УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОЗОНА Российский патент 2013 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам для генерирования озона и может быть использовано для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод, воздуха в помещениях, а также в медицине, в промышленности, в сельском хозяйстве и других отраслях.

Известно устройство для генерирования озона [1], содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, штуцеры для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцеры для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, а также источник питания, выводы которого подключены к электродам. Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин. Перемычки выполнены кольцевыми с множественными отверстиями и прорезью, площадь которой равна площади сечения штуцера для подвода теплоносителя к электродам, и закреплены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин электродов, жестко связывая пластины электродов между собой, причем площадь суммарного сечения отверстий в перемычках выполнена намного меньшей площади сечения канала, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении, а проходящая в электроде часть штуцера для подвода теплоносителя выполнена повторяющей форму сечения гофров электрода, расположена радиально и конец ее размещен у внутренней кромки электрода.

Недостатками данного устройства для генерирования озона являются недостаточно эффективное охлаждение электродов вследствие уменьшения скорости течения охлаждающей жидкости от центра к периферии, а также сложность технологии жесткого соединения перемычек с пластинами электродов внутри замкнутой полости.

Известно устройство для генерирования озона [2], содержащее сосуд, снабженный с одной стороны приемной камерой для кислородсодержащего газа, имеющей входной штуцер; с другой стороны имеющий приемную камеру для озонсодержащего газа, снабженную выходным штуцером; цилиндрические трубчатые (заземленные) электроды с диэлектрическим покрытием на внутренней поверхности, соединяющие приемные камеры для кислородсодержащего и озонсодержащего газа; полые цилиндрические высоковольтные электроды, охлаждаемые жидкостью и устанавливаемые внутри заземленных электродов, соосно с ними; высокочастотный источник питания, подключенный к высоковольтным и заземленным электродам; систему жидкостного охлаждения. Соосность взаимного расположения электродов достигается использованием центрирующих элементов, выполненных в виде выступов на наружной поверхности высоковольтного электрода, опирающихся на диэлектрическое покрытие наружного электрода вблизи его концов, и подпружиненных упоров, установленных также на высоковольтном электроде внутри разрядного промежутка и опирающихся на диэлектрическое покрытие наружного электрода.

Недостатком устройства является расположение дистанцирующих элементов непосредственно в разрядном промежутке, образованном заземленным и высоковольтным электродами, что приводит к возникновению повышенных механических напряжений в диэлектрическом барьере, обусловленных весом заполненного охлаждающей жидкостью высоковольтного электрода и усилиями, воздействующими на диэлектрическое покрытие в процессе монтажа, а также к увеличению напряженности электрического поля в диэлектрике в местах его контакта с центрирующими элементами.

Известно устройство для генерирования озона [3], содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные пластинчатые электроды, между которыми находятся дистанцирующие вставки. Электроды имеют центральные отверстия для прохода газа и выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем, покрыты снаружи диэлектриком, чередуются через один и выполнены из герметично соединенных между собой параллельных пластин, образующих внутреннюю полость, в которой расположены установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин электродов перемычки, жестко связывающие пластины между собой. Пластины электродов выполнены с выступающими за пределы активной зоны электродов частями, а дистанцирующие диэлектрические вставки между электродами вынесены из зоны разряда и установлены по окружности между выступающими частями пластин соседних электродов. Штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них соединены с полостью электродов через инжекторы и коллекторы, выполненные в виде труб с отверстиями, расположенными у противоположных кромок электродов. Для крепления электродов между собой и к корпусу используются стяжные шпильки.

Недостатками устройства являются необходимость разборки всего разрядного блока для замены одного электрода, низкая эффективность теплообмена между стенкой электрода и потоком охлаждающей жидкости, снижающая производительность озонатора и обусловленная предусмотренным конструкцией радиальным течением охлаждающей жидкости с заведомо низкой скоростью (вследствие большого поперечного сечения потока), а также невозможность уменьшить неоднородность энерговыделения в разрядном промежутке, обусловленную погрешностью формы поверхности электрода и неоднородностью толщины диэлектрического покрытия, приводящую к снижению срока его службы, с помощью локальных регулировок ширины межэлектродного зазора.

Задачей изобретения является повышение технологичности изготовления электродов, увеличение производительности генератора озона, повышение надежности и срока службы устройства для генерирования озона.

