УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОЗОНА Российский патент 2004 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам для генерирования озона и может быть использовано для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод, воздуха в помещениях, а также в медицине, в промышленном производстве, в сельском хозяйстве и других отраслях.

Известен генератор озона, содержащий подключенные к высоковольтному источнику по крайней мере одну пару электродов, установленных на или над поверхностью диэлектрической прокладки, расположенной на сплошном или сетчатом электроде-подложке, причем один из электродов пары соединен с электродом подложки (фиг.8). Тепло, выделяющееся в отверстиях решетки, поступает через тонкую диэлектрическую прокладку на электрод-подложку, которая своими торцевыми поверхностями плотно прижата к поверхности системы водяного охлаждения. Водяное охлаждение осуществляется в таком генераторе без использования водяных уплотнений [1].

Недостатком данного генератора озона является недостаточно эффективное охлаждение электродов, так как охлаждается не вся поверхность электрода, а только его торцевая часть.

Известен озонатор, в котором электроды выполнены в виде полых элементов (например, полого диска с отверстием в центре), полученных соединением гофрированных кольцевых мембран с отношением радиуса кривизны гофр к длине разрядного промежутка, равным 5-25, причем гофры разнополярных элементов эквидистантны в пределах разрядного промежутка. Гофры придают пластинам жесткость и позволяют нанести диэлектрическое покрытие без нарушения плоскостности за счет компенсации гофрами температурных деформаций [2].

Недостатками данного озонатора являются большие габариты в результате значительного размера гофр, необходимых для придания жесткости мембранам, подвергающимся перепадам давлений в их полостях, а также невозможность осуществления равномерного охлаждения поверхности электродов, так как на части электрода, прилегающей к штуцеру подвода охлаждающей воды, направление потока кислородосодержащего газа и охлаждающей жидкости совпадает, на части электрода, прилегающей к штуцеру отвода охлаждающей воды, они противоположны, на частях электрода, расположенных между вышеназванными, направления потоков кислородосодержащего газа и охлаждающей воды взаимно перпендикулярны. Кроме того, недостаточная механическая жесткость мембран в радиальном и осевом направлении, присутствующая лишь в тангенциальном направлении, и неравномерность охлаждения электродов приводят к разрушению диэлектрика на поверхности электродов и выходу их из строя.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является система электродов генератора озона, содержащая по меньшей мере два электрода, каждый из которых выполнен из двух гофрированных мембран, жестко соединенных между собой и образующих внутреннюю кольцевую полость, имеющую штуцера входа и выхода охлаждающей воды, высоковольтный и заземленный электроды имеют одинаковую конфигурацию в пределах активной зоны, соответствующие вершины и впадины верхних и нижних мембран каждого электрода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, а во внутренней кольцевой полости между мембранами в пределах активной зоны размещена дистанцирующая вставка, имеющая высоту, равную расстоянию между мембранами, которое, в свою очередь, равно 10-30 значениям разрядного расстояния. Дистанцирующая вставка установлена между вершинами нижней мембраны и впадинами верхней [3].

Недостатком данной системы электродов генератора озона является большая толщина электродов в результате значительного расстояния между мембранами, которое определяется высотой дистанцирующей вставки и расстояниями между ней и гофрами верхней и нижней мембран. А также неравномерное охлаждение поверхности электродов, так как на части электрода, прилегающей к штуцеру подвода охлаждающей воды, направление потока кислородосодержащего газа и охлаждающей воды совпадает, на части электрода, прилегающей к штуцеру отвода охлаждающей воды, они противоположны, на частях электрода, расположенных между вышеназванными, направления потоков кислородосодержащего газа и охлаждающей воды взаимно перпендикулярны, что может привести к образованию застойных зон и исключает достижение равномерного распределения разряда по всей площади электродов. В результате возможен перегрев охлаждающей воды вплоть до ее вскипания с разрушением электродов.

