Каскадный озонатор Советский патент 1992 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к технике получения озона из кислорода или воздуха в электрическом разряде и может быть использовано в установках для очистки и обеззараживания воды или воздуха.

Известен озонатор, работающий на тихом (барьерном) электрическом разряде, содержащий плоскопараллельные электроды, между которыми предусмотрены диэлектрический (барьерный) слой и воздушный зазор. Озон получается при прокачке рабочего газа (кислорода или воздуха) через электрический разряд в зазоре.

Недостатком известного устройства является то, что из-за малой плотности разрядного тока в зазоре с барьером удельная производительность по озону мала. Барьерный разряд устойчив только при наличии чистого и сухого рабочего газа. Наконец, требования к электрическим свойствам барьерного слоя довольно высокие.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство, содержащее секционированный катод и сплошной анод. Каждая секция катода озонатора подключается к высоковольтному источнику питания через омическую нагрузку, а анод - непосредственно к источнику питания. Между анодом и катодом имеется плоскопараллельный зазор, через который с большой скоростью пропускается рабочий газ. Его большая скорость способствует быстрой диффузии электронов из стримеров и образованию диффузионного разряда. Во избежание контрактации стримеров ток разряда ограничивается омическими нагрузками. Отсутствие диэлектрического слоя на электродах позволяет снизить требование к чистоте и влажности рабочего газа и повысить надежность работы озонатора.

Известное устройство имеет следующие недостатки: несмотря на значительную плотность разрядного тока, большая скорость потока газа не дает возможности создать высокую концентрацию озона при малых габаритах озонатора, т.е. удельная

fe

VI

О

со со ел VI

производительности озонатора мала; кроме того, значительные тепловые потери на омических нагрузках и большие затраты на прокачку рабочего газа резко снижают КПД устройства.

Цель изобретения - увеличение удельной производительности озонатора.

Указанная цель достигается тем, что площади секций катода и зазоры между ними выполняются со ступенчатым увеличением. Кроме того, омические нагрузки заменяются емкостными.

В такой конструкции при переменном напряжении на электродах пробои между отдельными секциями и анодом следуют во времени друг за другом по мере увеличения зазора (фиг. 1, 2). Излучение от разряда в меньшем зазоре создает дополнительную концентрацию электронов в больших зазорах и разряд в них осуществляется через большее число одновременных стримеров, приходящихся на единицу площади электрода. Увеличение площади секций с ростом зазора позволяет более эффективно использовать излучение с предшествующих секций.

Таким образом, имеет место каскадное увеличение плотности тока, а значит и плотности энергии в единицу времени по мере увеличения зазора. При этом диффузионный разряд с большой плотностью тока может образовываться и при малых скоростях потока рабочего газа при соответствующем подборе нагрузочных емкостей. Обычно емкости рассчитывают таким образом, чтобы излучение с секций с меньшей площадью и зазором было бы максимальным без образования дуги или искры, а на последней секции образовывалось бы максимальное количество озона.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый озонатор отличается тем, что площади секций катода и зазоры между ними выполняются со ступенчатым увеличением, а вместо омических балластных нагрузок используются емкостные. Питание осуществляется переменным напряжением.

Таким образом, заявляемый озонатор соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями показывает, что каскадная предионизация разрядного зазора излучением предшествующих секций при работе от одного источника напряжения ранее в. озонаторах не использовалась.

Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 приведена схема каскадного

озонатора; на фиг. 2 - график приложенного к электродам напряжения с указанием интервалов разряда на секциях; на фиг. 3 - схема озонаторного блока.

Озонаторный блок (см. фиг. 3) содержит

0 герметичный непроводящий корпус 1, на торцах которого вмонтированы входной и выходной штуцеры 2 и 3, электроды 4 и 5, ресивер, образованный частью корпуса 1 и стенкой 6, в котором предусмотрена щель 7.

5 Электроды 4 и 5, изготовленные из нержавеющей стали или титана, крепятся сквозными витками к диэлектрическим основаниям 8 и 9.

Электрод 4, служащий катодом, выпол0 нен в форме пластинчатых секций со ступенчатым увеличением их площади и зазора между ними и анодом, а электрод 5, служащий анодом, выполнен в форме сплошной пластины.

5Длина пластин и щели 7 одинаковы и

ограничены боковыми стенками корпуса 1. Относительная ширина пластин секций электрода 4 примерно соответствует натуральной величине, показанной на схеме.

0 Ширина наименьшей секции не превышает 5 мм. Плоскость электрода 5 должна перекрывать плоскости всех секций электрода 4. Расстояние между секциями выбирается таким, чтобы обеспечить надежную электри5 ческую изоляцию между ними.

Озонатор работает следующим образом. Заданный поток рабочего газа поступает в полость корпуса 1 через входной штуцер 2 в ресивер, образованный из части

0 корпуса 1 и стенки 6. Далее через демпфирующую сетку (не показана) и щель 7 газ проходит в разрядный зазор между электродами 4 и 5. Озонная смесь выходит через штуцер 3. При заданном потоке рабочего

5 газа емкости нагрузки рассчитывают так, чтобы свечение первых трех секций было максимальным, но при этом отсутствовали бы искровой или дуговой разряд, а на четвертой секции выбирают оптимальную ем0 кость -из условия максимального выходе озона.

Необходимо учитывать, что при увеличении скорости потока рабочего газа диффу- зионный разряд более устойчив, a npi

5 уменьшении скорости может возникнуть ис кровой или дуговой разряд, поэтому озона тор следует настраивать при минимально скорости потока. Для получения же озона с максимальной удельной производительно стью, но без гарантии устойчивости, озона

тор настраивают при большой скорости потока газа.

Теоретические расчеты и экспериментальные оценки на макете показывают рост удельной производительности в сотни раз по сравнению с барьерными озонаторами, работающими на промышленной частоте.

Достигаемая концентрация озона за один полупериод напряжения, составляет величину порядка 10 -1016{о 1/см3/рабо- чий газ - кислород/, тогда как в барьерных озонаторах эта величина имеет порядок

10

13

1ЭТО

РэТ

/см3.

Расчеты показывают, что КПД озонатора ожидается выше, чем у барьерного в 1,5- 2 раза.

0

5

Озонатор сохраняет такие положительные свойства прототипа, как простота, надежность и долговечность.

Формула изобретения

1.Каскадный озонатор, содержащий секционированный катод и анод, расположенные с зазором относительно друг друга, ограничитель тока в цепи высоковольтного напряжения питания, отличающийся тем, что, с целью повышения его удельной производительности, площади секций катода и зазоры между ними выполнены со ступенчатым увеличением.

2.Озонатор поп. 1,отличающийся тем, что в цепь напряжения питания включены конденсаторы постоянной емкости.

Использование: получение озона из кислорода или воздуха в электрическом разряде, для установок очистки и обезжиривания воды или воздуха. Сущность изобретения: каскадный озонатор содержит герметичный непроводящий корпус, на торцах которого имеются штуцер для подачи рабочего газа и штуцер для выхода озонной смеси, зазоры между секциями катода и анодом, а также площади секций увеличивают ступенчато. Для ограничения тока через разрядные зазоры в цепь напряжения питания вместо омических нагрузок включены конденсаторы постоянной емкости. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

РАБОЧИЙ Х/& ГАЗ

№

.HLpSAAbi PAiPSAOB НА СЕКЦИЯ X

у

А/ сегль

Фиг. i

НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ

Фиг. 2

РАБОЧИЙ ГА

050ННАЯ СМЕСЬ

фиг.З