DE2810327A1

DE2810327A1 - Einrichtung zur ozonerzeugung

Info

Publication number: DE2810327A1
Application number: DE19782810327
Authority: DE
Inventors: Rene Dr Daendliker; Ulrich Dr Kogelschatz; Klaus Prof Dipl Ing D Ragaller
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1978-02-14
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1979-09-20
Also published as: NL7901057A; DE7807214U1; BR7900844A; JPS54110998A; FR2423439A1; GB2014419A

Description

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Einrichtung zur Ozonerzeugung

Ozon wird als starkes Oxydationsmittel auf vielen Gebieten mit zunehmendem Bedarf eingesetzt: Trinkwasserbehandlung, Abwasserreinigung, Luftverbesserung, Medizin, Chemie, Lebensmittelindustrie.

Die heute technisch eingesetzten Ozonisatoren arbeiten durchwegs mit dem 1857 von W. von Siemens entwickelten Wechselstrom-Entladungsrohr mit Dielektrikum. Diese Technologie ist inzwischen intensiv weiterentwickelt worden und hat einen hohen Opt imierungs stand "erreicht. Die heutigen Ozonisatoren werden meist mit (sinusförmigem) 50 Hz-Wechselstrom betrieben. In neuerer Zeit werden zur Verbesserung der Ozonausbeute Wechselspannungen höherer Frequenz und verschiedener Wellenformen verwendet (vgl. z.B. US-PS 4,0l6,060 oder DE-OS 26 10 809).

Die Erzeugung von Ozon mittels Gleichstromentladungen (Koronaentladung) ist aus Laborversuchen bekannt. P. Imris gibt in der deutschen Offenlegungsschrift 25 39 715 einen Ozongenerator, der mit der Gleichstromkoronaentladung arbeitet, an, der auch für industrielle Anwendungen bestimmt ist.

Bei diesem bekannten Ozonerzeuger wird die normale Koronaentladungszone durch sogenannte bipolare Elektroden unterbrochen, die zwischen einer auf Erdpotential und einer auf Hochspannungspotential liegenden Elektrode angeordnet sind, und elektrisch zu- und ableitungsfrei sind.

Nach den Aussagen der Offenlegungssehrift wird durch die Zwischenschaltung der bipolaren Elektrode der Bereich der

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Korona, in dem die Ozonbildung im wesentlichen erfolgt, verlängert ♦

Ausgehend von diesem bekannten Ozonerzeuger liegt der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Ozonerzeugung zu schaffen, die eine optimale Ozonausbeute ermöglicht und technisch und wirtschaftlich einfach herstellbar ist.

Der Erfindung liegen dabei folgende physikalische Ueberlegungen zugrunde: Zur Erzeugung des Ozonmoleküls (0,) muss zunächst das relativ stabile Sauerstoffmolekül (O₂) gespalten werden. Dies erfolgt in der heissen Entladung durch Elektronenstoss. Das aus 0_und 0 gebildete Ozonmolekül zerfällt sehr schnell bei erhöhter Temperatur und kann deshalb nur ausserhalb der Entladung existieren. Durch die erfindungsgemässe Anordnung und Ausbildung der Elektroden bzw. der Trennwand wird erreicht, dass infolge der sich in unmittelbarer Umgebung der Entladung einstellenden Gasströmungen eine vergleichsweise dünne Grenzschicht zwischen Lichtbogen und umgebendem Gas einstellt. Dies wiederum hat zur Folge, dass das gebildete Ozon sehr rasch abgekühlt wird«

In den Ansprüchen 2 und 3 sind zwei grundsätzliche Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes gekennzeichnet. Während im Anspruch 2 eine mit Durchbrüchen versehene Trennwand aus Isoliermaterial zur Beeinflussung der Gasströmung an den Entladungen dient, ist in der Ausführungsform nach Anspruch 3 eine der Elektroden Trennwand und Gasführungsmittel zugleich.

Die in den Ansprüchen 4 bis 6 gekennzeichneten Weiterbildüngen des Gegenstandes des Anspruchs 3 unterscheiden sich im wesentlichen in der Ausbildung der den Entladungs- bzw.

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Reaktionsraum begrenzenden Elektroden und der Anordnung der Durchbrüche. Nach Anspruch 4 bildet der zwischen den beiden Elektroden liegende Raum den Entladungs- bzw. Reaktionsraum. Der zwischen der anderen Gehäusewandung und der mit Vorsprüngen versehenen Elektrode verbleibende Raum ist Gaszufuhroder Gasabfuhrraum, je nachdem, ob in diesen das zu behandelnde sauerstoffhaltige Gas eingeleitet, oder das behandelte, nunmehr mit Ozon angereicherte Gas abgeführt wird. Entsprechendes gilt für die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 5 für den Raum zwischen Gehäusewandung und der mit Durchbrüchen versehenen Elektrode.

In der Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes gemäss Anspruch 6 sind beide Elektroden von den Gehäucewandungen beahstandet und über die Durchbrüche in den Elektroden mit dem Reaktions- bzw. Entladungsraum verbunden. Jeweils einer der Räume dient als Gaszufuhr- der andere als Gasabfuhrraum und umgekehrt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn entsprechend der Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes beide Elektroden auf den einander zugewandten Flächen mit Vorsprüngen, die vorzugsweise mindestens eine Kante und/oder eine Spitze aufweisen, versehen sind, da auf diese Weise geeignete Feldinhomogenitäten zur Stabilisierung der Entladung im Entladungs- bzw. Reaktionsraum erzeugt werden können.

Gemäss einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Vorsprünge den Durchbrüchen in der bzw. den Elektroden unmittelbar benachbart; vorzugsweise umranden die Vorsprünge die Durchbrüche und umgekehrt. Dies ermöglicht eine sehr direkte An- bzw. Abströmung der sich zwischen den Elektroden ausbildenden Koronaentladungen, was sich wiederum auf die erzielbare Ozonausbeute vorteilhaft auswirkt.

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Bei der in Anspruch 10 gekennzeichneten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist mindestens eine der Elektroden mit Vorsprüngen versehen, die sich im Bereich der Durchbrüche in der zwischen·den Elektroden angeordneten Trennwand aus Isoliermaterial befinden und welche Vorsprünge durch diese Durchbrüche hindurchreichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung in stark schematisierter Darstellungsweise,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die als Kombination der Elektrodenanordnungen nach den Figuren 2 und 3 anzusehen ist,

Fig. 5 die Kaskadenschaltung zweier Ozonerzeuger nach Fig. 4,

Fig. 6 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Ozonerzeugers, der auf dem in Fig. 4 veranschaulichten Konstruktionsprinzip basiert.

In Fig. 1 liegt zwischen zwei sich annähernd parallel zueinander erstreckenden Elektroden H, und H_ ein Entladungsbzw. Reaktionsraum E. Die beiden Elektroden H₁ und Hp bilden gleichzeitig zwei sich gegenüberliegende Wandungen W, bzw. W_ eines Gehäuses W (Fig. Ic). Die untere Elektrode H.

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ist mit Vorsprüngen V_H1 versehen. Zwischen den Elektroden ist eine Trennwand T aus Isoliermaterial (z.B. Keramik) angeordnet. Im Bereich der Vorsprünge V_11n der Elektrode H,

nJ. J.

weist die Trennwand T Durchbrüche D_n, auf. Die Vorsprünge V₁₁₁

1 Hl

reichen durch diese Durchbrüche in der Trennwand hindurch. Der Abstand zwischen Trennwand T und Elektrode H₁ sollte grundsätzlich nicht grosser sein als die Höhe der Vorsprünge ^VH1 ^{der Elektrode H}i»

Im linken, mit a bezeichneten Teil der Figur dient der Raum zwischen Trennwand T und Elektrode H-. als Gaszufuhrraum GZ, der Raum zwischen der Trennwand T und der anderen Elektrode Hp als Gasabfuhrraum GA. Im rechten, mit b bezeichneten Teil der Fig. 1 sind Gaszufuhr- und Gasabfuhrraum miteinander vertauscht. Aus Gründen der Einfachheit ist in der schematisehen Schnittdarstellung nach Fig; lc lediglich die Variante nach Fig. la dargestellt.

Die Elektroden H. und H- sind an eine (nicht weiter dargestellte) Hochspannungsquelle angeschlossen. Beim Anlegen der Hochspannung und Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas oder auch reinem Sauerstoff in den Gaszufuhrraum GZ bilden sich im Bereich zwischen den Vorsprüngen V„. der einen Elektrode

Hl

H, und der anderen Elektrode H₂, die selbstverständlich auch mit Vorsprüngen versehen sein kann, Koronaentladungen aus, die eine Anreicherung des sauerstoffhaltiges Gases bzw. des Sauerstoffs im Entladungs- bzw. Reaktionsraum E mit Ozon bewirken. Das mit Ozon angereicherte Gas kann dem Entladungsbzw. Reaktionsraum direkt entnommen werden.

In Fig. 2 ist ein Entladungs- bzw. Reaktionsraum E durch zwei sich annähernd parallel zueinander erstreckende Elektroden H₁ und H_ gebildet. Die obere Elektrode H₂ bildet gleichzeitig eine Wandung W₂ des Ozonerzeugers. Die andere Elektrode H, ist von der anderen Wandung W. des Ozonerzeugers beabstandet. Der zwischen der Elektrode H₁ und der

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Wandung W befindliche Raum bildet den Gaszufuhrraum GZ, für den Fall, dass in diesen Raum das zu behandelnde säuerstoffhaltige Gas eingeleitet wird (linke Hälfte der Fig. 2) oder den Gasabfuhrraum GA, für den Fall, dass aus diesem Raum das mit Ozon angereicherte Gas aus dem Ozonerzeuger abgeführt wird (rechte Hälfte der Fig. 2). Die entsprechenden Gasströmungsrichtungen sind durch Pfeile symbolisiert. Die Elektrode H. weist auf der der anderen Elektrode H_ zugewandten Seite Vor Sprünge V„.. , z.B. Spitzen, auf. In unmittelbarer Nachbarschaft der Vorsprünge ist die Elektrode H. mit Durchbrüchen D„.. versehen, die eine Verbindung zwischen dem Entladungs- bzw. Reaktionsraum E und dem Gaszufuhrraum GZ bzw. dem Gasabfuhrraum GA herstellen. Die Elektrode Hp ist auf der der Elektrode H- zugewandten Seite ebenfalls mit Vorsprüngen V„₂ versehen, die als Spitzen ausgebildet sind und den Vorsprüngen V„.. auf der Elektrode H.. etwa gegenüberliegen. Die Elektroden H₁ und H_? sind an eine nicht weiter dargestellte Hochspannungsquelle angeschlossen. Beim Anlegen einer Hochspannung zwischen den Elektroden bilden sich im Bereich zwischen den sich gegenüberliegenden Spitzen Koronaentladungen aus, die eine Anreicherung des sauerstoffhaltigen Gases im Entladungs- bzw. Reaktionsraum E mit Ozon bewirken.

In der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die eine Gehäusewandung W. als eine mit Vorsprüngen V_H- versehene Elektrode H, ausgebildet. Die Gegenelektrode H» weist den Vorsprüngen V_H1 gegenüberliegende Durchbrüche D„₂ auf, die zudem mit die Durchbrüche umrandende Vorsprüngen V„_ versehen ist. Zwischen der Gegenelektrode Hp und der anderen Gehäusewandung W_ liegt der Gasabfuhrraum GA (linke Hälfte der Fig. 3) oder der Gaszufuhrraum GZ (rechte Hälfte der Fig. 3). Die Elektroden H, und Hp sind mit einer nicht weiter dargestellten Hochspannungsquelle verbunden.

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Die Ausführungsform nach Fig. 4 stellt quasi eine Kombination der Anordnungen nach den Figuren 2 und 3 dar. Beide Elektroden H, und Hp sind miteinander gegenüberliegenden

Vorsprüngen V_11n bzw. V„_o und Durchbrüchen D„, bzw. D„_ vernl nd. til HiI

sehen. Beide Elektroden sind von den Gehäusewandungen W. und W_ beabstandet. Die so entstehenden Räume GZ und GA dienen der Gaszu- bzw. Gasabfuhr. Analog zu den Ausführungen nach Fig. 1 bis 3 kann das zu behandelnde säuerstoffhaltige Gas einem der beiden Räume zugeführt und aus dem anderen abgeführt werden, was in den beiden Hälften der Fig. 4 verdeutlicht ist.

In Fig. 5 ist eine Kaskadenschaltung zweier Ozonerzeuger gemäss Fig. 4 schematisch dargestellt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen, die Zugehörigkeit von Elementen zur zweiten Kaskade durch den Index "*" kenntlich gemacht wurde. Das bereits mit Ozon angereicherte sauerstoffhaltige Gas, das den Entladungs- bzw. Reaktionsraum E durch die Durchbrüche D„₂ verlässt gelangt durch die Durchbrüche D_R1* in den Entladungs- bzw. Reaktionsraum E* der zweiten Kaskade und verlässt diesen über die Durchbrüche D„_o* in der Elek-

n.c.

trode E* zum Gasabfuhrraum GA*. Aus wirtschaftlichen Gründen kann es zweckmässig sein, die Elektroden Hp und H * zu einer einzigen Elektrode zusammenzufassen.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ozonerzeugers in Schnittdarstellung veranschaulicht, der auf dem Prinzip der Ausführungsform nach Fig.4 basiert. Das Gehäuse des Ozonerzeugers besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Mittelteil Z mit daran angesetzten kegelförmigen Bodenteil B

und Oberteil 0 mit einem Gaszufuhrstutzen S_ bzw. einem Gasts abfuhrstutzen S_Q. Das zu behandelnde Gas wird mittels einer Pumpe P zugeführt. Im zylindrischen Teil Z sind zwei Elektroden H₁ und Hp angeordnet. Die als Kreisscheiben ausgebildeten Elektroden H, und Hp sind im Durchmesser kleiner als die lichte Weite des zylindrischen Teils und mittels geeigneter

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ORIGINAL INSPECTED

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Distanzelemente D, z.B. Kreisringscheiben aus Isoliermaterial, gehalten. Beide Elektroden sind mit einer Hochspannungsquelle 6 elektrisch verbunden. Die Hochspannungsquelle liefert eine Gleichspannung von typisch 10 kV. Zur Spannungs-Versorgung der Elektroden sind jedoch auch niederfrequente Wechselspannungen mit einem Effektivwert in der gleichen Grössenordnung geeignet, fernerhin Speisegeräte mit Ausgangsspannungen definierter Impulsform, z.B. solche aus der US-PS M.016.060 oder der DE-OS 26 10 809, dort z.B. gemäss Fig. 3. Das Gehäuse des Ozonerzeugers ist zumindest im zylindrischen Teil Z aus Isoliermaterial, die Elektroden H, und H- bestehen aus rostfreiem Stahl. Bei einem Ganzmetallgehäuse ist zumindest eine der Elektroden elektrisch vom Gehäuse zu isolieren und über eine Hochspannungsdurchführung mit der Hochspannungsquelle G zu verbinden. Die erforderlichen Durchbrüche und Vorsprünge sind regelmässig über die gesamte Elektrodenoberfläche verteilt und können in einfacher Weise in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden, etwa entsprechend der Technik, wie sie zur Herstellung von Reibeisen (= Küchengerät zum Reiben von Kartoffeln, Gemüse etc.) üblich ist.

Bei der angegebenen Spannung von ca. 10 kV beträgt der wirksame Elektrodenabstand über der gesamten Fläche etwa 6 mm.

Gegenüber bekannten Ozonerzeugern, die mit Koronaentladung arbeiten, weist der vorgeschlagene einen wesentlich einfacheren und wirtschaftlicheren Aufbau bei vergleichbarer Ozonausbeute auf. Er liefert bei Betriebsdrücken oberhalb 0,5 bar bereits befriedigende Ergebnisse.

