ОЗОНАТОР Российский патент 2011 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к аппаратам синтеза озона из кислородосодержащих газов.

Как правило, генераторы озона представляют собой аппараты, содержащие два высокопроводящих электрода, к которым прикладывается высокое напряжение, на электродах располагаются диэлектрические барьеры и в газовом промежутке вырабатывается озон во время так называемого барьерного разряда [1].

При разряде значительная часть энергии превращается в тепло, нагревая как озоносодержащий газ, так и диэлектрические барьеры, что приводит к снижению выработки озона за счет распадения его при повышенной температуре.

В этом же источнике информации описаны устройства с воздушным и водяным охлаждением озонатора, что позволяет повысить его производительность. Однако такое повышение имеет ограничение. Действительно, через электроды интенсивно охлаждаются диэлектрические барьеры и частично озоносодержащий газ. Непосредственное тепловое воздействие самого разряда на озон остается неизменным, так как его параметры, в том числе и температура, не зависят от эффективности охлаждения.

Техническим решением задачи является повышение производительности.

Поставленная задача решается тем, что в озонаторе (прототип [1]), содержащем подключенные произвольным образом к высоковольтному источнику переменного напряжения два высокопроводящих электрода, образующих газообразный промежуток с расположенными в нем на электродах диэлектрическими барьерами, электроды выполнены высокоомными, а подключение к высоковольтному источнику состоит из токоподводов, равномерно распределенных по электродам с шагом, обеспечивающим сопротивление между токоподводами 3÷5 кОм, причем расположение токоподводов одного электрода смещено на полшага относительно токоподводов другого электрода.

На фиг.1 изображена схема озонатора с присутствием микроразрядов; на фиг.2 - временные формы импульса тока микроразряда.

Озонатор состоит из двух диэлектрических барьеров 1, за которыми размещены высокоомные электроды 2, через токоподводы 3 подключенные к источнику высокого переменного напряжения 4; в рабочем зазоре изображены микроразряды 5.

На фиг.2 представлены временные формы импульса тока микроразряда: кривая 1 - для прототипа, кривая 2 - предполагаемого озонатора. Здесь I_m1, I_m2 - амплитуды тока; t_ф - время формирования микроразряда; τ₁, τ₂ - постоянные времени завершения микроразряда.

Озонатор работает следующим образом. На высокоомные электроды 2 подают напряжение от высоковольтного источника питания 4. Через газовый зазор, образуемый барьерами 1, продувается кислородосодержащий газ, который под воздействием разряда превращается в озон. В процессе разряда все элементы озонатора нагреваются.

В предлагаемом озонаторе уменьшается нагрев самого барьерного разряда, что при одинаковом охлаждении снижает и температуру озоносодержащего газа. В итоге меньшее количество озона подвергается разложению. При одинаковом начальном синтезе озона производительность озонатора увеличивается.

Это следует из дискретной структуры барьерного разряда [2]. Барьерный разряд состоит из отдельных частичных разрядов (микроразрядов). Поэтому эффекты, связанные с производительностью и нагревом, определяются каждым микроразрядом. Согласно [2] фиг.2 (кривая 1) основная составляющая переносимого заряда приходится на стадию завершения разряда (стадия завершения носит затухающий экспоненциальный характер) и равна q=I_m1τ₁. Амплитуда тока в первом приближении определяется сопротивлением столба микроразряда:

,

здесь U_ист - напряжение источника питания в момент действия микроразряда;

U_б=U_а+U_к - прибарьерное падение напряжения, которое состоит из U_а - прианодного и U_к - прикатодного падений;

r_р - сопротивление столба микроразряда;

τ₁=r_рC_р - постоянные времени завершения разряда, где C_р - емкость микроразряда.

Тепло, выделяющееся в микроразряде, состоит из двух составляющих:

Q_б=U_бq=U_бI_m1τ₁ - прибарьерное выделение тепла;

- джоулево выделение тепла в канале микроразряда.

Численная оценка говорит о соизмеримости этих составляющих.

