CN105793191A - 臭氧发生器 - Google Patents

Abstract

一种连续臭氧发生器，包括：至少两个电极(1、2)，具有设置在电极之间的电介质，所述电极在其间限定放电间隙(4)；入口端(E)，用于使载有氧气的气体流通直至出口端(S)；由至少两个段(1.1a1、...、1.1b2)构成的至少一个电极(1)，所述至少两个段沿气体的流动方向前后设置；电极的冷却装置(R)；以及电流供给装置(A)，用来在电极间建立电压并且在气体流通的间隙中引起放电；电极(1)的段被分成至少两个电气分离的组(1a、1b)，并且电流供给装置(A)包括分别与段的每个组(1a、1b)相关联的分开的至少两个供电级(PSU1、PSU2)，通过考虑局部臭氧浓度，能量的供应被各级保证，而能量供应优化装置(G1、G2)被提供用来分别控制各供电级(PSU1、PSU2)。

Description

臭氧发生器

技术领域

本发明涉及连续臭氧发生器，此种臭氧发生器包括：

-至少两个电极，具有放置在电极之间的电介质，电极在其间定义放电间隙，

-入口端，用于使载有氧气的气体在间隙中从入口端流通直至出口端，

-由至少两段构成的至少一个电极，这些段沿气体的流动方向前后设置，

-发生器的冷却装置，

-和电流供给装置，用来在电极间建立电压并在其中气体流通的间隙中引起放电。

背景技术

这样的发生器通过称作介质阻挡放电(DBD，DielectricBarrierDischarge)的无声放电制造臭氧。已知这种类型的发生器，尤其是根据WO2006/051173及WO2007/014474。在电极间施加的电场在电极间流动的含有氧气的气体中产生放电。冷等离子体在间隙中被点火。等离子体的放电导致氧分子的分解并导致臭氧的形成。点火并维持等离子体的能量由连接到电极的供电单元供应。

在多种发生器中，电极与电介质根据管状结构设放置，且气体穿过一个或多个管内部的环形间隙流动。

JP53-96988展示了所讨论类型的连续臭氧发生器，该臭氧发生器中，电极段被分成至少两个电分离的组，其中一组更靠近气体的入口，另一组更靠近出口，且电流供给装置包括分别与段的每个组相关联的至少两个分开的供电级。

独立于用于电极的特定几何形状，气体依照连续气流穿过间隙流动，且发生器被设计为使气体的停留时间足够用来在出口获得所期望的臭氧浓度，这意味着入口与出口之间气体路线的足够长度。

臭氧的制造消耗能量，且本发明的一个目的为通过提高发生器的效率缩减该能量消耗，以便用等量的能量制造更多的臭氧，或对于预定的臭氧量缩减能量消耗。

臭氧，除了在发生器中之外也存在于自然中，臭氧具有自己再化合或衰退成氧分子的趋势。发生器中出现的放电可以加速此衰退。此衰退取决于臭氧浓度，且在臭氧浓度增长时增长。由此得出结论，对于给定类型的臭氧发生器，存在如下臭氧浓度：对于此浓度，臭氧的制造与破坏相等。因此，用臭氧发生器可以得到的最大臭氧浓度与此臭氧发生器相对应。因此开发能够在高臭氧浓度下运行的发生器对于工业很有益。

臭氧发生器的运行点通常是以下两点的折衷方案：

1/能量产率，对于该产率，适于在低臭氧浓度下运行，且

2/供给气体的成本和投资成本，对于这两种成本，优选地缩减供给气体量并因而增大臭氧浓度。另一个影响投资成本的因素在于臭氧发生器的尺寸。对于预定的制造容量，能量效率的改进允许减小发生器的尺寸。

发明内容

本发明的目的，尤其是提供结合了高能量效率和高臭氧浓度的良好折衷。

本发明通过作用于将能量供应到系统的方式，保证臭氧发生器的效率优化。

根据本发明，前文定义种类的臭氧发生器，其特征在于，该臭氧发生器包括能量供应优化装置，该能量供应优化装置被提供用来分别控制各供电级并且用来通过能够作用于电源的功率和/或电压和/或电流和/或频率和/或波形和/或，在脉冲电源的情况下，作用于占空比，来利用不同的局部臭氧浓度。

有利地，各供电级由独立电能源构成。

由段的至少两个组构成的电极被实现为相同尺寸的两个部分，电极的两个组包括相同数量的段，并且该发生器包括用于各组的独立电能源。

优选地，对于由与段的两个组相关联的两个能量源供应的总功率P1+P2，当生产水平相对较低时，由与较高臭氧浓度相关联的第二源供应的功率P2大于另一源的功率P1，而对于较高生产水平，由与较低臭氧浓度相关联的源供应的功率P1变为大于所供应总功率的一半。

对于其他实施方式，功率P1与P2之间的关系可以是不同的。

本发生器可以包括箱，箱在其两端是封闭的，该箱包括构成外电极的平行管，而内电极被设置在每个管中，至少一个电极是由沿气体的流动方向前后设置的多个管状段构成的。

有利地，管状段被绝缘切口分成电分离的两个组，组的不同集合即一方面是1.1a、…1.na及另一方面是1.1b、…1.nb，电气并联，从而形成两个组1a、1b，电流供给装置包括两个分开的供电源。

各内电极可以包括被分成电分离的两个组的四个管状段。

当然，电极的段的数量可以不同于四个。

本发明适于在臭氧发生器中入口与出口之间的气体路线具有较大长度的任意臭氧发生器。这对于所有连续工作的臭氧发生器都是如此。在这样的发生器中，气体的化学成分随着气体在发生器中前进而改变，臭氧浓度从入口向出口增大。

对于各供电级，本发明允许根据臭氧浓度为臭氧生产选择最优参数。两个或更多独立供电源的使用允许：独立地控制能量被供应到发生器的位于入口与出口之间的不同段的方式，同时顾及所考虑段中的平均臭氧浓度。在相继的各段中，平均臭氧浓度对比上一个段的平均臭氧浓度提高，电能量被供应到此段的方式因此被优化。

向发生器的不同段供应能量的理想组合，通常取决于发生器的运行点，也就是说取决于出口处的臭氧浓度及生产产量。使用独立的供给源，或使用以独立方式控制的供给级，可以对于给定的运行点优化能量被供应的方式。发生器的效率可以在任何运行条件下被调整并优化。

向系统供应能量的优化可以通过作用于功率、电压、电流、频率、波形以及、在脉冲电源的情况下，作用于占空比或操作周期来获得。这些参数不必彼此独立，但每个参数对臭氧生产过程产生特定影响。使每个参数适于局部臭氧浓度是有利的，但鉴于实用原因，考虑这些参数中的一个或这些参数中的一些参数的组合更为简单。最合适的选择取决于臭氧发生器的细节且特别地，取决于其电源。尽管如此，在多数情况下，发生器的各段将在不同能量密度、和/或频率、和/或电压、和/或波形和/或占空比下运行。发生器因此可以有效率地运行，且对于给定臭氧浓度，臭氧的生产量可以被提高。

附图说明

除了上述设置，本发明还包括一些其他设置，下文关于参照附图描述但绝非限定的实施例更详细描述这些设置。在附图中：

图1-4是根据本发明的臭氧发生器的简化示意图。

图5是根据本发明的具有管状电极的臭氧发生器的纵轴剖面图。

图6示出，对于在出口处的臭氧浓度按重量计为10％，能量效率根据臭氧产生的变化，能量效率以百分比在纵坐标记入，臭氧产生表示为kg/h在横坐标记入。

图7与图6相似的为在出口处的臭氧浓度按重量计为13％的情况下的图，且

图8示出，在出口处的臭氧浓度按重量计为10％及13％的情况下，由两个源供应的能量根据能量产生的分配，能量分配表示为百分比在纵坐标记入，臭氧产生表示为kg/h在横坐标记入。

具体实施方式

参照图1，可以看到根据本发明的臭氧发生器的示意图，该臭氧发生器包括两个电极1、2，电极被表现为具有设置在电极之间的电介质或介质阻挡3的板形，电极在其间定义放电间隙4。根据图1的例子，介质阻挡3被涂覆靠着电极2的朝向电极1的面。

来自于管道5的载有氧气的气体，尤其是空气，在间隙4中从入口端E流向出口端S。

电极的冷却装置R没有表现在图1-4中而是在图5中示出，冷却装置R以及电流(特别是交流)供给装置A被提供用于建立电极1、2之间的电压并且在其中气体流通的间隙4中引起放电。

