RU154043U1

RU154043U1 - OZONE GENERATOR USING A PULSED SLIDING DISCHARGE

Info

Publication number: RU154043U1
Application number: RU2014127921/05U
Authority: RU
Inventors: София Нобель; Евгений Николаевич Пирогов; Дмитрий Владимирович Никифоров
Original assignee: София Нобель; Евгений Николаевич Пирогов; Дмитрий Владимирович Никифоров
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2015-08-10

Abstract

1. Генератор озона, содержащий разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого уложены плоские электроды высокого и низкого напряжения и диэлектрическая пластина для электрического барьера, которая размещена между электродами высокого и низкого напряжения, и имеются входное и выходное отверстия, а также установленный вне разрядной камеры источник импульсов высокого напряжения, подключенный к электродам, отличающийся тем, что электрод высокого напряжения выполнен в виде оребренной плоской поверхности.2. Генератор озона по п. 1, отличающийся тем, что ребра электрода высокого напряжения плотно уложены на диэлектрическую пластину, другая сторона которой плотно прилегает к электроду низкого напряжения.3. Генератор озона по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отвод тепла от электродов осуществлен через каналы, образованные ребрами электрода высокого напряжения и диэлектрической пластиной.4. Генератор озона по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ребра имеют изогнутую форму и между рядами ребер имеется разрыв.5. Генератор озона по п. 1, отличающийся тем, что электрод высокого напряжения выполнен в виде оребренной плоской поверхности, имеет ширину 32-120 мм и, соответственно, количество рядов оребрения от 4 до 16.6. Генератор озона по п. 1 или 2, или 5, отличающийся тем, что разрядная камера выполнена в виде оребренной плоской поверхности.1. An ozone generator containing a discharge chamber in the form of a rectangular parallelepiped, inside which are laid flat electrodes of high and low voltage and a dielectric plate for an electric barrier, which is placed between the electrodes of high and low voltage, and there are inlet and outlet openings, as well as installed outside the discharge camera source of high voltage pulses connected to the electrodes, characterized in that the high voltage electrode is made in the form of a finned flat surface. 2. The ozone generator according to claim 1, characterized in that the ribs of the high voltage electrode are tightly laid on a dielectric plate, the other side of which is tightly adjacent to the low voltage electrode. Ozone generator according to claim 1 or 2, characterized in that the heat is removed from the electrodes through channels formed by the edges of the high voltage electrode and the dielectric plate. An ozone generator according to claim 1 or 2, characterized in that the ribs have a curved shape and there is a gap between the rows of ribs. 5. The ozone generator according to claim 1, characterized in that the high voltage electrode is made in the form of a finned surface, has a width of 32-120 mm and, accordingly, the number of rows of fins from 4 to 16.6. The ozone generator according to claim 1 or 2, or 5, characterized in that the discharge chamber is made in the form of a finned surface.

Description

Решение относится к устройствам для производства озона из кислорода или воздуха и может быть использовано для очистки воды, газовых выбросов, обработки помещений и в медицине.The solution relates to devices for the production of ozone from oxygen or air and can be used to purify water, gas emissions, treatment of premises and in medicine.

Одной из важнейших задач, стоящих перед современным обществом, является защита окружающей среды. Ключевой ее составляющей является вопрос водоподготовки и очистки разного рода сточных вод и газовых выбросов от токсичных соединений.One of the most important tasks facing modern society is to protect the environment. Its key component is the issue of water treatment and purification of various kinds of wastewater and gas emissions from toxic compounds.

Все более широкое распространение для успешного решения поставленной задачи приобретают технологии с применением озона. Озон является одним их наиболее сильных окислителей, что определяет его привлекательность для применения в различных целях, в первую очередь, для дезинфекции питьевой воды. Исключительно ценным его свойством является экологическая чистота применения - способность разлагаться до кислорода.Ozone technologies are becoming increasingly widespread for the successful solution of the task. Ozone is one of the most powerful oxidizing agents, which determines its attractiveness for use for various purposes, primarily for the disinfection of drinking water. Its extremely valuable property is its environmental friendliness - the ability to decompose to oxygen.

Известны различные по конструктивной реализации генераторы озона (патенты №2275324, №2258670, №2263068, №2261837, №2289542, №2301773 и др.). Многочисленные конструкции генераторов озона можно условно разделить на три основные группы.Ozone generators of various constructive designs are known (patents No. 2275324, No. 2258670, No. 2263068, No. 2261837, No. 2289542, No. 2301773, etc.). The numerous designs of ozone generators can be divided into three main groups.

1. Генераторы озона коаксиальной конструкции, работающие на барьерном разряде (зона разряда находится между двумя керамическими поверхностями).1. Ozone generators of a coaxial design operating on a barrier discharge (the discharge zone is located between two ceramic surfaces).

Существенным недостатком коаксиальных конструкций является технологическая сложность их изготовления и высокая стоимость. Коаксиальные разрядные устройства требуют изготовления трубок из специального кварцевого стекла или керамики, калиброванных как по диаметру, так и по толщине стенок. Нанесение ионизирующих электродов на внутреннюю поверхность трубок - сложный технологический процесс. При этом сборка коаксиального генератора озона требует высокой точности установки как ионизирующих электродов относительно друг друга, что обуславливает необходимость высокой точности изготовления, так и остальных элементов конструкции.A significant drawback of coaxial structures is the technological complexity of their manufacture and high cost. Coaxial discharge devices require the manufacture of tubes made of special quartz glass or ceramics calibrated both in diameter and in wall thickness. The application of ionizing electrodes to the inner surface of the tubes is a complex process. Moreover, the assembly of a coaxial ozone generator requires high accuracy of installation of both ionizing electrodes relative to each other, which necessitates high precision manufacturing, as well as other structural elements.

