CN111936416A - 具有多间隙电极组件的小型臭氧发生器 - Google Patents

具有多间隙电极组件的小型臭氧发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置，其具有以嵌套方式安装的电极，所述电极具有至少两个高压电极(2、6、10)和至少一个接地电极(3、8、12)，其中，在每个高压电极(2、6、10)和接地电极(3、8、12)之间设置有电介质(4、5、9、11)，并且其中，形成有由所述气体穿过的至少两个放电间隙(100)，其中，根据各个间隙宽度向每个单个间隙(100)施加不同的电压。

Description

具有多间隙电极组件的小型臭氧发生器
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征的臭氧产生装置及根据权利要求8、11的前序部分的特征的臭氧产生方法。
臭氧是有机化合物和无机化合物的强大的氧化介质。臭氧有多种应用领域，其中之一就是在水处理中的应用。
从技术上讲，臭氧可以通过含氧气体中无声放电产生。与火花放电相比，无声放电应理解为稳定的等离子体放电或电晕放电。分子氧被分解成原子氧。活性氧原子随后在放热反应中附着至分子氧，由此形成三原子分子，即臭氧。臭氧产生量主要取决于电场强度和工作温度。
已知具有多个用于产生臭氧的放电间隙的电极组件。与单间隙系统相比，它们具有几个优点，例如：更好地利用反应器容积、降低空间需求、降低投资成本、降低功率输入并增大放电面积。
根据帕邢(Paschen)定律，击穿电压是间隙宽度乘以气体密度的函数。为了在多个放电间隙上获得均匀的功率输入，在给定的电压振幅下，间隙必须具有完全相同的间隙宽度。然而，这在带有同心管的臭氧发生器中很难实现，从而导致性能下降。此外，由于温度的差异，每立方厘米分子数的差异也会导致功率输入的不期望的差异。
本发明的目的在于提供一种多间隙装置，其用于产生降低特定能耗的臭氧。
本问题通过具有权利要求1所述特征的臭氧产生装置及具有权利要求8和权利要求11所述特征的臭氧产生方法来解决。
因此，提供一种通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置，该装置具有至少两个高压电极和至少一个接地电极，其中，在每个高压电极和接地电极之间布置有电介质，并且其中，形成有由气体穿过的至少两个放电间隙，其中，根据各个间隙宽度向每个单个间隙施加不同的电压。通过对每个单个间隙施加不同的电压，由于可以在间隙之间达到均匀的功率输入，因此可以减少能量消耗。
优选地，具有变压器，其通过多个抽头向不同的间隙提供不同的电压。
在另一实施例中，每个间隙可以具有其自身的电源，以向不同的间隙提供不同的电压。
如果电极和/或电介质的表面被轮廓化以达到间隙宽度的分布，则是有利的。
优选地，间隙形成在高压电极和相应的电介质之间。
在优选实施例中，该装置具有奇数个带有内部接地电极的间隙。
优选地，电极和电介质呈环状。
此外，本发明提供一种使用通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置的臭氧生产方法，该装置具有至少两个高压电极和至少一个接地电极，其中，在每个高压电极和接地电极之间布置有电介质，其中，形成有由所述气体穿过的至少两个放电间隙，所述方法包括以下步骤：
·向第一高压电极提供具有第一电压振幅的电压供应，其中，所述第一电压振幅高于由所述第一高压电极形成的所述第一间隙的第一击穿电压；
·向第二高压电极提供具有第二电压振幅的电压供应，其中，所述第二电压振幅高于由所述第二高压电极形成的所述第二间隙的第二击穿电压；
·调整所述第一和第二电压振幅，以使所述第一间隙和所述第二间隙的功率输入大致相同。
通过这种方式可以降低能耗，并提高臭氧产生性能。
优选地，使用具有多个抽头的变压器来提供所述第一和第二电压，或者每个间隙具有其自身的电源以提供不同的电压。
本发明还提供第二种使用通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置的臭氧生产方法，该装置具有至少两个高压电极和至少一个接地电极，其中，在每个高压电极和接地电极之间布置有电介质，其中，形成由所述气体穿过的至少两个放电间隙，所述方法包括以下步骤：
