Легкий искробезопасный электрод для производства озона - RU2590540C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству для производства озона согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

Озон является сильным окислителем для органических веществ и для неорганических соединений, которые содержат элементы с несколькими степенями окисления. Среди разнообразных областей применения озона следует упомянуть, в том числе, водоочистку.

Технически озон можно производить посредством слабого электрического разряда в содержащем кислород газе. Под слабым электрическим разрядом, в отличие от искрового разряда, понимается стабильный плазменный разряд или коронный разряд. При этом молекулярный кислород диссоциируется в атомарный кислород. Затем вступившие в реакцию атомы кислорода в результате экзотермической реакции откладываются на молекулярном кислороде и образуют трехатомные молекулы кислорода, то есть озон. Выход озона зависит, в том числе, от напряженности электрического поля и рабочей температуры.

Кроме того, наблюдалась зависимость от состава газа. Зависимость от рабочей температуры заключается в том, что чем выше температура, тем быстрей озон вновь распадается в молекулярный кислород, и в результате нарушения равновесия между образовавшимся и распавшимся озоном полученная концентрация озона уменьшается. Более высокие значения напряженности электрического поля, которые также приводят к увеличению выхода озона, можно получить, в том числе, посредством уменьшения зазора и посредством выбора диэлектрика с более высокой относительной диэлектрической проницаемостью. В качестве диэлектриков с более высокой относительной диэлектрической проницаемостью применяются легированные стекла или керамические материалы. Однако диэлектрики из керамических материалов имеют тот недостаток, что они являются негомогенными и практически имеют более низкую прочность на пробой, чем гомогенные материалы. Кроме того, более высококачественные керамические материалы в виде формованных изделий, обладающие высокой способностью выдерживать точность размеров, чрезвычайно дороги. Применение более тонких диэлектриков, кроме того, увеличивает риск диэлектрического пробоя.

С помощью уменьшения зазора ограничивается влияние погрешностей, которые неизбежны при изготовлении, а также влияние изгибов и искривлений, образующихся в результате механических нагрузок и теплового расширения во время эксплуатации. Поскольку увеличение напряженности электрического поля посредством уменьшения ширины зазора и применения диэлектриков с большей диэлектрической проницаемостью приводит к значительному увеличению стоимости изготовления, здесь устанавливаются экономические границы.

Устройство вышеуказанного типа известно из документа WO 93/16001. Газопроницаемая система, которая может проводить электрический ток и передавать тепло, формируется при этом из нескольких спиральных витков, которые образуют серию изогнутых поверхностей, между ними и расположенными рядом электродами образуется электрический коронный разряд. Известное из более раннего документа устройство выполнено, главным образом, цилиндросимметричным. При этом во всех примерах выполнения система вместе с находящимся в ней проводником образует внутренний электрод. Таким проводником может быть проволока или трубка, он крепится механически на трубообразном диэлектрике и центрирован. Сама система является наполнителем, который не выполняет задачу центрирования.

Из документа JP 1-510303 известно устройство вышеуказанного типа, которое также выполнено, главным образом, цилиндросимметричным. Две трубки центрированы относительно друг друга с помощью установленных по краям распорок. Имеющийся между ними кольцевой зазор заполнен системой, которая описана как наполнитель. Она располагается произвольно, что неизбежно для наполнителя, и не выполняет задачу механически центрировать внутреннюю трубку во внешней трубке.

В обоих названных документах в середине системы электродов в качестве опоры для наполнителя предусмотрен металлический проводник, который служит также для создания электрического контакта с наполнителем.

В документе ЕР 0789666 В1 описывается генератор озона с одним непосредственно охлаждаемым внешним электродом и с одним металлическим внутренним электродом в форме стержня с расположенным между ними диэлектриком. Между электродами и диэлектриком, соответственно, расположено сплетенное из проволоки полотно, которое, с одной стороны, улучшает передачу тепла от используемого газа к охлажденным электродам, а с другой стороны, образует большое количество полых пространств для слабого электрического разряда.

Посредством газопроницаемой системы, которая может проводить электрический ток и передавать тепло, при принудительном охлаждении электродов достигается более эффективный отвод тепла, которое образуется в зазоре между электродами и диэлектриком, а также от диэлектрика, при разряде, а также при экзотермической реакции атомарного кислорода с молекулярным кислородом, поскольку, во-первых, между электродами и диэлектриком имеется прямое теплопередающее соединение, а во-вторых, площадь поверхности, от которой тепло передается протекающему газу, значительно увеличивается, в то время как путь, по которому тепло передается ко всем точкам внутри зазора, сокращается. Поскольку озон имеет тенденцию с ростом температуры снова распадаться, таким образом зависящее от температуры равновесие между содержанием озона и кислорода нарушается, посредством эффективного охлаждения можно сократить распад озона, и тем самым улучшить его выход.

