DE3220018A1

DE3220018A1 - Verfahren und einrichtung zur herstellung von ozon

Info

Publication number: DE3220018A1
Application number: DE19823220018
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Dr. 5035 Unterentfelden Hirth; Ulrich Dipl.-Phys. Dr. 5212 Hausen Kogelschatz
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Degremont Technologies AG
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1982-05-27
Publication date: 1983-01-20
Also published as: CH648534A5; DE3220018C2

Description

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Ozon
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ozon gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Gattung sind beispielsweise aus der DE-OS 23 57 392, der DE-OS 24 36 914 oder der US-PS 2 822 327 bekannt.
Die zunehmende Verwendung von Ozon für chemische und physikalische Zwecke hat dazu geführt, dass die auf Arbeiten von Siemens zurückgehende Ozonröhre in der jüngsten Vergangenheit in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht entscheidend verbessert worden ist. So wird in der US-PS 2 all 217 vorgeschlagen, die Ozonausbeute dadurch zu erhöhen, dass bestimmte Kenngrössen des Ozonisators (Frequenz der Speisespannung, Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials, Amplitude der Speisespannung, Dicke der Dielektrikumsschicht und Grösse des Entlàdungsspalts) bestimmte Gesetzmässigkeiten erfüllen müssen.
In anderen Publikationen werden zum gleichen Zweck spezielle Kühlmassnahmen vorgeschlagen, um die Ozonausbeute zu erhöhen, so z.B. neben der Flüssigkeitskühlung der Aussenelektrode die Innenkühlung der Hochspannungselektrode mit Gas oder Flüssigkeit in der DE-OS 23 57 392, oder die Zwischenkühlung des mit Ozon angereicherten Einsatzgases bei hintereinandergèschalteten Ozonisatoren in der DE-OS 24 36 914.
Während es bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von Ozon mehrheitlich darum geht, die Ozonmenge zu vergrössern, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, den Wirkungsgrad, also die Menge Ozon pro aufgewandte kWh zu erhöhen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtungen zur Erzeugung von Ozon zu schaffen.
Der Erfindung liegt dabei die Ueberlegung zugrunde, den Wirkungsgrad durch gezielte Beeinflussung der effektiven Reaktionstemperatur in Abhängigkeit von der Ozonkonzentration eines Volumenelementes während der Passage durch den Ozonisator zu erhöhen, was erfindungsgemäss durch Verminderung der der Elektrodenoberflächeneinheit zugeführten elektrischen Leistung in Strömungsrichtung des Einsatz- gases erfolgt.
Der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung ist bei kleinen Ozonkonzentrationen praktisch nicht temperaturabhängig, verschlechtert sich bei grösseren Ozonkonzentrationen jedoch drastisch mit steigender Temperatur. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird der Prozess derart gesteuert, dass die höheren Ozonkonzentrationen bei niedrigeren Temperaturen entstehen. Die effektive Reaktionstemperatur setzt sich additiv zusammen aus der mittleren Temperatur im Entladungskanal. Bekanntlich setzt sich die Entladung aus einer Vielzahl von kurzen Stromimpulsen zusammen. Die Energieeinspeisung in einem solchen Entladungakanal führt zu einer lokalenmomentanen Temperaturüberhöhung, die hier als Kanaltemperatur bezeichnet wird. Die effektive Reaktionstemperatur lässt sich somit zum einen durch Steuerung der Leistungsaufnahme in Strömungsrichtung des Einsatzgases beeinflussen, was unmittelbare Auswirkungen auf die mittlere Gastemperatur im Entladungsspalt zeitigt, zum anderen kann die Beeinflussung der effektiven Reaktionstemperatur durch Herabsetzen der Kanaltemperatur erfolgen.
Die von einem Ozonisator aufgenommene Leistung wird unabhängig von der Form der angelegten Spannung durch die Beziehung P : 4f(C0+Cg) UZ ((Cges/C9) UO - Uz) gegeben, worin U0 = Spitzenwert der angelegten Spannung, UZ = Zündspannung des Entladungespaltes, f = Frequenz der angelegten Spannung, CD = Dielektrikumskapazität, C g Kapazität des Entladungsspaltes, CgeS = (1/CD + 1/C g bedeuten. Diese Leistungsparabel (UO, f fest) hat ihr Maximum bei U0 2 2 Z C Cg/Cges * g ges Für grössere UO-Werte ist dP/dUZ positiv, für kleinere negativ. Da die Zündspannung mit zunehmender Ozonkonzentration zunimmt, sollte der Ozonisator in jedem Fall im Bereich U0 < 2 . UZ . Cg /Cges betrieben werden. Herkömmliche 50 Hz-Ozonisatoren erfüllen in dieser Hinsicht nicht die vorgenannte Bedingung, da ihr Arbeitspunkt auf dem falschen Ast der Leistungsparabel (grosses UO, zu kleine Frequenz f, d.h. dP/dUZ>O) liegt (vgl. Fig. 2). Bei ihnen steigt die zugeführte Leistung in Strömungsrichtung des Einsatzgases.
Unter Beachtung der vorstehenden Ueberlegungen ergeben sich für den Betrieb des Ozonisators folgende Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung: a) Einrohr- oder Einfach-Ozonisator aa) Bei gegebenem Uz, CD und Cg werden UO und f derart gewählt, dass dP/dUZ0 ist, so dass in Strömungsrichtung des Einsatzgases und damit zunehmender Ozonkonzentration die auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogene Leistung abnimmt.
ab) Bei festem UO, f, und CD wird die Zündspannung UZ durch Verwendung eines konischen, sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases erweiternden Entladungsspaltes in ebendieser Richtung erhöht, was gleichfalls zu einer Verminderung der auf die Elektroden flächeneinheit bezogenen Leistung und damit zur Wirkungsgraderhöhung führt.
b) Zwei- oder Mehrrohrozonisatoren, also solchen, bei denen einzelne Ozonisatoren in Bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltet sind, wobei Ozonisatoren derselben Gattung aus selbständigen Baueinheiten bestehen, oder Ozonisatoren unterschiedlichen Aufbaus in einem gemeinsamen Gehäuse (Kessel) untergebracht sind, wobei Ozonisatoren unterschiedlicher Gattung durchaus gemeinsame Bauteile, z.B. Aussenelektroden, aufweisen können.
Bei Zwei- oder Mehrrohrozonisatoren wird (analog zur Ausführung nach der DE-OS 24 36 914) das Einsatzgas durch eine entsprec-hende Anzahl hintereinandergeschal teter einzelner Ozonisatoren abgeführt. Im Gegensatz zu genannten bekannten Anordnung erfolgt die Speisung erfindungsgemäss jedoch durch getrennte, jedem einzelnen Ozonisator zugeordnete Speiseeinrichtungen mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen derart, dass in Strömungsrichtung des Einsatzgases gesehen entweder die Ausgangsspannung der Speiseeinrichtung und/oder die Frequenz abnimmt.
bb) Bei Zwei- oder Mehrrohrozonisatoren mit an sich gleichartigen Speiseeinrichtungen weisen die stromabwärts gelegenen Ozonisatoren eine grössere Spaltweite und damit kleinere Entladungsspaltkapazität auf als die stromaufwärts gelegenen.
bc) Kombination aus ba) und bb).
Wie bereits eingangs dargelegt, lässt sich die effektive Reaktionstemperatur auch durch Herabsetzen der Kanaltemperatur beeinflussen. Gerade im Bereich höherer Ozonkonzentrationen wirkt sich eine niedrigere Kanaltemperatur günstig auf den Wirkungsgrad aus. Aufgrund eingehender Untersuchungen wurde gefunden, dass sich die Kanaltemperatur durch Wahl eines dickeren Dielektrikums erniedrigen lässt. So lässt sich eine kontinuierliche Anpassung an die in Strömungsrichtung des Einsatzgases anwachsende Ozonkonzentration durch eine in gleicher Richtung anwachsende Dicke des Dielektrikums (in der Praxis in Längsrichtung anwachsende Dicke des die Hochspannungselektrode tragenden Glasrohre erreichen. Eine praxisnähere Lösung besteht jedoch bei Zwei- und Mehrrohrozonisatoren darin, bei den hintereinandergeschalteten Einzelozonisatoren Glasrohre unterschiedlicher Wandstärke oder unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante vorzusehen. In beiden Fällen kommen zwei sich gegenseitig unterstützende Effekte zum Tragen: Infolge derkleineren Dielektrikumskapazität nimmt das stromabwärts gelegene Rohr weniger Leistung auf und erreicht damit eine geringere Gastemperatur. Darüber hinaus stellt sich infolge der grösseren Glasdicke eine geringere Kanaltemperatur ein. Man deponiert bei dieser Lösung bewusst mehr Leistung bei niedrigeren Ozonkonzentrationen, weil hier der Wirkungsgrad weniger empfindlich auf Temperaturerhöhung reagiert.
