Anlage zur Erzeugung von Ozon und-. Verfahren zum Betrieb dieser Anlage Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Ozon, in welcher Luft oder Sauer stoff durch ein zwischen an Hochspannung liegenden Elektroden erzeugtes elektrisches Wechselfeld in einer Entladungsstrecke durchgeleitet wird.
Solche Anlagen sind bekannt, bei welchen Luft durch in Kühlwasser liegende Glasrohre durchgelei tet wird, in welchen Rohren eine konzentrische stab- artige Elektrode angeordnet ist. Zwischen dem als die eine Elektrode dienenden Kühlwasser und der stabartigen Elektrode wird die Spannung angelegt, wobei das Glasrohr einen direkten Durchschlag zwi schen den Elektroden verhindert, jedoch dazu bei trägt, dass im Luftspalt, welcher zwischen dem Glas rohr und der stabartigen Elektrode gebildet ist, ein starkes elektrisches Feld entsteht und die durchge leitete Luft ionisiert wird,
wodurch eine Büschel- oder Glimmentladung entsteht.
Bei diesen bekannten Anlagen wird bei Netzfre- quenz eine Spannung von rund 8 kV angelegt. Es ist allerdings auch bereits bekannt, bei 500 Hz zu arbeiten.
In allen Fällen waren aber ausschliesslich die Entladungsstrecken - aller vorhandenen Rohre direkt an die Stromquelle, normalerweise an die Sekundärwicklung eines Hochspannungstransforma tors angeschlossen, so dass dieser Transformator für die volle, an den Entladungsstrecken aufgenommene Leistung bemessen sein musste. Bei einer Anlage mitt lerer Grösse beträgt beispielsweise der Strom rund 0,5 A, was bei einer Spannung von 8 kV eine Lei stung von 4 kVA ergibt.
Ist bei Betrieb mit erhöhter Frequenz ein Umformer vorhanden, so müssten auch die Maschinen des Umformers für diese Leistung bemessen sein. Eine solche Anlage ist daher ziem lich teuer in der Anschaffung und im Betrieb, weil ihr elektrischer Wirkungsgrad gering ist. Das rührt bei den oben beschriebenen Anlagen hauptsächlich auch daher, dass der Stromdurchgang durch das Kühlwasser, in welchem die Rohre stehen, einen erheblichen Widerstand bedingt.
Es ist allerdings auch bereits bekannt, den Strom durchgang durch das schlecht leitende Wasser da durch zu vermeiden, dass das Glasrohr auf der der Entladungsstrecke gegenüberliegenden Seite metalli siert ist und dass diese Metallisierung direkt an die Stromquelle angeschlossen ist. Damit können wohl die Leistungsverluste im Wasser, aber nicht die im Transformator bzw. Umformer auftretenden Verluste beseitigt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Beseitigung dieser Nachteile. Sie beruht auf der über raschenden Erkenntnis, dass trotz der in der durch geleiteten Luft stattfindenden Entladung und Ioni sation die Leistungsaufnahme an den beidseitig des Glasrohres angebrachten Elektroden praktisch rein kapazitiv ist.
Die oben erwähnten, recht erheblichen Leistungen, für welche die Transformatoren und Um former bemessen sein müssen, bestehen also zu einem ganz erheblichen Teil aus Blindleistung. Auf Grund dieser- Erkenntnis schafft nun die Erfindung die Möglichkeit, die Generatoren und Transforma- toren weitgehend zu entlasten,
indem erfindungs gemäss die Blindleistungsaufnahme an der Entladungs strecke durch eine zugeordnete Reaktanz kompen siert ist. Diese Reaktanz wird vorteilhaft als reine Induktivität ausgebildet; welche in Serie oder parallel zur Entladungsstrecke geschaltet ist. In beiden Fällen ist es möglich, den Transformatoren und Generato ren nur noch die Erzeugung der an sich verhältnis mässig geringen Wirkleistung zu überlassen.
