Устройство для генерирования озона

 

Изобретение может быть использовано в медицине, в промышленном производстве, в сельском хозяйстве и других отраслях для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод и воздуха в помещениях. Устройство для генерирования озона содержит расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, а также источник питания, выводы которого подключены к электродам. Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем, из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин. Перемычки выполнены кольцевыми с множественными отверстиями и прорезью, площадь которой равна площади сечения штуцера для подвода теплоносителя к электродам, и закреплены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин электродов, жестко связывая пластины электродов между собой. Площадь суммарного сечения отверстий в перемычках выполнена намного меньшей площади сечения канала, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении. Проходящая в электроде часть штуцера для подвода теплоносителя выполнена повторяющей форму сечения гофров электрода, расположена радиально, и конец ее размещен у внутренней кромки электрода. Изобретение позволяет увеличить срок службы и повысить производительность устройства, а также уменьшить его материалоемкость и габариты. 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для генерирования озона и может быть использовано для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод, воздуха в помещениях, а также в медицине, в промышленном производстве, в сельском хозяйстве и других отраслях.

Известен генератор озона, содержащий подключенные к высоковольтному источнику, по крайней мере, одну пару электродов, установленных на или над поверхностью диэлектрической прокладки, расположенной на сплошном или сетчатом электроде-подложке, причем один из электродов пары соединен с электродом подложки (фиг.8). Тепло, выделяющееся в отверстиях решетки, поступает через тонкую диэлектрическую прокладку на электрод-подложку, которая своими торцевыми поверхностями плотно прижата к поверхности системы водяного охлаждения. Водяное охлаждение осуществляется в таком генераторе без использования водяных уплотнений [1].

Недостатком данного генератора озона является недостаточно эффективное охлаждение электродов, так как охлаждается не вся поверхность электрода, а только его торцевая часть.

Известен озонатор, в котором электроды выполнены в виде полых элементов (например, полого диска с отверстием в центре), полученных соединением гофрированных кольцевых мембран с отношением радиуса кривизны гофр к длине разрядного промежутка, равным 5-25, причем гофры разнополярных элементов эквидистантны в пределах разрядного промежутка. Гофры придают пластинам жесткость и позволяют нанести диэлектрическое покрытие без нарушения плоскостности за счет компенсации гофрами температурных деформаций [2].

Недостатками данного озонатора являются большие габариты в результате значительного размера гофр, необходимых для придания жесткости мембранам, подвергающимся перепадам давлений в их полостях, а также невозможность осуществления равномерного охлаждения поверхности электродов, так как на части электрода, прилегающей к штуцеру подвода охлаждающей воды, направление потока кислородосодержащего газа и охлаждающей жидкости совпадает, на части электрода, прилегающей к штуцеру отвода охлаждающей воды, они противоположны, на частях электрода, расположенных между вышеназванными, направления потоков кислородосодержащего газа и охлаждающей воды взаимно перпендикулярны. Кроме того, недостаточная механическая жесткость мембран в радиальном и осевом направлении, присутствующая лишь в тангенциальном направлении, и неравномерность охлаждения электродов приводят к разрушению диэлектрика на поверхности электродов и выходу их из строя.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является система электродов генератора озона, содержащая, по меньшей мере, два электрода, каждый из которых выполнен из двух гофрированных мембран, жестко соединенных между собой и образующих внутреннюю кольцевую полость, имеющую штуцеры входа и выхода охлаждающей воды, высоковольтный и заземленный электроды имеют одинаковую конфигурацию в пределах активной зоны, соответствующие вершины и впадины верхних и нижних мембран каждого электрода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, а во внутренней кольцевой полости между мембранами в пределах активной зоны размещена дистанцирующая вставка, имеющая высоту, равную расстоянию между мембранами, которое в свою очередь равно 10-30 значениям разрядного расстояния. Дистанцирующая вставка установлена между вершинами нижней мембраны и впадинами верхней [3].

Недостатком данной системы электродов генератора озона является большая толщина электродов в результате значительного расстояния между мембранами, которое определяется высотой дистанцирующей вставки и расстояниями между ней и гофрами верхней и нижней мембран. А также неравномерное охлаждение поверхности электродов, так как на части электрода, прилегающей к штуцеру подвода охлаждающей воды, направление потока кислородосодержащего газа и охлаждающей воды совпадает, на части электрода, прилегающей к штуцеру отвода охлаждающей воды, они противоположны, на частях электрода, расположенных между вышеназванными, направления потоков кислородосодержащего газа и охлаждающей воды взаимно перпендикулярны, что может привести к образованию застойных зон и исключает достижение равномерного распределения разряда по всей площади электродов. В результате возможен перегрев охлаждающей воды вплоть до ее вскипания с разрушением электродов.

