ОЗОНАТОР Российский патент 2010 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам получения озона из кислорода или воздуха с помощью барьерного электрического разряда и может быть использовано на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях и в других отраслях народного хозяйства для интенсификации и энергосбережения в технологических процессах, очистки и обеззараживания газовых и водных сред, поверхностей, для стимулирования жизнедеятельности биологических объектов (семян, бактерий, грибов, водорослей и др.).

Известен озонатор /1/, содержащий кварцевую трубку с двумя входными патрубками для кислородсодержащего газа и патрубком для выхода озона, внешний высоковольтный электрод, устройство для охлаждения. Трубка разделена на диссоциатор, снабженный внешним высоковольтным проволочным электродом, выполненным в виде спирали, и синтезатор, снабженный устройством охлаждения, причем между ними установлена газопроницаемая перегородка из инертного материала с развитой поверхностью и второй патрубок для подачи в зону синтеза озона охлаждающего газа, содержащего молекулярный кислород. (Выделенное курсивом [здесь и далее по тексту] - признаки, общие с предметом заявляемого изобретения; выделенное подчеркиванием [здесь и далее по тексту] - признак аналога, не выделенный в формуле изобретения, но отображенный на чертежах в описании).

Недостатками этого озонатора являются: сложность конструкции, связанная с наличием двух патрубков ввода кислородсодержащего газа и одного патрубка для вывода озона; малая производительность из-за интенсивной тепловой рекомбинации атомарного кислорода в диссоциаторе; низкая эффективность охлаждения озонатора из-за применения газопроницаемой перегородки.

Известен озонатор трубчатой формы /2/, состоящий из источника питания, внешнего и внутреннего электродов и диэлектрической трубки между ними, оба электрода проволочные выполнены в виде спиралей, навитых согласно на внешней и внутренней сторонах диэлектрической трубки, причем начало внешнего электрода и конец внутреннего электрода подключены к источнику питания.

К недостаткам данного озонатора следует отнести: сложность конструкции, обусловленную необходимостью водяного охлаждения электродов; низкая производительность по озону из-за неравномерности межэлектродного расстояния у спиральных электродов при трубчатой конструкции озонатора; повышенные электрические утечки и энергозатраты из-за оседания на поверхности электродов влаги, токопроводящей пыли и окислов азота.

Известен озонатор /3/, содержащий диэлектрическую пластину, на одной стороне которой размещены параллельно друг другу два проволочных коронирующих электрода, которые подключены к одному полюсу источника высоковольтного переменного напряжения, а к другой стороне прижата заземленная металлическая пластина.

Недостатками этого озонатора являются: попадание материала электродов в озонированную газовую смесь; снижение производительности по озону и повышенные энергозатраты из-за оседания на поверхности электродов влаги, токопроводящей пыли и окислов азота; низкая эффективность использования рабочей поверхности озонатора для синтеза озона.

Известен озонатор /4/, содержащий как минимум две плоские диэлектрические пластины, расположенные параллельно друг другу на определенном расстоянии, являющемся воздушным разрядным промежутком. На противоположных разрядному промежутку поверхностях диэлектрических пластин расположены электроды, один из которых, высоковольтный, выполнен в форме плоской катушки, которая представляет собой длинный проводник, уложенный на поверхности одной из диэлектрических пластин по спирали, а другой, низковольтный, выполнен в форме тонкопленочной проводящей пластины, расположенной на поверхности второй диэлектрической пластины.

К недостаткам данного озонатора относятся: малая производительность, обусловленная неравномерностью синтеза озона по поверхности электродов; низкая надежность работы из-за электрических пробоев между крайними участками высоковольтного и низковольтного электродов.

Известен озонатор /5/, принятый за прототип, который содержит пакет чередующихся электродов с разноименными электрическими потенциалами.

Недостатками прототипа являются: низкая производительность устройства, связанная с высокой неравномерностью синтеза озона по поверхности плоских электродов; повышенные энергозатраты на синтез озона; большие габаритные размеры и металлоемкость озонатора, обусловленные низкой эффективностью использования поверхности электродов в процессе образования озона в барьерном разряде; необходимость применения повышенных значений высокого переменного напряжения питания озонатора (более 12-14 кВ), что ведет к увеличению образования окислов азота, которые разрушающе действуют на озон при синтезе его из воздуха /6/. Применение для работы озонатора повышенных значений высокого переменного напряжения снижает срок службы и надежность устройства из-за увеличения вероятности электрического пробоя диэлектрических барьеров.

