ОЗОНАТОР

Полезная модель относится к электротехнологии и может быть использована при проектировании новых озонаторных установок повышенной производительности со сниженными энергозатратами на синтез озона.
Известен озонатор, содержащий охлаждаемые потоком охлаждающего агента металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком шириной h, через который проходит поток кислородсодержащего газа, источник переменного тока, выводы которого соединены с металлическими электродами (А.с. 941278 СССР, МЕСИ С 01 В 13/11. Генератор озона \ Савченко И.М., Шаляпин М.И. и др. - Заявл. 30.10.78, Опубл. 19.11.80. БИ № 3).
Недостатком озонатора являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено недостатками конструкции, плохими условиями охлаждения кислородсодержащего газа, что приводит к снижению выхода озона, нарушением равномерности электрического разряда по длине разрядного промежутка.
Известен озонатор, содержащий охлаждаемые потоком охлаждающего агента металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком шириной h, через который проходит поток кислородсодержащего газа, источник переменного тока, выводы которого соединены с металлическими электродами (Р. 2320171 GB, IK С 01 В 13/11. Ozone generator \ Burris W.A.- Priority Data 13.12.94, Date of Publication 10.06.98).
Недостатком озонатора являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено недостатками конструкции, плохими условиями охлаждения кислородсодержащего газа, что приводит к снижению выхода озона, нарушением равномерности электрического разряда по длине разрядного промежутка.
Известен озонатор, содержащий охлаждаемые потоком охлаждающего агента металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком шириной h, через который проходит поток кислородсодержащего газа, источник переменного тока, выводы которого соединены с металлическими электродами (П. 2198134 РФ, МКИ С 01 В 13/11. Озонатор / Андрейчук В.К., Норков ДА. и др. - Заявл 30.10.01, Опубл. 10.02.03. БИМП №4).
Данный озонатор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и рассматривается в качестве прототипа.
Недостатком озонатора являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено недостатками конструкции, плохими условиями охлаждения кислородсодержащего газа, что приводит к снижению выхода озона, нарушением равномерности электрического разряда по длине разрядного промежутка.
Полезная модель направлена на решение задачи снижения энергозатрат на синтез озона, что является целью полезной модели.
Снижение энергозатрат на синтез озона достигается тем, что в озонаторе, содержащем охлаждаемые потоком охлаждающего агента металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком шириной h, через который проходит поток кислородсодержащего газа, источник переменного тока, выводы которого соединены с металлическими электродами, металлические электроды выполнены с чередующимися равными участками, на которых диэлектрический слой отсутствует, расположенными симметрично относительно плоскости симметрии разрядного промежутка, ширина разрядного промежутка в зонах расположения участков увеличена и равна значению H, H=h+Δh, величина Δh выбирается из условия отсутствия электрического разряда в разрядном промежутке в зонах расположения участков при заданных напряжении электрического разряда на разрядном промежутке, давлении и скорости потока кислородсодержащего газа, поток охлаждающего агента направлен против потока кислородсодержащего газа, выводы источника переменного тока соединены с металлическими электродами в точках, расположенных со стороны выхода кислородсодержащего газа из разрядного промежутка.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является снижение энергозатрат на синтез озона. Это обеспечивается улучшением качества конструкции озонатора, увеличением полезной части энерговклада в электрический разряд за счет существенного улучшения условий охлаждения кислородсодержащего газа в разрядном промежутке и увеличения выхода озона, повышения равномерности электрического разряда по длине разрядного промежутка.
Снижение энергозатрат на синтез озона является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемой конструкцией озонатора, принципами устройства его электродов, охлаждения, обеспечением равномерности электрического разряда по длине разрядного промежутка, соединением элементов, то есть отличительными признаками. Поэтому отличительные признаки заявляемого озонатора являются существенными.
На рисунке приведена функциональная схема озонатора с элементами конструкции, поясняющая устройство, принцип соединения частей и работы озонатора.
