ПОЛУЧЕНИЕ ОЗОНА В ПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКЕ С ПРЯМЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК C01B13/11 B01J19/08 

Настоящее изобретение относится к генератору озона, содержащему высоковольтный электрод и по меньшей мере один противоэлектрод, ограничивающие промежуток, в котором размещены по меньшей мере один диэлектрик и неэлектропроводящая структура.

КПД озонаторов в большой степени зависит от температуры в разрядном промежутке. Это связано с тем, что, с одной стороны, реакция образования озона лучше протекает при низкой температуре, а, с другой стороны, кинетика механизма разрушения озона растет экспоненциально с ростом температуры. Таким образом, эффективное охлаждение разрядного промежутка обязательно необходимо для эффективного генерирования озона. В уровне техники известны генераторы озона с односторонним или двухсторонним водяным охлаждением. Лимитирующим фактором при этом является теплопроводность в разрядном промежутке. По сравнению с газом, проходящим через разрядный промежуток, теплопроводность материала электродов, например нержавеющей стали, на два-три порядка выше.

В US 5 855 856 раскрыто несколько способов охлаждения генератора озона. Трубчатый генератор озона выполнен с внутренним и наружным охлаждением. Внутри этих охлаждающих камер расположены поглощающие тепло объекты в виде щепы или волокон. Эти объекты изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью и некоррозионными свойствами. Газ подают в генератор озона по касательной, чтобы создать вихревой поток, дополнительно охлаждающий внутренние электроды. Кроме того, часть газового продукта отводят, охлаждают и снова вводят в газ. Вся эта конструкция очень сложна и не решает проблему лимитирующего теплоотвода из разрядного промежутка.

В документе EP 0 369 366 A3 описана конфигурация, в которой в реакционном объеме размещено большое количество теплопроводящих твердых материалов. Эти твердые материалы предназначены для выравнивания температуры между высокотемпературными зонами и зонами с низкой температурой в озоновом реакторе. Для этого твердые материалы должны соприкасаться друг с другом и необходимо, чтобы они контактировали с диэлектриком и/или электродом и/или обоими электродами.

Комбинация электропроводящих и неэлектропроводящих материалов описана в патентной заявке US 648 764. Шарики или пластинки из обоих материалов расположены в ряд подобно нитке жемчуга. Размер шариков неэлектропроводящего материала больше, так как увеличенное расстояние между электрическим проводником и диэлектрическим сепаратором обеспечивает увеличение выхода озона.

Размещение диэлектрических материалов служит, как правило, для регулирования ширины промежутка (разделитель), в качестве материала, возмущающего поток (перемешивание газа), или для направления потока.

Задача настоящего изобретения - создать генератор озона с хорошей теплопередачей в разрядном промежутке. Задача изобретения - предложить также неэлектропроводящую структуру, которая эффективно отводит тепло, для применения в камере генератора озона, через которую проходит газ.

Понятие «текстильный материал» известно из текстильного производства (англ.: woven or non-woven fabric- тканый или нетканый материал). Текстильным материалом можно назвать любую плоскую структуру, изготовленную по текстильной технологии из текстильного сырья. В рамках настоящей патентной заявки под текстильным материалом понимается любая ровная, изогнутая или выгнутая структура, изготовленная по текстильной технологии. К таким структурам относятся, в том числе, нетканые материалы из нитей, такие как ткань, трикотаж, плетеные материалы и сети, и волокнистые нетканые материалы, такие как нетканое полотно и вата. С другой стороны, под понятием структуры понимается любой вид текстильного материала, а также более тяжелые структуры, такие как решетки.

Указанную задачу решают посредством описанного ниже генератора озона.

Так как в генераторе озона неэлектронепроводящая структура выполнена с порами, причем номинальный размер (x) пор составляет 100мкм < x < 1мм, высвобождающееся при единичном разряде тепло передается быстро и непосредственно в неэлектропроводящую структуру, что снижает разрушение озона вследствие падения температуры. Это обеспечивает повышение КПД генератора озона.

Простоту изготовления конструкции обеспечивает неэлектропроводящая структура, которая является текстильным материалом. В частности, неэлектропроводящая структура может быть тканым или плетеным материалом.

Дальнейшее отвод тепла повышается за счет того, что по меньшей мере частично неэлектропроводящая структура прилегает к указанному по меньшей мере одному диэлектрику.

Предпочтительно номинальный размер пор структуры составляет более 100 мкм и менее 1000 мкм, в частности менее 750 мкм. При этом, в частности, предпочтителен номинальный размер пор (x) менее 500 мкм и особенно предпочтительно менее 250 мкм.

