ЭЛЕКТРОДНАЯ СИСТЕМА ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА
ELECTRODE SYSTEM FOR OZONE GENERATOR

Изобретение относится к технике высокого напряжения, а именно к генераторам для синтеза озона электрофизическим способом в объеме незавершенного электрического разряда в атмосфере кислорода или кислородосодержащих газовых смесей.
Известные на сегодня устройства для генерации озона (озонаторы) электрофизическим способом делятся на генераторы коронного разряда и генераторы барьерного разряда [1], [2].
Генераторы озона коронного разряда имеют недостаточную для многих практических применений производительность, большие габариты и низкую надежность.
Таких недостатков не имеют генераторы барьерного разряда. Поэтому они являются более перспективными для интенсификации таких технологических процессов, как водоподготовка питьевой воды, воды для бассейнов, обеззараживание канализационных вод, отбеливание целлюлозы, переработка отработанных резинотехнических изделий, озонолиз нефти, обработка семян в сельскохозяйственном производстве, увеличение сроков сохранности сельскохозяйственной продукции.
Электродная система таких генераторов озона имеет в своем составе два металлических разнополярных электрода, например пластинчатые [2], коаксиальные [3], [4], [5], или в виде гофрированных мембран [6], цилиндрических или трубчатых проводников [7], а также проводов [8], намотанных на каркас, один или более диэлектрических барьера с зазорами между ними, в которых при присоединении электродов к источнику высокого переменного напряжения и происходит незавершенный электрический разряд, получивший название барьерного. В объеме этого разряда при наличии кислорода осуществляется синтез озона. При увеличении частоты подведенного напряжения в генераторах озона барьерного разряда удалось значительно увеличить производительность генераторов в сравнении с генераторами коронного разряда.
К недостаткам электродной системы таких генераторов озона можно отнести недостаточную для интенсификации многих технологических процессов производительность, сложность конструкции и ее нетехнологичность, сложность изготовления и эксплуатации, большие габариты и значительную материалоемкость, высокую стоимость. Все это снижает технико-экономические показатели генераторов озона и увеличивает стоимость озона, который в них вырабатывается.
В основу изобретения положена задача создания электродной системы генератора озона, которая не имеет указанных недостатков.
Поставленная задача решается тем, что в электродной системе генератора озона, которая включает в себя диэлектрический каркас в виде крестообразной конструкции или в виде диэлектрической трубы, первый и второй электроды в виде жил первого и второго одножильного изолированного диэлектриком провода, намотанные одновременно и параллельно на внешнюю поверхность диэлектрического каркаса, проводники для присоединения первого и второго электродов к выходам источника питания озонатора, указанные первый и второй одножильные провода намотаны в один слой наматывания на постоянном расстоянии один от другого не больше диаметра провода (фиг.1-4). При этом начало и конец жилы первого провода соединены между собою вне зоны реакции и присоединены к первому выходу источника питания озонатора, а начало и конец жилы второго провода соединены между собою вне зоны реакции и присоединены ко второму выходу источника питания озонатора (фиг.1-4).
Предложенная конструкция электродной системы озонатора обеспечивает возможность озонирования внутреннего объема помещений, камер для хранения зерна, овощей, продуктов, для обработки озоном поверхностей и медицинских инструментов (в закрытых камерах) и т.д. Все это также позволяет упростить конструкцию электродной системы, снизить ее стоимость, повысить экономичность использования и в то же время применять для указанных или аналогичных целей. Такая конструкция также обеспечивает большую надежность и долговечность работы озонатора, поскольку исключает контакт озона с металлом электродов в зоне реакции.
В некоторых практических применениях более приемлемый вариант электродной системы генератора озона, когда необходимо весь озон, который вырабатывается, собирать и направлять в определенное устройство либо на определенный технологический процесс, одновременно обеспечивая высокую производительность озонатора. Для обеспечения таких возможностей электродная система дополнительно имеет внешний диэлектрический герметичный кожух, который охватывает электродную систему и выполнен любым известным способом, и дополнительно введенные одну или несколько пар штуцеров для продувки электродной системы кислородом или газовыми смесями с кислородом. При этом штуцеры размещены в диэлектрическом кожухе в осевой плоскости перпендикулярно и попарно оси диэлектрического каркаса так, что подводящий и отводящий штуцеры размещены на диэлектрическом кожухе диаметрально противоположно на одном перпендикуляре к оси каркаса наматывания (фиг.5-6).
