ГЕНЕРАТОР ОЗОНА
OZONE GENERATOR

Ссылка на родственные заявки
Данная заявка испрашивает приоритет международной патентной заявки PCT/CH2005/000458, поданной 03 августа 2005 г., содержание которой введено тем самым в настоящую заявку.
Предпосылки создания изобретения
Изобретение относится к генератору озона с двумя электродами и находящимся между ними слоем диэлектрика согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Из патента DE 3220018 C2 известен генератор озона с двумя трубчатыми электродами и находящимся между ними слоем диэлектрика, которые расположены так, что между ними образуется промежуток, служащий зазором для озонирования, причем через зазор для озонирования проводится кислородсодержащий газ. Ширина зазора для озонирования с входной стороны меньше, чем со стороны выхода. Емкость диэлектрика может уменьшаться в направлении течения кислородсодержащего газа.
В основе настоящего изобретения стоит задача создать генератор озона с высоким коэффициентом полезного действия. Это означает, что нужно создать генератор озона, который вырабатывает большое количество озона на единицу затраченной энергии.
Эта задача решена генератором озона с отличительными признаками пункта 1.
У генератора озона согласно изобретению два электрода и слой диэлектрика расположены так, что между слоем диэлектрика и одним из электродов образуется зазор для озонирования, через который может проводиться кислородсодержащий газ. В направлении течения газа емкость диэлектрика слоя диэлектрика уменьшается. Альтернативно или дополнительно толщина слоя диэлектрика может увеличиваться. Ширина зазора для озонирования с входной стороны больше, чем со стороны выхода. Ширина зазора для озонирования в направлении течения газа увеличивается предпочтительно непрерывно или дискретно. Само собой разумеется, ширина зазора может также увеличиваться на определенной области дискретно, а на другой области непрерывно. Дискретное расширение зазора для озонирования можно получить, например, путем выполнения одного или обоих электродов в виде ступенек.
При малых концентрациях озона КПД образования озона по существу не зависит от температуры. При более высоких концентрациях озона коэффициент полезного действия уменьшается с повышением температуры. Подача энергии в так называемые разрядные каналы приводит к локальным мгновенным повышениям температуры. На эти повышения температуры можно повлиять регулированием потребляемой мощности в направлении течения кислородсодержащего газа.
Потребляемая генератором озона мощность P в киловаттах получается из следующей формулы:
peak
min
D
G
D
G
причем U означает так называемое пиковое напряжение, или максимальное значение приложенного напряжения в вольтах, U это так называемое напряжение зажигания, или минимальное напряжение, при достижении которого генератор озона находится в стабильном состоянии, а микроразряды происходят через полный полупериод колебаний приложенного переменного напряжения, f есть частота приложенного напряжения в герцах, C - емкость диэлектрика, β равно частному C/C, и C - емкость газовой щели или зазора для озонирования. В частности, при работе с неполной нагрузкой может случиться так, что активным будет не весь слой диэлектрика. Это явление можно учесть тем, что вышеуказанная формула умножается на константу α, которая учитывает степень покрытия микроразрядами или плотность микроразрядов на единицу площади слоя диэлектрика. С помощью константы α можно учесть эффективное покрытие поверхности диэлектрика, то есть число микроразрядов на единицу площади слоя диэлектрика.
G
D
Частное от деления емкости газового зазора и емкости диэлектрика, C/C, называется также ослаблением. Высокая емкость диэлектрика, соответственно низкое ослабление ведут к более сильным, менее частым микроразрядам с малым удельным покрытием или малой плотностью микроразрядов α на единицу поверхности диэлектрика. Уменьшение емкости диэлектрика при постоянной емкости газового зазора приводит к повышенному ослаблению β и более высокой плотности α при мощности Р, остающейся по существу неизменной. Соответственно уменьшение емкости диэлектрика ведет к уменьшению мощности, потребляемой генератором озона. От мощности, как уже говорилось выше, зависит температура в зазоре для озонирования, причем коэффициент полезного действия уменьшается при высоких концентрациях озона, т.е., в частности, на стороне выхода генератора озона.
