УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОЗОНА
OZONE GENERATOR

Изобретение относится к устройствам для генерирования озона и может быть использовано для обеззараживания питьевой воды, очистки сточных вод, воздуха в помещениях, а также в медицине, в промышленном производстве, в сельском хозяйстве и других отраслях.
Известна система электродов генератора озона, содержащая, по меньшей мере, два электрода - высоковольтный и заземленный, каждый из которых выполнен из двух мембран, жестко соединенных между собой и образующих внутреннюю полость, имеющую штуцеры для входа и выхода хладагента, при этом смежные поверхности электродов расположены с постоянным зазором между собой в пределах их активных зон, а во внутренней полости каждого электрода размещена дистанцирующая вставка высотою, равной расстоянию между мембранами, активные зоны мембран электродов выполнены, например, плоскими, дистанцирующая вставка имеет форму, обеспечивающую направленное движение хладагента, в местах касания жестко закреплена на внутренней поверхности мембран электрода в пределах активных зон с образованием теплового контакта, при этом расстояние между местами жесткого закрепления дистанцирующей вставки выбирают таким образом, чтобы деформация активных зон смежных поверхностей электродов под действием давления хладагента не превышала половины величины зазора между ними, а электроды снаружи покрыты диэлектриком.
Электроды могут иметь форму круглого диска с центральным сквозным отверстием.
Электроды могут быть выполнены из биметалла, включающего озоностойкий металл, например нержавеющую сталь, образующий наружную поверхность электродов, и металл с высокой теплопроводностью, например медь, образующий их внутреннюю поверхность.
Внутри электродов на мембранах в пределах их активных зон могут быть жестко закреплены пластины из металла с высокой теплопроводностью с образованием теплового контакта, при этом дистанцирующие вставки крепятся к этим пластинам.
Дистанцирующая вставка может быть выполнена из материала с высокой теплопроводностью.
Дистанцирующая вставка может быть выполнена составной.
В дистанцирующей вставке могут быть выполнены конструктивные элементы, например отверстия [1].
Недостатками данной системы электродов генератора озона являются неэффективное охлаждение электродов, в результате низкой скорости движения теплоносителя, вследствие параллельности охлаждающих каналов, а также неравномерное их охлаждение в результате разной скорости движения теплоносителя в центре и по краям электродов.
Известна система электродов генератора озона, содержащая, по меньшей мере, два электрода, каждый из которых выполнен из двух гофрированных мембран, жестко соединенных между собой и образующих внутреннюю кольцевую полость, имеющую штуцеры входа и выхода охлаждающей воды, высоковольтный и заземленный электроды имеют одинаковую конфигурацию в пределах активной зоны, соответствующие вершины и впадины верхних и нижних мембран каждого электрода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, а во внутренней кольцевой полости между мембранами в пределах активной зоны размещена дистанцирующая вставка, имеющая высоту, равную расстоянию между мембранами, которое в свою очередь равно 10-30 значениям разрядного расстояния. Дистанцирующая вставка установлена между вершинами нижней мембраны и впадинами верхней. Дистанцирующая вставка должна выполняться из тонкого металла и иметь ячеистую структуру. Форма ячейки может быть различной, а характерный размер ее d должен быть близок к шагу волны мембраны [2].
Недостатком данной системы электродов генератора озона является неравномерное охлаждение поверхности электродов, так как на части электрода, прилегающей к штуцеру подвода охлаждающей воды, направление потока кислородосодержащего газа и охлаждающей воды совпадает, на части электрода, прилегающей к штуцеру отвода охлаждающей воды, они противоположны, на частях электрода, расположенных между вышеназванными, направления потоков кислородосодержащего газа и охлаждающей воды взаимно перпендикулярны, что может привести к образованию застойных зон и исключает достижение равномерного распределения разряда по всей площади электродов. В результате возможен перегрев охлаждающей воды вплоть до ее вскипания с разрушением электродов. Недостатком также является большая толщина электродов в результате значительного расстояния между мембранами, которое определяется высотой дистанцирующей вставки и расстояниями между ней и гофрами верхней и нижней мембран.
