DE2111041C3 - Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon durch Hochspannungsentladung einer Wechselspannungsquelle, bei welcher zwei mit den Polen der Wechselspannungsquelle verbundene Elektroden durch ein festes Dielektrikum und eine Gasstrecke voneinander getrennt sind.

Derartige Ozonerzeuger besitzen in der Regel rohrförmige oder plattenförmige Entladungsstrecken, bei denen jeweils eine Gasstrecke und ein festes Dielektrikum elektrisch in Reihe geschaltet und mit der Hochspannungsquelle verbunden sind. Unter der Einwirkung der Hochspannung entsteht in der Gasstrecke eine Gasentladung in Form einer Glimmentladung, durch die der Sauerstoff des durch die Gasstrecke hindurchgeblasenen gasförmigen Mediums teilweise in Ozon umgewandelt wird. Als zu verarbeitendes Gas wird in der Praxis häufig Luft verwandt, die zuvor getrocknet ist. Die Ozonerzeuger werden üblicherweise mit Wechselstrom betrieben. Bei jeder Halbwelle des Wechselstromes zünden und erlöschen die Glimmentladungen im Takt der Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle. Infolge der durch das Dielektrikum, das zwischen den Entladungselektroden angeordnet ist, gebildeten Kapazität ist die Belastung der Wechselspannungsquelle vorwiegend kapazitiv. Der Ozonerzeuger wirkt daher während des Bestehens der Glimmentladung wie ein verlustbehafteter Kondensator, dessen wirksame Kapazität durch das feste Dielektrikum allein gegeben ist. Das Dielektrikum besteht im allgemeinen aus Glas, z. B. aus einer Glasrohre, deren Innenseite mit einer Metallschicht bespiegelt ist, die eine der Entladungselektroden bildet. Das Glasrohr dient der Anbringung und Befestigung der Elektrodenschicht, es wirkt aber gleichzeitig als Dielektrikum und bildet daher — elektrisch betrachtet — einen Teil des die Hochspannungsquelle belastenden Kondensators. Diese kapazitive Belastung der Hochspannungsquelle ist an sich schon ungünstig. Hinzu kommt aber noch, daß in den Pausen zwischen den periodisch erfolgenden Glimmentladungen der einzelnen Halbwellen diß wirksame Kapazität durch die Gasstrecke verändert wird. Zwischen den Glimmentladungen wird nämlich die Gesamtkapazität durch die Reihenschaltung von Gasstrecke und Dielektrikum gebildet Hieraus folgt, daß

ίο die Gesamtkapazität in jedem Falle kleiner ist als die kleinste der beiden genannten Teilkapazitäten. Mit dem Zünden und Erlöschen der Glimmentladung ändert sich also jeweils die Kapazität des zwischen den Elektroden angeordneten Kondensators, so daß der entstehende

Strom zugleich sehr oberwellenreich ist

Es wurde bereits versucht, die Belastung der Hochspannungsquelle durch Parallelschaltung einer Induktivität zu verringern, indem man den kapazitiven Strom kompensiert Wegen des hohen Gehalts an Oberwellen infolge der sich periodisch verändernden Kapazität ist das jedoch nur in sehr unvollkommenem Maße möglich. Außerdem treten in den Pausen zwischen den Glimmentladungen beträchtliche Eigenschwingungen des elektrischen Systems auf, welche zu

Spannungsüberhöhungen führen, die wegen der Überschlagsgefahr die spannungsmäßige Ausnutzung der Anlage verhindern.