Поэтому для повышения коэффициента полезного действия предлагается уменьшать емкость диэлектрика от входной к выходной стороне генератора озона. Соответствующего эффекта можно достичь тем, что толщина слоя диэлектрика повышается от входной стороны к выходной стороне. Коэффициент полезного действия генератора озона повысится, если с входной стороны будет более высокое потребление мощности, чем со стороны выхода.
2
Кроме того, к повышению коэффициента полезного действия может привести уменьшающаяся к выходу ширина зазора для озонирования. Таким образом, оптимальная ширина зазора понижается с увеличением содержания озона. Например, при абсолютном давлении газа 3,5 бар, температуре охлаждающей воды 17°C, плотности мощности 3 кВт/м и частоте 975 Гц максимальная эффективность для воздуха с малым содержанием озона (примерно 1 весовой %), использующегося в качестве газа, достигается при ширине зазора несколько более 0,5 мм, тогда как для использующегося в качестве газа воздуха с высоким содержанием озона (примерно 5 весовых процентов) максимальная эффективность достигается при ширине зазора менее 0,4 мм. Это же справедливо, когда в качестве озонируемого газа используется чистый кислород. При этом эффективность (относительная) озонирования определяется как значение k/E, причем k есть заданная постоянная, а E означает электрическую энергию, требующуюся на килограмм озона. На этот счет сошлемся на международную заявку PCT/CH2005/000458, содержание которой тем самым введено в настоящую заявку. Сошлемся в этой связи, в частности, на диаграмму, которая показывает эффективность образования озона в зависимости от толщины или ширины зазора для воздуха или кислорода с разным содержанием озона, и к соответствующим местам в описании.
Следующее преимущество уменьшающейся ширины зазора состоит в том, что площадь поперечного сечения зазора для озонирования уменьшается к зоне выхода. Это ведет к нарастающему повышению скорости течения. Таким образом, озонируемый газ течет тем быстрее, чем больше озона он содержит. Благодаря этому можно уменьшить влияние процессов разложения на образование озона. Такие процессы разложения происходят, например, из-за обратных ударов ионов о поверхность электродов, что, в свою очередь, ведет к образованию пыли в виде оксидов металлов. Это эффект называется также эффектом распыления. Из-за образования пыли происходит отложение пыли на электрод, находящийся напротив слоя диэлектрика, что опять же уменьшает емкость зазора для озонирования.
При постоянной толщине слоя, соответственно постоянной емкости диэлектрика после включения генератора озона локальное повышение потребляемой мощности является слишком низким, или вообще не происходит никакого локального повышения потребляемой энергии, так что существенного повышения коэффициента полезного действия вообще получить нельзя. Благодаря имеющим место согласно изобретению уменьшению к выходу емкости диэлектрика и/или увеличению толщины слоя диэлектрика и уменьшению ширины зазора происходит локальное повышение потребления мощности генератором озона. Эти меры, по отдельности или в комбинации, ведут благоприятным образом к стабилизации потребления мощности и тем самым к сокращению времени запуска генератора озона.
2
5
Для уменьшения так называемого эффекта распыления в озонирующий газ обычно добавляют оксид азота, в частности NO. Оксид азота приводит к дополнительному испусканию УФ-излучения, что в свою очередь ведет к беспрепятственной разрядке, так что уровень рабочего напряжения можно понизить. Далее, оксиды азота блокируют оксиды металлов и тем самым препятствуют образованию пыли. Таким образом, благодаря оксиду азота происходит пассивирование оксидов металлов, осевших на поверхности электродов как пыль.
