ОЗОНАТОР
OZONE GENERATOR

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для озонирования воздуха, растворов, обработки озоном различных объектов. Изобретение может быть использовано в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промышленности при получении озоно-воздушных и озоно-кислородных смесей для различных нужд.
В настоящее время наиболее эффективным методом получения озона является его синтез из кислорода или воздуха в электрических разрядах.
Известны промышленные устройства для озонирования, содержащие последовательно соединенные компрессор, ресивер, блок очистки, охлаждения и осушки атмосферного воздуха, генератор озона. В устройствах используют генераторы озона, работа которых основана на возбуждении барьерного разряда в пластинчатой или трубчатой электродной системах. Электродные системы представляют собой установленные с зазором 1-2 мм друг относительно друга чередующиеся плоские или трубчатые электроды высокого и низкого напряжения. На поверхности электродов одного или обоих типов нанесен слой диэлектрика, а сами электроды подключены к высоковольтному источнику переменного тока [1].
Такие озонаторы отличаются аппаратурной сложностью, требуют предварительной подготовки (очистки и охлаждения) воздуха или кислородосодержащих рабочих газов. Кроме того, при электрическом пробое диэлектрический барьер выходит из строя и не подлежит восстановлению. Малые зазоры не позволяют эффективно продувать электроды, возникает необходимость водяного охлажденения электродов под высоким потенциалом.
Известны озонаторы, в конструкции которых используют коронный разряд постоянного тока [2]. В этом случае применяют электроды, создающие неоднородное электрическое поле, в котором реализуют коронный разряд.
Известен озонатор на коронном разряде [3]. Озонатор содержит два коаксиальных цилиндрических разрядных электрода, соединенных с источником электропитания, отличается тем, что разрядные электроды катод и анод размещены в корпусе, при этом на внешней поверхности внутреннего электрода катода установлены конусные шипы, причем катод с шипами и анод выполнены из тугоплавкого металла.
Недостатками данного озонатора является относительно низкая производительность, невысокая надежность и низкий ресурс его работы. Это связано с тем, что предельный ток разряда от каждого конусного электрода ограничен. Превышение критического значения тока коронного разряда от электрода ведет к развитию искрового и дугового разряда, разрушающего электроды. Кроме того, использование тугоплавких металлов (титана), как и других материалов, ведет к постепенному оксидированию поверхности электродов, что снижает ток разряда и производительность озонатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является генератор озона, содержащий корпус и два коаксиально расположенных цилиндрических электрода. Внутренний коронирующий электрод имеет одно или более ребер на поверхности и выполнен с возможностью вращения [4]. Основным недостатком данной конструкции является сравнительно низкая эффективность работы (низкая производительность обусловленная геометрией электрического поля создаваемого разрядным электродом в виде ребка), изменение характеристик работы озонатора во времени за счет накопления загрязнений (покрытий) на электродах, что требует остановки озонатора для периодической очистки электродов, несмотря на наличие предварительной подготовки (очистки и охлаждения) воздуха или кислородосодержащих рабочих газов. К недостаткам известной конструкции также можно отнести невозможность изменения геометрии разрядного промежутка в зависимости от условий работы. На практике для оптимизации режимов работы озонатора целесообразно оперативно регулировать зазор между высоковольтными электродами.
Целью изобретения является повышение эффективности работы озонатора за счет получения устойчивого коронного разряда, увеличение тока разряда, увеличение надежности и ресурса работы озонатора.
Поставленная цель достигается тем, что озонатор коронного разряда, содержащий два разрядных электрода, расположенных коаксиально, соединенных с источником высокого напряжения, причем внутренний электрод вращается относительно внешнего электрода и имеет на поверхности коронирующие элементы, отличается тем, что электроды имеют форму цилиндров, переходящих в конусы, причем хотя бы один электрод или его часть может перемещаться вдоль общей оси вращения для регулирования межэлектродного зазора, при этом коронирующие элементы выполнены в виде шипов или гибких кистей из проводящего материала, при этом гибкие кисти обеспечивают возможность самоочистки поверхностей разрядных электродов от окислов путем периодического приведения в соприкосновение вращающегося внутреннего электрода в контакт с внешним электродом в отсутствие напряжения между электродами.
Отличительными признаками данного технического решения при создании озонаторов на коронном разряде является вращение электрода с шипами, создающими резко неоднородное электрическое поле. Вращение (движение) электродов улучшает их конвекционное охлаждение, непрерывно меняет положение зоны коронного разряда между катодом и анодом, не позволяет развиваться искровому разряду, переходящему в дуговой. Для регулирования межэлектродного зазора разрядные электроды имеют форму двух коаксиально расположенных цилиндров переходящих в конусы, причем хотя бы один электрод или его часть может перемещаться вдоль оси вращения внутреннего электрода в конусной части. При этом значение рабочего коронноразрядного тока при прочих равных условиях может быть увеличено.