В отличие от стандартного зазора, через который проходит содержащий кислород газ и произведенный озон в почти ламинарном потоке, посредством газопроницаемой системы, которая может проводить электрический ток и передавать тепло, турбулентный поток в зазоре форсируется для того, чтобы молекулы газа постоянно попадали на поверхность непосредственно охлаждаемых электродов, и тем самым, тепло отводилось лучше.

В результате применения указанных материалов и большого числа систем электродов в мощном генераторе озона вес такого генератора озона становится очень большим, что увеличивает расходы на материалы и транспортные расходы. Также поведение при пробое между внешним электродом и внутренним электродом или расположенным между ними сплетенным полотном не оптимально. Пробой в результате разрушения диэлектрика приводит в общем случае к короткому замыканию между стержнем электрода и работающей как внешний электрод трубкой теплообменника, что приводит к отключению всего генератора озона.

Исходя из этого уровня техники, в основу изобретения положена задача улучшить устройство вышеуказанного типа таким образом, чтобы общий вес устройства снизился, а поведение при пробое улучшилось.

Эта задача решена с помощью системы электродов, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения.

Поскольку в системе электродов для генератора озона с трубообразным внешним электродом, который окружает концентрически и на расстоянии трубообразный диэлектрик, причем диэлектрик окружает концентрически на расстоянии стержень, и причем в промежуточном пространстве между внешним электродом и диэлектриком, а также в промежуточном пространстве между диэлектриком и стержнем предусмотрен наполнитель, стержень является изолятором, вся система электродов имеет меньший вес, чем в уровне техники. В частности при пробое в результате разрушения диэлектрика система электродов ведет себя как искробезопасная электрическая установка, поскольку при пробое значительно более легкий электрод, который состоит только из наполнителя, испаряется, не повреждая значительно более тяжелый внешний электрод. Несмотря на пробой, генератор озона, в общем случае, может продолжать работать.

Изготовление является особенно простым, если стержень массивный. Также можно предусмотреть, чтобы стержень был полым, в результате чего вес уменьшится еще больше.

Особенно прочная система получается в том случае, если стержень круглый. Однако изготовить прямоугольный стержень проще.

Преимущественно стержень изготавливается из технического стекла, например из стекла, которое выпускается под маркой DURAN или PYREX.

Предпочтительно наполнитель изготавливается из сплетенного из проволоки полотна, преимущественно из высококачественной стали. Однако в простых случаях применения могут быть предусмотрены также плетеное изделие или ткань, трикотажное полотно или не имеющая структуру проволочная масса.

Особенно компактная конструкция получается в том случае, если наполнитель предусмотрен в промежуточном пространстве между диэлектриком и стержнем непосредственно с разъемом для электрического источника питания.

Далее описывается пример выполнения настоящего изобретения со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - система электродов для генератора озона, в укороченном виде, в продольном сечении;

фиг.2 - система электродов по фиг.1 в изометрической проекции.

На фиг.1 в укороченном виде и в продольном сечении показана система электродов генератора озона с трубообразным внешним электродом 1, также трубообразным диэлектриком 2 и расположенным внутри стержнем 3. Система является вращательно-симметричной. Внешний электрод 1, диэлектрик 2 и стержень 3 установлены концентрично относительно друг друга.

Между внешним электродом 1 и диэлектриком 2 находится сплетенное из проволоки полотно 4, которое заполняет промежуточное пространство. Соответственно, между диэлектриком 2 и стержнем 3 предусмотрено сплетенное из проволоки полотно 5, которое также заполняет имеющееся там промежуточное пространство. Внешний электрод 1 выполнен известным способом в виде трубки из высококачественной стали и во время работы охлаждается снаружи. Механическая конструкция выполнена таким образом, что внешний электрод 1 является частью трубчатого теплообменника, который имеет большое число систем электродов согласно фиг.1, которые снаружи охлаждаются с помощью охлаждающей жидкости.

Диэлектриком 2 является стеклянная трубка, что также известно из уровня техники. Сплетенные из проволоки полотна 4 и 5 предпочтительно изготовлены в виде так называемого круглого полого шнура, а также из проволочной оплетки из высококачественной стали. Эти компоненты известны из типичного уровня техники.

Расположенный в центре системы электродов стержень 3 является, в соответствии с изобретением, изолятором, который выполнен, например, из стекла или из другого совместимого с кислородом и озоном материала. Стержень 3 может быть выполнен массивным, как показано на фиг.1.

Во время работы известным способом в систему электродов подается содержащий кислород используемый газ, который проходит через сплетенные из проволоки полотна 4 и 5 в направлении по стрелке 6.

