DE2642751C3

DE2642751C3 - Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon

Info

Publication number: DE2642751C3
Application number: DE19762642751
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Cillichemie Ernst Vogelmann GmbH and Co
Current assignee: Cillichemie Ernst Vogelmann GmbH and Co
Priority date: 1976-09-23
Filing date: 1976-09-23
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2642751B2; DE2642751A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon mittels stiller Entladungen in einem sauerstoffhaltigen Gas mit mindestens einer Ozonröhre, ^Γ)() die zwei durch ein festes Dielektrikum und eine von dem sauerstoffhaltigen Gas durchströmte Gasstrecke voneinander getrennte, mit den Polen einer Wechselspannungsquelle verbundene Elektroden aufweist, und mit einer zu den Elektroden der Ozonröhre parallelgeschal- ^Γ>^Γ> teten Kompensationsinduktivität

Die Ozonröhre kann sowohl eine rohrförmige als auch eine plattenförmige Entladungsstrecke aufweisen. Eine der Elektroden steht unmittelbar mit dem vorzugsweise aus Glas bestehenden Dielektrikum in ^wl Berührung, während die andere Elektrode von dem Dielektrikum durch die Gasstrecke getrennt ist. Beim Anlegen einer Wechselspannung wird in der Gasstrecke ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, aufgrund dessen bei jeder Halbwelle eine stille Entladung zündet und ^h' wieder erlischt. Die Entladungen wirken auf den dort vorhandenen Sauerstoff unter Bildung von Ozon ein.

Elektrisch gesehen bildet die Ozonröhre eine

verlustbehaftete kapazitive Last mit relativ hohem BlindstromanteiL Der kapazitive Blindstrom verursacht eine zusätzliche Belastung der Hochspannungsquelle und so eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der Anlage. Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits versucht, den kapazitiven Blindstrom durch Zwischenschaltung einer Induktivität zwischen Wechselspannungsquelle und Elektroden zu kompensieren (DE-OS 21 11 041). Wegen des hohen Gehalts an Oberwellen infolge einer sich periodisch verändernden Kapazität ist das jedoch nur in sehr unvollkommenem Maße möglich. Die Änderung der Kapazität rührt daher, daß während der Entladungsphase, in der die Gasstrecke elektrisch leitend ist, im wesentlichen das Dielektrikum allein für die Kapazität maßgeblich ist, wogegen während der Entladungspausen die Hintereinanderschaltung von Dielektrikum und nichtleitender Gasstreckc die Kapazität bestimmt Bei einer Parallelschaltung einer Kompensationsinduktivität bestanden zudem Befürchtungen, daß es in den Pausen zwischen den Entladungen zu Eigenschwingungen des elektrischen Systems und zu Spannungsüberhöhungen kommen könnte, die wegen der Überschlagsgefahr die spannungsmäßige Ausnutzung der Anlage verhindern würden.

Bei einem weiteren bekannten Ozonerzeuger soll dieser Nachteil dadurch vermieden werden, daß eine im interessierenden Betriebsbereich spannungsunabhängige Kornpensationsinduktivität zur Ozonröhre in Reihe geschaltet wird (DE-OS 21 11 041). Durch geeignete Wahl der Eigenfrequenzen der Reihenresonanz bezüglich der Betriebsfrequenz wird unter den gegebenen Voraussetzungen eine optimale Kompensation herbeigeführt Eine vollständige Kompensation des Blindstromanteils ist jedoch wegen der Nichtlinearität des Kompensationskreises ersichtlich auch hier nicht zu erreichen, so daß schon aus grundsätzlichen Erwägungen heraus noch Verbesserungen möglich sind. Außerdem ist bei dieser Schaltung zu befürchten, daß man bei einer nicht sehr sorgfältigen Auslegung der Schaltungsund Betriebsparameter in die Nähe einer Reihenresonanz kommt, die zu unzulässigen Spannungsüberhöhungen führe:i kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Vorrichtungen der genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine noch bessere Kompensation der Blindstromanteile und damit ein höherer Wirkungsgrad bei der Ozonerzeugung erzielt wird und daß gleichzeitig die Gefahr unzulässiger Spannungsüberhöhungen vermieden wird.

Die Erfindung geht dabei von der Parallelschaltung der Ozonröhre und der Kompensationsinduktivität aus, die gewährleistet, daß es lediglich zu ungefährlichen Stromüberhöhungen, nicht jedoch zu unzulässigen Spannungsüberhöhungen in der Schaltung kommen kann. Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Selstinduktion der Kompensationsinduktivität eine zu der spannungsabhängigen Kapazität der Ozonröhre im wesentlichen umgekehrt proportionale Spannungsabhängigkeit aufweist, und daß die Betriebsfrequenz der Wechselspannungsquelle etwa der Eigenfrequenz des durch die Ozonröhre und die Kompensationsinduktivität gebildeten Parallelschwingkreises entspricht. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen definiert spannungsabhängigen Kompensationsinduktivität wird der Parallelschwingkreis weitgehend linearisiert, so daß im Idealfall eine vollständige Kompensation des Blindstroms möglich ist

Die spannungsabhängige Selbstinduktion der Kompensationsinduktivität wird in der Praxis vorteilhafterweise dadurch realisiert, daß zwei hintereinandergeschaltete Spulen mit je einem magnetisiitrbaren Kern verwendet werden, deren einer Kern etwa bei der der s Zündspannung der stillen Entladung in der Ozonröhre zugeordneten Stromstärke in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung gelangt Entsprechendes kann auch mit einer einzigen Spule erreicht werden, die mindesteas zwei magnetisierbare Kerne enthält, von ι υ denen ein Kern etwa bei der der Zündspannung der stillen Entladung der Ozonröhre zugeordneten Stromstärke in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung gelangt Zweckmäßig bestehen die beiden Spulenkerne jeweils aus Materialien mit unterschiedlicher Sättigungsfeldstärke. Um die Spannungsabhängigkeit der Selbstinduktion in gewissen Grenzen verstellen zu können, wird weiter vorgeschlagen, daß mindestens einer der Kerne einen in seiner Weite verstellbaren Luftspalt aufweist

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltskizze eines Ozonerzeugers mit einer aus einer Spule mit Doppel-U-U-Kern bestehenden Kompensationsinduktivität; ->>

Fig.2 eine Schaltskizze eines Ozonerzeugers mit einer aus zwei hintereinandergeschalteten Spulen mit E-E-Kern bestehenden Kompensationsinduktivität;

Fig.3a Permeabilität-Induktionskurven zweier verschiedener Spulenkerne; in

F i g. 3b Strom-Spannungsverlauf zweier Spulen mit verschiedenen Kernen;

Fig.3c Strom-Spannungsverlauf einer aus einer Reihenschaltung der beiden Spulen gemäß Fig.3b gebildeten Kompensationsinduktivität; r>

Fig.3d Strom-Spannungsverlauf eines Ozonerzeugers im nichtkompensierten und im kompensierten Zustand;

Fig.4a Zeitabhängiger Strom- und Spannungsverlauf eines nichtkompensierten Ozonerzeugers; *o

Fig.4b Zeitabhängiger Strom- und Spannungsverlauf eines kompensierten Ozonerzeugers.

In den in F i g. 1 und 2 gezeigten Schaltskizzen sind die Ozonröhren 2 symbolisch als Kondensatoren dargestellt Die parallel zueinander geschalteten Ozon- < ~> röhren 2 weisen zwei durch ein Dielektrikum 4 und eine in Richtung der Pfeile 6 mit trockener Luft durchströmte Gasstrecke 8 voneinander getrennte Elektroden 10, 11 auf, die mit den Polen 14 einer Wechselspannungsquelle 16 verbunden sind, die ihrerseits einen Hochspan- ·<> nungstransformator 17 enthält. Auf der Sekundärseite des Hochspannungstransformators 17 ist parallel zu den Elektroden IQ, 12 der Ozonröhren eine Kompensationsinduktivität 18 bzw. 18a, b angeordnet. Im Falle der Fig. 1 besteht diese aus einer Spule 18 mit doppeltem ">> U-U-Kern 20a, 20£, während im Falle der Fig.2 zwei hintereinandergeschaltete Spulen 18a und 186 mit je einem E-E-Kern 22a, 226 vorgesehen sind. Mit diesen Spulenanordnungen kann eine definierte Nichtlinearität der Induktivität eingestellt werden, wie im folgenden '>" näher ausgeführt wird.

In F i g. 3a sind in einem Diagramm die Permeabilität-Induktionskurven zweier verschiedener Schnittbandkerne a und b aufgetragen. Die Permeabilität des Kerns b liegt im unteren Induktionsbereich höher als diejenige ' > des Kerns a. Andererseits erreicht der Kern b bei niedrigeren Induktionswerten die Sättigungsmagnetisierung als Kern a, was sich in Fig.3a in der früheren stellen Abnahme der Permeabilität des Kerns 6 über der Induktion und dem Oberschneiden der beiden Kurven bei höheren Induktionswerten bemerkbar macht
Diese Eigenschaft kann im Rahmen der in F i g. 1 und

2 gezeigten Ausführungsbeispiele zur Herstellung einer definiert nichtlinearen Induktivität ausgenutzt werden. Es ist dabei nur dafür zu sorgen, daß mindestens einer der Spulenkerne im Arbeitsbereich in die Sättigungsmagnetisierung gelangt Als weitere freie Parameter stehen hierfür die Weite des Luftspalts der Spulenkerne und die Windungszahl der Spule zur Verfügung. Durch Variation dieser letzteren Parameter ist es grundsätzlich sogar möglich, auch bei Verwendung gleicher Kernmaterialien die erwünschte Nichtlinearität zu erzeugen.

Die elektrischen Eigenschaften zweier spezieller mit den Kernen a und b bestehender Spulen 18a, 18A ergeben sich aus Fig.3b. In dem betreffenden Diagramm ist der Verlauf der effektiven Stromstärke /_ über der effektiven Spannung LJ- bei einer Wechselspannungsfrequenz von 400Hz dargestellt Während die Spule 18a einen linearen Strom-Spannungsverlauf und somit eine konstante Impedanz aufweist, ist der Verlauf bei der Spule 18& nicht-linear. Die Impedanz und damit die Selbstinduktion nimmt ab etwa 2 kV mit wachsender Spannung ab. Bei einer Reihenschaltung der beiden Spulen 18a und 18£> ergibt sich der aus F i g. 3c ersichtliche nichtlineare Strom-Spannungsverlauf.

In F i g. 3d ist der Verlauf der effektiven Stromstärke /~ über der effektiven Spannung U- eines Ozonerzeugers, bestehend aus 18 parallelgeschalteten zylindrischen Ozonröhren 2 bei einer Wechselspannungsfrequenz von 400 Hz im nichtkompensierten (Kurve 25) und im kompensierten (Kurve 27) Zustand dargestellt. Die Zündspannung der stillen Entladung liegt bei etwa

3 kV. Die Kompensation erfolgte mit zwei hintereinandergeschalteten Spulen mit den in Fig.3b und 3c gezeigten Eigenschaften in einer Schaltung entsprechend F i g. 2. Ein Vergleich der beiden Kurven zeigt daß die Strombelastung der Hochspannungsquelle insbesondere bei den hier interessierenden hohen Spannungswerten im kompensierten Fall (Kurve 27) weniger als die Hälfte beträgt als im nichtkompensierten Fall (Kurve 25). In beiden Fällen ergaben sich bei gleichen Spannungswerten übereinstimmende Ozonerzeugungsraten, so daß der Gesamtwirkungsgrad der Anlage durch die Kompensation mehr als verdoppelt werden konnte.

