Способ электропитания генератора озона поверхностного разряда

Авторы патента:

Макальский Леонид Михайлович (RU)

Кондратьева Ольга Евгеньевна (RU)

Верещагин Владимир Леонидович (RU)

C01B13/11 - с помощью электрического разряда

Владельцы патента RU 2579354:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для экономии электроэнергии и повышения надежности генераторов озона барьерно-поверхностного разряда. Технический результат - повышение эффективности использования электроэнергии и уменьшение потребляемой мощности озонатора от источника питания путем снижения колебательных процессов поляризации, происходящих в диэлектрических элементах генератора озона и на диэлектрическом барьере поверхностного разряда. Технический результат достигается за счёт использования однополярного импульсного режима для электропитания генератора озона, достигается тем, что в способе электропитания генератора озона поверхностного разряда подводимую электроэнергию преобразуют в однополярные импульсы путем подключения генератора озона к источнику электропитания, преобразующего двухполярные импульсы напряжения в однополярные импульсы с той же амплитудой. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для экономии электроэнергии и повышения надежности генераторов озона барьерно-поверхностного разряда.

Известен способ получения озона на поверхностном разряде (Masuda S. Kiss Е. A Ceramic based ozonizer using high frequency discharge // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1988. - V. 24. - №2, P. 223-231), где создается поверхностный разряд по керамической пластинке, подключенной к высоковольтному трансформатору.

Известное устройство имеет следующие недостатки: большие потери электроэнергии за счет двухполярной ионизации и поворота поляризационных диполей в диэлектрическом барьере с углом поворота, близким к 180°.

Недостатком известного способа является невысокая эффективность использования электроэнергии, обусловленная тем, что питание генератора озона через высоковольтный трансформатор знакопеременным напряжением приводит к периодическому изменению направления диполей поляризации на 180° молекул озона и диэлектрического барьера. Эти колебания происходят с частотой возбуждения генератора озона. Чем выше частота возбуждения, тем чаще происходит изменение поляризации. Экспериментально доказано, что это вредное явление приводит к повышению выделения на генераторе озона большого количества тепла и увеличению энергозатрат источника питания. В конечном счете резко снижается КПД производства озона. Выделенное тепло на диэлектрическом барьере отводится потоком холодной проточной воды, либо продувкой холодного воздуха. При увеличении частоты возбуждения генератора озона КПД устройства резко падает.

Известен способ электропитания генератора озона с помощью источника переменного напряжения с изменением диэлектрического барьера и подстройкой высокого напряжения на генераторе озона (Боромбаев М.К., Шаршембиев К.А., Энгельшт B.C. Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе. - Вестник КРСУ, Бишкек, 2002, Т. 2.)

Недостатком известного способа является невысокая эффективность использования электроэнергии, обусловленная тем, что питание генератора озона также происходит через высоковольтный трансформатор и приводит к периодическому изменению направления диполей поляризации на 180° молекул озона и диэлектрического барьера, несмотря на подстройку напряжения. Чем выше частота возбуждения, тем чаще происходит изменение поляризации. Экспериментально доказано, что это вредное явление приводит к повышению выделения на диэлектрических элементах генератора озона большого количества тепла и увеличению энергозатрат источника питания. В конечном счете, резко снижается КПД производства озона. Выделенное тепло на диэлектрическом барьере отводится потоком холодной проточной воды, либо продувкой холодного воздуха. При увеличении частоты возбуждения генератора озона КПД устройства резко падает.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении эффективности использования электроэнергии и уменьшении потребляемой мощности озонатора от источника питания путем снижения колебательных процессов поляризации, происходящих в диэлектрических элементах генератора озона и на диэлектрическом барьере поверхностного разряда.

Технический эффект, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в использовании однополярного импульсного режима, достигается тем, что в способе электропитания генератора озона поверхностного разряда подводимую электроэнергию преобразуют в однополярные импульсы путем подключения генератора озона к источнику электропитания, преобразующего двухполярные импульсы напряжения в однополярные импульсы с той же амплитудой.

Для устранения явления вращения диполей на 180° при сохранении частоты искрообразования предлагается запитывать генератор озона барьерно-поверхностного разряда не непосредственно с высоковольтного трансформатора, а через преобразователь импульсов в однополярные, например, через диодный мост или активный преобразователь на пролетных пентодах ПП1-0,5/10 (Патент РФ №1576887, МПК G05F 1/52, 1990).

