DE19712007C2 - Ozonisator - Google Patents

Abstract

Ozonisator, der zwei von dielektrischer Barriere getrennte Elektroden aufweist, die an einer Wechselstromquelle angeschlossen sind, wobei sich in der Lücke zwischen den Elektroden Luft oder Sauerstoff befindet, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, DOLLAR A daß zwischen der Lücke d3, in der Luft oder Sauerstoff geführt wird, und zwischen der Lücke d1, in der ein flüssiges Dielektrikum "C" geführt wird, das gleichzeitig wie eine dielektrische Barriere ist und als Kühler der Elektrode 7 und der Zone der Glimmentladung 4 dient, eine Zwischenelektrode 5 angeordnet ist, die aus einem Material mit ungleichartiger Struktur besteht, wobei sein elektrischer Widerstand perpendicularen dem Vektor des elektrischen Feldes sehr groß sein soll, d. h. mit dem spezifischen elektrischen Widerstand größer als 100000 Ohm/cm, und in die Richtung parallel zu dem Vektor der elektrischen Feldstärke zwischen den Elektroden 3 und 7 elektrischer Widerstand kleiner gleich dem elektrischen Widerstand der Elemente 6 und 8 sein soll, daß die Durchbohrung durch die Zwischenelektrode 5 aus dem Material mit dem spezifischen elektrischen Widerstand, weniger als 0,0008 Ohm x cm sind erledigt und eine Wärmeleitung haben, die größer ist als (20-40) Wt/mK, wobei die Oberfläche der Elemente 6 und 8, die zu der Lücke d1 zu der Elektrode 7 gewandt ist, die Fläche (m2) haben sollen, die sich nach der Ungleichung (Formel (I), P.1. Schutzansprüche) bestimmen und die Flächen d4 sollen sich innerhalb der Bereiche, beschränkt von der ...

Description

Ozonisatoren sind in den verschiedensten Varianten bekannt und werden umfangreich in der Industrie verwendet. Am weitesten verbreitet sind Ozonisatoren, die auf der "Glimmentladung" be­ ruhen. Das grundlegende konstruktive Element dieser Ozonisato­ ren besteht aus zwei metallischen Elektroden, die parallel ver­ laufen und zwischen denen sich eine Isolierungsbarriere und ein Spalt zum Durchtritt von Luft bzw. von Sauerstoff befinden.

Bei derartigen Ozonisatoren ergeben sich jedoch folgende Pro­ bleme:

An das Material für die Isolierungsbarriere werden sehr hohe und kaum erfüllbare Anforderungen gestellte wie die hohe elek­ trische Festigkeit, die hohe Gleichartigkeit der Struktur, das Fehlen der nebensächlichen Einschaltungen, die Stabilität der Charakteristiken bei dauernden Laufzeiten unter der Glimmen­ tentladung und der hohen Spannung des elektrischen Feldes, falls die Notwendigkeit, eine hohe dielektrische Durchlässig­ keit zu haben, besteht.

Es ist bei den existierenden Konstruktionen der Ozonisatoren praktisch unmöglich, für eine effektive Abkühlung der Zone der Glimmententladung zu sorgen, da diese bei allen bekannten Kon­ struktionen der Hochspannungselektrode von einem festen Dielek­ trikum, z. B. Glas umgeben sind, um eine Isolierungsbarriere auszubilden, die eine niedrige Wärmeleitung aufweist. Es gibt Versuche zur gemeinsamen Abkühlung des festen Dielektrikums und der Hochspannungselektrode, z. B. durch Hindurchpumpen eines flüssigen Dielektrikumes. Dies ist für eine effektive Abkühlung der Glimmententladungszone des Ozonisators jedoch ungenügend.

Dieses Problem stellt das grundlegende Hindernis bei der Kon­ struktion von Ozonisatoren dar, die einen höheren Wirkungsgrad bei erhöhten bzw. hohen Frequenzen bis zu 10000 Hz haben. Dies ist nur unter der Bedingung möglich, daß für eine effektive Wärmeabfuhr gesorgt, um eine niedrige Temperatur in der Glim­ mententladungszone zu sichern.

Außerdem bedingt die Vergrößerung der Dicke der Isolierbarriere (feste und flüssige dielektrischen Schichten) eine entsprechen­ de Vergrößerung der Wechselspannung, was die Energieverluste ohne eine Erhöhung der Produktivität des Ozonisatoresn bedingt.

Aufgrund dieser Probleme haben derartige Ozonisatoren bisher noch keine Marktreife erlangt.

