Мощный малогабаритный электроискровой генератор озона

 

Изобретение относится к созданию малогабаритных генераторов озона модульного типа, вырабатывающих озоновоздушную смесь непосредственно из атмосферного воздуха без какой-либо его подготовки и сушки для широкого диапазона температур и влажности. Генератор озона переносного типа предназначен для использования в бытовых и промышленных целях, для очистки и обеззараживания жилых и промпредприятий, складов и хранилищ от вредителей, бактерий и микробов, в технологических установках водоподготовки, обработки жидкостей и газообразных сред, в системах переработки органики и консервирования, для ферментации комбикормов и трав. Генератор озона также предназначен для ликвидации запахов и обессвечивания. Генератор состоит из заземленного кожуха в виде трубы, высоковольтного электрода, поддерживающего факельную форму разряда, системы подачи воздуха в зону ионизации и высоковольтного источника постоянного тока. Основой генератора служит N-лучевая звездообразная высоковольтная система, находящаяся под отрицательным потенциалом такой величины, чтобы в промежутке "коронирующий электрод - внешний экран" горел факел, т. е. существовали стримеры, а разрядный ток с каждой неоднородности составлял ≈ 0,5 mА при средней напряженности электрического поля Для получения устойчивого факельного разряда величина зазора активной зоны должна быть более 10-11 мм. При использовании импульсного источника питания генератора озона удельные энергетические затраты синтеза 1 г озона составляют около 10-12 Вт, при применении в качестве источника питания выпрямителя затраты приближаются к 15-16 Вт. В отличие от известных конструкций озонатор позволяет вырабатывать помимо атомарного озона целую гамму отрицательных ионов озона, самым активным из которых является диоксин озона. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к созданию унифицированного ряда по производительности мощных малогабаритных переносных генераторов озона, вырабатывающих озоновоздушную смесь с концентрацией озона и его производных непосредственно из атмосферного воздуха без какой-либо его подготовки в широком диапазоне влажности (вплоть до 95 - 98%) и колебания температуры от -65 до +45^oC.

Предлагаемое устройство выработки озона, как интенсивного окислителя, принципиально отличается от известных промышленных озонаторов, работающих только на чистом осушенном кислороде или на специально подготовленном абсолютно сухом и чистом воздухе (точка росы ниже -70^oC), когда озон синтезируется в тихом разряде (барьерный разряд, когда высоковольтный электрод покрыт тонким до 3 мм слоем стекла или стеклоэмалью), а главный зазор (между поверхностью стекла и заземленным электродом) не превышает толщину диэлектрического покрытия высоковольтного электрода. К электродам подведено высокое напряжение (от 4 до 6 кВ) повышенной частоты (от 400 до 500 Гц).

Иными словами, в таких озонаторах синтез озона по реакции осуществляется практически в однородном электрическом поле с рабочей напряженностью где a - величина разрядного зазора.

К настоящему времени рядом фирм освоен выпуск таких озонаторов производительностью от 1 кГ/час O₃ до 200 кГ/час O₃ при затратах электрической энергии только на синтез озона (без учета затрат как на компрессор, прогоняющий рабочую среду через разрядный промежуток с расходом не более 15 л/мин (при длине активной части озонатора равной 1000 мм и зазоре "a" равном 3 мм), так и на подготовку рабочей среды: получение сухого кислорода или очистка и глубокая осушка воздуха с точкой росы ниже -70^oC.

Существует ряд озонаторов, работающих наоборот в резко неоднородных сильных электрических полях по типу игла-плоскость, в которых пробою разрядного промежутка предшествуют различные формы униполярной короны.

В соответствии с патентом РФ N 2036130 (заявл. 27.07.92 опубл. в БИ N 15 за 1995 г., МКИ 6 C 01 B 13/11, авторы: Ляпин А.Г., Певчев Б.Г., Шевцов Э.Н. ) оказалось возможным в электроразрядном генераторе озона, базирующегося на факельном разряде, когда вся внешняя зона униполярной короны заполнена множеством одновременно существующих стримеров (электронных лавин) при наличии мощного излучения в ближней области ультрафиолета (от 170 до 350 нм), синтезировать озон непосредственно из атмосферного воздуха без какой-либо его подготовки.

Такие генераторы способны вырабатывать озон и его производные (отрицательные ионы кислорода и озона) при низких (отрицательных) температурах и даже при сверхповышенной 98%) относительной влажности атмосферного воздуха, т.к. такого типа электроразрядные озонаторы выполняют одновременно роль генератора озона, ионизатора электроотрицательных компонентов воздуха и типового электрофильтра, осуществляя доочистку воздуха и доокисление окислов и диокислов до нерастворимых аэрозолей и сульфидов.

Оптимальный режим факельных генераторов озона, в которых анодом служит высоковольтный электрод с заданной системой неоднородностей для поддержания необходимой интенсивности ионизации вблизи состояния пробоя, отделенных от общего высоковольтного источника специальными высоковольтными высокоомными резисторами, поддерживается при: - величине разрядного тока с неоднородностью вблизи 0,5 мА (при нормальных давлении и температуре); - средней напряженности в зарядном зазоре 5 кВ/см.