Задачей изобретения является повышение производительности озонатора, снижение энергозатрат на процесс синтеза озона, уменьшение габаритных размеров и металлоемкости устройства, повышение его срока службы и надежности работы.

Для достижения поставленной задачи в известном озонаторе, содержащем пакет чередующихся электродов с разноименными электрическими потенциалами, электроды выполнены из провода в форме змеевиков с плоскопараллельными участками одинакового шага и расположены между диэлектрическими барьерами с образованием газоразрядных элементов, разделенных между собой дистанционными диэлектрическими прокладками, причем у электродов с разноименными электрическими потенциалами плоскопараллельные участки расположены зеркально, а соединения плоскопараллельных участков электродов выполнены с шахматным расположением, при этом электроды подключены к высоковольтному источнику переменного напряжения.

Неравномерность синтеза озона по поверхности пластинчатых электродов (в озонаторе-прототипе) вызвана неравномерностью распределения величин напряженности электрического поля по поверхности электродных пластин. В центральной части разрядного промежутка, между двумя пластинчатыми электродами, покрытыми диэлектриком, напряженность электрического поля равномерная (по аналогии с полем плоского конденсатора), а по краям электродных пластин напряженность электрического поля имеет повышенные значения, что обусловлено краевым эффектом /7/. В связи с этим образование наибольшего количества озона происходит именно в зоне разряда по краям электродных пластин /8/ вследствие наибольшей интенсивности и энергетики разрядных процессов. Обычно использование высокой напряженности электрического поля, обусловленной краевым эффектом, в процессе электросинтеза озона в озонаторах объемного барьерного разряда стремятся ограничить, при этом удельный выход озона с единицы площади электродов в зоне равномерного распределения напряженности электрического поля повышают за счет увеличения высокого переменного напряжения, подаваемого для питания озонатора /9/.

В предлагаемой конструкции озонатора за счет изменения формы проволочных электродов, обеспечивающей увеличение количества наиболее производительных участков, работающих на краевом эффекте, и придания определенного взаимного расположения этим участкам у электродов с разноименными электрическими потенциалами, достигается интенсификация газоразрядных процессов и повышение выхода озона.

Изготовление электродов в форме змеевиков с плоскопараллельными участками одинакового шага обеспечивает высокую плотность укладки провода, что уменьшает габариты газоразрядных элементов (электрод, расположенный между диэлектрическими барьерами, представляет собой единичный газоразрядный элемент) и увеличивает производительность озонатора, так как она пропорциональна длине проволочных электродов.

Наличие у электродов в форме змеевиков плоскопараллельных участков одинакового шага упрощает обеспечение зеркальности расположения плоскопараллельных участков у электродов с разноименными электрическими потенциалами и облегчает изготовление электродов.

Зеркальное расположение плоскопараллельных участков у электродов с разноименными электрическими потенциалами обеспечивает минимальное расстояние между ними, что соответствует максимальным значениям напряженности электрического поля, возникающей в газоразрядном промежутке между плоскопараллельными участками электродов по всей их длине, и обеспечивает повышение производительности и уменьшение энергозатрат.

У электродов в форме змеевиков только плоскопараллельные участки являются рабочими. Между соединениями плоскопараллельных участков за счет их шахматного расположения у электродов с разноименными электрическими потенциалами барьерный разряд не образуется, что позволяет предотвратить возникновение искровых разрядов между соединениями плоскопараллельных участков у разнопотенциальных электродов, которые наиболее близко расположены к краям диэлектрических барьеров.

Использование в конструкции устройства двух типов расположения электродов в форме змеевиков с разноименными электрическими потенциалами связано с необходимостью обеспечения зеркальности их плоскопараллельных участков, шахматного расположения соединений плоскопараллельных участков и раздельного расположения на противоположных сторонах пакета газоразрядных элементов или на противоположных концах одной стороны пакета выводов электродов с разноименными электрическими потенциалами, которые подключаются к высоковольтному источнику переменного напряжения.

