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Vorrichtung zur Durchführung von Plasmaentladungen in
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Gasen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von
Plasmaentladungen in Gasen, mit mindestens einem Strömungskanal, dessen Wände Elektroden
aufweisen, zwischen denen die Entladungen erfolgen, und mit einer elektrischen Energiequelle,
die aufeinanderfolgende Impulse an die Elektroden legt.
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Es ist bekannt, durch Plasmaentladungen chemische Reaktionen in Gasen
hervorzurufen. Beispielsweise wird auf diese Weise Ozon (03) erzeugt. Ozon, das
großtechnisch im wesentlichen für die Aufbereitung von Trinklvasser benutzt- und
in Mengen bis zu 200 kg pro Stunde erzeugt wird, kann theoretisch mit einer spezifischen
Energie von 1,43 klVH/kg O3 hergestellt werden. In der Praxis variiert jedoch der
spezifische Energiebedarf je nach Konzentration und Betriebsgas
zwischen
7 und 35 Wh pro g O3. Im günstigsten Falle wird also ein Wirkungsgrad von 20% erreicht.
Der Rest der zugeführten Energie, 80%, wird in Wärme umgewandelt und muß mit Hilfe
von Kühlflüssigkeit abgeführt werden, da sie die mit der Ozonbildung gleichzeitig
einhergehende Ozonzerstörung stark begünstigt. So würde sich ein Gasvolumen von
10m3 Sauerstoff, aus welchem bei einer Konzentration von 100 g O3 / Nm3 1 kg Ozon
pro Stunde mit einem Energieaufwand von 7 KWh hergestellt werden kann, bei adiabatischer
Prozeßführung um ca.
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1397° C erwärmen. Einer Engergiebegrenzung stehen bei den konventionellen
Verfahren eine Reihe technischer Hindernisse entgegen. Man hat zwar die Energieausbeute
dadurch steigern können, daß das Betriebsgas sehr kurzen energiereichen Entladungsimpulsen
ausgesetzt wird oder daß die Energie der Plasmaentladung in Richtung zunehmender
Ozonkonzentration reduziert wird; eine durchgreifende Verbesserung ist jedoch nicht
erzielt worden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die thermischen Energieverluste bei
der Entladungsreaktion wesentlich herabgesetzt werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß in dem
Strömungskanal Entladungsstrecken, die beidseitig von Elektroden begrenzt sind,
und Kühlstrecken, in denen keine Entladung stattfindet, einander abwechseln.
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Die Erfindung geht von folgendem Gedanken aus: Bei der Ozonerzeugung
wird an einer Entladungsstrecke aus der Luft, die diese Entladungsstrecke durchströmt,
zunächst
ein Teil des molekularen Sauerstoffs, 02, gespalten.
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Dabei entsteht aomarer Sauerstoff. Dieser atomare Sauerstoff verbindet
sich mit molekularem Sauerstoff O2 zu O3. Bei einer durchgehenden Entladungsstrecke
erhöht sich infolge der über die gesamte Länge erfolgenden Plasmaentladung die Temperatur
des die Vorrichtunq durchströmenden Gases stetig. Aufgrund der hohen Gastemperatur
zerfällt ein Teil des gebildeten Ozons wieder. Außerdem entstehen in hohem Maße
schädliche Ionen, die im Ozon unerwünscht sind. Nach der Erfindung wird das Gas
jeweils nur beim Durchströmen einer kurzen Entladungsstrecke der Plasmaentladung
ausgesetzt und beim Durchströmen der anschließenden Kühlstrecke wieder gekühlt,
bevor die nächste Entladungsstrecke erreicht wird. Dadurch wird das Gas während
des Durchströmens des Kanals relativ kühl gehalten, so daß es nicht die hohen Temperaturen
annehmen kann, wie bei den konventionellen Vorrichtungen. Die Folge sind eine erhöhte
Ozonausbeute, da das gebildete Ozon nicht durch Wärmeeinwirkung wieder zerlegt wird,
und ein erheblich verringerter Energieaufwand. Außerdem werden Ionen, die beim Durchströmen
der einzelnen Entladungsstrecken frei werden, beim Durchlaufen der Kühlstrecken
durch elektrostatische Kräfte aus dem Gas abgezogen.
