CN110114302B - 控制臭氧发生器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制具有高压电极(5)和至少一个对电极(1)的臭氧发生器的方法，其中，所述高压电极(5)和所述至少一个对电极(1)限定中间空间，在该中间空间中设置至少一个电介质并且具有颗粒密度n_气体的含氧气体流经该中间空间，并且其中，所述高压电极(5)和所述至少一个对电极(1)提供有用于电压供应(7)的连接点，用于在至少一个放电间隙中产生无声放电，并且其中，所述放电的脉冲距离d分布在最小脉冲距离d_最小和最大脉冲距离d_最大之间，并且其中，为了产生>12wt.％臭氧的臭氧浓度，选择所述电压供应(7)上交流电压的电压振幅U₀，使得U₀<130*10^{‑ 21}V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL，其具有C_DL＝所述电介质的电容且C_g＝所述放电间隙的电容。

Description

控制臭氧发生器的方法

技术领域

本发明涉及一种控制具有权利要求1的前序部分的特征的臭氧发生器的方法。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂。臭氧通过氧化破坏污染物和染料、味道和气味影响物质以及微生物。因此，臭氧用于各种应用领域，例如饮用水处理、废水处理、纸张漂白、空气污染控制或者甚至用于污染土壤的处理。

臭氧施放器在现有技术中是已知的。这种臭氧施放器包括多个臭氧发生器，其以管壳式热交换器的方式彼此平行地设置在两个管板之间。臭氧发生器通常具有外电极和至少一个内电极，其在操作中经受高电压，这导致间隙中的无声放电。

取决于应用领域，可能需要高或低的臭氧浓度。分别地，已知为间隙宽度小于1mm的窄间隙臭氧发生器最经济地产生高臭氧浓度(>12wt.％)，而间隙宽度从1毫米开始的电极产生较低的臭氧浓度(<12wt.％)。例如，根据WO 2007/014473 A1可知，对于具有不同臭氧含量的空气和氧气，臭氧发生效率作为间隙宽度的函数的图。

间隙宽度的调整通常机械地解决，例如在WO 2007/014473 A1中的那样，并且可以仅通过更换内电极并对不同的操作条件进行必要的调整来实现。电极的更换和内电极的不同变体的生产或储存是昂贵的。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制臭氧发生器的方法，其中可以单独调节有效间隙宽度而无需更换电极装置，以便甚至可以有效地产生高的臭氧浓度。

通过控制具有权利要求1的特征的臭氧发生器的方法实现该目的。

此后，提供一种控制具有高压电极和至少一个对电极的臭氧发生器的方法，其中，所述高压电极和所述至少一个对电极限定间隙，在该间隙中设置至少一个电介质并且通过具有颗粒密度n_气体[1/m³]的含氧气体穿过该间隙，并且其中，所述高压电极和所述至少一个对电极提供有用于电压供应的连接，用于在至少一个放电间隙中产生无声放电，并且其中，所述放电的打击距离d分布在最小打击距离d_最小和最大打击距离d_最大之间，并且其中，为了产生>12wt.％臭氧的臭氧浓度，选择所述电压供应上AC电压的电压振幅U₀，使得U₀<130*10^{- 21}V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL，其具有电压振幅U₀，系数130*10^-21，表示降低的电场强度(电场强度和颗粒密度的商)和单位V*m²(伏特*米²)，也称为CGS单位汤森德(Townsend)(Td)，具有颗粒密度n_气体[1/m3]，最大打击距离d_最大[m]以及C_DL＝电介质的电容且C_g＝放电间隙的电容。

术语“控制方法”应理解为意指在臭氧施放器的连续操作中使用相应的控制方法，其可持续数分钟至连续操作数天或数周。不要求瞬态过程。在这些过程中，臭氧发生器仅在短时间内经受上述电压U₀，例如，在传统控制方法中可能为接通和断开过程的情况。

取决于功率、原料气和气体的体积流量，根据该控制方法操作的臭氧发生器也可以以产生小于12wt.％的臭氧的方式操作。然而，这不是本发明的主题，并未要求保护。

操作臭氧发生器的目的是产生一定的臭氧浓度。将由系统预先确定该臭氧浓度。取决于待产生的臭氧浓度，通过选择电压振幅来选择有效间隙宽度或打击距离。该选择基于已知的特征，该特征表明臭氧发生效率作为具有不同臭氧含量的空气和氧气的间隙宽度的函数。因此，取决于在给定臭氧含量下的电压振幅，可以提高臭氧发生效率。通过改变颗粒密度和电压频率，可以设定每小时产生的臭氧量。根据本发明的方法使在不更换电极装置的情况下调节臭氧发生器的有效间隙宽度成为可能，使得即使当要产生高浓度的臭氧时它也特别有效地操作。