На фиг.1 представлена схема озонатора - вид спереди, на фиг.2 - поперечный разрез А-А озонатора с фиг.1, показывающий взаимное расположение плоскопараллельных участков у электродов с разноименными электрическими потенциалами; на фиг.3 - разрез Б-Б с фиг.2 с первым типом расположения электрода, на фиг.4 - разрез В-В с фиг.2 со вторым типом расположения электрода; на фиг.5 - разрез Г-Г озонатора с фиг.2 в зоне щелевого разрядного промежутка с дистанционными диэлектрическими прокладками; на фиг.6 - разрез Д-Д озонатора с фиг.3, показывающий взаимное расположение соединений плоскопараллельных участков у электродов с разноименными электрическими потенциалами (на чертежах озонатор показан без размещения в корпусе).

Озонатор содержит проволочные электроды 1 (из меди, алюминия, серебра, латуни или провода из другого металла (сплава) или токопроводящего неметаллического материала), подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения 2 и расположенные между диэлектрическими барьерами 3 (стекло, слюда, фторопласт, керамика или др.). Для повышения безопасности эксплуатации и надежности работы озонатора щелевой зазор между диэлектрическими барьерами, внутри которых располагается электрод, по периметру газоразрядных элементов (электрод, расположенный между диэлектрическими барьерами, представляет собой единичный газоразрядный элемент) заполнен слоем диэлектрического клеящего вещества 4 (клей эпоксидный универсальный ЭДП, воск или др.), наличие которого предотвращает непосредственный контакт электродов с поступающим на озонирование кислородсодержащим газом и обеспечивает прочность соединения пластин диэлектрических барьеров, а также неподвижность и постоянство формы электродов, находящихся между ними. Электроды с разноименными электрическими потенциалами, расположенные между диэлектрическими барьерами, образуют газоразрядные элементы, которые разделены между собой дистанционными диэлектрическими прокладками 5, образующими газоразрядные промежутки 6 для прохода через зону разряда воздуха или др. кислородсодержащего газа. Электроды 1 озонатора выполнены тонким проводом в форме змеевиков с плоскопараллельными участками 7 одинакового шага t, являющимися рабочими участками электрода, и с соединениями 8 плоскопараллельных участков, которые при работе озонатора не образуют барьерного разряда. При размещении электродов в форме змеевиков между диэлектрическими барьерами при их изготовлении необходимо выдерживать расположение крайних плоскопараллельных участков и соединений плоскопараллельных участков на расстоянии, обеспечивающем отсутствие искровых разрядов между электродами с разноименными электрическими потенциалами, огибающих края барьеров. Соединения плоскопараллельных участков электродов в форме змеевиков выполняются так, чтобы исключить изгибы провода под углом, например, в форме дуги или П-образной формы с изготовлением мест изгиба провода по радиусу вместо углов, что устранит источники концентрации высокой напряженности электрического поля и возникновения искровых разрядов, повышая надежность работы устройства. Свободные концы электродов, не подключаемые к высоковольтному источнику переменного напряжения и являющиеся сильными концентраторами высокой напряженности электрического поля, с прилежащими участками провода располагаются параллельно между крайним и вторым плоскопараллельным участком от края барьера, равноудаленно от обоих, то есть на расстоянии t/2, и с соединением с крайним по дуге (где t - шаг плоскопараллельных участков электрода в форме змеевика). При этом длина участков провода, прилежащих к свободным концам, должна обеспечивать удаленное их расположение от края диэлектрических барьеров и от рабочих (плоскопараллельных) участков противоположных по знаку электродов, что предотвратит возникновение искровых разрядов и повысит срок службы и надежность работы устройства.

Устройство относится к пластинчатым озонаторам, на фиг.1, 2, 6 изображен вариант исполнения озонатора с семнадцатью газоразрядными элементами (электрод, расположенный между диэлектрическими барьерами, представляет собой единичный газоразрядный элемент), девять из которых - с электродами одного электрического потенциала, а восемь - с электродами другого электрического потенциала, и шестнадцатью газоразрядными промежутками.

Озонатор работает следующим образом.

При подаче питания на электроды 1 от высоковольтного источника переменного напряжения 2, между зеркально расположенными плоскопараллельными участками 7 электродов 1 с разноименными электрическими потенциалами возникает электрическое поле высокой напряженности, способствующее образованию, в газоразрядных промежутках 6 на поверхностях диэлектрических барьеров 3, барьерного электрического разряда. Воздействие разряда на поток воздуха, продуваемого через газоразрядные промежутки 6 озонатора, вызывает диссоциацию молекул кислорода на атомы, которые присоединяются в результате соударений при движении воздуха к недиссоциировавшим молекулам кислорода, что приводит к образованию озона и озоно-воздушной смеси.