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Die Impulse, die an die Elektroden gelegt werden, müssen nicht notwendigerweise
Rechteckimpulse sein. Als "Impulse sind in diesem Zusammenhang alle variierenden
Spannungsverläufe zu verstehen, also auch beispielsweise eine Sinusspannung, deren
beide Halbwellen jeweils funktionsmäßig als ein Impuls zu betrachten sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Gasgeschwindigkeit im Bereich
jeder Entladungsstrecke wenigstens
annähernd entsprechend der Beziehung v= Q k gewählt ist, wobei Q die Länge der Entladungsstrecke
ist und k die Anzahl der Impulse pro Sekunde angibt.
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Hierbei ist die Gasgeschwindigkeit an die Länge einer Entladungsstrecke
derart angepaßt, daß jedes Volumenelement des Gases beim Durchlaufen der Entladungsstrecke
jeweils der Wirkung genau eines Impulses ausgesetzt ist. Eine Volumeneinheit von
der Größe des Volumens der Entladungsstrecke wird der Wirkung eines Impulses ausgesetzt
und die sich daran anschließende nächstfolgende Volumeneinheit des Gases wird der
Wirkung des nächstfolgenden Impulses ausgesetzt. Auf diese Weise erreicht man, daß
das gesamte Gas in der Entladungsstrecke abschnittsweise behandelt wird, wobei die
einzelnen Abschnitte sich direkt aneinander anschließen. Wenn der Kanal über seine
gesamte Länge durchgehend konstanten Querschnitt hat, sind die Strömungsgeschwindigkeiten
in den Bereichen der einzelnen Entladungsstrecken einander im wesentlichen gleich,
so daß alle Entladunsstrecken die gleiche Länge haben können, wenn sie mit Impulsen
derselben Frequenz beaufschlagt werden. Wenn sich dagegen die Gasgeschwindigkeit
im Verlaufe des Kanals verändert, z.B. durch Änderung der Größe des Strömungsquerschnitts
oder durch thermische Volumenänderung des Gases, dann ist es zweckmäßig, die Längen
der nachfolgenden Entladungsstrecken an die veränderte Strömungsgeschwindigkeit
anzupassen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Längen
der Kühlstrecken so bemessen, daß die
zum Durchströmen einer Kühlstrecke
benötigte Zeit ein ganzzahliges Vielfaches der zum Durchströmen einer Entladungsstrecke
benötigten Zeit ist. Wenn die zu beiden Seiten einer Kühlstrecke angeordneten Entladungsstrecken
mit gleichphasigen Impulsen angesteuert werden, wird diejenige Teilmenge des Gases,
die in der ersten Entladungsstrecke einem Impuls ausgesetzt worden ist, nach Durchlaufen
der Kühlstrecke in der nachfolgenden Entladungsstrecke ebenfalls einem Impuls ausgesetzt,
so daß im Prizip jeweils die gleiche Teilmenge eine Einheit oder ein Bündel bildet,
das nacheinander den einzelnen Entladungsstrecken zugeführt wird, ohne aufgeteilt
zu werden. Die einzelnen Teilmengen bzw.
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Bündel schließen sich direkt aneinander an, so daß das gesamte strömende
Gas die gleiche Behandlung erfährt.
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In den Kühlzonen sind Kühlvorrichtungen angeordnet, die das Gas auf
eine Temperatur kühlen, die annähernd derjenigen Temperatur entspricht, mit der
das Gas in die vorhergehende Entladungsstrecke eingeströmt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zahlreiche Strömungskanäle in
vertikalen und/oder horizontalen Ebenen untereinander bzw. nebeneinander aufweisen.
Hierbei können einige der Elektroden und der Kühlvorrichtungen doppelt genutzt werden,
d.h. für einander benachbarte Strömungskanäle.
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Zweckmäßigerweise weist der Strömungskanal auf der einen Seite eine
durchgehende einzige Gegenelektrode und auf der gegenüberliegenden Seite mehrere
mit Abständen angeordnete Elektroden auf. Die Gegenelektroden, die vorzugsweise
an Massepotential liegen, erstrecken sich also über die gesamte Länge des Strömungskanals
und somit auch über die Kühlzonen hinweg.
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Dadurch können im Bereich der Kühlzonen Ionen nach Massepotential
abgeleitet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, die Gegenelektrode zugleich als
Kühlvorrichtung auszubilden, die sich auch über den Bereich der Entladungsstrecken
erstreckt.
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Wenn das Gas in einer ersten Entladung ionisiert worden ist, kann
es zweckmäßig sein, die nachfolgenden Entladungen mit geringerer Energiedichte durchzuführen.
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Dies ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch möglich, daß
die nachfolgenden Entladungsstrecken mit geringeren Spannungen betrieben werden
oder daß die Dielektrizitätskonstanten der Dielektrika, die die Elektroden der nachfolgenden
Entladungsstrecken bedecken, in Strömungsrichtung abnehmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung muß nicht notwendigerweise der
Strömungskanal über seine gesamte Länge durchgehend und umfangsmäßig geschlossen
sein. Es besteht auch die Möglichkeit, ein System von miteinander verzweigten Strömungskanälen
zu schaffen. Wichtig ist nur, daß in jedem Kanalabschnitt, in dem eine Entladungsstrecke
vorhanden ist, nachfolgend eine Kühlstrecke vorgesehen ist bzw. daß die Strömungsgeschwindigkeit
in jeder Entladungsstrecke der oben angegebenen Beziehung v = Q k entspricht.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung
zur Ozonerzeugung,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II
von Fig. 1 und Fig. 3 die Impulsverhältnisse, denen zwei aufeinanderfolqende Teilmengen
der Gasströmung beim Durchlaufen einer Entladungsstrecke ausgesetzt sind.
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Gemäß Fig. 1 sind zwei parallele Strömungskanäle 10 vorgesehen, die
in Richtung der eingezeichneten Pfeile kontinuierlich von Luft mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit
durchströmt werden. Jeder Kanal 10 ist auf einer Seite von einer Gegenelektrode
11 begrenzt, die an Massepotential liegt und sich über die gesamte Länge dieses
Strömungskanals erstreckt. Die Gegenelektroden 11 sind als Kühlvorrichtungen ausgebildet,
d.h. sie haben Hohlräume, die von einem Kühlmedium durchflossen werden. Es besteht
auch die Möglichkeit, solche Kühlvorrichtungen zu verwenden, die nach dem Peltier-Effekt
arbeiten.
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Auf der der Gegenelektrode 11 abgewandten Seite des Strömungskanals
10 befinden sich mehrere Elektroden 121,122,123 usw.. Diese Elektroden sind auf
der dem Strömungskanal 10 zugewandten Seite mit einem Dielektrikum 13 mit hoher
Dielektrizitätskonstante bedeckt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
sämtliche Elektroden 12 an eine gemeinsame Energiequelle 14 in Form eines Wechselspannungsgenerators
angeschlossen.
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Die Elektroden 12 bestehen aus metallischen Beschichtungen, die an
den Flächen eines Stützkörpers 15 angebracht sind.
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Zwischen jeweils zwei Elektroden 12 befindet sich an derselben Wand
des Strömungskanals eine Kühlvorrichtung 16. Derjenige Längenbereich des Strömungskanals
10, in dem sich eine Elektrode 12 befindet, bildet eine Entladungsstrecke 17 von
der Länge Q und der anschließende Bereich, in dem der Strömungskanal von der Kühlvorrichtung
16 begrenzt ist, bildet die Kühlstrecke 18. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
hat die Kühlstrecke die Länge 3Q.
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Wie Fig. 2 zeigt, sind zahlreiche Kanäle 10, die abwechselnd Entladungsstrecken
17 und Kühlstrecken 18 aufweisen, nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet
und durch Zwischenwände 19 voneinander getrennt. Der Stützkörper 15 erstreckt sich
über die gesamte Querschnittsfläche der Entladungsvorrichtung, also zwischen zwei
horizontalen Ebenen, von denen jede eine Gruppe von Kanälen 10 enthält. Die Vorrichtung
weist also einen Schichtaufbau auf, wobei die einzelnen Schichten abwechselnd aus
einer Gegenelektrode 11 und einem Stützkörper 15 mit den zugehörigen Elektroden
12, Dielektrika 13 und Kühlvorrichtungen 16 bestehen. Es können beliebig viele solcher
Schichten übereinandergelegt werden. Jeweils ein Stützkörper 15 ist dabei für zwei
Schichten von Kanälen 10 vorgesehen.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Energiequelle
14 aus einem Wechselspannungsgenerator, der eine annähernd sinusförmige Wechselspannung
erzeugt, die in Fig. 3 dargestellt ist. Die einzelnen Halbwellen dieser Wechselspannung
werden als Impulse betrachtet. Die Impulse treten an den einzelnen Elektroden 121,122,123
... gleichphasig zueinander auf. In Fig. 3 ist jeweils auf der Abszisse die Wegstrecke
s
des Gases im Strömungskanal 10 aufgetragen, vährend au; der Ordinate
die Spannungsamplitude U aufgetragen ist.
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Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Strömungskanal 10 ist so
bemessen, daß ein Gasmolekü-l im Mittel genau die Zeit eines Impulses (einer Halbwelle)
benötigt, um die Entladungsstrecke 17 von der Länge 9 einer Elektrode 12 zu durchlaufen.
Anschließend benötigt das Gasmolekül die Zeitdauer von drei Impulsen, um die Kühlstrecke
18 von der Länge 3Q zu durchlaufen.
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Ein Abschnitt des Gasstromes von der Länge Q wird also an der Elektrode
121 einer Entladung durch den positiven Impuls 20 ausgesetzt (Fig. 3a). Der sich
unmittelbar hieran anschließende Abschnitt des Gasstromes wird an derselben Elektrode
121 einem negativen Entladungsimpuls 21 ausgesetzt (Fig. 3b). Auf diese Weise wird
die Gesamtlänge des Gasstromes an der Elektrode 121 mit gleicher Entladungsenergie
beaufschlagt. Wenn diejenige Gasmenge, die an der Elektrode 121 mit einem positiven
Impuls 20 beaufschlagt worden ist, nach drei Impulsen die nächstfolgende Elektrode
122 erreicht, wird sie dort wiederum mit einem positiven Impuls 20 beaufschlagt.
Das gleiche gilt, wenn diese Gasmenge einer der nachfolgenden Elektroden 123 ...
erreicht.
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Für die sich daran anschließende Gasmenge gelten die Verhältnisse
der Fig. 3b. Dies bedeutet, daß d-iese Gasmenge in Intervallen stets negativen Entladungsimpulsen
21 ausgesetzt wird. Dies liegt daran, daß die zum Durchlaufen einer Kühlstrecke
18 benötigte Zeit ein ungeradzahliges Vielfaches derjenigen Zeit ist, die zum Durchlaufen
einer Entladungsstrecke 17 benötigt wird.
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Die Anwendung von Impulsen wechselnder Polarität für die Energiezufuhr
zu dem betrachteten Gasvolumen ist ebenfalls möglich. In diesem Fall muß die Zeit
zum
Durchlaufen der Kühlstrecke stets ein geradzahliges Vielfaches
der Entladungszeit sein, da nur dann ein und dasselbe Gasvolument in der der Kühlstrecke
folgenden Entladungszone mit dem gewünschten Impuls entgegengesetzter Polarität
beaufschlagt wird.
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Anstelle der nahezu sinusförmigen Spannung kann auch eine Rechteck-Impulsspannung
benutzt werden Die Untergrenze der Frequenz liegt bei etwa 200 Hz. Der Impulsbetrieb
ist zweckmäßig, damit keine Anhäufung von Ladungen gleicher Polarität auftritt,
die zu einem Zusammenbruch der Entladung führt. Anstelle der Impulse 20 und 21 mit
wechselnder Polarität können auch Impulse gleicher Polarität benutzt werden.
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