ОЗОНАТОР-ВЕНТИЛЯТОР С КОМБИНИРОВАННЫМ ГАЗОВЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 2011 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам, используемым в биологии, химической промышленности, медицине, сельском хозяйстве для получения озона с помощью электрического разряда.

Известен малогабаритный генератор озона (Патент RU №2057059 С1, МКИ C01B 13/11, опубл. 27.03.1996), содержащий разрядную камеру с установленными в ней диэлектрическим барьером, имеющим по обе стороны коронирующий и проводящий электроды, устройством ввода-вывода газа, выполненным в виде двух трубок с расположенным по их длине рядом отверстий, а также пластиной теплоотводящего элемента, расположенной на расстоянии от поверхности диэлектрического барьера с коронирующим электродом. Коронирующий электрод выполнен в виде ряда параллельных электропроводящих полос, электрически соединенных между собой.

Недостатки данного озонатора заключаются в необходимости специального изготовления разрядной камеры и подключения ее к какому-либо нагнетательному устройству. Кроме этого размещение отверстий по длине трубок устройства ввода-вывода газа приводит к неравномерности распределения расхода и соответственно к изменению температурных условий работы коронирующего электрода.

Основной недостаток рассматриваемого генератора связан с низкой концентрацией озона на выходе как при малом, так и при большом расходах газа. Это объясняется неэффективностью работы заложенного в конструкции теплоотводящего элемента турбулентного механизма перемещения молекул обрабатываемого газа в область плазмы поверхностного разряда и подтверждается тем, что применяемый поверхностный разряд (он же незавершенный скользящий разряд) мало подвержен воздействию прокачиваемого газового потока, так как его свойства во многом определяются характеристиками диэлектрического барьера (Дашук П.Н. Характеристики незавершенного скользящего разряда в воздухе при Р=10⁵ Па. // Письма в ЖТФ, 1993. - Т.19, №18. - С.21-25) и он компактно помещается в толщине пограничного слоя, формируемого обтекающим пластину диэлектрического барьера потоком газа (Кузьмин Г.П., Минаев И.М., Рухадзе А.А. Обтекание вязким потоком газа плазменного листа, образованного скользящим разрядом // Теплофизика высоких температур, 2002. - Т.40, №3. - С.515-524).

Наиболее близким по конструкции и применяемым техническим решениям является озонатор-вентилятор (Патент RU №2107023 С1, МКИ C01B 13/11, опубл. 20.03.1998), содержащий коронирующий и проводящий электроды, соединенные с высоковольтным источником переменного тока и размещенные на разных сторонах боковой стенки диэлектрического корпуса-улитки центробежного вентилятора. Коронирующий электрод расположен на внутренней стороне стенки и выполнен из фольги в виде ряда гребенок, ориентированных лентами-зубьями против выхода из вентилятора. Каждая последующая гребенка коронирующего электрода после первой, стоящей на выходе из проточной части корпуса, соединена через индивидуальный коммутатор с высоковольтным источником, имеющим несколько ступеней выходного напряжения.

При подаче возбуждающего напряжения на коронирующий электрод между проводящим и коронирующим электродами создается переменное электрическое поле, а на внутренней поверхности боковой стенки корпуса-улитки образуется поверхностный разряд в потоке прокачиваемого газа, обеспечивающий генерацию озона и ультрафиолетового излучения.

В данном устройстве для повышения эффективности взаимодействия прокачиваемого воздуха с поверхностным разрядом также применяется турбулентный механизм перемещений молекул газа перпендикулярно вектору скорости основного потока. Он обеспечивается за счет срыва потока газа на лопастях крыльчатки рабочего колеса вентилятора. Однако кроме газодинамического метода вовлечения газа в поверхностный разряд в рассматриваемой конструкции заложен дополнительный метод, основанный на ступенчатом повышении объема плазменного образования разряда, связанного с возрастанием интенсивности протекающих в нем ионизационных процессов. Данный метод реализуется за счет использования высоковольтного источника с рядом уровней напряжения. При этом рабочее напряжение на гребенках коронирующего электрода повышается по мере продвижения потока к выходу из проточной части корпуса-улитки вентилятора.

