способ синтеза озона и устройство для его реализации
| Классы МПК: | C01B13/11 с помощью электрического разряда |
| Автор(ы): | Мынка А.А., Поляков Н.П. |
| Патентообладатель(и): | ООО НПК "Прогрессивные технологии" |
| Приоритеты: |
подача заявки:
2001-06-14 публикация патента:
27.12.2003 |
Способ и устройство относятся к области озонирования воздуха и могут быть использованы для очистки воздуха от вредных газов и микроорганизмов, а также для водоочистки и водоподготовки. Способ синтеза озона в объемном электрическом разряде заключается в том, что в электродной системе формируют электрическое поле длительностью не более 500
10-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 1013 В/мс. Устройство синтеза озона содержит корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания. Отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e, где r - наружный радиус внутреннего электрода, R - внутренний радиус внешнего электрода, е - основание натурального логарифма. Данные способ и устройство отличаются повышенной надежностью, снижением энергозатрат, исключением воздухоподготовки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
10-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 1013 В/мс. Устройство синтеза озона содержит корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания. Отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e, где r - наружный радиус внутреннего электрода, R - внутренний радиус внешнего электрода, е - основание натурального логарифма. Данные способ и устройство отличаются повышенной надежностью, снижением энергозатрат, исключением воздухоподготовки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.
Формула изобретения
1. Способ синтеза озона в объемном электрическом разряде, отличающийся тем, что в электродной системе формируется электрическое поле длительностью не более 500·10-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 2·1013 В/м·с.2. Устройство синтеза озона, содержащее корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания, отличающиеся тем, что отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенствомr<R/e,Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области озонирования воздуха и может быть использовано для очистки воздуха от вредных газов и микроорганизмов, а также для водоочистки и водоподготовки. Известен способ синтеза озона (см. Ю.В.Филиппов и др. Электросинтез озона. Изд-во МГУ, 1987 г., стр. 21) в коронном разряде постоянного и переменного тока. Во всех случаях коронного разряда наблюдается зависимость образования озона от материала электродов, а также от времени работы озонатора, что объясняется коррозией и распылением металлических электродов. Известно устройство для озонирования воздуха (см. а.с. СССР 1543193, кл. F 24 F 3/16, С 01 В 13/11, опубликовано 15.02.1990 г., Бюл. 6), содержащее расположенную в воздуховоде озонирующую камеру с игольчатыми электродами, подключенными к источнику высокого напряжения и направленными остриями друг другу навстречу, и размещенную между электродами металлическую диафрагму, которая подключена к отрицательной полярности источника, а электроды расположены симметрично диафрагме и подключены к положительной полярности источника. Недостатками данного устройства являются: низкий выход озона; большие удельные энергозатраты; необходимость осушения и очистки воздуха; сложность охлаждения электродов, находящихся под высоким потенциалом относительно земли. Наиболее близким к заявляемому является способ синтеза озона, заключающийся в том, что в озонаторе имеется диэлектрический слой, или, как его часто называют, барьер, который стабилизирует разрядный ток и придает разряду равномерный характер (см. Ю.В. Филиппов и др. Электросинтез озона. Изд-во МГУ, 1987 г., стр. 44). Наличие диэлектрического барьера приводит к дополнительным потерям, локальному перегреву диэлектрика и выходу его из строя. Наиболее близким к заявляемому устройству является высокочастотный трубчатый озонатор (см. патент 2056344, кл. С 01 В 13/11, опубликовано 20.03.1996 г. Бюл. 8), содержащий корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенные в корпусе разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода с диэлектриком между ними, и две поперечные перегородки, установленные в корпусе, образующие камеру охлаждения и выполненные со сквозными отверстиями для установки разрядных элементов, две поперечные перфорированные диафрагмы, а внешние низковольтные электроды выполнены из металлической трубы и по краевой части приварены к перегородкам. Диэлектрик выполнен в виде