RU2261837C2

RU2261837C2 - Ozonizer

Info

Publication number: RU2261837C2
Application number: RU2003124328/15A
Authority: RU
Inventors: Е.М. Силкин (RU); Е.М. Силкин
Original assignee: Акционерное общество открытого типа ЭЛСИ
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-10-10
Also published as: RU2003124328A

Abstract

FIELD: electrotechnics; production of medical and industrial ozonizing equipment.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to electrotechnics, in particular, to production of medical and industrial ozonizing equipment. The ozonizer contains the metal electrodes connected to an alternating current power supply source. The electrodes are separated by a discharge space and a dielectric layer. The metal electrodes are made with a faces on their ends from the side of the internal opposite surfaces, and the dielectric layer has a negative temperature factor of specific conductivity. The offered device allows to reduce power inputs at production of ozone.

EFFECT: the invention allows to reduce power inputs at production of ozone.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании новых типов озонаторов высокой производительности, обеспечивающих снижение энергозатрат при производстве озона.The invention relates to electrical technology and can be used in the design of new types of high-performance ozonizers, which reduce energy consumption in the production of ozone.

Известен озонатор, содержащий металлические электроды, подключенные к источнику питания переменного тока, разделенные разрядным промежутком и диэлектрическим слоем, в разрядном промежутке размещена тканая прокладка из гибких диэлектрических жил, толщина которой задает размер разрядного промежутка (Патент № 5529760 США, МКИ H 01 J 19/00. Ozone generator/ Burns William A. - Заявл. 13.12.94, Опубл. 25.06.96).A known ozonizer containing metal electrodes connected to an AC power source, separated by a discharge gap and a dielectric layer, contains a woven strip of flexible dielectric cores in the discharge gap, the thickness of which defines the size of the discharge gap (US Patent No. 5529760, MKI H 01 J 19 / 00. Ozone generator / Burns William A. - Claim 13.12.94, Publ. 25.06.96).

Недостатком озонатора, являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции. Из-за краевых эффектов на металлических электродах и снижения эффективной площади поверхности, связанной с влиянием тканой прокладки из гибких диэлектрических жил, происходит увеличение энерговклада в разряд при снижении выхода озона.The disadvantage of an ozonizer is the high energy consumption in the production of ozone, due to design flaws. Due to edge effects on metal electrodes and a decrease in the effective surface area associated with the influence of a woven strip of flexible dielectric veins, an increase in the energy input into the discharge occurs with a decrease in ozone output.

Известен озонатор, содержащий металлические электроды, подключенные к источнику питания переменного тока, разделенные разрядным промежутком и диэлектрическим слоем, диэлектрический слой выполнен в виде двух плоских диэлектрических пластин с высоким коэффициентом упругости (Патент № 2198134 РФ, МКИ С 01 В 13/11. Озонатор /Андрейчук В.К., Норков Д.А. и др. - Заявл. 30.10.01, Опубл. 10.02.03, БИ N4).A known ozonizer containing metal electrodes connected to an AC power source, separated by a discharge gap and a dielectric layer, the dielectric layer is made in the form of two flat dielectric plates with a high coefficient of elasticity (Patent No. 2198134 of the Russian Federation, MKI C 01 V 13/11. Ozonizer / Andreichuk V.K., Norkov D.A. et al. - Declaration 30.10.01, Publish 10.02.03, BI N4).

Недостатком озонатора являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции. Из-за краевых эффектов на металлических электродах и снижения эффективной площади поверхности происходит увеличение энерговклада в разряд при снижении выхода озона.The disadvantage of the ozonizer is the high energy consumption in the production of ozone, due to design flaws. Due to edge effects on metal electrodes and a decrease in the effective surface area, an increase in the energy input into the discharge occurs with a decrease in the ozone output.

