озоногенерирующий узел

Формула изобретения

1. ОЗОНОГЕНЕРИРУЮЩИЙ УЗЕЛ озонаторной установки, поста или станции, включающий коаксиальные внутренний высоковольтный и внешний низковольтный электроды с полостями для подвода и отвода потока воды, электроизолирующую ампулу между электродами, выполненную разборной сверху и заглушенной снизу и установленную с фиксированным зазором по отношению к низковольтному электроду для потока кислорода, воздуха или других кислородсодержащих газовых смесей, отличающийся тем, что он снабжен электрическими дросселями, выполненными в виде электроизоляционных змеевиков, заполненных водой, высоковольтный электрод выполнен составным из верхней неэлектропроводящей трубки и нижней электропроводящей, состыкованных на уровне верхнего края низковольтного электрода, причем электропроводящая трубка из ампулы выполнена с полостью для прохода воды, причем место подачи электрического потенциала к высоковольтному электроду расположено на уровне или ниже уровня верхнего края низковольтного электрода, нижний заглушенный конец ампулы расположен на уровне или выше уровня нижнего края низковольтного электрода, место подвода потока воды из высоковольтного электрода в ампулу расположено в нижней части узла выше нижнего заглушенного конца ампулы, место вывода потока воды из ампулы расположено в верхней части узла на уровне подачи электрического потенциала, высоковольтный электрод выполнен фиксированным по оси ампулы в верхней части узла с помощью крышки с отверстиями для установки неэлектропроводящей части высоковольтного электрода, неэлектропроводящей трубки с электропроводником к высоковольтному электроду и трубки вывода потока воды, причем крышка расположена выше места подачи потенциала и образует полость над потоком воды в ампуле и в нижней части узла с помощью кольца с отверстиями для пропускания потока воды, а величину зазора для потока кислорода, воздуха или других кислородсодержащих газов фиксируют каплевидными выступами из материала на основе теплостойких кремнийорганических клеев на внешней поверхности ампулы, расположенными на противоположных сторонах с шагом по длине и поворотом относительно оси.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что нижний заглушенный конец ампулы расположен ниже уровня нижнего края низковольтного электрода и свободное пространство заглушенного конца ампулы до уровня или выше уровня нижнего края низковольтного электрода заполнено материалом на основе теплостойких кремнийорганических клеев.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химическому машиностроению, в частности к озоногенераторостроению, основанному на синтезе озоно-кислородных, озоно-воздушных и других озоновых газовых смесей посредством барьерного (тихого) электрического разряда.

Конструкция прототипа содержит водоохлаждаемый наружный низковольтный электрод, внутри которого коаксиально располагается стеклянная ампула, заглушенная с одного конца и открытая с другого конца, служащего для ввода токоподводящего устройства, являющегося неохлаждаемым внутренним высоковольтным электродом, который в свою очередь, состоит из токопроводящего слоя на внутренней поверхности ампулы, пучков проволочных щеток и удерживающей их трубки с отверстиями и с внутренним металлическим стержнем, относительно перемещение которых может вводить в контакт и выводить из контакта щетки и токопроводящий слой без его повреждения.

Конструкция прототипа имеет ряд недостатков, которые состоят в следующем.

Внутренний высоковольтный электрод озоногенератора "Озон-10" выполнен так, что токоподвод осуществляется при недостаточно интенсивном теплоотводе. Тем самым, вся теплопроизводительность для охлаждения озонируемой газовой смеси передается внешнему низковольтному электроду, имеющему для этого ограниченные физические возможности, хотя он и является водоохлаждаемым. Предпочтительно иметь оба электрода водоохлаждаемыми.

Внутренний высоковольтный электрод в прототипе для равномерного распределения потенциала по всему барьеру и газовому зазору выполнен в виде металлизированного слоя. Этот слой не может быть достаточно толстым из-за приобретаемой с увеличением толщины жесткости, приводящей к разрушению стеклянной ампулы при изменении температуры. Тонкий же слой с неизбежностью ощутимо повреждается при установке токоподводящего устройства, и нарушается равномерность распределения потенциала по поверхности электрода, барьера и зазора. Кроме того, токоподводящее устройство в прототипе сложное, материалоемкое и требует многих предосторожностей при установке.