至少电极1是由至少两段1.1a、1.1b构成的，这些段沿箭头F表示的气体流动方向前后放置。电极1与电极2之间的气体路线的长度足够在出口获得所期望的臭氧浓度，且该浓度在入口E与出口S之间变化

根据本发明，电极1的段1.1a、1.1b被分成至少两个电气分离的组1a、1b，其中组1a更靠近气体的入口E，另一个组1b更靠近出口S。

根据图1的示意图，每个组1a、1b包括仅一个段1.1a、1.1b。尽管如此，各组可以由多个相互电连接的段构成。两个组1a、1b的电气分离由电绝缘的切口6示意示出。

电流供应装置A包括分别与段的每个组1a、1b相关联的至少两个分开的供电级。由每个供电级保证的能量供应适于在所考虑组1a、1b的臭氧浓度。

根据所示例子，各个组1a、1b的供电级由分别与组1a、1b相关联的两个独立的不同的供电源PSU1及PSU2构成。电极2以及源PSU1和PSU2的一个端子接地，这些源的另一个端子连接到电极1的相关组1a、1b。

由每个源PSU1及PSU2保证的能量供应根据在相关联组1a、1b的臭氧浓度被优化。各能量源的优化可以通过作用于所供应电流信号的能量密度、和/或频率、和/或电压、和/或波形和/或占空比获得，这允许改善臭氧发生器的产率。

能量供应优化装置G1、G2被提供用来控制各能量源。臭氧浓度可以在发生器的出口S被测定。通常情况下，G1与G2构成系统，用来控制电源的功率和/或电压和/或电流和/或频率和/或波形和/或，在脉冲电源的情况下，用于作用于各能量源的占空比。

作为变型，由G1与G2形成的优化系统可以被提供用来考虑臭氧浓度并保证电源的功率和/或电压和/或电流和/或频率和/或波形的变化，和/或在脉冲电源的情况下，用来作用于各能量源的占空比。该系统因此利用不同的局部浓度，不管臭氧浓度是否被测定这个事实。

图2是示出根据本发明的发生器的另一个示意图，在此发生器中，电介质被分成涂覆靠在电极1的组1a、1b的两个阻挡3a、3b。其他与关于图1所述部件相同或相似的部件以同样的标记被表示，不再重新描述。

根据未示出的变型，两个电极中的每个电极可以由至少两个分开的段构成。

根据图3的示意图，介质阻挡3被提供为靠着电极2，以及介质阻挡3a、3b被提供为靠着电极1的组1a、1b。

根据图4的示意图，介质阻挡3被提供在电极之间。

图5示出根据本发明的包括箱7的臭氧发生器，箱7可以为筒或柱状总体形状或其他形状，具有水平轴，箱7在其端部是封闭的。箱7在其每个纵向端部的附近包括垂直于箱7的几何轴线的隔板8、9。每个隔板包括孔，该孔面对着另一个隔板的孔。在这些孔中，被插入从隔板8延伸至另一隔板9的管10，且管10被分别焊接到这些隔板。管10可以是多种类型的，尤其是金属管、具有内部金属涂层的陶瓷管或玻璃管。管10构成与箱7连接且连接到地电位的外电极。可以看作：各管10之间彼此电连接的管10的整体形成与图1-4的电极2等效的单个外电极。管10的长度足够使在出口S的气体的臭氧浓度明显高于从入口E进入的气体的臭氧浓度，尤其地，管10的长度等于2米量级或更长。

冷却装置R包括循环泵11，循环泵11从入口12将冷却水引入到环绕管10的空隙13。冷却液(即水)从出口14被排出。

内电极被设置在每个管10中。各内电极由多个管状段构成，对于第一电极由1.1a1、1.1a2、1.1b1、1.1b2表明，特别地，管状段是金属的。这些段在其每个端部是封闭的并且在外部具有介质阻挡，特别地，具有陶瓷涂层。如1.1a1…1.1b2之类的管状段，沿着气体的流动方向被前后设置对齐。在所考虑的例子中，各内电极由四个段构成，但段的数量可以是不同的。

各内电极的段被分成两个组1.1a和1.1b，在所考虑的例子中，两个组均由两个段构成，这两个段由其相邻端之间的连接15电连接。两个组1.1a、1.1b由各组的相邻段的面对面的端部之间的电绝缘切口6电分离。组1.1a最靠近气体的入口E，而组1.1b更靠近出口S。