U₀<120*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL可能是有利的。进一步地，可以提供可以设定电压振幅使得U₀<110*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL或使得U₀<100*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。待产生的臭氧浓度越高，待选择的电压振幅越低，这意味着点燃的打击距离变得越来越小，并因此建立了有效地更小的间隙宽度。

在这种情况下，为了产生臭氧浓度>18wt.％臭氧，如果选择电压振幅U₀使得U₀<100*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL是有利的。也可以提供U₀<90*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。

在一种实施方式中，高压电极是异形的。优选地，打击距离的分布由金属丝织物形成。在这种情况下，金属丝织物可以用作电极或围绕实际电极。设想异形是连续且周期性地或随机地分布。与沿纵向步进的电极相反，异形的图案周期性地重复，或者异形的打击距离随机地分布在电极上。周期性或随机分布也适用于电介质具有异形并且电极平滑的情况。

在优选的实施方式中，臭氧发生器具有单个对电极，并且电介质设置成与对电极接触。这被称为单间隙系统。打击距离定义为电介质和高压电极之间的距离。优选地，高压电极的内径在电极装置的长度上是恒定的。作为结果，显著简化了电极的生产。

在两种优选的实施方式中，至少一个对电极和高压电极形成板式臭氧施放器或管式臭氧施放器，其中，至少一个对电极和高压电极是管状的并且彼此同心，并且织物是圆形的空心绳。在这种情况下，板式臭氧施放器优选用于小型臭氧施放器，其主要是空气冷却的。另一方面，管式臭氧施放器优选用于具有多个臭氧发生器并且大部分用水冷却的大型臭氧施放器中。

附图说明

下面参考附图更详细地描述本发明的优选实施方式。在附图中：

图1：示出了现有技术的电极装置的透视图，

图2：示出了具有可变间隙宽度的臭氧发生器的放电图的示意图。

具体实施方式

图1示出了DE 10 2011 008 947 A1中已知的臭氧发生器的电极装置。将这种类型的臭氧发生器分组并用于臭氧施放器中。臭氧发生器以管壳式热交换器和并联电连接的方式彼此平行地设置在两个管板之间。所示的臭氧发生器具有管状外电极1，同样的管状电介质2和内杆3，其中，沿轴向方向在空间上分开示出各个部件的缩短形式。该装置是旋转对称的。外电极1、电介质2和杆3彼此同心地定向。在外电极1和电介质2之间存在填充间隙的金属丝网4。因此，在电介质2和杆3之间提供金属丝网5，其也填充那里的间隙。以不锈钢管的形式设计外电极1。在臭氧产生期间产生的废热通过冷却水冷却，冷却水沿管板之间的外电极的外侧通过。电介质2为玻璃管。金属丝网4和5优选制成为由不锈钢丝网制成的圆形空心绳。设置在电极装置的中心的杆3是绝缘体，例如由与氧气和臭氧相容的另一种材料的玻璃制成。杆3可以是实心的。在操作中，电极装置充有含氧原料气，该含氧原料气沿箭头6的方向流过金属丝网4和5。示意性地示出了电压供应7，其在一侧与外电极1接触并且在另一侧与网5接触。由电压供应7提供的工作电压在电极1、5和电介质2之间的空间中引起静电放电，其从沿箭头6的方向流过网4和5的氧气产生臭氧。

在所示的设计中，内电极仅由网5形成，而杆3执行作为绝缘体的支撑功能，其确保用金属丝网5均匀地填充电介质2的内部。这种电极形状导致体积和表面电荷的重叠。

与具有限定的间隙宽度的臭氧发生器相比，高压电极5的异形导致多个可能的间隙宽度并因此产生不同的冲击宽度d，其在图2中示意性地示出。间隙宽度或打击距离d是电极和电介质之间的距离。由于在从d_最小到d_最大的范围内的不同的打击距离d，也导致位于U_C(d_最大)和U_C(d_最小)之间的不同的起始电压U_C。打击距离d为大约μm-mm。