На фиг. 1 представлена электрическая схема питания через диодный преобразователь, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 2 изображены эпюры напряжений с зонами искрообразования на поверхности генератора озона.

На фиг. 3 представлена электрическая схема активного преобразователя, реализующего предлагаемый способ.

При предлагаемом способе питания вращение диполей поляризации уменьшится на 90°. При этом затраты электроэнергии от источника питания для совершения работы вращательного движения диполей уменьшается, что приводит к повышению КПД и надежности.

При питании генератора озона через диодный мост (фиг. 1), переменное напряжение 220 В 50 Гц через ЛАТР поступает на повышающий трансформатор Тр. С выхода повышающего трансформатора переменное напряжение прикладывается к диодному мосту Д1-Д4 и преобразуется в однополярные импульсы (фиг. 2), которые поступают на генератор озона. В результате преобразования диодным мостом Д1-Д4 двухполярного напряжения в однополярное к генератору озона прикладывается пульсирующее напряжение с частотой питающей сети и с амплитудой, практически равной амплитуде синусоидального напряжения, снимаемого с трансформатора Тр.

При питании генератора озона через активный преобразователь (фиг. 3) на пролетных пентодах ПП1-0,5/10 возможности при сохранении однополярного питания значительно расширяются. Эти возможности определяются принципом работы преобразователя.

Активный преобразователь (фиг. 3) содержит высоковольтный источник 1 питания постоянного тока с положительным полюсом 2, промежуточным полюсом 3 и отрицательным полюсом 4, вспомогательный источник 5 питания постоянного тока с положительным полюсом 6 и отрицательным полюсом 7, двухполярный источник 8 питания с потенциальными полюсами 9, 10 и средним выводом 11, источник 12 опорного напряжения постоянного тока, управляющий источник 13 напряжения переменного тока (с низкоомным выходом), регулирующий титрон 14 с анодом 15, катодом 16, коллектором 17 и управляющим электродом 18, управляющий титрон 19 с анодом 20, катодом 21, коллектором 22 и управляющим электродом 23, делитель 24 напряжения обратной связи с резисторами 25 и 26, усилитель 27 сигнала рассогласования с дифференциальным усилителем 28 и выходным транзистором 29, токоограничивающий резистор 30, резистор 31 смещения, развязывающий диод 32. На схеме отмечены также выводы 33 и 34 для подключения нагрузки, шина 35 нулевого потенциала и нагрузочный элемент (генератор озона поверхностного разряда) 36.

Коллектор 17 регулирующего титрона 14 подключен к положительному полюсу 2 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока, связанного отрицательным полюсом 4 с шиной 35 нулевого потенциала. Коллектор 22 управляющего титрона 19 подключен к аноду 15 регулирующего титрона 14 и первому выводу токоограничивающего резистора 30. Делитель 24 напряжения обратной связи включен между выводами 33 и 34 для подключения нагрузки, при этом вывод 34 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Сигнальный вход усилителя 27 сигнала рассогласования (неинвертирующий вход дифференциального усилителя 28) соединен с выходом делителя 24 напряжения обратной связи, опорный вход (инвертирующий вход дифференциального усилителя 28) - с выходной цепью источника 12 опорного напряжения постоянного тока, связанной с шиной 35 нулевого потенциала, а эмиттер-коллекторный переход выходного транзистора 29 включен в цепь связи катода 21 управляющего титрона 19 с шиной 35.

Положительный полюс 6 вспомогательного источника 5 питания постоянного тока соединен с анодом 20 управляющего титрона 19, а отрицательный полюс 7 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Управляющий источник 13 напряжения переменного тока включен последовательно в выходную цепь источника 12 опорного напряжения постоянного тока. Резистор 31 смещения одним из выводов соединен с катодом 16 регулирующего титрона 14, а другим выводом - с управляющим электродом 18 регулирующего титрона 14, анодом развязывающего диода 32 и высокопотенциальным выводом 33 для подключения нагрузки.

Второй вывод токоограничивающего резистора 30 и коллектор 17 регулирующего титрона 14 подключены соответственно к положительному полюсу 2 и промежуточному полюсу 3 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока. Катод развязывающего диода 32 соединен с коллектором 22 управляющего титрона 19, а управляющий электрод 23 последнего связан с шиной 35 нулевого потенциала.

