СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА Российский патент 2004 года по МПК C01B13/11 

1. Область техники

Изобретение относится к способам получения озона при помощи барьерных электрических озонаторов. Способ заключается в многократной подаче озонируемого газа в зону разряда, турбулентном режиме течения озонируемого газа и обеспечении регулируемой системы охлаждения с вакуумным кипением.

2. Уровень техники

Известен способ получения озона (Патент на изобретение РФ “Способ получения озона” RU 2069169 С1, кл. 6 С 01 В 13/11, 26.11.93), в котором 25-30% объема озонированного воздуха вновь подают на вход в разрядный промежуток озонатора по дополнительному каналу (байпасу). При этом указывают, что такой способ многократного озонирования эквивалентен увеличению длины канала барьерного озонатора и тем самым увеличению концентрации озона, но не общей производительности генератора озона. Однако повышение концентрации озона здесь возможно только при малой удельной мощности разряда (приходящейся на единицу площади электродов), ибо повышение удельной мощности разряда ведет к увеличению интенсивности тепловыделения в озонаторе и соответственно к снижению интенсивности электросинтеза озона из-за увеличения константы разложения озона. Кроме того, число циклов озонирования должно быть существенно ограничено, так как иначе на барьерах озонатора прогрессирует оседание пятиокиси азота, негативно сказывающееся на работе озонатора (снижение производительности и недолговечность).

Известен способ получения озона (А.С. СССР на изобретение “Способ получения озона” SU 1081954 А, С 01 В 13/11, С 25 В 1/100, 23.12.88), в котором применен турбулентный поток воздуха через диффузный электрический разряд в постоянном электрическом поле в секционной камере.

К основным недостаткам способа здесь нужно отнести отсутствие системы охлаждения.

Известно устройство (А.С. СССР на изобретение “Газоразрядный элемент озонатора” №423750, кл. С 01 В 13/11, 15.04.74.), реализующее теплоотвод от внутреннего цилиндрического электрода озонатора посредством легкокипящей диэлектрической жидкости через конец электрода, находящийся в охлаждающей жидкости. Этот способ охлаждения малоэффективен для озонаторов большой мощности, в особенности с плоскими электродами, из-за низкой интенсивности теплоотдачи.

3. Сущность изобретения

Задачей предлагаемого способа является обеспечение условий для получения более высокой производительности по озону на 1 м² площади электродов озонатора при высокой концентрации производимого озона и снижение эксплуатационных расходов за счет повышения надежности и долговечности аппаратов.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается согласно формуле следующим:

- турбулентность потока газа обеспечивает хорошую перемешиваемость газа в разряде, улучшает теплоотвод из разрядного промежутка в охлаждаемый байпас, гарантирует достаточность сил, отрывающих в пограничных слоях с электродов и барьеров мелкие загрязняющие частицы;

- установление на поверхностях барьеров контролируемой температуры выше 32,5°С обеспечивает возгонку пятиокиси азота с них;

- устройство двухконтурной системы охлаждения с вакуумным кипением неэлектропроводной жидкости в первом (приэлектродном) контуре обеспечивает необходимый для больших мощностей разряда интенсивный теплоотвод и электрическую безопасность.

Сущность изобретения заключается в том, что потоку озонируемого воздуха обеспечивают среднюю скорость, при котором наступает развитая турбулентность (Re≥Rе_кр=2200), его многократно подают на вход 5 (фиг.2) в межэлектродное пространство барьерного озонатора посредством байпаса, соединяющего вход и выход озонатора.

Для обеспечения на поверхностях барьеров 3 (фиг.2,5) температуры возгонки пятиокиси азота рассчитывают удельную активную мощность озонатора с учетом определенного экспериментально соотношения между интенсивностями тепловыделения (фиг.1) в барьере 3, газе 4 и открытом электроде 2 (фиг.2,5) как 0,54:0,10:0,36, а общее выделение тепла принимают 0,85-0,90 от общей активной мощности коронного разряда.

Кроме того, для обеспечения благоприятных озонообразованию температурных условий, турбулентный поток озонируемого воздуха, направляемый через байпас, охлаждают с помощью расположенного вне озонатора на байпасе охлаждающего устройства.