Так как разрядные электроды озонатора непрерывно подвергаются окислительному воздействию озона, средний разрядный ток электродов постепенно снижается. Для устранения этого эффекта на электроды наносят покрытия из стойких, трудноокисляемых металлов или металлов, образующих токопроводящие оксиды.
На фигуре 1 приведена схема озонаторного устройства. Устройство состоит из внешнего электрода (1), являющегося катодом, внутреннего коаксиально расположенного вращающегося электрода (2) с шипами или гибкими кистями (элементами), к которому подводят высокое напряжение через изолятор (3), а также электрического привода (4) для вращения электрода. Вместо электрического привода может быть использована турбина, вращающаяся от потока кислорода или воздуха.
Озонаторное устройство работает следующим образом. После включения привода (4) для вращения внутреннего электрода с шипами на внутренний электрод через изолятор (3) подают высокое напряжение от блока питания. Напряжение плавно повышают до значений, при котором возникает коронный разряд между внутренним и внешним электродом, и устанавливают рабочий ток разряда. При этом происходит синтез озона в зазоре между электродами и образующаяся озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь выдувается наружу.
При необходимости изменения режима работы озонатора ось электрода (2) перемещают, тем самым меняя разрядный промежуток.
Для очистки электродов от окислов возможно также применение конструкции, в которой шипы заменены на гибкие кисти (элементы) из проводящего материала. В этом случае при необходимости очистки электродов от загрязнений, высокое напряжение отключают и путем перемещения электродов вводят в механический контакт (соприкосновение) внутренний электрод с кистями с внешним электродом, в результате чего происходит их взаимная очистка.
Пример 1
Озонатор коронного разряда представляет собой цилиндро-коническую трубу из стали 12Х18Н9Т со средним диаметром 120 мм длинной 240 мм, внутри которой на валу диаметром 20 мм закреплен электрод в виде щетки из стальной проволоки диаметром 0,5 мм. Щетка с плотностью проволоки 5-10 штук на квадратный сантиметр образует коронирующий электрод. Зазор между электродами регулируют в диапазоне 0-10 мм путем перемещения вала в подшипниковых узлах. Подшипники закрепляют в изолированных (фторпласт-4) цилиндрах. Электродвигатель типа СЛ через изолированную муфту вращает внутренний электрод с регулируемой в диапазоне 500-3000 об/мин скоростью. На внутренний электрод через один из подшипников подают регулируемое положительное напряжение до 12-14 кВ, в результате чего возникает коронный разряд.
Пример 2
Озонатор коронного разряда представляет собой цилиндро-коническую трубу из стали 12Х18Н9Т со средним диаметром 80 мм длинной 140 мм, внутри которой на валу диаметром 10 мм закреплены электроды в виде полосок из бронзовой фольги толщиной 0,2 мм. Полоски имеют острые края и образуют многоячеистый электрод с плотностью до 4-6 штук на квадратный сантиметр. Зазор между электродами регулируют в диапазоне 0-9 мм путем перемещения вала в подшипниковых узлах. Подшипники закрепляют в изолированных (фторпласт-4) цилиндрах. Электродвигатель типа ДПМ через изолированную муфту вращает внутренний электрод с регулируемой в диапазоне 1000-5000 об/мин скоростью. На внутренний электрод через один из подшипников подают регулируемое положительное напряжение до 10-12 кВ, в результате чего возникает коронный разряд и происходит синтез озона.
Таким образом, устройство позволяет реализовать коронный разряд и проводить синтез озона с регулированием межэлектродного зазора и очисткой электродов от возникающих загрязнений (оксидов, гидридов). Как показывают измерения, предварительный ток стабильного коронного разряда в этом случае в 3-4 раза превышает ток такой же конструкции без вращения электродов. Периодическая химическая или механическая очистка электродов, которую обычно используют для восстановления работы озонаторов на коронном разряде, в данном изобретении не требуется.
Источники информации
1. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. «Физическая химия озона», Москва, Издательство Московского Университета, 1998, 320 с.
2. Токарев А.В., монография "Коронный разряд и его применение", изд. Бишкек КРСУ, 2009, стр.16.
3. Озонатор. Патент РФ №2058933 от 03.02.1993 г. C01B 13/11. Дата публикации: 27.04.1996 г.
4. US 5002738 A, C01B 13/11 , 26.03.1991.