УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ОЗОНА ПРИ ПОМОЩИ ИМПУЛЬСНОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
DEVICE FOR OZONE GENERATION BY MEANS OF IMPULSE BARRIER DISCHARGE

Изобретение относится к области получения озона посредством воздействия на кислородосодержащий газ импульсным барьерным разрядом и может быть использовано при проектировании новых типов озонаторов, использующих в качестве рабочего газа неосушенный атмосферный воздух.
Известно устройство для озонирования воздуха (см. В.Н.Вигдорович, Ю.А.Исправников, Э.А.Нижаде-Гаагани, 1994, Проблемы озонирования и озонообработки и создание озоногенераторов второго поколения, Москва, Санкт-Петербург, Озонит, стр.112), состоящее из высоковольтного источника питания и камеры синтеза озона в потоке воздуха в барьерном разряде.
Недостатком известного генератора озона являются высокие требования к влажности и запыленности подаваемой кислородосодержащей среды, для чего необходимо использовать дополнительное оборудование (компрессор, фильтр, осушитель, регенератор).
Известен озонатор (см. патент US №2308111, НКИ 204-320, от 1943), содержащий корпус, в котором размещены разрядные электроды и диэлектрик, установленный либо с зазором по отношению к электродам, либо крепится непосредственно на одном из электродов.
Недостатком этого решения является сложность замены диэлектрика при его механическом повреждении и невозможность его ремонта, сложность и ненадежность узлов центрирования электродов и диэлектрика относительно друг друга.
Известна установка для получения озона (см. патент US №4123664, МПК С01В 13/11, от 1978), содержащая генератор озона, по крайней мере, с одной разрядной камерой, снабженные разрядными электродами, и устройства для подачи биполярных импульсов тока прямоугольной формы на электроды, причем между токопроводящим устройством и разрядными электродами имеется емкостная цепь связи.
Недостатком установки является то, что при работе на неосушенном атмосферном воздухе неизбежна наработка окислов азота и азотной кислоты, приводящая к образованию проводящей пленки на поверхности диэлектрика, снижению производительности и выходу из строя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения озона (см. патент RU №2119446, МПК С01В 13/11, от 27.09.1998), состоящее из корпуса с впускным отверстием для ввода сухого воздуха или кислорода и выпускным отверстием для подачи наружу воздуха или кислорода с полученным озоном, внутри корпуса в проходе для газа установлена, по меньшей мере, одна пара взаимно изолированных и расположенных напротив друг друга коронирующего и некоронирующего электродов, вне корпуса установлен источник коротких импульсов высокого напряжения положительной полярности с длительностью до 1000 нс, выходные зажимы которого подключены к электродам в согласованной полярности, причем некоронирующий электрод или, по крайней мере, его часть, контактирующая с разрядом, выполнен из алюминия, или сплава алюминия, или из электропроводящего сплава с теплопроводностью выше 50 Вт/(м*град).
Причем источник коротких импульсов высокого напряжения обеспечивает среднюю удельную мощность коронного разряда более 50 Вт/л, частоту следования импульсов высокого напряжения более 500 Гц, отношение амплитуды импульсов высокого напряжения к амплитуде остаточного постоянного напряжения на электродах между импульсами составляет 1,5-3.
Данное устройство также нуждается в осушке воздуха для длительной работы из-за наработки окислов азота и азотной кислоты в зоне разряда, что еще более усугубляется применением сплавов, содержащих алюминий, вступающих в реакцию с азотной кислотой.
Техническим результатом изобретения является повышение высокой надежности работы устройства, увеличение выхода озона, снижение удельных энергозатрат, исключение воздухоподготовки.
Широкие функциональные возможности обеспечиваются тем, что устройство для генерации озона при помощи импульсного барьерного разряда, содержащее разрядную камеру с впускным и выпускным отверстиями, внутри которой размещены высоковольтные электроды, покрытые диэлектриком, и заземленные электроды и установленный вне корпуса источник импульсов высокого напряжения, подключенный к электродам, а через впускное отверстие подается неосушенный атмосферный воздух, проходящий затем через разрядные промежутки между высоковольтными и заземленными электродами, причем источник высокого напряжения зажигает в разрядных промежутках импульсный барьерный разряд ассиметричной формой импульсов, максимальная амплитуда отрицательной части которых как минимум в два раза превышает максимальную амплитуду его положительной части.