У генератора озона согласно изобретению локальное повышение потребляемой мощности происходит вследствие того, что ширина зазора уменьшается к выходу, и того, что в направлении течения газа понижается емкость диэлектрика и/или повышается толщина слоя диэлектрика. Из-за локального повышенного потребления мощности генератора озона уменьшается влияние поверхности электродов, и повышение потребления мощности можно повысить надежность генератора озона. Это имеет, например, то преимущество, что требуется меньше азота или оксида азота для пассивирования осевших на поверхности электродов оксидов металлов. Например, может быть достаточным использовать азот в концентрации порядка 2000 ppm. Кроме того, можно сократить время запуска генератора озона до менее 12 часов, тогда как у обычных генераторов озона с постоянным зазором для озонирования, постоянной емкостью диэлектрика и постоянной толщиной слоя диэлектрика оно составляет более 500 часов.
В неидеальных условиях работы генератор озона согласно изобретению также ведет себя надежно и позволяет работать без отказов или по существу без отказов, также при концентрациях озона, которые могут превышать концентрации, обычные для генераторов озона с постоянной шириной зазора, постоянной емкостью диэлектрика и постоянной толщиной слоя диэлектрика. Неидеальные условия включают, например, обеднение азотом, скачки давления, концентрации озона, близкие к границе отравления, высокую точку росы или высокую температуру конденсации, и/или повышенные примеси углеводородов в озонируемый газ. Высокая точка росы, а также присутствие следовых количеств углеводородов в озонируемом газе приводит в зазоре для озонирования к смачиванию поверхностей электродов. Вследствие этого смачивания генератор озона сам начинает пульсировать. Под термином "пульсация" понимается появление ряда регулярно повторяющихся сходных импульсов или искрения. Так как у генератора озона согласно изобретению происходит локальное повышение потребляемой мощности, влияние пульсаций на коэффициент полезного действия можно уменьшить.
Согласно предпочтительному примеру реализации изобретения отдельные соединенные последовательно участки снабжены соответствующим участком с постоянной емкостью диэлектрика, причем участки, лежащие ниже по потоку, имеют равную или меньшую емкость диэлектрика, чем участки, лежащие выше по потоку. Дополнительно или альтернативно отдельные соединенные последовательно участки могут быть снабжены соответствующим участком постоянной толщины слоя диэлектрика, причем участки, лежащие ниже по потоку, имеют равную или меньшую толщину слоя, чем участки, лежащие выше по потоку. Далее, дополнительно или альтернативно, отдельные соединенные последовательно участки могут быть снабжены соответствующим участком постоянной ширины зазора для озонирования, причем участки, лежащие ниже по потоку, имеют меньшую ширину зазора, чем участки, лежащие выше по потоку.
Согласно особенно предпочтительному примеру реализации участки имеют по существу равную длину, и отношение числа участков с первой емкостью диэлектрика к числу участков со второй емкостью диэлектрика (причем вторая емкость диэлектрика больше, чем первая емкость диэлектрика) при полном числе участков, делящемся на 4, равно 1:3, а при полном числе участков, которое делится на 3, но не делится на 4, равно 1:2. Альтернативно или дополнительно отношение числа участков с первой толщиной слоя к числу участков со второй толщиной слоя, которая больше, чем первая толщина слоя, при полном числе участков, делящемся на 4, может составлять 1:3, а при полном числе участков, делящемся на 3, но не делящемся на 4, может составлять 1:2. Далее, альтернативно или дополнительно, отношение числа участков с первой шириной зазора к числу участков со второй, меньшей шириной зазора при полном числе участков, делящемся на 4, может составлять 1:3, а при полном числе участков, делящемся на 3, но не делящемся на 4, может составлять 1:2.
Для генератора озона, который разделен на участки, полная мощность, потребляемая генератором озона, рассчитывается по формуле:
причем индекс i относится к i-му участку, а n обозначает полное число участков.
При отношении числа участков 1:2 можно соответствующим выбором ширины зазора, и/или емкости диэлектрика, и/или толщины слоя диэлектрика получить первый участок с таким отношением к соответствующим размерам других участков, чтобы уже на первом участке получалось приблизительно 2/3 концентрации озона с примерно 1/3 требуемой для этого энергии. Таким образом, благодаря максимально возможному потреблению мощности уже на первом участке достигается высокая концентрация озона, например 2/3 от целевой концентрации, а на двух участках, следующих за первым участком в направлении течения, благодаря соответствующему выбору емкости диэлектрика происходит уменьшенное потребление мощности с окончательным получением целевой концентрации.
