ГЕНЕРАТОР ОЗОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА

Решение относится к устройствам для производства озона из кислорода или воздуха и может быть использовано для очистки воды, газовых выбросов, обработки помещений и в медицине.
Одной из важнейших задач, стоящих перед современным обществом, является защита окружающей среды. Ключевой ее составляющей является вопрос водоподготовки и очистки разного рода сточных вод и газовых выбросов от токсичных соединений.
Все более широкое распространение для успешного решения поставленной задачи приобретают технологии с применением озона. Озон является одним их наиболее сильных окислителей, что определяет его привлекательность для применения в различных целях, в первую очередь, для дезинфекции питьевой воды. Исключительно ценным его свойством является экологическая чистота применения - способность разлагаться до кислорода.
Известны различные по конструктивной реализации генераторы озона (патенты №2275324, №2258670, №2263068, №2261837, №2289542, №2301773 и др.). Многочисленные конструкции генераторов озона можно условно разделить на три основные группы.
1. Генераторы озона коаксиальной конструкции, работающие на барьерном разряде (зона разряда находится между двумя керамическими поверхностями).
Существенным недостатком коаксиальных конструкций является технологическая сложность их изготовления и высокая стоимость. Коаксиальные разрядные устройства требуют изготовления трубок из специального кварцевого стекла или керамики, калиброванных как по диаметру, так и по толщине стенок. Нанесение ионизирующих электродов на внутреннюю поверхность трубок - сложный технологический процесс. При этом сборка коаксиального генератора озона требует высокой точности установки как ионизирующих электродов относительно друг друга, что обуславливает необходимость высокой точности изготовления, так и остальных элементов конструкции.
2. Генераторы озона с плоской конструкцией ионизирующих электродов работающие на поверхностном разряде (зона разряда находится между керамикой, диэлектриком и электродом).
Данные устройства обладают существенными эксплуатационными недостатками. В них не соблюдается одно из основных требований к медицинским озонаторам - отсутствие ионизирующих электродов в зоне разряда. Защита ионизирующих электродов значительно усложняет конструкции разрядных устройств этого типа и снижает стабильность их работы. Для генераторов озона, работающих на поверхностном разряде, требуется осушение воздуха при подаче его в зону разряда. Наличие влаги в воздухе резко сокращает срок эксплуатации генератора озона. Для работы генератора озона необходимо наличие герметичного корпуса и эффективной системы теплоотвода, что обуславливает значительное усложнение и удорожание разрядного устройства.
3. Разрядные устройства генераторов озона, работающие на коронном разряде (зона разряда находится между двумя металлическим электродами).
Для данной категории разрядных устройств характерны сложность конструктивной реализации и пониженный срок эксплуатации, что является результатом эрозии высоковольтного электрода. Подобные устройства требуют периодической замены высоковольтного ионизирующего электрода.
Общим существенным недостатком вышеперечисленных конструкций генераторов озона является нестабильность работы, низкая ремонтопригодность, затруднение в масштабировании и высокая чувствительность к условиям влажности, загрязненности и запыленности воздуха.
Решение вопросов совершенствования озоновых установок любой мощности зависит от разработки и внедрения новых видов разрядных камер, выполненных на основе использования более эффективных типов разряда.
В последнее время большое внимание уделяется скользящему разряду, который обладает рядом уникальных свойств, делающих его весьма перспективным для использования в практике синтеза озона.
Скользящий поверхностный разряд характеризуется особыми свойствами по сравнению с другими типами разрядов, а именно:
1) развитием разряда в тонком приповерхностном слое газа на границе раздела твердого и газообразного диэлектриков;
2) значительной мощностью энерговложения в газ, определяющейся высокими значениями напряжения и тока в разрядной системе;
3) плоской геометрией развития разряда, позволяющей организовать разряд на стенках прямоугольного канала;
4) широким диапазоном рабочих давлений и возможностью инициирования, как в импульсном, так и в частотном режимах.
Скользящие по поверхности диэлектрика разряды представляют собой хорошо распределенный источник ультрафиолетового излучения вследствие высоких значений напряженности электрического поля. С их помощью можно осуществлять энергоподвод в приповерхностную область течения газа.
Воздействие импульсного скользящего поверхностного разряда на поток газа практически мгновенно. Высокие значения напряжения и тока обеспечивали эффективное возбуждение колебательных и электронных степеней свободы молекул.