Двухполярное напряжение любой формы, например двухполярные импульсы заданной скважности вырабатываются управляющим источником 13. Двухполярное напряжение источника 13 алгебраически складываются с напряжением опорного источника 12. За счет кольца обратной связи напряжение на делителе 24 в любой момент времени повторяет форму напряжения источника 13. При переходе напряжения источника 13 через ноль к инвертирующему входу дифференциального усилителя 28 прикладывается напряжение, равное напряжению источника 12. Выходное напряжение, прикладываемое к генератору озона 36 составит:

U_вых=U₁₂(R₂₅+R₂₆)/R₂₆,

где R₂₆ и R₂₇ - сопротивления соответственно резисторов 25 и 26;

U₁₂ - опорное напряжение источника 12.

При появлении в управляющем источнике 13 некоторого напряжения, при котором суммарное напряжение источников 12 и 13 уменьшается, положительное напряжение на выходе делителя 24 оказывается больше суммарного напряжения и на выходе дифференциального усилителя 28 появляется сигнал рассогласования. В результате, через транзистор 29 и управляющий титрон 19 увеличивается ток. Это приводит к некоторому увеличению падения напряжения на резисторе 30 и уменьшению тока через регулирующий титрон 14.

При знакопеременном напряжении управляющего источника 13 поочередно в зависимости от его полярности происходит либо сложение напряжений источников 12 и 13, либо вычитание. За счет кольца обратной связи напряжение на выходе делителя 24 в любой момент времени повторяет форму напряжения источников 12 и 13. Напряжение на генераторе озона 36 в любой момент времени равно напряжению на делителе 24 и может быть определено по формуле:

U_вых=(U₁₂+U₁₃) (R₂₅+R₂₆)/R₂₆,

где U₁₃ - мгновенные значения напряжений источника 13.

Источник питания на пролетных пентодах позволяет запитывать генератор озона высоким напряжением с частотой колебаний однополярных импульсов от нескольких Гц до десятков кГц.

Литература

1. Masuda S. Kiss Е. A Ceramic based ozonizer using high frequency discharge // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1988. - V. 24. - №2, P - 223-231.

2. Боромбаев M.K., Шаршембиев K.A., Энгельшт B.C. Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе. - Вестник КРСУ, Бишкек, 2002, Т. 2. №2 - С 53-58.

3. Верещагин В.Л., Камунин А.А., Макальский Л.М., Цетлин Ф.В., Калинин А.В., Жуков В.А. Патент SU 1576887, МПК G05F 1/52, 08.03.1990 г.

Способ электропитания генератора озона поверхностного разряда путем подключения его к источнику переменного высокого напряжения, отличающийся тем, что электроэнергию двухполярного источника питания преобразуют в однополярные импульсы, амплитуда напряжения которых равна амплитуде напряжения двухполярного источника питания.

Изобретение относится к устройствам малогабаритных озонаторов модульного типа и может быть использован для обработки складов и хранилищ от вредителей, бактерий и микробов, а также в бытовых целях для очистки и обеззараживания жилых помещений.

Озонатор // 2568703

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для озонирования воздуха и кислорода, растворов, обработки озоном различных объектов в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промышленности.

Способ эксплуатации блока генерирования озона // 2559792

Изобретение относится к способу эксплуатации блока генерирования озона. Способ включает стадию, на которой в устройство генерирования озона подают поток содержащего кислород газа и стадию, на которой управляют потоком содержащего кислород газа, и управляют мощностью, которую подают из блока питания в устройство генерирования озона так, чтобы получить из устройства генерирования озона заданный выход озона, и так, чтобы обеспечить уменьшение потребления ресурсов, включая содержащий кислород газ и мощность, подаваемую из блока питания.

Импульсный безбарьерный озонатор // 2545305

Импульсный безбарьерный генератор озона относится к системам получения озона для использования его в технологиях очистки и обеззараживания воды. В импульсном безбарьерном озонаторе, содержащем металлический корпус и размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из низковольтного и высоковольтного электродов, подключенных к высоковольтному генератору импульсов, корпус содержит две диэлектрические пластины, установленные против друг друга.

Способ и устройство защиты генератора озона от пожара // 2543488

Изобретение относится к способам и устройствам защиты генератора озона от пожара при электрическом пробое внутренней изоляции. Техническим результатом является полное вытеснение за короткий промежуток времени кислорода с продуктами горения из внутренней полости генератора озона газом, не поддерживающим горение.

Озонаторный комплекс // 2542299

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.

