СПОСОБ СИНТЕЗА ОЗОНА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОДНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СИНТЕЗА ОЗОНА
METHOD OF OZON SYNTHESIS, DEVICE FOR ITS REALISATION AND ELECTRODE SYSTEM FOR OZON SYNTHESIS

Изобретение относится к области озонирования воздуха и может быть использовано для очистки воздуха от вредных газов и микроорганизмов, а также для очистки воды.
Известен способ синтеза озона (Ю.В.Филиппов и др. Электросинтез озона. Изд-во МГУ, 1987 г., стр.21), заключающийся в том, что в озонаторе используют диэлектрический барьер, который стабилизирует разрядный ток и придает разряду равномерный характер.
Однако наличие диэлектрического барьера приводит к дополнительным потерям, локальному перегреву диэлектрика и к быстрому выходу его из строя.
Известно устройство для озонирования воздуха (SU 1543193, 1990), содержащее расположенную в воздуховоде озонирующую камеру с игольчатыми электродами, подключенными к источнику высокого напряжения и направленными остриями навстречу друг другу, и размещенную между электродами металлическую диафрагму, которая подключена к отрицательной полярности источника, а электроды расположены симметрично диафрагме и подключены к положительной полярности источника.
Недостатком данного устройства являются низкий выход озона, большие удельные энергозатраты, необходимость осушения и очистки воздуха, сложность охлаждения электродов, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.
-9
13
Наиболее близким к заявляемому является способ синтеза озона (RU 2220093 С2, 2003), заключающийся в том, что в электродной системе формируется электрическое поле длительностью не более 500×10 с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 2×10 В/мс.
Недостатками известного способа являются жесткие требования, предъявляемые к форме импульсов напряжения источника питания, и высокая вероятность искрового пробоя разрядного промежутка, приводящего к нарушению работы озонатора.
Наиболее близким к заявляемому устройству и заявляемой электродной системе является устройство синтеза озона (RU 2220093 С2, 2003), содержащее корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания. Причем отношения внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e, где r - наружный радиус внутреннего электрода; R - внутренний радиус наружного электрода; е - основание натурального логарифма.
Недостатками таких устройств являются низкий выход озона и неустойчивый режим работы.
В прототипе колебания напряжения, изменения влажности воздуха или скорости прокачки воздуха вызывают искровой пробой разрядного промежутка, что приводит к прекращению синтеза озона и выходу из строя электродной системы. Причиной возникновения искрового пробоя является однонаправленное протекание тока в разрядном промежутке. При подаче импульса напряжения на электродную систему между электродами зажигается импульсный тлеющий разряд, в котором происходит синтез озона из кислорода воздуха. При этом емкость электродной системы и емкость высоковольтного кабеля, соединяющего электродную систему с высоковольтным источником питания, заряжаются до напряжения горения тлеющего разряда. Поэтому после окончания импульса напряжения электроды находятся под остаточным напряжением, равным напряжению горения тлеющего разряда, что может привести к переходу тлеющего разряда в искровой. При этом энергия, запасенная в емкостях электродной системы и высоковольтного кабеля, выделяется в узком канале искрового пробоя. Искровой пробой приводит к локальному нагреву электродов и локальной ионизации воздуха, что вызывает обязательное возникновение искрового пробоя при подаче на электродную систему последующих импульсов. При этом синтез озона прекращается, а вся энергия источника питания выделяется в ограниченной области искрового разряда, что приводит к выгоранию электрода.
В основу изобретения положена задача разработки способа и установки синтеза озона с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом изобретении, заключается в увеличении производительности по озону и повышении надежности установки.
Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном, в предлагаемом способе синтез озона осуществляют в импульсном тлеющем разряде, создаваемом электродной системой, подключенной к высоковольтному источнику питания.
Новым является то, что в электродной системе формируют импульсный знакопеременный ток разряда.
