ТРУБЧАТЫЙ ОЗОНАТОР Российский патент 2008 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам получения озона из воздуха или кислорода, применяемым в медицине для обработки с целью дезинфекции, стерилизации хирургического инструмента и иных принадлежностей, а также в физиотерапевтическом лечении, где лечебный эффект обусловлен воздействием кислородно-озоновых смесей на внешние поверхности тела пациента при кожных заболеваниях, ожогах, открытых ранах. Изобретение может применяться для решения производственных и экологических задач, в сельском хозяйстве, в ветеринарии, для обработки продукции при длительном хранении и транспортировке, в быту для дезодорации и очистки воздуха жилых помещений.

Известна конструкция трубчатого озонатора (см. патент РФ №2016841, 1991), которая содержит коаксиально расположенные электроды, подключенные к высоковольтному источнику переменного тока, и диэлектрический элемент, расположенный между ними, электроды выполнены в виде спиралей и расположены с внешней и внутренней сторон диэлектрического элемента, а начало внешнего электрода и конец внутреннего электрода подключены к источнику питания.

При этом внутри спирали, расположенной с внутренней стороны диэлектрического элемента, установлена дополнительная трубка с продольными ребрами, внутри которой протекает охлаждающий агент - вода, и выполненная из диэлектрика. Вся конструкция установлена в дополнительный диэлектрический трубчатый корпус.

Для получения озона воздух или кислород подают внутрь дополнительного диэлектрического трубчатого корпуса. Воздух или кислород попадает в зоны разряда как на наружной, так и внутренней поверхностях диэлектрического элемента, за счет чего удельная производительность озонатора повышается примерно в два раза, но усложняется конструкция озонатора и снижается надежность.

Кроме того, при сборке необходимо обеспечить такое расположение элементов, образующих разрядную камеру, чтобы исключить смещение спиральных электродов относительно друг друга вдоль оси и обеспечить одинаковое расстояние между витками спиральных электродов по всей длине озонатора.

Кроме того, требуется дополнительный источник охлаждающего агента - воды.

Наиболее близким к заявляемому устройству является трубчатый озонатор, взятый в качестве прототипа (см. патент РФ №2078027, 1997, см. фиг.3, 4 описания изобретения), содержащий коаксиально расположенные электроды, подключенные к высоковольтному источнику переменного тока, и диэлектрический элемент, расположенный между ними, при этом один из электродов выполнен сплошным с внешней стороны диэлектрического элемента, а второй выполнен в виде цилиндрической спирали и расположен с внутренней стороны диэлектрического элемента. Цилиндрическая спираль закреплена на дополнительном каркасе в виде пластины, зафиксированной внутри трубчатого диэлектрического элемента по его диаметру.

Следует отметить, что, во-первых, чем больше площадь контакта электродов с диэлектрическим элементом, тем меньше объем зоны разряда и меньше производительность озонатора. Во-вторых, чем меньше неоднородность электрического поля, тем большее напряжение требуется для пробоя разрядного промежутка, т.е. для зажигания разряда, при этом увеличиваются энергетические затраты на получение озона.

В рассматриваемой конструкции эти технические противоречия попытались решить увеличением объема зоны разряда за счет увеличения расстояния между поверхностями диэлектрического элемента и спирального электрода.

При этом в данной конструкции разрядный промежуток, т.е. зазор между диэлектрическим элементом и спиралью, является постоянным по всей длине спирали, а зазор, постоянный по всей длине спирали, уменьшает неоднородность электрического поля, что является причиной возрастания напряжения зажигания разряда, т.е. также увеличиваются энергетические затраты на получение озона.

Задача - создать конструкцию озонатора, в которой обеспечивается неоднородность электрического поля и большой объем зоны разряда, что позволит снизить энергетические затраты.

Цель изобретения: снижение энергетических затрат на получение озона.

Поставленная цель достигается тем, что в трубчатом озонаторе, содержащем два коаксиально расположенных электрода, подключенных к высоковольтному источнику переменного тока, и диэлектрический элемент, расположенный между ними, один из электродов выполнен сплошным с внешней стороны диэлектрического элемента, а второй выполнен в виде спирали и расположен с внутренней стороны диэлектрического элемента, спираль внутреннего электрода, выполненная навивкой на призматический стержень, представляет собой последовательно соединенные правильные разомкнутые многоугольники, вершины которых находятся в механическом контакте с внутренней поверхностью диэлектрического элемента.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

За счет формы спирального электрода, состоящего из последовательно соединенных правильных разомкнутых многоугольников, вершины которых находятся в точечном механическом контакте с внутренней поверхностью диэлектрического элемента, напряженность электрического поля в точках соприкосновения электрода и поверхности диэлектрического элемента будет максимальной, и, по мере увеличения мгновенных значений напряжения, разряд будет возникать именно в этих точках. По мере дальнейшего увеличения напряжения разряд распространяется вдоль спирального электрода, достигая наиболее удаленных от поверхности диэлектрического элемента участков, что приводит к возрастанию объема зоны разряда, который становится максимальным при охвате разрядом всей длины сторон многоугольников.

На фиг.1 изображен трубчатый озонатор, на фиг.2 - элемент спирального электрода - разомкнутый многоугольник, представляющий собой шестиугольник.

Трубчатый озонатор содержит два коаксиально расположенных электрода 1 и 2, подключенных к высоковольтному источнику переменного тока 3, и трубчатый диэлектрический элемент 4, расположенный между ними. Электрод 1 выполнен сплошным с внешней стороны трубчатого диэлектрического элемента 4, электрод 2 выполнен в виде спирали и расположен с внутренней стороны диэлектрического элемента 4. Спираль внутреннего электрода 2 представляет собой последовательно соединенные правильные многоугольники 5, разомкнутые в одной из вершин со смещением h (см. фиг.2 в координатах Х, У, Z) разомкнутых сторон, соответствующим шагу спирали h. Каждая вершина 6 многоугольника 5 в точках 7 контактирует с внутренней поверхностью по всей длине трубчатого диэлектрического элемента 4. Спираль внутреннего электрода 2 выполнена навивкой на призматический стержень, обеспечивающий проволочному электроду форму ломаной линии 5, где середина каждого прямолинейного отрезка электрода 2 имеет наибольшее удаление от внутренней поверхности трубчатого диэлектрического элемента 4, обеспечивает образование зазора, изменяющего свою величину от нуля в точке касания электрода 7 и внутренней поверхности трубчатого диэлектрического элемента 4 до максимума на середине прямолинейного отрезка.

Призматический стержень может быть изготовлен в виде трехгранной, четырехгранной, пятигранной и т.д. призмы.

Число боковых граней призматического стержня и шаг спирали зависят от удельной производительности, требуемой от озонатора. Расчет параметров озонатора является «ноу-хау» заявителя.

Для каждой сферы использования трубчатый озонатор должен иметь различную производительность.

Например, в медицине для обработки помещений с целью санобработки и дезинфекции требуется 5-10 граммов озона в час;

с целью стерилизации хирургического инструмента и иных принадлежностей необходимо 1-2 г/ч;

в физиотерапевтических приборах, в которых лечебный эффект обусловлен воздействием кислородно-озоновых газовых смесей на внешние поверхности тела пациента при кожных заболеваниях, ожогах, открытых ранах, необходимо 0,1-1,5 г/ч;

в бытовых озонаторах для дезодорации воздуха в жилых помещениях требуется 0,01-0,1 г/ч;

в различных отраслях промышленности при применении озона для очистки выбросов - 10-100 г/ч и выше.

Конструкция заявляемого трубчатого озонатора позволяет составлять озонатор большей производительности из нескольких трубчатых озонаторов предлагаемой конструкции.

Работа трубчатого озонатора осуществляется следующим образом. При включении источника высокого напряжения 3 в зоне разряда возникает газовый барьерный разряд. Через внутреннюю полость трубчатого диэлектрического элемента 4 продувают кислород или воздух, попадающий в зону разряда, где под действием разряда происходит образование озона.

