Устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда
Изобретение относится к устройствам для получения озона из неосушенного воздуха. Сущность изобретения: устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда, содержащее разрядную камеру с высоковольтными, покрытыми диэлектриком, и заземленными электродами, источник импульсов высокого напряжения, содержащий генератор управляющих импульсов, зарядное устройство, выходы которых соединены с соответствующими входами одного либо нескольких модулей, включающих накопительный конденсатор, управляемый импульсный ключ, закороченный импульсным конденсатором, и первичную обмотку импульсного трансформатора, размещенную на отдельной замкнутой части магнитопровода с зазором либо без него. При этом высоковольтная обмотка импульсного трансформатора подключена соответственно к высоковольтным и заземленным электродам. Технический результат: создание простого, дешевого, удобного в эксплуатации генератора озона при повышении надежности его работы, увеличение выхода озона и снижение удельных энергозатрат. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к устройствам для получения озона из неосушенного воздуха и может быть использовано в различных сферах народного хозяйства, например в сфере очистки питьевой и сточной воды, в целлюлозно-бумажной, пищевой, фармацевтической, химической и др. областях промышленности.
Созданные высоковольтные импульсные генераторы для электросинтеза озона при помощи импульсного коронного разряда и импульсного барьерного разряда оказались более конкурентоспособными по отношению к традиционным генераторам озона переменного тока с частотой 50 Гц и более высокочастотным (400-4000 Гц). Генерирование озона при помощи импульсных разрядов перспективно из-за возможности уменьшения удельных энергозатрат при получении озона.
Известно устройство электрического трансформатора, преобразующее электрический ток, напряжение или сопротивление из одного значения в другое (А.К.Лосев, 1971, Линейные радиотехнические цепи, Москва, Высшая школа), состоящее из одной первичной и одной либо нескольких вторичных обмоток, индуктивно связанных между собой.
Широко известны генераторы озона с диэлектрическим барьером (см. АС SU №941276, МПК С01В 13/11, от 07.07.1982; SU №1774585, МПК С01В 13/11, от 15.05.1994; SU №17753535, МПК С01В 13/11, от 15.11.1992), содержащие генератор высоковольтных импульсов и подключенную к нему рабочую камеру с электродами, один из которых покрыт слоем диэлектрика.
Известно устройство для ионизации газа с использованием барьерного разряда (см. патент US №5554344, МПК С01В 13/11, от 10.09.96), состоящее из внутреннего и внешнего концентрических металлических электродов и заземленного экрана со стеклянной диэлектрической трубкой, расположенной между ними. Рабочий газ пропускается между диэлектриком и заземленным экраном. Электроды и заземленный экран рассчитаны таким образом, что достигается охлаждение рабочей камеры.
Известно устройство формирования мощных импульсов тока в низкоомной нагрузке (см. патент RU №2153762, МПК Н03К 3/53 Н02Р 13/06, от 27.07.2000), содержащее трансформатор с нагрузкой во вторичной обмотке, двунаправленный управляемый ключ, источник переменного напряжения и устройство управления, причем дополнительно введены устройство заряда, конденсатор и второй двунаправленный управляемый ключ, причем конденсатор подключен через второй двунаправленный управляемый ключ к части или ко всем виткам первичной обмотки трансформатора, а через устройство заряда - к источнику переменного напряжения.
Известно устройство для получения озона (см. патент RU №2119446, МПК С01В 13/11, от 27.09.1998), состоящее из корпуса с впускным отверстием для ввода сухого воздуха или кислорода и выпускным отверстием для подачи наружу воздуха или кислорода с полученным озоном, внутри корпуса в проходе для газа установлена, по меньшей мере, одна пара взаимно изолированных и расположенных напротив друг друга коронирующего и некоронирующего электродов, вне корпуса установлен источник коротких импульсов высокого напряжения положительной полярности с длительностью до 1000 нс, выходные зажимы которого подключены к электродам в согласованной полярности, причем некоронирующий электрод или по крайней мере его часть, контактирующая с разрядом, выполнен из алюминия, или сплава алюминия, или из электропроводящего сплава с теплопроводностью выше 50 Вт/(м·град).
Причем, источник коротких импульсов высокого напряжения обеспечивает среднюю удельную мощность коронного разряда более 50 Вт/л, частоту следования импульсов высокого напряжения более 500 Гц, отношение амплитуды импульсов высокого напряжения к амплитуде остаточного постоянного напряжения на электродах между импульсами составляет 1,5-3.
Данное устройство технически трудно реализуемо и обладает небольшим эксплуатационным ресурсом, так как требует для своей работы применения быстрых сильноточных высоковольтных импульсных ключей, для коммутации импульсов высокого напряжения с фронтом нарастания менее 1 мкс. Кроме того, сплавы алюминия обладают недостаточной коррозионной стойкостью в кислой среде, неизбежно образующейся в процессе синтеза озона.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является озонатор (см. AC SU №1370072, МПК С01 В13/11, от 1988), содержащий генератор озона, управляемый генератор импульсов, включающий выпрямитель, тиристорный высокочастотный инвертор, систему управления инвертором, переключающий элемент и элемент накопления энергии в виде конденсатора, через который управляемый генератор импульсов подключен к первичной обмотке импульсного трансформатора, во вторичную обмотку которого включен генератор озона.
