СВЕРХЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР КИСЛОРОДНО-ОЗОНОВОЙ СМЕСИ ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Российский патент 2025 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к области газовой электрохимии и может быть использовано в химической, машиностроительной, металлургической отраслях промышленности, энергетике, медицине, сельском хозяйстве, а также для его применения на мобильных и летательных аппаратах.

Озон (О₃) - неустойчивое вещество, сильный окислитель. Скорость разложения озона растет с ростом температуры (время полураспада О₃: 0°С - несколько суток; 50°С - несколько минут). При высоких концентрациях (>25%) он способен спонтанно разлагаться со взрывом даже при низких температурах. Хорошо растворим в воде (на порядок лучше, чем кислород), адсорбируется алюмогелями и силикагелями.

Озон представляет интерес как окислитель ракетного топлива, как окислитель в топливных элементах, как окислитель в низкотемпературных химических реакциях с органическими и другими веществами. Кроме того, озон обладает коагулирующим, бактерицидным и антивирусным действием, что позволяет использовать его для очистки воды и воздуха, для стерилизации продуктов питания и другой продукции при длительном хранении.

Известны электроразрядные методы получения озона, в т.ч. для разрядов барьерного типа атмосферного давления. Так в патенте RU 2401800 С2 [1] описан генератор озона с двумя электродами и находящимся между ними слоем диэлектрика, которые расположены так, что между слоем диэлектрика и одним из электродов образуется зазор для озонирования, через который может протекать кислородосодержащий газ. Задача повышения КПД получения озона в этом устройстве решается путем регулирования мощности разряда вдоль направления потока газа для поддержания относительно низкой температуры образованного озона, препятствующей его разложению.

Другое устройство, описанное в патенте RU 2773284 С1 [2], содержащее пучок цилиндрических разрядных трубок в виде правильного шестигранника, подразумевает систему жидкостного охлаждения. Задача повышения производительности и эффективности этого генератора озона решается путем оптимизации параметров системы охлаждения.

Иной метод охлаждения реакционного газа используется в устройстве, описанном в патенте RU 2259939 С1 [3], содержащим сверзвуковое сопло Лаваля круглого сечения. Охлаждение газа происходит за счет адиабатического расширения протекающего в сверхзвуковой части сопла потока. Все перечисленные устройства обладают общим недостатком - с атмосферным воздухом в качестве сырья они работают неэффективно: ухудшается КПД, образуются вредные примеси.

Так, в устройстве для получения озона с избыточным давлением в несколько атмосфер, описанном в патентах RU 2702689 С1 [4] и CN107428530B [5], прямо указывается необходимая концентрация кислорода не менее 80% (оптимально 98%). Действительно, при высокой концентрации азота в газовой смеси значительная часть энергии разряда тратится на диссоциацию молекул азота, образование оксидов азота разной валентности (N_xO_y), в т.ч. сильнодействующего ядовитого диоксида азота (NO₂). Кроме того, в случае влажного воздуха присутствие паров воды в газовом разряде значительно ухудшает выход озона.

Поскольку температуры кипения при атмосферном давлении у диоксида азота (t_кип.=+21,1°С), озона (t_кип.=-111,9°С), кислорода (t_кип.=-182,96°С), азота (t_кип.=-195,75°С) сильно отличаются, для очистки озона можно было бы сепарировать газовую смесь методом сжижения в сверхзвуковом сопле, который используется для разделения компонентов природного газа в устройстве, описанном в патенте CN 110552679 В [6]. Этому препятствует взрывоопасность озона высокой концентрации (для безопасности жидкий озон разбавляют жидким кислородом или адсорбируют алюмо-силикагелями).

Прототипом изобретения является экспериментальная установка, описанная в научной статье «Образование озона в сверхзвуковых соплах» [7]. Молекулярный кислород с давлением 1-10 atm подавался из баллона на вход плоского клиновидного сверхзвукового сопла с углом раствора 10° и высотой критического сечения 0.4 mm.

