DE102011008947A1 - Leichte eigensichere Ozonelektrode - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel für organische Substanzen und für anorganische Verbindungen, welche Elemente mit mehreren Oxidationsstufen enthalten. Von den vielfältigen Anwendungsgebieten für Ozon ist unter anderem der Einsatz bei der Wasseraufbereitung zu erwähnen.
- Technisch lässt sich Ozon durch stille elektrische Entladung in einem sauerstoffhaltigen Gas erzeugen. Unter stiller elektrischer Entladung wird im Gegensatz zu einer Funkenentladung eine stabile Plasmaentladung oder Koronaentladung verstanden. Dabei wird molekularer Sauerstoff in atomaren Sauerstoff dissoziiert. Die reaktionsfreudigen Sauerstoffatome lagern sich dann in einer exothermen Reaktion an molekularen Sauerstoff an und bilden dreiatomige Sauerstoffmoleküle, also Ozon. Die Ozonausbeute ist unter anderem von der elektrischen Feldstärke und der Betriebstemperatur abhängig.
- Außerdem wurde eine Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung beobachtet. Die Abhängigkeit von der Betriebstemperatur beruht darauf, dass Ozon bei höheren Temperaturen schneller wieder zu molekularem Sauerstoff zerfällt und durch die dadurch bedingte Verschiebung des Gleichgewichts zwischen entstehendem und zerfallendem Ozon die verfügbare Ozonkonzentration geringer ist. Höhere Feldstärken, die ebenfalls zu einer erhöhten Ozonausbeute führen, können u. a durch eine Verringerung des Spaltes und durch die Auswahl von Dielektrika mit höherer relativer Dielektrizitätskonstante erzielt werden. Für Dielektrika mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante kommen dotierte Gläser oder keramische Materialien in Frage. Allerdings haben Dielektrika aus keramischen Materialien den Nachteil, dass sie inhomogen sind und praktisch eine geringere Durchschlagsfestigkeit als homogene Materialien haben können. Darüber hinaus sind hochwertige keramische Materialien als Formkörper mit hoher Maßhaltigkeit extrem teuer. Dünnere Dielektrika erhöhen darüber hinaus das Risiko eines dielektrischen Durchschlags.
- Einer Verringerung des Spalts sind Grenzen gesetzt durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen sowie Biegungen und Verwerfungen durch mechanische Belastungen und Wärmeausdehnung im Betrieb. Da eine Feldstärkeerhöhung durch Verringerung der Spaltbreite und Verwendung von Dielektrika mit großer Dielektrizitätskonstante zu einem erheblichen Anstieg der Herstellungskosten führt, sind hier wirtschaftliche Grenzen gesetzt.
- Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
WO 93/16001 - Aus der
JP 1-51303 - In beiden genannten Dokumenten ist mittig in der Elektrodenanordnung als Träger für das Füllmaterial ein metallische Leiter vorgesehen, der auch zur elektrischen Kontaktierung des Füllmaterials dient.
- Der nächstkommende Stand der Technik ist in der
EP 0 789 666 B1 dargestellt. Dieses Dokument beschreibt Ozonerzeuger mit einer direkt gekühlten Außenelektrode und einer stabförmigen metallischen Innenelektrode mit einem dazwischen liegenden Dielektrikum. Zwischen den Elektroden und dem Dielektrikum ist jeweils ein Drahtgestrick angeordnet, das zum einen den Wärmeübergang von dem Einsatzgas auf die gekühlten Elektroden verbessert und zum anderen eine Vielzahl von Hohlräumen für die stille Entladung darstellt. - Durch die elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige gasdurchlässige Anordnung wird erreicht, dass bei erzwungener Kühlung der Elektroden auch die durch die Entladung sowie durch die exotherme Reaktion des atomaren mit dem molekularen Sauerstoff entstehende Wärme im Spalt zwischen der Elektrode und dem Dielektrikum sowie aus dem Dielektrikum besser abgeführt wird, da einmal eine direkte wärmeleitende Verbindung zwischen der Elektrode und dem Dielektrikum besteht und zum anderen die Wärmeübergangsfläche zum durchströmenden Gas wesentlich erhöht wird, während der Wärmeübergangsweg zu sämtlichen Punkten innerhalb des Spaltes verringert ist. Da Ozon die Tendenz hat, mit zunehmender Temperatur wieder zu zerfallen und sich somit ein temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen Ozon- und Sauerstoffgehalt einstellt, kann durch wirksame Kühlung der Zerfall von Ozon vermindert und dadurch die Ausbeute verbessert werden.
- Im Gegensatz zu einem normalen Spalt, den das sauerstoffhaltige Gas und das erzeugte Ozon in nahezu laminarer Strömung durchströmt, wird durch die elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige gasdurchlässige Anordnung eine turbulente Strömung im Spalt erzwungen mit der Folge, dass die Gasmoleküle auch immer wieder an die Oberfläche der direkt kühlbaren Elektroden gelangen und dadurch die Wärme besser abgeben können.
- Durch die eingesetzten Materialien und die große Anzahl der Elektrodenanordnungen in einem leistungsfähigen Ozonerzeuger ist das Gewicht eines solchen Ozonerzeugers sehr hoch, was Materialkosten und Transportkosten erhöht. Auch das Verhalten bei einem Überschlag zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode bzw. den damit elektrisch leitend verbundenen Gestricken ist nicht optimal. Ein Durchschlag aufgrund eines Bruchs des Dielektrikums führt im allgemeinen zu einem Kurzschluss zwischen dem Elektrodenstab und dem als Außenelektrode wirkenden Wärmetauscherrohr, was zu einer Abschaltung des gesamten Ozonerzeugers führt.
- Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Gesamtgewicht der Vorrichtung reduziert wird und das Verhalten bei einem Durchschlag verbessert wird.
- Diese Aufgabe wird von einer Elektrodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Weil bei der Elektrodenanordnung für einen Ozongenerator mit einer rohrförmigen Außenelektrode, die konzentrisch und in einem Abstand ein rohrförmiges Dielektrikum umgibt, wobei das Dielektrikum in einem Abstand konzentrisch einen Stab umgibt, und wobei in dem Zwischenraum zwischen der Außenelektrode und dem Dielektrikum sowie in dem Zwischenraum zwischen dem Dielektrikum und dem Stab ein Füllmaterial vorgesehen ist, der Stab ein Isolator ist, ist die gesamte Elektrodenanordnung leichter als im Stand der Technik ausführbar. Insbesondere kann bei einem Durchschlag aufgrund eines Bruchs des Dielektrikums die Elektrodenanordnung ein eigensicheres elektrisches Verhalten zeigen, weil bei dem Durchschlag die wesentlich leichtere Innenelektrode, die allein aus dem Füllmaterial besteht, verdampfen kann, ohne dass die wesentlich massereichere Außenelektrode beschädigt wird. Der Ozongenerator kann im Allgemeinen trotz des Durchschlags in Betrieb bleiben.
- Die Fertigung ist besonders einfach, wenn der Stab massiv ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Stab hohl ist, wodurch das Gewicht weiter gesenkt wird.
- Eine besonders robuste Anordnung ergibt sich, wenn der Stab rund ist. Ein eckiger Stab kann jedoch die Fertigung vereinfachen.
- Vorzugsweise ist der Stab aus einem technischen Glas gefertigt, beispielsweise aus einem Glas, das unter den Marken DURAN oder PYREX angeboten wird.
- Vorzugsweise ist das Füllmaterial aus einem Drahtgestrick gefertigt, bevorzugt aus Edelstahl. Es können aber auch ein bei einfachen Anwendungen ein Geflecht oder Gewebe, ein Gewirk oder eine unstrukturierte Drahtmasse vorgesehen sein.
- Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn das Füllmaterial (
5 ) in dem Zwischenraum zwischen dem Dielektrikum und dem Stab unmittelbar mit einem Anschluss für eine elektrische Spannungsversorgung versehen ist. - Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 : eine Elektrodenanordnung für einen Ozongenerator in einer verkürzten Darstellung im Längsschnitt; sowie -
2 : die Elektrodenanordnung aus1 in einer perspektivischen Darstellung. - In der
1 ist verkürzt und in einem Längsschnitt eine Elektrodenanordnung eines Ozongenerators mit einer rohrförmigen Außenelektrode1 , einem ebenfalls rohrförmigen Dielektrikum2 und einem innenliegenden Stab3 dargestellt. Die Anordnung ist rotationssymmetrisch. Die Außenelektrode1 , das Dielektrikum2 und der Stab3 sind konzentrisch zueinander ausgerichtet. - Zwischen der Außenelektrode
1 und dem Dielektrikum2 liegt ein Drahtgestrick4 , das den Zwischenraum ausfüllt. Entsprechend ist zwischen dem Dielektrikum2 und dem Stab3 ein Drahtgestrick5 vorgesehen, das den dort befindlichen Zwischenraum ebenfalls ausfüllt. Die Außenelektrode1 ist in bekannter Weise als Edelstahlrohr ausgebildet und wird im Betrieb von außen gekühlt. Der mechanische Aufbau ist so ausgeführt, dass die Außenelektrode1 Teil eines Rohrbündelwärmetauschers ist, der eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen gemäß1 aufweist, die außen von Kühlwasser umströmt werden. - Das Dielektrikum
2 ist ebenfalls in bekannter Weise ein Glasrohr. Die Drahtgestricke4 und5 sind vorzugsweise als sogenannte Rundhohlschnur ebenfalls aus einem Drahtgeflecht aus Edelstahl gefertigt. Diese Komponenten sind aus dem gattungsbildenden Stand der Technik bekannt. - Der im Zentrum der Elektrodenanordnung angeordnete Stab
3 ist erfindungsgemäß ein Isolator, beispielsweise aus Glas oder aus einem anderen sauerstoff- und ozonkompatiblen Material gefertigt. Der Stab3 kann, wie in1 dargestellt, massiv ausgeführt sein. - Im Betrieb wird in bekannter Weise die Elektrodenanordnung mit einem sauerstoffhaltigen Einsatzgas beaufschlagt, welches die Drahtgestricke
4 und5 in Richtung der Pfeile6 durchströmt. - Die
2 zeigt die Elektrodenanordnung aus1 in einer schematischen perspektivischen Darstellung, wobei die einzelnen. Komponenten in Axialrichtung auseinander gezogen dargestellt sind. Wie die2 zeigt, kann der Stab3 auch als Rohr, beispielsweise als Glasrohr ausgeführt sein. - Schematisch ist eine elektrische Spannungsversorgung
10 angedeutet, die einerseits mit der Außenelektrode1 und andererseits mit dem Gestrick5 kontaktiert ist. Die von der Spannungsversorgung10 zur Verfügung gestellte Betriebsspannung bewirkt in den Hohlräumen der Gestricke4 und5 eine stille elektrische Entladung, die aus dem Sauerstoff, der in Richtung der Pfeile6 durch die Gestricke4 und5 strömt, Ozon generiert. - Bei dem in den
1 und2 dargestellten Aufbau ist die innere Elektrode allein von dem Gestrick5 gebildet, während der Stab3 als Isolator eine stützende Funktion ausübt, die das gleichmäßige Ausfüllen des Innenraums des Dielektrikums2 mit dem Drahtgestrick5 gewährleistet. Der Stab3 kann auch die Montage des Drahtgestricks5 in dem Dielektrikum2 erleichtern. - Es zeigt sich, dass der als Isolator ausgeführte Stab
3 im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten elektrisch leitenden Zentralelektroden aus Edelstahl mehrere Vorteile aufweist, ohne die elektrischen Eigenschaften und insbesondere den Wirkungsgrad der Elektrodenanordnung hinsichtlich der Ozonerzeugung negativ zu beeinflussen. Die Vorteile des als Isolator ausgeführten Stabes3 bestehen zum Einen im geringeren Gewicht. Während der üblicherweise eingesetzte Edelstahl eine Dichte von rund 7.900 kg/m3 aufweist, ist die Dichte eines technischen Glases, das für den Stab3 verwendet werden kann, mit 2.230 kg/m3 angegeben. Auf Grund der großen Anzahl von Elektroden in einem leistungsfähigen Ozonerzeuger wird das Gesamtgewicht entsprechend reduziert. - Die notwendige elektrisch leitende Oberfläche für die zur Ozonerzeugung genutzte Barriereentladung kann auf eine minimal erforderliche Größe reduziert werden.
- Ein wichtiger Aspekt besteht in dem Masseverhältnis zwischen der Außenelektrode
1 und dem als Gegenelektrode5 eingesetzten. Drahtgestrick. Während die Außenelektrode aus einem Edelstahlrohr gefertigt ist, das ein Gewicht pro Meter von etwa 350 g aufweist, wird die Gegenelektrode aus einem Edelstahldraht mit einem Drahtdurchmesser von etwa 0,2 mm gefertigt und wiegt pro Meter nur rund 12 g. Das Drahtgestrick5 ist also erheblich leichter als die Außenelektrode1 . Die Wärmekapazität, die Schmelztemperatur und die Schmelzenergie der verwendeten Materialien für die Außenelektrode1 und für das Drahtgestrick5 sind etwa gleich. Der Stab3 nimmt an elektrischen Vorgängen im Falle eine Durchschlags nicht teil und kann dabei unberücksichtigt bleiben. - Dies bedeutet, dass im Falle eines Isolationsfehlers, der durch einen Bruch des Dielektrikums
2 auf Grund mechanischer Belastung entstehen kann, die Elektrodenanordnung ein eigensicheres Verhalten zeigt. Kommt es zu einem Kurzschluss zwischen der Außenelektrode1 und dem Drahtgestrick5 , so wird auf Grund des oben beschriebenen Massenverhältnisses das Drahtgestrick5 durch den elektrischen Überschlag verdampft, bis ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Drahtgestrick5 und der Außenelektrode1 wieder hergestellt ist. Die Außenelektrode1 wird auf Grund ihrer wesentlich größeren Masse hierbei nicht beschädigt oder beeinträchtigt. Die beschädigte Elektrode kann deshalb in dem Ozonerzeuger verbleiben und muss nicht sofort ausgetauscht werden. Dieses eigensichere Verhalten ist nicht erzielbar, wenn ein metallischer Leiter als zentraler Stab3 und damit als Gegenelektrode im Zentrum der Elektrodenanordnung eingesetzt wird. - Als Material für den Stab
3 kommen vor allem technische Gläser in Frage, die als Stab aus rundem Vollmaterial, aus eckigem Vollmaterial oder auch als Rohr ausgeführt sein können. Die anderen Komponenten der Elektrodenanordnung entsprechen dem eingangs beschriebenen gattungsbildenden Stand der Technik, wobei die Kontaktierung der Spannungsversorgung10 unmittelbar an dem Gestrick5 erfolgt, während im Stand der Technik die Kontaktierung an der zentralen Elektrode erfolgen kann. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Außenelektrode
- 2
- Dielektrikum
- 3
- Stab
- 4
- Drahtgestrick
- 5
- Drahtgestrick
- 6
- Strömungsrichtung
- 10
- elektrische Spannungsversorgung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 93/16001 [0006]
- JP 1-51303 [0007]
- EP 0789666 B1 [0009]
Claims (7)
- Elektrodenanordnung für einen Ozongenerator mit einer rohrförmigen Außenelektrode (
1 ), die konzentrisch und in einem Abstand ein rohrförmiges Dielektrikum (2 ) umgibt, wobei das Dielektrikum (2 ) in einem Abstand konzentrisch einen Stab (3 ) umgibt, und wobei in dem Zwischenraum zwischen der Außenelektrode (1 ) und dem Dielektrikum (2 ) ein Füllmaterial (4 ) vorgesehen ist, sowie in dem Zwischenraum zwischen dem Dielektrikum (2 ) und dem Stab (3 ) ein Füllmaterial (5 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (3 ) ein Isolator ist. - Elektrodenanordung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (
3 ) massiv ist. - Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (
3 ) hohl ist. - Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (
3 ) rund ist. - Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g-ekennzeichnet, dass der Stab (
3 ) aus Glas gefertigt ist - Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (
4 ) und das Füllmaterial (5 ) aus einem Drahtgestrick gefertigt sind. - Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vdas Füllmaterial (
5 ) in dem Zwischenraum zwischen dem Dielektrikum (2 ) und dem Stab (3 ) mit einem Anschluss für eine elektrische Spannungsversorgung (10 ) versehen ist.
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