关于外电极的管状段的维持装置(未示出)被提供用于形成环形放电间隙4，环形放电间隙4位于段的外表面与外电极的内表面之间。

组的不同集合，一方面，1.1a、1.2a、…1.na，另一方面，及1.1b、1.2b、…1.nb，是电气并联的，使得组的这两个集合可以被看作形成两个组1a、1b。

组1a位于外电极的第一半中，此部分中的臭氧浓度低于在另一个组1b中含有的臭氧浓度，组1b位于外电极的第二部分中。

电流供给装置A包括两个分开的供电源PSU1和PSU2。源PSU1包括与组1a的段并联连接的端子，源的另一个端子接地。

电源PSU2包括与位于朝向出口的组1b的段并联连接的端子，且另一个端子接地。

当然，臭氧发生器的实现不局限于关于图5给定的例子。段的组的数量以及各组中段的数量可以不为二，且分开的供电源的数量也可以不为二，且通常对应于组的数量。

作为变型，图5示出的分开的两个供电源可以被同一电源的两个独立的供电级替代，各供电级的参数可以独立于另一个供电级的参数而被调整。

对于相应的源PSU1或PUS2来说，释放能量到各组1a及1b的方式匹配于在所考虑组的气体的臭氧浓度。该匹配可以包括对功率、和/或电压、和/或电流强度、和/或频率、和/或波形和/或，在脉冲源的情况下，占空比或操作周期上的作用。由源释放的电流的频率可以是1.45kHz的量级。电流的频率通常位于500Hz到50kHz之间。

还可以提供与前述相似的能量供应优化装置G1、G2。

臭氧发生器的特征可在于其能量效率。100％最大效率被定义为理想系统的效率，对于给定的制造水平以及确定的臭氧浓度，该理想系统能够为所供应每kWh能量制造1.22kg臭氧(O₃)。功率P1由源PSU1供应，且功率P2由另一个源供应，两个功率可以被独立地控制。同一总功率P1+P2因此可以通过使用由源PSU1及PSU2供应的功率P1、P2值的不同组合获得。

已经进行了实验比较根据图5的本发明的发生器及传统臭氧发生器，传统臭氧发生器实际上具有相同结构，但是电极1的所有内段是电相连的，也就是说，切口6被电连接替代，且内段由单一电源供电。

图6和7的示图上，代表发生器运行的点由与以千克/小时(kg/h)表示的臭氧制造产量相对应的横坐标、以及由与以之前定义的最大效率百分比表示的能量效率相对应的纵坐标确定。

图6和7的示图比较根据图5的发生器与传统发生器的能量效率，根据图5的发生器的运行点由小圆圈m表现，传统发生器的运行点由叉号q示出。图6对应于载有按重量计10％臭氧的流出气体的生产，而图7与载有按重量计13％臭氧的流出气体的生产对应。

根据本发明，效率的增益在图上清楚地显现。对于较小的制造产量，增益较高。根据图7，使用传统发生器，没有一个点q被标注超过6kg/h，这是因为对于7kg/h和8kg/h的生产，不再可能制造载有按重量计13％臭氧的气体。

在根据本发明的臭氧发生器的情况下，通过源PSU1及PSU2的不同能量供应组合是可能的，但是，不同能量供应组合在能量效率方面是不相等的。为了评价根据本发明的发生器，已采纳通过两个源PSU1及PSU2的最优能量供给配置。

图6和图7上提供的结果是在根据本发明的臭氧发生器的情况下获得的，该臭氧发生器被分成了两个相等尺寸的部分，也就是说根据0.5∶0.5比例。在起作用的放电区域中使用电分离的不同组合也进行了实验。实际上，关于段划分从0.1-0.9到0.9-0.1，已研究了完整组合范围。可以看到，通过把电极分离成由两个分开的源供电的两个组所带来的利益仅取决于内电极的段的划分比率。比率0.5∶0.5因为实用原因被优选。

在臭氧发生器被分成两个相等尺寸的部分的情况下，图8的图示给出两个源之间能量供应的划分，以便优化生产。在横坐标记入表示为kg/h的臭氧制造。在纵坐标以百分比记入由源PSU1供应的功率P1占由两个源供应的总功率P1+P2的比率。以小圆圈s表现的点与载有按重量计10％臭氧的气体的生产相对应，而由叉号t表现的点与载有按重量计13％臭氧的气体的生产相对应。