В сверхзвуковой части сопла поджигался поперечный стационарный разряд постоянного тока на расстоянии 10 mm от критического сечения.

Верхняя и боковые стенки сопла изготовлены из кварцевого стекла, а нижняя - из стали. В верхнюю плоскость в шахматном порядке были введены 9 вольфрамовых электродов, каждый из которых питался через отдельное балластное сопротивление, соединенное с источником питания. Выходная часть сопла постоянно откачивалась форвакуумным насосом. В ходе эксперимента с различными режимами работы авторы определили и сравнили удельные характеристики такого озонатора с классическими: удельную производительность озона на единицу площади разряда (г/ч ⋅ дм ²), удельные энергозатраты на электросинтез (кВт/ч ⋅ кг) и выход озона на единицу массы озонатора (г/кг).

В сравнении с классическими устройствами сопловой озонатор выглядит достойно по всем удельным характеристикам, а по выходу озона на единицу массы устройства превосходит на 2 порядка лучшие классические изделия. Тем не менее, задача питания данной установки атмосферным воздухом не решалась, установка может работать эффективно только на чистом кислороде или кислороде высокой концентрации.

Таким образом, для организации питания прототипа атмосферным воздухом необходимо дополнительное устройство - концентратор кислорода (с использованием мембранной технологии или технологии короткоцикловой адсорбции), что приводит к увеличению общей массы устройства, дополнительным энергозатратам и существенному ухудшению удельных характеристик. Удельные характеристики приобретают исключительно важное значение для использования устройства на мобильных и летательных аппаратах.

Задачи снижения энергозатрат и повышения КПД, повышения концентрации и выхода смеси кислорода с озоном из атмосферного сырья на единицу массы озонатора решаются в сверхзвуковом генераторе кислородно-озоновой смеси из атмосферного воздуха, содержащий систему воздухоподготовки, плоское клиновидное сверхзвуковое сопло, коронирующий электрод, отклоняющую магнитную систему, сепаратор потоков, электродную систему барьерного газового разряда, высоковольтный источник питания переменного тока.

Схема сверхзвукового генератора кислородно-озоновой смеси из атмосферного воздуха изображена на фиг.1. Устройство по фиг.1 состоит из системы воздухоподготовки 1, присоединенной ко входу плоского клиновидного сверхзвукового сопла 2, исполненного из диэлектрического материала и содержащего в своей сверхзвуковой части коронирующий электрод 3, расположенный вблизи критического сечения сопла, отклоняющую магнитную систему 4, создающую в своем зазоре поперечное потоку газа постоянное магнитное поле, сепаратор потоков 5 и электродную систему барьерного газового разряда 6, расположенную в секторе, образованном между боковой стенкой сопла и сепаратором потоков 5. Высоковольтный источник питания переменного тока (на фиг.1 не указан) подключается к электродной системе барьерного газового разряда 6 и коронирующему электроду 3.

Установка по фиг.1 работает следующим образом. Система воздухоподготовки 1, стандартно состоящая из механического фильтра, компрессора, концевого охладителя и осушителя сжатого воздуха, подает сухой сжатый воздух на вход плоского клиновидного сверхзвукового сопла 2. Следует отметить, что для образования сверхзвукового потока требуется не менее двух кратного перепада давления от входа сопла до его выходного среза. Поток воздуха, проходя критическое сечение, развивает скорость звука и переходит в сверхзвуковую часть сопла 2, условно разделенную на три зоны.

В зоне I по фиг.1 за счет образования коронного разряда переменного тока малой мощности вблизи коронирующего электрода 3 происходит молекулярная ионизация как электроположительного газа азота, преимущественно по механизму выбивания электрона из молекулы электронным ударом, так и электроотрицательного кислорода, преимущественно по механизму прилипания электрона к нейтральной молекуле [8]. Молекулярно ионизированная газовая смесь испытывает адиабатическое расширение и устремляется со сверхзвуковой скоростью в зону II, где под действием поперечного потоку газа постоянного магнитного поля В, образованного в зазоре отклоняющей магнитной системы 4, возникает разнонаправленный дрейф положительных и отрицательных ионов.