Кроме того, недостаточная механическая жесткость мембран обусловлена тем, что дистанцирующая вставка не соединена жестко с мембранами (выступы мембран опираются точечно на нее) и не защищает их от распирания, когда давление охлаждающей жидкости превысит давление рабочего газа или при гидравлическом ударе, и не защищает от удара мембран о дистанцирующую вставку при их возврате в исходное положение. Недостаточная механическая жесткость мембран и неравномерность охлаждения электродов приводят к разрушению диэлектрика на поверхности электродов и выходу их из строя.

Задачей изобретения является уменьшение материалоемкости и габаритов устройства для генерирования озона, увеличение срока службы, а также повышение его производительности.

Техническим результатом является уменьшение расстояния между пластинами электродов, повышение прочности и жесткости конструкции, приводящее к исключению механического разрушения диэлектрика на поверхности электродов, а также повышение эффективности теплоотвода от разрядного промежутка.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для генерирования озона, содержащем расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, перемычки выполнены кольцевыми с множественными отверстиями и прорезью, площадь которой равна площади сечения штуцера для подвода теплоносителя к электродам, и закреплены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин электродов, жестко связывая пластины электродов между собой, причем площадь суммарного сечения отверстий в перемычках выполнена намного меньшей площади сечения канала, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении, а проходящая в электроде часть штуцера для подвода теплоносителя выполнена повторяющей форму сечения гофров электрода, расположена радиально и конец ее размещен у внутренней кромки электрода.

Выполнение перемычек кольцевыми с множественными отверстиями и жесткое закрепление их по всей длине окружности каждого гофра между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин электродов позволяет уменьшить расстояние между пластинами электродов на величину больше высоты дистанцирующей вставки, так как перемычки теперь располагаются между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин каждого электрода, и расстояние между пластинами определяется только высотой перемычки. При этом сохраняется развитая охлаждающая поверхность электродов.

Жесткое закрепление перемычек по всей длине окружности каждого гофра позволяет повысить их механическую прочность, что приводит к исключению механического разрушения диэлектрика на поверхности электродов и увеличению срока службы устройства для генерирования озона. При избытке давления в полости электродов по отношению к давлению в газоразрядном промежутке поверхности электродов стремятся разойтись, но перемычки удерживают их на прежнем расстоянии. При появлении разрежения в полости электродов перемычки, наоборот, не позволяют им сомкнуться, сохраняя рабочие поверхности электродов на одинаковом расстоянии друг от друга.

Интенсификация теплоотвода обусловлена выполнением площади суммарного сечения отверстий в перемычках намного меньшей площади сечения канала, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении, и подводом теплоносителя к внутренней кромке электрода, что позволяет создать преимущественно радиальное движение теплоносителя - от центра к периферии, навстречу потоку кислородосодержащего газа, направленному от периферии к центру.

Создание встречного направления потоков кислородосодержащего газа и потоков теплоносителя приводит к более равномерному распределению температуры по разрядному промежутку и более эффективному охлаждению. В результате этого исключается образование застойных зон. Происходит снижение вероятности распада молекул озона под воздействием повышенной температуры и уменьшение энергозатрат на производство озона. Повышается производительность устройства для генерирования озона. Улучшению теплоотвода способствует и жесткое соединение перемычек, омываемых теплоносителем, с пластинами электродов, приводящее к увеличению поверхности охлаждения электродов.

На фиг.1 изображено устройство для генерирования озона.

На фиг.2 изображено сечение А-А на фиг.1.

На фиг.3 изображена электродная система устройства для генерирования озона.

На фиг.4 изображено сечение А-А на фиг.3.

На фиг.5 изображено сечение Б-Б на фиг.3.

На фиг.6 изображен вид Д на фиг.3.

Устройство для генерирования озона содержит расположенные в герметичном корпусе 1 высоковольтные 2 и заземленные электроды 3, изготовленные из нержавеющей стали (фиг.1). Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем, равномерно покрыты снаружи изоляцией из короностойкого диэлектрика 4 (фиг.4) и чередуются через один. Электроды 2, 3 выполнены из герметично соединенных между собой по кромкам 5, 6 кольцевых гофрированных пластин 7, 8, образующих внутреннюю полость 9, в которой расположены перемычки 10. Между электродами установлены дистанцирующие прокладки из изоляционного материала 11 (фиг.1, 2), не препятствующие проходу газа. Для крепления электродов имеются стяжные шпильки 12. Выводы высоковольтного источника питания 13 через проходной изолятор 14 подключены к электродам 2, 3 (фиг.1). Устройство для генерирования озона снабжено штуцерами для подвода рабочего кислородосодержащего газа 15 и теплоносителя 16 и штуцерами для отвода теплоносителя 17 и газоозоновой смеси 18, а также штуцерами для подвода теплоносителя к электродам 19 и отвода теплоносителя от них 20. Высоковольтные электроды 2 соединены со штуцерами для подвода теплоносителя 16 через шланг 21 из изоляционного материала, длина и диаметр которого выбираются из условия обеспечения высокого омического сопротивления (фиг.1). Перемычки 10 выполнены кольцевыми (фиг.3) одинаковой высоты (фиг.4) из нержавеющей стали с множественными отверстиями 22, и прорезью 23 (фиг.6), площадь которой равна площади сечения штуцера для подвода теплоносителя к электродам 19, и закреплены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами 24, 25 и впадинами 26, 27 верхней 7 и нижней 8 пластин электродов 2, 3 (фиг.4). Перемычки 10 закреплены перпендикулярно к внутренним поверхностям пластин 7, 8, жестко связывая пластины электродов между собой. Электрод 2, расположенный первым от штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа 15, выполнен сплошным (без центрального отверстия) (фиг.1). Суммарная площадь сечения отверстий 22 в перемычках 10 (фиг.6) выполнена намного меньшей площади сечения канала 28 (фиг.4), образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении. Проходящая в электроде часть штуцера для подвода теплоносителя к электродам 19 выполнена в виде трубки 29, расположенной радиально и повторяющей форму сечения гофров электрода с отверстием 30 на конце, размещенным у внутренней кромки электрода 5 (фиг.4, 5).