Стеклянная ампула в конструкции прототипа вынуждена быть толстостенной для достаточной жесткости из-за необходимости выдерживать постоянство зазора ("выставлять зазор"). Все это влечет за собой подачу избыточного высокого напряжения. Материалоемкое токоподводящее устройство требует тщательной электроизоляции за пределами разряда из-за возможности коронного, дугового или искрового разрядов. Контакт материала ампулы (стекло) и металлизированного слоя сопровождается в условиях эксплуатации взаимной гетеродиффузией, приводящей к снижению электрической прочности диэлектрика и его пробою. Это явление особенно возможно из-за недостаточного местного теплоотвода, толстостенности трубки и неравномерности теплоотвода.

Озоногенерирующий узел в прототипе имеет сложную конструкцию, которая не оправдывается достигаемой надежностью в работе, так как охлаждение электродов, барьера и газа в зазоре недостаточное. Недостаточное охлаждение не только cказывается на снижении озонопроизво- дительности, но также сказывается на сроке службы гетерогенизированного (гетероструктурного) материала, каким является стекло с нанесенным на него металлизированным покрытием. Взаимная гетеродиффузия нарушает изолирующие (диэлектрические) свойства стекла и проводящие свойства металлизированного покрытия. Этому способствует перегрев и неравномерность распределения электрических и тепловых потоков. Деградационные явления в материалах озоногенерирующего узла прототипа проявляются в ходе эксплуатации и при наступающих аварийных разрушениях. Так, неравномерности токоподвода и теплоотвода, приводящие к локальным и необратимым электрическим и тепловым пробоям, выражаются в образовании разного рода свечений (стримеры", "короны", "дуги" и т.п.), свидетельствующих об энергоотдаче, помимо озоносинтеза в барьерном разряде, на дополнительные непроизводительные разряды (тлеющий, дуговой и т.п.). Как следствие, происходят все более усиливающиеся термические явления, меняющие химические и структурные характеристики барьера и внутреннего высоковольтного электрода вплоть до потери возможности выполнять рабочие функции.

Наиболее характерными выходами из строя озоногенераторов являются аварийные поломки стеклянных трубок с металлизированными покрытиями, которые являются дорогими и дефицитными из-за технологических сложностей их изготовления и большой потребности в них из-за быстрого выхода из строя.

Изобретение решает проблему упрощения конструкции и технологии изготовления озоногенерирующего узла, исключает использование гетерогенизированных материалов (типа: анодно-пассивированный алюминиевый сплав, стеклоэмалированная сталь, металлизированное стекло) и существенно повышает равномерность токоподвода и интенсивность и равномерность теплоотвода. Кроме того, в упрощенной конструкции озоногенерирующего узла рационализирована зона барьерного разряда и исключены условия зажигания других разрядов, снижающих надежность и коэффициент полезного действия.

Заглушенный конец ампулы в прототипе является потенциальным местом-источником термомеханического разрушения, так как он имеет механические напряжения и находится в поле термических градиентов. Расположение заглушенного конца ампулы в зоне разряда и интенсивного охлаждения или за пределами этой зоны, как показывает практика, в равной мере приводит к преждевременному выходу из строя всей ампулы.

Под надежностью в случае озоногенерирующего узла следует понимать, прежде всего, ресурс безотказной работы. В связи с использованием в простой конструкции озоногенерирующего узла простых (не гетерогенизированных), но достаточно механически, термически и химически стойких материалов, и достаточно надежных электротехнических устройств, обеспечивающих барьерный разряд, ресурс эксплуатации должен быть определен на уровне 10⁴ ч.

Как показали стендовые испытания и эксплуатация на озонаторных станциях, изобретение позволяет создавать и использовать озоногенерирующие узлы с таким ресурсом.

В изобретении озоногенерирующий узел имеет ряд традиционных технических решений, которые имеются в прототипе.