Техническим результатом изобретения является повышение жесткости конструкции электродов, повышение эффективности отвода тепла из газоразрядного промежутка, выравнивание электрического поля в зоне разряда, обеспечение возможности регулировки величины разрядного промежутка, и, следовательно, увеличение выхода озона и уменьшение вероятности разрушения диэлектрического покрытия электродов в зоне разряда.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для генерирования озона, содержащем расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные пластинчатые электроды, покрытые снаружи диэлектриком, чередующиеся через один, выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых пластин, образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин и жестко связывающие их между собой, причем пластины электродов выполнены с выступающими за пределы активной зоны электродов частями, штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и штуцеры для отвода теплоносителя от электродов; источник питания, выводы которого подключены к электродам; штуцеры для подвода рабочего кислородсодержащего газа и теплоносителя и штуцеры для отвода газоозоновой смеси и теплоносителя; первая внутренняя и все нечетные перемычки жестко соединены с одной пластиной электрода, а все четные перемычки жестко соединены с другой пластиной электрода, причем в перемычках выполнены отверстия для прохода штуцера подвода теплоносителя и отверстия для прохода запирающих стержней, равномерно расположенных по окружности в радиальном направлении, на выступающих частях кольцевых пластин выполнены полуцилиндрические впадины для прохода штуцеров подвода и отвода теплоносителя и запирающих стержней, причем три стержня, расположенные под углом 120° относительно друг друга, выходят за внешнюю кромку электрода и являются элементами крепления электрода на специальных стойках, дополнительно установленных в корпусе устройства для генерирования озона и имеющих отверстия для установки стержней крепления электродов, расположенные на определенном расстоянии друг от друга.

Отверстия в стойках, предназначенных для крепления электродов, могут быть выполнены с резьбой для закручивания в них винтов из диэлектрического материала, имеющих отверстие, равное диаметру стержня и расположенное с заданным эксцентриситетом относительно оси винта.

В число определяемых конструкцией характеристик генератора озона, влияющих на его производительность и величину удельных энергозатрат на производство озона, в частности, входят поддерживаемая в работе температура электродов (определяемая их тепловым сопротивлением, температурой охлаждающей жидкости и эффективностью теплообмена между потоком жидкости и стенкой электрода) и величина межэлектродного зазора, непостоянство которой в межэлектродном пространстве не только снижает эффективность электросинтеза озона, но и является причиной неоднородности тепловыделения в разрядном промежутке и, как следствие, сокращения срока службы электродов.

Повышение эффективности теплообмена между потоком охлаждающей жидкости и стенкой электрода достигается за счет интенсивного перемешивания потока (увеличение скорости потока, изменение его направления, применение турбулизаторов и т.п.); для уменьшения разброса локальных значений величины межэлектродного зазора большое значение имеет жесткость электрода, определяемая его конструкцией.

Жесткое крепление дистанцирующих перемычек к пластинам электродов и соединение пластин с помощью запирающих стержней позволяет повысить жесткость конструкции, тем самым уменьшить деформацию пластин электродов в процессе изготовления и эксплуатации устройства для генерирования озона, обеспечить стабильность, повысить надежность и срок службы устройства.

Крепление электродов на специальных стойках винтами с эксцентрично расположенными отверстиями позволяет исключить из конструкции устройства дистанцирующие межэлектродные вставки из диэлектрического материала, уменьшить влияние неравномерности диэлектрического покрытия и неплоскостности электрода на характеристики разряда, ускорить процесс наладки устройства, упростить технологию изготовления электродов.

На фиг.1 представлен внешний вид электродной сборки устройства для генерирования озона, на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 показано сечение Б-Б на фиг.2, на фиг.4 изображен вид В на фиг.3.