Используя в предлагаемом озонаторе электроды с повышенным сопротивлением фиг.2 (кривая 2), амплитуда тока микроразряда I_м2 уменьшится, а постоянная времени τ₂ увеличится в «к» раз:

, здесь r_э - сопротивление, вносимое высокоомными электродами.

В связи с этим прибарьерное выделение тепла и переносимый заряд остаются неизменными, а джоулево выделение тепла уменьшается в «к» раз. Поэтому начальный синтез озона остается прежним из-за неизменности заряда «q», а нагрев разряда, барьеров и озоногазовой смеси уменьшается и разложение озона падает. В итоге выход озона от отдельного микроразряда и соответственно предлагаемого озонатора увеличивается.

Необходимо отметить, что высокоомные электроды нагреваются от протекания тока более интенсивно, чем в прототипе. Нагрев от микроразряда в предлагаемом устройстве:

то есть насколько меньше стал нагреваться разряд, настолько больше стали нагреваться электроды. Однако, в прототипе [1], интенсивный нагрев электродов осуществляется через озоногазовую смесь и барьеры, что в итоге приводит к повышенному разложению озона. А повышенный нагрев электродов в предлагаемом озонаторе легко снимается за счет естественного либо принудительного охлаждения.

С целью обеспечения наибольшего эффекта величина вносимого сопротивления «r_э» должна быть соизмеримой с сопротивлением столба микроразряда «r_р». Значительное превышение «r_э» относительно «r_р» приводит к заметному снижению интенсивности процесса формирования микроразряда. Для поддержания заряда, переносимого микроразрядом и соответственно прежнего уровня синтеза озона необходимо повышать напряжение источника питания.

Кроме этого, надо обеспечить одинаковые условия формирования (одинаковые «r_э») для большинства микроразрядов. Поэтому подключение к электродам должно быть выполнено из токоподводов, равномерно распределенных по линейному размеру озонатора. Причем токоподводы одного электрода смещены на полшага относительно другого электрода. Такое расположение обеспечивает фиг.1 одинаковое суммарное расстояние от микроразряда 5 до ближайших токоподводов 3 противоположных электродов 1.

Исследования на действующем макете (электроды 1 выполнялись в виде графитового слоя) показали, что наибольшая производительность достигалась при сопротивлениях между соседними токоподводами, расположенными на одном электроде 3÷5 кОм. В предельном случае к каждому электроду 1 может быть подключено по одному токоподводу 3 к противоположным их концам. Причем сопротивление каждого электрода по всему линейному размеру должно быть в пределах 1,5÷2,5 кОм.

При проведении эксперимента осуществлялось сравнение по выходу озона озонатора с графитовыми электродами и озонатора той же геометрии с высокопроводящими электродами. Производительность предлагаемого озонатора на 80% оказалась выше. Эксперимент проходил с одинаковыми электрическими нагрузками (действующее напряжение высоковольтного источника питания U=10 кВ, при частоте источника питания f=400 Гц).

Источники информации

1. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М: Изд-во Моск. ун-та, 1987. - 237 с. (с.44-56).

2. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с. (с.32-36).

Изобретение относится к аппаратам синтеза озона из кислородосодержащих газов. Озонатор содержит два высокоомных электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания с помощью токоподводов, равномерно распределенных по электродам с шагом, обеспечивающим сопротивление между токоподводами 3-5 кОм. Расположение токоподводов одного электрода смещено на полшага относительно токоподводов другого электрода. Использование высокоомных электродов снижает нагрев в разрядной зоне озонатора, что приводит к повышению выхода озона. 2 ил.

Озонатор, содержащий подключенное произвольным образом к высоковольтному источнику переменного напряжения два высокопроводящих электрода, образующие газорарядный промежуток с расположенными в нем на электродах диэлектрическими барьерами, отличающийся тем, что электроды выполнены высокоомными, а подключение к высоковольтному источнику состоит из токоподводов, равномерно распределенных по электродам с шагом, обеспечивающим сопротивление между токоподводами 3÷5 кОм, причем расположение токоподводов одного электрода смещено на полшага относительно токоподводов другого электрода.