Только при выполнении этих условий в межэлектродном промежутке "горит" факел и идет интенсивное образование озона и его производных.

Такое условие существенно сокращает зону существования такой формы разряда: давление рабочей среды в диапазоне от 1,0 до 1,6 атм и диапазон вариации напряжения на разрядном промежутке (от момента "зажигания" факела до пробоя) всего 2-3 кВ.

Кроме того, необходимость отделения каждой неоднородности от высоковольтного источника постоянного тока специальными высокоомными высоковольтными резисторами, например, типа КЭВ-5-N, с номиналами в несколько МОм - существенно усложняет конструкцию таких генераторов озона, делая практически невозможным разработку многомодульных конструкций.

Задачей изобретения является разработка и создание универсального переносного бытового генератора озона модульного типа, способного вырабатывать при регулируемой концентрации как атомарный озон и его производные (отрицательные ионы) непосредственно из воздуха, так и работать на любую нагрузку. Производительность генератора определяется только числом относительных модулей, включаемых по параллельной и последовательной системам.

Задача решается, если выполнить высоковольтный электрод, выполняющий роль катода, в виде N - лучевой звезды, каждый (луч) из которых представляет собой тонкую металлическую пластину-нож из фольги, толщиной от 80 до 300 мкм с рабочим торцом в виде рейки с равнобочными зубьями (обращенной к аноду - заземленной пластине или внутренней поверхности трубы, исполняющий роль кожуха-корпуса). Размер зуба определяется величиной межэлектродного расстояния "а" и толщиной (сечением) пластины "Δ" . Брать фольгу даже из титана меньше 70 - 80 мкм нельзя из-за механической ее непрочности - нельзя осуществить требуемый натяг каждого луча в звезде. Изготавливать рейку толщиной большей 300 мкм экономически невыгодно, т.к. при зазоре "а" равном 10 мм и радиусе закругления вершины зуба равном 20 мкм напряжение зажигания короны составляет от 8 кВ до 9 кВ, а факел возникает только (при нормальных атмосферных условиях) при напряжении большем 18 кВ (необходимо иметь перенапряжение относительно появления короны не менее 2; лучше от 3 до 3,5).

Для поддержания стримерной формы короны для ножа-рейки толщиной 100 мкм и зазоре (между звездой и кожухом) "а" равном 10 мм при радиусе закругления вершины зуба равном 20 мкм, ширина зуба составляет 3 мм и шаг 1,5 мм. В этом случае факел "горит" при напряжении U_N равном 15 кВ и все неоднородности по активной длине рейки практически не оказывают воздействия друг на друга - существуя как бы самостоятельно и независимо, т.е. нет искривления (отталкивания) в следах от прохождения стримеров.

При таких конструктивных особенностях высоковольтного электрода-катода рабочая концентрация вырабатываемого озона и его производных определяется предложенным соотношением где C_max = 20 г/м³ O₃ - максимально достижимая концентрация озона из атмосферного воздуха: 0,06 - размерный коэффициент, характеризующий факельную форму разряда при концентрациях носителей заряда (O^-, O^-₂ , O^-₃, O²₃^-) n_e = 5 · 10^-17 м^-1;
N - число лучей в звезде катода;
I_р - постоянная составляющая разрядного тока, в мА;
l_а - активная длина рейки звезды, м;
Q - расход воздуха через разрядный промежуток, м³/час;
U - рабочий объем, заполненный факельным разрядом, м³;
t - время пребывания воздуха в активной зоне, час.

Отсюда следует, что при расходах атмосферного воздуха Q ≈ 10 л/мин (0,6 м³/час) и токе I_р = 1,2 мА в шестилучевом катоде длинной 200 мм из титановой ленты с Δ ≈ 100 мкм и "a" = 12 мм достигается производительность в 1 г/час озона и его производных.

Сущность заявляемого изобретения поясняется графически, где на фиг. 1 приведен общий вид модуля генератора озона;
на фиг. 2 приведена вольтамперная характеристика используемой формы разряда.

Предложен новый тип электроискрового генератора озона, вырабатывающего озон и его производные непосредственно из атмосферного воздуха без какой-либо его подготовки в широком диапазоне температур (вплоть до -50 град.C) и влажность (до 95%).

