RU2057059C1

RU2057059C1 - Small-sized ozone generator

Info

Publication number: RU2057059C1
Authority: RU
Inventors: И.П. Верещагин; В.Б. Громовой; В.А. Жуков; А.В. Калинин; М.В. Козлов; Ю.А. Кузин; В.В. Панюшкин
Original assignee: Научно-производственное общество "Мысль"
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: ozone generator has discharge chamber 1, insulating barrier 2 accommodating on either side discharge electrode in the form of row of electrically interconnected parallel strips and flat solid inducing electrode, gas inlet/outlet device installed inside discharge chamber 1, heat-transfer element 7 in the form of channeled plane, all arranged in parallel to tubes 5 of gas inlet/outlet device. Insulating barrier 2 and discharge electrode coating are made of ceramic based on aluminium oxide Al₂O₃ doped with manganine oxide MnO. Heat-transfer element 7 is spaced 3 to 20 mm from insulating barrier surface with discharge electrodes. Gas inlet/outlet device is made in the form of tubes 5 with one end closed and with a number of holes 6 uniformly distributed over their length inside chamber. Open ends of tubes are brought out through side wall of discharge chamber 1. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для производства малого количества озона из кислорода, воздуха или их смесей с использованием электрического разряда. The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for the production of a small amount of ozone from oxygen, air or mixtures thereof using an electric discharge.

Известен малогабаритный озонатор, содержащий внутренний и наружный электроды, разделенные диэлектрическим барьером, где поверхность одного из электродов снабжена рифлениями [1]
Однако этот озонатор не снабжен системой теплоотвода, а в качестве диэлектрического барьера предлагается использовать, например, фарфор. Это делает конструкцию энергоемкой и малопроизводительной.Known small-sized ozonizer containing internal and external electrodes separated by a dielectric barrier, where the surface of one of the electrodes is provided with corrugations [1]
However, this ozonizer is not equipped with a heat sink system, and it is proposed to use, for example, porcelain as a dielectric barrier. This makes the design energy-intensive and inefficient.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для получения озона [2] которое содержит диэлектрический барьер из керамики с нанесенными на одну или обе его стороны электродами, теплоотводящий элемент и систему ввода-вывода газа. Closest to the proposed technical essence is a device for producing ozone [2] which contains a dielectric barrier made of ceramics with electrodes deposited on one or both sides, a heat-removing element, and a gas input-output system.

Эта конструкция весьма эффективна, однако, в ней используется керамика на основе чистого Al₂O₃ (корунда), в результате чего создается менее интенсивный поверхностный разряд, вследствие чего получается меньший выход озона. Система организации потока газа формирует его ламинарным, что увеличивает количество молекул, не прореагировавших в поле разряда с образованием озона; конструкция не оптимизирована для условий работы при разных значениях давления газа, т.е. выбранное расстояние между полосами разрядного электрода обеспечивает эффективную генерацию озона только при одном определенном значении давления газа.This design is very effective, however, it uses ceramics based on pure Al ₂ O ₃ (corundum), resulting in a less intense surface discharge, resulting in a lower ozone yield. The gas flow organization system forms it laminar, which increases the number of molecules that have not reacted in the discharge field with the formation of ozone; the design is not optimized for operating conditions at different gas pressure values, i.e. the selected distance between the strips of the discharge electrode provides effective ozone generation with only one specific gas pressure value.

Цель изобретения снижение энергопотребления генератора озона и повышение концентрации производимого озона. The purpose of the invention is to reduce the energy consumption of the ozone generator and increase the concentration of produced ozone.

Цель достигается тем, что в известном генераторе озона, представляющем собой разрядную камеру с устройством ввода-вывода газа, в которой имеется диэлектрический барьер в виде пластины с расположенными по обе стороны разрядным электродом в виде ряда параллельных электропроводных полос, электрически соединенных между собой, и плоским индуцирующим электродом, и теплоотводящий элемент, диэлектрический барьер выполнен из керамики на основе Al₂O₃ с добавлением MnO; разрядный электрод выполнен с диэлектрическим покрытием из керамики на основе Al₂O₃ с добавлением MnO; теплоотводящий элемент представляет собой плоскость с рифлением и расположен на расстоянии в пределах от 3 до 20 мм от поверхности диэлектрического барьера с разрядными электродами, причем рифления расположены параллельно трубкам устройства ввода-вывода газа; устройство ввода-вывода газа расположено в разрядной камере и выполнено в виде трубок, имеющих один закрытый конец и ряд отверстий, распределенных по их длине внутри камеры, причем открытые концы трубок выходят через боковую стену разрядной камеры.The goal is achieved in that in the known ozone generator, which is a discharge chamber with a gas input-output device, in which there is a dielectric barrier in the form of a plate with a discharge electrode located on both sides in the form of a series of parallel electrically conductive strips electrically connected to each other and flat induction electrode, and heat sink element, the dielectric barrier is made of ceramic based on Al ₂ O ₃ with the addition of MnO; the discharge electrode is made with a dielectric coating of ceramic based on Al ₂ O ₃ with the addition of MnO; the heat-removing element is a corrugated plane and is located at a distance of 3 to 20 mm from the surface of the dielectric barrier with discharge electrodes, the corrugations being parallel to the tubes of the gas input-output device; the gas input / output device is located in the discharge chamber and is made in the form of tubes having one closed end and a series of holes distributed along their length inside the chamber, the open ends of the tubes exiting through the side wall of the discharge chamber.

Выполнение диэлектрического барьера из керамики на основе Al₂O₃ с добавлением MnO и покрытия разрядного электрода из такой же керамики позволяет существенно повысить эффективность (концентрацию получаемого озона) генератора озона на 20-30% по сравнению с существующими известными генераторами озона при том же энергопотреблении.The implementation of the dielectric barrier of ceramics based on Al ₂ O ₃ with the addition of MnO and coating the discharge electrode of the same ceramics can significantly increase the efficiency (concentration of ozone) of the ozone generator by 20-30% compared to existing known ozone generators with the same energy consumption.

Выполнение теплоотводящего элемента в виде плоскости с рифлениями, расположенными параллельно трубкам устройства ввода-вывода газа, позволяет создать турбулентный поток газа в рабочей камере. Это обеспечивает равномерное перемешивание потока газа по сечению рабочей камеры и создает благоприятные условия для перемещения молекул кислорода в область плазмы с оптимальными значениями энергий электронов для синтеза озона. Также наличие рифления на теплоотводящем элементе увеличивает общую площадь поверхности элемента, тем самым улучшается отвод тепла, что приводит к повышению эффективности генерации озона за счет снижения скорости обратной реакции. The implementation of the heat-removing element in the form of a plane with corrugations located parallel to the tubes of the gas input-output device, allows you to create a turbulent gas flow in the working chamber. This ensures uniform mixing of the gas flow over the cross section of the working chamber and creates favorable conditions for the movement of oxygen molecules in the plasma region with optimal electron energies for ozone synthesis. Also, the presence of corrugation on the heat-removing element increases the total surface area of the element, thereby improving heat dissipation, which leads to an increase in the efficiency of ozone generation by reducing the rate of the reverse reaction.

Повышенная эффективность предлагаемого озонатора достигается установлением зазора между разрядным электродом и теплоотводящим элементом рабочей камеры в пределах от 3 до 20 мм. The increased efficiency of the proposed ozonizer is achieved by establishing a gap between the discharge electrode and the heat-removing element of the working chamber in the range from 3 to 20 mm.

Установление величины зазора между разрядным электродом и теплоотводящим элементом менее 3 мм приведет к тому, что большая часть зазора будет заполнена плазмой, имеющей высокую температуру, что приведет к резкому снижению концентрации получаемого озона за счет увеличения скорости обратной реакции термокаталитического разложения озона. Setting the gap between the discharge electrode and the heat-removing element less than 3 mm will lead to the fact that most of the gap will be filled with plasma having a high temperature, which will lead to a sharp decrease in the concentration of ozone due to an increase in the rate of reverse reaction of thermocatalytic decomposition of ozone.

Установление величины зазора между разрядным электродом и теплоотводящим элементом более 20 мм приведет к тому, что увеличивается вероятность прохождения молекул кислорода мимо области плазмы поверхностного разряда с оптимальными значениями энергий электронов для синтеза озона, которая находится вблизи поверхности разрядных электродов. Таким образом, снижается концентрация получаемого озона и увеличивается удельное энергопотребление генератора озона. Setting the gap between the discharge electrode and the heat-removing element to more than 20 mm will increase the probability of oxygen molecules passing past the plasma region of the surface discharge with optimal electron energies for ozone synthesis, which is located near the surface of the discharge electrodes. Thus, the concentration of obtained ozone is reduced and the specific energy consumption of the ozone generator is increased.

Выполнение устройства ввода-вывода газа в виде трубок, имеющих один закрытый конец и ряд отверстий, распределенных по длине трубок внутри камеры позволяет достичь равномерного ввода газа в рабочую камеру по ее ширине, в результате чего повысить эффективность использования активной зоны рабочей камеры. The implementation of the gas input-output device in the form of tubes having one closed end and a series of holes distributed along the length of the tubes inside the chamber allows to achieve uniform gas inlet into the working chamber along its width, thereby increasing the efficiency of using the active zone of the working chamber.

Предлагаемая конструкция генератора озона оптимизирована применительно к работе в условиях различных значений давления газа в рабочей камере. Это реализуется путем изготовления разрядного электрода с различными расстояниями между полосами разрядного электрода в зависимости от изменения давления газа, в котором происходит генерация озона. Выбор расстояния между полосами осуществляется в соответствии с формулой
l_р= l

1 K

где l

расстояние между полосами при нормальном давлении газа p_o;
Р текущее давление газа;
К коэффициент, зависящий от типа керамики и изменяющийся в пределах от 0,1 до 0,3.The proposed design of the ozone generator is optimized for operation in conditions of different values of gas pressure in the working chamber. This is achieved by manufacturing a discharge electrode with different distances between the strips of the discharge electrode depending on the change in gas pressure in which ozone is generated. The choice of the distance between the bands is carried out in accordance with the formula
l _p = l

1 K

where l

the distance between the strips at normal gas pressure p _o ;
P is the current gas pressure;
K coefficient, depending on the type of ceramics and varying from 0.1 to 0.3.

Таким образом, при увеличении давления газа в рабочей камере, необходимо уменьшать расстояние между полосами разрядного электрода. Thus, with increasing gas pressure in the working chamber, it is necessary to reduce the distance between the strips of the discharge electrode.

Это связано с тем, что, как известно, характерные длины лавинно-стримерных переходов обратно пропорциональны давлению, а в генераторе озона используется разряд в стримерной форме. При работе озонатора на повышенном давлении расстояние между полосами электрода снижают, тогда общая длина электрода увеличивается, и на одной и той же площади генерируется больше ионов, таким образом можно поддерживать заданную концентрацию озона при меньших энергозатратах. This is due to the fact that, as is known, the characteristic lengths of avalanche-streamer transitions are inversely proportional to pressure, and a discharge in streamer form is used in the ozone generator. When the ozonizer is operating at elevated pressure, the distance between the electrode strips is reduced, then the total length of the electrode is increased, and more ions are generated on the same area, so that a given concentration of ozone can be maintained at lower energy consumption.

На фиг. 1 изображена разрядная камера предлагаемого генератора озона с частичным вырезом стенки камеры; сечение А-А на фиг.1, диэлектрический барьер для показа системы электродов. In FIG. 1 shows the discharge chamber of the proposed ozone generator with a partial cut-out of the chamber wall; section AA in FIG. 1, a dielectric barrier to show an electrode system.

Предлагаемый генератор озона содержит разрядную камеру 1, диэлектрический барьер 2 с размещенными по обе его стороны разрядным электродом 3 в виде ряда параллельных полос, электрически соединенных друг с другом, и индуцирующим плоским сплошным электродом 4, устройство ввода-вывода газа, выполненное в виде цилиндрических трубок 5 с равномерно распределенными по их длине отверстиями 6, теплоотводящий элемент 7 в виде плоскости с рифлением, диэлектрическое покрытие 8 разрядного электрода 3. The proposed ozone generator contains a discharge chamber 1, a dielectric barrier 2 with a discharge electrode 3 placed on both sides in the form of a series of parallel strips electrically connected to each other, and an induction flat solid electrode 4, a gas input-output device made in the form of cylindrical tubes 5 with holes 6 evenly distributed along their length, a heat-removing element 7 in the form of a plane with corrugation, a dielectric coating 8 of the discharge electrode 3.

Генератор работает следующим образом. The generator operates as follows.

Между индуцирующим 4 и разрядным 3 электродами прикладывается напряжение, вследствие чего на поверхности диэлектрического покрытия 8 разрядного электрода 3 возникает электрический разряд. Газ, подлежащий озонированию (кислород, воздух или их смесь), подают в устройство ввода-вывода через трубку 5, из которой он через отверстия 6 поступает в разрядную камеру генератора озона. В разрядной камере (за счет наличия теплоотводящего элемента 7 в виде плоскости с рифлением) создается турбулентное перемешивание газа, в ходе которого обеспечивается его контакт с активной областью разряда, вследствие чего образуется озон. Одновременно (за счет турбулентного перемешивания) создается отвод выделяющегося при горении разряда тепла через плоскость с рифлениями теплоотводящего элемента 7. Прореагировавший газ, насыщенный озоном, выводится из разрядной камеры через устройство ввода-вывода трубку 5. A voltage is applied between the induction 4 and the discharge 3 electrodes, as a result of which an electric discharge occurs on the surface of the dielectric coating 8 of the discharge electrode 3. The gas to be ozonized (oxygen, air or a mixture thereof) is supplied to the input-output device through a tube 5, from which it enters through the openings 6 into the discharge chamber of the ozone generator. In the discharge chamber (due to the presence of the heat-removing element 7 in the form of a plane with corrugation), turbulent mixing of the gas is created, during which it is in contact with the active region of the discharge, as a result of which ozone is formed. At the same time (due to turbulent mixing), a heat discharge generated during combustion is removed through a plane with corrugations of the heat-removing element 7. The reacted gas saturated with ozone is discharged from the discharge chamber through a tube 5 input-output device.

Предлагаемая конструкция малогабаритного генератора озона позволяет снизить энергозатраты на производство озона с 8 Вт·ч/г (что является наилучшим показателем для известных генераторов озона) до 6 Вт·ч/г, а также увеличить концентрацию получаемого озона при меньших энергозатратах. The proposed design of a small-sized ozone generator allows to reduce energy consumption for ozone production from 8 W · h / g (which is the best indicator for known ozone generators) to 6 W · h / g, as well as increase the concentration of ozone produced at lower energy costs.

Claims

A SMALL OZONE GENERATOR containing a discharge chamber with a gas input / output device, a dielectric barrier in the form of a plate with a discharge electrode located on both sides in the form of a series of parallel conductive strips electrically connected to each other, and a flat induction electrode and a heat sink element, characterized in that dielectric barrier is made of a ceramic based on alumina Al ₂ O ₃ with addition of MnO of manganese oxide, the discharge electrode is made from a dielectric ceramic based coating Ch nozema Al ₂ O ₃ with addition of manganese MnO oxide, heat conducting member is a plane with a corrugation, located at a distance of 3 - 20 mm from the surface of the dielectric barrier with the discharge electrodes, wherein the corrugations are arranged parallel tubes IO devices gas input-output device gas is located in the discharge chamber and is made in the form of tubes having one closed end and a series of holes distributed along their length inside the chamber, with the open ends of the tubes discharged through the side wall of the discharge chamber.