DE19503200A1 - Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit durchschlagsicherem Dielektrikum und geringem Energiebedarf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anwendung von Ozon zur Desinfektion oder Oxidation hat mehr und mehr Verbreitung gefunden. Deshalb sind viele Maßnahmen bekannt die die Produktion von Ozon im elektrischen Feld verbessern.

Ein Vorteil der Vorrichtung ist es, daß ein elektrischer Durchschlag des festen Dielektrikums mit Sicherheit auszuschließen ist, weil der Durchschlagweg durch das feste Dielektrikum etwa gleich groß ist, wie der Weg durch das Gas um dieses feste Material herum. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Energiebedarf je Menge hergestelltem Ozon. Im nachfolgenden werden die Probleme und Lösungen beschrieben.

Zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon muß die elektrische Feldstärke so groß sein, daß Gas strecken dabei durchschlagen werden. Andererseits wird bei einem völligen Durchschlag von Elektrode zu Elektrode ein stromstarker Lichtbogen sofort die Spannung abbauen, so daß das elektrische Feld verschwindet. Üblicherweise wird dieser Durchschlag durch eine Isolierstoffwand, meistens ein Glasrohr verhindert.

Elektrisch wirken damit zwei Kapazitäten in Reihe: die Kapazität der Isolierwand und die der Gasstrecke, die bei genügend hoher Spannung durchschlagen wird. Dieser Teildurchschlag ist Voraussetzung für die Bildung von Ozon. Er läßt sich als kurzer Impuls meßtechnisch im Stromkreis zeigen. Die Messung der dabei umgesetzten Ladungsmenge, die für den Energiebedarf bei der Ozonherstellung interessant wäre, ist angesichts der Impulsdauer - in der Größenordnung von ns (nano Sekunden) - und der Wiederholung ähnlicher Impulse unterschiedlicher Höhe unsicher, zumal die Größe der sich dabei entladenden Kapazitäten unbekannt ist. Eine der Kapazitäten, die sich dabei entladen ist in der vorgeschalteten Trennwand lokalisiert. Aus diesen Überlegungen heraus wurde diese Trennwand aus Material mit erhöhter Permittivität erprobt, d. h. die vorgeschaltete Kapazität vor der Gasstrecke vergrößert. Dadurch werden die Entladungen in der Gasstrecke stromstärker.

Es hat sich bei diesen Untersuchungen gezeigt, daß die Menge des erzeugten Ozon nicht in gleicher Weise größer wurde.

Wenn die Vergrößerung der Kapazität, die mit der Ozonerzeugenden Gasstrecke in Reihe liegt, wohl größeren Strom, aber keine größere Ozonausbeute bringt, dann ist der umgekehrte Weg eine geeignete Maßnahme, die Ozonausbeute zu verbessern ohne die Stromquelle mit größerem Strom zu belasten.

Die Anordnung nach der Erfindung entspricht dieser Forderung. Eine Vielzahl von Isolierröhrchen wird parallel an Spannung elektrisch in Längsrichtung beansprucht. Die Röhrchen dienen gleichzeitig auch als Sauerstoff-Zufuhr oder Luft-Zufuhr, wenn Luft als Ausgangsmaterial verwendet wird. Das Volumen, in dem die Entladung erfolgt ist der Spalt zwischen dem Röhrchen und der geerdeten Gegenelektrode. Dieser Spalt wird von dem Sauerstoff sehr gleichmäßig durchflossen, was für den gewünschten Effekt günstig ist. Günstig ist es auch, daß die Anordnung im Sinne des Isolierstoffes "Durchschlagsicher" ist, weil der Weg um den Isolator herum, bzw. neben dem Röhrchen zwischen den spannungsführenden Elektroden nicht weiter als der Weg durch das Material ist. Das Röhrchen kann deshalb nicht in Längsrichtung durchschlagen werden.

Richtig ist der Einwand, daß bei einer Vielzahl parallel liegender Kondensatoren sich die Kapazität aufsummiert. Die Gesamtkapazität ist angesichts des großen Abstandes der spannungsführenden Teile und des geringen Anteils der Fläche im Dielektrikum mit höherer Permittivität dennoch im Vergleich zu üblichen Anlagen klein. Genügend kräftige Entladungsfunken werden dadurch erzielt, daß die Dichte der elektrischen Feldlinien im Isolierstoff um den Faktor ε_r größer ist als in der parallel liegenden Gasstrecke, die erfindungsgemäß auch als die reine Gasstrecke bezeichnet wird bezeichnet wird. Entsprechend ist die elektrische Feldstärke im Spalt, der mit dem Röhrchen elektrisch in Reihe liegt, im etwa gleichen Maße größer. Anders ausgedrückt, der Spannungsabfall am Röhrchen ist gering, so daß fast die gesamte Spannung am Gasspalt zur Verfügung steht. Dadurch ist die Durchschlagfeldstärke in der Gasstrecke schon bei nicht sehr hoher Gesamtspannung erreicht. Diese Spannung ist um so früher erreicht, je höher die Permittivität des Materiales ist, aus dem das Röhrchen besteht. Bei den durchgeführten Versuchen hat sich als Material für die Röhrchen Keramik C 310 nach IEC 672-3 bewährt. Es hatte eine Permittivitätszahl von etwa ε_r = 80. Andere Stoffe lassen sich bei möglicherweise anderen Abmessungen in gleicher Weise einsetzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a Eine teilweise aufgebrochene Darstellung der Vorrichtung in Längsrichtung,

Fig. 1b eine Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang der Ebene A-A aus Fig. 1a.

Beschreibung der Hauptbaugruppen

Das Metallrohr 1 dient sowohl als Hochspannungselektrode als auch als Zuleitungsrohr für den Sauerstoff oder die Luft, die ozonisiert werden soll und auch als Halterung für die Isolierstoff-Röhrchen 2. Die Isolierstoff- Röhrchen 2 sind das Dielektrikum, das durchschlagsicher ausgebildet ist, weil der Durchschlagsweg durch das Rohr in Beanspruchungsrichtung nicht kürzer ist als der Durchschlagweg durch die Luft am Rohr vorbei.

Der Spalt 3 zwischen dem Röhrchen 2 und der Gegenelektrode 4 ist das Volumen, in dem durch die Entladungslichtbogen der Sauerstoff in Ozon umgewandelt wird. Die Gegenelektrode 4 kann im Bedarfsfall gekühlt werden. Die Kunststoff-Wand 5 dient zur Halterung der Röhrchen 2 und bildet den Abschluß des Sammelvolumens 6 für das Sauerstoff-Ozon Gemisch. Eine eventuell mögliche Wasserkühlung der Gegenelektrode 4 ist in dem Volumen 7 vorgesehen. Es dient das Metallrohr als Elektrode, Gas­ zuleitung und Halterung der Röhrchen 2 Isolierstoff- Röhrchen als durchschlagsicheres Dielektrikum und Gas- Zuleitung zum Spalt 3. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet den Spalt zwischen Röhrchen und Gegenelektrode 4 in dem die Umwandlung von Sauerstoff in Ozon erfolgt. Mit 4 ist die Gegenelektrode, die im Bedarfsfall gekühlt werden kann bezeichnet. Die Kunststoff-Wand 5 dient zur Halterung der Röhrchen 2 und dem Abschluß des Sammelvolumens 6 für das Sauerstoff-Ozon Gemisch. Das Bezugszeichen 7 kennzeichnet eine mögliche Kühlung

Detaillierte Beschreibung

Figur Ia zeigt eine Anzahl Isolierröhrchen 2, die parallel angeordnet sind. Auf der einen Seite sind sie in einem metallischen Rohr 1 gehalten, dabei soll das Rohr 1 zur Oberfläche des Isolierstoffes der Röhrchen 2 keinen Luftspalt haben. Das läßt sich realisieren, wenn am Isolierstoff ein leitender Anstrich angebracht wird, der galvanisch mit dem Metall des Rohres verbunden ist. Das metallische Rohr 1 dient als Hochspannungselektrode. Auf der anderen Seite des Röhrchens 2 ist gegenüber der ebenen Gegenelektrode 4 ein Spalt 3 mit genau einstellbarer Breite - in der Versuchsanlage wurden die günstigsten Ergebnisse bei 1,5 mm erzielt - in dem die Entladungen erfolgen die den Sauerstoff teilweise zu Ozon umwandeln. Auf der unteren Seite werden die Röhrchen 2 in einer Kunststoff-Haut 5 gehalten, die gleichzeitig den Sammelbehälter 6 für das Sauerstoff-Ozon-Gemisch darstellt. Die Gegenelektrode 4 kann mit Wasser 7 gekühlt werden, was nach vorliegenden Messungen nur dann erforderlich wird, wenn eine sehr große Anzahl von Röhrchen an dieser Elektrode wirksam ist. Im Prinzip ist auch der umgekehrte Fluß des Gases möglich. Man hat sogar den Vorteil, daß das Volumen des Sauerstoff-Ozon­ gemisches kleiner ist und daß bei Undichtigkeiten zwischen Kunststoffhaut 5 und den Röhrchen 2 nur Sauerstoff und nicht Ozon austritt.

Die Strömungsverhältnisse werden jedoch etwas ungünstiger so daß nach dem Versuch ca. 15% weniger Ozon erzeugt wird. Die Elektroden können im Prinzip ebenfalls vertauscht werden ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Allerdings ist dann eine Wasserkühlung nicht mehr ohne besondere Maßnahmen möglich.

Für Anlagen, in denen große Mengen Ozon hergestellt werden sollen, müssen sehr viele Röhrchen parallel angeordnet werden. Dafür kann es preislich günstiger sein, die Röhrchen durch einen Formkörper, beispielsweise einen Quader mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern, zu ersetzen. Die Voraussetzung geringer Gesamtkapazität, die sich für den Energiebedarf günstig auswirkt, ist dann gegeben, wenn die Wandstärke zwischen den Löchern klein gehalten wird.

Bei quadratischen Löchern bietet es sich an, die Zu- und Ableitung des Gases durch diese Löcher vorzunehmen, wenn sie im Schachbrettmuster beaufschlagt werden. Dann ist in ähnlicher Weise wie bei den Röhrchen mit etwa gleich­ mäßiger Durchströmung der Spalte zu rechnen.

Gegenüber den üblichen Ozon-Erzeugungsanlagen ist bei der Anlage nach der Erfindung die Kapazität zwischen den Elektroden extrem klein. Entsprechend ist der kapazitive Blindstrom kleiner, so daß der Strombedarf geringer ist. Die Tatsache, daß das Volumen, in dem die Ozonisierung erfolgt nur extrem klein ist, hat die Folge, daß Sauerstoff-Ozon-Gemisch im elektrischen Feld nur geringe Aufenthaltsdauer hat. Dadurch ist der sonst stattfindende Zerfall des Ozones mit dabei bereits im elektrischen Feld freiwerdender Verlustwärme vermieden. So ist es zu verstehen, daß die gemessene erforderliche Energie je g Ozon deutlich geringer als bei den üblichen Anlagen ausfällt und das eine Erwärmung kaum feststellbar ist.

Nach vorliegenden Messungen beträgt der erforderliche Energiebedarf statt üblicherweise etwa 8-10 Wh pro g Ozon nur etwa 2,25 Wh pro g Ozon. Der letztere Meßwert bezieht sich auf eine Anordnung ohne Transformatorverluste.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Ozonerzeugung im elektrischen Feld, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung führenden Teile zu den geerdeten Teilen einen genügend großen Abstand haben, um auch in der reinen Gasstrecke bei den höchsten benötigten Spannungen keinen Durchschlag zu erhalten und daß der dielektrische Verschiebungsfluß durch feste Isolierstoffe soweit konzentriert wird, daß in dem Gasspalt zwischen Isolatoroberfläche und Gegenelektrode die Feldstärke zur Ozonerzeugung ausreicht.

2. Vorrichtung zur Ozonerzeugung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Kapazität des einzelnen Ozonerzeugerelementes minimal so groß ist, wie es für die Stoßionisation der Sauerstoffmoleküle bei vorgegebener Spannung erforderlich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Isolierstoff, so ausgebildet ist, daß die Zuführung des Sauerstoffes oder der Luft zum Gasspalt darin erfolgen kann, beispielsweise als ein in Achsrichtung elektrisch beansprucht es Rohr.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß statt einer Vielzahl von parallel liegenden Rohren ein Formkörper mit durchgehenden Löchern verwendet wird, durch die das Gas zugeführt oder auch zugeführt und abgeführt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Isolierstoff aus einem Material mit höherer Permittivitätszahl ε_r als Glas besteht.