Известен озонатор, содержащий металлические электроды, выполненные в виде сетки с мелкими ячейками, подключенные к источнику питания переменного тока, разделенные разрядным промежутком и диэлектрическим слоем (Лунин В.И., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. - М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1998. - С.131).A known ozonizer containing metal electrodes made in the form of a grid with small cells, connected to an AC power source, separated by a discharge gap and a dielectric layer (Lunin V.I., Popovich MP, Tkachenko S.N. Physical chemistry of ozone. - M.: Publishing House of Moscow State University named after M.V. Lomonosov, 1998. - P.131).

Недостатком озонатора являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции. Из-за снижения эффективной площади поверхности при выполнении металлических электродов в виде сетки происходит увеличение энерговклада в разряд при снижении выхода озона.The disadvantage of the ozonizer is the high energy consumption in the production of ozone, due to design flaws. Due to a decrease in the effective surface area when performing metal electrodes in the form of a grid, an increase in the energy input into the discharge occurs with a decrease in the ozone output.

Известен озонатор, содержащий металлические электроды, подключенные к источнику питания переменного тока, разделенные разрядным промежутком и диэлектрическим слоем (Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 1987. - С.51).Known ozonizer containing metal electrodes connected to an AC power source, separated by a discharge gap and a dielectric layer (Filippov Yu.V., Voblikova V.A., Panteleev V.I. Electrosynthesis of ozone. - M.: Moscow State University publishing house M.V. Lomonosova, 1987 .-- p.51).

Данный озонатор является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.This ozonizer is the closest in technical essence to the invention and is considered as a prototype.

Недостатком озонатора являются высокие энергозатраты при производстве озона, что обусловлено недостатками конструкции и свойствами примененного диэлектрического слоя. Из-за краевых эффектов на металлических электродах и снижения эффективной площади поверхности происходит увеличение энерговклада в разряд при снижении выхода озона. Положительный температурный коэффициент относительной диэлектрической проницаемости примененного диэлектрического слоя приводит к снижению стабильности разряда в озонаторе и выхода озона.The disadvantage of an ozonizer is the high energy consumption in the production of ozone, which is due to design flaws and the properties of the applied dielectric layer. Due to edge effects on metal electrodes and a decrease in the effective surface area, an increase in the energy input into the discharge occurs with a decrease in the ozone output. The positive temperature coefficient of the relative dielectric constant of the applied dielectric layer leads to a decrease in the stability of the discharge in the ozonizer and the output of ozone.

Изобретение направлено на решение задачи снижения энегозатрат при производстве озона, что является целью изобретения.The invention is aimed at solving the problem of reducing energy costs in the production of ozone, which is the purpose of the invention.

Снижение энергозатрат достигается тем, что в озонаторе, содержащем металлические электроды, подключенные к источнику питания переменного тока, разделенные разрядным промежутком и диэлектрическим слоем, металлические электроды выполнены с фаской на краях со стороны внутренних противолежащих поверхностей, а диэлектрический слой имеет отрицательный температурный коэффициент относительной диэлектрической проницаемости.Reducing energy costs is achieved by the fact that in an ozonizer containing metal electrodes connected to an AC power source, separated by a discharge gap and a dielectric layer, the metal electrodes are chamfered at the edges from the sides of the opposite surfaces, and the dielectric layer has a negative temperature coefficient of relative dielectric constant .

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат при производстве озона. Это обеспечивается увеличением энергетического выхода озона за счет снижения влияния краевых эффектов на электросинтез озона и повышения стабильности разряда в озонаторе.A significant difference characterizing the invention is the reduction in energy consumption in the production of ozone. This is ensured by an increase in the energy yield of ozone due to a decrease in the influence of edge effects on the electrosynthesis of ozone and an increase in discharge stability in the ozonizer.

Снижение энергозатрат при производстве озона является полученным техническим результатом, обусловленным заявленным устройством озонатора, т.е. отличительным признаком. Поэтому отличительный признак заявляемого озонатора является существенным.The reduction in energy consumption in the production of ozone is a technical result due to the claimed device of the ozonizer, i.e. hallmark. Therefore, the hallmark of the inventive ozonizer is essential.

