ОЗОНАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2015 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам для получения озона и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известен озонаторный комплекс [авторское свидетельство СССР №1763358, кл. C01B 13/11], включающий высоковольтный источник питания, ограничивающее сопротивление, посредством которого к источнику подключен генератор озона. Параллельно к генератору озона подключен посредством другого сопротивления искровой разрядник. При включении источника питания генератор озона заряжается. Одновременно до того же потенциала заряжается и искровой разрядник. При достижении на обкладках генератора озона величины напряжения зажигания разряда возбуждается барьерный разряд. При достижении на искровом промежутке напряжения пробоя происходит зажигание искры и емкость генератора озона разряжается с выделением энергии в барьерном разряде. В итоге процесс зарядки и разрядки генератора озона происходит автоматически. Частота следования разрядов регулируется как искровым управлением (изменением пробойного напряжения искрового промежутка), так и регулированием зарядных сопротивлений. Эксперимент показал, что при таком управлении частотой следования разрядов она увеличивается до 200-250 Гц.

Дальнейшее увеличение частоты следования лимитируется низкой скоростью восстановления электрической прочности искрового разрядника.

Известен озонаторный комплекс [Боромбаев М.К. и др. Электротехнический инвертор. Труды преподавателей. Вестник ЧГУ №11, 2004 г., рис 4., или Бойко И.Н., Борцов А.В., Иванькина А.И. Установка для получения импульсного коронного разряда с расширенной зоной ионизации и анализ выхода озона при обострении фронта импульсов напряжения, приводящих к разряду, и без обострения / Материалы первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители». Изд. «Книжный дом «Университет» М., 2005 г. С.141. Более подробно на сайте: http://www.kge.msu.ru/ozone.], содержащий высоковольтный источник напряжения с выпрямителем (на рисунке не показан), подключенный к нему коммутатор и генератор озона. Коммутатор выполнен в виде искрового разрядника, содержащего четыре неподвижных электрода, попарно установленных друг против друга с возможностью взаимодействия каждой пары при размещении на одной прямой (друг против друга) установленных на образующей окружности дисков электродов в виде лучей так, что пары неподвижных электродов поочередно взаимодействуют с электродами каждого из вращающихся дисков. Барьерный разряд формируется от высокого постоянного напряжения U_пит (после выпрямления). Диски Д1 и Д2 на оси электродвигателя повернуты относительно друг друга так, что если на диске Д1 электроды Э1,1 и Э1,2 находятся против концов лучей и здесь может произойти искровой разряд, то на диске Д2 электроды Э2,1 и Э2,2 находятся между двумя соседними лучами и искровой пробой здесь невозможен. При повороте оси двигателя на некоторый угол (1/64 радиана) искровой пробой возможен. При этом искровой пробой возможен на диске Д2, но невозможен на диске Д1. Таким образом, при вращении дисков последовательно открывается путь электрическому току от источника питания через ограничивающее (индуктивное) сопротивление R₁, искровой разряд на диске Д1 к барьерному разряднику БР. Происходят зажигание барьерного разряда и зарядка емкости барьерного разрядника. В следующей момент при повороте дисков на 1/64 радиана происходит отключение барьерного разрядника от источника питания U₀ и открывается путь току от заряженной емкости барьерного разрядника БР через искровой разряд на диске Д2 и ограничивающее (реактивное) сопротивление R2 на землю. При этом заряженная емкость барьерного разрядника разряжается сама на себя и вновь зажигается барьерный разряд. Таким образом, частота следования барьерных разрядов равна v=v₀N, где v₀ - частота вращения дисков, N - количество лучей (контактов) на дисках. В нашем случае N=32… Высокая скорость восстановления электрической прочности вращающегося разрядника позволяет повысить частоту следования барьерных разрядов до 1 кГц.