Известно устройство для генерирования озона, содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, штуцера для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, в котором перемычки выполнены кольцевыми с множественными отверстиями и прорезью, площадь которой равна площади сечения штуцера для подвода теплоносителя к электродам, и закреплены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин электродов, жестко связывая пластины электродов между собой, причем площадь суммарного сечения отверстий в перемычках выполнена намного меньшей площади сечения канала, образованного между двумя соседними перемычками в тангенциальном направлении, а проходящая в электроде часть штуцера для подвода теплоносителя выполнена повторяющей форму сечения гофров электрода, расположена радиально, и конец ее размещен у внутренней кромки электрода [3].
Недостатками данного устройства для генерирования озона являются недостаточно эффективное охлаждение электродов, в результате роста гидравлического сопротивления из-за наличия большого количества отверстий малого диаметра, а также трудность технологической реализации жесткого соединения перемычек с пластинами электродов.
Задачей изобретения является повышение производительности устройства для генерирования озона путем уменьшения энергозатрат на производство озона.
Техническим результатом является повышение эффективности отвода тепла от разрядного промежутка путем повышения эффективности охлаждения электродов.
пр
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для генерирования озона, содержащем расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком, чередующиеся через один, выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам кольцевых плоских или гофрированных пластин, образующих внутреннюю полость, в которой расположены дистанцирующие проставки кольцевой формы, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородсодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода газоозоновой смеси и теплоносителя, штуцера для подвода теплоносителя к электродам, выходное отверстие которых расположено у внутренней дистанцирующей проставки, и штуцера для отвода теплоносителя от электродов, входное отверстие которых расположено у внешней кромки электродов, причем в дистанцирующих проставках выполнены отверстия для прохода штуцера для подвода теплоносителя, в первой внутренней и последующих нечетных дистанцирующих проставках выполнены прорези, расположенные диаметрально противоположно от штуцера для подвода теплоносителя, а во второй внутренней и последующих четных дистанцирующих проставках выполнены прорези, расположенные диаметрально противоположно от штуцера для отвода теплоносителя, при этом прорези выполнены соосно со штуцерами подвода и отвода теплоносителя к электродам, а их площадь S выполнена равной:
пр
кaн
S=(2÷3)S
кан
где S - площадь поперечного сечения канала для прохода теплоносителя, образованного соседними дистанцирующими проставками; причем, первая внутренняя и все нечетные дистанцирующие проставки присоединены к штуцеру для подвода теплоносителя, а внешняя дистанцирующая проставка присоединена к штуцеру для отвода теплоносителя, кроме того, в дистанцирующих проставках выполнены отверстия, в которых расположены стержни, жестко прикрепленные к дистанцирующим проставкам и обеспечивающие равное расстояние между ними, при этом стержни расположены в радиальном направлении равномерно по окружности, симметрично относительно оси штуцеров подвода и отвода теплоносителя.
пр
кaн
Выполнение прорезей с площадью, равной: S=(2÷3)S,
кaн
где S - площадь поперечного сечения канала для прохода теплоносителя, образованного двумя соседними дистанцирующими проставками, обеспечивает постоянство среднерасходной скорости движения теплоносителя и не приводит к дополнительному росту гидравлического сопротивления.
Поток теплоносителя, осуществляющий отвод тепла от электродов, создается направленным по окружности перекрестно потоку кислородосодержащего газа, направленному от периферии к центру, затем в радиальном направлении, перемещаясь от центра к периферии - встречно потоку кислородосодержащего газа, затем вновь по окружности, затем вновь в радиальном направлении и так далее, - перемещаясь от центра к периферии перекрестно-встречно потоку кислородосодержащего газа. Создание перекрестно-встречного направления потоков кислородосодержащего газа и потоков теплоносителя во всей активной зоне барьерного разряда приводит к исключению образования застойных зон, более равномерному распределению температуры по разрядному промежутку и значительному росту коэффициента теплопередачи. В результате этого осуществляется более эффективное охлаждение электродов.
Подача холодного теплоносителя в наиболее нагретую центральную часть электрода позволяет существенно снизить температуру поверхности электрода и вероятность распада молекул озона под воздействием повышенной температуры, что приводит к уменьшению энергозатрат на производство озона и повышению производительности устройства для генерирования озона.
На фиг.1 изображено устройство для генерирования озона.
На фиг.2 изображено сечение А-А на фиг.1.
На фиг.3 изображена электродная система устройства для генерирования озона с плоскими электродами.
На фиг.4 изображено сечение А-А на фиг.3.