因此，电压供应10向臭氧发生器提供正弦电压U(t)＝U₀*sin(2π*f*t)。

随着电压振幅U₀增加，更靠近电介质2的放电点首先被点燃，而其他放电点尚未被点燃。

根据本发明，选择电压振幅U₀作为颗粒密度n_气体和放电间隙的最大尺寸d_最大的函数。

应用的电压振幅U₀应该选择得如此之小以便它被界定在U_C(d_最小)和U_C(d_最大)之间，使得仅某一部分放电点可用于放电。这种放电点的选择产生“有效间隙宽度”，其为点燃的放电点的平均间隙宽度。这种有效间隙宽度与间隙宽度d_最大相比较小，并因此有利于高臭氧浓度。

为了能够在高电压振幅下如传统操作中将相同的电功率引入放电，可以在臭氧发生器的操作期间调节频率f。用根据本发明的方法，与常规操作相比，在引入相同的电功率的情况下，使用的每气体体积可以产生更多的臭氧。

应优选应用于冲击距离d的统计分布。例如，在图1的电极装置的情况下，借助于紧密的网，可以实现这种分布。

高压电极为导电材料，优选为具有异形表面的不锈钢。高压电极可以为金属丝网或针织物，应用于表面的织物或甚至绕线或颗粒。诸如地毯或毛毡的纤维织物同样适合作为通过机械加工或涂覆应用于电极的结构。该异形在电极的纵向和圆周方向上是随机地或周期性地分布的。

然而，也可以设想使电介质代替电极异形，由此可以实现相同的效果。

根据本发明的方法不限于管状电极装置。它可用于管式和板式臭氧施放器。该应用意在单间隙和多间隙系统。电极的导电材料可以在放电空间中引入或不引入载体材料。

根据本发明的臭氧产生方法当然也可以更普遍地用于等离子体发生器中。

臭氧发生器的打击距离可以通过根据本发明的应用电压的变化控制臭氧发生器来调节。如已经描述的，窄间隙系统优选用于高臭氧浓度的有效臭氧产生，而较大的间隙宽度有利于较低的臭氧浓度。用根据本发明的方法，可以仅通过改变应用电压来实现对臭氧产生的要求。

借助于根据本发明的方法，臭氧发生器可以适应客户特定的要求。这在生态上是有益的，并且鉴于能源价格的上涨，在经济上也是有利的。通过调节间隙宽度，可以有效地产生更高的臭氧浓度(>15wt.％)。使用高臭氧浓度进行水处理可以提高臭氧进入水中的效率。

通过提高效率，特别在高臭氧浓度下，可以使臭氧发生器显著更小。根据本发明的方法的另一个优点是消除了昂贵的扁平或圆柱形光滑电极表面的生产。

此外，在较高的冷却水温度下臭氧产生是可能的，这可以降低冷却臭氧发生器的成本。电极的显著低温敏感性允许在冷却水入口和冷却水出口之间使用较大的温差，这减少了对冷却水的需求。

通过在低电压下操作臭氧发生器，可以使变压器或逆变器更小。此外，以更高频率操作臭氧发生器可减少噪音排放。

Claims (11)

1.控制具有高压电极(5)和至少一个对电极(1)的臭氧发生器的方法，其中，所述高压电极(5)和所述至少一个对电极(1)限定间隙，在该间隙中设置至少一个电介质并且通过具有颗粒密度n_气体的含氧气体充满该间隙，并且其中，所述高压电极(5)和所述至少一个对电极(1)提供有用于电压供应(7)的连接，用于在至少一个放电间隙中产生无声放电，并且其中，所述放电的打击距离d分布在最小打击距离d_最小和最大打击距离d_最大之间，其特征在于，为了产生>12wt.％臭氧的臭氧浓度，选择所述电压供应(7)上AC电压的电压振幅U₀，使得U₀<130*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL，其具有颗粒密度n_气体，最大打击距离d_最大，电介质的电容C_DL和放电间隙的电容C_g。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，U₀<120*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，U₀<110*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，U₀<100*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了待产生的臭氧浓度>18wt.％臭氧，选择所述电压振幅U₀使得U₀<100*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，U₀<90*10^-21V*m²*n_气体*d_最大*(C_DL+C_g)/C_DL。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，从d_最小至d _最大的所述打击距离的分布由金属丝制成的织物形成。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述打击距离d_最小至d_最大连续且随机地或周期性地分布。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述臭氧发生器具有单个对电极(1)，并且所述电介质设置成与所述对电极(1)接触。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个对电极(1)和所述高压电极(5)是管状的并且彼此同心对齐，并且所述织物是圆形的空心绳。

11.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述高压电极(5)和所述至少一个对电极(1)是板状的，并且形成板式臭氧发生器。

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