DE72050C - Verfahren und Apparat zur Ozonerzeugung mit Hilfe eines elektrischen Drehfeldes - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

Vorliegende Erfindung findet mit. Vortheil Anwendung bei Ozonerzeugungsapparaten, bei welchen ein combinirtes elektrostatisches Kraftfeld mit rotirender Richtung der Kraftlinien verwendet wird. Die beiliegende Zeichnung stellt die verschiedenen Formen des Ozonröhrensystems dar, welches in der einfachsten Form aus vier Röhren gebildet ist, welche »ein Element« darstellen oder aber aus einer beliebigen Anzahl solcher Elemente zusammengestellt werden kann, wobei der Zwischenraum zwischen je vier Röhren je einem Element entspricht.

In der Zeichnung stellt:

Fig. ι die einfachste Anordnung von vier Röhren in Vorderansicht dar;

Fig. ι a und 1 b sind Wellenformen;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt derselben;

Fig. 3 und 4 zeigen die Details einer Anordnung mit 25 Röhren in Vorderansicht und Querschnitt;

Fig. 5 stellt deren Draufsicht dar und

Fig. 7 und 8 zeigen die Anordnung von vier Röhren für den Fall, wenn die gekühlten Elektroden mit vollständig freibleibender metallischer Oberfläche hergestellt werden und die elektrische Substanz im Zwischenraum der vier Röhren in Stabform angebracht wird;

Fig. 9 und 10 zeigen diese Anordnung für 16 Röhren;

Fig. 11 zeigt eine analoge Anordnung (siehe Fig. 4) für den Fall, wenn die elektrische Substanz durch einen isolirten Metalldraht ersetzt wird.

Der Apparat, auf sein einfachstes Element reducirt, besteht aus einem Bündel von vier Röhren abcd, Fig. 1, welche aus von innen versilberten oder mit sonstigem guten Leiter versehenen Glasröhren gebildet sind und mit einer Pappe, bestehend z. B. aus Natriumsilicat und Kreide, fest zusammengeklebt werden können, oder aus emaillirten Metallröhren bezw. aus einfachen Metallröhren, die aufsen mit einer dünnen Schicht von Zinn oder Platin, Gold, Silber, Nickel oder Aluminium der oxydirenden Wirkung des Ozons eine Zeit lang oder überhaupt widerstehenden Metallen überzogen sind und durch Glasringe (s. rr in Fig. 7 und 8) von einander in genügender Entfernung erhalten werden, damit die Funkenbildung zwischen zwei Röhren vermieden wird. Zwei in der Diagonalrichtung befindliche Röhren α und b sind mit den entgegengesetzten Polen einer Wechselstromquelle und zwei andere c und d mit den Polen eines zweiten Wechselstromkreises, deren Periode der ersten gegenüber um ^J/₄ oder beliebigen Bruchtheil der Periode verschoben ist, verbunden. In dem zwischen den vier Röhren befindlichen Raum entsteht infolge dieser Anordnung ein elektrostatisches Drehfeld, d. h. ein elektrisches Kraftfeld, in welchem die elektrischen Kraftlinien rotiren.

Die Enden dieser Röhren sind aus einander gebogen, so dafs der Sauerstoff, welcher der Einwirkung' der Entladungsstrahlen ausgesetzt werden soll, in den Zwischenraum der Röhren leicht hineingeführt werden kann. Das ent-

stehende Ozon strömt am anderen Ende des Apparates aus. Wie aus dem Bisherigen ersichtlich, ist man durch einfache Anordnung vor allen anderen Vortheilen in den Stand gesetzt, eine relativ bedeutende Geschwindigkeit des Sauerstoffes verwenden und mithin eine grofse Menge Ozon in der Zeiteinheit herstellen zu können, da man jener Geschwindigkeit entsprechend den Röhren die für die Dauer der Einwirkung nöthige grofse Länge ohne jede Schwierigkeit geben kann. Die neue Wirkung der Anwendung in der Phase verschobener Wechselströme besteht darin, dafs je zwei benachbarte Elektroden während der Hälfte der Periode gleiche, während der anderen Hälfte jedoch entgegengesetzte Polarität besitzen (s. Fig. i). Hierdurch wird sowohl zwischen den neben einander liegenden wie auch zwischen den gegenüberliegenden Röhren sich die Nothwendigkeit ergeben, dafs während gewisser Theile jeder Periode elektrische Entladungsstrahlen entstehen. Es gilt dieses während der ersten und dritten Viertelperiode, und zwar sowohl bei den sinuswellenförmigen, als auch in noch höherem Mafse bei den durch Interruption hervorgerufenen doppelphasigen Wechselströmen, deren Wellenformen in Fig. 2 skizzirt sind.