Das erfindungsgemässe Verfahren sowie Einrichtungen zu dessen Durchführung werden nachstehend anhand von in der Zeichnung stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Röhrenozonisators mit zugehöriger Energieversorgungseinrichtung, Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung des funktionellen Zusammenhangs zwischen der von einem Röhrenozonisator aufgenommenen Leistung und der Zündspannung des Entladungsspaltes, Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung zur Herstellung von Ozon mit sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases sich konisch erweiterndem Entladungsspalt unter Verwendung eines konischen Glasrohrs Fig. 4 eine Variante zur Anordnung gemäss Fig. 3 unter Verwendung einer in Strömungsrichtung des Einsatzgases sich konisch erweiternden Aussenelektrode, Fig. 5 eine aus zwei in Serie geschalteten Einzelozonisatoren bestehende Baueinheit mit getrennten Energieversorgungseinrichtungen, Fig. 6 eine aus zwei in Serie geschalteten Einzelozonisatoren bestehende Baueinheit mit unterschiedlichen Spaltweiten aufweisenden Einzelozonisatoren, Fig. 7 eine Ausführungsform eines Röhrenozonisators mit t in Strömungsrichtung des Einsatzgases dicker werdendem Dielektrikum, Fig. 8 eine Ausführungsform mit in Serie geschalteten Röhrenozonisatoren mit unterschiedlichen Dielektrikumadicken, Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel einer aus zweistufigen oder Duplex-Röhrenozonisatoren aufgebauten Einrichtung zur Erzeugung von Ozon.
Der schematisch in Fig. 1 dargestellte Röhrenozonisator besteht im wesentlichen aus einem Metallrohr 1 aus rostfreiem Stahl, in welches unter Beibehaltung des Entladungsspaltes 2 ein Glasrohr 3 mit einer Innenmetallisierung 4 eingesetzt ist. Die Innenmetallisierung 4, z.B. eine Aluminium- oder Silberschicht, dient als Hochspannungselektrode und ist mit dem einen Anschluss einer Energieversorgungseinrichtung 5 verbunden, während der andere Anschluss an das äussere Metallrohr 1 geführt ist und auf Erdpotential liegt. Die Strömungsrichtung des Einsatzgases (feed) ist durch Pfeileveranschaulicht.
Die Energieversorgungseinrichtung 5 umfasst im wesentlichen einen Stromrichter 6 mit variabler Ausgangswechselspannung und einstellbarer Frequenz sowie einen dem Stromrichter 6 nachgeschalteten Hochspannungstransformator 7. Derartige Energieversorgungseinrichtungen für Ozonisatoren sind zum Stand der Technik zu zählen vgl. z.B.
US-PS 4,052,045). Anders als bei der Anspeisung bekannter Ozonisatoren, wo die Amplitude der Ausgangsspannung und deren Frequenz zur Erzielung einer möglichst grossen Ozonausbeute gesteuert oder geregelt werden, wird im vorliegenden Fall die Amplitude der Ausgangsspannung des Stromrichters 5 und deren Frequenz mit Blick auf den Wirkungsgrad der Ozonerzeugung eingestellt. Dies wird nachstehend anhand der graphischen Darstellung der Fig. 2, welche die Leistungsparabel eines Röhrenozonisators wiedergibt, näher verdeutlicht.
Die parallel zur Uz-Achse verlaufende Gerade p schneidet die Leistungsparabel in den Punkten I und II. Im Punkt I ist dP/dU,cO, im Punkt II ist dP/dUzO. 0. Bei Zündspannungen grösser UZ vermindert sich die aufgenommene Leistung 0 P und damit die Leistungsdichte P/Flächeneinheit.
Zur Verdeutlichung dieses Zusammenhangs sei folgendes Beispiel angeführt.
Betrachtet man ein Ozon-Entladungsrohr mit einem Luftspalt von 1,5 mm und einer Dielektrikumsdicke von 2,5 mm (Dielektrizitätskonstante = 5), ergeben sich folgende spezifische Kapazitäten-Cg/F = 5,9 nF/m2 , CD/F = 17,7 nF/m2 Die Zündspannung beträgt beispielsweise U = 5 kV.
Wird das Rohr mit einer 50 Hz-Spannung von 20 kVeff (UO : 20 2 2 kV) betrieben, so ergibt sich eine Leistungsdichte von 383 W/m2. Im folgenden sind drei Arbeitspunkte mit gleicher Leistungsdichte gewählt, von denen der erste auf-dem ansteigenden Ast der Leistungsparabel (dP/dlJz=»O), der zweite etwa im Maximum (dP/dLlz = O), der dritte auf dem fallenden Ast (dP/dU O) der Leistungsparabel liegt.
Kenngrösse Punkt 1 Punkt 2 Punkt 3 Frequenz (Hz) 50 162 2500 Spitzenspannung (kV) 28,3 13,35 7,l Leistungsdichte 2 bei Uz = 5 kV (W/m ) 385 383 383 Leistungsdichte bei Uz = 5,25 kV (W/m²) 396 382 93 Zur Verdeutlichung des Einflusses der sich infolge wachsender Ozonkonzentration ändernden Zündspannung U z ist in der vierten Zeile der Tabelle die Zu- bzw. Abnahme der Leistungsdichte in den verschiedenen Arbeitspunkten bei um 5 % zunehmender Zündspannung aufgeführt.
Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen von Röhrenozonisatoren, welche im Aufbau im wesentlichen mit demjenigen nach Fig. 1 übereinstimmen, erweitert sich der Entladungsspalt 2 konisch in Strömungsrichtung des Einsatzgases (Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas).
Im Falle der Fig. 3 wird diese konische Erweiterung durch ein konisches Glasrohr, im Falle der Fig. 4 durch Verwendung eines konischen Metallrohres 1 gebildet.
Geht man von einem herkömmlichen Röhrenozonisator mit gleichbleibender Spaltbreite mit folgenden beispielsweisen Kenngrössen Spaltkapazität : C : 12,3 nF/m2 g Dielektrikumskapazität : CD : 15,4 nF/m2 Breite des Entladungsspaltes : 5 : 0,6 mm Zündspannung : UZ : 3,4 kV Spitzenspannung : UO = 8 kV Frequenz : f : 15 kHz (die Kapazitäten sind dabei auf die Elektrodenflächen in m2 bezogen) aus, so ergibt sich eine Leistungsdichte von ca. 5,8 kW/m2 Lässt man dagegen die Luftspaltweite in Strömungsrichtung des Einsatzgases von der Anfangsweite sa = 0,6 mm auf Se = 0,9 mm bei einer Rohrlänge von typisch 1 m wachsen, so erhöht sich die Zündspannung UZ bei gleichzeitiger Reduktion der Spaltkapazität Cg. Beide Effekte zusammen ergeben eine Reduktion der Leistungsdichte auf den Wert 0,85 kW/m2 mit entsprechender Erniedrigung der effektiven Temperatur im Entladungsspalt 2.
Wie bereits eingangs ausgeführt, lässt sich die effektive Temperatur im Entladungsspalt 2 bei bezüglich des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren auch durch unterschiedliche Auslegung der Energieversorgungseinrichtungen 5 herabsetzen, um auf diese Weise den Gesamtwirkungsgrad der Ozonerzeugungsanlage zu erhöhen. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb eines gemeinsamen, die Aussenelektrode bildenden Metallrohres 1 zwei elektrisch voneinander isolierte und durch getrennte Speiseeinrichtungen 5a, 5b gespeiste Hochspannungselektroden 4a, 4b auf dem Innern eines gemeinsamen Glasrohrs 3 angeordnet. Die Ausgangsspannungen und Frequenzen der Speiseeinrichtungen sind dabei so gewählt, dass dem stromabwärts liegenden Ozonisator weniger Leistung zugeführt wird. Die Trennlinie T soll andeuten, dass die geschilderte Anspeisung auch für einzelne Ozonisatoren ausgeführt werden kann, wobei die bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren auch räumlich distanziert angeordnet sein können, z.B. in getrennten Kesseln untergebracht sein können.
Eine Ausführungsform mit hintereinandergeschalteten Röhrenozonisatoren, die mit einer einzigen Anspeiseeinrichtung auskommt, ist in Fig. 6 beispielsweise dargestellt. Innerhalb eines gemeinsamen Metallrohres 1 sind Glasrohre 3a, 3b unterschiedlichen Aussendurchmessers angeordnet. Auf -der Einspeiseseite des Einsatzgases ergibt sich eine Spaltweise sa, die kleiner ist als die Spaltweise sb auf der Auslassseite. Die mechanische Verbindung beider Glasrohre 3a, 3b, die gleichfalls mit Innenelektroden 4a, versehen sind, erfolgt durch ein Zwischenteil 8. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Innenelektroden 4a und 4b vollzieht sich durch elektrisch miteinander verbundene bürstenartige Kontaktelemente 9, 10, wie sie generell zur Kontaktierung von Innenelektroden von Röhrenozonisatoren verwendet werden und somit bekannt sind. Infolge der in Strömungsrichtung des Einsatzgases grösseren Spaltweite 5a in der Zone höherer Ozonkonzentration e stellen sich die im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 3-bzw. 4 geschilderten Verhältnisse hinsichtlich Wirkungsgraderhö-hung ein, wobei die Wirkungsgraderhöhung infolge der nicht kontinuierlichen Anpassung der Spaltbreite an die Ozonkonzentration weniger ausgeprägt ist, doch ist ein Aufbau entsprechend Fig. 6 technisch einfacher zu realisieren.
Auch bei einer Anordnung nach Fig. 6 besteht die Möglichkeit, die beiden links und rechts des Zwischenteil gelegenen Ozonisatorhälften als selbständige Baueinheiten auszuführen, die räumlich getrennt bezüglich des Einsatzgases in Serie geschaltet sind, oder - wie später noch im Zusammenhang mit Fig. 9 erläutert wird - zwei mit Innenelektroden versehene Glasrohre in einem gemeinsamen Metallrohr 1 anzuordnen.
Eine Anpassung der Leistungsdichte an die Ozonkonzentration ist ferner möglich durch stetiges Anwachsenlassen der Dicke des die Innenelektrode 4 tragenden Glasrohres, wie es in der Fig. 7 beispielsweise dargestellt ist. Während die Weite s des Entladungsspaltes 2 über die gesamte Länge des Röhrenozonisators konstant gehalten ist, erhöht sich die Dicke des Glasrohres 3c von einer Anfangsdicke Sa zu einer Enddicke se.
Bei einem Labormuster eines Röhrenozonisators gemäss Fig. 7 mit folgenden Kenngrössen Spaltkapazität : g : 12,3 nF/m2 Dielektrikumskapazität : CD = 20,8 nF/m2 Breite des Entladungsspaltes : s = 0,7 mm Dicke des Glasrohrs am Einlass : da = 2 mm Dicke des Glasrohrs am Auslass : d = 4 mm Zündspannung : um = 3,4 kV Spitzenspannung U um = 14 kV 0 Frequenz : f = 3 kHz (die Kapazitäten sind auf die Elektrodenfläche in m2) bezogen) variiert die Leistungsdichte zwischen 7,3 kW/m2 am Rohranfang (Einsatzgas-Einlass) und 2,8 kW/m2 am Rohrende mit entsprechender Reduktion der mittleren Temperatur im Entladungsspalt. Diese Lösung bringt als zusätzlichen Vorteil, dass die Stärke der Einzelentladungen mit zunehmender Dielektrikumsdicke (Glasrohrdicke) abnimmt, was die Kanaltemperatur erniedrigt.
Auf dem gleichen Prinzip der Wirkungsgraderhöhung der Ozonerzeugung beruht die Ausführungsform gemäss Fig. 8, bei welcher im Grunde genommen zwei Röhrenozonisatoren mit der selben Spaltweite s, aber unterschiedlichen Glasdicken da bzw. d e der die Innenelektroden 4a bzw. 4e tragenden Glasrohre 3a und 3e bezüglich des Einsatzgases in Serie geschaltet sind. Beide Glasrohre sind an der Stossstelle 11 zusammengeschmolzen. Die Innenmetallisierung überdeckt die Stossstelle und stellt die elektrische Verbindung zwischen den beiden Innenelektroden 4a und 4e her. Anstelle von Glasrohren unterschiedlicher Wandstärke können aber auch Glasrohre z.B. derselben Wandstärke jedoch unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante des Glases verwendet werden. Bei dieser Alternative soll das bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases stromabwärts gelegene Glasrohr eine kleinere Dielektrizitätskonstante aufweisen als das stromaufwärts gelegene Glasrohr. Beide Lösungen bieten einen vernünftigen Kompromiss zwischen Wirkungsgraderhöhung einerseits und technisch/ wirtschaftlicher Realisierung. Glasrohre mit zylindrischer Aussenfläche und in Längsrichtung anwachsender Glasdicke sind zwar ohne weiteres herstellbar, doch dürften sie preislich über "klassischen" Glasrohren liegen, so dass ihr wirtschaftlicher Einsatz nicht zuletzt im Hinblick auf die grosse Anzahl Einzelozonisatoren einer Ozonanlage eher beschränkt sein dürfte.
