устройство для электросинтеза озона

Формула изобретения

Устройство для электросинтеза озона, содержащее электрическую цепь, которая включает источник электрического напряжения, конденсатор и разрядные электроды, размещенные в разрядной камере с регулируемым воздухообменом, отличающееся тем, что в электрической цепи использован по меньшей мере один пьезоэлемент, изготовленный из сегнетожесткой пьезокерамики типа ЦТС-23 или пьезокерамики средней сегнетожесткости типа ЦТБС-3, выполняющий совместно функции источника электрического напряжения и конденсатора, при этом пьезоэлемент снабжен средством для создания в нем переменного во времени механического напряжения, а его обкладки подключены к электродам разрядного промежутка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для получения озона преимущественно низких концентраций и может быть использовано для озонообработки различных сред и предметов как в стационарных, так и в полевых условиях.

В настоящее время наблюдается устойчивый интерес к практическому применению озона в качестве высокоэффективного дезинфицирующего агента, в связи с чем активно разрабатываются различные конструкции озоногенераторов от мощных установок с высокой производительностью озона [например, ж. "Электротехника", 1993 г., N 7-12, стр. 63-65] до компактных малогабаритных устройств, предназначенных для получения озона в низких концентрациях [например, а.с. СССР N 1673503, С 01 В 13/11, опубл. 1991 г.]

Большинство известных в настоящее время устройств для получения озона методом электросинтеза из кислорода или воздуха предполагает использование высоковольтных источников электрического напряжения, что обусловливает высокое энергопотребление при работе озонаторов.

Известен ряд технических решений, направленных на снижение энергопотребления при электросинтезе озона.

Так, например, известно устройство для получения озона [а.с. СССР N 1724566, С 01 В 13/11, опубл. 1992 г.], выбранное авторами за прототип.

Данное устройство содержит электрическую цепь, включающую в качестве источника электрического напряжения низковольтный высокочастотный генератор, а также искусственную длинную линию, цилиндрический конденсатор и разрядные электроды. Разрядные электроды в виде игл или проволочных щеток размещены в разрядной камере с принудительным воздухообменом, которая конструктивно организована в зазоре между обкладками цилиндрического конденсатора.

В рассматриваемом озонаторе достигается снижение уровня энергопотребления за счет того, что при выбранных расчетным путем параметрах электрической цепи на обкладках конденсатора формируется разрядное напряжение, величина которого во много раз превышает величину напряжения питающего низковольтного генератора. Тем не менее для работы устройства необходим подвод электрической энергии от внешнего источника питания.

Задачей заявляемого изобретения является создание высокоэкономичного озонатора, не требующего применения внешнего источника электрического питания.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для электросинтеза озона, содержащем электрическую цепь, которая включает источник электрического напряжения, конденсатор и разрядные электроды, размещенные в разрядной камере с регулируемым воздухообменом, согласно изобретению в электрической цепи использован по меньшей мере один пьезоэлемент, изготовленный из сегнетожесткой пьезокерамики типа ЦТС-23 или пьезокерамики средней жесткости типа ЦТБС-З, выполняющий совместно функции источника электрического напряжения и конденсатора, при этом пьезоэлемент снабжен средством для создания в нем переменного во времени механического напряжения, а его обсадки подключены к электродам разрядного промежутка.

Реализация указанных функций достигается за счет использования пьезоэлектрических и диэлектрических (емкостных) свойств, выбранных для изготовления пьезоэлемента материалов, которые проявляются при включении в электрическую цепь озонатора пьезоэлемента и создании в нем механического напряжения.

Эквивалентная электрическая схема пьезоэлемента в режиме прямого пьезоэффекта представляет собой параллельно включенные конденсатор и высокое омическое сопротивление. При этом для инициирования разряда между разрядными электродами и поддержания последовательности разрядов, обеспечивающих устойчивый синтез озона, необходимо создавать в пьезоэлементе не статическое, а переменное во времени механическое напряжение.

В предлагаемом устройстве может быть использован один пьезоэлемент или несколько параллельно включенных пьезоэлементов. Для изготовления пьезоэлементов необходимо использовать сегнетожесткую пьезокерамику типа ЦТС-23 или пьезокерамику средней сегнетожесткости типа ЦТБС-3. Данные материалы обладают пьезоэлектрическими, а также высокими диэлектрическими свойствами, благодаря чему пьезоэлемент в цепи озонатора является источником электрического напряжения (генератором электрических зарядов), емкостные свойства которого, определяющие время протекания разряда в цепи озонатора, обеспечивают устойчивый синтез озона.

Переменное во времени механическое напряжение может быть создано в пьезоэлементе посредством оказания на него какого-либо деформирующего воздействия, например циклически изменяющегося давления, вызывающего упругое сжатие - растяжение пьезоэлемента.