2. Генераторы озона с плоской конструкцией ионизирующих электродов работающие на поверхностном разряде (зона разряда находится между керамикой, диэлектриком и электродом).2. Ozone generators with a flat design of ionizing electrodes operating on a surface discharge (the discharge zone is located between the ceramic, dielectric and electrode).

Данные устройства обладают существенными эксплуатационными недостатками. В них не соблюдается одно из основных требований к медицинским озонаторам - отсутствие ионизирующих электродов в зоне разряда. Защита ионизирующих электродов значительно усложняет конструкции разрядных устройств этого типа и снижает стабильность их работы. Для генераторов озона, работающих на поверхностном разряде, требуется осушение воздуха при подаче его в зону разряда. Наличие влаги в воздухе резко сокращает срок эксплуатации генератора озона. Для работы генератора озона необходимо наличие герметичного корпуса и эффективной системы теплоотвода, что обуславливает значительное усложнение и удорожание разрядного устройства.These devices have significant operational disadvantages. They do not comply with one of the basic requirements for medical ozonizers - the absence of ionizing electrodes in the discharge zone. Protection of ionizing electrodes greatly complicates the design of discharge devices of this type and reduces the stability of their work. For ozone generators operating on a surface discharge, dehumidification of the air is required when it is supplied to the discharge zone. The presence of moisture in the air dramatically reduces the life of the ozone generator. For the operation of the ozone generator, it is necessary to have a sealed enclosure and an effective heat removal system, which leads to a significant complication and cost of the discharge device.

3. Разрядные устройства генераторов озона, работающие на коронном разряде (зона разряда находится между двумя металлическим электродами).3. Discharge devices of ozone generators operating on a corona discharge (the discharge zone is located between two metal electrodes).

Для данной категории разрядных устройств характерны сложность конструктивной реализации и пониженный срок эксплуатации, что является результатом эрозии высоковольтного электрода. Подобные устройства требуют периодической замены высоковольтного ионизирующего электрода.This category of discharge devices is characterized by the complexity of the structural implementation and the reduced lifetime, which is the result of erosion of the high-voltage electrode. Such devices require periodic replacement of a high voltage ionizing electrode.

Общим существенным недостатком вышеперечисленных конструкций генераторов озона является нестабильность работы, низкая ремонтопригодность, затруднение в масштабировании и высокая чувствительность к условиям влажности, загрязненности и запыленности воздуха.A common significant drawback of the above constructions of ozone generators is the instability of operation, low maintainability, difficulty in scaling and high sensitivity to conditions of humidity, pollution and dustiness of the air.

Решение вопросов совершенствования озоновых установок любой мощности зависит от разработки и внедрения новых видов разрядных камер, выполненных на основе использования более эффективных типов разряда.The solution to the problems of improving ozone installations of any capacity depends on the development and implementation of new types of discharge chambers based on the use of more efficient types of discharge.

В последнее время большое внимание уделяется скользящему разряду, который обладает рядом уникальных свойств, делающих его весьма перспективным для использования в практике синтеза озона.Recently, much attention has been paid to the sliding discharge, which has a number of unique properties that make it very promising for use in the practice of ozone synthesis.

Скользящий поверхностный разряд характеризуется особыми свойствами по сравнению с другими типами разрядов, а именно:A sliding surface discharge is characterized by special properties compared to other types of discharges, namely:

1) развитием разряда в тонком приповерхностном слое газа на границе раздела твердого и газообразного диэлектриков;1) the development of a discharge in a thin surface layer of gas at the interface between solid and gaseous dielectrics;

2) значительной мощностью энерговложения в газ, определяющейся высокими значениями напряжения и тока в разрядной системе;2) significant power input into the gas, determined by high values of voltage and current in the discharge system;

3) плоской геометрией развития разряда, позволяющей организовать разряд на стенках прямоугольного канала;3) the flat geometry of the development of the discharge, allowing you to organize a discharge on the walls of a rectangular channel;

4) широким диапазоном рабочих давлений и возможностью инициирования, как в импульсном, так и в частотном режимах.4) a wide range of operating pressures and the possibility of initiation, both in pulsed and in frequency modes.

Скользящие по поверхности диэлектрика разряды представляют собой хорошо распределенный источник ультрафиолетового излучения вследствие высоких значений напряженности электрического поля. С их помощью можно осуществлять энергоподвод в приповерхностную область течения газа.Discharges sliding over the surface of the dielectric are a well-distributed source of ultraviolet radiation due to high electric field strengths. With their help, energy can be supplied to the near-surface region of the gas flow.

Воздействие импульсного скользящего поверхностного разряда на поток газа практически мгновенно. Высокие значения напряжения и тока обеспечивали эффективное возбуждение колебательных и электронных степеней свободы молекул.The impact of a pulsed sliding surface discharge on the gas flow is almost instantaneous. High values of voltage and current provided effective excitation of vibrational and electronic degrees of freedom of molecules.

Толщина плазменного слоя в потоке воздуха составляет около 0,4 мм, что сравнимо с толщиной пограничного слоя на стенке канала. Таким образом, при развитии скользящего поверхностного разряда, основной энерговклад происходит в области пограничного слоя течения.The thickness of the plasma layer in the air stream is about 0.4 mm, which is comparable with the thickness of the boundary layer on the channel wall. Thus, during the development of a sliding surface discharge, the main energy input occurs in the region of the boundary layer of the flow.

