DE68908498T2

DE68908498T2 - Ozonerzeuger mit konzentrischen Rohren.

Info

Publication number: DE68908498T2
Application number: DE89112795T
Authority: DE
Inventors: Ernst J Staubach
Original assignee: Henkel Corp
Current assignee: Henkel Corp
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-07-13
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-07-14
Also published as: EP0350905B1; US4908189A; JPH02160607A; EP0350905A1; CA1337810C; DE68908498D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen verbesserten Ozongenerator mit konzentrischen Röhren, der von theoretischen Betrachtungen her entworfen wurde, um wirkungsvoll Ozon mit minimalem elektrischen Energieverbrauch zu erzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen verbesserten und relativ einfachen Ozongenerator-Aufbau wie beschrieben, wobei die Baugruppen konzentrischer Röhren im Ozongenerator ausgelegt sind auf problemlose Konstruktion und Ersetzung von Komponenten desselben, wobei die Baugruppen konzentrischer Röhren relativ genaue Positionierung der Komponenten ermöglichen, wie es für den ordnungsgemäßen und wirkungsvollen Betrieb des Ozongenerator erforderlich ist.

2. Erörterung des Standes der Technik

Von Interesse für die vorliegende Erfindung ist US-Patent 3 214 364 von van Tuyle, da es einen bekannten handelsüblichen Ozongenerator-Aufbau offenbart. Eine äußere Metallröhre bildet eine Elektrode und umschließt eine Glasröhre, die das Dielektrikum des Ozongenerators darstellt. Der äußere Durchmesser der Glasröhre ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Metallröhre, wodurch ein ringförmiger Raum verfügbar wird, durch welchen die zu ozonisierenden Gase hindurchtreten. Innerhalb der dielektrischen Glasröhre ist eine innere Elektrode angebracht und ist gebildet aus einem perforierten Teil, etwa einem Gitter oder Netz, das sich in einem Abstand von der Innenfläche der dielektrischen Röhre befindet. Die verwendete Glasröhre ist eine solche mit einer Wandstärke von nicht mehr als 2,25 mm und wird als so dünn beschrieben, wie es die Herstellungstechniken erlauben, wobei die praktische Untergrenze bei etwa 1,5 mm liegt. Zudem wird die Glasröhre, anstatt an einem oder beiden Enden geschlossen zu sein, am Gaseinlaßende offengelassen, während das gegenüberliegende Ende mit einer Drosselvorrichtung ausgestattet ist, die angeordnet ist, um nur einen vorbestimmten Teil des einströmenden Speisegases (in der Größenordnung von 30-70% desselben) durch die Röhre hindurchtreten zu lassen, die in Kontakt ist mit dem perforierten Teil, das die innere Elektrode umfaßt. Der Restanteil der Gase passiert den ringförmigen Raum zwischen der äußeren Metallröhre und der inneren Glasröhre. Die Durchmesser sind so gewählt, daß die Breite des ringförmigen Raums dazwischen unter etwa 2,5 mm gehalten wird, und vorzugsweise unter etwa 2 mm, wobei die praktische Untergrenze als etwa 1 mm gegeben ist. Demzufolge offenbart und lehrt dieser Ansatz im Stand der Technik viel größere ringförmige Entladungsspalte als die vorliegende Erfindung, und zudem ist der Aufbau komplexer als der der vorliegenden Erfindung und bezieht eine innere Gitter- oder Netzelektrode ein.
Von Interesse für die vorliegende Erfindung ist auch US-Patent 4 049 707 von Harter et al., und es offenbart einen Ozongenerator-Aufbau mit einer ersten flachen Plattenelektrode, einer dielektrischen Glimmer/Glas-Verbundstruktur, die sich in einem Abstand entlang der Seite der ersten Plattenelektrode befindet, um so einen Spalt zwischen erster Elektrode und dielektrischer Struktur zu definieren, und einer zweiten flachen Plattenelektrode. Der Spalt wird abgeschlossen durch eine biegsame Dichtung, die das Einstellen der Dicke des Spalts ermöglicht, vorzugsweise in Relation zu den Betriebsparametern des zur Energieversorgung der Vorrichtung verwendeten Ausstattung und den Eigenschaften des erzeugten Produkts oder der erzeugten Produkte. In der wirklichen Praxis hat sich erwiesen, daß ein Ozongenerator-Aufbau mit flachen Plattenelektroden und Dielektrika, ähnlich dem des Patents von Harter et al., recht schwierig einzustellen und in ordnungsgemäßem Betrieb zu halten ist. Allerdings ist dieses Patent von besonderem Interesse, da es offenbart, daß der flache Entladungsspalt des Ozongenerators zwischen 0,25 und 0,50 mm sein sollte, um den Wirkungsgrad beim Produkt Ozon zu maximieren.
Ebenfalls von Interesse für die vorliegende Erfindung ist US- Patent 4 232 229 von Tanaka et al., und es offenbart einen röhrenförmigen Ozongenerator-Aufbau, der ein Paar beabstandeter röhrenförmiger Elektroden einschließt, umfassend eine geerdete Elektrode und eine Hochspannungselektrode, sowie ein röhrenförmiges dielektrisches Substrat, das zwischen geerdeter Elektrode und Hochspannungselektrode angeordnet ist. Ein perforiertes Metallsubstrat wird in den Spaltraum zwischen die geerdete Elektrode und das dielektrische Substrat gebracht, und ein erster Abstandhalter wird zwischen das perforierte Metallsubstrat und das dielektrische Substrat gebracht, um einen konstanten Trennspalt dazwischen aufrechtzuerhalten. Ein zweiter Abstandhalter ist zwischen dielektrischem Substrat und geerdeter Elektrode angeordnet, um das perforierte Metallsubstrat in der richtigen Position zwischen perforiertem Metallsubstrat und geerdeter Elektrode zu halten, wobei durch die ersten und zweiten Abstandhalter ein gleichmäßiger Trennabstand zwischen dem perforierten Metallsubstrat und dem dielektrischen Substrat aufrechterhalten wird, was für eine gleichmäßige elektrische Entladung förderlich ist. Dieses Patent ist von besonderem Interesse, da es einen bevorzugten Entladungsspalt von 0,5 mm offenbart. Allerdings ist dieser spezielle Ozongenerator-Aufbau im Vergleich zur vorliegenden Erfindung in mehrfacher Hinsicht relativ leistungsschwach. Der Aufbau ist derart, daß nur ein einziger ringförmiger Entladungsspalt vorhanden ist, und nicht die wirkungsvolleren doppelten ringförmigen Entladungsspalte der vorliegenden Erfindung, und es ist zudem ein Abstandhalter aus perforiertem Metallnetz in der Mitte des Entladungsspalts erforderlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine vordringliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines verbesserten Aufbaus für einen Ozongenerator mit konzentrischen Röhren, der nach theoretischen Betrachtungen entworfen wurde, um wirkungsvoll Ozon mit minimalem elektrischen Energieverbrauch zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten und relativ einfachen Ozongenerator-Aufbaus, wobei die Baugruppen konzentrischer Röhren im Ozongenerator ausgelegt sind auf problemlose Konstruktion und Ersetzung von Komponenten desselben, wobei die Baugruppen konzentrischer Röhren relativ genaue Positionierung der Komponenten ermöglichen, wie es für den ordnungsgemäßen und wirkungsvollen Betrieb des Ozongenerator erforderlich ist.
Gemäß den Lehren hierin stellt die vorliegende Erfindung einen Ozongenerator in Übereinstimmung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bereit, aufgebaut aus mehreren Baugruppen konzentrischer Röhren, in denen ein Sauerstoff enthaltendes Speisegas in darin ausgebildeten inneren und äußeren konzentrischen ringförmigen Entladungsspalte für ein elektrisches Feld in Ozon umgewandelt wird. Jede Baugruppe konzentrischer Röhren ist ohne metallische Siebe oder Netze darin gestaltet. Jede Baugruppe konzentrischer Röhren ist aufgebaut mit einer äußeren röhrenförmigen Metallelektrode und einer konzentrisch innerhalb der äußeren Röhrenelektrode befindlichen inneren röhrenförmigen Metallelektrode. Die innere röhrenförmige Metallelektrode ist an einem Ende mit einer Kappe verschlossen. Eine dielektrische Glasröhre befindet sich konzentrisch und zentral zwischen äußerer und innerer röhrenförmiger Elektrode. Dieser Aufbau ergibt einen inneren konzentrischen ringförmigen Entladungsspalt für ein elektrisches Feld zwischen der dielektrischen Glasröhre und der inneren röhrenförmigen Elektrode und einen äußeren konzentrischen ringförmigen Spalt für eine elektrische Entladung zwischen der dielektrischen Glasröhre und der äußeren röhrenförmigen Elektrode, worin das Speisegas in Ozon umgewandelt wird.
Der Wirkungsgrad des Ozongenerators wird dadurch optimiert, daß der Ozongenerator so aufgebaut wird, daß innerer und äußerer ringförmiger Entladungsspalt im Bereich von 0,45 bis 0,55 mm, vorzugsweise 0,5 mm gehalten werden, um einen minimalen Entladungsspalt zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon bereitzustellen, um die benötigten elektrischen Spannungen beim Betrieb zu minimieren. Der Entladungsspalt mit 0,5 mm ergibt auch einen ausreichend großen elektrischen Entladungsspalt, um genügend hohe elektrische Spannung dazwischen bereitzustellen, um die zur Erzeugung von Ozon aus Sauerstoff erforderlichen Elektronenübergänge zu bewirken und zu ergeben, aber führt nicht zu übermäßig hohen Spannungen dazwischen. Ein wesentlich kleinerer Entladungsspalt würde keine ausreichende Spannung liefern, um die zur Erzeugung von Ozon erforderlichen Elektronenübergänge zu bewirken, während ein wesentlich größerer Entladungsspalt höhere Spannung als für die Elektronenübergänge erforderlich liefern und zu einem höheren Verbrauch an elektrischer Energie führen würde, als für die Erzeugung von Ozon erforderlich ist. In der Praxis ändert sich die tatsächliche Größe des Entladungsspalts von Punkt zu Punkt im konzentrischen Röhrenaufbau, weil die Toleranzen bei dessen Komponenten, die die Entladungsspalte definieren, leicht schwanken.
Auch die dielektrische Glasröhre wird so ausgewählt, daß sie eine Dicke von weniger als 1,1 mm aufweist, um die für die Erzeugung von Ozon erforderliche Spannung zu minimieren. Die Dicke der dielektrischen Röhre ist direkt proportional zum Betrag der für die Erzeugung von Ozon erforderlichen Spannung in den ringförmigen Entladungsspalten, wobei ein dünneres Dielektrikum eine geringere Spannung für die Erzeugung von Ozon erfordert. Idealerweise sollte die Dicke der dielektrischen Röhre so gering wie möglich sein, um die erforderlichen Betriebsspanunngen zu minimieren. Allerdings muß die Dicke der dielektrischen Röhre aus praktischen Gesichtspunkten ausreichend groß sein, um das Zerbrechen der dielektrischen Glasröhre sowohl beim Zusammenbau des Ozongenerators als auch bei dessen Betrieb zu verhindern. Mit diesen gegensätzlichen Erwägungen wurde die dielektrische Glasröhre so ausgewählt, daß sie eine Dicke von weniger als 1,1 mm und vorzugsweise eine Dicke von 1 mm aufweist.
Der Ozongenerator ist aufgebaut mit einem gewöhnlichen Speisegaseinlaß an einem axialen Ende der Baugruppen der konzentrischen Röhren und einem gewöhnlichen Ozongasauslaß am zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende der Baugruppen der konzentrischen Röhren. Das Speisegas kann Atmosphärenluft oder reiner Sauerstoff oder eine andere Mischung aus Sauerstoffhaltigem Gas sein, etwa 50% O&sub2;, 50% CO&sub2;. Nach Durchtritt durch den Ozongenerator ist der Ozon-Gehalt des Auslaßgases typischerweise bis zu 5%, je nach den Betriebsparametern des Ozongenerators. Das Speisegas wird dem Ozongenerator mit positivem Druck zugeführt, typischerweise 0,68 bis 1,02 bar (10 bis 15 psi), wobei höhere Speisegasdrücke im allgemeinen etwas höhere Betriebsspannungen im Ozongenerator erfordern.
Es wird eine periodische Stromversorgung bereitgestellt, um beim Betrieb des Ozongenerators einen periodischen elektrischen Strom zwischen inneren und äußeren konzentrischen röhrenförmigen Elektroden anzulegen. Die periodische elektrische Stromversorgung kann Wechselspannung liefern, etwa aus einer 60 Hz-Stromversorgung entnommene, oder es kann eine Hochfrequenzpuls-Stromversorgung sein oder irgendeine andere geeignete elektrische Wellenform, die an den Ozongenerator typischerweise durch einen Aufwärtsspannungstransformator abgegeben wird, dessen Hochspannungs-Sekundärwicklung mit dem Ozongenerator gekoppelt ist. Ein Prototyp der vorliegenden Erfindung, der hierin ausführlich beschrieben ist, wurde konstruiert und mit einer Stromversorgung von 60 Hz und 12 kV betrieben, die von standardmäßigem 60 Hz-Netzstrom entnommen wurde.
Aus Sicherheitsgründen ist zudem bei bevorzugten Ausführungsformen die elektrische Stromversorgung vorzugsweise so geschaltet, daß jede äußere röhrenförmige Metallelektrode geerdet ist, und die periodische Stromversorgung ist gekoppelt, um jede innere röhrenförmige Metallelektrode mit periodischem elektrischen Strom zu versorgen.
Ein Kühlsystem für den Ozongenerator umfaßt ein Kühlgehäuse, das die Baugruppen konzentrischer Röhren umschließt, und ein Kühlmittel zirkuliert in dem Kühlgehäuse außen um die äußeren röhrenförmigen Elektroden, um diese beim Betrieb des Ozongenerators zu kühlen. Aus praktischen Gesichtspunkten muß Wärme, die beim Betrieb der elektrischen Entladung des Ozongenerators erzeugt wird, durch ein Kühlsystem abgeführt werden, da Wärme das Ozon im allgemeinen in normalen Sauerstoff zurückverwandelt und somit abgeführt werden muß, um wirksamen Betrieb des Ozongenerators aufrechtzuerhalten. Eines der nutzbringenden und vorteilhaften Ergebnisse des Aufbaus der vorliegenden Erfindung ist, daß durch die relativ kleinen Entladungsspalte und das dünne Dielektrikum der Ozongenerator relativ wirksam mit einem Kühlmittel, typischerweise Wasser, gekühlt werden kann, das um die Außenflächen der äußeren röhrenförmigen Elektroden im Kreislauf geführt wird. Das Kühlmittel könnte auch innerhalb der inneren röhrenförmigen Elektrode im Kreislauf geführt werden, doch führt dies zu unnötigen Komplikationen, die möglicherweise zu Leckagen und Betriebsproblemen führen könnten.
Näher betrachtet, beim Aufbau einer hierin beschriebenen Ausführungsform, sind mehrere Abstandhalter um und längs jeder inneren röhrenförmigen Metallelektrode bereitgestellt, um die dielektrische Glasröhre relativ zur inneren röhrenförmigen Metallelektrode richtig zu positionieren. Mehrere Abstandhalter sind auch um und längs jeder dielektrischen Glasröhre bereitgestellt, um die äußere röhrenförmige Metallelektrode relativ zur dielektrischen Glasröhre richtig zu positionieren. Die Abstandhalter können einfach kurze Stücke aus Teflon-Band sein, die sich in einem Abstand um den Umfang eines Elements herum befinden. Des weiteren handelt es sich bei den äußeren röhrenförmigen Metallelektroden und den inneren röhrenförmigen Metallelektroden vorzugsweise um Röhren aus rostfreiem Stahl, und die dielektrische Glasröhre umfaßt Borsilicat-Glas, wie es unter dem Handelsnamen Pyrex erhältlich ist. Aus praktischen Gesichtspunkten wird jede dielektrische Glasröhre normalerweise so gewählt, daß sie je nach spezieller Anwendung und deren Anforderungen einen äußeren Durchmesser zwischen 25 und 50 mm und eine Länge zwischen 0,305 und 3,05 m (1 und 10 ft.) aufweist, um praktische Handhabung bei Aufbau und Instandhaltung, die am Ozongenerator durchgeführt werden, zu bieten.
Bei einer bezeichneten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde jede innere röhrenförmige Metallelektrode so ausgewählt, daß sie einen Außendurchmesser von 32 mm aufweist, jede dielektrische Borsilicat-Glasröhre wurde so ausgewählt, daß sie einen Außendurchmesser von 35 mm und einen Innendurchmesser von 33 mm (und somit eine Dicke von 1 mm) aufweist, und jede röhrenförmige Elektrode aus rostfreiem Stahl wurde so ausgewählt, daß sie Innendurchmesser von 36 mm aufweist, was ringförmige Spalte für die elektrische Entladung von 0,5 mm ergibt, die zwischen jeder Elektrode und der dielektrischen Röhre definiert sind. Die Länge der dielektrischen Glasröhren wurde zu 6 ft. gewählt, und die Elektrodenröhren hatten 5 ft..

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehenden Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung für einen verbesserten Ozongenerator mit konzentrischen Röhren werden von einem Fachmann leichter verstanden bei Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen derselben, in Verbindung mit den begleitenen Zeichnungen, worin gleiche Elemente in all den einzelnen Ansichten mit identischen Bezugsziffern bezeichnet sind und worin:
Abbildung 1 eine Schnittaufrißteilansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines verbesserten Ozongenerators mit konzentrischen Röhren ist, konstruiert nach der Lehre der vorliegenden Erfindung, und viele der Konstruktionsprinzipien desselben zeigt; und
Abbildung 2 eine Schnittansicht längs den Pfeilen 2-2 in Fig. 1 ist und eine axiale Schnittansicht durch den Ozongenerator darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Theoretische Betrachtungen

Es wird allgemein anerkannt, daß der elektrische Wirkungsgrad handelsüblicher Ozongeneratoren sehr schlecht ist, und daß dieser Mangel ihre Anwendung stark einschränkt. Ein mathematisches Modell, das zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit eines Ozongenerators vorgeschlagen wurde, ist:
worin
C = Ozon-Konzentration, lb/m³
K&sub1; = stationäre Konstante
K&sub2; = Zersetzungskonstante
P = Eingangsleistung zum Ozongenerator, W
Q = Gasstrom durch den Ozongenerator, m³/h
Im Zuge der Bemühung, den durch die Betriebstemperatur im Innern des Ozongenerators hervorgerufenen Ozon-Abbau genau zu berücksichtigen, wurde dieses Modell von späteren Forschern leicht modifiziert. Allerdings wurden bei keiner dieser Modifikationen die bei diesem Modell beteiligten Prinzipien wesentlich geändert.
Man beachte, daß dieses Modell keine expliziten Faktoren enthält, die dem physikalischen Aufbau des Ozongenerators zugeschrieben werden können. Erhöhung der Ozon-Konzentration erfordert die Erhöhung des Werts P/Q. Hierzu muß entweder die Leistungsaufnahme P erhöht oder die Gasströmungsgeschwindigkeit Q erniedrigt werden, oder beides muß kombiniert werden. Natürlich steigt durch Erhöhen des Verhältnisses P/Q die Temperatur im Innern des Ozongenerators, wodurch die Werte für K&sub2; erniedrigt werden. Dadurch wird die gewünschte Wirkung der Erhöhung der Ozon-Konzentration etwas nivelliert, weswegen die tatsächlichen Betriebsbedingungen von der Wirtschaftlichkeit bestimmt werden.
Das Verhältnis P/Q wild nicht von physikalischen Aufbau des Ozongenerators bestimmt, sondern vom Paschen-Gesetz und der Wahl des Bedieners bezüglich Leistungsaufnahme und Gasdurchsatz. Der Spannungsabfall pro Wegeinheit durch ein Gas wird allein durch die Beschaffenheit des Gases und seine Dichte bestimmt. Durch Verengen des Spalts verringert sich der Weg des Gases, und daher erniedrigt sich die zur Induktion des Stromflusses erforderliche Spannung. Allerdings wird auch die Menge an den Elektronen ausgesetztem Gas verringert, so daß sich das Verhältnis P/Q nicht ändert. Eine Erhöhung des Drucks erhöht auch die Gasmenege im Spalt, doch erhöht sie auch die zur Induktion des Stromflusses erforderliche Spannung, so daß das Verhältnis P/Q wiederum im wesentlichen unverändert bleibt.
Unter spezieller Bezugnahme auf die Abbildungen 1 und 2 stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Aufbau für einen Ozongenerator mit konzentrischen Röhren bereit, der von theoretischen Betrachtungen her entworfen wurde, um wirkungsvoll Ozon mit minimalem elektrischen Energieverbrauch zu erzeugen. Bei diesem Aufbau sind Baugruppen konzentrischer Röhren 10 im Ozongenerator ausgelegt auf problemlose Konstruktion und Ersetzung von Komponenten desselben, wobei die Baugruppen konzentrischer Röhren relativ genaue Positionierung der Komponenten ermöglichen, wie es für den ordnungsgemäßen und wirkungsvollen Betrieb des Ozongenerators erforderlich ist. Innerhalb einer jeden Baugruppe konzentrischer Röhren wird ein Sauerstoff enthaltendes Speisegas in darin ausgebildeten inneren 12 und äußeren 14 konzentrischen ringförmigen Entladungsspalte für ein elektrisches Feld in Ozon umgewandelt. Jede Baugruppe konzentrischer Röhren ist ohne jegliche Drahtsiebe oder -netze aufgebaut. Jede Baugruppe konzentrischer Röhren ist aufgebaut mit einer äußeren röhrenförmigen Metallelektrode 16 und einer konzentrisch innerhalb der äußeren Röhrenelektrode befindlichen inneren röhrenförmigen Metallelektrode 18. Die innere röhrenförmige Metallelektrode ist an einem Ende mit einer Kappe verschlossen. Eine dielektrische Glasröhre 20 befindet sich konzentrisch und zentral zwischen äußerer und innerer röhrenförmiger Elektrode. Dieser Aufbau ergibt einen inneren konzentrischen ringförmigen Entladungsspalt 12 für ein elektrisches Feld zwischen der dielektrischen Glasröhre und der inneren röhrenförmigen Elektrode und einen äußeren konzentrischen ringförmigen Spalt 14 für eine elektrische Entladung zwischen der dielektrischen Glasröhre und der äußeren röhrenförmigen Elektrode, worin das Speisegas in Ozon umgewandelt wird.
Mehrere Abstandhalter 22 sind um und längs jeder inneren röhrenförmigen Metallelektrode bereitgestellt, um die dielektrische Glasröhre relativ zur inneren röhrenförmigen Metallelektrode richtig zu positionieren, und mehrere Abstandhalter 24 sind auch um und längs jeder dielektrischen Glasröhre bereitgestellt, um die äußere röhrenförmige Metallelektrode relativ zur dielektrischen Glasröhre richtig zu positionieren. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei den Abstandhaltern einfach um kurze Stücke aus Teflon-Band von 0,5 mm Dicke. Diese Abstandhalter können entlang der Länge der Röhren bereitgestellt sein, sowie an den Enden und der Mitte, und umfassen vorzugsweise drei Abstandhalter, die sich, wie gezeigt, im gleichen Abstand um den Umfang der Röhre herum befinden. Des weiteren handelt es sich bei den äußeren und inneren röhrenförmigen Metallelektroden vorzugsweise um Röhren aus rostfreiem Stahl, und die dielektrische Glasröhre umfaßt Borsilicat-Glas, wie es unter dem Handelsnamen Pyrex erhältlich ist.
Der Wirkungsgrad des Ozongenerators wird dadurch optimiert, daß der Ozongenerator so aufgebaut wird, daß innere und äußere ringförmige Entladungsspalte 12, 14 im Bereich von 0,45 bis 0,55 mm, vorzugsweise 0,5 mm liegen, um einen minimalen Entladungsspalt zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon bereitzustellen, um die benötigten elektrischen Spannungen beim Betrieb zu minimieren. Der Entladungsspalt mit 0,5 mm ergibt auch einen ausreichend großen elektrischen Entladungsspalt, um genügend hohe elektrische Spannung dazwischen bereitzustellen, um die zur Erzeugung von Ozon aus Sauerstoff erforderlichen Elektronenübergänge zu bewirken und zu ergeben, aber führt nicht zu übermäßig hohen Spannungen dazwischen. In der Praxis ändert sich die tatsächliche Größe des Entladungsspalts von Punkt zu Punkt im konzentrischen Röhrenaufbau, weil die Toleranzen bei dessen Komponenten, die die Entladungsspalte definieren, leicht schwanken.
Auch die dielektrische Glasröhre 20 wird so ausgewählt, daß sie eine Dicke von weniger als 1,1 mm aufweist, um die für die Erzeugung von Ozon erforderliche Spannung zu minimeren. Die Dicke der dielektrischen Röhre ist direkt proportional zum Betrag der für die Erzeugung von Ozon erforderlichen Spannung in den ringförmigen Entladungsspalten, wobei ein dünneres Dielektrikum eine geringere Spannung für die Erzeugung von Ozon erfordert. Idealerweise sollte die Dicke der dielektrischen Röhre so gering wie möglich sein, um die erforderlichen Betriebsspanunngen zu minimieren. Allerdings muß die Dicke der dielektrischen Röhre aus praktischen Gesichtspunkten ausreichend groß sein, um das Zerbrechen der dielektrischen Glasröhre sowohl beim Zusammenbau des Ozongenerators als auch bei dessen Betrieb zu verhindern. Mit diesen gegensätzlichen Erwägungen wurde die dielektrische Glasröhre so ausgewählt, daß sie eine Dicke von weniger als 1,1 mm und vorzugsweise eine Dicke von 1 mm aufweist.
Der Ozongenerator ist aufgebaut mit einem äußeren zylindrischen Gehäuse 26, das Endplatten 28 aufweist. Zwei Trennwände 30, 32 mit neun kreisförmigen Befestigungsöffnungen für die neun Baugruppen konzentrischer Röhren sind im zylindrischen Gehäuse 26 befestigt, jeweils eine in der Nähe von dessen Ende. Die äußeren zylindrischen Elektroden und die Endplatten 28 sind durch Schweißen oder Walzen relativ zueinander abgedichtet. Ein Speisegaseinlaß 33 ist im linken (Abbildung 1) Einlaßende des zylindrischen Gehäuses 26 bereitgestellt und ergibt einen Speisegasverteiler 34 zur linken Seite der Trennwand 30, von der das Speisegas unter Druck, typischerweise 0,68 bis 1,02 bar (10 bis 15 psi), durch die ringförmigen Entladungsspalte 12, 14 zum rechten (Abbildung 1) Ozon-Auslaßende des Ozongenerators, definiert zur rechten Seite des Teilung 32, fließen kann, die einen Ozon-Auslaßverteiler 36 ergibt, von dem das Auslaß-Ozongas zu einem Ozongas-Auslaß 38 fließt. Das Speisegas kann Atmosphärenluft oder reiner Sauerstoff oder eine andere Mischung aus Sauerstoff-haltigem Gas sein, etwa 50% O&sub2;, 50% CO&sub2;. Nach Durchtritt durch den Ozongenerator ist der Ozon-Gehalt des Auslaßgases typischerweise bis zu 5%, je nach den Betriebsparametern des Ozongenerators.
Das äußere zylindrische Gehäuse 26 und das Volumen zwischen den beiden Trennwänden 30 und 32 sowie außerhalb der äußeren zylindrischen Elektroden 16 definieren ein Kühlsystem für den Ozongenerator. Ein Kühlmittel, typischerweise Wasser, wird von einem Kühlmitteleinlaß 40 innerhalb des Kühlgehäuses um das Äußere der äußeren röhrenförmigen Elektroden zu deren Kühlung zu einem Kühlmittelauslaß 42 im Kreislauf geführt. Aus praktischen Gesichtspunkten muß Wärme, die beim Betrieb der elektrischen Entladung des Ozongenerators erzeugt wird, durch ein Kühlsystem abgeführt werden, da Wärme das Ozon im allgemeinen in normalen Sauerstoff zurückverwandelt und somit abgeführt werden muß, um wirksamen Betrieb des Ozongenerators aufrechtzuerhalten. Eines der nutzbringenden und vorteilhaften Ergebnisse des Aufbaus der vorliegenden Erfindung ist, daß durch die relativ kleinen Entladungsspalte und das dünne Dielektrikum der Ozongenerator relativ wirksam mit einem Kühlmittel gekühlt werden kann, das um die Außenflächen der äußeren röhrenförmigen Elektroden im Kreislauf geführt wird.
Es wird eine periodische Stromversorgung 43 bereitgestellt, um beim Betrieb des Ozongenerators einen periodischen elektrischen Strom zwischen inneren und äußeren konzentrischen röhrenförmigen Elektroden anzulegen. Die periodische elektrische Stromversorgung kann Wechselspannung liefern, etwa aus einer 60 Hz-Stromversorgung entnommene, oder es kann eine Hochfrequenzpuls-Stromversorgung sein oder irgendeine andere geeignete elektrische Wellenform, die an den Ozongenerator typischerweise durch einen Aufwärtsspannungstransformator 44 abgegeben wird, dessen Hochspannungs-Sekundärwicklung mit dem Ozongenerator gekoppelt ist. Ein Prototyp der vorliegenden Erfindung, der hierin ausführlich beschrieben ist, wurde konstruiert und mit einer Stromversorgung von 60 Hz und 12 kV betrieben, die von standardmäßigem 60 Hz-Netzstrom entnommen wurde. Aus Sicherheitsgründen ist bei bevorzugten Ausführungsformen die elektrische Stromversorgung vorzugsweise geerdet, wie bei 46, um jede äußere röhrenförmige Metallelektrode 16 zu erden, und die periodische Stromversorgung ist gekoppelt, wie durch Leitungen 48, um jede innere röhrenförmige Metallelektrode 18 mit periodischem elektrischen Strom zu versorgen.
Bei einer bezeichneten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die aufgebaut und getestet wurde, wurde jede innere röhrenförmige Metallelektrode so ausgewählt, daß sie einen Außendurchmesser von 32 mm hatte, jede dielektrische Borsilicat-Glasröhre wurde so ausgewählt, daß sie einen Außendurchmesser von 35 mm und einen Innendurchmesser von 33 mm (und somit eine Dicke von 1 mm) hatte, und jede röhrenförmige Elektrode aus rostfreiem Stahl wurde so ausgewählt, daß sie einen Innendurchmesser von 36 mm aufwies, was darin definierte ringförmige Spalte für die elektrische Entladung von 0,5 mm ergab. Die Länge der dielektrischen Glasröhren wurde zu 1,83 m (6 ft.) gewählt. Wie in Abbildung 1 gezeigt, erstrecken sich die Enden der dielektrischen Glasröhren über die Enden der röhrenförmigen Elektroden hinaus, typischerweise um 152 mm (6 inch), um elektrische Enladung um die Enden der Dielektrika zu verhindern. Aus praktischen Gesichtspunkten wird jede dielektrische Glasröhre normalerweise so gewählt, daß sie einen äußeren Durchmesser zwischen 25 und 50 mm und eine Länge zwischen 0,305 und 3,05 m (1 und 10 ft) aufweist, um praktische Handhabung bei Aufbau und Instandhaltung des Ozongenerators zu bieten.
Die folgenden vier Tabellen geben vergleichende Daten zur Erzeugung von Ozon in einem herkömmlichen handelsüblichen Ozongenerator des in US-Patent 3 214 364 von van Tuyle offenbarten und gelehrten Typs, der im Handel erhältlich ist von Emery Industries, Inc., Cincinatti, Ohio, im Vergleich zu einem Ozongenerator-Prototyp des hierin offenbarten und gelehrten und im letzten Abschnitt im einzelnen beschriebenen Typs, der ebenfalls von Emery Industries, Inc. entwickelt wurde. Die Stromversorgung für beide Generatoren wurde einer 60 Hz-Netzspannung entnommen und durch herkömmliche Stromversorgungsschaltungen über einen Aufwärtstransformator an den jeweiligen Ozongenerator angelegt. Der herkömmliche Ozongenerator wurde mit 102 Röhrenbaugruppen und der Prototyp mit 110 Röhrenbaugruppen aufgebaut. Da Aufbau und Oberfläche der Spalte für die elektrische Entladung bei jedem Ozongenerator verschieden sind, wurden die Vergleichsdaten gewonnen für identische Verhältnisse von Leistung (kW) zu Fläche an Dielektrikum (m²), wie in der dritten Spalte jeder Tabelle gezeigt. Der herkömmliche Ozongenerator, der im Handel erhältich ist von Emery Industries, Inc., wird in den Tabellen mit C bezeichnet [für Convential (herkömmlich)], und der Prototyp der vorliegenden Erfindung wird mit P (für Prototyp) bezeichnet.
Die Leistung für jeden Ozongenerator ist für jede Tabelle identisch, wie durch die ersten beiden Spalten angegeben, und die vier Tabellen sind für vier Sätze von Sauerstoff-Zufuhrgeschwindigkeiten durch beiden Ozongeneratoren, die mittels eines einstellbaren Durchflußventils in der Nähe des Auslasses des Ozongenerators variiert wurden. Das Speisegas war reiner Sauerstoff, zugeführt mit ungefähr 0,68 bar (10 psi), wobei der Druck am Ozongeneratoreinlaß je nach gewünschter Strömungsgeschwindigkeit durch den Ozongenerator leicht nach oben unten davon abwich, und die Zuflußgeschwindigkeiten oben in jeder Tabelle sind in kg (pounds) pro Stunde (PPH) O&sub2; gegeben.
In der letzen Spalte jeder Tabelle vergleicht % das Verhältnis von Kilowattstunden (kWh) Leistung zu kg (pounds) Ozon (Lb O&sub3;), das von jedem Ozongenerator erzeugt wird, wobei positives (+) % effizientere Ozon-Produktion durch den Prototyp angibt.
Die vier Tabellen zeigen, daß in fast allen Fällen der Ozongenerator-Prototyp wirkungsvoller arbeitete als der herkömmliche Ozongenerator. Es wir angenommen, daß sich das weniger wirkungsvolle Arbeiten des Ozongenerator-Prototyps in der ersten Reihe der ersten beiden Tabellen durch die Tatsache erklären, daß die 6,8 kW Leistung für den Ozongenerator- Prototyp einfach eine zu geringe Eingangsleistung für den Prototyp und seine spezielle Leistungsregelungsschaltung ist. TABELLE 1 225 PPH O&sub2; für herkömmlichen Ozongenerator 78,8 PPH O&sub2; für Ozongenerator-Prototyp Leistung (kw) TABELLE 2 400 PPH O&sub2; für herkömmlichen Ozongenerator 135 PPH O&sub2; für Ozongenerator-Prototyp Leistung (kw) TABELLE 3 490 PPH O&sub2; für herkömmlichen Ozongenerator 166,7 PPH O&sub2; für Ozongenerator-Prototyp Leistung (kw) TABELLE 4 600 PPH O&sub2; für herkömmlichen Ozongenerator 206 PPH O&sub2; für Ozongenerator-Prototyp Leistung (kw) * Um kg zu erhalten, dividiere man durch 2,2; um kg&supmin;¹ zu erhalten, multipliziere man mit 2,2.
Es wird davon ausgegangen, daß obige Daten recht schlüssig beweisen, daß die vorliegende Erfindung, entwickelt von Emery Industries, Inc., einen leistungsfähigeren Aufbau für einen Ozongenerator bereitstellt als der Ozongenerator, der zur Zeit im Handel erhältlich ist von Emery Industries, Inc.. Zudem entziehen und verbrauchen handelsübliche Ozongeneratoren relativ große Mengen elektrischer Energie bei der Erzeugung von Ozon, und so übertragen sich Unterschiede von mehreren Prozentpunkten (bis zu 14,55% in Tabelle 4) in beträchtliche Einsparungen bei Menge und Kosten an elektrischer Energie, die bei der Ozon-Herstellung aufgewendet wird.
Zwar sind mehrere Ausführungsformen und Abänderungen der vorliegenden Erfindung für einen verbesserten Ozongenerator mit konzentrischen Röhren hierin ausführlich beschrieben, doch sollte klar sein, daß Offenbarung und Lehre der vorliegenden Erfindung dem Fachmann viele Anregungen zu alternativen Ausführungen geben.

Claims

1. Ozongenerator, umfassend mehrere Baugruppen konzentrischer Röhren, die den Ozongenerator bilden, in denen ein Sauerstoff enthaltendes Speisegas in darin ausgebildeten inneren und äußeren konzentrischen ringförmigen Entladungsspalten für ein elektrisches Feld in Ozon umgewandelt wird, wobei jede Baugruppe konzentrischer Röhren eine äußere röhrenförmige Metallelektrode, eine konzentrisch innerhalb der äußeren Röhrenelektrode befindliche innere Elektrode sowie eine konzentrisch und zentral zwischen äußerer röhrenförmiger Elektrode und innerer Elektrode befindliche dielektrische Glasröhre umfaßt, um einen inneren konzentrischen ringförmigen Entladungsspalt für ein elektrisches Feld zwischen der dielektrischen Glasröhre und der inneren Elektrode und einen äußeren konzentrischen ringförmigen Spalt für eine elektrische Entladung zwischen der dielektrischen Glasröhre und der äußeren Elektrode bereitzustellen, worin Speisegas in Ozon umgewandelt wird, eine periodische Energiezuführung zum Anlegen einer periodischen elektrischen Energiezuführung zwischen inneren und äußeren konzentrischen Elektroden während des Betriebs des Ozongenerators, und ein Kühlsystem für den Ozongenerator, welches ein Kühlgehäuse definiert, das die Baugruppen konzentrischer Röhren in einer Weise umschließt, daß während des Betriebs des Ozongenerators ein Kühlmittel in dem Kühlgehäuse und außen um die äußeren röhrenförmigen Elektroden zu deren Kühlung zirkulieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß

- die innere Elektrode eine zusammenhängende Metallröhre ist und über ihre gesamte Länge die gleiche Größengestaltung aufweist;

- die äußere röhrenförmige Elektrode über ihre gesamte Länge die gleiche Größengestaltung aufweist;

- jeder innere und äußere ringförmige Entladungsspalt im Bereich von 0,45 mm bis 0,55 mm liegt;

- die dielektrische Glasröhre eine Dicke von weniger als 1,1 mm aufweist;

- er einen üblichen Speisegaseinlaß an einem ersten axialen Ende der Baugruppen konzentrischer Röhren aufweist;

- er einen üblichen Ozongasauslaß am zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende der Baugruppen konzentrischer Röhren aufweist;

- jede Baugruppe konzentrischer Röhren so ausgelegt ist, daß die Ersetzung deren Komponenten sowie die genaue Positionierung deren Komponenten vorgesehen ist.

2. Ozongenerator nach Anspruch 1, umfassend mehrere Abstandhalter, die um und längs jeder inneren röhrenförmigen Metallelektrode bereitgestellt sind, um die dielektrische Glasröhre relativ zur inneren röhrenförmigen Metallelektrode richtig zu positionieren, sowie mehrere Abstandhalter, die um und längs jeder dielektrischen Glasröhre bereitgestellt sind.

3. Ozongenerator nach Anspruch 2, wobei die Abstandhalter Stücke eines Teflonbandes umfassen.

4. Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 3, wobei jede äußere röhrenförmige Metallelektrode und jede innere röhrenförmige Metallelektrode eine Röhre aus rostfreiem Stahl umfaßt.

5. Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 4, wobei die elektrische Energiezuführung so angeschlossen ist, daß jede äußere röhrenförmige Metallelektrode geerdet ist und die periodische Energiezuführung jeweils mit den inneren röhrenförmigen Metallelektroden gekoppelt ist.

6. Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 5, wobei jede dielektrische Glasröhre eine Borsilicat-Glasröhre umfaßt.

7. Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 6, wobei jede dielektrische Glasröhre einen Außendurchmesser zwischen 25 mm und 50 mm und eine Länge zwischen 1 und 10 Fuß umfaßt.

8. Ozongenerator nach Anspruch 1 oder 7, wobei jede innere röhrenförmige Metallelektrode einen Außendurchmesser von 32 mm aufweist, und jede dielektrische Glasröhre einen Außendurchmesser von 35 mm und einen Innendurchmesser von 33 mm aufweist, und jede äußere röhrenförmige Metallelektrode einen Innendurchmesser von 36 mm aufweist.

9. Ozongenerator nach Anspruch 4, wobei die innere röhrenförmige Metallelektrode an einem Ende mit einer Kappe verschlossen ist.