ГЕНЕРАТОР ОЗОНА

Полезная модель относится к электротехнологии и может быть использована при проектировании новых озонаторных установок повышенной производительности со сниженными энергозатратами на синтез озона.
Известен генератор озона, содержащий металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком, через который проходит поток кислородсодержащего газа (А.с. 941278 СССР, МКИ 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 генератора озона являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено сравнительно низкой энергетической эффективностью примененной в известном устройстве формы барьерного разряда. Примененная форма барьерного разряда характеризуется малым выходом озона.
Известен генератор озона, содержащий металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком, через который проходит поток кислородсодержащего газа (Р. 2320171 GB, IK C 01 В 13/11. Ozone generator \ Burris W.A. - Priority Data 13.12.94, Date of Publication 10.06.98).
Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено сравнительно низкой энергетической эффективностью примененной в известном устройстве формы барьерного разряда. Примененная форма барьерного разряда характеризуется малым выходом озона.
Известен генератор озона, содержащий металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком, через который проходит поток кислородсодержащего газа (П. 2198134 РФ, МКИ C 01 В 13/11. Озонатор / Андрейчук В.К., Норков Д.А. и др. - Заявл. 30.10.01, Опубл. 10.02.03. БИМП №4).
Данный генератор озона является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и рассматривается в качестве прототипа.
Недостатком генератора озона являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено сравнительно низкой энергетической эффективностью примененной в известном устройстве формы барьерного разряда. Примененная форма барьерного разряда характеризуется малым выходом озона.
Полезная модель направлена на решение задачи снижения энергозатрат на синтез озона, что является целью полезной модели.
-2
Снижение энергозатрат на синтез озона достигается тем, что в генераторе озона, содержащем металлические электроды, покрытые диэлектрическими слоями, разделенные разрядным промежутком, через который проходит поток кислородсодержащего газа, на поверхности диэлектрических слоев симметрично относительно плоскости симметрии разрядного промежутка нанесены площадки одинаковой геометрической формы из металла, стойкого к воздействию температуры, электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, электрически не связанные между собой, с характеристическими размерами 1,0÷2,5 мм и плотностью нанесения 0,5÷1,5 см.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является снижение энергозатрат на синтез озона. Это обеспечивается изменением конструкции генератора озона, увеличением полезной части энерговклада в электрический разряд за счет изменения формы барьерного разряда в кислородсодержащем газе. Электрический разряд модифицируется за счет интенсификации скользящей формы барьерного разряда на поверхностях диэлектрических слоев около границ нанесенных на диэлектрические слои площадок из металла, привязки микроразрядов к местам нанесения площадок, снижения локальных температур в местах возбуждения микроразрядов.
Снижение энергозатрат на синтез озона является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемой конструкцией генератора озона, примененной формой барьерного разряда, характеризующейся большей энергетической эффективностью и большим выходом озона, то есть отличительными признаками. Поэтому отличительные признаки заявляемого генератора озона являются существенными.
На рисунке приведен чертеж генератора озона, поясняющий устройство и принцип соединения его частей.
Генератор озона в рассматриваемом варианте имеет конструкцию с плоскими электродами. Направление потока кислородсодержащего газа через разрядный промежуток показано стрелкой. Принципиально система электродов генератора озона может содержать большое число чередующихся плоских электродов, или иметь цилиндрическую конструкцию. Принцип работы генератора озона и форма электрического разряда при этом не изменяются (в разрядном промежутка генератора озона возбуждается модифицированный барьерный разряд).