Кроме того, недостаточная механическая жесткость мембран обусловлена тем, что дистанцирующая вставка не соединена жестко с мембранами (выступы мембран опираются точечно на нее) и не защищает их от распирания, когда давление охлаждающей жидкости превысит давление рабочего газа или при гидравлическом ударе, и не защищает от удара мембран о дистанцирующую вставку при их возврате в исходное положение. Недостаточная механическая жесткость мембран и неравномерность охлаждения электродов приводят к разрушению диэлектрика на поверхности электродов и выходу их из строя.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат на производство озона, увеличение срока службы, уменьшение материалоемкости и габаритов озонатора.

Техническим результатом является повышение эффективности теплоотвода от разрядного промежутка, прочности и жесткости конструкции, приводящее к исключению механического разрушения диэлектрика на поверхности электродов, и уменьшение расстояния между пластинами электродов.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для генерирования озона, содержащем расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, и выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, из герметично соединенных между собой по кромкам гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, гофры пластин электродов расположены перпендикулярно кромкам электродов, а перемычки жестко закреплены между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин каждого электрода, причем штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них соединены с полостью электродов через инжекторы и коллекторы, жестко связанные с пластинами электродов и выполненные в виде труб с отверстиями, расположенными у противоположных кромок электродов, повторяющих обе или по крайней мере одна из них форму сечения гофров электрода в месте их крепления.

При выполнении электродов кольцевыми или прямоугольными с отверстием в центре, или многогранными с отверстием в центре, или иной формы с отверстием в центре гофры могут быть расположены радиально.

При выполнении электродов прямоугольной формы гофры могут быть расположены параллельно друг другу.

Расположение гофров пластин электродов перпендикулярно инжектору и коллектору вдоль направления движения газа и теплоносителя позволяет уменьшить габариты озонатора за счет уменьшения расстояния между пластинами, так как перемычки теперь располагаются между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин каждого электрода и расстояние между пластинами определяется только высотой перемычки. При этом сохраняется развитая охлаждающая поверхность электродов, повышается производительность устройства для генерирования озона, увеличивается жесткость электродов с помощью перемычек, жестко связывающих пластины электродов изнутри. При избытке давления в полости электродов по отношению к давлению в газоразрядном промежутке поверхности электродов стремятся разойтись, но перемычки удерживают их на прежнем расстоянии. При появлении разрежения в полости электродов перемычки наоборот не позволяют им сомкнуться, сохраняя рабочие поверхности электродов на одинаковом расстоянии друг от друга.

Увеличение механической прочности электродов за счет гофр и перемычек, жестко связывающих пластины электродов изнутри, позволяет исключить механическое разрушение диэлектрика на поверхности электродов, что приводит к увеличению срока службы устройства для генерирования озона, а также уменьшить толщину стенки электрода, что позволяет уменьшить материалоемкость озонатора.

Интенсификация теплоотвода обусловлена созданием встречного направления потоков кислородосодержащего газа - от периферии к центру и потоков теплоносителя - от центра к периферии, что приводит к более равномерному распределению температуры по разрядному промежутку и более эффективному охлаждению. Это вызывает снижение вероятности распада молекул озона под воздействием повышенной температуры и уменьшение энергозатрат на производство озона. Улучшению теплоотвода способствует и жесткое соединение перемычек, омываемых теплоносителем, с пластинами электродов, приводящее к увеличению поверхности охлаждения электродов. Кроме того, расположение перемычек вдоль гофров, т.е. вдоль потока теплоносителя, снижает гидравлическое сопротивление потока внутри электродов, что также приводит к более равномерному их охлаждению.

Введение инжекторов и коллекторов, выполненных в виде труб с отверстиями, равномерно распределенными по всей длине, обращенными в полость электрода, и расположенными у противоположных кромок электродов, позволяет обеспечить равномерное распределение теплоносителя в полости электродов.

Выполнение обеих труб или по крайней мере одной из них повторяющими форму сечения гофров электрода в месте крепления труб к пластинам позволяет увеличить механическую прочность и жесткость конструкции.

На фиг.1 изображено устройство для генерирования озона с выполнением электродов кольцевыми или прямоугольными с отверстием в центре, или многогранными с отверстием в центре, или иной формы с отверстием в центре.

На фиг.2 изображено сечение А-А на фиг.1.

На фиг.3 изображена электродная система устройства для генерирования озона с радиальным расположением инжектора.

На фиг.4 изображено сечение А-А на фиг.3.

На фиг.5 изображена электродная система устройства для генерирования озона с расположением инжектора по внутренней кромке электродов.

На фиг.6 изображено сечение А-А на фиг.5.

На фиг.7 изображено сечение Б-Б на фиг.5.

На фиг.8 изображено сечение С-С на фиг.5.

На фиг.9 изображена электродная система устройства для генерирования озона с выполнением электродов прямоугольными.

На фиг.10 изображено сечение А-А на фиг.9.

Устройство для генерирования озона содержит расположенные в герметичном корпусе 1 высоковольтные 2 и заземленные электроды 3, изготовленные из нержавеющей стали (фиг.1). Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем, равномерно покрыты снаружи изоляцией из короностойкого диэлектрика 4 (фиг.4) и чередуются через один (фиг.1). Электроды 2, 3 выполнены из герметично соединенных между собой по кромкам 5, 6 гофрированных пластин 7, 8, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость 9, в которой расположены перемычки 10, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин 7, 8 (фиг.4). Между электродами установлены дистанцирующие прокладки из изоляционного материала 11 (фиг.1, 2), не препятствующие проходу газа. Для крепления электродов имеются стяжные шпильки 12. Выводы высоковольтного источника питания 13 через проходной изолятор 14 подключены к электродам 2, 3. Устройство для генерирования озона снабжено штуцерами для подвода рабочего кислородосодержащего газа 15 и теплоносителя 16 и штуцерами для отвода теплоносителя 17 и газоозоновой смеси 18, а также штуцерами для подвода 19 и отвода 20 теплоносителя от электродов. Штуцера для подвода теплоносителя к электродам 19 и отвода теплоносителя от них 20 (фиг.3) соединены с полостью электродов 9 (фиг.4) через инжекторы 21 и коллекторы 22 (фиг.5), выполненные либо в виде труб с отверстиями 23 (фиг.7), 24 (фиг.8), расположенными у противоположных кромок электродов 5, 6 и повторяющих форму сечения гофров электрода в месте их крепления (фиг.5, 7, 8), либо инжектор 21 выполнен в виде трубы, расположенной радиально, конец которой размещен у внутренней кромки электрода 5 (фиг.3). В этом случае коллектор 22 повторяет форму сечения гофров электрода в месте его крепления (фиг.8). Инжектор 21 и коллектор 22 жестко связаны с пластинами электродов 7, 8 (фиг.7, 8). Высоковольтные электроды 2 соединены со штуцерами для подвода теплоносителя 16 через шланг 25 из изоляционного материала, длина и диаметр которого выбираются из условия обеспечения высокого омического сопротивления (фиг.1). Гофры 26, 27 пластин электродов 7, 8 расположены перпендикулярно кромкам электродов 5, 6 (фиг.3). Перемычки 10 выполнены в виде пластин одинаковой высоты из нержавеющей стали и жестко закреплены между пластинами электродов 7, 8, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга, между вершинами 28, 29 и впадинами 30, 31 верхней 7 и нижней 8 пластин каждого электрода 2, 3 (фиг.8). Электрод 2, расположенный первым от штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа 15, выполнен сплошным (без центрального отверстия) (фиг.1).

При выполнении электродов кольцевыми или прямоугольными с отверстием в центре, или многогранными с отверстием в центре, или иной формы с отверстием в центре гофры 26, 27 расположены радиально (фиг.3).

При выполнении электродов 2, 3 прямоугольной формы (фиг.9) гофры 26, 27 расположены параллельно друг другу.

Устройство работает следующим образом.