Толщина плазменного слоя в потоке воздуха составляет около 0,4 мм, что сравнимо с толщиной пограничного слоя на стенке канала. Таким образом, при развитии скользящего поверхностного разряда, основной энерговклад происходит в области пограничного слоя течения.
Характерной особенностью скользящего разряда является эффективное возбуждение электронных уровней молекул, на которое при высоких значениях напряженности электрического поля расходуется (наряду с ионизацией) значительная доля поглощаемой в плазме разряда энергии.
Анализ динамики ударных волн из области скользящего разряда показывает, что данный тип разряда обеспечивает высокоэнергетичное воздействие, как на ламинарный, так и на турбулентный пограничный слой. На основе сравнения экспериментальной и расчетной динамики течения установлено, что доля энергии разряда, трансформирующаяся в тепло за время энергоподвода (~200 нс), увеличивается от 15% до 65%
4
5
12
2
При воздействии на электроды скользящего разряда высоковольтного импульса напряжения с амплитудой 10-10 В и скоростью нарастания ~10 В/с в разрядном промежутке складываются условия, характерные для наносекундного пробоя электрического. Напряженность электрического поля в промежутке может усиливаться до 10 раз на микронеровностях оребренной поверхности электродов и диэлектрика. Период развития разряда становится соизмеримым с периодом протекания элементарных процессов в плазме, что приводит к отклонению от лавинного (таунсендовского) и примерного механизмов.
Специфика скользящего разряда определяется активным взаимодействием плазмы разряда с поверхностью диэлектрика, что отражается на спектральных характеристиках излучения плазмы. Канал скользящего разряда ограничен в пространстве диэлектрической подложкой, поэтому площадь его сечения меньше, а погонное электрическое сопротивление соответственно больше, чем у свободного искрового разряда. Малая индуктивность и относительно большое сопротивление завершенного скользящего разряда обеспечивают высокую мощность энерговыделения в канале разряда, что приводит к образованию плотной высокотемпературной плазмы с большой площадью излучающей поверхности.
Известно устройство [1], содержащее пакет прямоугольных высоковольтных и низковольтных электродов, разделенных прямоугольными диэлектрическими пластинами, причем электроды, предназначенные для подключения к нулевому потенциалу, выполнены плоскими, а электроды, предназначенные для подключения высокого напряжения, выполнены в виде гофрированных пластин, имеющих по краям на гребнях выступы, задающие зазор между электродом и диэлектрической пластиной.
Однако этот генератор озона не снабжен системой теплоотвода как со стороны высоковольтных электродов, так и низковольтных электродов, так как такая конструкция не позволяет сделать это. Недостатком является и способ соединения для подключения электродов высокого и низкого напряжения к источнику питания, так как к каждому электроду припаивается проводник, который другим своим концом припаивается к общей шине. Недостатком также является малая концентрация озона в газоозоновой смеси из-за того, что разряд происходит только на гребнях гофрированного электрода и большая часть газового потока остается не задействованной.
Более близким по устройству является озонатор [2]. В генераторе озона, содержащем разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого стопкой уложены плоские прямоугольные металлические электроды и прямоугольные диэлектрические пластины, служащие электрическими барьерами, электроды уложены так, что нечетные пластины примыкают вплотную к одной боковой стороне камеры, а четные - к другой, а сами боковые стороны являются общими шинами высокого и низкого напряжения соответственно. Противоположные стороны электродов четного и нечетного ряда от общих шин разделены диэлектриками прямоугольного сечения, толщина которых равна толщине плоских электродов, и образуют плотный контакт между собой по порядку: металлическая шина высокого напряжения, плюс металлический электрод, плюс диэлектрик, плюс металлическая шина низкого напряжения. Между электродами помещаются прямоугольные диэлектрические пластины, касаясь своими противоположными ребрами общих металлических шин высокого и низкого напряжения, а две другие выступают за металлические электроды - перекрытие для пробойного напряжения на участке электрод высокого напряжения - диэлектрик - воздушный разрядный промежуток - диэлектрик - электрод низкого напряжения. Нижняя и верхняя стороны разрядной камеры выполнены из диэлектрического материала. Ввод и вывод газа исполнены на передней и задней сторонах камеры из диэлектрического материала, в которых по центру имеется патрубок. В камере между передней стороной с патрубком и входами разрядных промежутков находится входная полость, а между выходами разрядных промежутков и задней стороной с патрубком находится выходная полость, причем объем выходной полости в 2-3 раза больше входной. Во входной полости навстречу потоку газа установлен металлический экран, на который может подаваться высокий отрицательный потенциал. Диэлектрический барьер состоит из двух пластин толщиной 0,1-3 мм и разделенные дистанционными прокладками для образования воздушного промежутка зазором 0,5-2 мм, где возникает тихий электрический разряд. Стороны диэлектрических пластин, которые примыкают к электродам, металлизируются (проводящим слоем, металлической пленкой, графитом) для того, чтобы не возникал электрический разряд между электродом и диэлектриком, образующие контакт между собой. В этом случае электрод и проводящая пленка на диэлектрике будут иметь одинаковый электрический потенциал.