Этим достигается то, что при еще относительно низких концентрациях озона уже образуются высокие температуры, а при увеличении концентрации озона температуры снижаются. Это имеет следствием повышение коэффициента полезного действия генератора озона.
Альтернативно или дополнительно к изменению ширины зазора, емкости диэлектрика и/или толщины слоя диэлектрика локальное увеличение мощности, потребляемой генератором озона, может осуществляться через подачу питания и/или длину электродов. Так, например, с входной стороны участков может прикладываться более высокое напряжение, чем с выходной стороны участков, или можно уменьшать пиковое напряжение от входной стороны к выходной.
Краткое описание чертежей
Дальнейшие выгодные формы реализации изобретения представлены в зависимых пунктах формулы и в примерах реализации, представленных ниже с помощью чертежей. Показано:
фиг. 1: генератор озона в разрезе,
фиг. 2: вид в разрезе первого варианта реализации расположения электродов в генераторе озона согласно изобретению,
фиг.: 3 вид в разрезе второго варианта реализации расположения электродов в генераторе озона согласно изобретению,
фиг. 4: вид в разрезе третьего варианта реализации расположения электродов в генераторе озона согласно изобретению, и
фиг. 5: вид в разрезе четвертого варианта реализации расположения электродов в генераторе озона согласно изобретению.
На чертежах одинаковыми позициями обозначены компоненты, действующие структурно или функционально одинаково.
Примеры реализации изобретения
На фиг. 1 для примера показан генератор озона, включающий корпус 1, в котором предусмотрено большое число электродных систем 2, по существу трубчатых. Каждая электродная система 2 имеет внутренний электрод 3 и трубчатый наружный электрод 5, который расположен концентрически вокруг внутреннего электрода 3. Внутренний электрод 3 находится на нескольких, расположенных друг за другом, если смотреть в направлении течения газа, электрододержателях 4 по существу цилиндрической формы. Внутренние электроды 3 соединены с высоковольтным источником 6 питания переменным током. Наружные электроды 5 соединены с массой. Промежуток 7 между электродными системами 2 промывается охлаждающей водой, которая подается по подводящей линии 8 и отводится по сточной линии 9.
Озонируемый кислородсодержащий газ, под которым может понижаться в виду также чистый кислород, подается через отверстие 10 во впускную, или входную, область 11 генератора озона, откуда он течет через зазор для озонирования 13, образованный между внутренними электродами 3 и наружными электродами 5 электродных систем 2. В зазоре для озонирования 13 газ под действием создаваемого электродами 3 и 5 электрического поля, направленного перпендикулярно зазору для озонирования 13, озонируется так называемым темным электрическим разрядом. Озонированный газ входит в выходную, или концевую, зону 12 на конце электродных систем 2 и удаляется оттуда через сточное отверстие 14. Направление течения газа показано стрелками, не характеризуемыми подробнее. На следующих чертежах направления течения также обозначено стрелками.
Фиг. 2 показывает вид в разрезе части первого варианта реализации электродной системы 2. Согласно этой первой реализации трубчатый наружный электрод 5 имеет постоянный внутренний диаметр. Внутренний электрод 3, также трубчатый, имеет постоянный наружный диаметр. На внутреннем электроде 3 расположен слой диэлектрика 15, обращенный к наружному электроду 5. Слой диэлектрика может также предусматриваться в другом месте в не описываемом подробнее промежутке между внутренним электродом 3 и наружным электродом 5. Толщина слоя диэлектрика со стороны выпуска больше. Это может (как показано) привести к уменьшению ширины зазора для озонирования 13. Вместо этого или дополнительно к увеличению толщины слоя диэлектрика 15 можно уменьшать емкость диэлектрика в направлении течения газа.