在气体载有10％臭氧的情况下，据显示，对于臭氧的相对较低的生产水平，如大约5kg/h，优选由第二源PSU2供应更多的功率P2，即约为总功率的55％，而功率P1约为总功率的45％。对于7kg/h的生产，由各源供应的功率基本相同，然后超过7kg/h，源PSU1的功率P1变为大于所供应总功率的一半。

本发明可以被实施在任何电分离成两个或多个组的系统，而不管组的尺寸如何。但是，组的分离必须沿气体的流动方向被实施，且每个段或组与明显不同的臭氧(O₃)浓度相对应。

重要的一点是使能量被供应的方式(在本发明的情况中，涉及每个起作用的放电表面单位的能量)适于平均局部臭氧浓度。尽管，在被考虑的例子中，发生器已经被分成两个部分，本发明的方案可以依照同样方式被应用到分成两个以上部分的系统。

两个源PSU1与PSU2被独立调整从而确保每个段专用能量的供应。在所考虑的例子中，独立的功率调整被用于两个源PSU1和PSU2，且因而用于明确依赖于功率的强度以及电压的调整。

尽管如此，相似的优化可以通过作用于如施加于电极的交流电流的频率及波形之类的其他参数、并且通过使这些参数适于局部臭氧浓度来获得。

本发明可以实施于最初定义种类的任何臭氧发生器，且在臭氧发生器中，含有氧气的气流穿过发生器流动，气体的臭氧浓度随气体在反应器中前进或在反应器的不同级处增大。

Claims (6)

1.一种连续臭氧发生器，包括：

-至少两个电极(1、2)，具有设置在电极之间的电介质(3)，电极在其间限定放电间隙(4)，

-入口端(E)，用于使载有氧气的气体在间隙中流通直至出口端(S)，

-由至少两个段构成的至少一个电极(1)，所述至少两个段沿气体的流动方向前后设置，

-发生器的冷却装置，

-以及电流供给装置(A)，用来在电极间建立电压并且在气体流通的间隙中引起放电，

电极的段被分成至少两个电气分离的组(1a、1b)，其中一组更靠近气体的入口，另一组更靠近出口，并且电流供给装置(A)包括分别与段的每个组(1a、1b)相关联的分开的至少两个供电级(PSU1、PSU2)，

其特征在于，该连续臭氧发生器包括能量供应优化装置(G1、G2)，该能量供应优化装置被提供用来分别控制各供电级(PSU1、PSU2)并且用来通过能够作用于电源的功率和/或电压和/或电流和/或频率和/或波形和/或，在脉冲电源的情况下，作用于占空比，来利用不同的局部臭氧浓度。

2.根据权利要求1所述的发生器，其特征在于，各供电级由独立的电能源(PSU1、PSU2)构成。

3.根据上述权利要求中任一项所述的发生器，其特征在于，由段的至少两个组构成的电极(1)被实现为相同尺寸的两个部分，电极(1)的两个组(1a、1b)包括相同数量的段，并且该发生器包括用于各组的独立电能源(PSU1、PSU2)。

4.根据权利要求3所述的发生器，其特征在于，对于由与段的两个组(1a、1b)相关联的两个能量源(PSU1、PSU2)供应的总功率(P1+P2)，当生产水平相对较低时，由与较高臭氧浓度相关联的第二源(PSU2)供应的功率(P2)大于另一源(PSU1)的功率(P1)，而对于较高生产水平，由与较低臭氧浓度相关联的源(PSU1)供应的功率(P1)变为大于所供应总功率的一半。

5.根据上述权利要求中任一项所述的发生器，该发生器包括箱(7)，箱(7)在其两端是封闭的，该箱(7)包括构成外电极(2)的平行的管(10)，而内电极被设置在每个管(10)中，电极中的至少一个电极是由沿气体的流动方向前后设置的多个管状段(1.1a1、1.1a2、1.1b1、1.1b2、...1.na1、1.na2、1.nb1、1.nb2)构成的，

其特征在于，这些管状段被绝缘切口(6)分成电气分离的两个组(1.1a、1.1b；...1.na、1.nb)，组的不同集合，即，一方面是(1.1a、...1.na)以及另一方面是(1.1b、...1.nb)，电气并联从而形成两个组(1a、1b)，

电流供给装置(A)包括两个分开的供电源(PSU1、PSU2)。

6.根据权利要求5所述的发生器，其特征在于，各内电极包括被分成电分离的两个组的四个管状段。