Устройство работает следующим образом.

Рабочий кислородосодержащий газ (например, воздух или кислород) очищают в устройстве для очистки рабочего кислородосодержащего газа 31 (фиг.1) и отделяют влагу в устройстве для отделения влаги из рабочего кислородосодержащего газа 32. Рабочий кислородосодержащий газ подают в корпус 1 через штуцер 15, направляют в пространство между электродами 2, 3 от периферии к центру. К электродам 2, 3 прикладывают высокочастотное переменное напряжение необходимой величины от высоковольтного источника питания 13 устройства для генерирования озона. Между электродами 2, 3 возникает электрический барьерный разряд, который воздействует на кислородосодержащий газ. Образующиеся свободные электроны, обладающие значительной энергией, приводят к разрушению молекул кислорода и образованию в разрядном промежутке между электродами молекул озона (О ₃), который отводится через штуцер 18. Прохождение тока вызывает выделение джоулевого тепла, нагревающего электроды 2, 3 и диэлектрик 4 и приводящего к уменьшению интенсивности образования озона и ускоренному его распаду. Тепло, выделяющееся при разряде в газе, электродах и изоляции, отводится созданным потоком теплоносителя. Поток теплоносителя предварительно охлаждают в устройстве охлаждения 33. Теплоноситель подают в полость 9 электродов 2, 3 (фиг.4) через штуцер 19 (фиг.3). В полость электрода 9 теплоноситель подводят через отверстие 30 трубки 29 (фиг.5), расположенной радиально от входного отверстия штуцера 19 до внутренней кромки электрода 5 (фиг.3, 4), и отводят из полости 9 электродов 2, 3 через отверстие штуцера для отвода теплоносителя 20 (фиг.1). Выполнение площади суммарного сечения отверстий в перемычках 10 намного меньшей площади сечения канала 28, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении, обеспечивает практически постоянное давление теплоносителя в каждом канале между перемычками. Поток теплоносителя, осуществляющий отвод тепла от электродов, создается направленным преимущественно в радиальном направлении – от центра к периферии, навстречу потоку кислородосодержащего газа, направленному от периферии к центру. В последнем от центра канале движение потока теплоносителя осуществляется по направлению к штуцеру для отвода теплоносителя 20. Создание встречного направления потоков кислородосодержащего газа и потоков теплоносителя приводит к более равномерному распределению температуры по разрядному промежутку и более эффективному охлаждению. В результате этого исключается образование застойных зон, что приводит к более равномерному распределению температуры по разрядному промежутку.

Использование изобретения приводит к уменьшению расстояния между пластинами электродов, повышению эффективности теплоотвода от разрядного промежутка, а также повышению механической прочности электродов, что позволит исключить механическое разрушения диэлектрика на поверхности электродов и увеличить срок службы устройства. Одновременно повышается эффективность охлаждения электродов за счет равномерного распределения потока теплоносителя по всей площади электродов, что позволяет повысить производительность генерирования озона.

Источники информации

1. Патент РФ № 2024427, С 01 В 13/11, 1994.

2. Патент РФ № 2046753, C 01 B 13/11, 1995.

3. Патент РФ № 2199487, C 01 B 13/11, 2003.

Формула изобретения

Устройство для генерирования озона, содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, отличающееся тем, что перемычки выполнены кольцевыми с множественными отверстиями и прорезью, площадь которой равна площади сечения штуцера для подвода теплоносителя к электродам, и закреплены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин электродов, жестко связывая пластины электродов между собой, причем площадь суммарного сечения отверстий в перемычках выполнена намного меньшей площади сечения канала, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении, а проходящая в электроде часть штуцера для подвода теплоносителя выполнена повторяющей форму сечения гофров электрода, расположена радиально и конец ее размещен у внутренней кромки электрода.

РИСУНКИ