Ferner sind auch Ozonisatoren, z. B. gemäß der DE 29 25 667 be­ kannt, bei denen, in der Absicht der gleichmäßigen Einteilung der statistisch unbestimmten Zonen der Glimmententladung auf der Oberfläche des festen Dielektrikumes, die zu der Zone der Glimmententladung gewandte Seite des Dielektrikums mit elek­ trisch leitenden und elektrisch voneinander isolierten Inseln versehen ist, wobei die Inseln in Vertiefungen des Dielektri­ kums angeordnet sind. Dadurch wird zwar eine gleichmäßige Ver­ teilung der Glimmentladungen erreicht, jedoch verbessert sich nicht die Wärmeabfuhr aus der Glimmentladungszone, da das feste Dielektrikum sich zwischen dem Kühler und der Zone der Gasent­ ladung befindet, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit ist eine unüberwindliche Barriere für die Wärmeabfuhr ge­ geben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Ozonisator zu schaf­ fen, bei dem die Warmeableitung aus der Glimmentladungszone ge­ währleistet ist, so daß eine höhere Leistung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei kann die Frequenz der Hochspannung, ohne die Gefahr der Rückumwandlung des gebildeten Ozons in Sauerstoff zu vergrö­ ßern, erhöht werden, wobei auf dieser Grundlage ein grundsätz­ lich neue und effektivere Konstruktion eines Ozonisatores er­ möglicht wird. Dazu besteht erfindungsgemäß die Isolierungsbar­ riere ausschließlich aus einem flüssigen Dielektrikum.

Der große Vorteil der Erfindung ist die Vollständiger Selbstwie­ derherstellung der dielektrischen Isolierungsbarriere bei einem zufälligen Durchschlagen des Abstands. Die nochmalige Hochspan­ nungeinschaltung ist ohne Demontage und Reparatur des Ozonisa­ tores, die bei dem Vorhandensein eines festen Dielektrikums un­ vermeidlich wäre, möglich.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht den Ozonisator mit zy­ lindrischen Elektroden,

Fig. 2 in einer schematischen Ansicht den Ozonisator mit fla­ chen Elektroden,

Fig. 3 in einer schematischen Ansicht die Elemente und ihre Konstruktion mit dem zusätzlichen magnetischen Feld, und

Fig. 4 ein allgemeines Blockdiagramm des Ozonisators mit den Spannungsquellen, den Systemen der Abkühlung und der Luftvorbereitung.

In Fig. 1 ist längs der Achse Z die metallische Elektrode 7 an­ geordnet, an der der Hochspannungsausgang der Spannungsquelle 9 angeschlossen ist. Achsfluchtig mit der Elektrode 7 und dem Raum mit dem Abstand d1, der mit dem flüssigen Dielektrikum (durch den Eingang C) gefüllt ist, ist die Zwischenelektrode 5 angeordnet. Die Ausgestaltung dieser Zwischenelektrode 5 mit einer Dicke d2 und einer hohen Wärmeleitung mit direkt angren­ zendem flüssigen Dielektrikum, laßt die Warme sehr gut aus der Glimmententladungszone abführen. Dies ist eines der grundlegen­ den neuen Elemente des Ozonisators. Eine wichtige Besonderheit der Zwischenelektrode 5 ist folgende: die Struktur der Zwi­ schenelektrode 5 ist ungleichartig und ist so angeordnet, daß der dielektrische Widerstand der Zwischenelektrode 5 in der Richtung entlang der Zwischenelektrodefläche, perpendicular zu dem Vektor des elektrischen Feldes, groß ist (Isolator) und in den Richtungen, perpendicular zu der Zwischenelektrodenfläche und zu der Achse Z (parallel zu dem Vektor des elektrischen Feldes) gering ist (Metall mit einer guten Wärmeleitfähigkeit). Die zweite Elektrode 3 hat das Potential der Erde und ist achs­ fluchtig mit der Zwischenelektrode 5 und der Elektrode 7 ange­ ordnet. In den Raum mit dem Abstand d3 zwischen der zweiten Elektrode 3 und der Zwischenelektrode 5, wird die Luft oder Sauerstoff geleitet. Die Ozonerzeugung wird in der beschriebe­ nen Konstruktion auf folgende Weise realisiert.

Durch den Eingang A strömt das Kühlwasser, durch den Eingang B getrocknete und gekühlte Luft oder Sauerstoff und durch den Eingang C das gekühlte flüssige Dielektrikum (zum Beispiel Um­ spannöl). Danach legt man an die Elektrode 7 eine hohe elektri­ sche Spannung mit der Frequenz f (Hz) an. Zwischen der Elektro­ den 7 und der zweiten Elektrode 3 entsteht ein elektrisches Feld, das aufgrund des Vorhandenseins der flüssigen dielektri­ sche Isolierungsbarriere im Raum d1 eine Glimmententladung im Raum mit dem Abstand d3 erzeugt. Eine Besonderheit dieser Kon­ struktion ist, daß die gesamte Spannung nur zwischen den Räumen mit den Abstanden d1 und d3 anliegt, da das Sinken der elektri­ schen Spannung an der Zwischenelektrode 5 durch die Dicke d2 vernachlässigt werden kann, da das Dielektrikum in der Zwi­ schenelektrode 5 durch die durchgehenden metallischen Elemente 6, 8 über einen Nebenanschluß verfügt. Das flüssige Dielektri­ kum in der gegebenen Konstruktion erfüllt zwei wichtige Funk­ tionen. Das flüssige Dielektrikum bildet die dielektrische Iso­ lierungsbarriere und kühlt gleichzeitig die Elektrode 7 bzw. die Glimmententladungzone durch die gut wärmeleitenden metalli­ schen Elemente 6, 8. Da der Widerstand des flüssigen Dielektri­ kumes 2-3 mal größer ist als der Widerstand eines festen Die­ lektrikums, kann der Raum mit dem Abstand d1 sehr klein sein, ohne daß die Gefahr eines Hochspannungsdurchschlags besteht.

Der große Vorteil der Erfindung ist die vollständige Selbstwie­ derherstellung der dielektrischen Isolierungsbarriere im Falle des zufälligen Durchschlages im Räum mit dem Abstand d1. Bei nochmaliger Hochspannungeinschaltung erübrigt sich die Demonta­ ge und die Reparatur des Ozonisators, was bei Vorhandensein ei­ nes festen Dielektrikums unvermeidlich wäre.

Die erfindungsgemäße Konstruktion eines Ozonisators vergrößert dessen Produktivität bedingt durch die Vergrößerung der Fre­ quenz der Wechselspannung im Vergleich zu bekannten Ozonisato­ ren wesentlich. D. h. die Produktivität ist bei einer Frequenz von 3400 um den Faktor 120-150 größer.

In Fig. 2 ist die Konstruktion des Ozonisators mit flachen Elektroden 3, 7 dargestellt. Hier ist auch die Konstruktion der Elektrode 7 mit Kühlrippen und Öffnungen in dem Körper der Elektrode 7, die die Turbulenz der kühlenden Flüssigkeit ver­ größern, ersichtlich. Die übrigen Bezeichnungen und Funktionen der bezeichneten Elemente unterscheiden sich von aufgeführten gemäß Fig. 1 nicht.

Die Realisation der ungleichartigen Struktur der Zwischenelek­ trode 5 kann nach vielen Verfahren verwirklicht werden, (zum Beispiel mittels der Zusammensetzung der Keramik oder des Kunststoffes mit ortogonal zu der Zwischenelektrodenfläche 5 orientierten Graphit- oder Metallfäden, die in den Zwischene­ lektrodenkörper hinein gepreßt werden, oder, zum Beispiel, mit­ tels metallischer Elemente 6 und 8, die zusätzliche metallische Oberflächen d4 und d5 aufweiten, die sich perpendicular zu dem elektrischen Feld erstrecken.

In Fig. 3a sind verschiedene Varianten der metallischen Elemen­ te 6 und 8 aufgezeigt. Die Formen der Elemente 6, 8 werden durch die unterschiedliche Kapazität und Produktivität des Ozo­ nisators bestimmt. (Fig. 3a, 3c). Ein sehr wichtiger und ent­ scheidender Umstand ist die Wahl der Größe der metallischen Oberflächen d5 und d4, die den Nebenanschluß durch die Zwi­ schenelektrode 5 mit ausbilden. Die Größe der Oberfläche d5, gewandt zu der Elektrode 7, soll derart bemessen sein, daß die Kapazität des Kondensators C1, bestehend aus der Oberfläche d5 und dem Abstand d1, ausgefüllt mit dem flüssigen Dielektrikum innerhalb der folgenden Größen liegt:

I₁: minimale Größe des elektrischen Stromes zur Bildung einer Glimmentladung
I₂: Größe des elektrischen Stromes zur Funken- und Licht­ bogenbildung durch d₅
Sd₅: Flachen (in m²) des Elementes nach der Größe d₅
d₁: Abstand zwischen den Elementen (6, 8) und der Elektro­ de (7)
ε₁: Dielektrizitätskonstante des flüssigen Dielektrikums
f: Frequenz (Hz) der Versorgungsspannung
U: Größe der an den Elektroden anliegenden elektrischen Spannung,

Die Größe d2 wird aus Gründen der mechanischen Festigkeit des Körpers der Zwischenelektrode 5 gewählt, die eine sichere Ar­ beit ohne Deformation und Zerstörung durch den Druck des flüs­ sigen Dielektrikumes in dem Raum mit dem Abstand d1 gewährlei­ stet. Die Dicke der Zwischenelektrode 5 beeinflusst die elek­ trischen und energetischen Charakteristika des Ozonisators nicht. Die Oberfläche d4 sowie die Geometrie der Enden der Ele­ mente 6, 8, die in die Zone der Glimmententladung mit dem Ab­ stand d3 gewandt sind, ergeben sich durch die einschränkenden Bedingungen gemäß (2).

J₁: Stromdichte (in A/m²) auf den Enden, die dem Raum mit dem Abstand d₃ (Glimmentladungszone) zugewandt sind
J_ug: Stromdichte (in A/m²) zur Bildung einer Funken- oder Lichtbogenbildung für das gegebene Material und den Druck der Luft oder des Sauerstoffs im Raum mit Ab­ stand d₃ (Glimmentladungszone)
I: Strom (in A9, der durch das gegebene Element (6, 8) verläuft, bestimmt aus der Ungleichung (1)
Sd₄: summarische Fläche (in m²) eines Endes des Elements, das der Glimmentladungszone zugewandt ist

In Fig. 3b sind Magnete 15, 16 ersichtlich, die um die Elemente 6, 8 angeordnet sind, um in Raum mit dem Abstand d3 Magnetfel­ der parallele zu dem Vektor des elektrischen Feldes zu erzeugen.

In Fig. 3c sind die Elemente 6 und 8 mit zusätzlichen Kühlem (dem Radiator oder dem Kühlkörper) 17 und 18 aufgezeigt, die die Intensität des Wärmeaustausches bei den kleinen Geschwin­ digkeiten der Bewegung des flüssigen Dielektrikumes in dem Raum mit dem Abstand d1 vergrößern können.

Bei den Ozonisatoren mit hoher Leistung werden zur Vermeidung von Verunreinigungen die Oberflächen der Elementektroden 6 und 8 durch die Methoden der Elektron-Ionen-Technologie (Abscheidung in der Dampfphase) mit dünnen (0,003-0,02 mm) Schichten von Metalloxiden (des Aluminiums, des Magnesiums, des Titans u. a.) oder von Nitriden des Bors, des Titans, des Ko­ balts und anderer Isoliermaterialien, die in dem Plasma der Glimmententladung standhaft sind, beschichtet.

Außerdem ebnen solche Abdeckungen die Mikrounebenheiten auf der Oberfläche der metallischen Elemente in der Zone der Glimment­ ladung, so daß die Wahrscheinlichkeit der Entstehung der Bedin­ gungen für die Funken- und Lichtbogenbildung verringert ist.

In Fig. 4 ist das allgemeine Schema zur Bedienung des Ozonisa­ tors mit großer Produktivität (0,2-15 Kilogramm Ozons/h) auf­ gezeigt.

Der Ozonisator 25 enthält N Elemente dargestellt durch die Be­ zugzeichen 1, 2, 3. Durch die Eingänge A, B, C im Ozonisator be­ wegt sich die gereinigte Luft oder der Sauerstoff und das flüs­ sige Dielektrikum (entsprechen 19, 20 und 21). Die Ausgänge A und C sind durch ein Rohrsystem m-m' und n-n' mit einem Kühlkompressor verbunden. Die Hochspannung und, im Falle der Anwendung einer erhöhten Frequenz höher als die Frequenz des Industrienetzwerkes, die Versorgung wird von einem Wandler, der einen Gleichrichter 22, einen Inverter 23 und einen Trafo 24, der eine sehr niedrige eigene Induktivität besitzt, aufweist, geleistet. Der Gleichrichter 22 und der Inverter 23 haben Ein­ gänge 26 und 27 vom Steuersystem, das die Höhe und die Frequenz f der elektrischen Wechselspannung auf dem Eingang D regelt und die Produktivität des Ozonisators am Ausgang B stabilisiert so­ wie Notausschaltungen nach Signalen von Schutzsensoren zur Ver­ meidung von elektrischen Kurzschlüssen zu vorzunehmen.

Bezugszeichen

1

Ozonisator

2

Kühlflüssigkeit

3

Elektrode

4

Luft/Sauerstoff

5

Zwischenelektrode

6

Leiter

7

Elektrode

8

Leiter

9

Hochspannungsanschluß

10

Spannungsanschluß (Erde)

11-14

Leiter

15

,

16

Magnet

17

,

18

Kühlkörper

19-21

Pumpe

22

Gleichrichter

23

Frequenzumrichter/Inverter

24

Spannungsquelle

25

Ozonisator

26

,

27

Versorgungseingang

28

Ladungssonde

29

Schicht

30

Schicht
d1-d3, d6 Wand und Kammerstärken
d4, d5 metallische Oberfläche
A-D Eingang
A'-C' Ausgang
m, n Leitung
n'm' Leitung

Claims (1)

1. Ozonisator, bestehend

• a) aus zwei, an einer Wechselstromquelle angeschlossenen Elektroden (3, 7), die
• b) durch eine Zwischenelektrode (5) mit ungleichartiger Struktur getrennt sind, wobei,
• c) die Zwischenelektrode (5) ihrer Länge nach aus einem Iso­ lator (spez. elektrischer Widerstand g < 100.000 Ωcm) und aus die Zwischenelektrode (5) vertikal durchsetzenden Elementen (6, 8) aus Metall (spez. Widerstand g < 0,0008 Ωcm) aufgebaut ist,
• d) aus einem zwischen der Innenelektrode und der Zwischene­ lektrode (5) gebildeten Raum mit dem Abstand d₁ für ein flüssiges, und zugleich als Kühlmedium dienendes Dielek­ trikum C
• e) aus einem Raum mit dem Abstand d₃ zwischen der Zwi­ schenelektrode (5) und der Außenelektrode (3), der als Luft oder Sauerstoff durchströmte Ozonkammer ausgebildet ist, wobei ferner
• f) die Oberflächen der Metallelemente (6, 8), die den Raum mit dem Abstand d₁ zugewandt sind, durch die Ungleichung (1):
  bestimmt sind, wobei gilt:
  I₁: minimale Größe des elektrischen Stromes zur Bildung einer Glimmentladung
  I₂: Größe des elektrischen Stromes zur Funken- und Licht­ bogenbildung durch Fläche d₅
  Sd₅: Flachen (in m²) des Elementes nach der Größe d₅
  d₁: Abstand zwischen den Elementen (6, 8) und der Elektro­ de (7)
  ε₁: Dielektrizitätskonstante des flüssigen Dielektrikums
  f: Frequenz (Hz) der Versorgungsspannung
  U: Größe der an den Elektroden anliegenden elektrischen Spannung,

und die Flächen d₄ (in m²), die der Außenelektrode (3) zuge­ wandt sind, sich innerhalb eines Bereiches befinden, der sich durch die Ungleichung (2) ergibt
wobei gilt:
J₁: Stromdichte (in A/m²) auf den Enden, die dem Raum mit dem Abstand d₃ (Glimmentladungszone) zugewandt sind
J_ug: Stromdichte (in A/m²) zur Bildung einer Funken- oder Lichtbogenbildung für das gegebene Material und den Druck der Luft oder des Sauerstoffs im Raum mit Ab­ stand d₃ (Glimmentladungszone)
I: Strom (in A), der durch das gegebene Element (6, 8) verläuft, bestimmt aus der Ungleichung (1)
Sd₄: summarische Fläche (in m²) eines Endes des Elements, das der Glimmentladungszone zugewandt ist

• a) aus Teilen der Metallelemente (6, 8), die als Kühler (17, 18) ausgebildet und im flüssigen Dieelektrikum C angeordnet sind.
• b) aus um die Elemente (6, 8) angebrachten Magneten (15, 16), die im Raum mit dem Abstand d₃ Magnetfelder parallel zu dem Vektor des elektrischen Feldes erzeugen, und fer­ ner
• c) aus einer dünnen, erosionsfesten und sauerstoffbeständi­ gen Schicht (29, 30) auf der Oberfläche der Außenelektro­ de (3) und der Zwischenelektrode (5) mit den Elementen (6, 8) aus Metall, wobei die Schicht (29, 30) aus Metal­ loxiden, -nitriden, Glasmaterial und/oder Teflon besteht.