Озонатор
OZONATOR

Изобретение относится к аппаратам синтеза озона из кислорода.
Известно устройство для озонирования, содержащее подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения два высокоомных электрода, образующих газоразрядный промежуток с расположенными в нем на электродах диэлектрическими барьерами [1]. В этом устройстве происходит перераспределение тепловыделения. Часть общего тепловыделения выделяется в высокоомных электродах, а в газоразрядном промежутке тепловыделение становится меньше на величину тепловыделения в высокоомных электродах. В итоге нагрев озоногазовой смеси уменьшается, разложение озона падает и производительность озонатора увеличивается. Однако часть тепловыделения с высокоомных электродов через барьер снова проникает за счет теплопроводности в газоразрядный промежуток, снижая эффективность синтеза озона. Кроме этого, создание высокоомных электродов связано со значительными техническими трудностями.
Можно повысить производительность по выходу озона, если микроразряды сделать высокоомными с помощью резисторов. Однако в озонаторах с плоскими сплошными электродами это не представляется возможным.
Наиболее близким является устройство [2], содержащее два электрода, выполненные в виде полос (секций), закрепленных на обеих поверхностях диэлектрического барьера и объединенных шинами. Электроды подключены к высоковольтному источнику переменного напряжения и разнесены один относительно другого расположением полос в последовательно чередующемся порядке.
Недостатком указанного устройства, как и всех озонаторов с высокопроводящими электродами, является высокий нагрев озоносодержащего газа, приводящий к снижению производительности по выходу озона.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности устройства, упрощение его конструкции.
Этот технический результат достигается тем, что в озонаторе, содержащем два высокоомных электрода в виде полос (секций), закрепленных на обеих поверхностях диэлектрического барьера и разнесенных так, что полосы одного электрода расположены относительно полос другого электрода в последовательно чередующемся порядке, а каждая полоса (секция) электродов подключена к высоковольтному источнику напряжения, причем в соответствии с изобретением каждая полоса электродов подключена к источнику напряжения через резистор.
При этом полосы одного электрода могут быть расположены так, что проекции осевых продольных линий этих полос на поверхность расположения полос другого электрода совпадают с продольной линией, разделяющей расстояние между каждыми двумя полосами этого другого электрода.
На фиг. 1 изображена схема озонатора; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - временная форма тока микроразряда.
Схема озонатора представлена без кожуха, обеспечивающего подачу и выход озонируемого газа. Озонатор содержит диэлектрический барьер 1, на поверхности барьера закреплены полосковые электроды 2 и 3. Полосы электрода 2 разнесены относительно полос электрода 3 в последовательно чередующемся порядке. Каждая полоса электрода 2 подключена к высоковольтному источнику напряжения 6 через резисторы 4; соответственно каждая полоса электрода 3 подключена к другой полярности высоковольтного источника 6 через резисторы 5. Резисторы выбраны из условия сопротивления микроразряда 3 - 5 кОм.
Озонатор работает следующим образом. От высоковольтного источника 6 переменное напряжение подается через резисторы 4 и 5 на полосковые электроды 2 и 3. На поверхностях диэлектрического барьера образуется поверхностный лавинный разряд, в котором молекулы кислорода подвергаются интенсивной электронной бомбардировке. В результате синтезируется озон. В заявляемом устройстве, как и в прототипе [2], тепловыделение перераспределяется. В газоразрядном промежутке тепла выделяется меньше на количество тепловыделения в резисторах 4 и 5. Теплопередача от резисторов 4 и 5 обратно в газоразрядный промежуток не происходит. За счет этого производительность по озону повышается.
ист.
p
р
Это следует из дискретной структуры барьерного разряда. Барьерный разряд состоит из отдельных частичных разрядов (микроразрядов). Эффекты, связанные с производительностью и нагревом, определяются каждым микроразрядом. Согласно [3, с. 33-34], где приведены осциллограммы микроразрядного тока, видно, что микроразрядный ток состоит из двух стадий. Первая стадия - формирование тока: рост микроразрядного тока от нуля до амплитуды разрядного тока , величина переносимого заряда во время стадии формирования . И вторая стадия - завершение разряда: стадия завершения носит затухающий экспоненциальный характер. Согласно [3, с. 33-34] основная составляющая переносимого заряда приходится на стадию завершения разряда и равна  Амплитуда тока в первом приближении определяется сопротивлением столба микроразряда: . Здесь U - напряжение источника питания в момент действия микроразряда, r - сопротивление столба микроразряда,  - постоянная времени завершения микроразряда, где С - емкость микроразряда.
Основная часть тепла, выделяющегося в микроразряде (джоулевая составляющая), определяется завершающей стадией разряда:
.
При использовании в заявляемом озонаторе подключение резисторов, амплитуда тока микроразряда  уменьшится, а постоянная времени τ увеличится в k раз:
э
, здесь r - сопротивление подключенного резистора.
В связи с этим переносимый заряд остается неизменным, а джоулево выделение тепла уменьшится в k раз, поэтому начальный синтез озона остается прежним из-за неизменности заряда q, а нагрев разряда, барьеров и озоногазовой смеси уменьшается, вследствие чего разложение озона падает. В итоге выход озона от отдельного микроразряда и соответственно в заявляемом озонаторе увеличится.
При этом эффективность перераспределения тепловыделения определяется соотношением емкостей:
э
б
С<С,
э
где С - емкость одной полосы относительно ближайших полос противоположного электрода;
б
С - емкость прибарьерной части микроразряда.
В первом приближении соотношение между емкостями можно заменить площадями:
,
здесь Δ и  - ширина и длина полосы;
б
d - диаметр прибарьерной части микроразряда. Отсюда ограничение по длине полос электродов 4 и 5:
.
б
Согласно [3, с. 24] типичные диаметры микроразрядов 5-6 мм. При d=6 мм и Δ=0,5 мм получим  см.
э
э
В случае повышенной емкости С изменения микроразрядного тока незначительны. Микроразрядный ток формируется в основном за счет энергии, равной . Подключение в этом случае высокоомных резисторов практически не оказывает влияния на микроразрядный ток, так как до момента возникновения микроразряда значительная емкость С уже заряжена. Выделение тепла в микроразряде по-прежнему будет высоким.
э
Для повышения влияния высоомных резисторов на микроразрядные процессы необходимо снижать межэлектродную емкость. Для обеспечения минимальной емкости С полосы электрода 2 расположены так, что проекции осевых продольных линий этих полос на поверхность расположения полос другого электрода совпадают с продольной линией, разделяющей расстояние между каждыми двумя полосами электрода 3 пополам. В этом случае расстояние между проволочными электродами будет максимальным, а межэлектродная емкость соответственно минимальной.
При проведении эксперимента осуществлялось сравнение по выходу озона озонатора с резисторами и без. Производительность заявляемого озонатора на 40% оказалась выше. Эксперимент проходил с одинаковыми электрическими нагрузками (действующее напряжение высоковольтного источника питания U=10 кВ при частоте источника питания  Гц).
Источники информации
1. Патент РФ №2427528, кл. С01В 13/11. Опубл. 27.08.2011. Бюл. №24.
2. Авторское свидетельство СССР №1564113, кл. С01В 13/11. Опубл. 15.05.90. Бюл. №18.
3. Самойлович В.Г. Физическая химия барьерного разряда / В.Г. Самойлович, В.И. Гибалов, К.В. Козлов. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с. (с. 33).