Предложенное техническое решение обеспечивает повышение производительности и снижение удельных энергозатрат на синтез озона, уменьшает габариты и металлоемкость устройства, увеличивает его срок службы и надежность работы.

Источники информации

1. Патент № 2178383 РФ, МПК 7 С01В 13/11. Озонатор./Н.В.Камышанченко, Г.В.Маханьков, И.В.Рыжков, А.В.Таран, Н.А.Чеканов (Белгородский государственный ун-т). - № 2000107677/12, заявл. 28.03.2000, опубл. 20.01.2002//БИПМ. - 2002. - № 2.

2. Патент № 2016841 РФ, МПК 5 С01В 13/11. Озонатор. /К.С.Демирчян, И.К.Алиев, Г.Г.Гусев, О.А.Склянченков (Московский энергетический ин-т). - № 4946366/26, заявл.: 14.06.1991, опубл.: 30.07.1994//БИПМ. - 1994. - № 14.

3. Лунин В.В. Физическая химия озона./В.В.Лунин, М.П.Попович, С.Н.Ткаченко; Под ред.: В.В.Лунина. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - С.126.

4. Стрижков И.Г. Электрическая цепь озонатора с электродом в форме плоской катушки./И.Г.Стрижков, О.Н.Разнован//Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 3. - С.20-21.

5. А.с. № 941278 СССР, МКИ С01В 13/11. Озонатор./ И.М.Савченко, М.И.Шаляпин, Ю.Б.Пинаевский, Г.Е.Мазуркевич, В.В.Зайцев. - № 3006100/23-26, заявл.: 19.11.1980, опубл.: 07.07.1982//БИПМ. - 1982. - № 25.

6. Книпович О.М. Электросинтез озона из воздуха: Автореф. дис.… канд. хим. наук. - М.: МГУ им. М.В.Ломоносова, 1970. - С.5, 9.

7. Воробьев А.А. Техника высоких напряжений. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1945. - С.39-40.

8. Самойлович В.Г. Физическая химия барьерного разряда./В.Г.Самойлович, В.И.Гибалов, К.В.Козлов. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С.86.

9. Артамонов В.Г. О повышении производительности озонатора при устранении краевых эффектов./В.Г.Артамонов, С.С.Баранов, В.И.Семенов, М.В.Соколова//Вторая Всесоюзная межвузовская конференция по озону: Материалы конференции (г.Москва, Химический факультет МГУ, январь 1977 г.). - М., 1977. - С.66-67.

Изобретение относится к устройствам для получения озона из кислорода или воздуха с помощью барьерного электрического разряда и может быть использовано на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях для очистки и обеззараживания газовых и водных сред, поверхностей, для стимулирования жизнедеятельности биологических объектов. Сущность изобретения: озонатор содержит пакет чередующихся электродов с разноименными электрическими потенциалами. Электроды выполнены из провода в форме змеевиков с плоскопараллельными участками одинакового шага и расположены между диэлектрическими барьерами и при этом образуют газоразрядные элементы, разделенные между собой дистанционными диэлектрическими прокладками. Причем у электродов с разноименными электрическими потенциалами плоскопараллельные участки расположены зеркально, а соединения плоскопараллельных участков электродов выполнены с шахматным расположением, при этом электроды подключены к высоковольтному источнику переменного напряжения. Технический результат: повышение производительности озонатора, снижение удельных энергетических затрат на синтез озона, уменьшение габаритных размеров и металлоемкости устройства, увеличение его срока службы и надежности работы. 6 ил.

Озонатор, содержащий пакет чередующихся электродов с разноименными электрическими потенциалами, отличающийся тем, что электроды выполнены из провода в форме змеевиков с плоскопараллельными участками одинакового шага и расположены между диэлектрическими барьерами с образованием газоразрядных элементов, разделенных между собой дистанционными диэлектрическими прокладками, причем у электродов с разноименными электрическими потенциалами плоскопараллельные участки расположены зеркально, а соединения плоскопараллельных участков электродов выполнены с шахматным расположением, при этом электроды подключены к высоковольтному источнику переменного напряжения.