Устройство для генерирования озона содержит расположенные в герметичном корпусе 1 высоковольтные 2 и заземленные 3 пластинчатые электроды (фиг.1), изготовленные из нержавеющей стали, имеющие центральное отверстие 4 (фиг.3) для прохода озоносодержащей смеси и выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, покрытые снаружи короностойким диэлектриком и чередующиеся через один. Высоковольтные электроды имеют вывод 5, а заземленные - вывод 6 для присоединения высоковольтного высокочастотного источника питания (фиг.2). Электроды 2, 3 выполнены из герметично соединенных между собой по кромкам 7, 8 (фиг.3) кольцевых плоских пластин 9, 10 (фиг.3), образующих внутреннюю полость 11 (фиг.3), в которой расположены дистанцирующие проставки 12, 13, 14, 15 (фиг.3), разделенные на четную и нечетную группы (в порядке расположения от центра), каждая из которых жестко соединена (например, сваркой) с соответствующей пластиной электрода. Перемычки 12, 13, 14, 15 с прорезями для движения теплоносителя имеют форму концентрических цилиндров, в которых выполнены отверстия (нечетная группа) для прохода штуцера подвода теплоносителя 16 (фиг.2), а также отверстия для прохода стержней 17 (фиг.2), соединяющих противоположные пластины электродов 9, 10 (фиг.3) при сборке. Стержни 17 расположены равномерно по окружности в радиальном направлении, причем три из них, установленные под углом 120° относительно друг друга, выступают за внешнюю кромку электрода и служат элементами крепления электродов в устройстве для генерирования озона.

Устройство для генерирования озона снабжено штуцерами для подвода рабочего кислородосодержащего газа 18 и теплоносителя 19 (фиг.1) и штуцерами для отвода теплоносителя 20 и газоозоновой смеси 21 (фиг.1), а также штуцерами для подвода теплоносителя к электродам 22 и отвода теплоносителя от них 23 (фиг.2). Распределение теплоносителя по электродам происходит через раздающий 24 и собирающий 25 коллекторы (фиг.1, фиг.2). Высоковольтные электроды 2 (фиг.1, фиг.2) соединены с раздающим 24 и собирающим 25 коллектором через шланг 26 (фиг.2) из изоляционного материала, длина и диаметр которого выбираются из условия обеспечения высокого омического сопротивления. Пластины 9, 10 электродов имеют на внешней кромке полуцилиндрические впадины 27 (фиг.4) для прохода стержней 17.

Для крепления и дистанцирования электродов в корпусе устройства расположены специальные стойки 28 (фиг.1, фиг.2), в которых выполнены расположенные на определенном расстоянии отверстия 29 (фиг.2) для установки стержней крепления электродов 17. Отверстия могут быть выполнены с резьбой для закручивания в них крепежных винтов 30 (фиг.1) из диэлектрического материала. В винтах выполнены отверстия 31 (фиг.1), в которые устанавливаются выступающие за пределы внешней кромки электрода концы стержней 17, причем диаметр отверстий 31 равен диаметру стержней, а ось отверстия расположена с заданным эксцентриситетом относительно оси винта 30, что позволяет проводить регулировку положения электродов в пределах двух эксцентриситетов при вращении винта на угол 180°, т.е. регулировать длину разрядного промежутка.

Устройство работает следующим образом.

Через раздающий 24 и собирающий 25 коллекторы, установленные внутри герметичного корпуса 1 устройства для генерирования озона и имеющие соответственно штуцер 19 подвода и штуцер 20 отвода теплоносителя на внешней стороне корпуса, охлажденный теплоноситель через штуцер подвода теплоносителя к электродам 22 поступает во внутреннюю полость электрода 11, движется по кольцевым каналам, образованным соседними дистанцирующими проставками, с заданной скоростью от центра к периферии и через штуцер отвода теплоносителя от электрода 23, сборный коллектор 25 и штуцер 20 отвода теплоносителя направляется в устройство охлаждения теплоносителя.

Очищенный и осушенный кислородосодержащий газ подают в корпус 1 устройства для генерирования озона через штуцер 18, направляют в пространство между электродами 2, 3 от периферии к центру. Под действием приложенного к электродам высокочастотного переменного напряжения между электродами возникает барьерный разряд, который воздействует на кислородосодержащий газ, приводя к образованию озона. Полученная озоногазовая смесь через центральные отверстия 4 в электродах поступает к штуцеру 21 отвода озоногазовой смеси, расположенному на внешней стороне корпуса устройства для генерирования озона, и далее к потребителю.

Тепло, выделяющееся в разрядном промежутке при протекании разрядного тока, нагревает поверхности электродов, что значительно ухудшает синтез озона. Эффективный отвод тепла от поверхности электрода достигается за счет организованного движения теплоносителя по каналам, сформированным дистанцирующими проставками, от центра к периферии встречно-перекрестно потоку кислородосодержащего газа. Создание перекрестно-встречного направления потоков кислородосодержащего газа и потоков теплоносителя во всей активной зоне барьерного разряда приводит к исключению образования застойных зон, выравниванию температурного поля по разрядному промежутку и интенсификации процессов теплообмена.