Характерной особенностью скользящего разряда является эффективное возбуждение электронных уровней молекул, на которое при высоких значениях напряженности электрического поля расходуется (наряду с ионизацией) значительная доля поглощаемой в плазме разряда энергии.A characteristic feature of a sliding discharge is the effective excitation of the electronic levels of molecules, which, at high electric field strengths, consumes (along with ionization) a significant fraction of the energy absorbed in the discharge plasma.

Анализ динамики ударных волн из области скользящего разряда показывает, что данный тип разряда обеспечивает высокоэнергетичное воздействие, как на ламинарный, так и на турбулентный пограничный слой. На основе сравнения экспериментальной и расчетной динамики течения установлено, что доля энергии разряда, трансформирующаяся в тепло за время энергоподвода (~200 нс), увеличивается от 15% до 65%An analysis of the dynamics of shock waves from the region of a sliding discharge shows that this type of discharge provides a high-energy effect on both the laminar and turbulent boundary layers. Based on a comparison of the experimental and calculated dynamics of the flow, it was found that the fraction of the discharge energy transforming into heat during the energy supply (~ 200 ns) increases from 15% to 65%

При воздействии на электроды скользящего разряда высоковольтного импульса напряжения с амплитудой 10⁴-10⁵ В и скоростью нарастания ~10¹² В/с в разрядном промежутке складываются условия, характерные для наносекундного пробоя электрического. Напряженность электрического поля в промежутке может усиливаться до 10² раз на микронеровностях оребренной поверхности электродов и диэлектрика. Период развития разряда становится соизмеримым с периодом протекания элементарных процессов в плазме, что приводит к отклонению от лавинного (таунсендовского) и примерного механизмов.When a high-voltage voltage pulse with an amplitude of 10 ⁴ -10 ⁵ V and a slew rate of ~ 10 ¹² V / s in the discharge gap is exposed to the electrodes of the sliding discharge, the conditions typical for nanosecond electrical breakdown are formed. The electric field in the gap can be amplified up to 10 ² times on the microroughness of the fin surface of the electrodes and dielectric. The period of development of the discharge becomes comparable with the period of occurrence of elementary processes in the plasma, which leads to a deviation from the avalanche (Townsend) and approximate mechanisms.

Специфика скользящего разряда определяется активным взаимодействием плазмы разряда с поверхностью диэлектрика, что отражается на спектральных характеристиках излучения плазмы. Канал скользящего разряда ограничен в пространстве диэлектрической подложкой, поэтому площадь его сечения меньше, а погонное электрическое сопротивление соответственно больше, чем у свободного искрового разряда. Малая индуктивность и относительно большое сопротивление завершенного скользящего разряда обеспечивают высокую мощность энерговыделения в канале разряда, что приводит к образованию плотной высокотемпературной плазмы с большой площадью излучающей поверхности.The specificity of a sliding discharge is determined by the active interaction of the discharge plasma with the surface of the dielectric, which is reflected in the spectral characteristics of the plasma radiation. The sliding discharge channel is limited in space by the dielectric substrate, therefore, its cross-sectional area is smaller, and the linear electrical resistance is correspondingly greater than that of a free spark discharge. The small inductance and relatively high resistance of the completed sliding discharge provide a high power of energy release in the discharge channel, which leads to the formation of a dense high-temperature plasma with a large emitting surface area.

Известно устройство [1], содержащее пакет прямоугольных высоковольтных и низковольтных электродов, разделенных прямоугольными диэлектрическими пластинами, причем электроды, предназначенные для подключения к нулевому потенциалу, выполнены плоскими, а электроды, предназначенные для подключения высокого напряжения, выполнены в виде гофрированных пластин, имеющих по краям на гребнях выступы, задающие зазор между электродом и диэлектрической пластиной.A device [1] is known, containing a package of rectangular high-voltage and low-voltage electrodes separated by rectangular dielectric plates, the electrodes designed to connect to zero potential made flat, and the electrodes designed to connect high voltage, made in the form of corrugated plates having edges on the ridges protrusions defining the gap between the electrode and the dielectric plate.

Однако этот генератор озона не снабжен системой теплоотвода как со стороны высоковольтных электродов, так и низковольтных электродов, так как такая конструкция не позволяет сделать это. Недостатком является и способ соединения для подключения электродов высокого и низкого напряжения к источнику питания, так как к каждому электроду припаивается проводник, который другим своим концом припаивается к общей шине. Недостатком также является малая концентрация озона в газоозоновой смеси из-за того, что разряд происходит только на гребнях гофрированного электрода и большая часть газового потока остается не задействованной.However, this ozone generator is not equipped with a heat sink system both from the side of high-voltage electrodes and low-voltage electrodes, since such a design does not allow this. The disadvantage is the connection method for connecting the high and low voltage electrodes to the power source, since a conductor is soldered to each electrode, which is soldered to the common bus with its other end. The disadvantage is the low concentration of ozone in the gas-ozone mixture due to the fact that the discharge occurs only on the ridges of the corrugated electrode and most of the gas flow remains unused.

Более близким по устройству является озонатор [2]. В генераторе озона, содержащем разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого стопкой уложены плоские прямоугольные металлические электроды и прямоугольные диэлектрические пластины, служащие электрическими барьерами, электроды уложены так, что нечетные пластины примыкают вплотную к одной боковой стороне камеры, а четные - к другой, а сами боковые стороны являются общими шинами высокого и низкого напряжения соответственно. Противоположные стороны электродов четного и нечетного ряда от общих шин разделены диэлектриками прямоугольного сечения, толщина которых равна толщине плоских электродов, и образуют плотный контакт между собой по порядку: металлическая шина высокого напряжения, плюс металлический электрод, плюс диэлектрик, плюс металлическая шина низкого напряжения. Между электродами помещаются прямоугольные диэлектрические пластины, касаясь своими противоположными ребрами общих металлических шин высокого и низкого напряжения, а две другие выступают за металлические электроды - перекрытие для пробойного напряжения на участке электрод высокого напряжения - диэлектрик - воздушный разрядный промежуток - диэлектрик - электрод низкого напряжения. Нижняя и верхняя стороны разрядной камеры выполнены из диэлектрического материала. Ввод и вывод газа исполнены на передней и задней сторонах камеры из диэлектрического материала, в которых по центру имеется патрубок. В камере между передней стороной с патрубком и входами разрядных промежутков находится входная полость, а между выходами разрядных промежутков и задней стороной с патрубком находится выходная полость, причем объем выходной полости в 2-3 раза больше входной. Во входной полости навстречу потоку газа установлен металлический экран, на который может подаваться высокий отрицательный потенциал. Диэлектрический барьер состоит из двух пластин толщиной 0,1-3 мм и разделенные дистанционными прокладками для образования воздушного промежутка зазором 0,5-2 мм, где возникает тихий электрический разряд. Стороны диэлектрических пластин, которые примыкают к электродам, металлизируются (проводящим слоем, металлической пленкой, графитом) для того, чтобы не возникал электрический разряд между электродом и диэлектриком, образующие контакт между собой. В этом случае электрод и проводящая пленка на диэлектрике будут иметь одинаковый электрический потенциал.Closer to the device is an ozonizer [2]. In an ozone generator containing a discharge chamber in the form of a rectangular parallelepiped, inside which a stack of flat rectangular metal electrodes and rectangular dielectric plates serving as electric barriers are stacked, the electrodes are stacked so that the odd plates are adjacent to one side of the chamber, and the even ones are adjacent to the other, and the sides themselves are common high and low voltage rails respectively. The opposite sides of the even and odd row electrodes from the common buses are separated by rectangular dielectrics, the thickness of which is equal to the thickness of the flat electrodes, and form tight contact with each other in order: a high voltage metal bus, plus a metal electrode, plus a dielectric, plus a low voltage metal bus. Rectangular dielectric plates are placed between the electrodes, touching their opposite edges with common metal busbars of high and low voltage, and the other two protrude behind the metal electrodes - the overlap for the breakdown voltage in the section of the high voltage electrode - dielectric - air discharge gap - dielectric - low voltage electrode. The lower and upper sides of the discharge chamber are made of dielectric material. The gas inlet and outlet are made on the front and rear sides of the chamber of dielectric material, in which there is a pipe in the center. An inlet cavity is located in the chamber between the front side with the nozzle and the inlets of the discharge gaps, and the outlet cavity is located between the outlet gaps and the back side with the nozzle, the volume of the outlet cavity being 2-3 times larger than the inlet. A metal screen is installed in the inlet cavity towards the gas flow, onto which a high negative potential can be supplied. The dielectric barrier consists of two plates with a thickness of 0.1-3 mm and separated by spacers to form an air gap with a gap of 0.5-2 mm, where a quiet electric discharge occurs. The sides of the dielectric plates that are adjacent to the electrodes are metallized (with a conductive layer, a metal film, graphite) so that an electric discharge does not occur between the electrode and the dielectric, forming contact with each other. In this case, the electrode and the conductive film on the dielectric will have the same electric potential.

К шинам высокого и низкого напряжения подключается источник питания и одновременно они служат для отвода тепла от электродов. Для этого к общим шинам, являющимся боковыми сторонами камеры, крепятся снаружи разрядной камеры ребристые радиаторы для воздушного охлаждения или радиаторы с водяным охлаждением. Отвод тепла от разрядных промежутков к радиаторам охлаждения осуществляется через электроды с хорошей теплопроводностью и оптимальной толщиной.A power source is connected to the high and low voltage buses and at the same time they are used to remove heat from the electrodes. To do this, ribbed radiators for air cooling or water-cooled radiators are attached to the common tires, which are the sides of the chamber, outside the discharge chamber. Heat is removed from the discharge gaps to the cooling radiators through electrodes with good thermal conductivity and optimal thickness.

К недостаткам известного устройства можно отнести следующее. Система охлаждения водой в технологическом отношении очень сложная. Каждый электрод помимо плоскостей и каналов имеет штуцер ввода и вывода воды, углубления, куда впаяны диэлектрические пластины, что требует безопасной герметизации и наличия развязок от высокого напряжения. Система входных и выходных каналов по числу электродов дляThe disadvantages of the known device include the following. The water cooling system is technologically very complex. In addition to planes and channels, each electrode has a water inlet and outlet fitting, recesses where dielectric plates are soldered, which requires safe sealing and the presence of high voltage decouples. The system of input and output channels by the number of electrodes for

газовых потоков не только усложняет конструкцию, но и способствует понижению концентрации озона за счет прохождения и саморазложения озона по этим узким каналам. Потери озона происходят за счет малых сечений проточек входа и выхода (они равны) газовых потоков по отношению к объемам разрядных промежутков, что не позволяет обеспечить высокую производительность озонатора.gas flows not only complicates the design, but also contributes to a decrease in ozone concentration due to the passage and self-decomposition of ozone through these narrow channels. Loss of ozone occurs due to small cross sections of the inlet and outlet ducts (they are equal) of gas flows in relation to the volumes of the discharge gaps, which does not allow for high ozonizer performance.

Техническим результатом заявленного решения является возможность синтеза озона с помощью скользящего разряда, повышающего производительность и надежность работы генератора озона.The technical result of the claimed solution is the possibility of ozone synthesis using a sliding discharge, which increases the productivity and reliability of the ozone generator.

Указанный технический результат достигается тем, что генератор озона, содержащий разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого уложены плоские электроды высокого и низкого напряжения и диэлектрическая пластина для электрического барьера, которая размещена между электродами высокого и низкого напряжения, и имеются входное и выходное отверстия, а также установленный вне разрядной камеры источник импульсов высокого напряжения, подключенный к электродам, отличающийся тем, что электрод высокого напряжения выполнен в виде оребренной плоской поверхности.The specified technical result is achieved in that the ozone generator containing the discharge chamber in the form of a rectangular parallelepiped, inside which are laid flat electrodes of high and low voltage and a dielectric plate for the electric barrier, which is placed between the electrodes of high and low voltage, and there are inlet and outlet openings, as well as a source of high voltage pulses installed outside the discharge chamber, connected to the electrodes, characterized in that the high voltage electrode is flax in the form of a finned flat surface.

Предпочтительно, ребра электрода высокого напряжения плотно уложены на диэлектрическую пластину, другая сторона которой плотно прилегает к электроду низкого напряжения.Preferably, the ribs of the high voltage electrode are tightly laid on a dielectric plate, the other side of which is snug against the low voltage electrode.

Отвод тепла от электродов предпочтительно осуществлен через каналы, образованные ребрами электрода высокого напряжения и диэлектрической пластиной. Ребра предпочтительно имеют изогнутую форму и между рядами ребер имеется разрыв. Электрод высокого напряжения предпочтительно выполнен в виде оребренной плоской поверхности, имеет ширину 32-120 мм и, соответственно, количество рядов оребрения от 4 до 16.The heat removal from the electrodes is preferably carried out through channels formed by the ribs of the high voltage electrode and the dielectric plate. The ribs are preferably curved and there is a gap between the rows of ribs. The high voltage electrode is preferably made in the form of a finned flat surface, has a width of 32-120 mm and, accordingly, the number of rows of fins from 4 to 16.

Разрядная камера может быть выполнена в виде оребренной плоской поверхности.The discharge chamber can be made in the form of a finned flat surface.

Разрядная камера, выполненная в виде оребренной плоской поверхности, позволяет осуществлять блочную систему сборки конструкции, что облегчает проведение ремонта и обслуживания на месте эксплуатации, а также позволяет оперативно изменять элементную базу других конструктивных узлов для увеличения конкурентоспособности.The discharge chamber, made in the form of a finned flat surface, allows the implementation of a block system for assembling the structure, which facilitates repair and maintenance at the operating site, and also allows you to quickly change the element base of other structural units to increase competitiveness.

Также оребренная поверхность, электродов в сотни и более раз увеличивает площадь его теплового контакта с окружающей средой, способствуя тем самым усилению интенсивности теплообмена и кардинальному снижению температуры.Also, the fin surface of the electrodes increases the area of its thermal contact with the environment by hundreds or more times, thereby contributing to an increase in the heat transfer intensity and a drastic decrease in temperature.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг. 1 представлен генератор озона перпендикулярно направлению потока газа, а также в нижней части чертежа дается разрез камеры генератора озона в направлении потока газа вдоль оси симметрии, где 1 - разрядная камера, 2 - высоковольтный электрод, 3 - диэлектрик, 4 - низковольтный электрод, 5, 6 - впускное и выпускное отверстия с патрубками, 7 - разрядный промежуток, 8 - герметизирующие прокладки, 9 - источник импульсов высокого напряжения.In FIG. 1 shows an ozone generator perpendicular to the direction of the gas flow, and also in the lower part of the drawing is a section of the chamber of the ozone generator in the direction of the gas flow along the axis of symmetry, where 1 is a discharge chamber, 2 is a high-voltage electrode, 3 is a dielectric, 4 is a low-voltage electrode, 5, 6 - inlet and outlet openings with nozzles, 7 - discharge gap, 8 - sealing gaskets, 9 - source of high voltage pulses.

На Фиг. 2 представлен график эффективности процесса охлаждения конструкции, и как следствие - термостабилизации процесса генерации озона за счет течения озоно-воздушной смеси по образованным множественным каналам.In FIG. Figure 2 shows a graph of the effectiveness of the cooling process of the structure, and as a result, thermal stabilization of the ozone generation process due to the flow of the ozone-air mixture through the formed multiple channels.

На Фиг. 3 показан практический пример импульсного скользящего разряда, где 14-свечение разряда.In FIG. 3 shows a practical example of a pulsed creeping discharge, where 14 is the glow of the discharge.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

В генераторе озона, содержащем разрядную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которой уложены плоские электроды и диэлектрическая пластина для электрического барьера и имеются входное и выходное отверстия. Согласно изобретению электрод высокого напряжения выполнен в виде оребренной поверхности, которая плотно контактирует с диэлектрической пластиной, а другая сторона диэлектрической пластины плотно контактирует с плоским электродом низкого напряжения. Разрядная камера, образованная пластинами высокого и низкого напряжения с расположенной между ними диэлектрической пластиной, выполнена герметичной. Через входное отверстие в разрядную камеру поступает кислородосодержащая газовая смесь, которая протекает по многочисленным каналам, образованным ребрами электрода высокого напряжения и диэлектрической пластиной. Образовавшийся под воздействием импульсного разряда высокого напряжения озон отводится из разрядной камеры через выходное отверстие.In an ozone generator containing a discharge chamber in the form of a rectangular parallelepiped, inside which are laid flat electrodes and a dielectric plate for an electric barrier and there are inlet and outlet openings. According to the invention, the high voltage electrode is made in the form of a finned surface that is tightly in contact with the dielectric plate, and the other side of the dielectric plate is tightly in contact with the low voltage flat electrode. The discharge chamber formed by high and low voltage plates with a dielectric plate located between them is sealed. An oxygen-containing gas mixture enters the discharge chamber through the inlet, and flows through the numerous channels formed by the edges of the high voltage electrode and the dielectric plate. Ozone formed under the influence of a high-voltage pulse discharge is discharged from the discharge chamber through the outlet.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием элементов, конструктивная особенность которых, а именно, выполнение высоковольтного электрода в виде плоской пластины с большим количеством образованных из материала пластины профилированных по определенному закону ребер, плотно прилегающих к диэлектрической пластине, между которыми в разрядном промежутке происходит электрический разряд, который, в свою очередь, способствует добавлению новых свойств газовому потоку, протекающему по сформированным каналам.Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of elements, the design feature of which, namely, the implementation of the high-voltage electrode in the form of a flat plate with a large number of formed from the material of the plate profiled according to a certain law of the ribs, tightly adjacent to the dielectric plate, between which in the discharge an electric discharge occurs in the gap, which, in turn, contributes to the addition of new properties to the gas stream flowing along the animated channels.

Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию "новизна" и по совокупности технических признаков генерации озона может быть отнесена к «скользящему разряду».Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty" and the combination of technical features of ozone generation can be attributed to the "moving discharge".

Сравнение заявляемого устройства с другими техническими решениями показывает, что предлагаемом устройстве отсутствует сложная система охлаждения и токоподводов упрощена конструкцию генератора озона, снижены его размеры и масса. Все элементы генератора озона собраны из легкодоступных (в технологическом изготовлении) плоских и прямоугольных деталей, от чего повышается надежность и срок службы. Это позволяет сделать вывод о соответствии технологического решения критерию "изобретательский уровень".Comparison of the claimed device with other technical solutions shows that the proposed device lacks a complex cooling system and current leads simplified the design of the ozone generator, reduced its size and weight. All elements of the ozone generator are assembled from easily accessible (in the manufacturing process) flat and rectangular parts, which increases reliability and service life. This allows us to conclude that the technological solution meets the criterion of "inventive step".

Отвод тепла, образовавшегося в разрядной камере 1 (см. Фиг. 1) в процессе генерации озона, обеспечивается собственно поступающей газовой смесью. Согласно результатам исследований на повышение коэффициента теплоотдачи со стороны воздушного потока существенным образом влияет дополнительная турбулизация потока за счет разрушения пограничного слоя. Конструктивно этот эффект достигается образованием разрывов ребер по ходу, придания ребрам изогнутой формы, а также искривления входной кромки ребра для создания микровихрей Тейлора-Гертлера. На эффективность теплоотвода существенным образом влияют геометрические параметры оребрения (коэффициент оребрения такой поверхности достигает φ=11) и скорость течения газовой смеси. Скорость течения газовой смеси через разрядную камеру 1, а, следовательно, и эффективность охлаждения определяется работой эжектора или производительностью компрессора (вентилятора).The removal of heat generated in the discharge chamber 1 (see Fig. 1) in the process of ozone generation is provided by the actual incoming gas mixture. According to research results, an increase in the heat transfer coefficient from the air flow is significantly affected by additional turbulence of the flow due to the destruction of the boundary layer. Structurally, this effect is achieved by the formation of discontinuities of the ribs along the way, giving the ribs a curved shape, as well as curving the input edge of the rib to create Taylor-Gertler microvortices. The heat sink efficiency is significantly affected by the geometrical parameters of the fins (the finning coefficient of such a surface reaches φ = 11) and the flow rate of the gas mixture. The flow rate of the gas mixture through the discharge chamber 1, and, consequently, the cooling efficiency is determined by the operation of the ejector or the performance of the compressor (fan).

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Неосушенный воздух подается по патрубку 5 (см. Фиг. 1) в разрядный промежуток 7, образованный между электродом высокого напряжения 2 и диэлектрической пластиной 3. При подаче напряжения от источника импульсов высокого напряжения 9 на электроды высокого напряжения 2 возникает электрический барьерный разряд 14 (см. Фиг. 3) и генерируется озон. Через входное отверстие 6 в разрядную камеру 1 поступает кислородосодержащая газовая смесь, которая протекает по многочисленным каналам, образованным ребрами электрода высокого напряжения 2 и диэлектрической пластиной 3. Образовавшийся под воздействием импульсного разряда 14 высокого напряжения озон отводится из разрядной камеры 1 через выходное отверстие 7 под действием источника перепада давления (эжектор или вентилятор) потребителю. Электрический разряд возникает между полюсами, образованными ребрами электрода высокого напряжения 2, плотно контактирующими с диэлектрической пластиной 3, и электродом низкого напряжения 4, плотно прижатым к диэлектрической пластине с противоположной стороны. Разряд 14 такого типа описан в [3, 6, 7, 8] и классифицируется как скользящий разряд. Пластины диэлектрика 3 разделены герметизирующими дистанционными прокладками 8 для образования воздушного промежутка зазором, где и возникает тихий электрический разряд вокруг ребра электрода высокого напряжения и при соответствующем напряжении образуется ровное свечение, равномерно прижатое к поверхности. Кроме того, образовываются, так называемые, «тройные точки» (электрод-газ-твердый диэлектрик), наличие которых облегчает инициирование разряда. Очевидно, что чем больше ионизированных атомов кислорода, тем больше и быстрее идут реакции образования озона из газового потока. За счет реакции и электрического разряда между барьерами температура газа повышается. Поэтому образовавшийся озон необходимо быстро удалить, чтобы не произошел обратный процесс его образованию. Таким образом, благодаря простой конструкции разрядной камеры внутри и на выходе разрядных промежутков резко уменьшается саморазложение озона. Выбор материала для электродов, когда разряд проходит между диэлектрическими пластинами, не критичен. Толщина этих электродов подбирается с расчетом так, чтобы отвести тепло от разрядного промежутка.Un-dried air is supplied through the nozzle 5 (see Fig. 1) into the discharge gap 7 formed between the high voltage electrode 2 and the dielectric plate 3. When voltage is applied from the high voltage pulse source 9 to the high voltage electrodes 2, an electric barrier discharge 14 occurs (see Fig. 3) and ozone is generated. Through the inlet 6, an oxygen-containing gas mixture enters the discharge chamber 1, which flows through the numerous channels formed by the ribs of the high voltage electrode 2 and the dielectric plate 3. The ozone formed under the influence of the high voltage pulse 14 is removed from the discharge chamber 1 through the outlet 7 under the action of differential pressure source (ejector or fan) to the consumer. An electric discharge occurs between the poles formed by the ribs of the high voltage electrode 2, which are in close contact with the dielectric plate 3, and the low voltage electrode 4, tightly pressed against the dielectric plate from the opposite side. Discharge 14 of this type is described in [3, 6, 7, 8] and is classified as a creeping discharge. The dielectric plates 3 are separated by sealing distance pads 8 to form an air gap with a gap, where a quiet electric discharge arises around the edge of the high voltage electrode and, at the corresponding voltage, an even glow forms, uniformly pressed to the surface. In addition, so-called “triple points” (electrode-gas-solid dielectric) are formed, the presence of which facilitates the initiation of a discharge. Obviously, the more ionized oxygen atoms, the more and faster the reactions of ozone formation from the gas stream. Due to the reaction and electric discharge between the barriers, the gas temperature rises. Therefore, the formed ozone must be quickly removed so that the reverse process of its formation does not occur. Thus, due to the simple design of the discharge chamber, the ozone self-decomposition sharply decreases inside and at the exit of the discharge gaps. The choice of material for the electrodes, when the discharge passes between the dielectric plates, is not critical. The thickness of these electrodes is selected so as to remove heat from the discharge gap.

Здесь подойдут металлы с хорошей теплопроводностью: алюминий и его сплавы, нержавеющая сталь и др.Metals with good thermal conductivity are suitable here: aluminum and its alloys, stainless steel, etc.

Подбором числа электродов и площади разряда можно менять производительность генератора озона.By selecting the number of electrodes and the discharge area, you can change the performance of the ozone generator.

В качестве диэлектрических пластин (барьеров) можно применять обычное стекло с диэлектрической проницаемостью ∈=б-9, керамику с ∈>10 [4, 5]. Величина диэлектрической постоянной е влияет на электрическое поле Ε (размерность В/м) вблизи диэлектрической пластины, т.е. электрическое поле зависит от отношения ^∈/∈₁где: ∈₁ - диэлектрическая проницаемость воздуха, а ∈ - диэлектрическая проницаемость пластины (барьера). Если электрическое поле между электродами E₀=U/d, где U - напряжение на электродах (В), d - величина зазора между электродами (м), то при ∈>10 электрическое поле в воздушном промежутке Е≈2Е₀ [4], т.е. величина диэлектрической постоянной влияет на потребляемую мощность генератора озона.As dielectric plates (barriers), you can use ordinary glass with a permittivity ∈ = b-9, ceramics with ∈> 10 [4, 5]. The value of the dielectric constant e affects the electric field Ε (dimension V / m) near the dielectric plate, i.e. the electric field depends on the relation ^∈ / ∈ ₁ where: ∈ ₁ is the dielectric constant of the air, and ∈ is the dielectric constant of the plate (barrier). If the electric field between the electrodes is E ₀ = U / d, where U is the voltage at the electrodes (B), d is the gap between the electrodes (m), then for ∈> 10 the electric field in the air gap is E≈2E ₀ [4], those. the value of the dielectric constant affects the power consumption of the ozone generator.

Сравнительные испытания генераторов озона заявляемой и коаксиальной конструкций подтвердили эффективность генератора озона, в котором в качестве высоковольтного используется электрод, выполненный в виде оребренной поверхности. На Фиг. 2 отражена зависимость коэффициента теплоотдачи от массового расхода воздуха, что видно на кривых графика, где кривая 10 - многоканальная трубка с оребрением без смещения, кривые 11, 12, 13 отражают оребрение со смещением 40, 51, 70 мм соответственно.Comparative tests of ozone generators of the claimed and coaxial designs confirmed the effectiveness of the ozone generator, in which an electrode made in the form of a finned surface is used as a high-voltage one. In FIG. Figure 2 shows the dependence of the heat transfer coefficient on the mass air flow rate, as can be seen on the graphs, where curve 10 is a multichannel tube with fins without offset, curves 11, 12, 13 reflect fins with an offset of 40, 51, 70 mm, respectively.

В Таблице 1 показаны экспериментальные данные по сравнению разных типов разряда.Table 1 shows experimental data comparing different types of discharge.

Высоковольтный электрод генератора озона коаксиального типа имеет длину 200 мм внутренний диаметр 23 мм. Площадь - 14444 мм².The coaxial type ozone generator high voltage electrode has a length of 200 mm and an inner diameter of 23 mm. Area - 14444 mm ² .

Высоковольтный электрод генератора озона, выполненный в виде оребренной поверхности, имеет прямоугольную форму размером 70×300 мм. Площадь - 21000 мм². В сравнительных испытаниях (см. практический пример испытаний на Фиг. 3) использовался один источник импульсов высокого напряжения мощностью 6.0 Квт. Производительность генератора озона коаксиального типа - 1000 мгО₃/час. Выход озона с единицы поверхности - 0,069 мгО₃/мм². Производительность генератора озона, высоковольтный электрод которого выполнен в виде оребренной поверхности - 2730 10The high-voltage electrode of the ozone generator, made in the form of a finned surface, has a rectangular shape with a size of 70 × 300 mm. Area - 21000 mm ² . In the comparative tests (see the practical test example in Fig. 3), a single high-voltage pulse source with a power of 6.0 kW was used. The productivity of a coaxial type ozone generator is 1000 mgO ₃ / h. The output of ozone from a surface unit is 0.069 mgO ₃ / mm ² . Productivity of the ozone generator, the high-voltage electrode of which is made in the form of a fin surface - 2730 10

мгО₃/час.mgO ₃ / hour.

Выход озона с единицы поверхности составил 0,13 мгО₃/мм².The output of ozone from a surface unit was 0.13 mgO ₃ / mm ² .

Вывод: удельная производительность генератора озона, высоковольтный электрод которого выполнен в виде оребренной поверхности, в 1,89 раза выше, чем удельная производительность генератора озона коаксиального типа.Conclusion: the specific productivity of the ozone generator, the high-voltage electrode of which is made in the form of a fin surface, is 1.89 times higher than the specific productivity of the coaxial type ozone generator.

Источники информацииInformation sources

1. Патент, Россия 19. RU. (11) 94035978/26 (13) А1, МКИ (51) 6 С01В 13/11.1. Patent, Russia 19. RU. (11) 94035978/26 (13) A1, MKI (51) 6 СВВ 13/11.

2. Патент, Россия 19. RU. (11)2061651 (13) А1, МКИ(51) 6 С01В 13/11, прототип.2. Patent, Russia 19. RU. (11) 2061651 (13) A1, MKI (51) 6 СВВ 13/11, prototype.

3. Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В.И. Пантелеев "Электросинтез озона", Изд-во Московского университета, 1987.3. Yu.V. Filippov, V.A. Voblikova, V.I. Panteleev "Electrosynthesis of Ozone", Moscow University Press, 1987.

4. Б.М. Тарасов "Физика диэлектрических материалов", М., Энергоиздат, 1982.4. B.M. Tarasov "Physics of dielectric materials", M., Energoizdat, 1982.

5. И.С. Роз, Ю.М. Поплавко, "Диэлектрики", М., "Радио и связь", 1989.5. I.S. Roz, Yu.M. Float, "Dielectrics", M., "Radio and Communications", 1989.

б. В.В Лунин М.П. Попович С.Н. Ткаченко «Физическая химия озона» М: Из-во МГУ 1998 г. 448 сb. V.V. Lunin M.P. Popovich S.N. Tkachenko “Physical Chemistry of Ozone” M: Proceedings of Moscow State University 1998 448 s

7. Григорьев А.Н. Павленко А.В Ильин А В. «Электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика. Ч. 1. Особенности развития и существования поверхностного разряда» Известия Томский политехнический университет №1 том 309/20067. Grigoriev A.N. Pavlenko A.V. Ilyin A. V. “Electric discharge on the surface of a solid dielectric. Part 1. Features of the development and existence of the surface discharge "Izvestia Tomsk Polytechnic University No. 1 volume 309/2006

8. Латфуллин Д.Ф. Автореферат «Импульсный скользящий поверхностный разряд в газодинамическом потоке МГУ. 2009 г8. Latfullin D.F. Abstract “Pulsed sliding surface discharge in the gas-dynamic flow of Moscow State University. 2009 year

Claims

1. An ozone generator containing a discharge chamber in the form of a rectangular parallelepiped, inside which are laid flat electrodes of high and low voltage and a dielectric plate for an electric barrier, which is placed between the electrodes of high and low voltage, and there are inlet and outlet openings, as well as installed outside the discharge camera source of high voltage pulses connected to the electrodes, characterized in that the high voltage electrode is made in the form of a finned flat surface.

2. The ozone generator according to claim 1, characterized in that the ribs of the high voltage electrode are tightly laid on a dielectric plate, the other side of which is tightly adjacent to the low voltage electrode.

3. The ozone generator according to claim 1 or 2, characterized in that the heat is removed from the electrodes through channels formed by the edges of the high voltage electrode and the dielectric plate.

4. The ozone generator according to claim 1 or 2, characterized in that the ribs have a curved shape and there is a gap between the rows of ribs.

5. The ozone generator according to claim 1, characterized in that the high voltage electrode is made in the form of a finned surface, has a width of 32-120 mm and, accordingly, the number of rows of fins from 4 to 16.

6. The ozone generator according to claim 1 or 2, or 5, characterized in that the discharge chamber is made in the form of a finned flat surface.