УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОЗОНА
DEVICE FOR GENERATION OF OZONE

Изобретение относится к озонаторному оборудованию и может быть использовано при производстве озонаторов для очистки питьевой воды и сточных вод, дезинфекции помещений, обработки семян и т.д.
Получение озона в электрическом разряде сопряжено с выделением тепла и нагревом газа в разрядном промежутке, вследствие чего часть образовавшегося озона подвергается тепловому разрушению. В связи с этим конструкция электродов генератора озона должна обеспечивать отвод тепла от разрядного промежутка при условиях, обеспечивающих минимально возможный нагрев обрабатываемого разрядом газа и, соответственно, минимальные потери озона, обусловленные его термическим разложением.
ст
ж
Современные генераторы озона снабжены системой жидкостного охлаждения электродов, имеющих полость для протока теплоносителя, в которой сформирована (или не сформирована) система каналов, задающих направление и скорость движения жидкости. В качестве теплоносителя, как правило, используется вода. При характерных для водоохлаждаемых электродов условиях движение воды происходит при значениях числа Рейнольдса Re<2500, что приводит к установлению ламинарного режима течения. Величина и направление скорости потока в различных точках продольного сечения канала для данного режима условно изображены стрелками на фиг. 1. Перемешивание жидкости в потоке при таких условиях практически отсутствует, а передача тепла от охлаждаемой стенки к ядру потока осуществляется по механизму теплопроводности. Вследствие этого температура жидкости в пристеночном слое, а также температура стенки электрода t значительно превышает температуру жидкости в ядре потока t, и их разность возрастает с увеличением плотности потока энергии, передаваемой через поверхность электрода. Вместе с ней возрастают температура газа в разрядном промежутке и потери озона, обусловленные его термическим разложением в разряде.
ст
ж
Уменьшение разности температур Δt=(t-t) и термических потерь озона в разряде при неизменных значениях отводимой мощности и расхода охлаждающей жидкости возможно за счет организации перемешивания потока жидкости с помощью вводимых в поток пластинок различной формы и размеров, установленных под углом к его оси и расположенных на таком расстоянии друг от друга по потоку, при котором созданные ими вихри не успевают затухать. Перемешивание потока жидкости позволяет повысить коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой стенки к потоку жидкости, плотность потока отводимой мощности при заданной величине Δt, и в итоге увеличить съем озона с единицы площади поверхности электрода.
Известно устройство для генерирования озона [1], содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, выполненные 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, 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 нечетных дистанцирующих проставках выполнены прорези, расположенные диаметрально противоположно от штуцера для подвода теплоносителя, а в четных дистанцирующих проставках выполнены прорези, расположенные диаметрально противоположно от штуцера для отвода теплоносителя.
В описанном устройстве поток жидкого теплоносителя, осуществляющий отвод тепла от электродов, направлен по окружности перекрестно потоку кислородсодержащего газа, движущемуся от периферии электрода к центру, и периодически изменяет направление на противоположное с переходом в соседний канал, имеющий, как и все остальные каналы, кольцевую форму. Формирование каналов для протока жидкого теплоносителя во внутренней полости электрода исключает возникновение застойных зон, увеличивает скорость движения теплоносителя и коэффициента теплоотдачи от охлаждаемой стенки к потоку теплоносителя, способствует снижению и более равномерному распределению температуры газа в разрядном промежутке, а также уменьшению теплового разложения озона.
Недостатком данного устройства, как показал анализ видеосъемки потока воды в модели устройства с добавлением в воду красителя, является слабое перемешивание потока при типичных для промышленных генераторов озона значениях расхода воды, нормированного на производительность генератора озона, и как следствие, низкий коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой стенки электрода к потоку охлаждающей воды. Следствием этого является недостаточно эффективное охлаждение газоразрядного промежутка и повышенные потери озона, обусловленные его тепловым разложением.
Известно устройство для генерирования озона [2], содержащее расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные пластинчатые электроды, имеющие центральные отверстия и выполненные с возможностью охлаждения теплоносителем, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцеры для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцеры для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси, причем электроды выполнены из герметично соединенных между собой параллельных пластин, образующих внутреннюю полость, в которой расположены установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин электродов перемычки, жестко связывающие пластины между собой, штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них, причем пластины электродов выполнены с выступающими за пределы активной зоны электродов частями.
В этом устройстве дистанцирующие перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин электродов используются не только для организации системы каналов для протока охлаждающей жидкости, но и для создания жесткой связи пластин между собой. В силу аналогичного устройства системы жидкостного охлаждения устройств [1] и [2] устройству [2] присущ тот же недостаток, что и устройству [1].
Задачей изобретения является повышение выхода озона на единицу площади рабочей поверхности электрода за счет уменьшения термических потерь озона в разряде, обусловленного улучшением условий охлаждения электродов путем организации вихревого движения охлаждающей жидкости, протекающей в электродах, при помощи установки завихрителей потока в каналах протока жидкости.
Техническим результатом изобретения является снижение температуры электрода при неизменных значениях отводимой мощности и расхода охлаждающей жидкости.
Технический результат достигается за счет установки завихрителей потока в каналах системы жидкостного охлаждения электродов. Применение завихрителей повышает интенсивность перемешивания теплоносителя вблизи охлаждаемой поверхности, уменьшает толщину и тепловое сопротивление пограничного слоя, температуру охлаждаемой стенки и газа в разрядном промежутке и, как следствие, термическое разложение озона в разряде.
На фиг. 2 и фиг. 3 изображены примеры конкретного исполнения данного изобретения применительно к электродам генератора озона с плоской и гофрированной поверхностью. Завихрители потока жидкости, охлаждающей пластину электрода 1, реализованы в виде перегородок 2, установленных под углом к оси канала. Стрелками показан характер движения потока теплоносителя в различных областях канала (также и между перегородками). Учитывая тот факт, что в устройствах [1, 2] характерная длина затухания вихрей после смены направления потока на противоположное соответствовала 2÷3-кратному наименьшему поперечному размеру канала, расстояние между завихрителями потока не должно превышать этой величины.
Завихрители потока (перегородки) обеспечивают попеременное направление потока теплоносителя то к верхней, то к нижней пластине электрода, при этом наклон перегородок к оси канала составляет 30÷50 градусов.
Размещение завихрителей потока теплоносителя в каналах движения теплоносителя позволило увеличить коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности электрода к потоку жидкости на 15÷20% (в зависимости от расхода охлаждающей жидкости).
Источники информации
1. Патент РФ №2446093, МПК C01B 13/11, приоритет от 01.09.2010 г.
2. Патент РФ №2499765, МПК C01B 13/11, приоритет от 16.03 2012 г.