Фиг. 3 показывает вид в разрезе части второго варианта реализации электродной системы 2 генератора озона. Согласно второму варианту внутренний диаметр наружного электрода уменьшается по конусу в направлении течения газа. Само собой разумеется, возможны формы осуществления, при которых внутренний диаметр уменьшается другим образом, например дискретно, благодаря выполненной как лестница внутренней поверхности наружного электрода 5. Внутренний электрод 3 имеет постоянный наружный диаметр. Слой диэлектрика 15 также имеет постоянный наружный диаметр. Согласно другой, не представленной форме реализации, дополнительно или альтернативно наружный диаметр внутреннего электрода 3 может возрастать в направлении течения.
Первая и вторая формы реализации, показанные на фиг. 1 и 2, могут комбинироваться друг с другом, так что, например, во второй форме реализации толщина слоя диэлектрика 15 возрастает в направлении течения, и/или емкость диэлектрика уменьшается в направлении течения.
Емкость диэлектрика с входной стороны составляет предпочтительно 9 нанофарад (нФ) или более 9 нанофарад (нФ), в частности 10,63 нанофарад (нФ), и со стороны выпуска менее 9 нанофарад (нФ), в частности 7,8 нанофарад (нФ). Ширина зазора для озонирования с входной стороны составляет предпочтительно более 0,35 миллиметров, в частности 0,38 миллиметров, а со стороны выпуска менее 0,35 миллиметров, в частности 0,32 миллиметра. Емкость диэлектрика уменьшается тем самым в направлении течения предпочтительно по существу на 2,83 нанофарад (нФ), а ширина зазора для озонирования в направлении течения уменьшается предпочтительно по существу на 0,06 миллиметров. Отношение емкости газового зазора к емкости диэлектрика с входной стороны составляет предпочтительно примерно 0,2 и со стороны выпуска предпочтительно составляет больше 0,3. При таком выборе параметров емкости диэлектрика и ширины зазора у генератора озона получается особенно высокий коэффициент полезного действия.
Фиг. 4 показывает вид в разрезе части третьего варианта реализации электродной системы 2, в которой наружный электрод 5 имеет постоянный внутренний диаметр, а внутренний электрод 3 постоянный наружный диаметр. Однако наружный диаметр внутреннего электрода 3 может увеличиваться в направлении течения. Также внутренний диаметр наружного электрода 5 может уменьшаться в направлении течения. Электродная система 2 разделена для примера на четыре участка 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, которые предпочтительно имеют равную длину, причем слои диэлектрика 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, которые соответствуют участкам 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, каждый имеет разную толщину и/или разную емкость диэлектрика. От участка к участку толщина слоя диэлектрика 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 в направлении течения предпочтительно увеличивается, что может привести к уменьшению ширины зазора для озонирования 13. Альтернативно или дополнительно емкости диэлектриков у слоев диэлектрика 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 могут уменьшаться в направлении течения.
Особенно предпочтительно первый участок 16.1 имеет ширину зазора 0,38 миллиметров, второй участок 16.2 ширину зазора 0,36 миллиметров, третий участок 16.3 ширину зазора 0,34 миллиметров и четвертый участок ширину зазора 0,32 миллиметра. Емкость диэлектрика на первом участке 16.1 составляет предпочтительно 10,63 нанофарад (нФ), на втором участке 9,31 нанофарад (нФ), на третьем участке 8,41 нанофарад (нФ) и на четвертом участке 7,80 нанофарад (нФ). Таким путем можно достичь особенно хорошей генерации озона при пониженной энергии, то есть особенно высокого коэффициента полезного действия. Допустимы альтернативные формы реализации. Так, емкости диэлектрика на участках 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 могут принимать, например, следующие значения (в данной последовательности): 15 нанофарад (нФ), 11,3 нанофарад (нФ), 9,2 нанофарад (нФ), 7,8 нанофарад (нФ) или 10,63 нанофарад (нФ), 10,21 нанофарад (нФ), 9,82 нанофарад (нФ) и 9,46 нанофарад (нФ).