Bei Serie schaltung der Entladungsstrecke mit der Induktivi- tät ist es ausserdem möglich, durch Spannungserhö hung in dem damit gebildeten Schwingkreis die Be triebsspannung an der Entladungsstrecke erheblich zu erhöhen, so dass der Transformator für eine nied rigere Ausgangsspannung bemessen werden kann.
Bei genügend hoher Güte des gebildeten Schwingkreises können Spannungsüberhöhungen um das Fünf- bis Zehnfache erzielt werden, so dass unter Umständen dieser Schwingkreis ohne Zwischenschaltung eines Transformators direkt an einen Tonfrequenzgenera- tor angeschaltet werden kann. Wie soeben angedeutet, ist es von besonderem Vorteil, im Tonfrequenzgebiet z.
B. zwischen 1000 und 2000 Hz zu arbeiten, weil damit einerseits eine kleinere Bemessung der Induk- tivität und anderseits eine erhebliche Erhöhung der Stromdichte in der Entladungsstrecke möglich wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen -Anlage schematisch dargestellt. Fig.1 zeigt die Grundschaltung der Anlage und Fig. 2 und 3 dienen der Erläuterung von Regel schaltungen zur Anlage nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist schematisch ein Glasrohr 1 darge stellt, welches aussen mit einer Metallschicht 2 ver sehen oder von einem Metallzylinder umgeben ist. Im Glasrohr 1 befindet sich mit etwas Spiel eine stabförmige Metallelektrode 3. Der Metallbelag 2 und die Elektrode 3 sind in einen Stromkreis ge schaltete welcher im übrigen die Sekundärwicklung 4 eines Hochspannungstransformators 5 und eine Drossel 6 aufweist.
Die Primärwicklung 7 des Trans- formators 5 ist mit einem= Tonfrequenzgenerator 8 verbunden, welcher bei einer Frequenz von beispiels weise 1000 bis<B>10000</B> Hz arbeitet. Der Tonfrequenz- generator wird in nicht dargestellter bekannter Weise von einem Asynchronmotor angetrieben. Es könnte aber gegebenenfalls auch ein Röhrengenerator vor gesehen sein, besonders wenn bei noch höheren Fre quenzen gearbeitet wird.
Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, dass der Generator einen sinusförmigen Strom abgibt; und es könnte- somit z. B. auch ledig lich ein Thyratron oder eine Senderöhre vorgesehen sein, welche den Netzwechselstrom mit hoher Fre quenz zerhackt.
Im Betrieb wird über den Transformator 5 und die Drossel 6 eine Wechselspannung von 6 bis 8 kV an die Elektroden 2 und 3 angelegt, womit im Luft spalt zwischen dem Rohr 1 und der Elektrode 3 ein genügend starkes Feld entsteht, um die durchge leitete Luft zu ionisieren und die gewünschte Ozon bildung zu bewirken.
Da die Elektroden 2 und 3 durch das als Dielektrikum wirkende Glasrohr 1 voneinander getrennt sind, kann in der eigentlichen Entladungsstrecke, das heisst im Luftspalt, wohl an sich ein Ohmscher Strom fliessen, zwischen den Elek troden 2 und 3 bzw. durch das Glasrohr 1 kann aber an sich nur ein kapazitiver Verschiebungsstrom flie ssen.
Es wurde dementsprechend festgestellt, dass zwi schen den Elektroden 2 und 3 bei nicht ionisierter Luft eine verhältnismässig geringe Kapazität vorhan den ist. Ist dagegen die Luft ionisiert, so ist für den Kapazitätswert der Luftspalt praktisch unerheblich, so dass die Kapazität praktisch den Wert aufweist, welchen sie hätte, wenn die innere Elektrode 3 satt an das Glasrohr 1 anliegen würde.