На чертеже приведена функциональная схема озонатора с элементами конструкции, поясняющая устройство и принцип соединения элементов.The drawing shows a functional diagram of an ozonizer with structural elements, explaining the device and the principle of connection of the elements.

На схеме 1 - металлические электроды, выполненные с фаской на краях со стороны внутренних противолежащих поверхностей, 2 - источник переменного тока, 3 - разрядный промежуток, 4 - диэлектрический сдой с отрицательным температурным коэффициентом относительной диэлектрической проницаемости.In diagram 1, metal electrodes are chamfered at the edges from the side of opposite internal surfaces, 2 is an alternating current source, 3 is a discharge gap, 4 is a dielectric die with a negative temperature coefficient of relative dielectric constant.

На чертеже металлические электроды 1 и диэлектрический слой 4 изображены схематично. Источник переменного тока 2 может иметь падающую характеристику и может быть выполнен на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях с квазирезонансной коммутацией и релейно-импульсным управлением. При протекании переменного тока через озонатор на его зажимах возникает напряжение. Поток кислородсодержащего газа F проходит через разрядный промежуток. Под действием напряжения на металлических электродах озонатора в газе возникает электрический разряд. В разрядном промежутке происходит диссоциация молекул кислорода. Образовавшиеся в результате диссоциации атомы кислорода при столкновениях с молекулами кислорода образуют молекулы озона. Особенностью газового разряда в озонаторе является его нетермичность. Разряд в озонаторе реализуется в виде совокупности распределенных по поверхности электродов и диэлектрического слоя отдельных микроразрядов в форме первичного и следующих за ним вторичных стримеров, каждый из которых является независимым плазмохимическим реактором, где и осуществляются процессы электросинтеза и разложения озона. Выход озона зависит от равномерности распределения локальных электрических разрядов по поверхности электродов и диэлектрического слоя, а также от интенсивности вторичных стримеров. Краевые эффекты нарушения равномерности электрического поля в разрядном промежутке и вторичные стримеры, возникающие в условиях повышенной локальной температуры плазмы микроразряда на участках поверхности электродов и диэлектрического слоя с повышенной температурой, существенно снижают энергетический выход озона из-за нарушения равномерности распределения локальных разрядов по поверхности электродов и диэлектрического слоя (шунтирование разрядного промежутка) и возникновения условий для термического разложения озона. Выполнение металлических электродов с фаской на краях со стороны внутренних противолежащих поверхностей обеспечивает снижение максимальной напряженности электрического поля на этих участках и затрудняет условия для возникновения шунтирующего краевого разряда. При локальном нагреве участка диэлектрического слоя, относительная диэлектрическая проницаемость которого уменьшается с возрастанием температуры (материал слоя имеет отрицательный температурный коэффициент относительной диэлектрической проницаемости), на участке возникновения первичного стримера напряженность поля в разрядном промежутке снижается из-за уменьшения диэлектрической проницаемости участка, что ведет к снижению интенсивности вторичных стримеров, константа образования озона в которых низка, а константа разложения велика. В результате микроразряды более равномерно распределяются по поверхности металлических электродов и диэлектрического слоя, а эффективность синтеза озона в микроразрядах повышается.In the drawing, the metal electrodes 1 and the dielectric layer 4 are shown schematically. The AC source 2 can have a falling characteristic and can be made on the basis of a current inverter on fully controllable valves with quasi-resonant switching and relay-pulse control. When alternating current flows through the ozonizer, voltage occurs at its terminals. The flow of oxygen-containing gas F passes through the discharge gap. Under the action of voltage on the metal electrodes of the ozonizer, an electric discharge occurs in the gas. In the discharge gap, oxygen molecules dissociate. Oxygen atoms formed as a result of dissociation during collisions with oxygen molecules form ozone molecules. A feature of a gas discharge in an ozonizer is its non-thermal behavior. The discharge in the ozonizer is implemented as a set of individual microdischarges distributed over the surface of the electrodes and the dielectric layer in the form of primary and subsequent secondary streamers, each of which is an independent plasma chemical reactor, where the processes of electrosynthesis and decomposition of ozone are carried out. Ozone output depends on the uniform distribution of local electric discharges over the surface of the electrodes and the dielectric layer, as well as on the intensity of the secondary streamers. Edge effects of violation of the uniformity of the electric field in the discharge gap and secondary streamers arising under conditions of an increased local temperature of the microdischarge plasma in the areas of the surface of the electrodes and the dielectric layer with an increased temperature significantly reduce the energy yield of ozone due to the violation of the uniform distribution of local discharges over the surface of the electrodes and the dielectric layer (bypassing the discharge gap) and the occurrence of conditions for the thermal decomposition of ozone. The implementation of metal electrodes with a chamfer at the edges from the side of the opposite internal surfaces provides a decrease in the maximum electric field strength in these areas and complicates the conditions for the occurrence of a shunt edge discharge. When a portion of the dielectric layer is locally heated, the relative permittivity of which decreases with increasing temperature (the layer material has a negative temperature coefficient of relative permittivity), the field strength in the discharge gap decreases at the site of the primary streamer due to a decrease in the dielectric constant of the section, which leads to a decrease intensities of secondary streamers, the ozone formation constant in which is low, and the decomposition constant is ika. As a result, microdischarges are more evenly distributed over the surface of metal electrodes and the dielectric layer, and the efficiency of ozone synthesis in microdischarges increases.