Электроразрядный имитатор поверочных газовых смесей // 2541135

Изобретение относится к области промышленной безопасности и газоаналитического приборостроения в части производства приборов и устройств, применяемых для проведения периодической поверки и калибровки приборов газового контроля наличия в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий токсичных и взрывоопасных газов.

Способ стабилизации производительности озонатора и устройство для его осуществления // 2527994

Изобретение относится к технологии стабилизации производительности озонаторов и может быть использовано на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях для обработки воздушных и водных сред.

Способ контроля производительности озонатора и устройство для его осуществления // 2524921

Изобретение относится к озонаторам и может быть использовано на промышленных и сельскохозяйственных предприятия для обработки воздушных и водных сред. Технический результат состоит в обеспечении контроля производительности озонаторов.

Озонатор // 2523805

Изобретение относится к области производства озона и может быть использовано для обработки воздушных и водных сред. Озонатор содержит высоковольтный источник переменного напряжения, выполненный в виде изолированных проводов (электродов), покрытых диэлектриком, намотанных на конусное основание.

Способ электропитания разрядного несимметричного генератора озона // 2584004

Изобретение относится к области электротехники и направлено на расширение области применения разрядного несимметричного генератора озона. Указанный технический результат достигается тем, что в способе электропитания разрядного несимметричного генератора озона, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, задают первый и второй уровни тока и уровень напряжения, периодически пропускают через генератор озона один или несколько импульсов прямого тока от анода к катоду с амплитудой мгновенного значения, не превышающей заданный первый уровень тока, при пропускании импульсов прямого тока контролируют мгновенное напряжение на генераторе озона и при равенстве мгновенного напряжения на генераторе озона заданному уровню напряжения прямой ток прекращают и, далее, однократно или многократно закорачивают генератор озона, при каждом закорачивании контролируют мгновенный обратный ток через генератор озона так, чтобы он не превысил заданный второй уровень тока. То есть при равенстве мгновенного обратного тока через генератор озона заданному второму уровню тока закорачивание снимают, а затем снова восстанавливают. При снижении мгновенного напряжения на генераторе озона до нуля обратный ток прекращают. 2 ил.

Легкий искробезопасный электрод для производства озона // 2590540

Изобретение относится к системе электродов для генератора озона. Система содержит трубообразный внешний электрод (1), который концентрически и на расстоянии окружает трубообразный диэлектрик (2). Диэлектрик (2) окружает концентрически на расстоянии стержень (3). Стержень (3) является изолятором. В промежуточном пространстве между внешним электродом (1) и диэлектриком (2) предусмотрен наполнитель (4). В промежуточном пространстве между диэлектриком (2) и стержнем (3) предусмотрен наполнитель (5) в виде внутреннего электрода. Технический результат: эффективное предотвращение короткого замыкания при пробое, повышение отказоустойчивости, искробезопасности, снижение веса электрода и расходов на материалы. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Воздушный ионизатор // 2598098

Изобретение относится к аэроионификационной технике и предназначено для обогащения воздуха лёгкими отрицательными атомарными униполярными ионами кислорода. Воздушный ионизатор содержит источник питания, несущий элемент, например, воздуховод вентиляционной системы, коронирующий и некоронирующий электроды, причём коронирующий «электрод» выполнен из двух параллельных проволок, диаметр одной из которых не превышает 0,20 мм, подвешенной с помощью подвесок к другой укреплённой через изоляторы. Воздушный ионизатор также снабжён «согласованной» высоковольтной катушкой индуктивности на фрагментированном или разрезном сердечнике с немагнитным зазором, изготовленном из материала с высокой проницаемостью. Немагнитный зазор заполнен диэлектрическим материалом. «Согласованная» катушка вместе с паразитной емкостью образует резонансный L-C контур. Высокопотенциальным выводом катушка последовательно сообщена с внутренней обкладкой сферического или цилиндрического конденсатора, соединённой через диод с ионизирующим электродом, причём, другой вывод катушки индуктивности сообщён с общей шиной («землёй»). Устройство является технологичным и эффективным. 3 ил.