На фиг.5 изображена электродная система устройства для генерирования озона с гофрированными электродами.
На фиг.6 изображено сечение А-А на фиг.5.
На фиг.7 изображено сечение Б-Б на фиг.5.
Устройство для генерирования озона содержит расположенные в герметичном корпусе 1 высоковольтные 2 и заземленные электроды 3, изготовленные из нержавеющей стали (фиг.1). Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем, равномерно покрыты снаружи изоляцией из короностойкого диэлектрика 4 (фиг.4, 6), чередуются через один и закреплены стяжными шпильками 5 (фиг.1, 2). Электроды 2, 3 выполнены из герметично соединенных между собой по кромкам 6, 7 кольцевых плоских (фиг.3, 4) или гофрированных (фиг.5, 6) пластин 8, 9, образующих внутреннюю полость 10 (фиг.4, 6), в которой расположены дистанцирующие проставки 11, 12, 13, 14 (фиг.3, 4, 5, 6), закрепленные перпендикулярно к внутренним поверхностям пластин 8, 9 (фиг.4, 6). При появлении разрежения в полости электродов дистанцирующие проставки 11, 12, 13, 14 не позволяют им сомкнуться, сохраняя рабочие поверхности электродов 2, 3 на одинаковом расстоянии друг от друга.
пр
Между электродами 2, 3 установлены дистанцирующие прокладки из изоляционного материала 15 (фиг.1, 2), не препятствующие проходу газа. Выводы высоковольтного источника питания 16 через проходной изолятор 17 подключены к электродам 2, 3 (фиг.1). Устройство для генерирования озона снабжено штуцерами для подвода рабочего кислородосодержащего газа 18 и теплоносителя 19 и штуцерами для отвода теплоносителя 20 и газоозоновой смеси 21, а также штуцерами для подвода теплоносителя к электродам 22 (фиг.3, 5) и отвода теплоносителя от них 23. Высоковольтные электроды 2 (фиг.1) соединены со штуцерами для подвода теплоносителя 19 через шланг 24 из изоляционного материала, длина и диаметр которого выбираются из условия обеспечения высокого омического сопротивления. Дистанцирующие проставки 11, 12, 13, 14 выполнены кольцевыми (фиг.3, 5) одинаковой высоты из нержавеющей стали с прорезями 25, 26, 27, 28 для прохода теплоносителя. В первой внутренней 11 и последующих нечетных дистанирующих проставках 13, … выполнены прорези 25, 26, расположенные диаметрально противоположно от штуцера для подвода теплоносителя 22, а во второй внутренней 12 и последующих четных дистанцирующих проставках 14, … выполнены прорези 27, 28, расположенные диаметрально противоположно от штуцера для отвода теплоносителя, при этом прорези 25, 26, 27, 28 выполнены соосно со штуцерами подвода 22 и отвода 23 теплоносителя к электродам. Площадь прорезей (S) 25, 26, 27, 28 выполнена равной:
пр
кaн
S=(2÷3)S,
кaн
где S - площадь поперечного сечения канала для прохода теплоносителя, образованного соседними дистанцирующими проставками. Первая внутренняя 11 и все нечетные 13, … дистанцирующие проставки присоединены к штуцеру для подвода теплоносителя 22, а внешняя дистанцирующая проставка 14 присоединена к штуцеру для отвода теплоносителя 23. Кроме того, в дистанцирующих проставках 11, 12, 13, 14 выполнены отверстия 29 (фиг.7), в которых расположены стержни 30 (фиг.3, 5), жестко прикрепленные к дистанцирующим проставкам 11, 12, 13, 14 и обеспечивающие равное расстояние между ними. При этом стержни расположены в радиальном направлении равномерно по окружности, симметрично относительно оси штуцеров подвода 22 и отвода теплоносителя 23.
Электрод 2, расположенный первым от штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа 18, выполнен сплошным (без центрального отверстия) (фиг.1). Проходящая в электроде, выполненном из гофрированных (фиг.5, 6) пластин 8, 9, часть штуцера для подвода теплоносителя к электродам 22 выполнена в виде трубки, расположенной радиально, с выходным отверстием 31, размещенным у внутренней проставки 11 (фиг.4, 5). Входное отверстие 32 штуцера для отвода теплоносителя 23 расположено у внешней кромки 7 электродов.