Для уменьшения температуры в зоне синтеза озона и для ее поддержания в оптимальных границах диэлектрический герметичный кожух электродной системы генератора озона выполнен в виде диэлектрической трубы и двух торцовых фланцев, при этом фланцы герметически стыкуются с диэлектрическим каркасом так, что внутренний объем каркаса и фланцы образуют объем охлаждения электродной системы. При этом для прокачки охлаждающей жидкости или газа дополнительно введенные подводящий и отводящий штуцеры размещены компланарно оси диэлектрического каркаса на торцевых фланцах кожуха (фиг.5-6).
Суть изобретения поясняется фиг.1-6, на которых показаны профильные и фронтальные проекции соответствующих вариантов электродной системы. Электродная система генератора озона (фиг.1-2) включает в себя: 1 - первый электрод в виде жилы первого провода, 2 - второй электрод в виде жилы второго провода, 3 - первый диэлектрический барьер в виде изоляции первого провода, 4 - второй диэлектрический барьер в виде изоляции второго провода, 5 - диэлектрический каркас для наматывания первого и второго провода (на фиг.1, 2 в виде крестовины из диэлектрических пластин). На фиг.3-4 диэлектрический каркас для наматывания первого и второго провода выполнен в виде диэлектрической цилиндрической трубы 6. При этом на фиг.1-4 также показан вариант выполнения электродной системы генератора озона соответственно с п.1 формулы, в котором начало и конец жилы первого провода соединены между собой вне зоны реакции и присоединены к первому выходу источника питания озонатора, а начало и конец жилы второго провода соединены между собою вне зоны реакции и присоединены ко второму выходу источника питания озонатора (проводники для присоединения жил на фиг.1-4 не показаны).
На фиг.5-6 (что соответствует п.п. 2-3 формулы) предложен вариант отделения электродной системы генератора озона от окружающей среды и вариант подачи к зоне реакции синтеза озона кислорода. Здесь же предложен вариант системы охлаждения зоны реакции. Для этого электродная система дополнительно имеет внешний диэлектрический и герметичный кожух, который охватывает электродную систему и выполнен соответственно п.3 формулы, в виде диэлектрической трубы 7 и двух торцовых фланцев 8 и 9. В электродную систему также дополнительно введены одна или несколько пар штуцеров, например 10 - подводящие, а 11 - отводящие штуцеры (трубопроводы для продувки электродной системы кислородом или газовыми смесями с кислородом на фиг.5-6 не показаны).
Соответственно п.3 формулы внутренний объем каркаса наматывания 6 и фланцы 8 и 9 образуют объем охлаждения электродной системы, при этом для прокачки охлаждающей жидкости или газа дополнительно введены подводящий 12 и отводящий 13 штуцеры, которые размещены компланарно оси диэлектрического каркаса 6 на торцовых фланцах 8 и 9 кожуха.
Электродная система генератора озона работает следующим образом. При подаче переменного высокого напряжения от источника питания генератора озона (на фигурах не показан) на жилы 1 и 2 первого и второго проводов напряжение в промежутке первый барьер 3 - газовый промежуток - второй барьер 4 распределяется обратно пропорционально электрическим емкостям соответствующих элементов промежутка. Поэтому основное значение напряжения будет приходиться на газовый промежуток. При одновременном и параллельном наматывании первого 1 и второго 2 проводов на внешнюю поверхность диэлектрического каркаса 5 в один слой наматывания виток к витку, или на расстоянии не больше диаметра провода, с сохранением порядка и шага наматывания от начала и до конца наматывания, между проводами по всей их длине создаются условия для возникновения резко неоднородных электрических полей высокой напряженности. При высоких уровнях выходного напряжения источника питания и вследствие резкой неравномерности электрического поля в газовом промежутке достигаются значения напряженности электрического поля, которые превышают значения пробивной напряженности. Это приводит к загоранию электрического разряда в газовом промежутке между диэлектрическими барьерами 3 и 4, но вследствие наличия диэлектрических барьеров 3 и 4 и переменного характера приложенного высокого напряжения такой разряд есть незавершенным и не приводит к полному пробою промежутка между электродами 1 и 2. В зоне такого разряда (он получил название барьерного), как свидетельствует теория и практика, создаются условия для синтеза озона из кислорода. Поскольку длина провода, намотанного на каркасе 5, в предложенной электродной системе может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков метров, то зона реакции синтеза озона может иметь значительные объемы и при соответствующей мощности источника питания и при создании оптимальных температурных условий обеспечит высокую производительность и экономичность синтеза озона, что есть одной из целей изобретения. При этом, как показывают физические эксперименты с электродной системой, предложенное расстояние между проводами не больше диаметра провода обеспечивает наивысшую производительность озона в электродной системе при оптимальном значении необходимого уровня выходного напряжения источника питания озонатора, что является важным условием целей изобретения.