Это коаксиально (концентрически) расположенные друг в друге водоохлаждаемые электроды: внутренний высоковольтный электрод и внешний низковольтный электрод. Между электродами располагается электроизолирующая ампула. Зазор между внешним низковольтным электродом и электроизолирующей ампулой предназначен для пропускания кислородсодержащей газовой смеси, подлежащей электрообогащению по озону. Внешний низковольтный электрод является корпусом озоногенерирующего узла.

Если в прототипе внутренний высоковольтный электрод граничит с внутренней поверхностью электроизолирующей ампулы (контакт "внутренний высоковольтный электрод внутренняя поверхность электроизолирующей ампулы"), то по изобретению этот контакт, деградирующий в ходе эксплуатации прототипа, заменен на два более стабильных контакта, а именно, на контакт "внутренний высоковольтный электрод вода" и контакт "вода внутренняя поверхность электроизолирующей ампулы". Для этого внутренний высоковольтный электрод упрощен и выполнен полым, предусматривающим пропускание потока воды, который после выхода пропускается по полости между внутренним высоковольтным электродом и внутренней поверхностью электроизолирующей ампулы. Практически использовалась электроизолирующая ампула (не трубка), разборная сверху для размещения внутреннего высоковольтного электрода (с потоком воды внутри него) и для размещения сливной трубки (с потоком воды из ампулы), и заглушенная снизу. В результате внутренний высоковольтный электрод по изобретению выполняется как охлаждаемый потоком воды. Потоки воды во внешнем низковольтном электроде должны быть направлены в одну сторону, а именно, снизу вверх, причем в противоположном направлении потоку кислородсодержащей газовой смеси, направляемом сверху вниз. Кроме того, потенциалы потоков воды в низковольтном электроде и в высоковольтном электроде и сливе должны быть разделены электрическими дросселями в виде потоков воды в диэлектрических змеевиках. Простота конструкции электродов и их общего охлаждения внутренним потоком воды в изобретении имеет положительное следствие, состоящее не только в осуществляемом интенсивном отводе тепла и стабилизации температуры в зоне электросинтеза озона, но и в выравнивании токоподвода и теплоотвода по этой зоне, обеспечивая режим барьерного разряда без зажигания дополнительных непроизводительных разрядов на участках повышенной плотности тока или повышенной температуры.

Для фиксирования зоны электросинтеза озона важно точное расположение электродов относительно друг друга по высоте и по оси (центрам). Это достигается с помощью выполнения следующих условий:

место подачи потенциала к высоковольтному электроду располагается на уровне края или ниже уровня верхнего края низковольтного электрода;

нижний конец ампулы находится на уровне нижнего края низковольтного электрода или выше нижнего края низковольтного электрода;

место подвода потока воды из высоковольтного электрода в ампулу располагается в нижней части узла выше нижнего края низковольтного электрода;

место вывода потока воды из ампулы располагается в верхней части узла на уровне подачи потенциала.

Высоковольтный электрод устанавливается по оси ампулы в верхней части с помощью крышки с отверстиями, причем крышка располагается выше места подачи потенциала, и в нижней части с помощью диэлектрического кольца с отверстиями для протока воды (без препятствия равномерному токоподводу и выравниванию температуры для внутреннего высоковольтного электрода).

Высоковольтный электрод для рационального фиксирования зоны электросинтеза озона делается составным и состоит из верхней неэлектропроводящей трубки (надставки) и нижней электропроводящей трубки (собственно электрод), причем место стыка трубок должно располагаться на уровне верхнего края низковольтного электрода.

Образующая воздушная полость в ампуле под крышкой играет демпфирующую роль при термомеханических нагрузках и обеспечивает надежность узла.

Величина зазора для потока кислородсодержащей газовой смеси, также фиксирующая зону электросинтеза озона, поддерживается равномерной на участке между верхним и нижним краями электродов с помощью каплевидных выступов на внешней поверхности ампулы.

