Генератор озона

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании озонаторных установок высокой производительности. Генератор озона содержит электродную систему из двух электродов 1, 2, выполненных в виде сетки из проводящего электрический ток материала, разделенных в пространстве диэлектрическим слоем 3, являющимся прокладкой между электродами. С противоположных сторон электродов размещены дополнительные диэлектрические слои 4, 5. Электроды выполнены из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе. Электродная система свернута в рулон и ориентирована в пространстве осью рулона в направлении потока кислородсодержащего газа. Предложенное изобретение позволяет снизить энергозатраты на электросинтез озона. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании новых типов озонаторов высокой производительности, обеспечивающих снижение энергозатрат при производстве озона.

Известен генератор озона, содержащий электродную систему из двух плоских электродов, выполненных в виде металлических пластин, разделенных в пространстве узким разрядным промежутком, через который проходит кислородсодержащий газ, и диэлектрическим слоем, диэлектрический слой нанесен на внутренние поверхности металлических пластин, между плоскими электродами размещена тканая прокладка из гибких диэлектрических жил, толщина которой задает размер разрядного промежутка, электродная система ориентирована в пространстве в направлении потока кислородсодержащего газа (патент США 5529760, МКИ H01J 19/00. Ozone generator/Burris W.A. - Заявл. 13.12.94, опубл. 25.06.96).

Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции, используемой формой барьерного электрического разряда в обьеме, не обеспечивающей достаточной эффективности, плохими условиями охлаждения электродной системы и принятым способом электропитания. По длине разрядного промежутка возрастает напряжение зажигания разряда из-за роста концентрации озона в потоке кислородсодержащего газа, что приводит к снижению энерговклада в разряд. Повышается температура газа, электрический разряд на следующих участках разрядного промежутка частично разлагает синтезированный ранее озон. Принятый способ электропитания без контроля формы импульса тока питания не обеспечивает стабильности разряда. Поток кислородсодержащего газа через разрядный промежуток имеет ламинарный характер, что также не обеспечивает стабильности разряда и требуемых условий охлаждения электродной системы.

Известен генератор озона, содержащий электродную систему из двух плоских электродов, выполненных в виде металлических пластин, разделенных в пространстве узким разрядным промежутком, через который проходит кислородсодержащий газ, и диэлектрическим слоем, диэлектрический слой выполнен в виде двух плоских диэлектрических пластин с высоким коэффициентом упругости, которые прижаты к внутренним поверхностям плоских электродов, электродная система ориентирована в пространстве в направлении потока кислородсодержащего газа (патент РФ 2198134, МКИ С01В 13/11. Озонатор. / Андрейчук В.К., Норков Д.А. и др. - Заявл. 30.10.01, опубл. 10.02.03, БИ N4).

Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции, используемой формой барьерного электрического разряда в объеме, не обеспечивающей достаточной эффективности, плохими условиями охлаждения электродной системы и принятым способом электропитания. По длине разрядного промежутка возрастает напряжение зажигания разряда из-за роста концентрации озона в потоке кислородсодержащего газа, что приводит к снижению энерговклада в разряд. Повышается температура газа, электрический разряд на следующих участках разрядного промежутка частично разлагает синтезированный ранее озон. Принятый способ электропитания без контроля формы импульса тока питания не обеспечивает стабильности разряда. Поток кислородсодержащего газа через разрядный промежуток имеет ламинарный характер, что также не обеспечивает стабильности разряда и требуемых условий охлаждения электродной системы.

Известен генератор озона, содержащий электродную систему из двух плоских электродов, выполненных в виде металлической сетки с мелкими ячейками, разделенных в пространстве узким разрядным промежутком, через который проходит кислородсодержащий газ, и диэлектрическим слоем, диэлектрический слой выполнен в виде двух плоских диэлектрических пластин, которые прижаты к внутренним поверхностям плоских электродов, электродная система ориентирована в пространстве в направлении потока кислородсодержащего газа (Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1987. - С.131).

Недостатком генератора озона, являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции, используемой формой барьерного электрического разряда в объеме, не обеспечивающей достаточной эффективности, плохими условиями охлаждения электродной системы и принятым способом электропитания. По длине разрядного промежутка возрастает напряжение зажигания разряда из-за роста концентрации озона в потоке кислородсодержащего газа, что приводит к снижению энерговклада в разряд. Повышается температура газа, электрический разряд на следующих участках разрядного промежутка частично разлагает синтезированный ранее озон. Принятый способ электропитания без контроля формы импульса тока питания не обеспечивает стабильности разряда. Поток кислородсодержащего газа через разрядный промежуток имеет ламинарный характер, что также не обеспечивает стабильности разряда и требуемых условий охлаждения электродной системы.

Известен генератор озона, содержащий электродную систему из двух электродов, выполненных в виде сетки из проводящего электрический ток материала, разделенных в пространстве диэлектрическим слоем, являющимся прокладкой между электродами, электродная система ориентирована в пространстве перпендикулярно потоку кислородсодержащего газа (патент РФ 2258670, МКИ С01В 13/11. Озонатор. / Силкин Е.М. - Заявл. 12.05.03, опубл. 20.08.05, БИМП N23).

Данный генератор озона является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции. Подобная конструкция не позволяет получить озон высокой концентрации и не обеспечивает необходимой компактности и величины рабочей площади электродов при проектировании озонатора заданной производительности, что увеличивает непроизводительные потери озона и энергии.