Основной недостаток рассматриваемого озонатора-вентилятора связан с малой эффективностью использования прокачиваемого воздуха, проявляющийся в неравномерности распределения концентрации озона в потоке газа на выходе из проточной части корпуса-улитки вентилятора. Этому способствует то, что продвижение газа к выходу из центробежного вентилятора сопровождается увеличением сечения проточной части его корпуса-улитки и как боковая стенка с поверхностным разрядом, так и лопасти крыльчатки рабочего колеса все более удаляются от оси потока. Поэтому с наименьшей эффективностью работает гребенка коронирующего электрода, расположенная на выходе из проточной части корпуса. Применение в прототипе высоковольтного источника, имеющего несколько ступеней выходного напряжения, не приводит к существенному эффекту, так как при повышении возбуждающего напряжения на коронирующем электроде в большей степени возрастает протяженность поверхностного разряда вдоль боковой стенки корпуса-улитки, а не толщина слоя плазменного образования.

Целью изобретения является увеличение эффективности использования прокачиваемого воздуха при повышении концентрации озона и снижении неравномерности его распределения в выходном сечении без нарушения рабочих характеристик вентилятора.

Указанная цель достигается тем, что в озонаторе-вентиляторе с комбинированным газовым разрядом, содержащем коронирующий и проводящий электроды, соединенные с высоковольтным источником переменного тока и размещенные на разных сторонах стенки проточной части диэлектрического корпуса-улитки центробежного вентилятора, согласно изобретению коронирующий электрод расположен на внутренней стороне торцевых стенок корпуса и выполнен в виде двух установленных напротив гребенок.

Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом снабжен дополнительным плоским электродом, расположенным в проточной части корпуса, который консольно закреплен на боковой стенке на одинаковом расстоянии от торцевых стенок, имеет зазор относительно диэлектрических лопастей крыльчатки рабочего колеса вентилятора и подключен к источнику высокого напряжения положительной полярности.

Кроме того, площадь пластины дополнительного плоского электрода перекрывает площадь каждой из гребенок коронирующего электрода.

За счет переноса коронирующего и проводящего электродов с боковой на торцевые стенки проточной части корпуса-улитки обеспечивается постоянство расстояния между плоскостью поверхностного разряда и осью формируемого в проточной части вентилятора потока газа. При этом плазма поверхностного разряда возбуждается с двух сторон от оси потока.

Введение в проточную часть корпуса дополнительного плоского электрода положительной полярности, находящегося на одинаковом расстоянии от торцевых стенок с гребенками коронирующего электрода, позволило получить два вспомогательных рабочих промежутка и включить в работу по электросинтезу озона ранее не задействованный канал, основанный на такой особенности поверхностных разрядов, как сопутствующая им высокая интенсивность ионообразования за пределами полосы свечения разряда (Калинин А.В., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Экспериментальное исследование характеристик высокочастотного поверхностного разряда // Изв. АН. Энергетика, 1993, №4. - С.45-51).

Возбуждение во вспомогательных рабочих промежутках комбинированного газового разряда основано на расширении области дрейфового движения ионов и электронов, генерируемых плазмой поверхностных разрядов. При этом в процесс генерации озона вовлекается значительный объем воздуха, прокачиваемого через устройство, что позволяет повысить концентрацию генерируемого озона и снизить неравномерность его распределения на выходе из проточной части корпуса.

На фиг.1 представлен общий вид озонатора-вентилятора с комбинированным газовым разрядом, разрез; на фиг.2 - вид по А.

Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом совмещен с центробежным вентилятором, корпус-улитка 1 и рабочее колесо 2 которого выполнены из диэлектрического материала. На внешней стороне торцевых стенок проточной части корпуса-улитки закреплены пластины проводящего электрода 3, играющие роль металлических экранов. На внутренней стороне торцевых стенок установлен коронирующий электрод 4, выполненный из фольги (толщина ~100 мкм) в виде двух, обращенных друг к другу дугообразных гребенок, ориентированных лентами-зубьями против выхода из вентилятора. Такая ориентация зубьев гребенок обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление газового тракта, способствует максимальной скорости натекания газа в промежутках между лентами-зубьями. Коронирующий и проводящий электроды соединены с высоковольтным источником переменного тока 5. На боковой поверхности проточной части корпуса-улитки параллельно торцевым стенкам и на равном расстоянии от них консольно закреплен дополнительный плоский электрод 6.

Свободные торцы электрода 6 имеют закругления для исключения неравномерности распределения напряженности электрического поля. Дополнительный плоский электрод соединен с источником высокого напряжения положительной полярности 7.

Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом работает следующим образом.

