ГЕНЕРАТОР ОЗОНА Российский патент 2009 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании новых типов озонаторных установок повышенной производительности, обеспечивающих снижение энергозатрат на электросинтез озона.

Известен генератор озона, содержащий внешний и внутренний электроды, выполненные в виде трубок, одна из трубок имеет меньший диаметр и размещена соосно внутри другой трубки, разделенные разрядным промежутком заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа, один из электродов со стороны разрядного промежутка покрыт диэлектрическим слоем (Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1987. - С.44).

Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты на электросинтез озона, что обусловлено недостатками конструкции, неудовлетворительными условиями охлаждения электродов и используемой недостаточно эффективной формой электрического барьерного разряда в объеме разрядного промежутка.

Известен генератор озона, содержащий внешний и внутренний электроды, выполненные в виде трубок, одна из трубок имеет меньший диаметр и размещена соосно внутри другой трубки, разделенные разрядным промежутком заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа, один из электродов со стороны разрядного промежутка покрыт диэлектрическим слоем (Озонаторное оборудование. Каталог продукции. г.Курган: ОАО Курганхиммаш, 2005. С.58).

Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты на электросинтез озона, что обусловлено недостатками конструкции, неудовлетворительными условиями охлаждения электродов и используемой недостаточно эффективной формой электрического барьерного разряда в объеме разрядного промежутка.

Известен генератор озона, содержащий внешний и внутренний электроды, выполненные в виде трубок, одна из трубок имеет меньший диаметр и размещена соосно внутри другой трубки, разделенные разрядным промежутком заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа, один из электродов со стороны разрядного промежутка покрыт диэлектрическим слоем (Самойлович В.Г., Панин В.В., Крылова Л.Н. Современные тенденции в конструировании промышленных озонаторов. Тез. докл. науч. технич. конф., посвящ. озону и другим экологически чистым окислителям. 7-9 июня 2005, г.Москва. 2005. С.138).

Данный генератор озона является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты на электросинтез озона, что обусловлено недостатками конструкции, неудовлетворительными условиями охлаждения электродов и используемой недостаточно эффективной формой электрического барьерного разряда в объеме разрядного промежутка.

Изобретение направлено на решение задачи снижения энергозатрат на электросинтез озона, что является целью изобретения.

Снижение энергозатрат достигается тем, что в генераторе озона, содержащем внешний и внутренний электроды, выполненные в виде трубок, одна из трубок имеет меньший диаметр и размещена соосно внутри другой трубки, разделенных разрядным промежутком заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа, один из электродов со стороны разрядного промежутка покрыт диэлектрическим слоем, в разрядном промежутке размещена сетка из проводящего электрический ток материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, толщина и конструкция которой задают размер разрядного промежутка и турбулентный характер потока кислородсодержащего газа, электрическое питание осуществляется от источника переменного тока, выполненного на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением, имеющего падающую характеристику источника тока.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат на электросинтез озона. Это обеспечивается увеличением полезной части энерговклада в разряд и энергетического выхода озона за счет существенно более высокой стабильности газового разряда, снижения потерь в диэлектрическом слое, улучшения условий охлаждения электродов, повышения коэффициента мощности, уменьшения потерь в источнике питания.

Снижение энергозатрат на электросинтез озона является полученным техническим результатом, обусловленным заявленным устройством генератора озона, предлагаемым принципом пропускания кислородсодержащего газа через разрядный промежуток и электропитания, используемой эффективной формой объемно-поверхностного барьерного разряда и эффективным охлаждением электродов, т.е. отличительными признаками. Поэтому отличительные признаки заявляемого генератора озона являются существенными.

На чертеже приведена схема конструкции генератора озона, поясняющая устройство и принцип размещения и соединения элементов.