Снижение энергозатрат достигается тем, что в генераторе озона, содержащем электродную систему из двух электродов, выполненных в виде сетки из проводящего электрический ток материала, разделенных в пространстве диэлектрическим слоем, являющимся прокладкой между электродами, электроды выполнены из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, генератор озона снабжен двумя дополнительными диэлектрическими слоями, размещенными с противоположных сторон электродов, а электродная система свернута в рулон и ориентирована в пространстве осью рулона в направлении потока кислородсодержащего газа.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат при производстве озона. Это обеспечивается увеличением энергетического выхода озона за счет увеличения полезной части энерговклада в разряд. При использовании заявляемого генератора озона возможно получение озона высокой концентрации при компактном выполнении конструкции генератора озона, что обеспечивает снижение непроизводительных потерь озона и энергии.

На чертеже приведена упрощенная схема конструкции генератора озона.

Генератор озона содержит электродную систему из двух электродов 1, 2, выполненных в виде сетки из проводящего электрический ток материала, разделенных в пространстве диэлектрическим слоем 3, являющимся прокладкой между электродами, и двух дополнительных диэлектрических слоев 4, 5, размещенных с противоположных сторон электродов. Электроды выполнены из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе. Электродная система свернута в рулон и ориентирована в пространстве осью рулона в направлении потока кислородсодержащего газа.

Направление потока кислородсодержащего газа через электродную систему генератора озона обозначено стрелкой. Электродная система может быть, в частности, размещена в цилиндрическом корпусе. Диэлектрические слои 3-5 выполняются сплошными либо в виде сеток. При отсутствии корпуса внешний диэлектрический слой 4 изготавливается сплошным. Ток через электроды 1, 2 электродной системы генератора озона является переменным, так как они разделены в пространстве диэлектрическим слоем. Источник питания генератора озона может, например, иметь падающую характеристику и быть выполненным на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением. При протекании переменного тока через электродную систему 1, 2 на ее зажимах возникает переменное напряжение. Поток кислородсодержащего газа проходит через ячейки сеток электродов 1, 2. Под действием напряжения на электродной системе между электродами 1, 2 в газе возникает обьемно-поверхностный барьерный разряд. В разрядных промежутках, в которых размещаются сетки электродов 1, 2, происходит диссоциация молекул кислорода O₂. Образовавшиеся в результате диссоциации атомы кислорода при столкновениях образуют молекулу озона О₃. В разрядных промежутках электрическое поле неоднородно, что определяется конструкцией электродов 1, 2. Так как разрядные промежутки имеют относительно малую ширину, температура кислородсодержащего газа при его прохождении в зонах разряда повышается незначительно. Неоднородность электрического поля, относительно быстрый пролет через зоны разряда и активное перемешивание кислородсодержащего газа способствуют хорошему охлаждению электродной системы, стабилизации разряда и обеспечивают достаточно большой энерговклад без контрактации разряда. Низкая температура кислородсодержащего газа, протяженность электродной системы в направлении потока кислородсодержащего газа обеспечивают получение озона высокой концентрации, высокую производительность генератора озона и высокий энергетический выход.

Электроды генератора озона могут быть выполнены, например, из титановой проволоки круглого сечения путем переплетения нитей под прямым углом. Диэлектрические слои изготавливаются в виде ограничивающей решетки или ленты из материала с высокой диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью, стойкого к действию озона, кислорода и других химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, например политетрафторэтилена.

По сравнению с прототипом использование генератора озона с заявляемой конструкцией электродной системы и принципом пропускания кислородсодержащего газа, позволяет на 25-30% снизить энергозатраты на производство озона. Эффект достигается за счет увеличения энергетического выхода озона в результате изменения формы электрического разряда, обеспечения возможности синтеза озона высокой концентрации за счет изменения конструкции генератора озона, улучшения условий охлаждения электродов и диэлектрических слоев электродной системы, активного перемешивания кислородсодержащего газа, существенного повышения стабильности электрического разряда. Синтез озона высокой концентрации обеспечивается конструкцией электродной системы. Для концентрации озона [О₃] на выходе генератора в рассматриваемом случае имеем

[О₃]=К₀[O₂]₀Р ρ^-1ω^-1(1+K₁P ρ^-1ω^-1)^-1,

где [O₂]₀ - начальная концентрация кислорода, Р ρ^-1ω^-1 - удельная энергия (фактор второго вида, кВт·ч/кг), Р - активная мощность в разряде, ρ - плотность кислородсодержащего газа, ω - объемная скорость кислородсодержащего газа. К₀ - константа образования озона, K₁ - константа разложения озона. Для реакции синтеза озона в разряде фактор второго вида (удельная энергия Р ρ^-1ω^-1) заменяет время в кинетических уравнениях. Следовательно, для концентрации озона также можно записать

[О₃]=К₀*[O₂]₀ lv^-1(1+K₁*lv^-1)^-1,

где l - длина электродной системы в направлении потока кислородсодержащего газа, v - линейная скорость потока кислородсодержащего газа. К₀ ^* - константа образования озона, K₁* - константа разложения озона. Значения и размерности констант в приведенных выражениях не совпадают, поэтому константы имеют различное обозначение. Из второго выражения следует, что использование протяженной электродной системы позволяет получить озон более высокой концентрации и устройство большей производительности.

Генератор озона, содержащий электродную систему из двух электродов, выполненных в виде сетки из проводящего электрический ток материала, разделенных в пространстве диэлектрическим слоем, являющимся прокладкой между электродами, отличающийся тем, что электроды выполнены из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, генератор озона снабжен двумя дополнительными диэлектрическими слоями, размещенными с противоположных сторон электродов, электродная система свернута в рулон и ориентирована в пространстве осью рулона в направлении потока кислородсодержащего газа.