Каплевидные выступы предлагаются как конструктивный элемент в связи с технологической простотой их создания и воспроизводимостью формы и размера (каплеобразование является естественным способом дозирования жидкостей и геометрии лежачей капли однозначно определяется смачиванием). Распределение выступов должно быть равномерным по поверхности ампулы. Количество выступов должно быть достаточным, но не избыточным, например, выступы могут быть расположены парами на противоположных сторонах с заданным шагом вдоль оси и поворотом относительно оси при каждом шаге. Практически это осуществляется разметкой рабочей длины ампулы на нечетное число частей (шагов, соизмеримых с диаметром ампулы) и нанесением поочередно капель парами с противоположных сторон и поворотом места нанесения следующей пары на угол 90^о через шаг. Упругопластические характеристики материала выступов и материала ампулы при таком расположении обеспечивали требуемое "выставление зазора", беспрепятственную сборку-разборку озоногенерирую- щего узла и термомеханическую стойкость ампулы в рабочем положении.

Повышение надежности (увеличение ресурса безотказной эксплуатации) озоногенерирующего узла достигалось также простым в исполнении конструктивным добавлением. Так, достаточно в заглушенном конце ампулы свободное пространство ниже уровня нижнего края низковольтного электрода заполнить материалом, согласованным по термомеханическим характеристикам с материалом ампулы. Тем самым потенциально аварийная часть ампулы, находящаяся вне зоны электросинтеза озона, делается неучаствующей в основных функциях озоногенерирующего узла и не подвергается полным рабочим нагрузкам, чем продлевается срок службы всей ампулы.

Изобретение поясняется чертежом.

Предлагаемая конструкция озоногенерирующего узла содержит внешний низковольтный электрод 1 (полый, предусматривающий охлаждение потоком воды снизу вверх, встречное потоку газа), внутренний высоковольтный электрод 2 (полый и составной, имеющий вид трубки, предусматривающий электроизолирующую трубчатую надставку и пропускание внутри потока воды сверху вниз, попутное потоку газа), электроизолирующую ампулу 3, заглушенную снизу и открытую сверху, предусматривающую зазор с внешним низковольтным электродом 1 для пропускания сверху вниз потока кислородсодержащей газовой смеси и зазор с внутренним высоковольтным электродом 2 для пропускания снизу вверх охлаждающего и выравнивающего электрический потенциал потока воды, каплевидные выступы 4 на внешней поверхности электроизолирующей ампулы 3 для ее фиксированного осевого (центрированного) положения внутри внешнего низковольтного электрода 1, сливную трубку 5 для вывода потока воды из внутренней полости ампулы 3, трубчатую электроизолирующую надставку 6 внутреннего высоковольтного электрода 2, токоподвод 7 к внутреннему высоковольтному электроду 2, электроизолирующую трубку 8 для токоподвода 7 к внутреннему высоковольтному электроду 2, крышку 9 от ампулы 3 с отверстиями для трубок 5, 6 и 8 и электроизолирующую шайбу 10, фиксирующую по оси (центрирующую) внутренний высоковольтный электрод 2, внутри ампулы 3, имеющая отверстия для потоков воды.

На чертеже стрелками показаны потоки кислородсодержащей газовой смеси и потоки воды при работе озоногенерирующего узла.

Сборка озоногенерирующего узла производится в следующем порядке.

Электрод 2 и его надставка 6 собираются в общую трубку. К электроду 2 присоединяется токоподвод 7. На токоподвод 7 надевается трубка 8. Электрод 2 с надставкой 6, сливная трубка 5 и токоподвод 7 с трубкой 8 собираются в отверстия крышки 9. На электрод 2 надевается шайба 10.

При необходимости заглушенный конец ампулы заполняется материалом, термомеханически согласованным с материалом ампулы.

Внутренний высоковольтный электрод (в сборе) вставляется в ампулу 3. При этом открытая сверху ампула 3 закрывается крышкой 9. Контролируется совпадение уровня концов трубок 5, 6 и 8 и расстояние между дном ампулы и нижним краем электрода 2.

На внешнюю поверхность ампулы 3 наносятся каплевидные выступы.

Ампула 3 (в сборе) вставляется во внешний низковольтный электрод 1. Контролируется совпадение уровней концов трубок 5, 6 и 8 с уровнем верхнего края внешнего низковольтного электрода 1 и нижних уровней ампулы 3 и внешнего низковольтного электрода 1.