In den F i g. 4a und 4b ist für ein Ausfühmngsbeispiel mit 13 parallelgeschalteten Ozonröhren der Kompensationseffekt an Hand des zeitabhängigen Strom- und Spannungsverlaufs demonstriert Die Kompensation erfolgte hier mit einer Schaltung entsprechend F i g. 1 mittels einer einzigen Spule mit Doppel-U-U-Kern. Die Betriebsfrequenz betrug in beiden Fällen ebenfalls 400 Hz. Da die Hochspannungsquelle aus Gründen der Kurzschlußfestigkeit einen lastabhängigen Innenwiderstand aufwies, ist der Spannungsverlauf nicht exakt, sondern nur näherungsweise sinusförmig.

Im nichtkompensierten Fall sind im Spitzenbereich der Stromkurve hochfrequente Oberwellen überlagert, die vermutlich auf die Nichtlinearität der kapazitiven Lasi zurückzuführen sind (F i g. 4a). Die Phasendifferenz zwischen der Spannungs- und der Stromkurvc beträgt im Bereich des Nulldurchgangs ca. 8", während im Spitzenbereich sich ein Wert von etwa 55^r abschätzen läßt. Bei einer Spitzenspannung von Us= 7,75 kV kV beträgt der Spitzenstrom /.y= 145 mA, v\;>s einer

Leistung am Transformator in Höhe von ca. 562 Watt entspricht.

Im kompensierten Fall gemäß Fig.4b ist die Phasenverschiebung zwischen Stromstärke und Spannung nahezu Null. Die Oberschwingungen in der Stromkurve sind verschwunden. Bei einer Spitzenspannung in Höhe von ebenfalls Us= 7,75 kV kV beträgt die Spitzenstromstärke /s=42,3mA, was e stung des Hochspannungstransformators in ca. 164 Watt entspricht. Da auch hier die < gungsrate im wesentlichen nur von der Spannung und nicht vom Kompensationsgri wird eine Verbesserung des effektiven Wir um etwa den Faktor 3,4 erzielt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Ozon mittels stiller Entladungen in einem sauerstoffhaltigen Gas mit mindestens einer Ozonröhre, die zwei durch ein festes Dielektrikum und eine von dem sauerstoffhaltigen Gas durchströmte Gasstrecke voneinander getrennte, mit den Polen einer Wechselspannungsquelle verbundene Elektroden aufweist und mit einer zu den Elektroden der Ozonröhre parallelgeschalteten Kompensationsinduktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktion der Kompensationsinduktivität (18; 18a, b) eine zu der spannungsabhängigen Kapazität der Ozonröhre (2) im wesentlichen umgekehrt proportionale Span- '» nungsabhängigkeit aufweist und daß die Frequenz der Wechselspannungsquelle etwa der Eigenfrequenz des durch die Ozonröhre und die Kompensationsinduktivität gebildeten Parallelschwingkreises entspricht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsinduktivität aus zwei hintereinandergeschalteten Spulen (18a, \%b) mit je einem magnetisierbaren Kern (22a, 22b) besteht, deren einer Kern etwa bei der der Zündspannung der stillen Entladung in der Ozonröhre zugeordneten Stromstärke in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung gelangt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsinduktivität aus Jo einer Spule (18) mit mindestens zwei magnetisierbaren Kernen (20a, 20b) besteht, von denen ein Kern etwa bei der der Zündspannung der stillen Entladung der Ozonröhre (2) zugeordneten Stromstärke in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung gelangt. »

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kerne (20a, b; 22a, b) einen in seiner Weite verstellbaren Luftspalt aufweist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, *o dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkerne (20a, b; 22a, b) aus Materialien mit unterschiedlicher Sättigungsfeldstärke bestehen.