Озонатор работает в резонансном режиме, что обеспечивается наличием во вторичной обмотке импульсного трансформатора датчика резонансной частоты, включенного последовательно с генератором озона. Время разряда накопительного элемента составляет несколько мкс, что обусловлено наличием коммутирующего тиристора, поэтому время нарастания (фронт) импульса во вторичной обмотке импульсного трансформатора составляет ≥1 мкс.
В известном изобретении импульсы фронта нарастания определяются временем открытия коммутирующего тиристора, причем такой источник питания имеет очевидные недостатки в случае применения его для питания барьерного разряда, связанные с тем, что основное энергопотребление барьерного разряда приходится как раз на фронт импульса, когда тиристор еще не до конца открыт, и падение напряжения (определяющее величину потерь энергии) на нем существенны, что приводит к уменьшению энергетической эффективности данного построения известной схемы.
А также существенная трудность ее масштабирования, требующая радикального изменения элементной базы при переходе на большие уровни мощности.
Техническим результатом изобретения является создание простого, дешевого, удобного в эксплуатации и легко масштабируемого генератора озона при повышении высокой надежности работы устройства, увеличении выхода озона и снижение удельных энергозатрат.
Широкие возможности достигаются тем, что в устройстве для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда, содержащем разрядную камеру с впускным и выпускным отверстиями, внутри которой размещены высоковольтные электроды, покрытые диэлектриком, и заземленные электроды, причем вне разрядной камеры установлен источник импульсов высокого напряжения, содержащий генератор управляющих импульсов, зарядное устройство, выходы которых соединены с соответствующими входами одного либо нескольких модулей, включающих в себя накопительный конденсатор, управляемый импульсный ключ, закороченный импульсным конденсатором и первичную обмотку импульсного трансформатора, размещенную на отдельной замкнутой части магнитопровода с зазором либо без него, а высоковольтная обмотка импульсного трансформатора, охватывающая все части магнитопровода, принадлежащие всем модулям, подключена соответственно к высоковольтным и заземленным электродам.
Управляемые импульсные ключи реализованы на IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), либо на полевых, либо биполярных транзисторах с подключенными обратными диодами.
Управляемые импульсные ключи модулей открываются и закрываются синхронно друг с другом при помощи единого внешнего генератора управляющих импульсов.
Высоковольтный электрод выполнен в виде столба из металлического порошка либо из металлической стружки, размещенной в кварцевой трубке.
Сущностью изобретения является то, что предложено техническое решение, позволяющее легко наращивать выходной ток импульсного трансформатора, не ухудшая остальные параметры импульса за счет модульного построения электрической схемы генератора импульсов. Предложенное решение позволяет, используя стандартные модули с заданными параметрами, произвольно увеличивать мощность выходного импульса и, следовательно, производительность озонатора путем добавления необходимого количества модулей, без перехода на новую элементную базу.
Для изготовления сколь угодно производительного генератора озона теперь в качестве импульсных ключей лежащих в основе модулей могут быть использованы надежные и недорогие серийные IGBT, а также полевые либо биполярные транзисторы с подключенными обратными диодами.
Применение высоковольтных электродов, представляющих собой кварцевую трубку, заполненную металлическим порошком либо металлической стружкой, позволяет повысить надежность работы озонатора и снизить требования к точности поддержания межэлектродного зазора за счет концентрации электрического поля на поверхности частиц металлического порошка или стружки.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого технического решения, на фиг.2 и 3 - соответственно реализация электронного ключа на полевом транзисторе с обратными параллельно подключенными диодами и IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor).
Устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда содержит:
1 - разрядная камера;
2, 3 - впускное и выпускное отверстия разрядной камеры;
4 - высоковольтный электрод, выполненный из металлического порошка либо стружки, размещенный в кварцевой трубке;
5 - диэлектрик (кварцевая трубка);
6 - заземленный электрод;
7 - источник импульсов высокого напряжения;
8 - модуль;
9 - зарядное устройство;
10 - накопительный конденсатор;
11 - управляемый импульсный ключ;
12 - импульсный конденсатор;
131-n - первичные обмотки импульсного трансформатора;
14 - вторичная высоковольтная обмотка импульсного трансформатора;
15 - IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором);
16 - полевой транзистор;
17 - биполярный транзистор (на чертеже не показан);
18 - обратный диод;
19 - генератор управляющих импульсов;
20 - высоковольтный импульсный трансформатор;
21 - отдельный элемент магнитопровода, принадлежащий данному модулю;
22 - электродная система;
23 - сетевое напряжение;
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В разрядной камере 1 с впускным 2 и выпускным отверстиями 3 расположена электродная система 22, выполненная из высоковольтных электродов 4 и заземленных электродов 6, представляющих собой металлические трубки, которые могут охлаждаться водой или воздухом. Внутри заземленных трубок 6 коаксиально расположены высоковольтные электроды 4, представляющие собой кварцевые трубки 5, заполненные стружкой либо порошком из нержавеющей стали либо другого озоностойкого материала.
