CZ19678U1

CZ19678U1 - Ozone generator with discharge of electricity

Info

Publication number: CZ19678U1
Application number: CZ200921091U
Authority: CZ
Inventors: Pekárek@Stanislav; Studenovský@Pavel
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2009-06-01

Description

Generátor ozonu s elektrickým výbojemOzone generator with electric discharge

Oblast technikyTechnical field

Předkládané řešení se týká zařízení pro generaci ozónu s elektrickým výbojem v magnetickém poli.The present invention relates to a device for generating ozone with an electric discharge in a magnetic field.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Ozon je silné dezinfekční a oxidační činidlo, které ve styku s organickými sloučeninami, bakteriemi nebo viry tyto kontaminanty ničí. Vzhledem k těmto vlastnostem má ozon mnohostranné použití například pro čištění pitné i užitkové vody, v potravinářském průmyslu, v lékařství, je používán pro odstraňování pachů v kuchyních, v budovách po požárech, v budovách po povod10 nich atd.Ozone is a strong disinfectant and oxidizing agent that, in contact with organic compounds, bacteria or viruses, destroys these contaminants. Due to these properties, ozone has a wide range of uses, for example for the purification of drinking and service water, in the food industry, in medicine, is used to remove odors in kitchens, in buildings after fires, in buildings after floods10 etc.

Ozon je obvykle generován třemi způsoby, a to elektrochemicky, ultrafialovým zářením nebo elektrickými výboji. Pro praktické aplikace je největší množství ozonu generováno elektrickými výboji za atmosférického tlaku - jedná se o výboj koronový nebo dielektrický bariérový výboj. Ozon je v elektrickém výboji generován řadou plazmachemických procesů které probíhají v jeho is tak zvané aktivní oblasti. Tyto procesy jsou spouštěny energetickými elektrony generovanými výbojem. Elektrony disociují molekuly dusíku a kyslíku přítomné ve vzduchu a spouštějí soustavu reakcí vedoucích jak ke generaci tak i k destrukci ozonu. Výsledná koncentrace vzniklého ozonu je pak dána dynamickou rovnováhou uvedených reakcí. Z uvedeného je zřejmé, že rozhodující úlohu pro generaci ozonu hraje množství energetických elektronů, vzniklých ve výboji.Ozone is usually generated in three ways, namely electrochemically, ultraviolet radiation or electric discharges. For practical applications, the greatest amount of ozone is generated by atmospheric pressure electrical discharges - corona or dielectric barrier discharges. Ozone is generated in an electric discharge by a series of plasmachemical processes that take place in its so-called active region. These processes are triggered by the energy electrons generated by the discharge. Electrons dissociate nitrogen and oxygen molecules present in the air and trigger a system of reactions leading to both ozone generation and destruction. The resulting ozone concentration is then given by the dynamic equilibrium of the reactions. From the above, it is clear that the amount of energy electrons generated in the discharge plays a decisive role for the ozone generation.

Vzhledem k tomu, že však generace ozonu samotnými elektrickými výboji již téměř dosáhla teoretických mezí jsou hledány cesty jak tuto generaci zvýšit například optimalizací výbojových systémů, použitím katalyzátorů nebo dielektrických materiálů případně použitím dalších polí aplikovaných na výboj. Jedním z nich je aplikace ultrazvukového pole na generátor ozonu. Je známé řešení podle CZ 295687, kde je zařízení pro generaci ozónu tvořené výbojovou komorou, do které je z jedné strany zaústěna svým hrotem dutá jehla, jejíž druhý konec je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu. Tento druhý konec je připojen ke svorce záporné polarity vysokonapěťového zdroje, Z druhé strany, proti duté jehle, je do výbojové komory vyústěna uzemněná vodivým nástavcem elektroda. Rovinná Čelní plocha nástavce je kolmá na osu duté jehly. Nástavec je elektricky uzemněn a je akusticky navázán na piezoelektrický měnič připojený na výstup výkonového elektrického generátoru s kmitočtem ležícím v oblasti ultrazvukového pásma. Dutá jehla je uložena v reflektoru, jehož Čelní plocha je rovinná a je umístěna ve výbojové komoře proti čelní ploše vodivého nástavce, se kterou je rovnoběžná a tvoří tak spolu s tímto vodivým nástavcem akustický rezonátor.However, since the generation of ozone by electrical discharges has almost reached theoretical limits, ways are being sought to increase this generation, for example by optimizing discharge systems, by using catalysts or dielectric materials, or by using other fields applied to the discharge. One of these is the application of an ultrasonic field to the ozone generator. A solution according to CZ 295687 is known, in which the ozone generating device is formed by a discharge chamber, into which a hollow needle is connected from one side with its tip, the other end of which is adapted for supply of compressed working gas. This other end is connected to the negative polarity terminal of the high voltage source. On the other side, opposite to the hollow needle, a grounded electrode leads to the discharge chamber. Plane The end face is perpendicular to the axis of the hollow needle. The extension is electrically grounded and is acoustically coupled to a piezoelectric transducer connected to the output of the power generator at a frequency lying in the region of the ultrasonic band. The hollow needle is housed in a reflector whose face is planar and is disposed in the discharge chamber opposite the face of the conductive handpiece with which it is parallel to form an acoustic resonator along with the conductive handpiece.