Основным недостатком такого комплекса является наличие постоянной составляющей в напряжении, которое прикладывается к электродам генератора озона. Такое напряжение возникает в процессе заряда и разряда генератора озона. А синтез озона осуществляется только за счет переменной составляющей. Кроме того, наличие двух дисков увеличивает габариты устройства.

Постоянная составляющая практически не участвует в процессе синтеза озона и приводит к увеличению напряжения питающего генератор озона. Увеличение напряжения приводит к преждевременному выходу из строя диэлектрического барьера и соответственно к уменьшению ресурса озонаторного комплекса.

Известен озонаторный комплекс, содержащий высоковольтный источник питания с выпрямителем, подключенный к нему генератор озона, коммутатор, подключенный через токоограничивающие сопротивления к источнику питания, а также к генератору озона. Коммутатор представляет собой искровой разрядник с неподвижными электродами, каждая пара которых образует разрядный промежуток и установлена с возможностью формирования искрового разряда с помощью инициирующих электродов, установленных во вращающемся диске, размещенном в разрядном промежутке, причем выпрямитель выполнен в виде параллельного удвоителя напряжения, состоящего из двух накопительных емкостей, присоединенных к выводам источника высокого напряжения через диоды, при этом к одной накопительной емкости диод подключен анодом, а другой диод к другой накопительной емкости подключен катодом, а инициирующие электроды размещены на вращающемся диске, расположенном одновременно в разрядных промежутках каждой пары так, что при вхождении одного из равномерно установленных в нем инициирующих электродов в разрядный промежуток одной из пар неподвижных электродов все остальные электроды остаются вне разрядного промежутка другой пары неподвижных электродов [патент RU на полезную модель №122084, МПК C01B 13/11].

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является озонаторный комплекс [Бойко И.Н., Борцов А.В., Иванькина А.И. Установка для получения импульсного коронного разряда с расширенной зоной ионизации и анализ выхода озона при обострении фронта импульсов напряжения, приводящих к разряду, и без обострения. //Материалы первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители». Изд. «Книжный дом «Университет» М., 2005 г. С.141. Более подробно на сайте: http://www.kge.msu.ru/ozone]. Озонаторный комплекс включает высоковольтный высокочастотный источник питания, ударную емкость, к которой подключен через коммутатор генератор озона. Коммутатор представляет собой многозазорный искровой разрядник. В этом озонаторном комплексе схема питания генератора озона позволяет в определенных пределах регулировать как частоту следования импульсов (до 2 кГц), так и его длительность от микросекундного до наносекундного диапазонов. Это позволяет использовать в озонаторном комплексе как барьерные, так и безбарьерные генераторы озона. К недостаткам этого озонаторного комплекса следует отнести ненадежность его работы, так как высоковольтный высокочастотный источник питания состоит из тиристорного генератора и высоковольтного трансформатора, а эксперименты показали, что защита тиристорного генератора от мощных электромагнитных наводок (помех), источником которых являются искровые разряды, представляет собой серьезную задачу. Кроме этого, высоковольтный коммутатор (многозазорный разрядник) работает в режиме самопробоя. В этом случае имеет место большой временной разброс срабатывания разрядника, вплоть до пропуска (отсутствие разряда).

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение стабильности работы озонаторного комплекса.

Этот технический результат достигается тем, что в озонаторном комплексе, содержащем высоковольтный высокочастотный источник питания и подключенную к нему ударную емкость, а также подключенный через коммутатор, выполненный в виде многозазорного искрового разрядника, генератор озона, в соответствии с изобретением высоковольтный источник питания представляет собой высоковольтный источник постоянного напряжения, а многозазорный искровой разрядник выполнен с неподвижными электродами, каждая пара которых образует разрядный промежуток и установлена с возможностью формирования искрового разряда с помощью инициирующих электродов, установленных во вращающемся диске, размещенном в разрядных промежутках, при этом инициирующие электроды равномерно установлены на вращающемся диске так, что при вхождении двух противоположно размещенных на диске инициирующих электродов в разрядные промежутки двух пар неподвижных электродов все остальные электроды остаются вне разрядных промежутков других пар неподвижных электродов, причем неподвижные электроды, расположенные по одну сторону от диска с инициирующими электродами, подключены к источнику питания через ударную емкость и импеданс, а неподвижные электроды, расположенные по другую сторону от диска с инициирующими электродами, подключены к генератору озона по мостовой схеме.

