Озонатор

 

Может быть использовано для получения озона из газовой смеси, содержащей кислород. Озонатор состоит из корпуса, двигателя, источника постоянного напряжения, крыльчатки-вентилятора и диэлектрического барьера. Сущность изобретения в том, что диэлектрический барьер установлен с возможностью перемещения между неподвижными электродами, это позволяет исключить трущиеся контакты и способствует упрощению конструкции. Электроды всех разрядных промежутков выполнены в виде стержней или пластин. Изобретение позволяет достигнуть увеличения удельной производительности озонатора и упрощение конструкции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам плазмохимии с барьерным разрядом для получения озона из газовой смеси, содержащей кислород, и может быть использовано в биологической, химической, нефтехимической, пищевой и других областях промышленности, в сельском хозяйстве и медицине для бактерицидной обработки, озонирования и дезодорации воздуха в производственных и бытовых помещениях, стерилизации и обеззараживания инструментов, оборудования и продуктов.

Известны устройства для получения озона в низкотемпературной плазме барьерного разряда между покрытыми диэлектриком неподвижными электродами при питании разряда от источника синусоидального и других форм переменного или импульсного напряжения [1]. Изменение производительности по озону на единицу объема (удельной производительности) таких устройств в широких пределах достигается посредством изменения частоты напряжения источников [2]. К недостаткам устройств можно отнести снижение предельного энергетического выхода озона и усложнение систем охлаждения, обеспечивающих необходимую температуру газа в разрядном промежутке при увеличении удельной производительности с ростом частоты напряжения источников. Необходимость использования компрессора или других систем для прокачки газа в разрядном промежутке устройств ограничивает области их эффективного применения. Электрический разряд в промежутке между электродами устройств невозможен при их подключении к высоковольтным источникам постоянного напряжения, не превышающего напряжения пробоя диэлектрического барьера.

Упрощение устройств с барьерным разрядом, расширение их функционального назначения и областей применения достигаются при получении низкотемпературной плазмы в барьерном разряде с подвижными электродами и униполярным источником постоянного напряжения.

Известно устройство для обработки газа в электрическом разряде, предназначенное для обеззараживания воздуха и получения озона в низкотемпературной плазме объемного разряда в промежутке, образованном неподвижным высоковольтным электродом в виде цилиндрического стержня и подвижным цилинлрическим электродом с диэлектрическим барьером, гальванически связанным с дополнительным заземленным электродом, установленным с минимальным зазором относительно подвижного электрода параллельно его образующей [3].

На валу подвижного электрода внутри цилиндра установлена крыльчатка осевого вентилятора, прокачивающего газ через разрядный промежуток. Неподвижный электрод подключен к униполярному источнику постоянного напряжения. Разряд, горящий в области высоковольтного электрода, заряжает поверхность барьера подвижного электрода, которая разряжается в области дополнительного электрода, установленного вне основного потока газа, и неэффективно используется для обработки газа и синтеза озона. Ток и мощность разряда определяются числом оборотов подвижного электрода и величиной разности зарядов q₁, переносимого от высоковольтного электрода к дополнительному, и заряда q₂ переносимого от дополнительного электрода к высоковольтному, т.е. величиной Δq, равной Δq = q₁-q₂. (1) Недостатком устройства является низкая удельная производительность, обусловленная малой величиной отношения объема разрядного промежутка к общему объему устройства. Другими недостатками устройства являются сложность конструкции подвижного электрода с приводом, скользящей контактной системы, заземляющей подвижный электрод, и воздуховода, обеспечивающего прохождение всего газа через разрядный промежуток. Отмеченные недостатки снижают надежность работы устройства и ограничивают области его применения.