Nevýhodou tohoto provedení však je, že na generaci ultrazvukového pole je třeba vynaložit značnou energii, což výrazně zvyšuje energetickou náročnost procesu generace ozonu.However, a disadvantage of this embodiment is that considerable energy is required to generate the ultrasonic field, which greatly increases the energy consumption of the ozone generation process.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nevýhody odstraňuje generátor ozónu s elektrickým výbojem podle předkládaného řešení. Tento generátor je tvořen válcovou výbojovou komorou, jejíž stěna z vodivého materiálu je uzemněná. V ose této komory je do jejího vnitřního prostoru zaústěna svým hrotem elektricky vodivá dutá centrální elektroda. Druhý konec této duté centrální elektrody je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu, obvykle vzduchu nebo kyslíku a je přes stabilizační odpor připojena ke svorce záporné polarity vysokonapěťového zdroje. Výstup odvodu směsi vzniklého ozonu s pracovním plynem je vytvořen ve stěně válcové výbojové komory. Podstatou nového řešení je, že válcová výbojová komora je umístěna mezi dvěma permanentními magnety tak, že vektor magnetické indukce pole vytvořeného těmito permanentními magnety je kolmý na vektor proudové hustoty, orientovaný radiálně mezi dutou centrální elektrodou a vnější válcovou elektrodou tvořenou stěnou válcové výbojové komory. Dutá centrální dutá elektroda může být libo-1 CZ 19678 Ul volného tvaru, který zajišťuje dostatečně vysokou intenzitu elektrického pole potřebného pro vznik výboje a současně umožňuje do výboje dodávat pracovní plyn.The above disadvantages are overcome by the electrical discharge ozone generator of the present invention. This generator consists of a cylindrical discharge chamber, whose wall of conductive material is grounded. An electrically conductive hollow central electrode opens into the inner space of the chamber with its tip. The other end of the hollow central electrode is adapted to supply a pressurized working gas, usually air or oxygen, and is connected to a negative polarity terminal of the high voltage source via a stabilizing resistor. The discharge outlet of the ozone-working gas mixture is formed in the wall of the cylindrical discharge chamber. The essence of the novel solution is that the cylindrical discharge chamber is positioned between two permanent magnets such that the magnetic field induction vector formed by these permanent magnets is perpendicular to the current density vector oriented radially between the hollow central electrode and the outer cylindrical electrode formed by the cylindrical discharge chamber wall. The hollow central hollow electrode may be of free form, which provides a sufficiently high intensity of the electric field required for the discharge and at the same time allows the working gas to be supplied to the discharge.

Navrhované řešení koaxiálního uspořádání elektrod výbojové komory, způsobu dodávání pracovního plynu do výboje centrální jehlovou elektrodou a použití magnetického pole kombinuje několik výhod které jsou významné pro účinnou generaci ozonu. Použití magnetického pole, kdy vektor magnetické indukce je kolmý k vektoru proudové hustoty, vede k intenzifikaci procesů ionizace, ke zvýšení generace elektronů a následně tedy ke zvýšení koncentrace ozonu produkovaného výbojem. Dodávání pracovního plynu do výboje centrální jehlovou elektrodou eliminuje mrtvý prostor generátoru ve kterém ke generaci ozonu nedochází, což zvyšuje produkci ozonu.The proposed solution of the coaxial arrangement of the discharge chamber electrodes, the method of supplying the working gas to the discharge with a central needle electrode, and the use of a magnetic field combines several advantages that are important for efficient ozone generation. The use of a magnetic field, where the magnetic induction vector is perpendicular to the current density vector, leads to an intensification of ionization processes, an increase in electron generation and consequently an increase in the ozone concentration produced by the discharge. The supply of working gas to the discharge by the central needle electrode eliminates the dead space of the generator in which ozone generation does not occur, which increases ozone production.

Dodávání pracovního plynu do výboje zvyšuje jeho proudový rozsah a výboj stabilizuje. Velkou výhodou řešení s použitím magnetického poleje, že se zvýšení koncentrace generovaného ozonu dosáhne bez dalších energetických nároků.Supplying the working gas to the discharge increases its current range and stabilizes the discharge. A great advantage of the magnetic field solution is that the increase in ozone concentration is achieved without additional energy requirements.

Přehled obrázku na výkreseOverview of the figure in the drawing

Příklad generátoru ozonu s elektrickým výbojem v magnetickém poli podle předkládaného řešení je schematicky naznačen na přiloženém výkrese.An example of a magnetic-field ozone generator according to the present invention is schematically indicated in the accompanying drawing.

Příklady provedení technického řešeníExamples of technical solution

Generátor ozonu na obr. 1 je tvořen válcovou výbojovou komorou i, která je umístěna v magnetickém poli vytvořeném dvěma permanentními magnety 2. V ose této výbojové komory £ je zaústěna elektricky vodivá dutá centrální elektroda 3, která je zde tvořena dutou jehlou. Tato dutá centrální elektroda 3 je přes stabilizační odpor 5 spojená se svorkou zápomé polarity vysokonapěťového zdroje 6. Uzemněná stěna válcové výbojové komory £ z vodivého materiálu tvoří vnější válcovou elektrodu 4, Válcová výbojová komora £ je umístěna mezi permanentními magnety 2 tak, že vektor magnetické indukce pole vytvořeného těmito permanentními magnety 2 je kolmý na vektor proudové hustoty orientovaný radiálně mezi centrální elektrodou 3 a vnější vál25 covou elektrodou 4 výbojové komory £. Na druhý konec duté centrální elektrody 3 je připojen přívod 7 stlačeného pracovního plynu, nejčastěji vzduchu nebo kyslíku, který se do válcové výbojové komory £ dodává dutou centrální elektrodou 3, v uváděném případě dutou jehlou, v její ose. Elektrický výboj hoří mezi dutou centrální elektrodou 3, tedy mezi špičkou jehly a vnitřní stěnou vnější válcové elektrody 4 výbojové komory £ a směs vzniklého ozonu s pracovním ply30 nem vychází z generátoru výstupem 8.The ozone generator in FIG. 1 is formed by a cylindrical discharge chamber 1, which is located in a magnetic field formed by two permanent magnets 2. An electrically conductive hollow central electrode 3, which here is formed by a hollow needle, terminates in the axis of this discharge chamber. This hollow central electrode 3 is connected via a stabilizing resistor 5 to the negative polarity terminal of the high voltage source 6. The ground wall of the cylindrical discharge chamber 6 of conductive material forms an outer cylindrical electrode 4. The cylindrical discharge chamber 6 is positioned between the permanent magnets 2 such that the magnetic induction vector the field produced by these permanent magnets 2 is perpendicular to the current density vector oriented radially between the central electrode 3 and the outer cylindrical electrode 4 of the discharge chamber 4. Connected to the other end of the hollow central electrode 3 is a supply 7 of compressed working gas, most often air or oxygen, which is supplied to the cylindrical discharge chamber 6 by the hollow central electrode 3, in this case a hollow needle, in its axis. The electric discharge burns between the hollow central electrode 3, i.e. between the tip of the needle and the inner wall of the outer cylindrical electrode 4 of the discharge chamber 4 and the mixture of ozone formed with working gas 30 exits from the generator through the outlet 8.

Místo duté jehly tvořící zde centrální elektrodu 3 umístěnou v ose válcové výbojové komory £ může být použita elektroda jiného tvaru. Podmínkou však je, že vždy na jejich hranách musí být zajištěna dostatečně vysoká intenzita elektrického pole potřebného pro vznik výboje a současně musí být umožněno do výboje dodávat pracovní plyn.Instead of the hollow needle forming here the central electrode 3 disposed in the axis of the cylindrical discharge chamber 6, an electrode of a different shape may be used. The condition is, however, that a sufficiently high intensity of the electric field required for the discharge must always be provided at their edges and at the same time it must be possible to supply working gas to the discharge.

Podstata Činnosti uvedeného generátoru ozonu s elektrickým výbojem v magnetickém poli spočívá v tom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného ze svorky záporné polarity vysokonapěťového zdroje 6 přes stabilizační odpor 5 na elektricky vodivou dutou centrální elektrodu 3 a hořící mezi touto dutou centrální elektrodou 3 a vnitřní stěnou uzemněné vnější válcové elektrody 4 se vystaví působení magnetického pole. Toto pole vybuzené dvěma permanentními magnety 2 je orientováno tak, že vektor magnetické indukce tohoto poleje kolmý na vektor proudové hustoty orientovaný radiálně mezi centrální elektrodou 3 a vnější válcovou elektrodou 4 výbojové komory £. Působením Lorentzovy síly dojde k zakřivení drah elektronů v oblasti výboje, ke zvýšení ionizace a následně ke zvýšení produkce elektronů. V důsledku toho vzroste i koncentrace generovaného ozonu.The operation of said ozone generator with an electric discharge in the magnetic field consists in that the electric discharge caused by the high voltage applied from the negative polarity terminal of the high voltage source 6 via the stabilizing resistor 5 to the electrically conductive hollow central electrode 3 and burning between the hollow central electrode 3 and subjecting the inner wall of the earthed outer cylindrical electrode 4 to a magnetic field. This field excited by the two permanent magnets 2 is oriented such that the magnetic induction vector of this field perpendicular to the current density vector oriented radially between the central electrode 3 and the outer cylindrical electrode 4 of the discharge chamber 4. The action of Lorentz force causes the electron pathways to curb in the discharge region, to increase ionization and consequently to increase electron production. Consequently, the concentration of ozone generated will also increase.

Pro ověření navrhovaného řešení zvýšení koncentrace ozonu generovaného elektrickým výbojem v kombinaci s magnetickým polem bylo postaveno experimentální zařízení. Při výboji v generátoru ozonu pro napětí na výboji 9,4 kV, a proud výbojem 0,6 mA bylo změřeno, že koncentraceTo verify the proposed solution to increase the concentration of ozone generated by electric discharge in combination with a magnetic field, an experimental device was built. With a discharge in the ozone generator for 9.4 kV discharge, and a 0.6 mA discharge current, the concentration

-2CZ 19678 Ul ozonu generovaného samotným výbojem ve vzduchu 190 ppm vzrostla pri stejném proudu pro výboj v magnetickém poli na 270 ppm.The 190 µL of ozone generated by air discharge alone of 190 ppm increased to 270 ppm at the same current for magnetic field discharge.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Kombinací elektrického výboje s magnetickým polem lze dosáhnout zvýšení koncentrace gene5 rováného ozonu pri nezměněné spotřebě elektrické energie dodávané do výboje prostřednictvím zvýšení ionizace a zvětšení reakěního objemu výboje. Další významnou výhodou návrhu je, že generátor ozonu je velmi jednoduchý, snadno regulovatelný a zařízení nepotřebuje další zdroj energie. Uvedené výhody umožní konstrukci menších, výkonnějších mobilních a kompaktních zdrojů ozonu pro celou řadu aplikací například v potravinářském průmyslu, v lékařství, v zarize10 nich pro zvyšování kvality vzduchu v klimatizovaných prostorách, v ozonizátorech pro čištění vody, v zařízeních pro dekontaminaci a sterilizaci látek atd.By combining an electric discharge with a magnetic field, it is possible to achieve an increase in the concentration of the generated ozone with an unchanged consumption of the electricity supplied to the discharge by increasing the ionization and the reaction volume of the discharge. Another significant advantage of the design is that the ozone generator is very simple, easy to control and the device does not need an additional energy source. These advantages will enable the design of smaller, more powerful mobile and compact ozone sources for a wide range of applications, for example in the food industry, medicine, 10 for air quality improvement in air-conditioned areas, water purification ozonators, decontamination and sterilization facilities, etc.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

An electric discharge ozone generator, consisting of a cylindrical discharge chamber, the wall of which is of a conductive material being grounded, wherein an axis of the chamber contains an electrically conductive hollow central electrode into its interior 15 at its tip. gas, usually air or oxygen, and connected via a stabilizing resistor to the negative polarity terminal of the high voltage source, and wherein the cylindrical discharge chamber wall is provided with an outlet for discharging the mixture of ozone formed with working gas, characterized in that the cylindrical discharge chamber (1) is placed between two permanent

20 magnets (2) such that the magnetic field induction vector produced by these permanent magnets (2) is perpendicular to the current density vector oriented radially between the hollow central electrode (3) and the outer cylindrical electrode (4) formed by the wall of the discharge chamber (1) .