В слабо ионизированном газе в целенаправленном дрейфе участвует и его нейтральные молекулы. Это происходит за счет механизма резонансной перезарядки ионов. Молекулярный ион, пролетая даже на большом расстоянии от нейтральной молекулы, может отдать ей (для электроотрицательных газов) или забрать у нее (для электроположительных) электрон. Происходит обмен заряда между ионом и нейтральной молекулой - резонансная перезарядка [8]. Взаимодействие между частицами в процессе перезарядки невелико, обмена импульсом при этом почти не происходит.

Таким образом, ион, став уже нейтральной молекулой, продолжит свое поступательное движение, а вновь образованный ион получит заданное направление дрейфа. Следует отметить, что резонансная перезарядка между ионами и молекулами газов разного типа электроотрицательности невозможна. Возможна рекомбинация разно заряженных ионов, вероятность которой в слабо ионизированном газе ниже, чем вероятность резонансной перезарядки.

В следствие дрейфа периодически заряженных молекул в магнитном поле возникает распределение концентраций ионов и молекул по сечению сопла. Ионы и молекулы азота смещаются к одной боковой стенке, а кислорода - к противоположной стенке сопла, возникает электрическая поляризация потока (магнитогидродинамический генератор).

Электрическая сила, действующая на ионы со стороны поляризованного потока, противодействует силе Лоренца, действующей со стороны магнитного поля, до тех пор, пока эти силы не уравновесят друг друга.

Но с учетом сверхзвуковых скоростей ионов в сильном магнитном поле и принимая во внимание то, что не все молекулы обязаны быть ионизированы одновременно, разделение газов происходит еще до момента равновесия сил. Распределенный в сечении сопла по составу газов сверхзвуковой поток попадает в зону III, где сепаратор потоков 5 фиксирует их разделение на секторы и препятствует паразитной диффузии межу ними.

В секторе, обогащенном кислородом, электродная система барьерного газового разряда 6 образует разряд, достаточный для возбуждения молекулярных колебаний кислорода, которые приводят к диссоциации молекул на атомы с последующим образованием молекул озона так, что на выходе из этого сектора образуется поток адиабатически охлажденной кислородно-озоновой смеси взрывобезопасной концентрации.

Технический результат снижения энергозатрат и повышения КПД обусловлен интеграцией процессов разделения компонентов воздуха и соплового озонирования в одном устройстве. Действительно, для разделения кислорода и азота воздуха мембранным или короткоцикловым адсорбционным методом также необходима подготовка сжатого воздуха, а после разделения газов необходимо повторное сжатие кислорода для работы уже соплового озонатора. В этом случае неизбежны дополнительные энергетические потери, которые минимизируются при интегральном подходе.

Для сверхзвуковых сопел, как видно из работы [7], характерны высокие расходы при низкой массе самого устройства, таким образом, сопловой концентратор кислорода будет иметь высокую удельную производительность (выход газа отнесенный к массе устройства), в то время, как удельная производительность классических концентраторов кислорода (и мембранных, и короткоцикловых) невысока. Этим обуславливается технический результат повышения концентрации и выхода смеси кислорода с озоном из атмосферного сырья на единицу массы озонатора.

В последнее время вырос интерес к применению металло-воздушных топливных элементов (ТЭ), в т.ч. алюминиево-воздушных ТЭ, на летательных аппаратах, где особое значение приобретает характеристика удельной мощности. Топливом в таких ТЭ является металл анода, а окислителем - кислород, проникающий в водный электролит из воздуха через газодиффузионную мембрану и вступающий в катодные реакции на катализаторе электрода.