Известен выбранный в качестве прототипа плазмохимический генератор роторного типа [4], предназначенный для воздействия низкотемпературной плазмы на поток газа и поверхности диэлектриков с целью обеззараживания воздуха и получения озона в барьерном разряде при постоянном высоком напряжении. Разрядный промежуток генератора образуют подвижные чередующиеся высоковольтные и заземленные - дополнительные электроды, установленные с зазорами относительно заземленного неподвижного электрода в виде плоского диска, покрытого пленкой-барьером по поверхности. Высоковольтные ножевые электроды, обращенные острой кромкой к пленке-барьеру, и дополнительные пластинчатые электроды, имеющие минимально допустимый зазор относительно поверхности диска, выполняют роль крыльчатки центробежного вентилятора, прокачивающего газ через разрядный промежуток. В генераторе при перемещении электродов относительно поверхности диска разряд горит в областях высоковольтных электродов при зарядке поверхности и в областях дополнительных электродов при ее разрядке. Ток и мощность разряда определяются числом оборотов электродной системы, числом пар электродов и величиной разности зарядов Δq, равной Δq = q₃-q₄, (2) где q₃ и q₄ - заряды участков поверхности диска, заключенных между высоковольтным и дополнительным электродами, после их зарядки и разрядки соответственно. При сопоставимых условиях, т.е. при q₁=q₃ и q₂=q₄ соотношение тока и соответственно мощности разряда генератора [4] и устройства [3] равно числу пар электродов генератора.

Недостатком генератора является сложность конструкции подвижной контактной системы и изоляции подвижных элементов высоковольтной системы от заземленных элементов конструкции генератора. Наличие в контактной системе трущихся частей неизбежно приводит к запылению прилегающих диэлектрических поверхностей проводящим покрытием и снижению со временем разрядных напряжений и надежности работы генератора.

Другой недостаток генератора обусловлен электродной системой с униполярным источником постоянного напряжения, при которой в (1, 2) |Δq| < |q₁| и |Δq| < |q₃|, так как даже теоретически допустимый минимальный зазор между дополнительным электродом и поверхностью диска не эквивалентен металлическому контакту с нулевой разностью потенциалов. Величины тока и мощности разряда при таких электродных системах будут меньше тока и мощности при электродных системах, удовлетворяющих условию |Δq| > |q₃|. (3) Следующий недостаток обусловлен совмещением в одном конструктивном элементе функций электродов разрядной системы и крыльчатки вентилятора, ограничивающем возможности независимого изменения и оптимизации характеристик потока газа и объемного разряда.

Отмеченные недостатки существенно ограничивают области применения генератора и снижают надежность его работы.

Основная техническая задача изобретения - повышение производительности и упрощение конструкции озонатора при повышении надежности его работы.

Основная техническая задача решена в результате того, что в озонаторе, содержащем корпус, двигатель, электроды, источник постоянного напряжения, крыльчатку-вентилятор и диэлектрический барьер в разрядном промежутке, согласно изобретению, барьер установлен с возможностью перемещения между неподвижными электродами 2N(N=1,2,3...)разрядных промежутков.

Электроды всех разрядных промежутков выполнены в виде стержней или пластин. Электроды, находящиеся по одну сторону барьера, подключены к источнику постоянного напряжения с чередованием полярности или величины потенциала. Диэлектрический барьер может быть выполнен в виде одного или нескольких дисков или цилиндров, расположенных на одном валу. В качестве двигателя и крыльчатки-вентилятора использована газовая турбина, установленная на одном валу с вращающимся диэлектрическим барьером.

Отделение диэлектрического барьера от электродов, которые в продольном размере в 2-3 раза и более превышают их размеры в других ортогональных направлениях и расположены так, что направление их продольного размера ортогонально направлениям перемещения барьера и нормали к его поверхности, позволяет заряжать обе поверхности диэлектрического барьера. При постоянном напряжении на разрядном промежутке разряды между взаимно перемещающимися электродом и поверхностью диэлектрика изучались при исследовании процессов коммутации и характеристик короткого замыкания электростатических генераторов (ЭСГ) [5,6] . В ЭСГ появление заряда на обеих поверхностях диэлектрического или стержневого ротора, позволяя удвоить максимальное значение тока короткого замыкания при удвоении напряжения возбуждения, увеличивает соответственно в четыре раза мощность потерь на коммутацию.