Кроме того, периодические развороты потока на 180° при переходе в соседний кольцевой канал, а также наличие в потоке теплоносителя запирающих стержней, приводят к дополнительной турбулизации потока теплоносителя, и, следовательно, увеличению отвода тепла от поверхности электрода.

Применение запирающих стержней упрощает технологию соединения кольцевых пластин электрода, обеспечивает надежность соединения. Жесткость конструкции электрода исключает возможность разрушения короностойкого диэлектрика на поверхности электрода из-за деформации поверхности под действием сил давления (теплоносителя и газа), обеспечивает равномерность электрического поля вследствие удаления дистанцирующих прокладок из газоразрядного промежутка, и тем самым повышает надежность и долговечность устройства.

Крепление электродов на специальных стойках с помощью винтов с отверстиями, расположенными с заданным эксцентриситетом относительно оси винта, позволяет регулировать величину разрядного промежутка с целью обеспечения оптимального режима работы устройства для генерирования озона по энергозатратам и производительности.

Использование изобретения приводит к повышению надежности и долговечности устройства. Одновременно повышается эффективность охлаждения электродов за счет направленного движения теплоносителя и турбулизации потока теплоносителя, улучшаются характеристики разряда за счет возможности регулировки длины разрядного промежутка, что позволяет уменьшить энергозатраты на синтез озона и повысить производительность устройства для генерирования озона.

Источники информации

1. Патент РФ №2239597, МПК С01В 13/11, приоритет от 28.08.2003.

2. Патент US 6027701, МПК В01J 19/08, C01B 13/10, приоритет от 22.02.2000.

3. Патент РФ №2255897, МПК C01B 13/11, приоритет от 05.01.2004.

Изобретение может быть использовано для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод и воздуха в помещениях. Устройство содержит расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные пластинчатые электроды, имеющие центральные отверстия и выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцеры для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцеры для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси. Электроды выполнены из герметично соединенных между собой параллельных пластин, образующих внутреннюю полость, в которой расположены установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин электродов перемычки, жестко связывающие пластины между собой, штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них. Пластины электродов выполнены с выступающими за пределы активной зоны электродов частями. Первая внутренняя и все нечетные дистанцирующие перемычки жестко прикреплены к одной пластине электрода, а все четные дистанцирующие перемычки жестко прикреплены к другой пластине. На внешней кромке кольцевых пластин выполнены полуцилиндрические впадины для прохода запирающих стержней, которые, проходя через отверстия в дистанцирующих перемычках, соединяют кольцевые пластины и обеспечивают жесткую конструкцию электрода. Три стержня, расположенные под углом 120° относительно друг друга, выходят за пределы внешней кромки электрода и являются элементами крепления электрода к несущим стойкам, имеющим отверстия для установки стержней крепления электродов, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для генерирования озона, содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные пластинчатые электроды, имеющие центральные отверстия и выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцеры для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцеры для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, причем электроды выполнены из герметично соединенных между собой параллельных пластин, образующих внутреннюю полость, в которой расположены установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин электродов перемычки, жестко связывающие пластины между собой, штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, причем пластины электродов выполнены с выступающими за пределы активной зоны электродов частями, отличающееся тем, что первая внутренняя и все нечетные дистанцирующие перемычки жестко прикреплены к одной пластине электрода, а все четные дистанцирующие перемычки жестко прикреплены к другой пластине, причем на внешней кромке кольцевых пластин выполнены полуцилиндрические впадины для прохода запирающих стержней, которые, проходя через отверстия в дистанцирующих перемычках, соединяют кольцевые пластины и обеспечивают жесткую конструкцию электрода, при этом три стержня, расположенных под углом 120° относительно друг друга, выходят за пределы внешней кромки электрода и являются элементами крепления электрода к несущим стойкам, имеющим отверстия для установки стержней крепления электродов, расположенные на определенном расстоянии друг от друга.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулировки длины разрядного промежутка, отверстия для установки стержней крепления электродов выполнены с резьбой для закручивания в них винтов из диэлектрического материала, имеющих отверстие, равное диаметру стержня и выполненное с заданным эксцентриситетом относительно оси винта.