Общий вид модуля такого генератора представлен на фиг. 1. Металлический корпус 1 в виде трубы, заданного внутреннего диаметра D имеет активную длину l а, которая определяет для выбранного высоковольтного источника требуемую концентрацию вырабатываемого озона [C г/м³], принимаемую равной 15 г/м³. Корпус 1 служит анодом и жестко связан с "землей" источника питания. Высоковольтной системой 2 генератора предложенного типа, выполняющей роль катода, служит многолучевая конструкция, лучи 5 которой имеют ножевидную форму - пластина шириной близкой к межэлектродному расстоянию a h, активная (обращенная к внутренней поверхности корпуса 1) имеет зубоподобную насечку с заданным шагом, зависящим от толщины используемой ленты. При толщине равной 80 мкм этот шаг составляет 2,138 мм. Ножеподобные пластины механически крепятся в стаканах 4, выполненных по типу фланцев белечьей клетки, закрепленных на коронодержателе 3 в виде стержня, на концах которого имеется резьба для закрепления опорно-проходных изоляторов 8, плотно входящих (до упора с торцом трубы) в корпус 1. Опорные изоляторы выполнены в виде плоских дисков из хорошего диэлектрика, например, из литого полиамида или кремнекерамики и имеют окна, поверхность которых не меньше 70% от боковой поверхности всего изолятора. Толщина диска изолятора 8 определяется только металлической прочностью конструкции. Поверх торцов опорно-проходных изоляторов насаживаются соединительный 6 и переходной 7 фланцы, осуществляющие связь с пылевым воздушным фильтром и нагрузкой озонатора соответственно.

Подача высокого потенциала на высоковольтный электрод осуществляется специальным вводом 9 (ВН) или стандартным кабельным разъемом. Поскольку предложенный тип генератора использует высоковольтный источник тока с амплитудой выходного напряжения 12 - 15 кВ, то в качестве такого ввода можно использовать стандартные разъемы от схем питания радарных установок.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Под действием типовой воздуходувки (серийный компрессор малого (до 30 г/мин) расхода Q) атмосферный воздух через пылевой фильтр типа ФЭ с заданной скоростью продувается через активную зону модуля. Для номинального режима "горения" разряда (I_р ≅ 1,0 мА) гидросопротивление прохождению атмосферного воздуха составляет (для l_а ~ 200 мм) 400 мм вод.ст.

Поэтому предлагается использовать компрессор плунжерного и диафрагмного типа с P ≥ 700 мм рт.ст. и W ≥ 400 мм рт.ст. За время меньшее 0,01с воздух, проходящий через внешнюю зону разряда, из-за наличия в ней избытка электронов при средней напряженности электрического поля

и интенсивном ультрафиолетовом излучении с длиной волны от 170 до 350 нм синтезируется в атомарный озон O и его производные (отрицательные ионы): O^-, O^-₂, O^-₃ и O²₃^-. Одновременно с озоном из-за наличия свободной влаги в разрядной зоне объемом синтезируются радикалы OH^-, H⁺ и O^-.

Поскольку рассматриваемая конструкция модуля полностью соответствует цилиндрическому электрофильтру, то часть образованного озона и его производных при наличии свободной влаги при температуре меньшей 45^oC затрачивается на образование аэрозолей надкислотного типа mHNO, которые как нерастворимые соли осаждаются электрическим полем на внутренней поверхности корпуса.

Поэтому в данном озонаторе на его выходе имеется озоновоздушная смесь при полном отсутствии окислов и диокислов азота, серы и органики, если они (последние) присутствуют в атмосферном воздухе.

Главной особенностью предложенного озонатора служит форма разряда на отрицательной полярности, близкая к факельной (см. патент РФ N 2036130), при отсутствии баластного высоковольтного резистора в разрядной цепи, когда вся внешняя зона униполярной короны заполнена электронными пучками в виде одновременно существующих стримеров.

Вольтамперная характеристика используемой формы разряда приведена на фиг. 2, где представлена аналогичная зависимость на положительной полярности при наличии баластного сопротивления в 70 МОм (достижения тождественности по плотности разрядного тока). Для выбранного высоковольтного источника рабочий диапазон регулируемого разрядного тока соответствует выходному напряжению равному 12 - 15 кВ. Расход Q = 0,3 м³/час, t = 14,5^oC; a = 11 мм, влажность ϕ = 75%.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить озонатор широкого использования. Разработанный генератор предназначен для бытовых нужд, очистки и обеззараживания (помещений, воды, стоков и т.д.) и для фермерских хозяйств. Предложенным агрегатом может работать любой не подготовленный, а только ознакомленный с инструкцией и паспортом пользователь.

Формула изобретения

1. Электроискровой генератор озона, вырабатывающий озон и его производные из атмосферного воздуха без какой-либо его подготовки, состоящий из заземленного кожуха в виде трубы, высоковольтного электрода, поддерживающего факельную форму разряда, системы подачи воздуха в зону ионизации и высоковольтного источника постоянного тока, отличающийся тем, что его высоковольтный электрод, являющийся катодом, выполнен в виде N-лучевой звезды из тонких, толщиной 80-300 мкм, пластин металлической фольги, активные обращенные к внутренней поверхности кожуха торцы которых имеют вид рейки с равнобочными зубьями с основанием, равным 3 мм, и радиусом закругления вершины, равным 20 мкм.

2. Электроискровой генератор озона по п.1, отличающийся тем, что при толщине пластины 100 мкм шаг зубьев рейки составляет 1,5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2