Разборка озоногенерирующего узла осуществляется в обратном порядке.

Озоногенерирующий узел заполняется водой, начиная с полости внешнего низковольтного электрода 1. Впускной патрубок (внизу) и выпускной патрубок (вверху) относительным расположением исключают образование воздушной полости. Далее через электрический дроссель 11 в виде электроизолирующей и заполненной водой трубки большой длины вода поступает в полость внутреннего высоковольтного электрода 2, оттуда в полость ампулы 3 и через сливную трубку 5 и электрический дроссель 12 (аналогичный электрическому дросселю 11) в канализацию.

При этом в верхней части ампулы 3 под крышкой 9 образуется воздушная полость с нижним уровнем на уровне нижних концов трубок 5, 6 и 8 и верхнего края внешнего низковольтного электрода. Эта воздушная полость, как показали стендовые испытания и эксплуатационные наблюдения на озонаторных станциях, успешно выполняет демпфирующие функции при пуске, работе и выключении озоногенерирующего узла.

Запуск и нормальное функционирование водообеспечения разблокирует подачу электропитания на электроды. Нарушение водообеспечения блокирует электропитание.

В озоногенерирующем узле предусмотрены сборно-разборные сливные отверстия.

Реализация конструкции озоногенерирующего узла определяется целесообразным выбором материалов, удовлетворяющих физико-химическим требованиям, а также дешевых и недефицитных. Именно такие материалы используются при реализации изобретения.

Внешний низковольтный электрод, являющийся одновременно корпусом озоногенерирующего узла, изготавливается из листов нержавеющей стали 12Х18Н100Т (по ГОСТ 5632-72) с использованием аргонодуговой сварки (по ГОСТ 14771-76). В качестве внутреннего высоковольтного электрода используются трубки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (по ГОСТ 9941-81).

Для изготовления электроизолирующей ампулы годится стекло различных марок, например, бородоломитовое БД-1 (термический коэффициент линейного расширения 93 10^-7 град^-1) или боросиликатное ЭС-5 и С-49-2 (48 10^-7 50 10^-7 град^-1), выпускаемое в виде труб и ампул различного диаметра с толщиной стенок (0,7-1,2) 0,2 мм (по ТУ РСФСР 560-77). Для этой цели возможно использовать колбы электролюминесцентных ламп ЛБ 40-С (ТУ 16-88 ИФМР; 675.512.001 ТУ).

Пробки, центрирующие кольца и электроизолирующие трубки, изготавливаются из различных пластмасс и полимеров, например, паронит (по ГОСТ 48Й-80) и полиамид (капролон) (по ТУ 6-05-988-83). Используются также электроизолирующие пластины и прокладки из ТОСП 3 и ТОСП 10 (по ГОСТ 17 622-72).

Электрические дроссели и другие коммуникации водообеспечения изготавливаются из поливинилхлоридных трубок ПМ-1/42 (по ТУ 64-2-286-79) или фторопластовых трубок Ф-4Д (по МРТУ 6-05-822-69).

Для соединения деталей и для формирования каплевидных выступов используются составы на основе теплостойких кремнийорганических клеев, например, К-400 или К-300-61.

Озоногенерирующий узел, изготавливаемый в соответствии с изобретением, в стендовых испытаниях и при эксплуатации в составе озонаторных установок, постов или станций продемонстрировал преимущества в связи с его конструкторской простотой (и простотой технологии изготовления) и большим ресурсом работы. Малым предприятием "Экоинформсистема" и Малым научно-внедренческим предприятием "Озонит" на основе изобретенного озоногенерирующего узла был создан типовой ряд озонаторных установок в моноблочном исполнении с различным числом параллельно включаемых озоногенерирующих узлов (3, 7, 42 и 238 озоногенерирующих узлов), благодаря чему обеспечивается различная озонопроизводительность в широком интервале.

Табл. 1 и 2 иллюстрируют технические и эксплуатационные характеристики типового ряда отечественных высокочастотных озоногенераторов в моноблочном исполнении, использующих изобретение, а именно, простые и надежные озоногенерирующие узлы.