Высокую надежность работы электродной системы генератора озона и исключение контакта озона с металлом электродов в зоне реакции (что важно для уменьшения коррозии электродов и ряда практических применений озона, например, для медицинских целей) обеспечивает вариант выполнения конструкции электродной системы согласно п.1 формулы, в котором начало и конец жилы 1 первого провода соединены между собою вне зоны реакции и присоединены к первому выходу источника питания озонатора (фиг.1-4), а начало и конец жилы 2 второго провода также соединены между собою вне зоны реакции и присоединены ко второму выходу источника питания озонатора.
Для обеспечения сбора и направления синтезированного озона в заданное устройство или процесс электродная система генератора озона, соответственно п.2 формулы изобретения дополнительно имеет внешний диэлектрический и герметичный кожух, который охватывает электродную систему, дополнительно введенные одну или несколько пар штуцеров для продувки электродной системы кислородом или газовыми смесями с кислородом. Размещение штуцеров в диэлектрическом кожухе в осевой плоскости попарно и перпендикулярно оси диэлектрического каркаса так, что подводящий и отводящий штуцеры размещены на диэлектрическом кожухе диаметрально противоположно, на одном перпендикуляре к оси каркаса наматывания проводов (фиг.5-6), позволяет наиболее эффективно и равномерно вдувать кислород в зону реакции синтеза озона и эффективно отводить озон от зоны реакции, не допуская его перегрева и распада. Такое размещение подводящих и отводящих штуцеров разрешает использовать предложенную электродную систему в генераторах озона высокой мощности и производительности.
Для эффективного использования указанной системы в мощных генераторах озона диэлектрический герметичный кожух электродной системы генератора озона выполнен в виде диэлектрической трубы и двух торцовых фланцев, которые герметически стыкуются с диэлектрическим каркасом для наматывания проводов так, что внутренний объем каркаса и фланцы образуют объем охлаждения электродной системы. Для прокачки охлаждающей жидкости или газа через объем охлаждения дополнительно введены подводящий и отводящий штуцеры, размещенные компланарно к оси диэлектрического каркаса на торцевых фланцах кожуха (фиг.5-6). Указанные отличительные признаки изобретения разрешают принудительно уменьшать температуру в зоне синтеза озона и поддерживать ее в оптимальных пределах. Это позволяет использовать электродную систему в мощных и высокопроизводительных генераторах озона с контролируемым процессом синтеза озона.
Таким образом, в предложенном устройстве положительный эффект достигается за счет того, что обеспечивается высокая производительность, простота конструкции и ее технологичность, простота изготовления и эксплуатации, низкая стоимость и небольшие габариты. Указанные достоинства предложенного решения очень актуальны для целого ряда практических применений генераторов озона. Кроме этого предложенная конструкция системы продувки и охлаждение электродной системы значительно повышает надежность, срок службы и эффективность, а также управляемость работой генератора озона.
Проведенная проверка предложенной электродной системы генератора озона на действующем макете показала ее эффективность и подтвердила все вышеперечисленные положительные качества.
Простота и технологичность предложенной конструкции электродной системы уменьшает габариты, массу и технологическую и эксплуатационную сложность генераторов озона. При этом упрощение конструкции ведет к возрастанию надежности и снижению общей стоимости генераторов озона.
Источника информации.
1. Коробцев С.В., Медведев Д.Д. Ширяевский В.Л. Получение озона в коронном разряде на неосушенном воздухе. Стр.31-35. В книге «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» Материалы 25-го Всероссийского семинара. Под ред. В.В.Лунина, В.Г.Самойловича и С.Н.Ткаченко. - М.: Изд-во «Университет и школа», 2003-182 с.
2. Данилин В.В., Кокуркин М.П., Остапенко Е.И., Пашин М.М., Смородин А.И., Фомченков А.Т. Отечественные генераторы озона большой производительности с пластинчатыми электродами при работе на воздухе и кислороде (результаты испытаний). Стр.23-30. В книге «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» Материалы 25-го Всероссийского семинара. Под ред. В.В.Лунина, В.Г.Самойловича и С.Н.Ткаченко. - М.: Изд-во «Университет и школа», 2003-182 с.
3. Патент России №94042390. Генератор озона с электродом в форме цилиндрических спиралей, способ генерации озона и способ изготовления генератора.
4. Патент России №2118939. Малогабаритный генератор озона.
5. Патент Украины №5147. Генератор озону.
6. Патент России №2199487. Система электродов генератора озона.
7. Авторское свидетельство СССР, SU 1789504 А1. Озонатор.
8. Аванесов А.В., Дамбраускас С.Г., Рахимов А.Т., Саенко В.Б. «Генерация УФ излучения и электросинтез озона в барьерном разряде с новой структурой электродов». Препринт НИИЯФ МГУ-2007-6/827.