Кроме того, импульсный знакопеременный ток разряда обеспечивают включением параллельно высоковольтному источнику питания насыщающегося дросселя, содержащего сердечник, выполненный из ферромагнитного материала, и обмотку.
Указанный технический результат достигается также тем, что, как и известное устройство синтеза озона, предлагаемое содержит заключенную в корпус, по крайней мере, одну электродную систему и высоковольтный источник питания, соединенные между собой высоковольтным кабелем.
Новым является то, что в электрическую цепь устройства включено средство, формирующее в электродной системе импульсный знакопеременный ток разряда.
Кроме того, в качестве средства, формирующего в электродной системе импульсный знакопеременный ток разряда, использован насыщающийся дроссель, содержащий сердечник из ферромагнитного материала и обмотку, включенный параллельно источнику питания.
Кроме того, сердечник насыщающегося дросселя выполнен из ферромагнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса.
Кроме того, обмотка имеет число витков N равное:
где: U - напряжение источника питания;
и
t - длительность импульса;
ΔВ - перепад индукции в сердечнике;
S - площадь сечения сердечника.
Технический результат также достигается тем, что электродная система для синтеза озона содержит коаксиально расположенные внешний заземленный электрод и внутренний высоковольтный электрод.
Новым является то, что внутренний электрод выполнен из нержавеющей проволоки, натянутой пружиной, закрепленной на одном из двух изоляторов, вставленных в торцы внешнего электрода.
Кроме того, в изоляторах имеются отверстия для подачи воздуха и отвода озоно-воздушной смеси.
В предлагаемом техническом решении в момент окончания импульса напряжения, подаваемого от источника питания, дроссель насыщается и емкости электродной системы и высоковольтного кабеля разряжаются через насыщенный дроссель. При этом ток разряда электродной системы изменяет направление протекания на противоположное, что предотвращает возникновение искрового пробоя. Кроме того, энергия, запасенная в емкостях электродной системы и высоковольтного кабеля, используется для синтеза дополнительного (по сравнению с прототипом) количества озона. Таким образом, предлагаемый способ синтеза озона и устройство для его реализации по сравнению с прототипом позволяют повысить надежность работы и увеличить выход озона.
Экспериментальные исследования работы предлагаемого устройства, реализующего заявляемый способ, показали, что сердечник насыщающегося дросселя может быть выполнен из различных материалов, однако наибольший эффект достигается при использовании ферромагнитных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса, так как они позволяют получить максимальную скорость изменения направления тока.
При этом максимальный выход озона наблюдается при числе витков дросселя, рассчитанном по формуле:
где: N - число витков обмотки;
U - напряжение источника питания;
и
t - длительность импульса;
ΔВ - перепад индукции в сердечнике;
S - площадь сечения сердечника.
При таком числе витков насыщение дросселя и смена направления протекания тока разряда произойдет в момент окончания импульса напряжения, поступающего на электродную систему от источника питания. Таким образом, для производства озона используется максимальное количество энергии, поступающей от источника питания и запасенной в емкостях электродной системы и высоковольтного кабеля.
Предлагаемый способ синтеза озона позволяет использовать различные конструкции электродных систем: плоские, ножевые, многоострийные, коаксиальные. Наиболее технологичными в изготовлении являются коаксиальные электроды, однако при нагревании центрального электрода в процессе синтеза озона электрод может изгибаться, что приводит к уменьшению разрядного промежутка и, как следствие этого, к нарушению работы устройства.
Для обеспечения стабильности величины разрядного промежутка предлагается в коаксиальной электродной системе в качестве центрального электрода использовать нержавеющую проволоку, натянутую с помощью пружины.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 представлен общий вид устройства, реализующего предлагаемый способ синтеза озона.
На фиг.2 в разрезе представлена коаксиальная электродная система устройства синтеза озона с использованием проволоки в качестве центрального электрода.
На фиг.3 представлен график напряжения на электродной системе прототипа (без насыщающегося дросселя).