Максимальная скорость нарастания отрицательной части импульса не менее 5 кВ/мкс и не более 50 кВ/мкс, а электрический разряд зажигают только фронтом отрицательной части импульса высокого напряжения, и частота следования импульсов высокого напряжения не более 1,5 кГц, причем стационарная температура высоковольтных электродов при работе устройства для генерации озона не ниже 40°С.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что, несмотря на использование диэлектрического слоя или, как его часто называют, барьера, параметры стримера предложенного барьерного разряда резко отличаются от параметров традиционного барьерного разряда.
Благодаря специально подобранной длительности фронта нарастания импульсов высокого напряжения и использования ассиметричной формы импульса возникает стримерный разряд с искусственно затянутым вторичным стримером (импульсом тока разряда, протекающим после прохода головки стримера), длящимся от момента зажигания стримера до вершины импульса напряжения. При этом энергия электронов во вторичном стримере оптимальна для диссоциации молекул кислорода (энергия диссоциации около 5 эВ) и синтеза озона и недостаточна для диссоциации молекул азота (энергия диссоциации около 10 эВ) и синтеза окислов азота. При этом увеличивается энергетическая эффективность работы озонатора и резко уменьшается скорость обратных реакций гибели озона, в частности обратных реакций с оксидом азота. При этом оказывается возможным поднять температуру разрядной зоны без ущерба для производительности озонатора, что совершенно невозможно в озонаторе традиционной конструкции. Подъем температуры дает возможность резко увеличить ресурс работы озонатора и его надежность, снимая проблему конденсации кислоты и высших окислов азота внутри разрядной камеры.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого технического решения, на фиг.2 - форма импульса.
Устройство содержит
1 - разрядную камеру,
2, 3 - впускное и выпускное отверстия с патрубками,
4 - диэлектрик,
5 - высоковольтные электроды,
6 - заземленные электроды,
7 - разрядный промежуток,
8 - источник импульсов высокого напряжения,
9 - импульсный высоковольтный трансформатор,
10 - генератор импульсов,
11 - ассиметричный импульс напряжения,
12 - импульс тока,
13 - головка стримера тока,
14 - вторичный стример.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Неосушенный воздух подается по патрубку 2 в разрядный промежуток 9, образованный между высоковольтным электродом 5 и заземленным электродом 6. При подаче импульсного напряжения на высоковольтные электроды 5 возникает электрический барьерный разряд, причем разряд зажигается на фронте отрицательной части импульса при стационарной температуре электродов не ниже +40°С.
Пример.
сл
3
Источник импульсов высокого напряжения 8 генерирует импульсы с частотой повторения f порядка 700 Гц. Форма импульса напряжения представлена на фиг.2. Фронт нарастания первого отрицательного пика составляла 1 мкс при амплитуду 20 кВ. Таким образом скорость нарастания dU/dt отрицательного пика импульса напряжения составляла 20 Кв/мкс. Максимальная амплитуда положительных пиков составляла 7 кВ. Источник импульсного высокого напряжения 8 был присоединен к высоковольтным электродам 5 разрядной камеры 1 цилиндрической формы с воздушным охлаждением внешнего электрода 6. При этом между высоковольтными электродами 5 разрядной камеры 1 зажигался электрический газовый барьерный разряд, мощность которого измерялась в процессе эксперимента. Стационарная температура высоковольтных электродов 5 разрядной камеры 1 составляла +40°С. Через разрядный промежуток 7 продувался неосушенный атмосферный воздух, расход которого варьировался в процессе эксперимента. При этом в разрядной камере 1 генерировался озон, концентрация которого измерялась на выходе разрядной камеры 1. Таким образом были получены энергозатраты на генерацию озона на уровне 20-30 кВ·ч/г озона при концентрациях озона на выходе озонатора 7-15 г/м. Такой озонатор эксплуатировался непрерывно без обслуживания в течение 2 лет, после чего на его электродах не было обнаружено каких-либо отложений.
Технико-экономический эффект изобретения позволяет существенно повысить надежность работы озонатора, увеличить выход озона, снизить удельные энергозатраты, исключить воздухоподготовку.