К шинам высокого и низкого напряжения подключается источник питания и одновременно они служат для отвода тепла от электродов. Для этого к общим шинам, являющимся боковыми сторонами камеры, крепятся снаружи разрядной камеры ребристые радиаторы для воздушного охлаждения или радиаторы с водяным охлаждением. Отвод тепла от разрядных промежутков к радиаторам охлаждения осуществляется через электроды с хорошей теплопроводностью и оптимальной толщиной.
К недостаткам известного устройства можно отнести следующее. Система охлаждения водой в технологическом отношении очень сложная. Каждый электрод помимо плоскостей и каналов имеет штуцер ввода и вывода воды, углубления, куда впаяны диэлектрические пластины, что требует безопасной герметизации и наличия развязок от высокого напряжения. Система входных и выходных каналов по числу электродов для
газовых потоков не только усложняет конструкцию, но и способствует понижению концентрации озона за счет прохождения и саморазложения озона по этим узким каналам. Потери озона происходят за счет малых сечений проточек входа и выхода (они равны) газовых потоков по отношению к объемам разрядных промежутков, что не позволяет обеспечить высокую производительность озонатора.
Техническим результатом заявленного решения является возможность синтеза озона с помощью скользящего разряда, повышающего производительность и надежность работы генератора озона.
Указанный технический результат достигается тем, что генератор озона, содержащий разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого уложены плоские электроды высокого и низкого напряжения и диэлектрическая пластина для электрического барьера, которая размещена между электродами высокого и низкого напряжения, и имеются входное и выходное отверстия, а также установленный вне разрядной камеры источник импульсов высокого напряжения, подключенный к электродам, отличающийся тем, что электрод высокого напряжения выполнен в виде оребренной плоской поверхности.
Предпочтительно, ребра электрода высокого напряжения плотно уложены на диэлектрическую пластину, другая сторона которой плотно прилегает к электроду низкого напряжения.
Отвод тепла от электродов предпочтительно осуществлен через каналы, образованные ребрами электрода высокого напряжения и диэлектрической пластиной. Ребра предпочтительно имеют изогнутую форму и между рядами ребер имеется разрыв. Электрод высокого напряжения предпочтительно выполнен в виде оребренной плоской поверхности, имеет ширину 32-120 мм и, соответственно, количество рядов оребрения от 4 до 16.
Разрядная камера может быть выполнена в виде оребренной плоской поверхности.
Разрядная камера, выполненная в виде оребренной плоской поверхности, позволяет осуществлять блочную систему сборки конструкции, что облегчает проведение ремонта и обслуживания на месте эксплуатации, а также позволяет оперативно изменять элементную базу других конструктивных узлов для увеличения конкурентоспособности.
Также оребренная поверхность, электродов в сотни и более раз увеличивает площадь его теплового контакта с окружающей средой, способствуя тем самым усилению интенсивности теплообмена и кардинальному снижению температуры.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен генератор озона перпендикулярно направлению потока газа, а также в нижней части чертежа дается разрез камеры генератора озона в направлении потока газа вдоль оси симметрии, где 1 - разрядная камера, 2 - высоковольтный электрод, 3 - диэлектрик, 4 - низковольтный электрод, 5, 6 - впускное и выпускное отверстия с патрубками, 7 - разрядный промежуток, 8 - герметизирующие прокладки, 9 - источник импульсов высокого напряжения.
На Фиг. 2 представлен график эффективности процесса охлаждения конструкции, и как следствие - термостабилизации процесса генерации озона за счет течения озоно-воздушной смеси по образованным множественным каналам.