К высоковольтным электродам 4 разрядной камеры 1 присоединен источник импульсов напряжения 7, содержащий зарядное устройство 9, подключенное к переменному напряжению питающей сети 23 (например, выпрямитель сетевого напряжения), заряжающее один либо несколько накопительных конденсаторов 10 и высоковольтный импульсный трансформатор 20. Импульсный трансформатор 20 может иметь одну 131 либо несколько независимых первичных обмоток 13n, каждая из которых намотана на отдельном замкнутом магнитопроводе 21 с зазором либо без него. Вторичная высоковольтная обмотка 14 проходит через все магнитопроводы с первичными обмотками 13n и, таким образом, напряжение на вторичной высоковольтной обмотке 14 увеличивается не только пропорционально отношению витков в первичной 13n и вторичной обмотке 14, но и пропорционально количеству первичных 13n обмоток.
Последовательно с каждой первичной обмоткой 13n установлен управляемый импульсный ключ 11, открывающийся и закрывающийся в заданные моменты, закороченный импульсным конденсатором 12. В качестве такого ключа может быть использован IGBT 15, биполярный 17 либо полевой 16 транзисторы, закороченные обратным диодом 18. Первичная обмотка 13n через управляемый импульсный ключ 11 соединена с накопительными конденсаторами 10. При открывании управляемого импульсного ключа 11 накопительный конденсатор 10 разряжается через первичную обмотку 13n. При этом ток в течение всего времени открытия управляемого импульсного ключа 11 через первичную обмотку 13n нарастает. Вместе с нарастанием тока растет энергия, запасенная в индуктивности первичной обмотки 13n. В момент закрытия управляемого импульсного ключа 11 эта энергия начинает заряжать импульсный конденсатор 12, закорачивающий управляемый импульсный ключ 11, и через определенное время, задаваемое величиной эффективной индуктивности первичной обмотки 13n и величиной импульсного конденсатора 12, заряжается до максимального напряжения, которое может превышать величину напряжения на накопительном конденсаторе 10 в несколько раз. Затем импульсный конденсатор 12 разряжается через первичную обмотку 13n. В остальных первичных обмотках 13n описанный процесс протекает синхронно. Процесс синхронной зарядки и разрядки импульсных конденсаторов 12 через первичные обмотки 13n формирует импульс напряжения на вторичной высоковольтной обмотке 14, приводящий к зажиганию барьерного разряда в разрядной камере 1 озонатора и диссипации энергии в этом разряде.
Предлагаемое техническое решение обладает следующими достоинствами: фронт импульса не связан со временем открытия ключа и, вследствие этого, основное выделение энергии в барьерном разряде, приходящееся по времени именно на фронт импульса, разнесено по времени с моментами открытия и закрытия управляемого импульсного ключа 11, т.е. с моментами максимальных потерь энергии в управляемом импульсном ключе 11. Таким образом, минимизированы потери энергии в управляемом импульсном ключе 11. Кроме того, такая схема дает возможность простого ее масштабирования без изменения используемой элементной базы при помощи добавления указанным образом новых первичных обмоток 13n с одновременным уменьшением количества витков во вторичной высоковольтной обмотке 14.
А применение высоковольтных электродов 4, представляющих собой кварцевые трубки 5, заполненные стружкой либо порошком из нержавеющей стали либо другого озоностойкого материала, позволяет повысить надежность работы озонатора и снизить требования к точности поддержания межэлектродного зазора за счет концентрации электрического поля на поверхности частиц металлического порошка либо стружки.
Технико-экономический эффект изобретения позволяет существенно повысить надежность работы озонатора, увеличить выход озона, снизить удельные энергозатраты путем создания простого, дешевого, удобного в эксплуатации и легко масштабируемого генератора коротких импульсов высокого напряжения.
1. Устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда, содержащее разрядную камеру с впускным и выпускным отверстиями, внутри которой размещены высоковольтные электроды, покрытые диэлектриком, и заземленные электроды, причем вне разрядной камеры установлен источник импульсов высокого напряжения, содержащий генератор управляющих импульсов, зарядное устройство, выходы которых соединены с соответствующими входами одного либо нескольких модулей, включающих в себя: накопительный конденсатор, управляемый импульсный ключ, закороченный импульсным конденсатором, и первичную обмотку импульсного трансформатора, размещенную на отдельной замкнутой части магнитопровода с зазором либо без него, а высоковольтная обмотка импульсного трансформатора, охватывающая все части магнитопровода, принадлежащие всем модулям, подключена, соответственно, к высоковольтным и заземленным электродам.
2. Устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда по п.1, отличающееся тем, что управляемые импульсные ключи реализованы на IGBT, либо на полевых, либо биполярных транзисторах с подключенными обратными диодами.
3. Устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда по п.1, отличающееся тем, что управляемые импульсные ключи модулей открываются и закрываются синхронно друг с другом при помощи единого внешнего генератора управляющих импульсов.
4. Устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда по п.1, отличающееся тем, что высоковольтный электрод выполнен в виде столба из металлического порошка, либо из металлической стружки, размещенной в кварцевой трубке.