·使用布置在高压电极和相应的电介质之间的间隙中的填充材料来调整至少一个间隙的容量，以使所有间隙的功率输入大致相同。代替调整电压振幅，可以使用填充材料来调整间隙的容量，使其在电极布置上均匀。
优选地，填充材料为丝网，其可以由不锈钢制成。
如果装置具有内部电极为接地电极的奇数个间隙，则有利。
单个电源可用于所有高压电极。优选地，高压电极并联连接至单个电源。
将参考附图描述本发明的优选实施例。在所有附图中，相同的参考符号表示相同的部件或功能相似的部件。
图1为显示具有多个高压电源的臭氧发生器的多间隙放电单元的横截面示意图；
图2为显示具有单个高压电源的臭氧发生器的多间隙放电单元的横截面示意图；
图3为显示双间隙臭氧发生器的功率输入对电压振幅的示意过程的曲线图；以及
图4为显示三间隙臭氧发生器的功率输入对电压振幅的示意过程的曲线图。
图1示出了用于产生臭氧的装置的电极布置1，该装置具有以嵌套方式安装的一组环形电极。电极布置的部件如示意图所示。点线或虚线不代表电极的任何物理结构。高压电极用实线表示，电介质用虚线表示，接地电极用点线表示。中央高压电极2被接地电极3同心地包围，其中，在电极2、3之间设置有电介质4。内部电极2可以是中空的，并允许液体或气体通过电极2的内部进行冷却。接地电极3再次被由高压电极6覆盖的电介质5包围。高压电极6再次被电介质7包围，接着是接地电极8、另一电介质9、外部高压电极10和覆盖外部高压电极10的电介质11。电极布置的最外层是接地电极12。在高压电极与电介质之间以及电介质与接地电极之间形成有间隙100。间隙100具有不同的间隙宽度。纯氧或气体混合物，例如含氧的大气穿过间隙100。高压电极2、6、10分别电连接至单独的高压电源130、131、132。如果施加高于击穿电压的电压振幅，放电间隙中则会出现电晕，导致氧气部分转化为臭氧。当氧分子在交变电场中加速并碰撞时，就会形成臭氧。这种形成只有在电压梯度和电场达到使气体电离所需的强度时才会发生。
这种发生器产生的臭氧提高适用到其上的功率，因此，通过调节所述功率来控制所需的臭氧生产量。
在图2中，除了多个高压电源外，示出了图1中的电极布置。与图1相反，使用具有一个高压电容器的单个高压电源13。高压电极2、6、10并联连接。
图3示出了双间隙臭氧发生器的功率输入Pel与电压振幅U0的关系。这两个间隙连接到单个电源。两个间隙分别具有不同的击穿电压(点火电压)Uc1和Uc2，其中，Uc1<Uc2。在U0<Uc2时，只有第一个间隙被点燃。如果电压振幅达到U01，则两个间隙均被点燃，但功率输入却不相同。为了使两个间隙的功率输入相同，电压振幅必须等于U02。然而，就臭氧产生效率而言，U02并不是两个间隙的最佳电压。
图4示出了三间隙臭氧发生器的功率输入Pel与电压振幅U0的关系。如上所述，对于双间隙臭氧发生器，三个间隙分别具有不同的击穿电压Uc1、Uc2、Uc3，其中，Uc1<Uc2<Uc3。为了使三个间隙的功率输入相同，就臭氧产生效率而言，电压振幅并不是三个间隙的最佳电压。
为了在具有较高臭氧产生效率的所有间隙中达到均匀的功率输入，例如，根据本发明调节有效间隙宽度或施加的电压。
在本发明的一实施例中，使用具有多个抽头的变压器来向不同的间隙提供不同的电压。电压根据间隙宽度进行调整，因此每个间隙的功率输入几乎相同。通过这种方式，不均匀的间隙宽度可以得到补偿。
在另一实施例中，每个间隙具有其自身的电源130、131、132，以向不同的间隙提供不同的电压(参见图1)。相同地，根据间隙宽度调整电压。
代替调整电压，在另一实施例中，可以使用填充材料分别修改间隙和击穿电压的容量。间隙和电介质形成串联连接的电容器。填充材料与电极电接触。它特别是由丝网制成，优选地，由不锈钢制成。然而，在简单应用中可以使用网状物或机织织物、网状织物或非结构化的线材。
填充材料分别减小有效间隙宽度和间隙容量。通过这种方式，可以调节间隙的击穿电压和功率输入，以使使用单个电源的每个间隙的功率输入几乎相同。
当电极2、6、10串联连接时，电压可以随着臭氧浓度的增加和击穿电压的相应变化而进一步得到调整。
对电极或电介质的表面进行轮廓化以达到间隙宽度的分布是有利的。
优选地，多间隙系统具有奇数个间隙，因此内部电极可以是接地电极。
本发明不限于环形电极。也可以使用板式电极。