В частности, у находящихся со стороны выпуска участков 16.3 и 16.4 емкости диэлектрика и/или толщина слоя могут благоприятным образом оставаться постоянными. Так, например, емкости диэлектрика для участков 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 могут также принимать следующие значения (в данной последовательности): 10,63 нанофарад (нФ), 8,41 нанофарад (нФ), 7,8 нанофарад (нФ) и 7,8 нанофарад (нФ). Таким путем можно достичь особенно хорошего коэффициента полезного действия.
Фиг. 5 показывает часть четвертого, особенно предпочтительного выполнения расположения электродов 2 генератора озона согласно изобретению. Предусматриваются, например, четыре участка 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, причем толщина слоя диэлектрика 15.1 на первом участке 16.1 меньше, чем толщина слоя диэлектрика 15.5 участков 16.2, 16.3, 16.4, следующих в направлении по потоку за первым участком 16.1. Дополнительно или альтернативно к изменению толщины слоя емкости диэлектрика на первом участке 16.1 может быть больше, чем емкость диэлектрика на участках 16.2, 16.3, 16.4, где она преимущественно постоянная. Изменение ширины зазора может происходить путем уменьшения внутреннего диаметра наружного электрода 5 и/или путем повышения наружного диаметра внутреннего электрода 3 в направлении потока. Так, например, при переходе от первого участка 16.1 ко второму участку 16.2 наружный электрод 5 может сужаться ступенькой, и/или внутренний электрод может расширяться ступенькой, причем ширина зазора на участках 16.2, 16.3, 16.4 постоянна и меньше, чем ширина зазора на первом участке 16.1.
Тем самым потребление мощности происходит предпочтительно разделенным на две части, причем в первом сегменте 16.1 потребляется максимально много мощности, а потребление мощности на остальном пути тока на участках 16.2, 16.3, 16.4 уменьшается. Потребление мощности на первом участке 16.1 происходит предпочтительно при пониженном ослаблении, например при ослаблении примерно 0,2, а ослабление на участках 16.2, 16.3, 16.4 предпочтительно составляет более 0,3. Ослабление определяется как частное от деления емкости газового зазора и емкости диэлектрика.
Если, как показано на фиг. 5, предусматривается всего четыре участка, то участок с входной стороны предпочтительно имеет высокое потребление мощности, а участки, следующие за входным участком, имеют более низкое потребление мощности. Так, например, на фиг. 5 показан участок 16.1 с высоким потреблением мощности и три участка 16.2, 16.3, 16.4 с более низким потреблением мощности. Соответственно могут быть предусмотрены два участка 16.1 с высоким потреблением мощности и шесть участков с более низким потреблением мощности, которые в направлении течения примыкают к двум входным участкам 16.1 с более высоким потреблением мощности.
Если предусмотрено всего три участка, то входной участок предпочтительно имеет высокое потребление мощности, а два участка, следующие за ним в направлении течения, имеют низкое потребление мощности. Если предусмотрено всего шесть участков, то первые два, расположенные с входной стороны, участка предпочтительно имеют высокое потребление мощности, а четыре следующих за ними участка имеют более низкое потребление мощности.
Если предусмотрено всего пять участков, то участок, расположенный с входной стороны, предпочтительно имеет высокое потребление мощности, а четыре следующих за ним в направлении течения участка имеют низкое потребление мощности.
Допустимы другие компоновки участков и потребление ими мощности в зависимости от полного числа участков, причем генератор озона предпочтительно выполнен так, чтобы в направлении течения на первых 15-35% всей длины зазора для озонирования 13 потреблялось по меньшей мере 20-40% мощности.
Хотя в настоящей заявке описаны предпочтительные формы реализации изобретения, отметим, что оно ими не ограничивается, но изобретение может быть реализовано также другими путями в пределах следующей формулы изобретения.