Способ получения озона в электрическом разряде и устройство для его осуществления

 

Использование: получение озона. Сущность изобретения: диэлектрический барьер 1, который может быть предварительно заряжен, непрерывно перемещают между электродами в тангенциальном направлении с линейной скоростью. На электроды 2 и 3 подают постоянную разность потенциалов. Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего подключенные к высоковольтному источнику питания 4 плоские электроды 2 и 3 и диэлектрический барьер 1, помещенный между ними и выполненный в виде установленного с возможностью вращения диска. Указанные электроды образуют четное количество пар, каждая последующая из которых подключена с чередующейся полярностью к источнику постоянного напряжения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение касается получения озона и может быть использовано в пищевой, сельскохозяйственной и химической промышленности, а также в энергетике для интенсификации процесса сжигания топлива.

Известен способ получения озона, заключающийся в том, что кислородосодержащий газ помещают в межэлектродном пространстве, образованном электродами, покрытыми пористым проницаемым для воздуха изоляционным материалом, к которым подводят высоковольтное постоянное напряжение [1].

Недостатком способа является то, что при его использовании не может быть достигнута высокая производительность процесса получения озона, так как пористая проницаемая для воздуха изоляция электродов, выполняющая роль диэлектрического барьера, не обладает высоким ресурсом работы из-за низкой электрической прочности. Кроме того, возможно возникновение локальной неустойчивости объемного разряда, которая приводит к пробою изоляции, что делает сам способ ненадежным.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения озона, заключающийся в возбуждении переменным током промышленной или звуковой частоты высоковольтного электрического поля между электродами, разделенными диэлектриком [2].

Однако этот способ также недостаточно надежен, а процесс генерации озона неустойчив. При питании озонаторов от источника синусоидального переменного тока промышленной частоты, которые наиболее просты, надежны и устойчивы в работе, имеет место малая производительность по генерации озона. Известно, что производительность озонаторов растет с увеличением частоты напряжения, питающего озонатор. С ростом рабочей частоты растут и затраты, связанные с преобразованием промышленной частоты, что требует применения сравнительно сложных преобразователей, а значит, усложняет сам способ. Наиболее перспективными источниками питания высокочастотных озонаторов являются тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока. Однако внедрение высокоэффективных высокочастотных озонаторов идет с большим трудом из-за ненадежности высокочастотных источников питания. Тиристорные преобразователи также имеют свои недостатки, основными из которых являются сравнительная сложность схем и систем управления и трудность согласования источника питания с нагрузкой. Все это требует высококвалифицированного обслуживающего персонала, что часто является причиной отказа от практического использования высокочастотных озонаторов.

Известно устройство для озонирования с подвижным элементом, в котором один из электродов выполнен вращающимся [3]. Однако из-за низкой барьерной емкости производительность по озону такой установки незначительна.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для озонирования, содержащее подключенные к высоковольтному источнику переменного тока два плоских электрода, один из которых выполнен с возможностью вращения, а другой - в виде сетки из проводящего материала, покрытого диэлектриком, и установлен параллельно плоскости вращения вращающегося электрода [4].

К недостаткам этого устройства относится необходимость использования высокочастотного источника питания и другого сложного оборудования, что усложняет устройство, делает его ненадежным в работе, а процесс генерации озона недостаточно устойчивым.

Цель изобретения - повышение надежности и устойчивости процесса генерации озона при высокой производительности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе при получении озона путем приложения высокого напряжения к электродам, между которыми помещен диэлектрический барьер, к ним прикладывают постоянное напряжение, а диэлектрический барьер приводят в движение в тангенциальном направлении относительно плоскости электродов. При этом поверхности диэлектрического барьера могут быть предварительно заряжены противоположно полярности взаимодействующего с каждой поверхностью электрода.

Устройство для осуществления способа содержит подключенные к высоковольтному источнику питания плоские электроды, расположенные друг напротив друга, и диэлектрический барьер между ними. Причем барьер выполнен в виде установленного с возможностью вращения диска, а электроды образуют четное количество пар, каждая последующая из которых подключена с чередующейся полярностью к источнику высокого постоянного напряжения по отношению к предыдущей.

При использовании предлагаемого способа и устройства исключается возможность локализации разряда из-за неоднородности материала диэлектрика, значительно упрощается сам процесс, так как не требуется применения сложного оборудования, а производительность процесса увеличивается. Электрический разряд между плоскими электродами и диэлектрическим барьером создается при интенсивном механическом переносе поверхностного заряда барьера, в соответствии с чем увеличивается зона разряда и выход озона.

На фиг. 1 приведена схема осуществления синтеза озона; на фиг.2 - озонатор.

Способ осуществляют следующим образом.