Claims (15)

1.一种通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置，其具有以嵌套方式安装的电极，所述电极具有至少两个高压电极(2、6、10)和至少一个接地电极(3、8、12)，其中，在每个高压电极(2、6、10)和接地电极(3、8、12)之间设置有电介质(4、5、9、11)，并且其中，形成有由所述气体穿过的至少两个放电间隙(100)，其特征在于，
所述产生臭氧的装置包括根据各个间隙宽度向每个单个间隙(100)施加不同电压的手段。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述产生臭氧的装置包括变压器，其通过多个抽头向不同的间隙(100)提供不同的电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述产生臭氧的装置包括用于每个间隙(100)的电源(130、13、132)，以向不同的间隙(100)提供不同的电压。
4.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，
所述电极(2、3、6、8、10、12)和/或所述电介质(4、5、9、11)的表面被轮廓化以达到间隙宽度的分布。
5.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，
所述间隙(100)形成在所述高压电极(2、6、10)和相应的所述电介质(4、5、9、11)之间。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，
所述装置具有奇数个带有内部接地电极的间隙(100)。
7.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，
所述电极(2、3、6、8、10、12)和所述电介质(4、5、9、11)呈环状。
8.一种使用通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置的臭氧生产方法，所述装置具有以嵌套方式安装的电极，所述电极具有至少两个高压电极(2、6、10)和至少一个接地电极(3、8、12)，其中，在每个高压电极(2、6、10)和接地电极(3、8、12)之间设置有电介质(4、5、9、11)，并且其中，形成有由所述气体穿过的至少两个放电间隙(100)，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
·向第一高压电极(2)提供具有第一电压振幅的电压供应，其中，所述第一电压振幅高于由所述第一高压电极(2)形成的所述第一间隙的第一击穿电压(UC1)；
·向第二高压电极(6)提供具有第二电压振幅的电压供应，其中，所述第二电压振幅高于由所述第二高压电极(6)形成的所述第二间隙的第二击穿电压(UC2)；
·调整所述第一和第二电压振幅，以使所述第一间隙和所述第二间隙的功率输入大致相同。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
使用具有多个抽头的变压器来提供所述第一和第二电压。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
每个间隙具有其自身的电源(130、131、132)，以提供不同的电压。
11.一种使用通过无声放电从含氧气体中产生臭氧的装置的臭氧生产方法，所述装置具有以嵌套方式安装的电极，所述电极具有至少两个高压电极(2、6、10)和至少一个接地电极(3、8、12)，其中，在每个高压电极(2、6、10)和接地电极(3、8、12)之间设置有电介质(4、5、9、11)，并且其中，形成由所述气体穿过的至少两个放电间隙(100)，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
·使用布置在高压电极(2、6、10)和相应的电介质(4、5、9、11)之间的所述间隙中的填充材料来调整至少一个间隙的容量，以使所有间隙的功率输入大致相同。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述填充材料为丝网，优选地，由不锈钢制成。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，
所述装置具有所述内部电极为接地电极的奇数个间隙。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，
所有高压电极(2、6、10)均使用单个电源(13)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述高压电极(2、6、10)并联连接至所述单个电源(13)。
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