Устройство для синтеза озона // 2600475

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для использования в производстве озонаторных установок. Устройство состоит из, по меньшей мере, одной электродной системы, включающей два подключенных к источнику питания переменного тока паяных пластинчато-ребристых электрода (ПРЭ) и размещенный между ними с заданной величиной разрядного промежутка средний ПРЭ. Каждый из крайних ПРЭ состоит из двух дисковых мембран, каждая с центральным отверстием для выхода синтезированного озона и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также размещенной между проставочными кольцами во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки. Средний ПРЭ состоит из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и насадки, размещенной во внутренней полости электрода. Мембраны всех указанных ПРЭ выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами. Функцию диэлектрического барьера на электродах со стороны, обращенной к разрядному промежутку, выполняет сформированный на их наружных поверхностях наноструктурированный оксидный слой из металла или сплава с вентильными свойствами. Технический результат: повышение производительности, получение высокой и сверхвысокой концентрации озона при минимальных энергозатратах. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Устройство защиты генератора озона от пожара // 2634012

Изобретение относится к устройствам защиты от пожара генераторов озона, использующих в качестве рабочего газа кислород, при электрическом пробое внутренней изоляции. Техническим результатом является уменьшение количества продуктов сгорания и замещающего газа, попадающих в трубопровод отвода озонокислородной смеси из генератора озона и технологическую установку, использующую озон, а также в датчики приборов контроля состава газа на входе в технологическую установку. Устройство защиты от пожара генератора озона содержит источник электропитания, подключенный к электродам генератора озона, датчик возгорания, электронный защитный блок, соединенный со схемой внешнего управления источника электропитания и датчиком возгорания, трубопроводы подвода кислорода и отвода озонокислородной смеси, электромагнитный клапан, установленный в линии подачи кислорода в генератор, емкость, заполненную негорючим замещающим газом под повышенным давлением. Электромагнитный клапан, установленный в линии подачи кислорода в генератор озона, соединен с источником кислорода и емкостью, заполненной негорючим газом. На выходе из генератора озона введен распределительный электромагнитный клапан, соединенный с трубопроводом подачи озона в технологическую установку и с трубопроводом отвода озонокислородной смеси и продуктов горения в атмосферу. Изобретение может быть использовано в озонаторных установках. 1 ил.

Способ формирования барьерного покрытия на паяных алюминиевых электродах генератора озона // 2640586

Изобретение относится к способу формирования барьерного покрытия на паяных алюминиевых электродах генератора озона, включающий подготовку поверхности деталей электрода к пайке, сборку конструкции в сборочно-паяльном приспособлении, выравнивание плоских поверхностей электрода за счет направленного термического удлинения ребер теплообменной насадки при температуре ниже температуры плавления припоя, пайку, в процессе которой при соответствующих температурах производят гомогенизацию металла и вакуумное травление рабочих поверхностей электрода для последующего создания на них диэлектрического барьера. Способ характеризуется тем, что формирование диэлектрического барьера в виде упорядоченной наноразмерной ячеисто-пористой структуры оксида алюминия с высокими показателями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь производят электрохимическим путем в 3-5% растворе щавелевой кислоты при плотности анодного тока 2 А/дм2, времени оксидирования 3 ч и температуре 20-25°С. Изобретение решает задачу повышения качества, надежности и экономичности генератора озона в производстве и эксплуатации на основе применения при синтезе озона паяных алюминиевых электродов с диэлектрическим барьерным покрытием, сформированным электрохимическим путем. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Разрядная камера для проведения плазмохимических реакций // 2642798

Разрядная камера для проведения плазмохимических реакций относится к плазмохимии, к синтезу озона и окислов азота из атмосферного воздуха, смеси кислорода с азотом с помощью барьерного разряда и может найти применение в научных исследованиях и медицине. Разрядная камера включает два коаксиальных электрода, диэлектрический барьер и съемные инициаторы разряда, установленные на одном из электродов. Диэлектрический барьер расположен между электродами с зазорами относительно каждого из электродов. Инициаторы разряда заходят в выполненные в электроде кольцевые проточки. Зазор величиной Н между диэлектрическим барьером и электродом с проточками заполнен проточным рабочим газом. Инициаторы разряда зафиксированы в парных кольцевых проточках съемными прижимными элементами таким образом, что расстояние L между участками вышеуказанных инициаторов, обращенными в сторону диэлектрического барьера, и диэлектрическим барьером удовлетворяет условию 0,25Н≤L≤0,5Н. Зазор между диэлектрическим барьером и другим электродом заполнен циркулирующей электропроводящей жидкостью. Технический результат: повышение максимальной производительности разрядной камеры на инициируемом барьерном разряде импульсно-периодического действия. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.