На фиг.2 показана система электродов по фиг.1 в схематическом виде в изометрической проекции, причем отдельные компоненты изображены вытянутыми относительно друг друга в осевом направлении. Как показано на фиг.2, стержень 3 может быть выполнен в виде трубки, например, в виде стеклянной трубки.

Схематично обозначен электрический источник питания 10, который, с одной стороны, контактирует с внешним электродом 1, а с другой стороны, - с плетеным полотном 5. Подаваемое от источника питания 10 рабочее напряжение вызывает в полых пространствах плетеных полотен 4 и 5 слабый электрический разряд, который из кислорода, проходящего в направлении по стрелке 6 через плетеные полотна 4 и 5, генерирует озон.

На представленной на фиг.1 и 2 конструкции сам внутренний электрод выполнен из плетеного полотна 5, в то время как стержень 3, как изолятор, выполняет функцию опоры, которая обеспечивает равномерное заполнение внутреннего пространства диэлектрика 2 сплетенным из проволоки полотном 5. Стержень 3 также облегчает монтаж сплетенного из проволоки полотна 5 в диэлектрике 2.

Показано, что выполненный в виде изолятора стержень 3 обладает большими преимуществами по сравнению с известными из уровня техники электропроводящими центральными электродами из высококачественной стали, не оказывая негативного влияния на электрические характеристики, в частности на коэффициент полезного действия системы электродов в отношении производства озона. Преимущество выполненного в виде изолятора стержня 3 заключается, с одной стороны, в меньшем весе. В то время как обычно используемая высококачественная сталь имеет плотность примерно 7.900 кг/м², плотность технического стекла, которое можно использовать для стержня 3, составляет 2.230 кг/м². Поскольку в мощном генераторе озона применяется большое число электродов, соответственно, снижается общий вес.

Площадь электропроводящей поверхности, которая необходима для барьерного разряда, используемого для генерирования озона, можно значительно снизить до минимально требуемого размера.

Важный аспект заключается в соотношении масс внешнего электрода 1 и сплетенного из проволоки полотна, являющегося наполнителем 5 и используемым в качестве противоэлектрода. В то время как внешний электрод 1 изготовлен из трубки из высококачественной стали, один метр которой весит примерно 350 г, противоэлектрод изготовлен из проволоки из высококачественной стали с диаметром проволоки примерно 0,2 мм, один метр которой весит примерно только 12 г. Таким образом, сплетенное из проволоки полотно значительно легче, чем внешний электрод 1. Теплоемкость, температура плавления и энергия плавления материалов, применяемых для внешнего электрода 1 и сплетенного из проволоки полотна, примерно одинаковые. В случае пробоя стержень 3 не принимает участия в электрических процессах, и поэтому его можно не принимать во внимание.

Это означает, что в случае повреждения изоляции, которое может образоваться в результате разрушения диэлектрика 2 вследствие механической нагрузки, система электродов будет искробезопасной. Если между внешним электродом 1 и сплетенным из проволоки полотном, являющимся наполнителем 5, произойдет короткое замыкание, в результате вышеописанного соотношения масс сплетенное из проволоки полотно 5 вследствие электрического пробоя начнет испаряться и будет испаряться до тех пор, пока между сплетенным из проволоки полотном и внешним электродом 1 вновь не образуется достаточно большое расстояние. Поскольку внешний электрод 1 обладает значительно большей массой, он при этом не повредится или не разрушится. Поэтому поврежденный электрод можно оставить в генераторе озона, и нет необходимости в его срочной замене. Такие искробезопасные свойства невозможно получить, если в качестве центрального стержня 3 используется металлический проводник, который устанавливается в качестве противоэлектрода в центре системы электродов.

В качестве материала для стержня 3 используются, прежде всего, технические стекла, которые могут быть выполнены из полнотелого материала в виде стержня с круглым или прямоугольным сечением, а также в виде трубки. Другие компоненты системы электродов соответствуют вышеописанному уровню техники, причем источник питания 10 подключается непосредственно к сплетенному из проволоки полотну, являющемуся наполнителем 5, в то время как в уровне техники электрический ток подается на центральный электрод.

Реферат

Изобретение относится к системе электродов для генератора озона. Система содержит трубообразный внешний электрод (1), который концентрически и на расстоянии окружает трубообразный диэлектрик (2). Диэлектрик (2) окружает концентрически на расстоянии стержень (3). Стержень (3) является изолятором. В промежуточном пространстве между внешним электродом (1) и диэлектриком (2) предусмотрен наполнитель (4). В промежуточном пространстве между диэлектриком (2) и стержнем (3) предусмотрен наполнитель (5) в виде внутреннего электрода. Технический результат: эффективное предотвращение короткого замыкания при пробое, повышение отказоустойчивости, искробезопасности, снижение веса электрода и расходов на материалы. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула