DE3220018C2 - - Google Patents

Description

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 28 22 327 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 28 11 217 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 Entladungsspalts) 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 hintereinandergeschalteten 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 Überlegung 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 Einsatzgases 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 Entladungskanal führt zu einer lokalen momentanen 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 (C _D + C _g) · U _Z · ((C _ges/C_g) · U _o - U _Z)

gegeben, worin U _o = Spitzenwert der angelegten Spannung, U _Z = Zündspannung des Entladungsspaltes, f = Frequenz der angelegten Spannung, C _D = Dielektrikumskapazität, C _g = Kapazität des Entladungsspaltes, C _ges = (1/C _D + 1/C _g)^-1 bedeuten. Diese Leistungsparabel (U _o , f fest) hat ihr Maximum bei

U _o = 2 · U _Z · C _g/C _ges.

Für größere U _o-Werte ist dP/dU _Z positiv, für kleinere negativ. Da die Zündspannung mit zunehmender Ozonkonzentration zunimmt, sollte der Ozonisator in jedem Fall im Bereich

U _o < 2 · U _Z · C _g/C_ges

betrieben werden. Herkömmliche 50 Hz-Ozonisatoren erfüllen in dieser Hinsicht nicht die vorgenannte Bedingung, da ihr Arbeitspunkt auf dem falschen Ast der Leistungsparabel (großes U _o, zu kleine Frequenz f, d. h. dP/dU _Z < 0) liegt (vgl. Fig. 2). Bei ihnen steigt die zugeführte Leistung in Strömungsrichtung des Einsatzgases.

Unter Beachtung der vorstehenden Überlegungen ergeben sich für den Betrieb des Ozonisators folgende Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung:

• a) Einrohr- oder Einfach-Ozonisator
  • aa) Bei gegebenem U _Z, C_D und C _g werden U _o und f derart gewählt, daß dP/dU _Z < 0 ist, so daß in Strömungsrichtung des Einsatzgases und damit zunehmender Ozonkonzentration die auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogene Leistung abnimmt.
  • ab) Bei festem U _o, f, und C _D wird die Zündspannung U _Z durch Verwendung eines konischen, sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases erweiternden Entladungsspaltes in ebendieser Richtung erhöht, was gleichfalls zu einer Verminderung der auf die Elektrodenflächeneinheit 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 entsprechende Anzahl hintereinandergeschalteter einzelner Ozonisatoren geführt. 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 Glasrohrs 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 der kleineren 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 Dielektrikumsdicken,

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 mit der Weite S 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 Pfeile veranschaulicht.

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 40 51 045). 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 6 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 U _Z-Achse verlaufende Gerade p schneidet die Leistungsparabel in den Punkten I und II. Im Punkt I ist dP/dU _Z < 0, im Punkt II ist dP/dU _Z < 0. Bei Zündspannungen größer vermindert sich die aufgenommene Leistung 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:

C _g/F = 5,9 nF/m², C _D/F = 17,7 nF/m²

Die Zündspannung beträgt beispielsweise U _Z = 5 kV.

Wird das Rohr mit einer 50 Hz-Spannung von 20 kV _eff (U _o = 20 · 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/dU _Z < 0), der zweite etwa im Maximum (dP/dU _Z = 0), der dritte auf dem fallenden Ast (dP/dU _Z < 0) der Leistungsparabel liegt.

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 (3′), 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 g: 12,3 nF/m²
Dielektrikumskapazität:	C D: 15,4 nF/m²
Breite des Entladungsspaltes:	s = 0,6 mm
Zündspannung:	U Z: 3,4 kV
Spitzenspannung:	U o = 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 Anfangsweise s _a = 0,6 mm auf s _e = 0,9 mm bei einer Rohrlänge von typisch 1 m wachsen, so erhöht sich die Zündspannung U _Z bei gleichzeitiger Reduktion der Spaltkapazität C _g. 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 5 a, 5 b gespeiste Hochspannungselektroden 4 a, 4 b 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 3 a, 3 b unterschiedlichen Außendurchmessers, die unterschiedliche Spalte 2 a, 2 b ergeben, angeordnet. Auf der Einspeiseseite des Einsatzgases ergibt sich eine Spaltweite s _a, die kleiner ist als die Spaltweite s _b auf der Auslaßseite. Die mechanische Verbindung beider Glasrohre 3 a, 3 b, die gleichfalls mit Innenelektroden 4 a, 4 b versehen sind, erfolgt durch ein Zwischenteil 8. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Innenelektroden 4 a und 4 b 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 s _e < s _a in der Zone höherer Ozonkonzentration stellen sich die im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 3 bzw. 4 geschilderten Verhältnisse hinsichtlich Wirkungsgraderhöhung 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 Zwischenteils 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 3 c von einer Anfangsdicke d _a zu einer Enddicke d _e.

Bei einem Labormuster eines Röhrenozonisators gemäß Fig. 7 mit folgenden Kenngrößen

Spaltkapazität:
C g: 12,3 nF/m²
Dielektrikumskapazität:	C D: 20,8 nF/m²
Breite des Entladungsspaltes:	s = 0,7 mm
Dicke des Glasrohrs am Einlaß:	d a = 2 mm
Dicke des Glasrohrs am Auslaß:	d e = 4 mm
Zündspannung:	U Z: 3,4 kV
Spitzenspannung:	U o = 14 kV
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 d _a bzw. d _e der die Innenelektroden 4 a bzw. 4 e tragenden Glasrohre 3 a und 3 e 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 4 a und 4 e 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.

Wie 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 U _o = 12,7 kV und Frequenz f = 3 kHz und folgenden Kenndaten für eine gewünschte Konzentration von 3 Gew.-% O₃:

Wird die Hintereinanderschaltung von 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.-%
Stündliche Ozonmenge ca. 142 g/h

Rohr II:
Leistungsdichte 3,8 kW/m²
eff. Temperaturerhöhung ca. 30 K
Konzentrationserhöhung auf ca. 3,1%
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.-% O₃.

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% 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 Übersichtlichkeit sind lediglich vier dieser Rohre 1 eingezeichnet. Die Rohr sind an ihren Einspannstellen in den Trennwänden 13, 14 gegenüber dem Kesselinneren abgedichtet. Über 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 und Kontaktelementen 9 versehene Glasrohre 3 f, 3 g, 3 h, 3 i eingebracht, welche durch Distanzelemente 17 gegenüber den Metallrohren 1 distanziert sind und zwischen sich und den Metallrohrwänden ringförmige Entladungsspalte 2, 2 a, 2 e 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 3 f auf, deren Wanddicke kleiner ist als die Wanddicke der Glasrohre 3 g 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 3 h, 3 i unterschiedlichen Außendurchmessers. Auf diese Weise werden einlaßseitig Entladungsspalte 2 a gebildet, die kleiner sind als die auslaßseitigen Entladungsspalte 2 e. Dieser Aufbau entspricht demgemäß einer Anordnung nach Fig. 6.

Es versteht sich, daß bei einer praktischen Ausführung einer Ozonerzeugungsanlage im Hinblick auf die optimale Dimensionierung ein Kessel nur mit einer Gattung von hintereinandergeschalteten Ozonisatoreinheiten gemäß Fig. 6 oder Fig. 8 aufgebaut wird. Aus Vereinfachungsgründen 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 auf dem Inneren eines Glasrohres angeordneten Innenelektrode. Ohne den Bereich der erfindungsgemäßen Lehre zu verlassen, können folgende Abwandlungen 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.

Claims (19)

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 (U _Z) 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 bei bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren diese von Speiseeinrichtungen mit abnehmender Ausgangsleistung gespeist werden.

5. Ozonisator mit Energieversorgungseinrichtung, mit mindestens zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden Dielektrikumsschicht, die so angeordnet ist, daß zwischen ihnen ein als Entladungsspalt dienender Zwischenraum ausgebildet ist, wobei durch den Entladungsspalt ein sauerstoffhaltiges Gas geleitet wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Entladungsspalt (2), dessen Spaltweite einlaßseitig kleiner ist als auslaßseitig.

6. Ozonisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite des Entladungsspalts (2) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich größer wird.

7. Ozonisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltete Abschnitte mit im jeweiligen Abschnitt gleichbleibender Spaltweite vorgesehen sind, wobei stromabwärts gelegene Abschnitte eine größere Spaltweite (2 b) aufweisen als stromaufwärts (2 a) gelegene Abschnitte.

8. Ozonisator nach Anspruch 5, 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.

9. Ozonisator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Rohres (3′) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich abnimmt.

10. Ozonisator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer gemeinsamen oder getrennten Metallaußenelektrode (1) zwei oder mehrere Rohre (3 a, 3 b) aus dielektrischem Material angeordnet mit unterschiedlichen Außendurchmessern angeordnet sind, die die Innenelektroden (4 a, 4 b) aufweisen und elektrisch untereinander verbunden sind, wobei in Strömungsrichtung des Einsatzgases das Rohr (3 b) mit kleinerem auf das Rohr (3 a) mit größerem Außendurchmesser folgt.

11. Ozonisator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallaußenelektrode (1′) sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich erweitert oder diskrete Durchmessererweiterungen aufweist.

12. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumskapazität (C _D) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kleiner wird.

13. Ozonisator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Dielektrikums oder dessen Dielektrizitätskonstante in Strömungsrichtung des Einsatzgases kleiner wird.

14. Ozonisator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode als Metallrohr (1) ausgebildet ist, die Innenelektrode (4) auf der Innenseite eines Rohres (3 c) aus dielektrischem Material angeordnet ist, dessen Wandstärke (d _a) auf der Einlaßseite kleiner ist als die Wandstärke (d _e) auf der Auslaßseite, und daß das Rohr aus dielektrischem Material gleichen Außendurchmesser oder einen in Strömungsrichtung des Einsatzgases abnehmenden Außendurchmesser aufweist.

15. Ozonisator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3 c) als innen in Strömungsrichtung des Einsatzgases konisch zulaufendes Glasrohr ausgebildet ist.

16. Ozonisator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer gemeinsamen oder getrennten Metallaußenelektrode (1) Rohre (3 a, 3 e) aus dielektrischem Material mit unterschiedlicher Wandstärke (d _a, d_e) oder Dielektrizitätskonstante angeordnet sind, deren Elektroden (4 a, 4 e) elektrisch untereinander verbunden sind, wobei in Strömungsrichtung des Einsatzgases das Rohr (3 e) mit der größeren Wandstärke bzw. kleineren Dielektrizitätskonstanten dem Rohr (3 a) mit der kleineren Wandstärke (d _a) bzw. größeren Dielektrizitätskonstanten folgt.

17. Ozonisator-Einrichtung mit in Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Einzelozonisatoren, dadurch gekennzeichnet, daß in der Serienschaltung stromabwärts sich folgende Einzelozonisator(en) anwachsende Entladungsspaltweiten aufweisen.

18. Ozonisator-Einrichtung mit in Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Einzelozonisatoren, dadurch gekennzeichnet, daß in der Serienschaltung stromabwärts sich folgende Einzelozonisatoren eine anwachsende Dielektrikumsdicke oder eine abnehmende Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums aufweisen.

19. Ozonisator-Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelozonisatoren innerhalb eines gemeinsamen Kessels (12) angeordnet sind und gemeinsame Außenelektroden aufweisen.