В озонаторе величина предельного заряда на поверхности барьера ограничена электрической прочностью диэлектрика барьера и при отделении барьера от электрода не изменяется, следовательно мощность разряда можно увеличить в предельном режиме, увеличивая пропорционально разность потенциалов электродов и толщину барьера. При биполярном источнике и удвоении толщины барьера мощность и производительность озонатора удваивается вследствие удвоения объема разрядного промежутка без изменения удельного энерговклада в разряд и максимальной напряженности электрического поля в объеме и вне его, что позволяет повысить производительность озонатора на единицу его полного объема. При подключении биполярного источника к электродам с чередованием их полярности в озонаторе, как и в ЭСГ при переходе от униполярной к биполярной системе возбуждения, ток увеличивается более чем в два раза, увеличивая соответственно более чем в два раза мощность разряда и производительность озонатора (или потери мощности на коммутацию в ЭСГ). В итоге мощность разряда по отношению к прототипу увеличивается в четыре раза.

Задачи определения и оптимизации с заданными целями зависимостей тока и мощности разряда от геометрических параметров систем зарядки (разрядки и перезарядки) поверхности диэлектрика, перемещающейся относительно электродов, как свидетельствуют многолетние исследования систем коммутации и характеристик ЭСГ [5], не имеют строгих аналитических решений. Экспериментально установленные разными авторами условия получения максимальных токов разряда несопоставимы из-за большого числа определяющих их факторов.

При этом результаты исследований ЭСГ часто непосредственно не применимы при анализе разрядов в озонаторах, так как если задача исследований разрядов в зонах коммутации ЭСГ заключалась в определении условий минимизации потерь мощности, то для озонатора необходимо определить выделения в газе разрядного промежутка максимально возможной мощности. С учетом данных замечаний при практической реализации устройств с униполярным и биполярным источниками питания и прочих равных условиях, то есть при равенстве максимальных значений плотности зарядов по поверхности диэлектрического барьера и равной скорости взаимного перемещения диэлектрика и электродов, значения соотношения мощностей (эффективностей) устройств могут существенно отличаться от приведенных выше величин. Наиболее просто повышение производительности в 2 - 4 и более раз, при существенном упрощении конструкции озонатора по отношению к прототипу, достигается при дисковом вращающемся диэлектрическом барьере, имеющем более одного диска на валу.

Решающим фактором, обеспечивающим упрощение конструкции озонатора, является отсутствие трущихся контактов при неподвижных электродах разрядных промежутков.

При использовании для производства озона сжатых газов, например, кислорода или осушенного воздуха в баллонах, конструкция озонатора упрощается также в результате замены двигателя и крыльчатки-вентилятора на газовую турбину, установленную на одном валу с вращающимся барьером.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов конструкции озонатора с вращающимся диэлектрическим барьером в виде диска; на фиг. 2 показано взаимное расположение электродов, образующих разрядные промежутки, и диска-барьера, указаны полярность электродов и электрическая схема их соединения для биполярного источника, распределение зарядов по поверхности барьера и области горения разряда в озонаторе.

Озонатор состоит из диэлектрического корпуса 1 (фиг. 1) с отверстиями 2 для входа и 3 для выхода газа. Внутри корпуса 1 установлены диэлектрические держатели 4 с системами крепления и электрического соединения неподвижных электродов 5 и подшипники 6, в которых установлен вал 7 с закрепленными на нем диэлектрическим барьером-диском 8 и крыльчатками-вентиляторами 9. Вращение вала 7 осуществляется от привода 10. Электроды 5 разрядных промежутков выполнены в виде стержней или пластин длиной более чем в 2-3 раза превышающей их другие ортогональные размерности и подключены к высоковольтному источнику питания 11 (фиг. 2).

Озонатор работает следующим образом.