На Фиг. 3 показан практический пример импульсного скользящего разряда, где 14-свечение разряда.
Осуществление полезной модели.
В генераторе озона, содержащем разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которой уложены плоские электроды и диэлектрическая пластина для электрического барьера и имеются входное и выходное отверстия. Согласно изобретению электрод высокого напряжения выполнен в виде оребренной поверхности, которая плотно контактирует с диэлектрической пластиной, а другая сторона диэлектрической пластины плотно контактирует с плоским электродом низкого напряжения. Разрядная камера, образованная пластинами высокого и низкого напряжения с расположенной между ними диэлектрической пластиной, выполнена герметичной. Через входное отверстие в разрядную камеру поступает кислородосодержащая газовая смесь, которая протекает по многочисленным каналам, образованным ребрами электрода высокого напряжения и диэлектрической пластиной. Образовавшийся под воздействием импульсного разряда высокого напряжения озон отводится из разрядной камеры через выходное отверстие.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием элементов, конструктивная особенность которых, а именно, выполнение высоковольтного электрода в виде плоской пластины с большим количеством образованных из материала пластины профилированных по определенному закону ребер, плотно прилегающих к диэлектрической пластине, между которыми в разрядном промежутке происходит электрический разряд, который, в свою очередь, способствует добавлению новых свойств газовому потоку, протекающему по сформированным каналам.
Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию "новизна" и по совокупности технических признаков генерации озона может быть отнесена к «скользящему разряду».
Сравнение заявляемого устройства с другими техническими решениями показывает, что предлагаемом устройстве отсутствует сложная система охлаждения и токоподводов упрощена конструкцию генератора озона, снижены его размеры и масса. Все элементы генератора озона собраны из легкодоступных (в технологическом изготовлении) плоских и прямоугольных деталей, от чего повышается надежность и срок службы. Это позволяет сделать вывод о соответствии технологического решения критерию "изобретательский уровень".
Отвод тепла, образовавшегося в разрядной камере 1 (см. Фиг. 1) в процессе генерации озона, обеспечивается собственно поступающей газовой смесью. Согласно результатам исследований на повышение коэффициента теплоотдачи со стороны воздушного потока существенным образом влияет дополнительная турбулизация потока за счет разрушения пограничного слоя. Конструктивно этот эффект достигается образованием разрывов ребер по ходу, придания ребрам изогнутой формы, а также искривления входной кромки ребра для создания микровихрей Тейлора-Гертлера. На эффективность теплоотвода существенным образом влияют геометрические параметры оребрения (коэффициент оребрения такой поверхности достигает φ=11) и скорость течения газовой смеси. Скорость течения газовой смеси через разрядную камеру 1, а, следовательно, и эффективность охлаждения определяется работой эжектора или производительностью компрессора (вентилятора).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Неосушенный воздух подается по патрубку 5 (см. Фиг. 1) в разрядный промежуток 7, образованный между электродом высокого напряжения 2 и диэлектрической пластиной 3. При подаче напряжения от источника импульсов высокого напряжения 9 на электроды высокого напряжения 2 возникает электрический барьерный разряд 14 (см. Фиг. 3) и генерируется озон. Через входное отверстие 6 в разрядную камеру 1 поступает кислородосодержащая газовая смесь, которая протекает по многочисленным каналам, образованным ребрами электрода высокого напряжения 2 и диэлектрической пластиной 3. Образовавшийся под воздействием импульсного разряда 14 высокого напряжения озон отводится из разрядной камеры 1 через выходное отверстие 7 под действием источника перепада давления (эжектор или вентилятор) потребителю. Электрический разряд возникает между полюсами, образованными ребрами электрода высокого напряжения 2, плотно контактирующими с диэлектрической пластиной 3, и электродом низкого напряжения 4, плотно прижатым к диэлектрической пластине с противоположной стороны. Разряд 14 такого типа описан в [3, 6, 7, 8] и классифицируется как скользящий разряд. Пластины диэлектрика 3 разделены герметизирующими дистанционными прокладками 8 для образования воздушного промежутка зазором, где и возникает тихий электрический разряд вокруг ребра электрода высокого напряжения и при соответствующем напряжении образуется ровное свечение, равномерно прижатое к поверхности. Кроме того, образовываются, так называемые, «тройные точки» (электрод-газ-твердый диэлектрик), наличие которых облегчает инициирование разряда. Очевидно, что чем больше ионизированных атомов кислорода, тем больше и быстрее идут реакции образования озона из газового потока. За счет реакции и электрического разряда между барьерами температура газа повышается. Поэтому образовавшийся озон необходимо быстро удалить, чтобы не произошел обратный процесс его образованию. Таким образом, благодаря простой конструкции разрядной камеры внутри и на выходе разрядных промежутков резко уменьшается саморазложение озона. Выбор материала для электродов, когда разряд проходит между диэлектрическими пластинами, не критичен. Толщина этих электродов подбирается с расчетом так, чтобы отвести тепло от разрядного промежутка.