На фиг.4 представлен график напряжения на электродной системе заявляемого устройства (при наличии насыщающегося дросселя, подключенного параллельно электродной системе).
Устройство (фиг.1) содержит заключенную в корпус 1 электродную систему 2 и высоковольтный источник питания 3, соединенные между собой высоковольтным кабелем 4, причем параллельно источнику питания 3 подключен насыщающийся дроссель 5. Высоковольтный электрод электродной системы 2 закреплен на корпусе 1 при помощи изолятора 6. Подвод воздуха и отвод озоно-воздушной смеси осуществляется через патрубки 7 и 8.
Коаксиальная электродная система (фиг.2) содержит внешний заземленный электрод 2 и внутренний высоковольтный электрод 2, выполненный из нержавеющей проволоки, натянутой с помощью пружины 9, закрепленной на одном из изоляторов 6. В изоляторах 6 имеются отверстия 10 для подачи воздуха и отвода озоно-воздушной смеси.
Предлагаемые способ, устройство и электродная система были испытаны на станции водоочистки, использующей озоновую технологию.
Использовали источник питания 3, который позволял получать на нагрузке 810 Ом однополярные импульсы напряжения с амплитудой от 15 до 26 киловольт с длительностью переднего фронта 0,47 мкс, длительностью заднего фронта 0,54 мкс, длительностью импульса на полувысоте 0,96 мкс. Частота следования импульсов, регулируемая от 100 Гц до 1000 Гц. Максимальная выходная мощность на активной нагрузке 810 Ом составляла 260 Вт.
Устройство для синтеза озона (озонатор) состояло из 6-ти электродных систем, выполненных в соответствии с фиг.2. В качестве внутреннего высоковольтного электрода 2 использовалась стальная нержавеющая проволока диаметром 1 мм. Изоляторы 6 были выполнены из фторопласта. Внешний заземленный электрод 2' выполняли из стальной нержавеющей трубы с внутренним диаметром 36 мм и толщиной стенки 1 мм. Длина каждого внешнего электрода составляла 1 м.
Насыщающийся дроссель выполняли на ферритовом кольце К 100×60×15 марки 600 НН. Число витков обмотки дросселя равнялось 64.
Устройство работает следующим образом.
Через патрубки 7 и 8 (фиг.1), размещенные на корпусе 1, через электродную систему 2 прокачивается воздух. При подаче на электродную систему 2 импульса напряжения от источника питания 3 через высоковольтный кабель 4 между электродами электродной системы 2 зажигается импульсный тлеющий разряд. При этом в электродной системе синтезируется озон.
В момент окончания импульса напряжения насыщается дроссель 5 и заряженные до напряжения горения импульсного тлеющего разряда емкости электродной системы 2 и высоковольтного кабеля 4 разряжаются через насыщенный дроссель 5. При этом ток в электродной системе изменяет направление на противоположное, предотвращая тем самым возможность возникновения искрового пробоя, а энергия, запасенная в емкостях электродной системы и высоковольтного кабеля, расходуется на производство дополнительного количества озона.
Первоначально проверялась работа озонатора с источником питания 3 без подключения насыщающегося дросселя 5 (фиг.3). При амплитуде напряжения выше 20 кВ между электродами 2' и 2 зажигался искровой разряд и синтез озона прекращался. Устойчивый синтез озона происходил при максимальном напряжении 19 кВ. При этом максимальная производительность озонатора составляла 22 грамма озона в час. При подключении параллельно источнику питания 3 насыщающегося дросселя 5 устойчивый синтез озона происходил при напряжении до 24 кВ (фиг.4). При этом максимальная производительность озонатора составляла 34 грамма озона в час.
Таким образом, предлагаемый способ синтеза озона в импульсном тлеющем разряде и устройство для его реализации позволило по сравнению с прототипом повысить надежность работы озонатора и увеличить его производительность.