Генератор озона работает следующим образом. Кислородсодержащий газ проходит через разрядный промежуток в направлении, указанном стрелкой. Под действием напряжения источника переменного тока в разрядном промежутке между электродами генератора озона возбуждается электрический барьерный разряд. Электрический разряд имеет структуру отдельных микроразрядов, равномерно распределенных по поверхностям диэлектрических слоев. За счет нанесения площадок из металла микроразряды привязаны к местам расположения площадок. В микроразрядах в потоке кислородсодержащего газа происходит диссоциация молекул кислорода. Дополнительным фактором, обуславливающим процессы диссоциации молекул кислорода, является воздействие на кислородсодержащий газ ультрафиолетового излучения, генерируемого в барьерном разряде разрядного промежутка в потоке кислородсодержащего газа. Ультрафиолетовое излучение интенсифицирует
процессы диссоциации молекул кислорода и барьерный разряд в разрядном промежутке. 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 барьерного разряда в потоке кислородсодержащего газа 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 генератора озона, качеством подготовки и очистки кислородсодержащего газа, а также условиями охлаждения элементов разрядного промежутка генератора озона и кислородсодержащего газа, интенсивностью и длинами волн ультрафиолетового излучения барьерного разряда в кислородсодержащем газе, интенсивностью локальных скользящих микроразрядов на поверхностях диэлектрических слоев. За счет нанесения на поверхности диэлектрических слоев площадок из металла микроразряды возникают в объеме разрядного промежутка в местах расположения площадок, так как электрическое поле в указанных местах имеет большую напряженность. Одновременно при возбуждении каждого микроразряда на этапе релаксации на поверхности диэлектрических слоев возбуждаются локальные скользящие микроразряды. Форма и плотность локальных скользящих микроразрядов определяет эффективность синтеза озона. Наличие площадок из металла на поверхностях диэлектрических слоев обеспечивает более равномерное распределение локальных скользящих микроразрядов по поверхностям, что обеспечивает более низкую локальную температуру в местах возбуждения микроразрядов и увеличение выхода озона. Характеристические размеры площадок из металла 1,0÷2,5 мм (диаметр площадки круглой формы, сторона квадрата, диагональ многоугольника площадок сложной формы), плотность
-2
2
их нанесения 0,5÷1,5 см (одна площадка на площади 0,66÷2,00 см), соответствуют характеристическим размерам микроразрядов и плотности микроразрядов в практически реализуемых системах и, в определенном смысле, являются оптимизированными. Форма площадок из металла может круглой, прямоугольной, а также любой иной. На форму электрического разряда форма площадок из металла влияет незначительно, в отличие от характеристического размера площадок и плотности их нанесения. Оптимальной формой площадок является форма круга. Площадки могут быть нанесены на поверхности диэлектрических слоев, например, методом напыления через сетку.
В таблице приведены результаты экспериментального исследования генератора озона с нанесенными на поверхности диэлектрических слоев площадками из алюминия. Экспериментальные исследования проведены для генератора озона с плоскими электродами. Специальная подготовка кислородсодержащего газа (осушка, охлаждение) не осуществлялась.
Диаметр площадки, мм
Плотность нанесения площадок, см<sup>-2</sup>
Форма площадки
Энергозатраты
Примечание
-
-
-
1,00
Без нанесения
1,0
0,5
Круг
0,97
1,5
1,0
Круг
0,80
2,5
1,5
Круг
0,98
1,5
1,0
квадрат
0,81
-2
-2
Энергозатраты в таблице даны в относительных единицах. За базовую величину выбрана величина энергозатрат для конструкции генератора озона без нанесенных на поверхность диэлектрических слоев площадок из металла. Наиболее оптимальной конструкцией генератора озона согласно проведенных экспериментальных исследований является симметричная конструкция с нанесенными круглыми площадками из металла диаметром около 1,5 мм и плотностью нанесения около 1,0 см. Выполнение площадок в иной форме, например, в виде прямоугольника снижает эффективность электросинтеза озона (до 10%). За границами заявляемых интервалов для характеристических размеров площадок из металла 1,0÷2,5 мм и плотности их нанесения 0,5÷1,5 см эффект снижения энергозатрат выражен слабо, что объясняется изменением формы электрического разряда.
Система электродов с диэлектрическими слоями может быть выполнена как симметричной, так и несимметричной, то есть один из электродов может быть выполнен без диэлектрического слоя из металла или сплава 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 генератора озона существенно снижаются энергозатраты на синтез озона. Использование конструкции заявляемой полезной модели позволяет изменить форму электрического разряда в генераторе озона. Электрический разряд модифицируется за счет интенсификации скользящей формы барьерного разряда на поверхностях диэлектрических слоев около границ нанесенных на диэлектрические слои площадок из металла, привязки микроразрядов к местам нанесения площадок, снижения локальных температур в местах возбуждения микроразрядов. В результате выход озона при использовании заявляемой полезной модели существенно повышается. В целом энергозатраты на синтез озона при использовании заявляемой полезной модели могут быть снижены на 15÷20%.
Дополнительно повышается надежность работы генератора озона за счет выполнения площадками из металла защитной функции для диэлектрических слоев. Увеличивается срок службы диэлектрических слоев в условиях воздействия электрического разряда, температуры и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде.