ГАЗОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА ОЗОНА
GAS-DISCHARGE DEVICE FOR OZONE SYNTHESIS

Изобретение относится к устройству для получения озона путем электросинтеза и может быть использовано в сельском хозяйстве, АПК, пищевой, фармакологической, косметической, промышленности и медицине.
Из современных методов электросинтеза озона наибольшее распространение получил метод синтеза при помощи барьерного разряда. Анализ показывает, что для повышения удельной производительности газоразрядных элементов (производство озона с единицы поверхности газоразрядной зоны) и снижения удельных энергозатрат, целесообразно повышать рабочие частоты высоковольтных источников питания, регулировать форму, длительность, скважность рабочих импульсов, снижать энергию единичных стримеров и совершенствовать элементы теплоотвода. Наряду с хорошо известным барьерным типом разряда этим условиям удовлетворяет смешанный тип разряда, а именно барьерно-поверхностный разряд (БПР), характерной особенностью которого является [1] (Masuda S. A ceramic-based ozoniser high frequency discharge IEEE Twes.Ibd.Appl. 1988 - 24 - №2, р.223-231) наличие динамической емкости, приводящее к снижению напряжения зажигания и увеличению удельной мощности активного разряда при более низких рабочих напряжениях.
В работе [2] (Смирнова Ю.Г. Озонатор на основе барьрно-поверхностного разряда в диэлектрической трубке с металлической спиралью. Сборник - Первая Всероссийская конференция «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технология». М.: МГУ, 2005 г.) описано газоразрядное устройство, состоящее из диэлектрической трубки из поливинилхлорида длиной более 2,5 м, толщиной стенки 2-5 мм, внутри которой помещается высокопотенциальный электрод в виде металлической спирали с шагом витков 15 мм и толщиной провода 0,8 мм.
Трубка опускается в воду, играющую роль низкопотенциального электрода. Устройство работает следующим образом. Кислород подается внутрь диэлектрической трубки, где на ее внутренней поверхности образуется БПР, в плазме которого осуществляется синтез озона. Вода, омывающая трубку снаружи и являющаяся вторым электродом, отводит тепло через стенки диэлектрической трубки.
К недостаткам указанной конструкции следует отнести:
O3
- неэффективное использование зоны разряда, так как синтез озона осуществляется лишь в той части, которая соприкасается с внутренней поверхностью диэлектрической трубки, что приводит к существенному снижению концентрации озона в смеси; при больших размерах самого устройства производительность около 2 г/час, т.е. очень низкая удельная производительность. Следует отметить, что передача тепла через диэлектрики на порядок ниже, чем через проводники, а следовательно, обеспечить эффективный теплоотвод для повышения удельной мощности разряда в указанном устройстве невозможно.
Наиболее близким, по технической сущности и фактическому эффекту, к предлагаемому изобретению может быть устройство для синтеза озона, описанное в заявке №57-53285 (Япония, Кл. С01В 13/11, 1975 г.). Устройство состоит из двух коаксиально расположенных перфорированных разрядников, представляющих собой один электрод, на внутреннем из которых намотана спираль из провода, покрытого диэлектриком. Процесс синтеза озона осуществляется за счет воздействия на поток воздуха поверхностного разряда, образующегося на поверхностях диэлектрика спирального электрода.
Недостатком указанного устройства является:
- невозможность получения высокой концентрации в смеси из-за необходимости прокачивать большие объемы рабочего газа (воздуха), необходимого не только для синтеза озона, но и для охлаждения газоразрядной зоны;
- несовершенный теплоотвод, резко снижающий удельную производительность (количество синтезированного озона с единицы поверхности электрода), и как следствие, невозможность использовать источники высокого напряжения повышенной частоты;
- неэффективное использование диэлектрической поверхности спирального электрода, так как поверхностный разряд практически отсутствует со стороны внешнего перфорированного электрода;
- при синтезе озона не может быть использован кислород;
- поверхностный разряд осуществляется не по всей поверхности спирального электрода, а рабочий газ, проходящий внутри перфорированных электродов, не весь взаимодействует с газоразрядной плазмой, а следовательно, устройство работает неэффективно.
Цель изобретения повышение эффективности работы и удельной производительности устройства. Поставленная цель достигается за счет оптимизации использования БПР и интенсификации теплоотвода из зоны его формирования, а именно эффективного отвода тепла по всей поверхности газоразрядной зоны (камеры), обеспечение формирования БПР по всей поверхности диэлектрика, нанесенного на спиральный электрод, и формирования структуры газового потока, приводящей к максимально возможному контакту последнего с плазмой разряда.
На чертеже изображена схема предлагаемого газоразрядного устройства для синтеза озона, которое состоит из металлической наружной рубашки 1 с патрубками 2 из металла и 3 из диэлектрика для подачи хладагента.