При этом каждые две пары неподвижных электродов могут быть зашунтированы высокоомными резисторами.

На фиг.1 представлена развернутая блок-схема озонаторного комплекса. Озонаторный комплекс состоит из высоковольтного источника постоянного напряжения 11, ударной емкости 12, зарядного импеданса 13, генератора озона 14 и вращающегося разрядника 15. Вращающийся разрядник состоит из четырех пар неподвижных электродов: (1 и 2), (3 и 4), (5 и 6), (7 и 8) и подвижных инициирующих электродов 9, расположенных на вращающемся диэлектрическом диске 10. Каждая пара неподвижных электродов образует разрядный промежуток. Вращающийся разрядник 15 выполнен с возможностью одновременного расположения инициирующих электродов 9 в разрядных промежутках 1 и 2, 3 и 4 на максимально возможном расстоянии от разрядных промежутков 5 и 6, 7 и 8, а при одновременном расположении инициирующих электродов 9 в промежутках 5 и 6, 7 и 8 при наибольшем удалении от разрядных промежутков 1 и 2, 3 и 4.

Таким образом, когда срабатывают одновременно две пары электродов, образующих промежутки, то две пары оставшихся обладают наибольшей электрической прочностью. Указанные пары электродов вращающегося разрядника 15 соединены по мостовой схеме. К каждому полюсу ударной емкости 12 подсоединены по две пары электродов, образующих промежутки: одна из пар, в промежутке которой находится один из инициирующих электродов 9, в то время как другая, в которой нет электродов. На выходе вращающегося разрядника 15 эти промежутки присоединены согласно мостовой схеме. Каждые две пары неподвижных электродов могут быть зашунтированы резисторами 16.

Озонаторный комплекс работает следующим образом: от высоковольтного источника постоянного напряжения 11 через зарядный импеданс 13 заряжается ударная емкость 12. За счет электродвигателя на фиг.1 (электродвигатель не показан) диск 10 с инициирующими электродами 9 беспрерывно вращается со скоростью “n”. При вхождении инициирующих электродов 9 в разрядные промежутки пар неподвижных электродов (1 и 2), (3 и 4) происходит пробой промежутков и напряжение подается на генератор озона 14. В итоге ударная емкость 12 разряжается на генератор озона 14. В момент срабатывания указанных промежутков другие два промежутка (5 и 6), (7 и 8) обладают наибольшей электрической прочностью. Затем по мере перемещения (вращения) инициирующих электродов 9 электрическая прочность промежутков (1 и 2), (3 и 4) возрастает. Ударная емкость 12 снова заряжается. При вхождении инициирующих электродов 9 в промежутки (5 и 6), (7 и 8) они пробиваются. И снова ударная емкость 12 разряжается на генератор озона 14. Мостовая схема подключения разрядных промежутков обеспечивает смену полярности импульсного напряжения, подаваемого на генератор озона 14 (как и в прототипе). Частота следования импульсов определяется следующей формулой

ƒ_имп=ƒ_n·N,

здесь ƒ_n - частота вращения диска разрядника,

N - количество инициирующих электродов.

Соответственно, величина импеданса 13 должна обеспечивать время заряда ударной емкости 12 согласно соотношению

t₃≤0,5/ƒ_имп,

коэффициент 0,5 обусловлен двойной частотой разряда ударной емкости 12.

ƒ_у=2ƒ_имп.