Дистанцирующие проставки 11, 12, 13, 14 в гофрированных электродах расположены по всей длине окружности каждого гофра между вершинами 33, 34 и впадинами 35, 36 верхней 8 и нижней 9 пластин электродов 2, 3 (фиг.6).
3
Устройство работает следующим образом. Рабочий кислородосодержащий газ (например, воздух или кислород) очищают в устройстве для очистки рабочего кислородосодержащего газа 37 (фиг.1) и отделяют влагу в устройстве для отделения влаги из рабочего кислородосодержащего газа 38. Рабочий кислородосодержащий газ подают в корпус 1 через штуцер 18, направляют в пространство между электродами 2, 3 от периферии к центру. К электродам 2, 3 прикладывают высокочастотное переменное напряжение необходимой величины от высоковольтного источника питания 16 устройства для генерирования озона. Между электродами 2, 3 возникает электрический барьерный разряд, который воздействует на кислородосодержащий газ. Образующиеся свободные электроны, обладающие значительной энергией, приводят к разрушению молекул кислорода и образованию в разрядном промежутке между электродами молекул озона (О), который отводится через штуцер 21. Прохождение тока вызывает выделение джоулевого тепла, нагревающего электроды 2, 3 и диэлектрик 4 и приводящего к уменьшению интенсивности образования озона и ускоренному его распаду. Тепло, выделяющееся при разряде в газе, электродах и изоляции, отводится созданным потоком теплоносителя. Теплоноситель предварительно охлаждают в устройстве охлаждения 39. В полость электрода 10 (фиг.3, 5) теплоноситель подводят через выходное отверстие 31 штуцера для подвода теплоностеля 22 (фиг.3, 5). Теплоноситель попадает во внутренний кольцевой канал 40, образованный первой дистанцирующей проставкой 11 и внутренней кромкой электрода 6, раздваивается и течет и прорези 25. Подведенные потоки теплоносителя, подойдя к прорези 25, меняют свое направление движения на 180° и текут по каналу 41, образованному первой 11 и второй 12 дистанцирующими проставками, до следующей по ходу движения теплоносителя прорези 27. Пройдя прорезь 27, потоки меняют направление движения на 180° и текут по каналу 42, образованному второй 12 и третьей 13 дистанцирующими проставками, до следующей по ходу движения теплоносителя прорези 26. И так далее до выхода через отверстие 32 штуцера для отвода теплоносителя 23.
пр
кaн
кaн.
-
Выполнение прорезей с площадью, равной: S=(2÷3)S, где S площадь поперечного канала для прохода теплоносителя, образованного двумя соседними дистанцирующими проставками, обеспечивает постоянство среднерасходной скорости движения теплоносителя и не приводит к дополнительному росту гидравлического сопротивления.
Поток теплоносителя, осуществляющий отвод тепла от электродов, создается направленным по окружности перекрестно потоку кислородосодержащего газа, направленному от периферии к центру, затем в радиальном направлении, перемещаясь от центра к периферии - встречно потоку кислородосодержащего газа, затем вновь по окружности, затем вновь в радиальном направлении и так далее, - перемещаясь от центра к периферии перекрестно-встречно потоку кислородосодержащего газа. Создание перекрестно-встречного направления потоков кислородосодержащего газа и потоков теплоносителя во всей активной зоне барьерного разряда приводит к исключению образования застойных зон, более равномерному распределению температуры по разрядному промежутку и значительному росту коэффициента теплопередачи. В результате этого осуществляется более эффективное охлаждение электродов.
Подача холодного теплоносителя в наиболее нагретую центральную часть электрода позволяет существенно снизить температуру поверхности электрода и вероятность распада молекул озона под воздействием повышенной температуры, что приводит к уменьшению энергозатрат на производство озона и повышению производительности устройства для генерирования озона.
Использование изобретения приводит к повышению эффективности теплоотвода от разрядного промежутка и увеличению срока службы устройства. Одновременно повышается эффективность охлаждения электродов за счет равномерного распределения потока теплоносителя по всей площади электродов, что позволяет повысить производительность генерирования озона.
Источники информации:
1. Патент РФ №2278074, C01B 13/11, 2006.
2. Патент РФ №2199487, C01B 13/11, 2003.
3. Патент РФ №2239597, C01B 13/11, 2004.