трубы, установленной с зазором между электродами, на поверхности перегородок, противоположной поверхности, обращенной к камере охлаждения, выполнены кольцевые выступы соосно со сквозными отверстиями. Недостатком таких устройств является технологическая сложность нанесения барьеров и необходимость предварительного осушения и очистки воздуха перед подачей в камеру синтеза озона. Малая величина межэлектродного зазора создает большое аэродинамическое сопротивление потоку газа через озонатор, ограничивающее поток газа. Обязательным условием синтеза озона в прототипе является наличие диэлектрического барьера. При отсутствии барьера разряд от объемного переходит к искровому, и синтез озона прекращается. Наличие барьеров приводит к дополнительным потерям, нагреву диэлектрика, снижению выхода озона и уменьшению долговечности озонатора. Кроме того, наличие пыли в воздухе и повышенная влажность приводят к созданию локальных неоднородностей электрического поля и, как следствие этого, к снижению выхода озона и образованию азотосодержащих соединений. Для предотвращения этого необходимо использовать специальные системы воздухоподготовки, что приводит к усложнению и удорожанию озонатора в целом. Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении надежности, снижении удельных энергозатрат, исключении воздухоподготовки. Указанный технический результат достигается тем, что в способе синтеза озона в объемном электрическом разряде в электродной системе формируют электрическое поле длительностью не более 5510-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны не менее 1013 В/мс. Указанное сочетание длительности, скорости нарастания и коэффициента неоднородности электрического поля позволяет предотвратить образование канала пробоя межэлектродного промежутка. Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве для синтеза озона, содержащем корпус, укрепленные на корпусе патрубки входа и выхода газа, патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости, размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из коаксиальных металлических внешнего низковольтного электрода и внутреннего высоковольтного электрода, подключенных к высоковольтному источнику питания, согласно изобретению отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e, гдеr - наружный радиус внутреннего электрода;
R - внутренний радиус внешнего электрода;
е - основание натурального логарифма. В предлагаемом техническом решении согласование геометрических параметров разрядных элементов и электрических параметров источника питания позволяет получить объемный разряд между двумя металлическими электродами без диэлектрического барьера. Кроме того, при малой длительности импульса повышенная влажность не влияет на выход озона и не приводит к появлению азотосодержащих соединений, что позволяет отказаться от сложных и дорогостоящих систем воздухоподготовки. На чертеже изображено устройство, реализующее способ синтеза озона. Устройство содержит корпус 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 газа и патрубками ввода 4 и вывода 5 охлаждающей жидкости в межтрубное пространство 6. В корпусе 1 размещена электродная система 7, содержащая внешние, соединенные с корпусом низковольтные электроды 8, выполненные из металлических труб, и высоковольтные электроды 9 - меньшего диаметра, закрепленные в высоковольтных электродах 8 при помощи изоляторов 10, имеющих сквозные отверстия 11 для подачи газа в зону разряда. Высоковольтный наносекундный источник питания 12 соединен одним выводом с заземленным корпусом озонатора 1, а вторым - с высоковольтными электродами 9. Причем отношение внутреннего радиуса внешнего электрода и наружного радиуса внутреннего электрода определяется неравенством r<R/e. При этом в электродной системе формируется электрическое поле длительностью не более 500
10-9 с с коэффициентом неоднородности поля не менее 2 и скоростью нарастания напряженности электрического поля на поверхности электродов 9 с меньшим радиусом кривизны не менее 21013 В/мс. Озонатор работает следующим образом. Подача воздуха на электродную систему 7 осуществляется через входной патрубок 2, расположенный в нижней части корпуса 1, отверстия 11 в изоляторах 10. При подаче от высоковольтного наносекундного источника питания 12 на внутренние высоковольтные электроды 9 напряжения длительностью не более 50010-9 с в зазоре между высоковольтным электродом 9 и низковольтным электродом 8 формируется электрическое поле, максимальная напряженность которого на поверхности внутреннего электрода равнаEmax = U/r In R/r,