Озонатор в рассматриваемом варианте имеет конструкцию с плоскими электродами. Направление потока кислородсодержащего газа через разрядный промежуток показано сплошной стрелкой. Направление потока охлаждающего агента показано пунктирной стрелкой. Направления потоков кислородсодержащего газа и охлаждающего агента взаимно противоположны. В качестве охлаждающего агента может использоваться газ или жидкость, например, деионизованная вода или масло. Принципиально система электродов озонатора может содержать большое число чередующихся плоских электродов, или иметь цилиндрическую конструкцию. Принцип работы озонатора и форма электрического разряда при этом не изменяются (в озонаторе возбуждается барьерный разряд). Озонатор работает следующим образом. Кислородсодержащий газ проходит через разрядный промежуток в направлении, указанном сплошной стрелкой. Электроды озонатора подключены к выводам источника переменного тока. Под действием напряжения источника переменного тока между электродами озонатора возникает электрический барьерный разряд. Электрический разряд имеет структуру отдельных микроразрядов, равномерно распределенных по поверхностям диэлектрических слоев. На участках электродов, на которых диэлектрический слой отсутствует, электрический разряд не возбуждается за счет того, что ширина разрядного промежутка в зонах расположения участков увеличена (H=h+Δh). Поток газа из-за наличия в разрядном промежутке участков с увеличенной шириной Н имеет характер турбулентного, что обеспечивает хорошую теплоотдачу, перемешивание газа и способствует повышению равномерности и стабильности электрического разряда на участках электродов шириной h, покрытых диэлектрическими слоями, где электрический разряд возбуждается. На участках, где ширина Н разрядного промежутка увеличена, происходит расширение газа, что интенсифицирует процесс теплоотдачи и «закалки» неравновесных концентраций атомарного кислорода, образующегося в микроразрядах, за счет адиабатического эффекта. Дополнительно происходит контакт кислородсодержащего газа с металлической поверхностью участков шириной Н, имеющей хорошую теплопроводность, что также способствует охлаждению. В микроразрядах происходит диссоциация молекул кислорода. Образовавшиеся в результате диссоциации атомы кислорода при столкновениях с молекулами кислорода образуют молекулы озона. Одновременно происходит и обратная реакция разложения озона в электрическом разряде, под действием ультрафиолетового излучения и температуры. Технологические условия проведения синтеза обеспечиваются такими, что процесс образования озона в разрядном промежутке превалирует над процессом его разложения. В результате, на выходе из разрядного промежутка кислородсодержащий газ имеет в смеси заданное количество озона. Заданная концентрация озона определяется электрическим режимом озонатора, качеством подготовки и очистки кислородсодержащего газа, а также условиями охлаждения элементов разрядного промежутка озонатора и кислородсодержащего газа. Использование фактически турбулентного потока кислородсодержащего газа, обеспечение условий для интенсивного периодического охлаждения кислородсодержащего газа по длине разрядного промежутка улучшают процесс синтеза озона, обеспечивают малый перепад температур на входе и выходе разрядного промежутка, что повышает концентрацию и выход озона. Так как направления потоков кислородсодержащего газа и охлаждающего агента взаимно противоположны, также улучшаются (за счет обеспечения большего перепада температур) условия охлаждения в озонаторе, что повышает выход озона. Кислородсодержащий газ при движении по разрядному промежутку обогащается синтезированным озоном, в результате чего возрастает электроотрицательность газовой смеси и затрудняются условия возбуждения электрического барьерного разряда по длине разрядного промежутка. Соединение выводов источника переменного тока с металлическими электродами в точках, расположенных со стороны выхода кислородсодержащего газа из разрядного промежутка, компенсирует возможное изменение потенциала вдоль металлических электродов от протекающих токов микроразрядов и ухудшение условий возбуждения электрического барьерного разряда по длине разрядного промежутка. Повышается равномерность разряда в разрядном промежутке и выход озона.
Система электродов с диэлектрическими слоями может быть выполнена как симметричной, так и несимметричной, то есть с чередующимися равными участками, на которых диэлектрический слой отсутствует, только на одном из электродов. Один из электродов может быть также выполнен без диэлектрического слоя из материала, проводящего электрический ток и стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, например, из титана, алюминия или из нержавеющей стали.
По сравнению с прототипом при использовании заявляемого озонатора существенно снижаются энергозатраты на синтез озона. Использование конструкции заявляемой полезной модели позволяет изменить форму электрического разряда в озонаторе. В разрядном промежутке заявляемого озонатора возбуждается барьерный разряд, который принципиально обеспечивает больший энергетический выход озона по сравнению с барьерным разрядом в прототипе. Больший энергетический выход озона в барьерном разряде заявляемой полезной модели обусловлен, в частности, более равномерным распределением микроразрядов по поверхностям диэлектрических слоев и улучшением условий «закалки» неравновесных концентраций атомарного кислорода в объеме разрядного промежутка. Существенно улучшаются условия охлаждения кислородсодержащего газа при турбулентном движении, а также за счет периодической интенсивной теплоотдачи на участках электродов с увеличенной шириной, на которых диэлектрический слой отсутствует и имеет место прямой контакт кислородсодержащего газа с поверхностью металлического электрода. Взаимно противоположные направления потоков кислородсодержащего газа и охлаждающего агента также интенсифицируют условия охлаждения в озонаторе. Соединение выводов источника переменного тока с металлическими электродами в точках, расположенных со стороны выхода кислородсодержащего газа из разрядного промежутка, компенсирует возможное изменение потенциала вдоль металлических электродов от протекающих токов микроразрядов и ухудшение условий возбуждения электрического барьерного разряда по длине разрядного промежутка. Повышается равномерность разряда в разрядном промежутке и выход озона. В целом энергозатраты на синтез озона при использовании заявляемой полезной модели могут быть снижены на 15-20%.