Die die nachstehende Gegenüberstellung zeigt, wird durch die erfindungsgemässe Hintereinanderschaltung von Röhrenozonisatoren mit unterschiedlichen Dielektrikumsdicken eine spürbare Erhöhung des Wirkungsgrades der Ozonerzeugung.
Ausgangspunkt für diese Gegenüberstellung sind zwei Röhrenozonisatoren gleicher aktiver Länge, gespeist mit einer Spitzenspannung UO = 12,7 kV und Frequenz f = 3 kHz und folgenden Kenndaten für eine gewünschte Konzentration von 3 Gew.-°ó 03: Kenngrösse Rohr I Rohr II Spaltweite s = 0,65 mm s = 0,65 mm Dielektrikumsdicke da = 1,9 mm de = 3,0 mm Dielektrikumskapazität CD = 2,7 nF CD = 1,7 nF Spaltkapazität C = 1,6 nF g = 1,6 nF g Wird die Hintereinanderschaltungvon Rohr I und Rohr II analog Fig. 8 mit 3 kHz und einer Spitzenspannung von 12,7 kV bei Kühlung der metallischen Aussenelektrode (einseitige Kühlung) gespeist, so ergeben sich folgende Daten: Rohr I: Leistungsdichte 6,7 kW/m2 eff. Temperaturerhöhung ca. 60 K Ozonkonzentration: 2 Gew.-S Stündliche Ozonmenge ca. 142 g/h Rohr II: Leistungsdichte 3,8 kW/m2 eff. Temperaturerhöhung ca. 30 K Konzentrationserhöhung aufca. 3,1 °Ó zusätzliche stündliche Ozonproduktion ca. 77,3 g/h Für die Gesamtkonfiguration, bestehend aus den zwei bezüglich des Einsatzgases in Serie geschalteten Röhrenozonisatoren, ergibt sich eine Leistungsdichte bezogen auf die Elektrodenfläche in m2 in Höhe von ca. 5 kW/m2 und eine Konzentration von 3,1 Gew.-S 03.
Die Hintereinanderschaltung von zwei Röhrenozonisatoren mit den Kenngrössen von Rohr I und gleichfalls einseitiger Kühlung erbringt hingegen bei gleicher gewünschter Ozonkonzentration einen um 5 - 10 °Ó geringeren Wirkungsgrad.
Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel einer aus zweistufigen Röhrenozonisatoren aufgebauten Anlage zur Erzeugung von Ozon sind eine Vielzahl von Ozonisatoren in einem gemeinsamen Kessel 12 untergebracht. Der Kessel 12 ist durch nicht dargestellte Deckel verschlossen, durch welche das Einsatzgas zugeführt bzw. das mit Ozon angereicherte Gas abgeführt wird. Der Kessel 12 weist rohrbodenartige Trennwände 13, 14 auf, in welche Metallrohre 1 eingesteckt sind. Aus Gründen der Uebersichtlichkeit sind lediglich vier dieser Rohre 1 eingezeichnet.
Die Rohre sind an ihren Einspannstellen in den Trennwänden 13, 14 gegenüber dem Kesselinneren abgedichtet. Ueber Stutzen 15, 16 in der Kesselwand wird ein Kühlmittel, z.B.
Wasser, in das Kesselinnere geleitet bzw. abgeführt, das zur Aussenkühlung der Metallrohre 1 dient.
In die Metallrohre 1 sind von beiden Seiten einseitig verschlossene und mit einer Innenmetallisierung 4 versehene Glasrohre 3f, 3g, 3h, 3i eingebracht, welche durch Distanzelemente 17 gegenüber den Metallrohren 1 distanziert sind und zwischen sich und den Metallrohrwänden ringförmige Entladungsspalte 2, 2a, 2e freilassen.
Die obere Hälfte der Fig. 9 weist entsprechend der Ausführungsform der Erfindung gemäss Fig. 8 im einlassseitigen Abschnitt (linke Hälfte des Kessels 12) Glasrohre 3f auf, deren Wanddicke kleiner ist als die Wanddicke der Glasrohre 39 im auslassseitigen Kesselabschnitt, während die Weite des Entladungsspaltes über die gesamte Kessellänge konstant ist.