Помимо этого, для усиления охлаждения замкнутый герметичный контур в корпусе озонатора (фиг.5) заполняют хладоносителем и вакуумируют до давления насыщенных паров, корпус озонатора электрически изолируют от корпуса теплообменника и внешнего охлаждающего водопровода 8 (фиг.5), причем в качестве хладоносителя выбирают легкокипящую неэлектропроводящую жидкость, например фреон или спирт, которая либо полностью перекрывает электроды озонатора с внешней стороны, а их геометрия не препятствует всплыванию пузырьков пара, образующегося при вакуумном кипении жидкости, либо полностью заполняет часть герметичного контура, находящуюся в озонаторе, а вне его и в охладительном устройстве размещают и конденсируют пар хладоносителя, для чего последнее 7,8 (фиг.5), размещают выше озонатора.

В частном случае, для начального вакуумирования системы охлаждения озонаторов производительностью не выше 1 кг Оз/ч, первичный контур аппарата заполняют жидкостью, при этом кран 9 (фиг.5) держат открытым для сообщения с атмосферой, после чего генератор озона включают на полную электрическую мощность и доводят охлаждающую жидкость до температуры кипения при атмосферном давлении, процесс проводят в течение 10-15 мин, затем генератор озона отключают, вторичный контур 8 (фиг.5) заполняют циркулирующей водой, закрывают кран 9 (фиг.5) и продолжают процедуру до охлаждения системы до температуры, близкой к температуре охлаждающей воды, после чего включают генератор озона в рабочий режим, контролируют вакуум или температуру системы, которая должна оставаться близкой к температуре охлаждающей воды.

4. Описание чертежей

На фиг.1 изображена круговая диаграмма распределения тепла, выделяемого при коронном разряде. Это распределение получено одним из авторов (Кузнецов В.А. Математическая модель барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении. -Автореф. дис.канд.тех. наук.-Пермь: ПГТУ, 1994.-20с.) в результате применения комплексной математической модели озонатора к имеющимся экспериментальным данным.

На фиг.2 дано схематическое изображение известного варианта конструкции озоновыделяющего элемента озонатора, при котором предлагаемый способ дает наибольший эффект. Здесь 1 - высоковольтный электрод, 2 - заземленный охлаждаемый электрод, заодно стенка озоновыделяющей ячейки, 3 - диэлектрический барьер, 4 - канал для прохода озонируемого газа - область коронного разряда, 5 - направление движения озонируемого газа.

На фиг.3 показаны в сравнении эпюры скоростей при ламинарном V_1am (нижняя кривая) и турбулентном V_turb (верхняя кривая) течениях газа в коронном разряде при различии максимальных скоростей на порядок. При турбулентном течении очевидны пограничные слои, в которых возникают гидродинамические силы отрыва, необходимые для очистки поверхностей стенок канала.

На фиг.3, 4 и 6 по оси абсцисс отложена в относительных единицах координата X, перпендикулярная к электродам озонатора, причем за единицу принято расстояние между стенками канала, а начало координат в середине последнего.

На фиг.4 дана расчетная удельная сила отрыва от поверхности F_turb, действующая согласно закону Бернулли на твердые частицы или капли, при турбулентном течении газа.

На фиг.5 показана схема охлаждения озонатора на основе вакуумного кипения Здесь 1 - высоковольтный электрод, 2 - заземленный охлаждаемый электрод, заодно стенка озоновыделяющей ячейки, 3 - диэлектрический барьер, 4 - канал для прохода озонируемого газа - область коронного разряда, 5 - направление движения озонируемого газа, 6 - охлаждающая жидкость контура озонатор-теплообменник, 7 - область конденсации жидкости 6, 8 - охлаждающая вода внешнего теплообмена, 9 - кран сброса пара при первоначальном вакуумировании.

На фиг.6 изображено распределение температур Т_turb, которое поддерживают в озоновыделяющей ячейке озонатора для обеспечения оптимального режима работы озонатора.

5. Реализация

На фиг.5 показано, как устраивают систему охлаждения с вакуумным кипением и теплоотводом за пределы озонатора, а также как встраивают внутри охлаждаемого корпуса озонатора разрядные элементы с конструкционными особенностями, изображенными на фиг.2. Для осуществления турбулентного многократного прохождения газа через разрядный промежуток устанавливают на пути его циркуляции мощный вентилятор. В каждой разрядной ячейке (фиг.2) имеется два воздушных канала 4, в которых происходит барьерный разряд. При таком расположении электродов, турбулентном течении, достаточной мощности электрического разряда и интенсивности теплоотвода от заземленных электродов 2 оказывается возможным получить наиболее выгодное распределение температур, при которых поверхность диэлектрических барьеров 3 будет нагрета до температуры примерно равной 42°С, т.е. выше температуры возгонки окислов азота, а озонируемый газ будет находиться в сравнительно однородном поле температур в канале 4, определяемом степенью охлаждения электрода 2. Для управления последним процессом в способе предлагается применить вакуумное кипение жидкости, изображенное на фиг.5 (так называемый термосифон Паркинсона. См. Дан П, Рей Д. “Тепловые трубы”, М.: Энергия, 1979, 271 стр.)