Внутри нее смонтирована замкнутая, заземленная, газоразрядная камера 4, образованная коаксиально расположенными, охлаждаемыми цилиндрами - электродами 5 и 6, из которых наружный цилиндр-электрод 5 снабжен патрубками 7 и 8 для по дачи и отведения рабочего газа. Между цилиндрами-электродами 5 и 6 находится плотно прилегающий к внутренним поверхностям камеры 4 высокопотенциальный спиральный металлический электрод 9, покрытый диэлектриком 10, который при помощи клеммы 11, смонтированной в диэлектрическом патрубке 3, подключается к источнику высокого, высокочастного напряжения (ИВВН).
Устройство работает следующим образом. Хладагент через патрубок 2 подается внутрь заземленной рубашки 1 и омывает поверхность газоразрядной камеры 4 (соответственно наружную и внутреннюю поверхности цилиндров-электродов 5 и 6) и отводится через патрубок 3 на рекуперацию. Одновременно с подачей на клемму 11 высокого высокочастотного напряжения в зону разряда, образованную цилиндрами- электродами 5; 6 и диэлектриком 10 спирального металлического электрода 9, через патрубок 8 подается рабочий газ. Последний поступает в зону разряда и по спирали двигается вдоль всей поверхности диэлектрика 10 спирального металлического электрода 9. Продукт электросинтеза выводится через патрубок 7.
В таблице представлены результаты, полученные при сравнительных испытаниях предлагаемого и известного устройств при равных потребляемых мощностях. Выявлены оптимальные геометрические характеристики высоковольтных элементов устройства. Диаметр провода спирально электрода составил 1.3-2.5 мм при толщине диэлектрического слоя 0.3-0.5 мм. Увеличение этого параметра приводит к увеличению напряжения зажигания и снижению теплоотдачи, а уменьшение к неоправданным затратам энергии на прокачку газа за счет возрастания аэродинамического сопротивления газоразрядного промежутка, шаг спирали составил 7-8 мм. С увеличением последнего уменьшается рабочая поверхность плазмы, а уменьшение также приводит к увеличению аэродинамического сопротивления.
2
2
В таблице приведены экспериментальные данные, полученные при сравнении известного и предлагаемого устройств. Для сравнения были взяты образцы известного и предлагаемого устройств с площадью зоны разряда S=100 см, диаметром спирального электрода, с учетом толщины диэлектрика, 2,5 мм, шагом спирали 8 мм. Испытания проводились на частотах 50 Гц и 10 кГц при напряжении 10 кВ и 6 кВ соответственно. Известное устройство охлаждалось воздухом, предлагаемое водой. Температура смеси на выходе в прототипе не превышала 40°С, в предлагаемом устройстве 24°С. Воздух предварительно очищался и осушался до точки росы -60°С. При использовании высокочастотного источника питания проведение сравнительных испытаний было затруднено, так как в известном устройстве невозможно обеспечить охлаждение газоразрядной зоны при удельных энергозатратах более 0,1 Вт/см.
I
Параметр
Прототип
Предлагаемое устройство
Примечания
1
Напряжение, кВ
10
10
2
Частота, Гц
50
50
3
Ток, мА
0,8
1,4
4
Расход рабочего газа, м<sup>3</sup>/с
16·10<sup>-5</sup>
1,6·10<sup>-5</sup>
Осушенный воздух до точки росы -60°С
5
Температура смеси, °С
40
24
6
Расход хладагента, м<sup>3</sup>/с
16·10<sup>-5*</sup>
1,6·10<sup>-5**</sup>
*воздух**вода
7
Удельная производительность, г<sub>O3</sub>·ч/м<sup>3</sup>
20
50
8
Концентрация О<sub>3</sub>, г/м<sup>3</sup>
1,5
10
II
Параметр
Прототип
Предлагаемое устройство
Примечания
1
Напряжение, кВ
6
6
2
Частота, Гц
10<sup>4</sup>
10<sup>4</sup>
Инвертор
3
Расход рабочего газа, м<sup>3</sup>/с
80·10<sup>-5</sup>
5·10<sup>-5</sup>
Осушенный воздух с температурой 20°С
4
Расход хладагента, м<sup>3</sup>/с
80·10<sup>-5</sup>
3,5·10<sup>-5**</sup>
*воздух 10°С**вода 6°С
5
Температура смеси, °С
Выше 90°С
35
Перегрев зоны разряда
6
Концентрация О<sub>3</sub>, г/м<sup>3</sup>
Менее 3
30
Разложение озона
7
Удельная производительность, г<sub>О3</sub>·ч/м<sup>3</sup>
5*
3·10<sup>2</sup>
Нестабильна
Приведенные данные показывают, что эффективность предлагаемого устройства и его производительность даже на низких частотах рабочего напряжения превосходят аналогичные показатели известного устройства в 2.5 и 6 раз соответственно.