Die untere Hälfte der Fig. 9 enthält bezüglich des Einsatzgases in Serie geschaltete Röhrenozonisatoren mit Glasrohren 3h, 3i unterschiedlichen Aussendurchmessers.
Auf diese Weise werden einlassseitig Entladungsspalte 2a gebildet, die kleiner sind als die auslassseitigen Entladungsspalte 2e. Dieser Aufbau entspricht demgemäss einer Anordnung nach Fig. 6.
Es versteht sich, dass bei einer praktischen Ausführung einer Ozonerzeugungsanlage im Hinblick aufdie optimale Dimensionierung ein Kessel nur mit einer Gattung von hintereinandergeschalteten Ozonisatoreinheiten gemäss Fig. 6 oder Fig. 8 aufgebaut wird Aus Ve.reinfachungsgründen sind in der Fig. 9 ferner Einzelheiten der Beschaltung der Ozonisatoren, wie z.B. Entkopplungsinduktivitäten, Speicherkondensatoren und dergl. fortgelassen worden.
Neben den im vorliegenden Zusammenhang im Vordergrund stehenden Erhöhung des Wirkungsgrades bietet die Anordnung nach Fig. 9 - sei es die eine oder die andere darin dargestellte Variante - den für die Praxis wichtigen Vorteil, dass bereits bestehende Ozonanlagen mit unter sich gleichartigen Röhrenozonisatoren allein durch Ersatz einer Hälfte der Glasrohre umgerüstet werden kann, wobei im Falle der Ausführungsform gemäss oberer Hälfte der Fig. 9 sogar auf die vorhandenen Distanzierungselemente 17 zurückgegriffen werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Ausführungsbeispiele waren sogenannte Röhrenozonisatoren mit einer metallischen Aussenelektrode und einer aufdem Inneren eines Glasrohres angeordneten Innenelektrode. Ohne den Bereich der erfindungsgemässen Lehre zu verlassen, können folgende Abwandlunten realisiert werden: 1. Ersatz des mit einer Innenmetallisierung versehenen Glasrohres durch ein mit einer dielektrischen Schicht versehenes zweites Metallrohr, wobei die dielektrische Schicht der anderen Elektrode zugewandt ist und beispielsweise eine Email- oder Eloxalschicht ist.
2. Beide Elektroden 1 und 4 sind auf ihren einander zugewandten Oberflächen mit einer dielektrischen Schicht versehen.
3. Der Entladungsspalt 2 wird durch den Ringraum zwischen zwei koaxialen Glasröhren gebildet, von denen die innere mit einer Innenmetallisierung, die äussere mit einer Aussenmetallisierung versehen ist.
Die Erfindung beschränkt sich darüber hinaus nicht auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Röhrenozonisatoren. Sie lässt sich in analoger Weise auch auf sogenannte Plattenozonisatoren anwenden, bei denen das Einsatzgas zwischen zwei plattenförmigen Elektroden, von denen mindestens eine mit einer Schicht aus dielektrischem Material versehen ist, hindurchgeführt wird. Leerseite

Claims

P a t e n t a n s o r ü c h e 1. Verfahren zur Herstellung von Ozon unter Verwendung mindestens eines von einer Energieversorgungseinrichtung gespeisten Ozonisators mit mindestens zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden Dielektrikumsschicht, die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein als Entladungsspalt dienender Zwischenraum ausgebildet ist, wobei durch den Entladungsraum ein sauerstoffhaltiges Gas geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Ozonerzeugung die der Elektrodenoberflächeneinheit zugeführte elektrische Leistung in Strömungsrichtung des Einsatzgases vermindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte elektrische Leistung mit zunehmender Ozonkonzentration vermindert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung des Ozonisators bezüglich Spitzenwert (Uz) und Frequenz (f) der am Ozonisator anliegenden Spannung derart bemessen ist, dass in Strömungsrichtung des Einsatzgases und damit zunehmender Ozonkonzentration die auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogene Leistung abnimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung der auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogenen Leistung der Entladungsspalt in Strömungsrichtung des Einsatzgases grösser wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltete Ozonisatoren diese von Speiseeinrichtungen mit abnehmender Ausgangsleistung gespeist werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren in Strömungsrichtung des Einsatzgases stromabwärts gelegene Ozonisatoren mit grösserer Spaltweite und somit kleinerer Entladungsspaltkapazität verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herabsetzung der effektiven Reaktionstemperatur die Kanaltemperatur durch Verwendung eines Dielektrikums mit in Strömungsrichtung des Einsatzgases anwachsender Dicke vermindert wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 6, gekennzeichnet durch einen Ozonisator, dessen Entladungsspalt (2), dessen Spaltweite einlass- seitig kleiner ist als auslassseitig.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite des Entladungsspaltes (2) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich grösser wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ozonisator einzelne in Bezug aufd ie Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltete Abschnitte mit im jeweiligen Abschnitt gleichbleibender Spaltweite aufweist, wobei stromabwärts gelegene Ozonisatorenabschnitte eine grössere Spaltweite aufweisen als stromabwärts-gelegene Ozonisatorenabschnitte.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode als Metallrohr (1), die andere Elektrode (4) auf der Innenseite eines Rohres (3') aus dielektrischem Material angeordnet ist, dessen Aussendurchmesser auf der Einlassseite des Einsatzgases grösser ist als auf der Auslassseite.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser des Rohres (3') in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich abnimmt (Fig. 3).
13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines gemeinsamen Metallrohres (1) oder getrennten Metallrohren zwei oder mehrere Rohre (3a, 3b) aus dielektrischem Material mit unterschiedlichen Aussendurchmessern angeordnet sind, deren andere Elektroden (4a, 4b) elektrisch untereinander verbunden sind, wobei in Strömungsrichtung des Einsatzgases das Rohr (3b) mit kleinerem Aussendurchmesser auf das Rohr (3a) mit grösserem Aussendurchmesser folgt (Fig. 6).
14. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Metallrohr (1') sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich erweitert oder diskrete Durchmessererweiterungen aufweist (Fig. 4).
15. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet durch einen Ozonisator, dessen Dielektrikumskapazität (CD) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kleiner wird.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Dielektrikums oder dessen Dielektrizitätskonstante in Strömungsrichtung des Einsatzgases kleiner wird.
17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode als Metallrohr (1) ausgebildet ist, die andere Elektrode (4) auf der Innenseite eines Rohres (3c) aus dielektrischem Material angeordnet ist, dessen Wandstärke (da) auf der Einlassseite des Einsatzgases kleiner ist als die Wandstärke (de) auf der Auslassseite, und das Rohr aus dielektrischem Material gleichen Aussendurchmesser oder einen in Strömungsrichtung des Einsatzgases abnehmenden Aussendurchmesser aufweist.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3c) als innen in Strömungsrichtung des Einsatzgases konisch zulaufendes Glasrohr ausgebildet ist (Fig. 7).
19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines gemeinsamen Metallrohres (1) oder getrennten Metallrohren Rohre (3a, 3e) aus dielektrischem Material mit unterschiedlicher Wandstärke (d5/ da> oder Dielektrizitätskonstante angeordnet sind, deren Elektroden (4a, 4e) elektrisch untereinander verbunden sind, wobei in Strömungsrichtung des Einsatzgases ge-sehen das Rohr (3e) mit grösserer Wandstärke (d ) bzw. kleinerer Dielektrizitätskonstante e dem Rohr (3a) mit kleinerer Wandstärke (da) bzw.

grösserer Dielektrizitätskonstante folgt (Fig. 8).
20. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode als Metallrohr (1) ausgebildet ist, dass auf der Innenseite eines innerhalb dieses Metallrohres (3) aus dielektrischem Material mindestens zwei weitere Elektroden (4a, 4b) angeordnet sind, welche an getrennte Energieversorgungseinrichtungen (5a, 5b) angeschlossen sind, deren Bezugspotential das Metallrohr (1) ist, und dass die Energieversorgungseinrichtungen in Ausgangsapannung und Frequenz einstellbar sind (Fig. 5).
21. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 6 und unter Verwendung von in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Einzelozonisstoren, dadurch gekennzeichnet, dass in der Serienschaltung stromabwärts sich folgende Einzelozonisator(en) anwachsende Entladungsspaltweiten aufweisen (Fig. 9, untere Hälfte).
22. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und7 und unterüerwendung von in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren, dadurch gekennzeichnet, dass in der Serienschaltung stromabwärts sich folgende Ozonisatoren anwachsende Diele-ktrikumsdicke oder abnehmende Dielektrizitätskonstante aufweisen (Fig. 9, obere Hälfte).
23. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ozonisatoren innerhalb eines gemeinsamen Kessels (12) angeordnet sind und gemeinsame Aussenelektroden (1) aufweisen.