Генератор озона содержит внешний 1 и внутренний 2 электроды, выполненные в виде трубок. Одна из трубок имеет меньший диаметр и размещена соосно внутри другой трубки. Электроды разделены разрядным промежутком 3 заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа. Один из электродов со стороны разрядного промежутка покрыт диэлектрическим слоем 4. В разрядном промежутке размещена сетка 5 из проводящего электрический ток материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе. Толщина и конструкция сетки задают размер разрядного промежутка и турбулентный характер потока кислородсодержащего газа. Электрическое питание осуществляется от источника переменного тока, выполненного на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением, имеющего падающую характеристику источника тока.

Сетка может быть выполнена, например, из титановой проволоки или проволоки из нержавеющей стали круглого сечения путем переплетения нитей под прямым углом. Электрический контакт с электродом, не имеющим диэлектрического покрытия, обеспечивается за счет механического контакта (соприкосновения) поверхности сетки с поверхностью электрода. Диэлектрический слой может наноситься на внутреннюю поверхность внешнего электрода или на внешнюю поверхность внутреннего электрода. Для повышения производительности генератор озона может быть выполнен содержащим несколько комплектов трубок, соединенных по потоку кислородсодержащего газа последовательно или параллельно и размещенных в отдельных корпусах или в едином корпусе. Принцип работы генератора озона и форма электрического разряда в разрядном промежутке при этом не изменяются. В разрядном промежутке заявляемого генератора озона возбуждается объемно-поверхностный (скользящий) барьерный разряд.

Генератор озона работает следующим образом. Кислородсодержащий газ проходит через зазоры в ячейках сетки 5. Направление потока кислородсодержащего газа через разрядный промежуток 3 на чертеже обозначено стрелкой. Внешний и внутренний электроды генератора озона 1, 2 подключаются электрически к источнику переменного тока. Источник переменного тока может быть выполнен в виде генератора разнополярных импульсов тока прямоугольной формы, на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением, имеющего падающую характеристику источника тока, либо в виде генератора переменного напряжения синусоидальной или иной формы, а также в виде сетевого источника. Под действием напряжения источника переменного тока между электродами 1, 2 генератора озона в разрядном промежутке 3 возникает объемно-поверхностный (скользящий) барьерный электрический разряд. Электрический разряд имеет структуру отдельных микроразрядов, равномерно распределенных по поверхности диэлектрического слоя 4. Поток газа из-за наличия сетки 5 в разрядном промежутке 3 имеет характер турбулентного, что обеспечивает хорошую теплоотдачу, перемешивание кислородсодержащего газа и способствует повышению равномерности и стабильности электрического разряда. В микроразрядах происходит диссоциация молекул кислорода О₂. Образовавшиеся в результате диссоциации атомы кислорода О при столкновениях с молекулами кислорода O₂ образуют молекулы озона О₃. Одновременно происходит и обратная реакция разложения озона О₃ в электрическом разряде электронным ударом, а также под действием ультрафиолетового излучения, разряда и температуры. Технологические условия проведения электросинтеза обеспечиваются такими, что процесс образования озона О₃ в разрядном промежутке 3 превалирует над процессом его разложения. В результате на выходе из разрядного промежутка 3 кислородсодержащий газ имеет в смеси заданное количество озона О₃. Заданная концентрация озона О₃ определяется электрическим режимом генератора озона, качеством подготовки и очистки кислородсодержащего газа, а также условиями охлаждения элементов разрядного промежутка 3 и электродов 1, 2 генератора озона и кислородсодержащего газа. Использование объемно-поверхностного барьерного разряда, разрядных промежутков относительно малой ширины и высокой равномерности, наличие сетки 5 в разрядном промежутке 3, а также обеспечение фактически турбулентного потока кислородсодержащего газа через разрядный промежуток 3, интенсифицируют процесс электросинтеза озона О₃, обеспечивают малый перепад температур кислородсодержащего газа на входе и выходе из разрядного промежутка 3, интенсивный отвод тепла от диэлектрического слоя 4, что повышает концентрацию и общий выход озона О₃. Отвод тепла от диэлектрического слоя 4 частично осуществляется элементами сетки 5. Условия охлаждения существенно улучшаются. Синтез озона О₃ высокой концентрации обеспечивается конструкцией электродной системы. Для концентрации озона [О₃] на выходе генератора в случае идеального перемешивания кислородсодержащего газа в разрядном промежутке 3 имеем

[О₃]=К₀[О₂]₀Рρ^-1ω^-1(1+K₁ρ^-1ω^-1)^-1,

где [О₂]₀ - начальная концентрация кислорода, Р ρ^-1ω^-1 - удельная энергия (фактор второго вида, кВт·ч/кг), Р - активная мощность в разряде, ρ - плотность кислородсодержащего газа, ω - объемная скорость кислородсодержащего газа, К₀ - константа образования озона, K₁ - константа разложения, озона. В случае идеального вытеснения (при отсутствии диффузии озона О₃) имеем

[О₃]=К₀[О₂]₀K₁ ^-1(1-ехр(-К₁Рρ^-1ω^-1)).

Для реакции синтеза озона в электрическом разряде фактор второго вида (удельная энергия Р ρ^-1ω^-1) заменяет время в кинетических уравнениях. Достижимая концентрация озона [О₃] для заявляемого генератора оказывается более высокой.

Дополнительное снижение энергозатрат на электросинтез озона может быть достигнуто применением источника питания генератора озона, имеющего падающую характеристику источника тока, который может быть выполнен на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением.

По сравнению с прототипом при использовании заявляемого генератора озона существенно снижаются энергозатраты на электросинтез озона. Использование конструкции заявляемого генератора озона позволяет изменить форму электрического разряда в разрядном промежутке генератора озона. В разрядном промежутке заявляемого генератора озона возбуждается объемно-поверхностный барьерный разряд, обладающий свойством симметрии, который принципиально обеспечивает больший энергетический выход озона по сравнению с классическим барьерным разрядом. Больший энергетический выход озона в объемно-поверхностном барьерном разряде обусловлен, в частности, более равномерным распределением микроразрядов по поверхности диэлектрического слоя и улучшением условий «закалки» неравновесных концентраций атомарного кислорода в объеме разрядного промежутка. Выполнение сетки из металлической проволоки или металлических полос обеспечивает большую механическую жесткость конструкции генератора озона и позволяет получить более равномерный по ширине разрядный промежуток. Равномерность разрядного промежутка способствует большей равномерности электрического разряда и также повышает выход озона. В целом, энергозатраты на электросинтез озона при использовании заявляемого генератора озона могут быть снижены на 30-35%.

Изобретение может быть использовано при проектировании озонаторных установок повышенной производительности. Кислородсодержащий газ подают через зазоры в ячейках сетки 5. Внешний 1 и внутренний 2 электроды генератора озона, выполненные в виде трубок, подключаются к источнику переменного тока. Электроды разделены разрядным промежутком 3 заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа. Под действием напряжения источника переменного тока между электродами 1, 2 генератора озона в разрядном промежутке 3 возникает объемно-поверхностный барьерный электрический разряд, имееющий структуру отдельных микроразрядов, равномерно распределенных по поверхности диэлектрического слоя 4. Сетка 5 выполнена из проводящего электрический ток материала, стойкого к воздействию электрического разряда, и химически активных веществ и радикалов. Электрическое питание осуществляется от источника переменного тока, выполненного на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на электросинтез озона. 1 ил.

Генератор озона, содержащий внешний и внутренний электроды, выполненные в виде трубок, одна из трубок имеет меньший диаметр и размещена соосно внутри другой трубки, разделенные разрядным промежутком заданного размера, через который проходит поток кислородсодержащего газа, один из электродов со стороны разрядного промежутка покрыт диэлектрическим слоем, отличающийся тем, что в разрядном промежутке размещена сетка из проводящего электрический ток материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, толщина и конструкция которой задают размер разрядного промежутка и турбулентный характер потока кислородсодержащего газа, электрическое питание осуществляется от источника переменного тока, выполненного на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением, имеющего падающую характеристику источника тока.