Материалами для изготовления твердого диэлектрического слоя в заявляемом озонаторе могут являться различные типы стекол, стеклоэмалей и керамик, содержащих в составе рутил и (или) перовскиты (титанаты, полититанаты и цирконаты кальция, бария, стронция и их системы), относительная диэлектрическая проницаемость которых уменьшается с ростом температуры, имеющие средние значения относительной диэлектрической проницаемости 5-50 в нормальных условиях, соответствующие известным конструкциям.Materials for the manufacture of a solid dielectric layer in the inventive ozonizer can be various types of glasses, glass enamels and ceramics containing rutile and (or) perovskites (titanates, polytitanates and zirconates of calcium, barium, strontium and their systems), the relative permittivity of which decreases with temperature increases, having average values of relative dielectric constant of 5-50 under normal conditions, corresponding to known structures.

По сравнению с прототипом использование озонатора с заявляемой конструкцией позволяет на 35-50% снизить энергозатраты на производство озона. Эффект снижения энергозатрат достигается за счет увеличения энергетического выхода озона в результате более равномерного распределения микроразрядов по поверхности металлических электродов и диэлектрического слоя, отсутствия шунтирующих краевых разрядов, уменьшения интенсивности вторичных стримеров, существенного повышения стабильности разряда, уменьшения влияния процессов термического разложения озона.Compared with the prototype, the use of an ozonizer with the claimed design allows to reduce energy consumption for ozone production by 35-50%. The effect of reducing energy consumption is achieved by increasing the energy yield of ozone as a result of a more uniform distribution of microdischarges over the surface of metal electrodes and the dielectric layer, the absence of shunt edge discharges, a decrease in the intensity of secondary streamers, a significant increase in the stability of the discharge, and a decrease in the influence of thermal decomposition of ozone.

Повышается надежность работы озонатора за счет исключения условий пробоя диэлектрического слоя на краях металлических электродов, а также термического, механического и химического разрушения диэлектрического слоя на участках возникновения микроразрядов.The reliability of the ozonizer is improved by eliminating the breakdown conditions of the dielectric layer at the edges of metal electrodes, as well as thermal, mechanical and chemical destruction of the dielectric layer in the areas of microdischarges.

Может быть значительно повышена производительность озонатора при одинаковых габаритных размерах и весе.The performance of the ozonizer can be significantly increased with the same overall dimensions and weight.

Claims

An ozonizer containing metal electrodes connected to an AC power source, separated by a discharge gap and a dielectric layer, characterized in that the metal electrodes are chamfered at the edges from the sides of the opposite surfaces, and the dielectric layer has a negative temperature coefficient of relative dielectric constant.