Длительность импульса определяется постоянной времени

τ=r_г(c_г+c_у),

здесь c_у - емкость ударного конденсатора, c_г - емкость генератора озона, r_г - активное сопротивление генератора озона.

Представленное устройство фактически представляет собой высоковольтный инвертор, преобразующий постоянное высокое напряжение в разнополярные импульсы.

Повышение стабильности работы обеспечивается использованием высоковольтного источника постоянного напряжения и в качестве коммутатора вращающегося разрядника. Высоковольтный источник постоянного напряжения состоит из высоковольтного трансформатора и высоковольтных полупроводниковых диодов. Все эти элементы помехоустойчивы практически от любых электромагнитных наводок. А вращающийся разрядник по сравнению с другими воздушными разрядниками обладает более высокой скоростью восстановления электрической прочности разрядных промежутков и широкой зоной устойчивого срабатывания. Для достижения еще большей стабильности в работе озонаторного комплекса один из разрядных промежутков пар неподвижных электродов (1 и 2) или (3 и 4), а также (5 и 6) или (7 и 8) зашунтирован высокоомными резисторами 16. В этом случае все зарядное напряжение ударной емкости прикладывается только к одному нешунтируемому промежутку и после его пробоя все напряжение прикладывается к шунтируемому промежутку. После пробоя шунтируемого промежутка импульс напряжения прикладывается к генератору озона, при этом повышается надежность срабатывания вращающегося разрядника и происходит обострение фронта импульса.

Изобретение относится к устройству для получения озона и направлено на совершенствование схемы электрического питания генератора озона озонаторного комплекса. Озонаторный комплекс содержит высоковольтный высокочастотный источник питания и подключенную к нему ударную емкость, а также подключенный через коммутатор и выполненный в виде многозазорного искрового разрядника генератор озона. Причем высоковольтный источник питания представляет собой высоковольтный источник постоянного напряжения, а многозазорный искровой разрядник выполнен с неподвижными электродами. Каждая пара неподвижных электродов образует разрядный промежуток и установлена с возможностью формирования искрового разряда при помощи инициирующих электродов, установленных во вращающемся диске, размещенном в разрядных промежутках. При этом инициирующие электроды равномерно установлены на вращающемся диске так, что при вхождении двух противоположно размещенных на диске инициирующих электродов в разрядные промежутки двух пар неподвижных электродов все остальные электроды остаются вне разрядных промежутков других пар неподвижных электродов. Неподвижные электроды, расположенные по одну сторону от диска с инициирующими электродами, подключены к источнику питания через ударную емкость и импеданс, а неподвижные электроды, расположенные по другую сторону от диска с инициирующими электродами, подключены к генератору озона по мостовой схеме. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение стабильности работы озонаторного комплекса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Озонаторный комплекс, содержащий высоковольтный высокочастотный источник питания и подключенную к нему ударную емкость, а также подключенный через коммутатор, выполненный в виде многозазорного искрового разрядника генератор озона, отличающийся тем, что высоковольтный источник питания представляет собой высоковольтный источник постоянного напряжения, а многозазорный искровой разрядник выполнен с неподвижными электродами, каждая пара которых образует разрядный промежуток и установлена с возможностью формирования искрового разряда с помощью инициирующих электродов, установленных во вращающемся диске, размещенном в разрядных промежутках, при этом инициирующие электроды равномерно установлены на вращающемся диске так, что при вхождении двух противоположно размещенных на диске инициирующих электродов в разрядные промежутки двух пар неподвижных электродов все остальные электроды остаются вне разрядных промежутков других пар неподвижных электродов, причем неподвижные электроды, расположенные по одну сторону от диска с инициирующими электродами, подключены к источнику питания через ударную емкость и импеданс, а неподвижные электроды, расположенные по другую сторону от диска с инициирующими электродами, подключены к генератору озона по мостовой схеме.

2. Озонаторный комплекс по п.1, отличающийся тем, что каждые две пары неподвижных электродов зашунтированы высокоомными резисторами.