DE3005040C2

DE3005040C2 -

Info

Publication number: DE3005040C2
Application number: DE3005040A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Bellikon Aargau Ch Baessler; Ulrich Dr. Hausen Aargau Ch Kogelschatz
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1980-01-14
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1988-08-11
Also published as: CH642606A5; US4410495A; DE3005040A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ozonisator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ozonisatoren werden in zunehmendem Maße in industriellen Betrieben eingesetzt, da Ozon als starkes Oxidationsmittel zur Abwasserreinigung, Luftverbesserung, Trinkwasserbehandlung, Lebensmittellagerung sowie in der Medizin und Chemie verwendet wird.

Aus der DE-OS 26 17 104 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Koronaentladungsreaktionen bei dem ein Reaktionsgas durch einen Koronaentladungsspalt hindurchgeleitet wird und in dem Spalt elektrische Energie in Form schmaler Impulse freigesetzt wird, wodurch unter Ausbildung einer Koronaentladung den in dem Spalt befindlichen Elektronen und Gasionen Energie zugeführt wird. Die Elektronen werden zur Erzielung einer produktiven Reaktion des Reaktionsgases mit Energie beaufschlagt. Die während der Reaktion entstandenen Gasionen werden aus dem Spalt beseitigt, um eine unproduktive Energiebeaufschlagung der Ionen zu minimieren. Die Beseitigung der Gasionen erfolgt durch ein Vorspannungspotential und zwar in dem Zeitintervall zwischen den schmalen Impulsen. Die Gasionen können auch durch Zumischung von negativ geladenen feinunterteilten Flüssigkeits- und Feststoffteilchen neutralisiert werden. Das Verfahren wird zur Ozonerzeugung verwendet, wobei Ozon aus einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch erzeugt wird, das erhebliche Mengen an Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen enthält.

Bei einem derartigen Verfahren werden die Impulse durch eine relativ aufwendige Schaltung erzeugt, bei der das Schaltelement in der Lage sein muß, die volle Spannung zu schalten. Die zur Ansteuerung derartiger gepulster Ozonisatoren verwendeten Schaltelemente müssen Spannungen von 15 bis 20 kV sowie Ströme von 1 bis 5 kA schalten und durchschalten können, bevor sich zwischen den Ozonisatorelektroden eine Entladung aufgebaut hat. Zudem müssen diese Schaltelemente eine hohe Lebensdauer erreichen, d. h. bis zu 10¹⁰ Schaltzyklen ausführen können. Geeignete Schaltelemente sind zum Beispiel Halbleiterschalter wie Kippdioden und Thyristoren. Ihr Aufbau und die Wirkungsweise sind zum Beispiel in der BBC-Firmenschrift D HS 704 68 EFD und in der Veröffentlichung von P.F. Pittmann, D.J. Page, Solid State Pulse Switching, Pulsed Power Cont., Lubcock (Tex), 1977 beschrieben. Diese Schaltelemente können auch die erforderlichen Stromanstiege von größer 10⁹ A/s bewältigen. Ihre Spannungsfestigkeit, die etwa bei einem kV liegt, ist jedoch nicht ausreichend. Deshalb wurden Schaltungen vorgeschlagen, bei denen das Schaltelement nur einen kleineren zusätzlichen Spannungssprung schalten muß, der sich einer langsameren Grundschwingung überlagert. (CH-Patentgesuch Nr. 7101/79-8 bzw. deutsche Patentanmeldung P 29 34 327.9).

Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Stromtragfähigkeit der Kippdioden, welche Spitzenströme von 100 bis 200 A pro Element schalten können. Zur Verbesserung der Ozonausbeute sind jedoch relativ hohe Stromdichten auf den Ozonisatorelektroden von ca. 1 A pro Quadratzentimeter Elektrodenfläche von Vorteil, da sich dadurch erste eine homogene Entladung ausbildet. Ein Ozonrohr von einem Meter Länge besitzt eine Elektrodenfläche von ungefähr 1600 cm². Es sind demnach 8 bis 16 parallel geschaltete Kippdioden notwendig, welche jeweils 100 bis 200 A auf die Elektrode durchschalten, um bei einem derartigen Ozonisator die geforderte Stromdichte auf der Elektrode zu erzeugen. Das Zündpotential der einzelnen parallel geschalteten Kippdioden schwankt jedoch von Element zu Element. Es sind deshalb zusätzliche Schaltungsmaßnahmen notwendig, um ein synchrones Durchschalten der Kippdioden und eine gleichmäßige Aufteilung des Stromes auf die Schaltelemente sicherzustellen. Ohne diese zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen würde ein Teil der Kippdioden durch Überbelastung zerstört.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung Ozonisatoren, wie sie in der eingangs genannten Patentanmeldung beschrieben sind, derart weiterzubilden, daß stets die für eine wirtschaftliche Ozonerzeugung optimalen Stromdichten erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Ozonisatorelektroden kann zwischen diesen eine homogene Entladung erzeugt werden, wobei die dafür erforderlichen Teilströme den Elektroden über Schaltelemente zugeführt werden, ohne sie dabei zu überlasten. Es ist auch nicht notwendig, daß die Schaltelemente synchron schalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Funkenstrecken als Schaltelemente gemäß Anspruch 2 zeichnen sich durch schnelles Ansprechen und hohe Strombelastbarkeit aus.

Halbleiterschaltelemente besitzen eine extrem hohe Lebensdauer und ermöglichen ein sehr schnelles Durchschalten im Nanosekundenbereich.

Die Verwendung von Kippdioden, wie es im Anspruch 4 beschrieben ist, ermöglicht ein gut reproduzierbares Durchschalten der Ströme, da das Zündpotential für ein Einzelelement nur um weniger als 5 V schwankt.

Mit dem Schaltelement, wie es in Anspruch 5 beschrieben ist, kann bei entsprechender Auswahl und Anzahl der in Serie geschalteten Kippdioden die volle Spannung, die bis zu 20 kV betragen kann, geschaltet werden. Durch Parallelschalten eines Schaltkondensators nach Anspruch 6 können auch Schaltelemente mit geringerer Spannungsfestigkeit verwendet werden, da das Schaltelement nur den zusätzlichen Spannungssprung schalten muß. Bei Anordnung des Speicherkondensators unmittelbar am Ozonisator, wie es in Anspruch 7 vorgeschlagen wird, kann eine gute Stromübertragung von der Spannungsquelle auf die Ozonisatorelektroden erreicht werden, wobei Verluste, die bei Verwendung längerer Zuleitungen auftreten würden, weitgehend vermieden werden. In Anspruch 8 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ozonisators beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ozonisators, bei dem eine Ozonisatorelektrode aus zwei elektrisch voneinander getrennten ringförmigen Manschetten aus elektrisch leitendem Material besteht,

Fig. 1a, 1b, 1c die schematische Darstellung von mehreren erfindungsgemäßen Ozonisatoren, die zu einer größeren Ozonisatoreinheit zusammengeschaltet sind,

Fig. 2 die schematische Darstellung von mehreren erfin dungsgemäßen Ozonisatoren, die zu einer größeren Ozonisatoreinheit zusammengeschaltet sind,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Ozonisators, bei dem eine Ozonisatorelektrode aus mehreren elektrisch voneinander getrennten ringförmigen Manschetten aus elektrisch leitendem Material besteht.

Zur Verdeutlichung der allen Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden erfinderischen Idee sind in den Zeichnungen gleichwirkende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ozonisator ist zur Bildung eines Entladungskanals 4 in einem elektrisch isolierenden Rohr 3, z. B. aus Glas, ein von diesem senkrecht zur Längsachse distanziertes und parallel zu diesem verlaufendes elektrisch leitendes Rohr 1, z. B. aus Stahl, angeordnet, welches die Innenelektrode des Ozonisators bildet. Die äußere Oberfläche des elektrisch isolierenden Rohres 3 weist zwei Teilelektroden 2 auf, welche die Außenelektroden des Ozonisators bilden. Sie bestehen aus parallelen elektrisch leitenden Manschetten 2, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, die das elektrisch isolierende Rohr 3 in Umfangsrichtung umgeben und in Richtung der Längsachse des Rohres 3 in einem bestimmten Abstand voneinander distanziert sind. Die Manschetten 2 können z. B. als Einbrennlack oder durch Metall-Bedampfung auf das Rohr 3 aufgebracht werden. Die wirksame Fläche einer Manschette 2 beträgt etwa 100 bis 200 cm². Jede Manschette 2 ist über jeweils ein Schaltelement A mit einer Verbindungsleitung 8 verbunden, welche an eine Klemme der Anschlußklemmen 5″ einer Wechselspannungsquelle 5′ angeschlossen ist. Die zweite Klemme der Wechselspannungsquelle 5′ ist mit dem einen Ende des elektrisch leitenden Rohres 1 verbunden, dessen anderes Ende geerdet ist. Die Anschlußklemmen 5″ der Wechselspannungsquelle 5′ sind mit einem Speicherkondensator 6 überbrückt, der in unmittelbarer Nähe des Oszillators angeordnet ist. Der Speicherkondensator 6 und die Wechselspannungsquelle 5′ bilden die Energieversorgungseinrichtung 5 für den Ozonisator.

Die in Fig. 1a dargestellte Anordnung besteht aus einer Funkenstrecke 10, die mit einem Schaltkondensator 11 überbrückt ist. Das Schaltelement gemäß Fig. 1b besteht aus zwei Gruppen von jeweils drei in Serie geschalteten Kippdioden 7, wobei die Serienschaltungen antiparallel zueinander geschaltet sind. Bei der in Fig. 1c dargestellten Anordnung sind zwei Kippdioden 7 antiparallel geschaltet, wobei diese Antiparallelschaltung mit einem Schaltkondensator 11 überbrückt ist.

Die Funktionsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgende:

Durch den Entladungskanal 4 strömt ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Sauerstoff. Durch die Wechselspannungsquelle 5′ wird der Speicherkondensator 6 während der positiven Halbwelle der Wechselspannung mit einer bestimmten Ladungsmenge aufgeladen. Bei einem bestimmten Spannungswert schaltet das Schaltelement A durch und der Speicherkondensator 6 entlädt sich über das Schaltelement A und die elektrisch leitenden Manschetten 2 durch den Entladungskanal. Die Entladung ist aufgrund der erreichbaren hohen Stromdichten von ca. 1 A/cm² homogen. Sie bewirkt eine Ionisierung des Sauerstoffs und die damit verbundene Bildung von Ozon mit gutem Wirkungsgrad. Liegt die negative Halbwelle der Wechselspannung an, wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang. Bei Verwendung des in Fig. 1a dargestellten Schaltelementes und bei geeigneter Dimensionierung des Ozonisators und des Schaltkondensators 11 kann die von der Wechselspannungsquelle 5′ gelieferte Spannung derart auf den als Kapazität wirkenden Ozonisator und den Schaltkondensator 11 aufgeteilt werden, daß über die Funkenstrecke 10 nur noch ein relativ kleiner Spannungsimpuls dazugeschaltet werden muß, um eine Zündung der Entladung zu bewirken. Dies gilt in gleicher Weise bei Verwendung des in Fig. 1c dargestellten Schaltelementes. Dabei ist für die positive und negative Polarität jeweils eine Kippdiode als unipolares Schaltelement vorgesehen. Mit dem in Fig. 1b dargestellten Schaltelement kann die volle Spannung, die zur Zündung der Entladung erforderlich ist, auf die Teilelektroden 2 des Ozonisators durchgeschaltet werden. Anstelle der Kippdioden 7 sind auch andere Halbleiterschaltelemente einsetzbar, z. B. Thyristoren. Das elektrisch leitende Rohr 1 kann von innen mit Wasser gekühlt werden und das elektrisch isolierende Rohr 3 zusammen mit den Schaltelementen in einem Oelbad angeordnet sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ozonisatoreinheit sind mehrere erfindungsgemäße Ozonisatoren mit Stützbalken 12 gegeneinander abgestützt. Die Stützbalken 12 bestehen aus elektrisch isolierendem Material z. B. Kunststoff. Die Außenelektroden 2 der Ozonisatoren sind über jeweils eine Parallelschaltung einer Kippdiode 7 und eines Schaltkondensators 11 an eine erste Teilleitung 8 der Verbindungsleitung zu einem Pol der Energieversorgungseinrichtung 5 angeschlossen. An einem anderen Punkt der jeweiligen Außenelektroden 2 der Ozonisatoren ist jeweils eine weitere Kippdiode 7 befestigt, welche zu der Kippdiode, die mit dem Schaltkondensator 11 überbrückt ist, antiparallel geschaltet ist und an eine zweite Teilleitung 9 der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5 angeschlossen ist. Die Innenelektrode 1 der Ozonisatoren sind geerdet und an den anderen Pol der Energieversorgungseinrichtung 5 angeschlossen.

Zur Verdeutlichung der Schaltanordnung ist einer der Ozonisatoren (in Fig. 2 durch Strichlinie umrahmt) mit den dazugehörigen Schaltverbindungen in Fig. 3 dargestellt.

Sein Aufbau entspricht weitgehend dem Ozonisator gemäß Fig. 1 und kann der Beschreibung zu Fig. 1 entnommen werden. Das elektrisch isolierende Rohr 3 ist jedoch nicht mit zwei sondern mit einer Vielzahl von elektrisch leitenden Manschetten 2 versehen. Die den einzelnen Manschetten 2 zugeordneten Schaltelemente entsprechen in ihrer Funktionsweise dem in Fig. 1c dargestellten Schaltelement, wobei jeweils eine Parallelschaltung von Kippdiode 7 und Schaltkondensator 11 die Manschette 2 mit einer ersten Teilleitung der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5 verbindet und eine an einen anderen Punkt der Manschette 2 befestigte antiparallel geschaltete Kippdiode 7 diese Manschette 2 mit einer zweiten Teilleitung 9 der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5 verbindet.

Die Funktionsweise der Ozonisatoreinheit und des in Fig. 3 dargestellten Ozonisators kann der Beschreibung zu Fig. 1 und 1c entnommen werden.

Zur Anspeisung der beschriebenen Ozonisatoren ist nicht nur Wechselspannung sondern auch eine gepulste Spannung verwendbar.

Bezeichnungsliste 1 Innenelektrode des Ozonisators - elektrisch leitendes Rohr
2 Außenelektrode des Ozonisators - Teilelektroden - elektrisch leitende Manschetten
3 Dielektrikum - elektrisch isolierendes Rohr
4 Entladungskanal
5 Energieversorgungseinrichtung
5′ Spannungsquelle - Wechselspannungsquelle
5″ Anschlußklemmen der Spannungsquelle
6 Speicherkondensator
7 Kippdiode
8 erste Teilleitung der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5
9 zweite Teilleitung der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5
10 Funkenstrecke
11 Schaltkondensator
12 Stützbalken
A Schaltelement

Claims

1. Ozonisator mit wenigstens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine auf ihrer der anderen Elektrode zugewandten Oberfläche mit einem Dielektrikum belegt ist, und einer Energieversorgungseinrichtung mit einer Spannungsquelle und einem parallelgeschalteten Speicherkondensator, wobei eine Anschlußklemme der Spannungsquelle mit einer Elektrode des Ozonisators und die zweite Anschlußklemme über wenigstens ein Schaltelement mit der anderen Elektrode des Ozonisators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode voneinander getrennte Teilelektroden (2) aufweist, daß jeder Teilelektrode (2) jeweils wenigstens ein Schaltelement (A) zugeordnet ist und daß sämtliche Teilelektroden (2) mit den zugeordneten Schaltelementen (A) parallel zu der Spannungsquelle (5′) geschaltet sind.

2. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (A) eine Funkenstrecke (10) ist.

3. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (A) ein Halbleiterschaltelement (7) ist.

4. Ozonisator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (A) eine Kippdiode (7) ist.

5. Ozonisator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (A) als eine Antiparallelschaltung von einer oder mehreren jeweils in Serie angeordneten Kippdioden (7) ausgeführt ist.

6. Ozonisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (A) von einem Schaltkondensator (11) überbrückt ist.

7. Ozonisator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (6) unmittelbar am Ozonisator angeordnet ist.

8. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ozonisator als Röhrenozonisator ausgeführt ist, der aus einem elektrisch leitenden Rohr (1) besteht, welches von einem in radialer Richtung zu diesem beabstandeten und achsparallel zu diesem verlaufenden elektrisch isolierenden Rohr (3) umgeben ist, das auf seiner äußeren Oberfläche mit parallelen und in Richtung der Längsachse des elektrisch isolierenden Rohres (3) voneinander distanzierten dieses umfassende vorzugsweise in sich geschlossene Streifen (2) aus elektrisch leitendem Material versehen ist.