Рабочий кислородосодержащий газ (например, воздух или кислород) очищают в устройстве для очистки рабочего кислородосодержащего газа 32 (фиг.1) и отделяют влагу в устройстве для отделения влаги из рабочего кислородосодержащего газа 33. Рабочий кислородосодержащий газ подают в корпус 1 через штуцер 15, направляют в пространство между электродами 2, 3 от периферии к центру. К электродам 2, 3 прикладывают высокочастотное переменное напряжение необходимой величины от высоковольтного источника питания 13 устройства для генерирования озона. Между электродами возникает электрический барьерный разряд, который воздействует на кислородосодержащий газ. Образующиеся свободные электроны, обладающие значительной энергией, приводят к разрушению молекул кислорода и образованию в разрядном промежутке между электродами молекул озона (O₃), который отводится через штуцер 18. Прохождение тока вызывает выделение джоулевого тепла, нагревающего электроды и диэлектрик и приводящего к уменьшению интенсивности образования озона и ускоренному его распаду. Тепло, выделяющееся в электродах при разряде, отводится созданным потоком теплоносителя. Поток теплоносителя предварительно охлаждают в устройстве охлаждения 34. Теплоноситель подают в полость 9 электродов 2, 3 (фиг.4, 5) либо через инжекторы 21 (фиг.5), выполненные в виде труб с отверстиями 23 (фиг.7), размещенными у внутренней кромки электродов 5 (фиг.6), либо через инжекторы 21 (фиг.3), расположенные радиально и выполненные с отверстием 35 на конце трубы, размещенным у внутренней кромки электродов (фиг.3), и отводят из полости 9 электродов 2, 3 через отверстия 24 коллекторов 22 (фиг.8), расположенных по внешней кромке электродов 6 (фиг.4, 6). В результате выполнения первого электрода сплошным поток газа создается направленным от периферии к центру (фиг.1). А поток теплоносителя, осуществляющий отвод тепла от электродов, создается направленным от центра к периферии, т.е. поток теплоносителя направляют навстречу потоку рабочего кислородосодержащего газа. Поток теплоносителя движется вдоль поверхностей перемычек однородно по всем гофрам, осуществляя равномерное распределение температуры по разрядному промежутку.

Использование изобретения приводит к более эффективному охлаждению и в результате уменьшению энергозатрат на производство озона, а также позволяет уменьшить габариты устройства для генерирования озона и его материалоемкость при сохранении его производительности, исключить механическое разрушение диэлектрика на поверхности электродов и увеличить его срок службы.

Источники информации

1. Патент РФ №2024427, С 01 В 13/11, 1994.

2. Патент РФ №2046753, C 01 B 13/11, 1995.

3. Патент РФ №199487, C 01 B 13/11, 2003.

Изобретение может быть использовано в медицине, в промышленном производстве, в сельском хозяйстве и других отраслях для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод и воздуха в помещениях. Устройство для генерирования озона содержит герметичный корпус, в котором расположены высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси. Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин. Гофры пластин электродов расположены перпендикулярно кромкам электродов, а перемычки жестко закреплены между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин каждого электрода. При этом штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них соединены с полостью электродов через инжекторы и коллекторы, жестко связанные с пластинами электродов и выполненные в виде труб с отверстиями, расположенными у противоположных кромок электродов, повторяющих обе или по крайней мере одна из них форму сечения гофров электрода в месте их крепления. Изобретение позволяет повысить эффективность теплоотвода от разрядного промежутка, прочность и жесткость конструкции и уменьшить расстояние между пластинами электродов. 10 ил.

1. Устройство для генерирования озона, содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, отличающееся тем, что гофры пластин электродов расположены перпендикулярно кромкам электродов, а перемычки жестко закреплены между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин каждого электрода, причем штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них соединены с полостью электродов через инжекторы и коллекторы, жестко связанные с пластинами электродов, и выполненные в виде труб с отверстиями, расположенными у противоположных кромок электродов, повторяющих обе или, по крайней мере, одна из них форму сечения гофров электрода в месте их крепления.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении электродов кольцевыми или прямоугольными с отверстием в центре, или многогранными с отверстием в центре, или иной формы с отверстием в центре гофры расположены радиально.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении электродов прямоугольной формы гофры расположены параллельно друг другу.