Если использовать вместо воздуха смесь кислорода с озоном, то с учетом высокой растворимости озона и высокой концентрации кислорода скорость диффузии газообразного окислителя в электролит увеличится в несколько раз, что приведет к кратному увеличению удельной мощности ТЭ. Получение кислородно-озоновой смеси энергозатратно, оборудование для ее производства добавляет массу к массе ТЭ, но высокие удельные характеристики сверхзвукового генератора кислородно-озоновой смеси позволяют сместить общий энергетический баланс в сторону значительного увеличения удельной мощности комбинированного ТЭ.

ЛИТЕРАТУРА

1. ВЕЦЦУ Г. ГЕНЕРАТОР ОЗОНА // Патент RU 2401800 С2 / 2006 / МПК С01В 13/11

2. Соломонов Ю.С., Егоров К.С, Ухолкин С.Ю., Корса-Вавилова Е.В., Шмелев А.Я., Гибалов В.И., Проскуряков Д.В., Горбачев А.А. Генератор озона // Патент RU 2773284 С1 / 2021 / МПК С01В 13/11.

3. Чеканов Н.А., Таран B.C., Швец О.М., Рыжков И.В. СТРУЙНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ОЗОНАТОР // Патент RU 2259939 С1 / 2004 / МПК С01В 13/11

4. ФИКЕНС Ральф (DE), ФИТЦЕК Райнер (DE), САЛЬВЕРМОЗЕР Манфред (DE), БРЮГГЕМАНН Николь (DE). ПОЛУЧЕНИЕ ОЗОНА ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ // RU 2702689 СУ 2017 / МПК С01В 13/11.

5. ФИКЕНС Ральф (DE), ФИТЦЕК Райнер (DE), САЛЬВЕРМОЗЕР Манфред (DE), БРЮГГЕМАНН Николь (DE). Method for controlling an ozone generator // Патент CN107428530B / 2023 / МПК C01B 13/11.

6. Чжиго В., Цзинцзе Л., Цзянру Г., Цзиньпэн С, Чжаохуэй Л., Ихуа Д. Natural gas well supersonic speed separator based on magneto-rheological elastomer intelligence shock attenuation // Патент CN110552679 В/ 2020 / МПК E21B 43/38.

7. Гордеев O.A., Макаров B.H., Павлов B.A., Шаталов О.П. Образование озона в сверхзвуковых соплах // Журнал технической физики / 1998 / том 68, №11.

8. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. // Учебное пособие / ИД Интеллект / Долгопрудный / 2009 / ISBN: 978-5-91559-019-8.

Изобретение относится к области газовой электрохимии. В частности к сверхзвуковому генератору кислородно-озоновой смеси из атмосферного воздуха, содержащему систему воздухоподготовки, присоединенную ко входу плоского клиновидного сверхзвукового сопла, исполненного из диэлектрического материала и содержащего в своей сверхзвуковой части коронирующий электрод, расположенный вблизи критического сечения сопла, отклоняющую магнитную систему, создающую в своем зазоре поперечное потоку газа постоянное магнитное поле, сепаратор потоков, электродную систему барьерного газового разряда, расположенную в секторе, образованном между боковой стенкой сопла и сепаратором потоков, высоковольтный источник питания переменного тока, подключенный к электродной системе барьерного газового разряда и коронирующему электроду. Решает задачу снижения энергозатрат и повышения КПД, повышения концентрации и выхода смеси кислорода с озоном из атмосферного сырья на единицу массы озонатора. 1 ил.

Сверхзвуковой генератор кислородно-озоновой смеси из атмосферного воздуха, содержащий систему воздухоподготовки, присоединенную ко входу плоского клиновидного сверхзвукового сопла, исполненного из диэлектрического материала и содержащего в своей сверхзвуковой части коронирующий электрод, расположенный вблизи критического сечения сопла, отклоняющую магнитную систему, создающую в своем зазоре поперечное потоку газа постоянное магнитное поле, сепаратор потоков, электродную систему барьерного газового разряда, расположенную в секторе, образованном между боковой стенкой сопла и сепаратором потоков, высоковольтный источник питания переменного тока, подключенный к электродной системе барьерного газового разряда и коронирующему электроду.