R=0,2222 и максимальная напряженность электрического поля у поверхности внутреннего электрода равна 5 кВ/мм. При длительности импульса напряжения t=200•10^-9 с, скорость нарастания напряженности электрического поля dE/dt составляла:
dE/dt=2,5•10¹³ В/м•с.

Производительность одного разрядного элемента при частоте следования импульсов 1000 Гц составила 7,5 г озона в час. Для озонатора, рассчитанного на получение 1 кг озона в час, требуется 140 разрядных элементов.

Предложенная конструкция позволила изготовить безбарьерный озонатор производительностью 1 кг озона в час, потребляемая мощность составила не более 7,2 кВт, при этом использовался атмосферный воздух с относительной влажностью до 98% без дополнительной воздухоподготовки. Для сравнения серийно выпускаемый озонатор ТС-1,2 НПП "Техозон" имеет энергопотребление на кг озона 20 кВт/час, а озонатор "Озонит 42В" производительностью до 1 кг озона в час потребляет мощность 35 кВт. Эти озонаторы могут работать только с использованием специальных систем воздухоподготовки, которые дополнительно потребляют значительное количество электроэнергии. Таким образом предложенный способ синтеза озона и устройство его реализации позволяет значительно снизить энергозатраты на синтез озона, исключить систему воздухоподготовки и повысить надежность озонаторов.

Способ и устройство относятся к области озонирования воздуха и могут быть использованы для очистки воздуха от вредных газов и микроорганизмов, а также для водоочистки и водоподготовки. Способ синтеза озона в объемном электрическом разряде заключается в том, что в электродной системе формируют электрическое поле длительностью не более 500•10^-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 2•10¹³ В/м•с. Устройство синтеза озона содержит корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания. Отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e, где r - наружный радиус внутреннего электрода, R - внутренний радиус внешнего электрода, е - основание натурального логарифма. Данные способ и устройство отличаются повышенной надежностью, снижением энергозатрат, исключением воздухоподготовки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ синтеза озона в объемном электрическом разряде, отличающийся тем, что в электродной системе формируется электрическое поле длительностью не более 500·10^-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 2·10¹³ В/м·с.2. Устройство синтеза озона, содержащее корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания, отличающиеся тем, что отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством

r<R/e,

где r - нaружный радиус внутреннего электрода;

R - внутренний радиус внешнего электрода;

е - основание натурального логарифма.