Изобретение относится к способам получения озона при помощи барьерных электрических озонаторов. Воздух подают на вход в межэлектродное пространство барьерного озонатора и направляют часть его объема через байпас, соединяющий вход и выход озонатора. В межэлектродном пространстве озонатора обеспечивают турбулентный режим течения воздуха, при этом число Рейнольдса обеспечивают согласно условию Re≥2200. Удельную электрическую нагрузку озонатора выбирают такой, при которой на поверхности диэлектрического барьера температура больше, чем температура возгонки окислов азота, а распределение удельной тепловой энергии между диэлектрическим барьером, воздухом и металлическим электродом, свободным от барьера, принимают в виде эмпирического соотношения 0,54:0,10:0,36 соответственно, а общее выделение тепла принимают 0,85-0,90 от общей активной мощности коронного разряда. Кроме того, способ заключается в многократной подаче озонируемого воздуха в зону разряда и обеспечении регулируемой системы охлаждения с вакуумным кипением. Технический результат - более высокая производительность по озону на 1 м² площади электродов озонатора при высокой концентрации производимого озона, снижение эксплуатационных расходов, повышение надежности и долговечности. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения озона, заключающийся в том, что воздух подают на вход в межэлектродное пространство барьерного озонатора и направляют часть его объема через байпас, соединяющий вход и выход озонатора, отличающийся тем, что в межэлектродном пространстве озонатора обеспечивают турбулентный режим течения воздуха, при этом число Рейнольдса обеспечивают согласно условию Re≥2200, удельную электрическую нагрузку озонатора выбирают такой, при которой на поверхности диэлектрического барьера температура больше, чем температура возгонки окислов азота, а распределение удельной тепловой энергии между диэлектрическим барьером, воздухом и металлическим электродом, свободным от барьера, принимают в виде эмпирического соотношения 0,54:0,10:0,36 соответственно, а общее выделение тепла принимают 0,85-0,90 общей активной мощности коронного разряда.2. Способ получения озона по п.1, отличающийся тем, что турбулентный поток озонируемого воздуха, направляемый через байпас, играет заодно роль теплоносителя, выводящего тепловую энергию во внешнее пространство в случае аппаратов для очистки воздуха или через расположенные вне озонатора на байпасе охладительные устройства в случае аппаратов, создающих повышенную концентрацию озона, например, для химической технологии или очистки воды.3. Способ получения озона по п.1, отличающийся тем, что замкнутый герметичный контур заполняют хладоносителем и вакуумируют до давления насыщенных паров, корпус озонатора электрически изолируют от корпуса теплообменника и внешнего охлаждающего водопровода, причем в качестве хладоносителя выбирают легкокипящую неэлектропроводящую жидкость, например фреон или спирт, которая либо полностью перекрывает электроды озонатора с внешней стороны, а их геометрия не препятствует всплыванию пузырьков пара, образующегося при вакуумном кипении жидкости, либо полностью заполняет часть герметичного контура, находящуюся в озонаторе, а вне его и в охладительном устройстве размещают и конденсируют пар хладоносителя, для чего последнее размещают выше озонатора.4. Способ получения озона по п.3, отличающийся тем, что для озонаторов производительностью не выше 1 кг О₃ в час первичный контур аппарата заполняют жидкостью, при этом кран держат открытым для сообщения с атмосферой, после чего генератор озона включают на полную электрическую мощность и доводят охлаждающую жидкость до температуры кипения при атмосферном давлении, процесс проводят в течение 10-15 мин, далее генератор озона отключают, вторичный контур заполняют циркулирующей водой, закрывают кран и продолжают процедуру до охлаждения системы до температуры, близкой к температуре охлаждающей воды, после чего включают генератор озона в рабочий режим, контролируют вакуум или температуру системы, которая должна оставаться близкой к температуре охлаждающей воды.