Неэлектропроводящая структура предпочтительно изготавливается из керамики и/или стекла.

Особенно высокий КПД обеспечивается, если высоковольтный электрод также по меньшей мере частично сформирован из металлической ткани.

Задачу решают также посредством неэлектропроводящей структуры, по родовому понятию, с порами, номинальный размер (x) которых составляет 100 мкм < x <1 мм. При этом предпочтительно выполнение неэлектропроводящей структуры из стекловолокна или керамического волокна.

Для особенно высокого КПД предпочтителен номинальный размер (x) пор, составляющий 100 мкм < x <250 мкм, который обеспечивает особенно эффективный отвод тепла.

Вариант осуществления изобретения более подробно описан на примере, показанном на чертежах, на которых изображено:

Фигура 1: компоновка электродов генератора озона с одним промежутком;

Фигура 2: компоновка с комбинацией электродов и текстильного материала; и

Фигура 3: неметаллическое текстильное изделие.

На Фигуре 1 показано схематично поперечное сечение компоновки электродов генератора 1 озона с одним разрядным промежутком, выполненного конструктивно в виде озонатора пластинчатого типа без текстильного материала в разрядном промежутке. В этом смысле Фигура 1 отражает существующий уровень техники. Такие генераторы 1 озона выполняют в зависимости от области применения в виде пластинчатых генераторов озона или трубчатых генераторов озона.

Пластинчатые озонаторы содержат высоковольтный электрод 2 и по меньшей мере один противоэлектрод 4, выполненные в виде пластин. Электроды 2, 4 ограничивают промежуток 5, через который пропускается кислородосодержащий газ 6 и в котором установлен диэлектрик 3. Как правило, пластинчатые озонаторы охлаждают хладагентом вдоль одной или двух внешних сторон электродов 2, 4. В качестве хладагента используют воздух и воду.

Трубчатые генераторы озона применяют, как правило, группами. При этом генераторы озона устанавливают по типу трубчатого секционного теплообменника параллельно друг другу между двумя трубными решетками. Трубчатые генераторы озона аналогично пластинчатым генераторам озона содержат трубчатый высоковольтный электрод 2, трубчатый диэлектрик 3 и трубчатый противоэлектрод 4. Компоновка является осесимметричной. Высоковольтный электрод 2 и противолектрод 4 являются коаксиальными. Они ограничивают промежуток 5, через который проходит кислородосодержащий газ 6 и в котором установлен диэлектрик 3. Расположенный снаружи противоэлектрод 4 выполнен в виде трубки из нержавеющей стали. Теплота, выделяющаяся при получении озона, отводится за счет использования охлаждающей воды (обозначенной на Фигуре 1 как H₂O), которая проходит вдоль внешней стороны противоэлектрода 4. При этом существует возможность двухстороннего охлаждения генератора 1 путем подачи потока охлаждающей воды по внутренней стороне высоковольтного электрода 2.

Для получения озона молекулярный кислород сначала диссоциируют в атомарный кислород, который затем взаимодействует с молекулой кислорода с образованием озона. Теоретическая величина 1,47 эВ, требующаяся для получения молекулы озона, практически недостижима. Из-за потерь при многоступенчатом процессе реакции КПД озонатора значительно ниже. Сначала происходит диссоциация молекулы кислорода через различные состояния возбуждения молекулы кислорода. При распаде возбужденной молекулы кислорода или при образовании озона происходит высвобождение энергии, которая не используется далее при диссоциации молекул кислорода, но приводит к нагреву газа. Эти процессы происходят непосредственно в микроразрядах.

Согласно изобретению, в поток газа 6 генератора 1 озона (пластинчатого или трубчатого) или в разрядный промежуток вводят неэлектропроводящую структуру 7, показанную в варианте осуществления по Фигуре 2. Неэлектропроводящая структура 7 состоит из пористого материала с хорошей теплопроводностью. Пористость неэлектропроводящего материала определяется по номинальному размеру пор, соответствующих среднему размеру пор (арифметическое средство). При этом размер пор - это диаметр самого крупного сферического шарика, проходящего сквозь поры. Номинальный размер пор неэлектропроводящего материала соответствует размеру микроразрядов в разрядном промежутке. Диаметр микроразрядов составляет примерно 100 мкм. Следовательно, размер пор неэлектропроводящего материала составляет предпочтительно от 100 мкм до 1 мм. Таким образом, неэлектропроводящая структура 7 имеет прямую тепловую связь с разрядом и с примыкающими поверхностями холодного электрода и диэлектрика. Структура 7 контактирует с диэлектриком 3 и электродом 2 во множестве точек или имеет по меньшей мере частично плоскостное контактирование. Контактная поверхность при этом должна быть максимально большой. Неэлектропроводящий материал имеет устойчивость к воздействию озона и коррозии. При этом предпочтительно, если структура 7 выполнена из стекловолокна или керамического волокна 9. Поры в структуре 7 обеспечивают прямую тепловую связь с микроразрядами.