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Claims

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Brown, Boveri & Cie_o He/Ca

Baden (Schweis)

tentansprü-che

Einrichtung zur Ozonerzeugung_s in der ein sauerstoff=· haltiges Gas in einem Gehäuse zwischen Elektroden_s zv/i= sehen denen eine Hochspannung anlegbar ist_s hindurch·= leitbar ist, dadurch gekennzeichnet _B dass das Gehäuse (W) durch eine Trennwand (T) in mindestens einen Entladungsbzw. Reaktionsraum (E) und mindestens einen Gaszufuhr= bzw. Gasabfuhrraum (GZ; GA) getrennt ist_s welche Räume über eine Mehrzahl von in der genannten Trennwand (T) vorgesehene Durchbrüche (D„,j D„, j D„„) miteinander ver~ bunden sind, und dass Mittel (P) zum Hindurchleiten des sauerstoffhaltigen Gases durch den Entladungs- bzw» Reaktionsraum (E) vorgesehen sind₀

2. Einrichtung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet _s dass mindestens eine zwischen den Elektroden (H,_s H») mit

i C. Durchbrüchen (D„) versehen® und aus Isoliermaterial bestehende Trennwand (T) vorgesehen ist (Pig_o la bis Ic)₀

3» Einrichtung n&eh Anspruch I₈ dadurch gekennzeichnet_B dass das. Gehäuse ctoeh ein© der Elektroden (H. _a H-) in die ge·= nannten Räum© getrennt ist_a welche über eine Mehrzahl von in einer Elektrode vorgesehene Durchbräche (D„,5 D„₂) miteinander verbunden sind₀

4ο Einrichtung naeh Ansprueh 3_S dadurch gekennzeichnet _s dass die mit Durchbrüehen (D„„) versehene Elektrode (H.) mit

MX J-

Vorsprüngen (V„=) versehen ist₉ und dass die in den Vor= Sprüngen (V„™) angewandte Wandung (Wp) ^®⁸ Gehäuses als Gegenelektrode ausgebildet ist (Figo 2a bis 2c)„

§098 38/0111 ORiGlNALlNSPEGTED

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5. Einrichtung nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Gehäuses als eine mit Vorsprüngen (V₁₁..) versehene Elektrode (H₁) ausgebildet ist, und dass die Gegenelektrode (H₂) mit Durchbrüchen (D„₂) versehen ist, die zumindest teilweise den Vorsprüngen (V_11n) der erstgenannten Elektrode (H,) gegenüberliegen (Fig. 3a bis 3c),

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (H₁, H₂) von den Wandungen (W₁, W₃) des Gehäuses beabstandet sind, eine der Elektroden "(H₁, H₃) mit der anderen Elektrode zugewandten Vorsprüngen (V₁₁₁)

versehen ist, und die eine der Elektroden (H₁) zumindest im Bereich der Vorsprünge (V_H1), die andere Elektrode (H₃) mit zumindest teilweise den Vorsprüngen (V„,) der erstgenannten Elektrode (H₁) gegenüberliegenden Durchbrüchen (D₁₁₂) versehen ist (Pig. ka. bis Ic).

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (H₁, H₂) miteinander zugewandten, sich zumindest teilweise gegenüberliegenden Vorsprüngen (V„,, V„p) versehen sind.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche £^D»1* ^DH2^ ^{den Vors}P^rüngen (Vj₁₁, V„₂) unmittelbar benachbart sind, vorzugsweise die Vorsprünge die Durchbräche umrandan und umgekehrt.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (V^₁, V₁₁₃) mindestens eine Kante und/oder SpIcsg aufweisen.

10. Einrichtung nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnet _s dass mindestens eine der Elektroden (H₁J H₃) mit Vorsprüngen

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(V₁₁₁) versehen ist, welche Vorsprünge im Bereich der HJ.

Durchbrüche (D_) der Trennwand (T) angeordnet sind und durch die Durchbrüche hindurchreichen.

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