При включении высоковольтного источника питания постоянного тока 11 и величине его напряжения, достаточной для зажигания разряда между парами электродов 5, разделенных барьером 8, на поверхности барьера 8 в областях горения разряда наносятся заряды, знаки которых соответствуют полярности электродов 5. При неподвижном диэлектрическом барьере 8 в результате зарядки его поверхности разряд прекращается. Величина осажденного заряда определяется разностью напряжения источника 11 и напряжения погасания разряда в разрядном промежутке 2U₀. Максимальное значение напряжения источника 11 ограничено электрической прочностью барьера, пробоями между электродами 5 по поверхности барьера или электродом 5 и заземленными элементами озонатора.

При перемещении барьера 8 заряженные участки его поверхности, приближаясь к электродам 5 с обратной полярностью, не только разряжаются, но и перезаряжаются зарядом обратного знака. При постоянном напряжении источника 11 его мощность, передаваемая озонатору и потребляемая разрядным промежутком, определяется величиной его тока. При неизменных в первом приближении электрофизических и геометрических характеристиках и параметрах барьера 8 и электродов 5, определяющих электрическое поле в разрядных промежутках, ток I источника 11 будет также неизменным и его величина будет равна току переноса при движении заряженной поверхности барьера. При числе разрядных промежутков или пар электродов 5, равном 2N, и максимальной плотности заряда σ_m = ε_иE_nm, где ε_и - абсолютная диэлектрическая проницаемость материала барьера 8, E_nm - максимальная величина нормальной к поверхности составляющей напряженности поля в барьере 8, ток I будет равен I = 2NσSn = 2nNε_aSE_nm, где S - площадь заряженной части односторонней поверхности диска 8, а n - число оборотов диска 8 в секунду.

Предельное значение напряжения источника, определяемое как разность потенциалов ϕ между его зажимами, ограничено меньшим из двух ϕ₁ и ϕ₂ значений величин, равных ϕ₁ = 2U₀+E_д·d и ϕ₂ = l_minE_τm, где d - толщина барьера, E_д - допустимая величина напряженности электрического поля в диэлектрике диска 8, E_τm - допустимая величина среднего значения составляющей напряженности поля между электродами 5 в направлении перемещения барьера 8, l_min- минимальное расстояние между электродами 5, находящимися по одну сторону барьера 8. При превышении значения ϕ₁ возможен электрический пробой барьера 8, а при превышении ϕ₂ возможен дуговой разряд в газовой среде. Таким образом для увеличения напряжения и тока разряда в озонаторе необходимо повышать однородность поля в разрядном промежутке для увеличения значений E_nm, E_д и E_τm при максимально возможной его неоднородности в промежутке электрод 5 - диэлектрический барьер 8, соответствующий минимально возможному значению величины U₀.

Озонатор при технологической необходимости может иметь цилиндрическое исполнение. В этом случае диэлектрический барьер изготовляется цилиндрическим.

В случае принудительной подачи воздуха, при производстве озона сжатых газов, например, кислорода или осушенного воздуха в баллонах можно исключить электрический привод и использовать газовую турбину.

Формула изобретения

1. Озонатор, содержащий корпус, двигатель, источник постоянного напряжения, крыльчатку-вентилятор, электроды и диэлектрический барьер в разрядном промежутке, отличающийся тем, что диэлектрический барьер установлен с возможностью перемещения между неподвижными электродами 2N (N = 1,2,3, ...) разрядных промежутков, причем эти электроды выполнены в виде стержней или пластин, кроме того, электроды, находящиеся по одну сторону барьера, подключены к источнику постоянного напряжения с чередованием полярности или величины потенциала.

2. Озонатор по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический барьер выполнен в виде одного или нескольких дисков или цилиндров, расположенных на одном валу.

3. Озонатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя и крыльчатки-вентилятора может быть использована газовая турбина, установленная на одном валу с вращающимся диэлектрическим барьером.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2