Предпочтительный вариант структуры 7 показан на Фигуре 3, представляющей собой фотографию, полученную с помощью микроскопа, тканого материала из керамических элементарных волокон.

Все описанные варианты осуществления изобретения применимы как для трубчатых, так и для пластинчатых генераторов озона. Особенно предпочтительна установка структуры по данному изобретению в системах с несколькими разрядными промежутками, которые имеют увеличенные пути передачи тепла по сравнению с генераторами озона с одним разрядным промежутком. При этом неэлектропроводящая структура 7 может быть размещена во внешнем промежутке и/или по меньшей мере в одном из внутренних промежутков.

Структура помещается в разрядный промежуток с несущими материалами или без них. Несущие материалы могут быть выполнены в любом виде, например, виде планок, трубок, пластин и т.д.

Высоковольтный электрод может быть выполнен полностью или частично из металлической ткани. В этой связи на Фигуре 2 показано, что некоторое количество электрических проводников 8 переплетено со структурой, выполненной из керамических волокон 9.

Генератор озона по данному изобретению, а также неэлектропроводящая пористая структура повышают КПД генераторов озона за счет увеличения теплообмена в разрядном промежутке. Неэлектропроводящая структура имеет наряду с порами, которые непосредственно связаны с микроразрядами и отводят тепло, максимально возможную поверхность контакта с поверхностями соседнего электрода и/или диэлектрика. Это обеспечивает возможность добиться очень высокого КПД охлаждения при большей ширине разрядного промежутка. Хорошая тепловая связь обеспечивает возможность получения озона при высоких температурах, более 40°C.

Изобретение относится к генератору озона, содержащему высоковольтный электрод и по меньшей мере один противоэлектрод, ограничивающие промежуток, в котором установлены по меньшей мере один диэлектрик и неэлектропроводящая структура и через который протекает газ в направлении течения потока газа, при этом высоковольтный электрод и указанный по меньшей мере один противоэлектрод подключены к источнику электрического напряжения для генерации тихих разрядов, причем неэлектропроводящая структура является текстильным материалом и имеет поры с номинальным размером (х) пор в диапазоне: 100 мкм< x <1 мм. Изобретение обеспечивает повышение КПД генератора озона, а также улучшение теплопередачи в разрядном промежутке. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор (1) озона, содержащий высоковольтный электрод (2) и по меньшей мере один противоэлектрод (4), ограничивающие промежуток (5), в котором размещены по меньшей мере один диэлектрик (3) и неэлектропроводящая структура (7) и через который протекает поток газа (6) в направлении течения, при этом высоковольтный электрод (2) и указанный по меньшей мере один противоэлектрод (4) подключены к источнику электрического напряжения для генерации тихих разрядов, а неэлектропроводящая структура (7) имеет поры с номинальным размером (х) пор в диапазоне: 100 мкм < x <1 мм, отличающийся тем, что неэлектропроводящая структура является текстильным материалом.

2. Генератор (1) озона по п. 1, отличающийся тем, что неэлектропроводящая структура (7) является тканым материалом или плетеным материалом.

3. Генератор (1) озона по п. 1 или 2, отличающийся тем, что неэлектропроводящая структура (7) по меньшей мере частично прилегает своей поверхностью к указанному по меньшей мере одному диэлектрику (3).

4. Генератор (1) озона по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что номинальный размер (x) пор составляет: 100 мкм< x <750 мкм.

5. Генератор (1) озона по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что номинальный размер (x) пор составляет: 100 мкм < x <500 мкм.

6. Генератор (1) озона по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что номинальный размер (x) пор составляет: 100 мкм < x <250 мкм.

7. Генератор (1) озона по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что неэлектропроводящая структура (7) выполнена из керамики и/или стекла.

8. Генератор (1) озона по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что высоковольтный электрод (2) выполнен по меньшей мере частично из металлической ткани.

9. Неэлектропроводящая структура (7) для применения в потоке газа генератора (1) озона, имеющая поры с номинальным размером (x) пор в диапазоне: 100 мкм < x <1 мм, отличающаяся тем, что является материалом, выполненным из стекловолокна или керамического волокна.

10. Неэлектропроводящая структура (7) по п. 9, отличающаяся тем, что номинальный размер (x) пор составляет: 100 мкм < x <250 мкм.