Электрические процессы в трубчатом озонаторе протекают следующим образом. При нарастании в начале периода изменения переменного напряжения источника питания 3 в местах точечного контакта спирального электрода 2 с трубчатым диэлектрическим элементом 4 напряженность электрического поля будет больше, чем на прямолинейных участках, и там возникнут первые каналы микроразрядов. При дальнейшем увеличении напряжения зона разряда быстро увеличивается и достигает участков спирального электрода 2, максимально удаленных от поверхности трубчатого диэлектрического элемента 4, т.е. охватывает объем, больший, чем объем в конструкциях с непрерывным контактом спирального электрода с поверхностью диэлектрика по всей длине при том же самом напряжении, а напряжение зажигания разряда будет меньше, чем в конструкциях с постоянным зазором между диэлектрическим элементом и спиральным электродом.

В качестве примера конкретного выполнения заявляемого трубчатого озонатора для установки для получения озона приводится конструкция, в которой в качестве диэлектрического элемента 4 была использована трубка из кварцевого стекла с толщиной стенки 0,5 мм с внутренним диаметром 4 мм. Длина трубки 200 мм. Спиральный электрод 2 выполнен путем навивки проволоки из нержавеющей стали диаметром 0,3 мм на трехгранный призматический стержень. Шаг h спирали равен 4 мм. Спиральный электрод 2 при сборке вставляют в трубчатый диэлектрический элемент 4 с незначительным усилием. За счет использования упругих свойств проволоки установку спирального электрода 2 осуществляют без дополнительных элементов крепления.

Кроме того, форма и технология изготовления спирального электрода 2 также позволяет осуществлять сборку трубчатого озонатора без применения специальных мер по центровке элементов коаксиальной структуры.

Наружный электрод 1 выполнен из металла с высокой теплопроводностью, т.к. одновременно предназначен для отвода тепла от зоны разряда.

Была изготовлена экспериментальная установка для получения озона, в которой использовали три параллельно подключенных к источнику питания трубчатых озонатора предлагаемой конструкции.

При подключении к сети напряжением 220 В с частотой 50 Гц напряжение источника питания трубчатого озонатора составляет 6 кВ при частоте 15 кГц. Расход кислорода обеспечивают равным 0,3 л/мин на установку.

На выходе предлагаемой установки с тремя заявляемыми трубчатыми озонаторами концентрация озона достигала 70 мг/л, а производительность 1,2 г/ч. Энергетические затраты не превысили 5 кВт·ч/кг озона.

Таким образом, заявляемая конструкция трубчатого озонатора позволяет снизить энергетические затраты на получение озона, т.е. повысить удельную производительность при неизменной мощности источника питания или уменьшить мощность источника питания при заданной производительности.

Предлагаемая конструкция обладает высокой технологичностью при изготовлении и сборке, вследствие чего снижается себестоимость озонатора.

Широкое использование в озонаторных установках малой и средней производительности с одним или несколькими трубчатыми элементами промышленного, сельскохозяйственного, медицинского и бытового назначения для решения производственных и экологических задач, для дезинфекции и стерилизации позволяет постоянно расширять рынок сбыта трубчатых озонаторов.

Изобретение относится к устройствам получения озона из воздуха или кислорода. Трубчатый озонатор содержит коаксиально расположенные электроды, подключенные к высоковольтному источнику переменного тока, и диэлектрический элемент, расположенный между ними. Один из электродов выполнен сплошным с внешней стороны диэлектрического элемента, а второй выполнен в виде спирали и расположен с внутренней стороны диэлектрического элемента. Спираль внутреннего электрода, выполненная навивкой на призматический стержень, представляет собой последовательно соединенные правильные разомкнутые многоугольники, вершины которых находятся в механическом контакте с внутренней поверхностью диэлектрического элемента. Предложенная конструкция обладает высокой технологичностью при изготовлении и сборке, а также позволяет снизить энергетические затраты на получение озона. 2 ил.

Трубчатый озонатор, содержащий коаксиально расположенные электроды, подключенные к высоковольтному источнику переменного тока, и диэлектрический элемент, расположенный между ними, при этом один из электродов выполнен сплошным с внешней стороны диэлектрического элемента, а второй выполнен в виде спирали и расположен с внутренней стороны диэлектрического элемента, отличающийся тем, что спираль внутреннего электрода, выполненная навивкой на призматический стержень, представляет собой последовательно соединенные правильные разомкнутые многоугольники, вершины которых находятся в механическом контакте с внутренней поверхностью диэлектрического элемента.