После включения вентилятора и выхода его на режим подается напряжение на гребенки коронирующего электрода 4 от высоковольтного источника переменного тока 5. Благодаря этому между пластинами проводящего 3 и гребенками коронирующего 4 электродов создается переменное электрическое поле. На внутренней стороне торцевых стенок в проточной части корпуса-улитки образуются поверхностные разряды, обеспечивающие наработку озона в приповерхностной области с двух сторон от оси потока. Наряду с генерацией озона поверхностные разряды осуществляют интенсивную наработку отрицательных ионов и электронов в прилегающих слоях прокачиваемого потока газа. При включении источника 7 постоянное напряжение положительной полярности подается на дополнительный плоский электрод 6, и во вспомогательных рабочих промежутках между электродом 6 и плазменными образованиями поверхностных разрядов (плазменные электроды) включаются в работу механизмы дрейфового движения отрицательных ионов и электронов, способствующие образованию комбинированного газового разряда с вовлечением в процесс электросинтеза озона дополнительных объемов прокачиваемого воздушного потока. Комбинированный газовый разряд можно отнести к разновидностям слаботочного несамостоятельного объемного разряда с плазменным электродом.

Пример. В лабораторных условиях был создан действующий макет озонатора-вентилятора с комбинированным газовым разрядом, выполненный в виде соплового насадка, являющегося продолжением проточной части центробежного вентилятора с объемным расходом воздуха 120 м³/чac. Размеры проточной части насадка соответствовали размерам прямоугольного сопла вентилятора и составляли 70×108 мм². Протяженность корпуса насадка по потоку воздуха была равна 70 мм. Пластина дополнительного плоского электрода имела размеры 50×60 мм² и перекрывала площадь каждой из гребенок коронирующего электрода. Коронирующий и проводящий электроды подключались к источнику с амплитудой напряжения ≤7 кВ при частоте 10 кГц, а дополнительный плоский электрод - к источнику положительной полярности с напряжением до 12 кВ. Измерение концентрации озона в потоке воздуха из генератора производилось с помощью газоанализатора озона типа ЛЭК 302п. При расположении приемника газоанализатора на расстоянии 10³ мм от выхода из генератора было получено среднее значение концентрации озона на оси потока на уровне 200 мкГ/м³. Концентрация озона достаточно плавно спадала к периферии потока. Диапазон изменения концентрации озона на оси потока при заданных параметрах источников питания не превышал 20-30 мкГ/м³. Было показано, что при выключенном источнике питания дополнительного плоского электрода концентрация озона на оси потока спадала до 60 мкГ/м³ и характеризовалась малой стабильностью значений как во времени, так и в пространстве.

Проведенные исследования показали, что озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом обладает рядом преимуществ. Благодаря использованию дополнительного поверхностного разряда и возбуждению комбинированного газового разряда озон генерируется в значительной части прокачиваемого воздуха. При этом существенно увеличивается концентрация озона и снижается неравномерность распределения его на выходе из проточной части вентилятора. Эти преимущества открывают перспективу использования на практике предложенной конструкции.

Использование: получение озона с помощью электрического разряда. Сущность изобретения: озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом содержит коронирующий и проводящий электроды, соединенные с высоковольтным источником переменного тока и размещенные на разных сторонах торцевых стенок проточной части диэлектрического корпуса-улитки центробежного вентилятора, а также расположенный в проточной части дополнительный плоский электрод, который консольно закреплен на боковой стенке на одинаковом расстоянии от торцевых стенок. Коронирующий электрод расположен на внутренней стороне стенок и выполнен в виде двух установленных напротив гребенок. Дополнительный плоский электрод имеет постоянный зазор относительно диэлектрических лопастей крыльчатки рабочего колеса вентилятора и подключен к источнику высокого напряжения положительной полярности. Площадь пластины дополнительного плоского электрода перекрывает площадь каждой из гребенок коронирующего электрода. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом, содержащий коронирующий и проводящий электроды, соединенные с высоковольтным источником переменного тока и размещенные на разных сторонах стенки проточной части диэлектрического корпуса-улитки центробежного вентилятора, отличающийся тем, что коронирующий электрод расположен на внутренней стороне торцевых стенок корпуса и выполнен в виде двух установленных напротив гребенок.

2. Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным плоским электродом, расположенным в проточной части корпуса, который консольно закреплен на боковой стенке на одинаковом расстоянии от торцевых стенок, имеет зазор относительно диэлектрических лопастей крыльчатки рабочего колеса вентилятора и подключен к источнику высокого напряжения положительной полярности.

3. Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом по п.1 или 2, отличающийся тем, что площадь пластины дополнительного плоского электрода перекрывает площадь каждой из гребенок коронирующего электрода.