где U - напряжение между электродами, R - внутренний радиус внешнего электрода, r - внешний радиус внутреннего электрода. Пользуясь указанной простой формулой, можно в первом приближении качественно рассмотреть вопрос о том, как будет протекать процесс формирования разряда при различных отношениях R/r. Если считать для грубой оценки, что коронирующий слой газа обладает очень большой электропроводностью, то появление короны в месте максимальной напряженности, т.е. у поверхности внутреннего электрода, будет эквивалентно увеличению радиуса этого электрода. В случае r<R/e ударная ионизация локализуется у поверхности внутреннего электрода, т.е. образуется корона. С увеличением напряжения радиус короны будет расти, и, когда он достигнет величины R/e, корона перейдет в искру. При r>R/e возникновение ударной ионизации у поверхности внутреннего электрода сразу же приведет к пробою, т.к. при увеличении эффективного радиуса Емах будет расти, и ударная ионизация распространится на весь газовый промежуток. Следовательно, для эффективного синтеза озона наиболее приемлемо соотношение r<R/e, при этом скорость нарастания напряженности электрического поля на внутреннем электроде должна быть не менее 2
1013 В/мс, а длительность импульса напряжения между электродами не должна превышать 50010-9 с. Малая длительность импульса ограничивается временем образования азотных соединений и временем распространения ударной ионизации на весь межэлектродный промежуток, а скорость нарастания напряженности электрического поля определяется максимальной эффективностью синтеза озона. Под действием электрического разряда часть кислорода кислородосодержащей газовой смеси, подаваемой через патрубок входа 2 в разрядные зоны, превращается в озон, после чего отводится через патрубок выхода 3. При действии электрического разряда образуется значительное количество тепла, которое передается через внешние низковольтные электроды 8 в охлаждающую жидкость, а внутренние высоковольтные электроды 9 охлаждаются с двух сторон кислородосодержащей газовой смесью. Жидкость для охлаждения внешних низковольтных электродов 8 поступает через патрубок ввода 4 в межтрубное пространство 6, омывает поверхности этих электродов и выводится через патрубок вывода 5. Возможно следующее выполнение разрядных элементов. Диаметр внешнего низковольтного электрода равен 36 мм, диаметр внутреннего электрода 8 мм, длина разрядного промежутка 1000 мм, при этом соотношение r/R=0,2222 и максимальная напряженность электрического поля у поверхности внутреннего электрода равна 5 кВ/мм. При длительности импульса напряжения t=20010-9 с, скорость нарастания напряженности электрического поля dE/dt составляла:dE/dt=2,5
1013 В/мс. Производительность одного разрядного элемента при частоте следования импульсов 1000 Гц составила 7,5 г озона в час. Для озонатора, рассчитанного на получение 1 кг озона в час, требуется 140 разрядных элементов. Предложенная конструкция позволила изготовить безбарьерный озонатор производительностью 1 кг озона в час, потребляемая мощность составила не более 7,2 кВт, при этом использовался атмосферный воздух с относительной влажностью до 98% без дополнительной воздухоподготовки. Для сравнения серийно выпускаемый озонатор ТС-1,2 НПП "Техозон" имеет энергопотребление на кг озона 20 кВт/час, а озонатор "Озонит 42В" производительностью до 1 кг озона в час потребляет мощность 35 кВт. Эти озонаторы могут работать только с использованием специальных систем воздухоподготовки, которые дополнительно потребляют значительное количество электроэнергии. Таким образом предложенный способ синтеза озона и устройство его реализации позволяет значительно снизить энергозатраты на синтез озона, исключить систему воздухоподготовки и повысить надежность озонаторов.
Класс C01B13/11 с помощью электрического разряда
| способ стабилизации производительности озонатора и устройство для его осуществления - патент 2527994 (10.09.2014) |  |
| способ контроля производительности озонатора и устройство для его осуществления - патент 2524921 (10.08.2014) |  |
| озонатор - патент 2523805 (27.07.2014) |  |
| устройство для генерирования озона - патент 2499765 (27.11.2013) |  |
| способ определения конструктивных параметров электроозонатора - патент 2497749 (10.11.2013) |  |
| способ получения озона - патент 2478082 (27.03.2013) |  |
| генератор озона - патент 2458855 (20.08.2012) |  |
| генератор озона - патент 2447016 (10.04.2012) |  |
| устройство для производства озона - патент 2447015 (10.04.2012) |  |
| устройство для генерирования озона - патент 2446093 (27.03.2012) |  |