Es wird also kein einziges Molecül des Sauerstoffes der Wirkung der Entladung entzogen werden können, während bei gewöhnlichem Wechselstrom jene Partikelchen des Gases, welche zwischen je zwei neben einander befindlichen gleichnamigen Stäben sich entlang ziehen, den Entladungsstrahlen niemals ausgesetzt sein würden.

Fig. 3 veranschaulicht die Anordnung nebst den Entladungsstrahlen, während Fig. 4 diejenige mit gewöhnlichem Wechselstrom zeigt. Da nun bei der Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung ca. 600 Perioden zur Anwendung gelangen, so erhellt hieraus die wesentlich vollkommenste Wirkungsweise derselben. Fernerhin ist zu bemerken, dafs vier solcher Röhren, wenn man mit verschobenen Phasen arbeitet und die dazwischen befindlichen Glasröhren einen genügenden Durchmesser aufweisen, an sich schon eine sehr grofse elektrische Capacität besitzen müssen.

Es werden somit durch den Gegenstand der Erfindung sämmfliche Vortheile, welche die concentrischen Röhren besitzen, erreicht und der für gewerbliche Herstellung des Ozons hochwichtige Vortheil erlangt, dafs die Spannung der Elektroden so lange gesteigert werden kann, wie man nur irgend will, was bei concentrischen Röhren, die sehr genau centrisch gelagert sein müssen, nicht der Fall sein kann, da sonst die Entladungsstrahlen nur an einzelnen Stellen, d. h. an den naheliegenden Punkten entstehen.

Durch Versuchsreihen kann nachgewiesen werden, dafs mit vier Elektroden dieselbe Menge Ozon hergestellt worden ist, wie man mit einem concentrischen Berthelot-Apparat herstellen kann. Man kann selbst in einem ganz kleinen Raum viele Tausende solcher Röhren anbringen, während Berthelot bezw. Dr. Frölich (Siemens & Halske) kaum 5 bis 10 ihrer Apparate stufenweise neben einander reihen können. Der Erfindungsgegenstand leistet demgemäfs zum ersten Male den Anforderungen einer wirklich fabrikmäfsigen Herstellung Genüge.

Die Röhren, welche die Elektroden meines Doppelcondensators bilden, werden zu gleicher Zeit zur nöthigen continuirlichen Abkühlung des Apparates benutzt. Zu diesem Behufe läfst man in den Röhren kaltes Wasser oder eine nicht gefrierende Flüssigkeit oder irgend ein bei Kältevorrichtungen anwendbares Gas circuliren, sei es z. B. die aus Druckluftmotoren heraustretende kalte Auspuff luft, so dafs dadurch dem Sauerstoffstrahl, welcher zwischen den Röhren fliefst, die zur Ozonbildung höchst wichtige Abkühlung zugesichert wird. Mit Vorliebe verwendet man zur Kühlung Sauerstoff in all jenen Fällen, wo derselbe von hoher Spannung, z.B. der nach dem Brinschen Verfahren in Stahlflaschen mit 120 Atm. Druck in Handel gebrachte, zur Verfügung steht. Dadurch, dafs Gas von hoher Spannung auf die gewöhnliche Atmosphärenspannung herunterexpandirt wird, kann bekanntlich eine sehr niedrige Temperatur erzeugt werden. Man führt zu diesem Zweck den Sauerstoff während seiner Expansion in die Röhren behufs Abkühlung des ganzen Apparates und nachher in die Zwischenräume zurück, um ihn in Ozon umzuwandeln. Derselbe Sauerstoff, den man in Ozon überführt, besorgt also vorher die nöthige Abkühlung des Apparates. Die Fig. 3, 4, 5 und 6 geben ein deutliches Bild eines solchen Apparates, wenn derselbe für gröfsere Mengen von Ozon bestimmt ist und zu diesem Zweck aus zahlreichen Röhren zusammengesetzt wurde. Das Ganze ist eigentlich in dem dargestellten Falle aus vier Systemen von Röhren gebildet, deren Bedeutung oben, wo nur von einem, einzigen Element die Rede ist, betont wurde. Alle zu demselben System gehörenden Röhren sind mit demselben Pol in Verbindung. Die Zeichen +_ und +" bedeuten jene Röhren, welche mit einem bezw. anderem Pol des einen Wechselstromes, die Zeichen ^x/ und /^x hingegen jene Röhren, welche mit den einen oder anderen Elektroden des in der Phase verschobenen Wechselstromes in leitender Verbindung stehen. Es ist leicht einzusehen, dafs diese Röhren auch vieleckig, anstatt in Quadratform, an einander gereiht werden können, in welchem Falle dann bei

Anwendung von mehrphasigen anstatt zweiphasigen Strömen in dem Zwischenraum der Röhren ebenfalls ein rotirendes elektrostatisches Kraftfeld entsteht. Die Verbindungen sind in diesen Figuren durch Querröhrchen hergestellt, welche gleichzeitig dazu dienen, die kühlende Flüssigkeit oder Gas in die Ozonisirröhren zu führen. Im Falle zur Abkühlung Wasser oder schlecht leitende Flüssigkeiten verwendet werden, beugt man durch entsprechende Isolirung der Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen zweien der erwähnten Systeme vor. Gleichzeitig werden jene Querröhrchen, welche auch zur elektrischen Verbindung dienen und zu diesem Zweck mit gutleitender innerer Fläche versehen sind, von einander in entsprechender Entfernung angebracht, damit Funkenbildungen trotz der entstehenden hohen Spannung ausgeschlossen sind.

Die Verbindung zwischen den Querröhren und Hauptröhren ist in den erwähnten Figuren vermittelst Ansätze hergestellt. Bei jenen Querröhren, welche zu gleicher Zeit die elektrische Verbindung vermitteln, verwendet man passende Metallrohransätze, bei jenen hingegen, welche nur zur Leitung der kühlenden Flüssigkeit dienen, sind diese Ansätze aus Nichtleitern hergestellt. Wird Gas oder eine schlechtleitende Flüssigkeit zur Kühlung verwendet, so können Röhren, welche in derselben Reihe neben einander sich befinden, trotzdem sie mit zwei verschiedenen Polen in Verbindung stehen, mit demselben Querrohr mittelst solcher nichtleitenden Ansätze verbunden werden, wie dies in der Zeichnung (Fig. 3 bis 6) ersichtlich. In diesen Figuren sind die Verbindungen mit dem Pol +_ des einen Wechselstromes und mit dem Pol ^x/ des anderen verschobenen Stromes auf der einen Seite des Apparates, die Verbindung mit dem Pol T bezw. /^x auf der anderen Seite des Apparates angedeutet. Die entsprechenden Querröhren, welche diese Verbindungen vermitteln, sind also mit leitender innerer Fläche und daran sich anschliefsenden leitenden Ansätzen versehen, während die anderen nur der Kühlungsflüssigkeit als Kanal dienenden Querröhren gar keine leitende Fläche besitzen.

Der Sauerstoff tritt an einem Ende des Apparates in denselben und dringt durch den zwischen den Querröhren freibleibenden Raum in die Zwischenräume der Hauptröhren, wo er der ozonisirenden Wirkung der Entladungsstrahlen ausgesetzt wird und als Ozon am anderen Ende des Apparates heraustritt und aufgefangen wird.

Zum Zweck einer intensiven Kühlung ist es zweckmäfsiger, dafs das zu kühlende Gas mit den gekühlten Metallflächen ohne Zwischenlage von schlechten Wärmeleitern, wie Glas u. s. w., direct in Berührung komme. Um dies zu erreichen, giebt man noch "dem Ozonapparat die für vier Röhren in Fig. 7 und 8 und für gröfsere Batterien in Fig. 9 und 10 ersichtliche Anordnung. Die röhrenförmigen Elektroden sind daselbst in directer Berührung mit dem Sauerstoff und die kühlende Wirkung der in den Röhren fliefsenden Kälteflüssigkeit kommt vollkommen zur Geltung.

Um dem Apparat nichtsdestoweniger eine bedeutende elektrische Capacität zu sichern und zu gleicher Zeit die Entladungsstrahlen immer gegen die Mitte der zwischen den Röhren befindlichen Räume zu dirigiren, ist in. jedem der Zwischenräume je ein Glasstab oder ein mit Alkohol oder Wasser u. s. w. gefülltes Glasrohr angebracht, welche Substanzen infolge ihrer höheren Dielektricitätsconstanten im elektrischen Kraftfelde dieselbe Rolle spielen wie z. B. Weicheisen im magnetischen Felde, d. h. sie concentriren die Kraftlinien.

Ein ähnlicher Zweck führte zur Anordnung, welche in Fig. 11 dargestellt und eine Modifkirung der in Fig. 4 ersichtlichen Anordnung enthält. Eben zur Verhinderung des Umstandes, dafs ein grofser Theil der Kraftlinien seinen Weg in dem Glase nehme, ist daselbst in jedem der Zwischenräume ein sorgfältig isolirter Metalldraht angebracht, der die Richtung der Kraftlinien gegen die Mitten der Zwischenräume zu sichert.

Es ist zu bemerken, dafs bisher das Ozon nicht zwischen unbelegten Elektroden erzeugt wurde. Der Gedanke, zwecks Wasserkühlung unbelegte metallische röhrenförmige Elektroden zu verwenden und dennoch die Condensation zu sichern, und zwar in der Art, dafs das Dielektricum in Form von innen gekühlter Glasröhren in Zwischenräumen angebracht wird, ist unbedingt neuartig.

In der Anordnung von Fig. 10 geschieht die Zu - und Ableitung der Kälteflüssigkeit, welche als schlechter Elektricitätsleiter, wie Gase,- Benzine, Petroleum u. s. w., ins Auge gefafst wird, in sehr einfacher Weise. Die Enden der Röhren befinden sich in dicht hergestellten Räumen, welche mit der Kühlungsmaschine in Verbindung stehen. Die Zuführung des Sauerstoffes und Ableitung des Ozongemisches ist schematisch angeordnet, ebenso wie die Hülle des Apparates, welcher unter anderem als ein mit Filz versehener Holzkasten hergestellt werden kann, in welchem eine die Röhren enthaltende, aber von denselben sorgfältig isolirte Weifsblechhülle, deren Stirnwände also aus Isolirmassen verfertigt sein müssen, innen befestigt ist.

Eine der charakteristischen Eigenschaften obigen Systems besteht in der bedeutenden elektrischen Capacität, welche die so an einander gereihten Röhren besitzen, und infolge dessen in der Leichtigkeit, durch diese Capa-

citä't selbst die nöthige hohe Potentialdifferenz zwischen den Elektroden des Ozonapparates hervorzurufen, trotzdem man zum Laden des letzteren nur Ströme mit gewöhnlicher niedriger Spannung verwendet. Es genügt zu diesem Zweck, in jedem der beiden in der Periode verschobenen Stromkreise je einen Widerstand L₁ bezw. L₂, Fig. 6, einzuschalten, welche die entsprechend berechnete, unter sich gleiche Selbstinduction besitzen. Diese Selbstinduction wird in Verbindung mit der Capa-

_T di

cität jene Spannungen hervorrufen, welche zur Entstehung der Entladungsstrahlen in den Zwischenräumen der Röhren nothwendig ist.

Die Erklärung dieses Umstandes liegt im

Folgenden:

. Eine Selbstinductionsspirale wirkt in einem Stromkreise, wenn letztere keine elektrische Capacität besitzt wie eine elektromotorische Gegenkraft, und zwar berechnet sich dieselbe bekanntlich aus folgender Formel:

2 π

JA²· -cos 2 π

wo L den Selbstinductionscoefficienten, R den elektrischen Widerstand, E₀ den Maximalwerth der elektromotorischen Kraft an den Klemmen der Dynamomaschine, T die Dauer einer Periode und den Phasenverschiebungswinkel bedeuten.

Der Maximalwerth von e kann noch geschrieben werden:

e_n =

V- L²

-E_n-

Unter der Wurzel steht ein die Einheit nie erreichender Bruch, infolge dessen kann e₀ den Werth von Zi₀ bei noch so grofsem Werthe von L nicht erreichen.

Anders steht aber die Sache, sobald man

V-

eine Capacität c in den Stromkreis einschaltet, denn dann wird, wie nachgewiesen und wie leicht gerechtfertigt werden kann, der Werth von e_n folgender:

Z.²

-E_n-

Hier kann nun der Wurzelfactor gröfser als die Einheit sein, denn der Nenner kann kleiner werden als der Zähler, und zwar in dem Grenzfalle, wo die Capacität und der Selbstinductionscoefficient der Bedingung:

2 7Γ

genügt, wird die entstehende Spannung: 2 π L

e_n =

E_n,

kann also durch die Wahl von T und des Verhältnisses -=- so grofs gemacht werden, wie

XV

man will. Nun wiegt aber gerade in diesem Falle die Capacität die Selbstinduction auf, d. h. der Strom erhält eine Intensität, gleich als wenn gar keine Selbstinduction im Stromkreise vorhanden wäre, mit anderen Worten, die Intensität berechnet sich einfach aus dem Ohm'sehen Gesetz. Dies ist eben die Folge jenes Umstandes, dafs bei Erfüllung obiger Bedingung die Spannung, welche zwischen den Elektroden der Capacität entsteht, gleich, aber von entgegengesetzter Richtung ist als jene, welche an den Klemmen, der Selbstinductionsspirale entsteht. Beide Spannungen halten sich also das Gleichgewicht und beeinflussen die Stromintensität gar nicht. Jeder von sich ist aber von beträchtlichem Werthe. Wir sehen also, dafs die Neutralisirung der Selbstinduction in einem Stromkreis sich als Reaction in Form von hoher Spannung sowohl an den Klemmen der Spirale, wie auch zwischen den Platten der Capacität (sei es Ozonapparat oder gewöhnlicher Condensator) vorfindet. Diese Verhältnisse wurden bisher weder von Blakesley, noch von anderen festgestellt.
Wie aus der Formel von e₀ ersichtlich,

Claims (1)

1. kann die so erzeugte Spannung fernerhin auch durch Erhöhung der Stromstärke gesteigert werden, da nach dem Ohm'sehen Gesetz:

   und also:

   Jl₀ = Kl₀

   e_n —

   2 7Γ

   LI_n

   Paten τ-An Sprüche:
   Verfahren zur Ozonisirung von Sauerstoff, gekennzeichnet durch die Anwendung eines durch mehrphasige Wechselströme hergestellten elektrischen Drehfeldes, welches zwischen den wirkenden Elektroden Entladungen wechselnder Polarität erzeugt, durch welche der zu ozonisirende Sauerstoff möglichst ausgiebig bearbeitet wird.

   Eine Ausführungsform des durch Anspruch ι. geschützten Verfahrens, bei welcher die für die Entladungsstrahlen erforderliche Spannungserhöhung des mit geringer Spannung eingeführten Wechselstromes unter Benutzung derCapacität desOzonisirungsapparates durch Einschaltung von Selbstinductionsspulen erzielt wird.

   Zur Ausführung des durch Anspruch 1. oder 2. geschützten Verfahrens ein Ozonisirungsapparat, in welchem zur Concentrirung der Entladungsstrahlen zwischen den metallenen Elektroden ein Körper von hoher Dielektricitätsconstante angeordnet ist.
   Das durch Anspruch 1. oder 2. geschützte Verfahren mit der besonderen Einrichtung, dafs die Röhren durch die Expansion des mit hoher Spannung zugeführten zu ozonisirenden Sauerstoffes gekühlt werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.