Dieser erhöhte Kapazitätswert tritt nun jedesmal auf, wenn die Ent ladungsstrecke ionisiert ist, so dass zwischen den Elektroden 2 und 3 ein verhältnismässig starker, praktisch rein kapazitiver Strom fliesst. Tatsächlich kann man nämlich für die Dauer der Entladung an nehmen, dass zwischen den Elektroden 2 und 3 eine Kapazität in Serie mit einem sehr geringen, durch die Entladungsstrecke gebildeten Widerstand liege, wel chem praktisch kapazitiv wirkenden Netzwerk noch die Grundkapazität des Systems parallel liegt.
Der Strom setzt jeweils etwa beim Erreichen der Spitzen der an die Elektroden 2 und 3 angelegten Wechsel spannung ein und ist somit mit Oberwellen behaftet, was aber für die Arbeitsweise der Anlage keinen bedeutenden Nachteil darstellt. Die Wirkung der Anlage kann übrigens mit Vorteil dadurch erhöht werden, dass der Spannung Zündspitzen überlagert werden. Diese Spannungsspitzen können durch einen Übertrager in den Stromkreis der Entladungsstrecke eingeführt werden, und zwar werden sie möglichst nahe an den Beginn der Vorderflanken der Spannungs- halbwellen des Wechsels der Wechselspannung ange legt.
Es kann damit über einen grösseren Teil dieser Halbwellen ein Stromfluss in der Entladungsstrecke erzielt werden, so dass die Ausbeute beträchtlich er höht wird.
Der zwischen den Elektroden 2 und 3 aufgenom mene, praktisch kapazitive Strom fliesst auch durch die Drossel 6. Die Drossel 6 ist nun unter Berück sichtigung der Betriebskapazität der Entladungs strecke derart bemessen, dass diese Apparateteile zu sammen einen Schwingkreis bilden, dessen Resonanz frequenz praktisch der Betriebsfrequenz entspricht. Aus an sich bekannten Gründen fliesst daher in der Sekundärspule 4 des Transformators 5 praktisch ein Wirkstrom. Je nach der Güte des Resonanzkreises sind ausserdem die Spannungen an der Induktivität 6 und an der Entladungsstrecke wesentlich höher als an der Sekundärspule 4 des Transformators.
Der Transformator hat somit praktisch nur eine Wirk leistung zu verarbeiten, während die grösstenteils aus Blindleistung bestehende Leistungsaufnahme der Ent ladungsstrecke durch die Induktivität 6 kompensiert wird.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass in. der vor liegenden Beschreibung und in den Ansprüchen als Entladungsstrecke der Einfachheit halber die Strecke zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 bezeichnet wird, obschon die Entladungsstrecke physikalisch ge sehen auf den Luftspalt beschränkt ist.
Da mit Vorteil mit erhöhter Frequenz gearbeitet wird und der praktisch kapazitive Strom in der Ent ladungsstrecke etwa linear mit der Frequenz zunimmt, kann in der beschriebenen Anlage eine verhältnis mässig hohe Stromdichte erreicht werden, welche bei kleinen Dimensionen des Rohres 1 eine gute Aus beute ergibt.
Die beschriebene Anordnung bringt daher auch die Möglichkeit mit sich, die eigentlichen aktiven Teile der Anlage, nämlich die Rohre. 1, ver- glichen mit denjenigen bekannter Anlagen, klein zu dimensionieren. Selbstverständlich ist normaler weise nicht nur ein Rohr vorhanden, sondern meh rere Rohre sind parallel angeordnet und ihre Elek troden 2 und 3 sind parallel in den Stromkreis ge schaltet.
Die Stromaufnahme in der Entladungsstrecke hängt von verschiedenen Faktoren, insbesondere von der Temperatur und Feuchtigkeit der durchgeleiteten Luft ab. Obwohl die Rohre im Wasser stehen und demzufolge gekühlt sind, kann die Lufttemperatur schwanken, besonders weil auch die Temperatur des Kühlwassers meistens nicht konstant ist. Eine stets gleichbleibende Ozonisierung des Wassers setzt aber eine praktisch gleichbleibende Ozonproduktion in der Anlage voraus.
Diese Produktion wäre aber bei Änderung des Kapazitätswertes der Entladungsstrecke starken Schwankungen unterworfen, weil durch die Änderung des Kapazitätswertes auch der Schwing kreis verstimmt wird, und, somit die Spannungsüber höhung stark schwanken kann. Es ist daher ange zeigt, eine Regeleinrichtung einzubauen, welche in Funktion des Entladungsstromes die Spannung an der Entladungsstrecke regelt, um diesen Entladungs strom möglichst konstant zu halten. Es kann zum Beispiel der Gesamtstrom aller Entladungsstrecken laufend gemessen werden und beim Absinken dieses Stroms kann in an :sich bekannter Weise die Erre gung des Tonfrequenzgenerators 8 erhöht werden.
Damit wird selbstverständlich auch die Spannung an den Entladungsstrecken erhöht und damit wieder der gewünschte Normalwert des Entladungsstroms erreicht. Die Regelung kann aber auch so vorgenom men werden, dass der Resonanzkreis vorzugsweise durch Veränderung der Induktivität 6 stets wieder auf die Betriebsfrequenz abgeglichen wird. In den Fig. 2 und 3 ist eine solche Möglichkeit schematisch angedeutet. Die Drossel 6 wird mit einer Sekundär wicklung 9 versehen, welche einen Gleichrichter 10 speist. Es fliesst somit in der Spule 9 ein Gleichstrom, dessen Stärke dem Betriebswechselstrom in der Dros sel 6 entspricht.
Durch diesen Gleichstrom wird der Drosselkern vormagnetisiert und der Wert der Dros sel 6 ändert sich in Funktion dieser Vormagnetisie- rung. Der Schwingkreis wird so bemessen, dass seine Resonanzfrequenz etwas höher ist als die Betriebs frequenz, so dass bei dem in Fig.3 angedeuteten Arbeitspunkt A gearbeitet wird.
Sinkt der Kapazi tätswert an der Entladungsstrecke, so erhöht sich die Resonanzfrequenz, das heisst, die Resonanzkurve nach Fig. 3 verschiebt sich in Fig. 3 nach rechts und der Arbeitspunkt gleitet auf der linken Flanke nach unten, das heisst, der Strom im Resonanzkreis, nimmt ab. Damit nimmt aber auch die Vormagnetisierung in der Drossel ab, so dass sich die Induktivität der selben erhöht. Damit wird der Erhöhung der Reso nanzfrequenz entgegengewirkt und eine Gleichhal tung des Entladungsstroms angestrebt. Bei Erhöhung des Kapazitätswertes spielen sich entgegengesetzte Vorgänge ab.
Natürlich kann die rein schematische Anordnung nach Fig. 2 ausgebaut werden, indem zur Erzielung einer steileren Regelcharakteristik- ein wei terer Verstärker, vorzugsweise ein Magnetverstärker, vorgesehen wird, weil auch eine Belastung der Drossel nach Möglichkeit vermieden werden soll. Zur Rege lung kann natürlich auch eine Röhrenreaktanz vor handen sein.
Auf eine Regelung im vorerwähnten Sinne kann eventuell dann verzichtet werden, wenn der aus der Entladungsstrecke und der Induktivität gebildete Resonanzkreis direkt als frequenzbestimmendes Netz werk eines Generators ausgebildet ist. Das ist ganz besonders dann möglich, wenn anstelle eines mecha nischen Umformers ein Röhrengenerator vorhanden ist.
Es ist dabei gegebenenfalls auch möglich, die Schaltfrequenz eines Thyratrons öder einer Sende röhre durch die Resonanzfrequenz des Resonanzkrei ses zu bestimmen. In beiden Fällen wird praktisch im Resonanzpunkt selbst gearbeitet, so dass nur eine praktisch reine und verhältnismässig geringe Wirk leistung zu erzeugen ist.
Wie oben bereits angedeutet, kann besonders bei Verwendung von Röhrengeneratoren bei beliebig ho hen Frequenzen gearbeitet werden, sofern bei diesen Frequenzen noch eine gute Ozonausbeute erzielt wird. Es kann sich dabei um hohe Tonfrequenzen von 2000 bis 20 000 Hz oder aber um Hochfrequenz oder Ultra hochfrequenz handeln. Es kann dabei möglich werden, bei genügend hoher Frequenz überhaupt keine eigent liche Induktivität 6 mehr einzubauen, weil die In duktivität des Leitungskreises selbst zur Kompen sation der kapazitiven Leistungsaufnahme an der Entladungsstrecke genügen kann.
Mit anderen Wor ten kann bei der Eigenresonanzfrequenz des Rohr systems des Ozonerzeugers gearbeitet werden. Bei hohen Frequenzen kann es auch unnötig werden, zwischen die Elektroden 2 und 3 eine Isolation ein zulegen, weil wohl noch eine intensive Ionisation, jedoch während der sehr kurzen Halbwellen des hoch- frequenten Wechselstroms kein eigentlicher Durch schlag von Elektrode zu Elektrode erfolgt.
Natürlich ist bei hohen Frequenzen gegebenen falls anstelle eines Glasrohres ein anderes geeignetes Dielektrikum einzusetzen, um die dielektrischen Ver luste in tragbaren Grenzen zu halten.
Für alle Ausführungen und Frequenzen können anstelle von Dielektrika und Elektroden von zylin- drischem Querschnitt andere, z. B. plattenförmige, Dielektrika und/oder Elektroden verwendet werden.
Die den Entladungsstrecken zugeordnete Reak- tanz kann natürlich irgendeine geeignete Form an nehmen und kann an irgendeiner Stelle eingebaut sein. Es kann z. B. ein Streutransformator verwendet werden, dessen Streuinduktivität die gewünschte. Reaktanz ergibt.
Es wäre an sich sogar möglich, die Reaktanz auf die Primärseite des Transformators zu verlegen, was jedoch den Nachteil hat, dass der Transformator für die ganze-Blindleistung bemessen sein muss, und dass nur der Generator von der Blind leistung entlastet wird.
Es wäre schliesslich auch mög- lieh, als die eine Elektrode auf das Glasrohr oder einen anderen geeigneten Isolator eine Drahtwick lung aufzubringen, deren Induktivität mit der Kapa zität des Rohres einen auf Betriebsfrequenz abge stimmten Resonanzkreis ergibt.
Die Stromregelung in den Entladungsstrecken kann auch weitgehend ohne weitere zusätzliche Regel mittel erfolgen, weil eine Eigentümlichkeit der Ent ladungsstrecken darin liegt, dass ihre Kapazitätswerte stromabhängig sind. Steigt also der Strom an, so steigt auch der Kapazitätswert.
Es äst daher bereits eine weitgehend automatische Regelung dadurch möglich, dass die Betriebsfrequenz etwas höher ge wählt wird als die Resonanzfrequenz des durch die Entladungsstrecken und die zugeordnete Reaktanz gebildeten Resonanzkreises.
Fällt der Strom in den Entladungsstrecken, so nimmt auch die Kapazität derselben ab und die Resonanzfrequenz steigt an, das heisst sie nähert sich der Betriebsfrequenz, was wiederum zu einer grösseren Spannungsüberhöhung und zu geringerer Stromabnahme führt. Umgekehrt bewirkt jede Stromzunahme in der Entladungsstrecke eine Abwanderung der Resonanzfrequenz von der Betriebsfrequenz,
so dass auch einer Stromzunahme automatisch entgegengewirkt wird.