Es ist ferner bekannt, zur Erzeugung der erforderlichen Hochspannung einen Streufeldtransformator zu verwenden, um den Strom im Falle eines Kurzschlusses zu begrenzen und die Oberwellen zu dämpfen, eine echte Kompensation der kapazitiven Belastung wurde aber nicht vorgenommen, weil man die durch die Reihenresonanz hervorgerufenen Spannungsüberhöhungen fürchtet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ozonerzeugungsvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der sich trotz der sich zwangsläufig periodisch ändernden Kapazität ein nahezu sinusförmiger Verlauf des Stromes der Hochspannungsquelle erzielen läßt Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die Wechselspannungsquelle und die Elektroden eine Induktivität von solcher Größe eingeschaltet ist, daß die Eigenfrequenz des durch die Induktivität in Verbindung mit der Kapazität des festen Dielektrikums gebildeten Schwingkreises unterhalb der Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle liegt
Auf diese Weise wird durch Einsatz einer entsprechend großen Induktivität erreicht, daß die Eigenfrequenz des Systems in gezündetem Zustand niedriger ist als die Betriebsfrequenz und daß der sich ergebende Oberwellenanteil erheblich reduziert wird.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsforin der Erfindung ist die Induktivität derart bemessen, daß sie mit der durch die Reihenschaltung aus Dielektrikum und Gasstrecke gebildeten Kapazität einen Schwingkreis bildet, dessen Eigenfrequenz oberhalb der Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle liegt Innerhalb einer Periode der angelegten Wechselspannung ändert sich die Kapazität des Ozonerzeugers also insgesamt zweimal, wobei die Eigenfrequenz des Systems einmal unterhalb und einmal oberhalb der Betriebsfrequenz liegt. Bei richtiger Auslegung der Induktivität erreicht m-'n eine Spannung am Ozonerzeuger, die wesentlich über der Spannung an der Hochspannungsquelle, gegebenenfalls sogar über deren doppeltem Wert liegt und dabei einen fast sinusförmigen Verlauf des Stromes

ergibt Es verschwinden die Oberwellen im Strom fast vollständig, und man erhält eine günstige Belastung der Hochspannungsquelle.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher s erläutert

In der Zeichnung ist ein Teil eines größeren aus zahlreichen Rohren bestehenden Ozonerzeugers schematisch dargestellt Innerhalb des ausschnittsweise abgebildeten Rohres 1 sind zwei Glasrohre 2, 3 angeordnet, die von jeweils einer Seite Hier in das Rohr 1 bis etwa zu dessen Mitte hin hineinreichen. Die Glasrohre 2, 3 sind an ihren zueinanderweisenden Enden 4, 5 kuppelfdrmig abgeschlossen. Sie sind im Bereich ihrer zylindrischen Innenwand mit einer Metallbespiegelung 6 versehen, die die eine Elektrode für die Hochspannungsentladung bildet. Als Gegenelektrode dient die Wandung des aus Metall bestehenden Rohres 1.

Die Metallspiegelung 6 eines jeden Glasrohres ist über einen Kontaktring 7 an den Stromversorgungsteil angeschlossen. Zur Stromversorgung dient die Hochspannungsquelle 8, die hier nur schematisch dargestellt ist und in der Regel aus einem Hochspannungstransformator besteht Sie ist hier mit einer Ausgangsklemme an 2s das Rohr 1 und mit der anderen Ausgangsklemme über die schematisch angedeutete Induktivität 9 und den Kontaktring 7 mit der Bespiegelung 6 verbunden. In der Zeichnung ist der Einfachheit halber nur der Anschluß der Bespiegelung des rechten Glasrohres 3 dargestellt, die Bespiegelung des linken Glasrohres 2 ist aber in gleicher Weise, ebenso wie die Bespiegelungen der (nicht dargestellten) übrigen Glasrohre des Ozonerzeugers, angeschlossea

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt das das Ozon liefernde Gas durch das Rohr 1 an der Außenseite der Glasrohre 2, 3 entlang. Zwischen den Bespiegelungen 6 und dem Rohr 1 werden periodisch Glimmentladungen erzeugt, die zur Bildung von Ozon führen. Während einer Glimmentladung besteht die Entladungsstrecke zwischen der Bespiegelung 6 und dem Rohr 1 im wesentlichen nur aus der von der als Dielektrikum wirkenden Wand des Glasrohres 3 gebildeten Kapazität, während die Gasstrecke 10 elektrisch leitfähig ist In den Pausen zwischen den Glimmentladungen besteht die Entladungsstrecke dagegen aus einer Kapazität, die sich aus der Reihenschaltung der als Dielektrikum wirkenden Rohrwandung 3 und der Kapazität der Gasstrecke 10 zusammensetzt.

Die Induktivität 9 ist in der Zeichnung nur so schematisch angedeutet Sie besteht in der Praxis aus einer auf einen hochpermeablen Kern gewickelten Spule, und ihre Induktivität L ist so bemessen, daß sie in Verbindung mit der Kapazität Ci, die im wesentlichen von der Wandung des Glasrohres 3 bestimmt wird, eine Eigenfrequenz bildet, die unterhalb der Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle 8 liegt Dagegen liegt die Eigenfrequenz L, Ci des Systems, die; sich im angezündeten Zustand ergibt, oberhalb der Betriebsfrequenz. C₂ ist dabei diejenige Kapazität, die sich im ungezündeten Zustand zwischen der Bespiegelung 6 und dem Rohr 1 ausbildet, und die sich aus der Reihenschaltung der Kapazität Q mit der Kapazität der Gasstrecke 10 ergibt

65 Beispiel 1
Ozonerzeuger mit 852 Glasrohren 2

Wirksame Länge der Bespiegelung 6 1060 mm Mittlerer Außendurchmesser der Glasrohre 45,6 mm Mittlerer Innendurchmesser der Stahlrohre 1 50 mm Entladungsstrecke: 2£ mm in radialer Richtung.

Die gesamte Glaskapazität C\ beträgt 3,16 μΡ, die resultierende Kapazität im ungezündeten Zustand C₂ beträgt 0,475 μΕ
Betriebsfrequenz: 50 Hz.

In diesem Beispiel beträgt die Induktivität 9 4,7 H, so daß sich im gezündeten Zustand eine Eigenfrequenz L, C\ von 41 Hz und im ungezündeten Zustand eine Eigenfrequenz L, Ci von 106 Hz ergibt

Bei Nennbetrieb beträgt die Spannung am Ausgang des Hochspannungstransformators 8 8 kV und die Spannung am Ozonerzeuger 15,8 kV.

Der Faktor der Spannungsüberhöhung beträgt 1,97. Der sich ergebende Leistungsfaktor ist: cos phi = 0,82 produzierte Ozonmenge: 53 kg 03/h.

Beispiel 2

Ozonerzeuger mit 10 Glas- und Stahlrohren
von den im Beispiel 1 genannten Abmessungen

Glaskapazität C\ beträgt 0,037 μΡ, während die Kapazität Ci im ungezündeten Zustand 0,0056 μΡ beträgt
Betriebsfrequenz: 150 Hz.

Hier ist die Induktivität 9 32 H, so daß im gezündeten Zustand die Eigenfrequenz L, C\ 146 Hz und im ungezündeten Zustand die Eigenfrequenz L, C₂ 376 Hz beträgt

Bei Nennbetrieb beträgt die Spannung am Ausgang des Hochspannungstransformators 8 8,5 kV und die Spannung am Ozonerzeuger 16,2 kV.
Der Faktor der Spannungsüberhöhung beträgt: 1,91
Der sich ergebende Leistungsfaktor ist: cos phi=0,95, produzierte Ozonmenge: 180 g 03/h.

Beispiel 3

Ozonerzeuger mit 22 Glas- und Stahlrohren
von den genannten Abmessungen

Die Kapazitäten haben folgende Werte:
Q = 0,082 μΡ
C₂ = 0,0122 μΡ
Betriebsfrequenz: 50 Hz.

Es wurde hier eine Induktivität 9 von 95 H gewählt, so daß als Eigenfrequenz im gezündeten Zustand L, C 57 Hz und im ungezündeten Zustand L, C₂ 148 Hz erreicht werden.

Bei Nennbetrieb beträgt die Spannung am Ausgang des Hochspannungstransformators 8 8,5 kV und die Spannung am Ozonerzeuger 18,7 kV.
Der Faktor der Spannungsüberhöhung beträgt: 2,2.
Der Leistungsfaktor beträgt cos phi — 0,95,
produzierte Ozonmenge: 150 g (Vh.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon durch Hochspannungsentladung einer Wechselspannungsquelle, bei welcher zwei mit den Polen der Wechselspannungsquelle verbundene Elektroden durch ein festes Dielektrikum und eine Gasstrecke voneinander getrennt sind und eine Induktivität parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Wechselspannungsquelle (8) und die Elektroden (1,6) eine Induktivität (9) von solcher Größe eingeschaltet ist, daß die Eigenfrequenz des durch die Induktivität in Verbindung mit der Kapazität (Q) des festen Dielektrikums gebildeten Schwingkreises unterhalb der Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle (8) liegt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (9) derart bemessen ist, daß sie mit der durch die Reihenschaltung aus Dielektrikum (3) und Gasstrecke (10) gebildeten Kapazität (G) einen Schwingkreis bildet, dessen Eigenfrequenz oberhalb der Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle (8) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der durch Gasstrecke (10) und Dielektrikum (3) gebildeten Entladungsstrecke größer ist als die Spannungen der Hochspannungsquelle (8).