Здесь подойдут металлы с хорошей теплопроводностью: алюминий и его сплавы, нержавеющая сталь и др.
Подбором числа электродов и площади разряда можно менять производительность генератора озона.
∈
1
1
0
0
В качестве диэлектрических пластин (барьеров) можно применять обычное стекло с диэлектрической проницаемостью ∈=б-9, керамику с ∈>10 [4, 5]. Величина диэлектрической постоянной е влияет на электрическое поле Ε (размерность В/м) вблизи диэлектрической пластины, т.е. электрическое поле зависит от отношения /∈где: ∈ - диэлектрическая проницаемость воздуха, а ∈ - диэлектрическая проницаемость пластины (барьера). Если электрическое поле между электродами E=U/d, где U - напряжение на электродах (В), d - величина зазора между электродами (м), то при ∈>10 электрическое поле в воздушном промежутке Е≈2Е [4], т.е. величина диэлектрической постоянной влияет на потребляемую мощность генератора озона.
Сравнительные испытания генераторов озона заявляемой и коаксиальной конструкций подтвердили эффективность генератора озона, в котором в качестве высоковольтного используется электрод, выполненный в виде оребренной поверхности. На Фиг. 2 отражена зависимость коэффициента теплоотдачи от массового расхода воздуха, что видно на кривых графика, где кривая 10 - многоканальная трубка с оребрением без смещения, кривые 11, 12, 13 отражают оребрение со смещением 40, 51, 70 мм соответственно.
В Таблице 1 показаны экспериментальные данные по сравнению разных типов разряда.
2
Высоковольтный электрод генератора озона коаксиального типа имеет длину 200 мм внутренний диаметр 23 мм. Площадь - 14444 мм.
2
2
3
3
Высоковольтный электрод генератора озона, выполненный в виде оребренной поверхности, имеет прямоугольную форму размером 70×300 мм. Площадь - 21000 мм. В сравнительных испытаниях (см. практический пример испытаний на Фиг. 3) использовался один источник импульсов высокого напряжения мощностью 6.0 Квт. Производительность генератора озона коаксиального типа - 1000 мгО/час. Выход озона с единицы поверхности - 0,069 мгО/мм. Производительность генератора озона, высоковольтный электрод которого выполнен в виде оребренной поверхности - 2730 10
3
мгО/час.
3
2
Выход озона с единицы поверхности составил 0,13 мгО/мм.
Вывод: удельная производительность генератора озона, высоковольтный электрод которого выполнен в виде оребренной поверхности, в 1,89 раза выше, чем удельная производительность генератора озона коаксиального типа.
Источники информации
1. Патент, Россия 19. RU. (11) 94035978/26 (13) А1, МКИ (51) 6 С01В 13/11.
2. Патент, Россия 19. RU. (11)2061651 (13) А1, МКИ(51) 6 С01В 13/11, прототип.
3. Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В.И. Пантелеев "Электросинтез озона", Изд-во Московского университета, 1987.
4. Б.М. Тарасов "Физика диэлектрических материалов", М., Энергоиздат, 1982.
5. И.С. Роз, Ю.М. Поплавко, "Диэлектрики", М., "Радио и связь", 1989.
б. В.В Лунин М.П. Попович С.Н. Ткаченко «Физическая химия озона» М: Из-во МГУ 1998 г. 448 с
7. Григорьев А.Н. Павленко А.В Ильин А В. «Электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика. Ч. 1. Особенности развития и существования поверхностного разряда» Известия Томский политехнический университет №1 том 309/2006
8. Латфуллин Д.Ф. Автореферат «Импульсный скользящий поверхностный разряд в газодинамическом потоке МГУ. 2009 г