Диэлектрический барьер (диэлектрик - бесконечно длинная пластина) 1, который может быть предварительно заряжен (устройство заряда диэлектрика не показано), непрерывно перемещают между электродами в тангенциальном направлении с линейной скоростью V. На электроды 2 и 3 подают постоянную разность потенциалов. Если в промежутках между электродами и поверхностями диэлектрика 1 разность потенциалов не менее напряжения горения разряда, то возникает объемный барьерный разряд в этих промежутках и происходит синтез озона. Одновременно с разрядом осуществляется перезарядка диэлектрика 1, которая заканчивается в месте гашения разряда, т.е. когда разность потенциалов между электродами и прилегающими поверхностями движущегося диэлектрика будет меньше напряжения горения разряда. На фиг.1 представлен случай наиболее производительный для синтеза озона, когда полярность предварительного заряда диэлектрика 1 (заряд части диэлектрика до прохождения между электродами) противоположна полярности напряжения, приложенного к электродам 2 и 3, а полярность перезарядки совпадает (перезарядка части диэлектрика после прохождения между электродами). Очевидно, чем больше скорость движения диэлектрика V, тем выше интенсивность объемного барьерного разряда и соответственно выше производительность процесса синтеза озона. Поддерживая скорость движения диэлектрика между электродами 2 и 3 в десятки и сотни метров в секунду, получают производительность по синтезу озона на уровне высокочастотных озонаторов. При этом в качестве источника питания используется источник постоянного высокого напряжения, который прост в изготовлении и эксплуатации и характеризуется надежной и стабильной работой. При реализации данного способа синтеза озона впервые представляется возможность экспериментального излучения униполярного объемного барьерного разряда. Ранее барьерный разряд создавался только в переменном электрическом поле.

На фиг. 2 приведена схема конструкции установки озонирования, которая может быть использована для осуществления способа.

Установка озонирования содержит диэлектрический барьер 1 в форме диска, электроды 2 и 3, расположенные по обеим сторонам барьера 1 и образующие между собой пары противолежащих электродов (количество пар - четное число, на фиг. 2 число пар равно четырем), высоковольтный источник 4 постоянного напряжения, к которому подключены пары электродов 2 и 3. Причем каждая последующая пара подключена с чередующейся полярностью к источнику 4 постоянного напряжения по отношению к предыдущей для вращения с угловой скоростью ω диэлектрического барьера 1.

Установка работает следующим образом.

Постоянное напряжение от высоковольтного источника 4 подается с чередующейся полярностью на каждую из пар частичных электродов 2 и 3. При достаточной напряженности электрического поля в зазорах между диэлектрическим барьером 1 и частичными электродами 2 и 3 возникает объемно-барьерный электрический разряд, в котором осуществляется синтез озона.

Длительность разряда при неподвижном диске ограничена как процессом заряда емкости части диэлектрического барьера 1, которая определяется толщиной барьера, его диэлектрической проницаемостью и площадью объемного разряда, так и напряжением горения разряда. По мере зарядки емкости напряжение в области разряда падает, становится меньше напряжения горения и разряд прекращается.

Для вращающегося с помощью электродвигателя 5 диэлектрического барьера 1 с угловой скоростью ω электрический разряд, в котором происходит синтез озона, приобретает тангенциальную составляющую скорости движения диэлектрического барьера и становится непрерывным. Из-за чередующейся полярности подключения высоковольтного источника 4 к парам электродов 2 и 3 осуществляется непрерывная перезарядка емкостей. К очередной паре подходит заряд на поверхности диэлектрического барьера 1, который остается от перезарядки емкостей предыдущей парой электродов. Полярность такого заряда определяется предыдущей парой электродов и противоположна полярности приложенного напряжения к последующей паре, что создает самые благоприятные условия для горения и поддержания объемного электрического разряда. Таким образом процесс непрерывно повторяется от одной пары электродов к другой.

В предлагаемом устройстве каждая пара электродов 2 и 3 выполняет двойную функцию: в первом случае как объект синтеза озона, во втором как перезарядное устройство.

Выход озона пропорционален количеству разрядных областей, т.е. числу пар электродов 2 и 3. Однако число пар лимитируется как размерами диэлектрического барьера, так и электрической прочностью между соседними парами.

П р и м е р. В лабораторных условиях был создан действующий макет озонаторной установки с вращающимся диэлектрическим барьером. В качестве вращающегося диэлектрического барьера использовали диск из винипласта толщиной 3 мм и диаметром 290 мм; число пар электродов равно 20.

Достигнута производительность установки 10 г/ч озона при следующих параметрах: скорость вращения диска 6000 об./мин, постоянное напряжение 15 кВ, потребляемая мощность (без учета потребления мощности электроприводом) 300 Вт.

При проведении экспериментальных исследований специальной подготовки воздуха (фильтрация, осушка, охлаждение) не проводилось.

Минимальная скорость вращения диска, при которой наблюдалась генерация озона, равна 300 об./мин, а минимальное напряжение, при котором наблюдалась генерация озона, составляет 8 кВт.

В настоящее время проведены испытания двух макетных образцов предложенного устройства, которые показали устойчивую и надежную работу при производительности по озону, соизмеримой с производительностью высокочастотных озонаторов.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ получения озона в электрическом разряде путем приложения высокого напряжения к электродам с расположенным между ними диэлектрическим барьером, отличающийся тем, что к электродам прикладывают постоянное напряжение, а диэлектрический барьер приводят в движение в тангенциальном направлении относительно плоскости электродов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхности диэлектрического барьера предварительно заряжают противоположно полярности расположенного напротив электрода.

3. Устройство для получения озона в электрическом разряде, содержащее подключенные к высоковольтному источнику питания плоские электроды, расположенные друг против друга, и диэлектрический барьер между ними, отличающееся тем, что диэлектрический барьер выполнен в виде установленного с возможностью вращения диска, а электроды образуют четное количество пар, каждая последующая из которых подключена с противоположной полярностью к источнику высокого постоянного напряжения по отношению к предыдущей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2