Вызываемое в пьезоэлементе механическое напряжение может быть увеличено в сотни и тысячи раз при передаче на пьезоэлемент деформирующего воздействия с использованием известных схем трансформации механических напряжений [например, см. "Источники мощного ультразвука", под ред. Л.Д. Розенберга, Наука, М., 1967 г., стр. 349-354].

Величина прикладываемой к пьезоэлементу силы и частота повторения силового воздействия должны обеспечивать в конечном итоге требуемую величину разрядного напряжения и последовательность электрических разрядов для устойчивого синтеза озона.

В свою очередь величина разрядного напряжения на электродах определяется совокупностью параметров, которая включает пьезо- и диэлектрические характеристики материала пьезоэлемента (величина пьезомодуля в направлении деформации, диэлектрическая проницаемость), геометрическую форму пьезоэлемента и его размеры, а также параметры других элементов электрической цепи, обеспечивающей работу озоногенератора. Включение в электрическую цепь указанных выше элементов с выбранными расчетным путем параметрами обеспечивает желаемое напряжение на разрядных электродах и производительность заявляемого устройства для электросинтеза озона в требуемых для конкретной сферы применения концентрациях.

Таким образом, за счет использования в заявляемом устройстве пьезоэлемента в качестве источника электрического напряжения и конденсатора отпадает необходимость в применении внешнего источника электропитания, что обусловливает высокую экономичность устройства и его работу в автономном режиме как в стационарных, так и полевых условиях.

Большим преимуществом устройства является то, что его работа практически не сопровождается разогревом элементов конструкции, поскольку в устройстве не используются элементы, нагревающиеся при прохождении через них электрического тока. Кроме того, для изготовления пьезоэлементов из указанных выше сегнетоэлектриков выбираются материалы со сравнительно малой величиной тангенса угла диэлектрических потерь.

Достоинствами заявляемого устройства являются также его малые габариты и простота.

На чертеже представлен общий вид устройства для электросинтеза озона в одном из возможных вариантов его исполнения.

Устройство для электросинтеза озона содержит электрическую цепь, включающую разрядные электроды 1, 2, соединенные с двумя параллельно включенными пьезоэлементами 3. Пьезоэлементы размещены в пазу 4, организованном в массивном основании 5 устройства. На основание 5 плотно посажена крышка 6, в боковых стенках которой имеются каналы 7, 8 для входа и выхода газовой среды. Полость 9, образованная крышкой 6 и основанием 5, служит разрядной камерой, в которой размещены электроды 1 и 2 с образованием разрядного промежутка между ними. Пьезоэлементы 3 вмонтированы в половину паза 4 между стенкой основания 5 и стержнем 10 малого сечения, выполненном за одно целое с основанием 5. Стержень 10 противоположной стороны поджат упругим элементом 11. Основание 5 с пазом 4 и стержень 10 с крышкой 6 образуют двухзвенный механический трансформатор давления, служащий для увеличения механического напряжения, создаваемого в пьезоэлементах 3.

Пьезоэлементы 3 выполнены из сегнетокерамики ЦТС-23, основание 5 со стержнем 10, крышка 6, упругий элемент 11 выполнены из стали.

Устройство работает следующим образом.

В пьезоэлементах 3 создают переменное во времени механическое напряжение путем надавливания на крышку 6 рукой или с помощью механического устройства (на чертеже не показано) и последующего снятия давления. Давление P₁, приложенное к крышке 6 на участке с площадью S₁, усиливается с помощью двухзвенного трансформатора давления и достигает значения

P₂ = P₁ K₁ K₂,

причем

K₁ = S₁:S₂, а К₂ ~ S₃:S₂ Т,

где S₂ - площадь поперечного сечения стержня 10,

S₃ - площадь сечения пьезоэлемента 3 в направлении, перпендикулярном действующему в пазу 4 механическому напряжению Т.

В результате деформирующего воздействия на обкладках пьезоэлементов 3 возникает напряжение U, величина которого определяется величиной приложенного к пьезоэлементам 3 давления P₂, а также пьезо- и диэлектрическими свойствами материала и геометрическими параметрами пьезоэлементов 3. При достижении величины напряжения U, равной величине напряжения разряда на электродах 1, 2, в разрядном промежутке возникает электрический разряд, за счет энергии которого осуществляется синтез озона из кислорода. Для получения озона может использоваться чистый кислород или воздух, которые подаются через канал 7 в полость 9. Синтезированный в разрядном промежутке озон вместе с выходящим из канала 8 газом направляется на объект обработки.

В рассматриваемом устройстве при значении коэффициента трансформации механических напряжений порядка 800 приложенное к крышке 6 давление 50 кг обеспечивает на разрядных электродах 1, 2 напряжение величиной порядка 7 кВ.

При объеме камеры 9, равном 2 см³, концентрация озона составляет не менее 0,007 мг/м³. В области разрядного промежутка концентрация озона составляет ~ 0,035 мг/м³.