RU2275324C1

RU2275324C1 - Device for production of ozone in the electrical discharge

Info

Publication number: RU2275324C1
Application number: RU2004125832/15A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Пичугин (RU); Юрий Петрович Пичугин
Original assignee: Юрий Петрович Пичугин
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-04-27
Also published as: RU2004125832A

Abstract

FIELD: equipment for production of ozone; devices for production of ozone at the ozone plants.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of equipment for production of ozone, mainly, to the designs of the electric discharge chambers of the ozone plants, in particular, to the device for production of ozone in the electrical discharges. The device contains the dielectric barrier, the inducing electrode and the discharge electrodes electrically connected among themselves. The inducing electrode and the dielectric barrier represent the cuttings of a cylindrical cable electrically connected to each other. The discharge electrodes are made in the form of the non-insulated cylindrical conductors, which diameter is equal to the diameter of the cylindrical cable. The cable cuttings and the discharge electrodes are arranged back-to-back in the staggered order. The offered invention ensures simplification of manufacture of the device for production of ozone, reduction of its linear overall dimensions, increased reliability of operation.

EFFECT: the invention ensures simplification of manufacture of the device for production of ozone, reduction of its linear overall dimensions, increased reliability of operation.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области создания генераторов озона, а именно к конструкции электроразрядных камер озонаторов, предназначенных для получения озона из кислорода или смеси, содержащей кислород.The invention relates to the field of creating ozone generators, namely, to the design of electric discharge chambers of ozonizers designed to produce ozone from oxygen or a mixture containing oxygen.

Широко известны озонаторы, в которых озон получается за счет обработки кислородсодержащих газов электрическим разрядом в камере, оборудованной электропроводными поверхностями - электродами, расположенными параллельно через небольшой промежуток друг от друга, к которым подводится переменное высокое напряжение; к внутренней поверхности электродов прикрепляется диэлектрический материал (диэлектрический барьер) [1]. Синтез озона в таких устройствах осуществляется за счет объемно-барьерного разряда в газовом промежутке.Ozonizers are widely known in which ozone is obtained by treating oxygen-containing gases with an electric discharge in a chamber equipped with electrically conductive surfaces - electrodes located in parallel through a small gap from each other, to which an alternating high voltage is applied; a dielectric material (dielectric barrier) is attached to the inner surface of the electrodes [1]. The synthesis of ozone in such devices is due to the volume-barrier discharge in the gas gap.

Основным недостатком указанных устройств является выход из строя диэлектрического барьера, наиболее уязвимого элемента озонаторной камеры. Кроме воздействия озона барьер испытывает разрушения, обусловленные как микроразрядами барьерного разряда, так и непосредственно электрическим полем. Совместное воздействие этих факторов приводит к выходу диэлектрического барьера, в итоге к короткому замыканию между электродами. Начальное разрушение барьера обусловлено высокотемпературным воздействием каналов микроразрядов. Особенно такой процесс интенсифицируется при локализации барьерного разряда. Основной причиной локализации в барьерном разряде является образование на поверхности барьера пятен с повышенной проводимостью. Такие пятна возникают как за счет влажности, загрязненности обрабатываемого газа, так и за счет продуктов сопровождающих синтез озона. Указанные пятна обладают повышенной емкостью с электродом, который расположен по другую сторону барьера. В итоге с другого электрода на пятно происходит разряд. Чем больше площадь пятна и соответственно выше его емкость, тем интенсивней разряд. Место разряда локализуется расположением пятна на барьере. За счет локализации и повышенной интенсивности разряд через пятно быстро разрушает диэлектрический барьер.The main disadvantage of these devices is the failure of the dielectric barrier, the most vulnerable element of the ozonizer chamber. In addition to the effects of ozone, the barrier experiences destruction caused by both microdischarges of the barrier discharge and directly by the electric field. The combined effect of these factors leads to the release of the dielectric barrier, resulting in a short circuit between the electrodes. The initial destruction of the barrier is due to the high-temperature action of microdischarge channels. Especially such a process intensifies when the barrier discharge is localized. The main reason for localization in the barrier discharge is the formation of spots with increased conductivity on the surface of the barrier. Such spots arise both due to humidity, contamination of the treated gas, and due to products accompanying ozone synthesis. These spots have a high capacity with an electrode, which is located on the other side of the barrier. As a result, a discharge occurs from another electrode to the spot. The larger the area of the spot and correspondingly higher its capacity, the more intense the discharge. The discharge site is localized by the location of the spot on the barrier. Due to localization and increased intensity, the discharge through the spot quickly destroys the dielectric barrier.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство, содержащее диэлектрический барьер, по одну сторону которого расположен один индуцирующий электрод, а на другой комплект равномерно расположенных разрядных электродов, выполненных в виде металлических полосок [2]. При этом электрический разряд возникает на поверхности барьера и поддерживается за счет тока смещения, протекающего через барьер между разрядными электродами и индуцирующим электродом. Согласно [3], поверхностный барьерный разряд обладает некоторыми характеристиками, то есть присущими только ему физическими свойствами, отличающими его от объемно-барьерного разряда: например, спектральным диапазоном излучения, приходящимся на область ближнего ультрафиолета, и меньшей степенью контрагированности каналов микроразрядов. Первое отличие способствует повышению эффективности озонирования. А второе отличие - к уменьшению вероятности локализации разрядных процессов и в итоге к увеличению срока службы озонаторной камеры.The closest in technical essence to the claimed device is a device selected as a prototype, containing a dielectric barrier, on one side of which there is one inducing electrode, and on the other a set of uniformly distributed discharge electrodes made in the form of metal strips [2]. In this case, an electric discharge occurs on the surface of the barrier and is supported by the bias current flowing through the barrier between the discharge electrodes and the induction electrode. According to [3], a surface barrier discharge has some characteristics, that is, physical properties inherent only to it, distinguishing it from a volume-barrier discharge: for example, the spectral range of radiation falling in the near ultraviolet region and a lesser degree of contraction of microdischarge channels. The first difference helps to increase the efficiency of ozonation. And the second difference is to reduce the likelihood of localization of discharge processes and, as a result, to increase the life of the ozonizer chamber.

Однако в прототипе [1], как и в аналогах [2], большую сложность при создании генераторов озона представляет изготовление диэлектрического барьера. Это жесткие допуски на равномерность барьера, отсутствие воздушных включений между электродами и барьером, что технологически трудно выполнимо. Это относится как к пластинчатому, так и к трубчатому исполнению озонаторов. При пластинчатом типе озонаторов большое влияние на надежность и габариты оказывают краевые эффекты. При трубчатом исполнении один из линейных габаритов сокращается более чем в "π" раз с учетом заокраин для пластинчатого исполнения.However, in the prototype [1], as in analogues [2], the manufacture of a dielectric barrier is of great difficulty in creating ozone generators. These are tight tolerances on the uniformity of the barrier, the absence of air inclusions between the electrodes and the barrier, which is technologically difficult. This applies to both plate and tubular versions of ozonizers. With the lamellar type of ozonizers, edge effects have a great influence on reliability and dimensions. With tubular execution, one of the linear dimensions is reduced by more than π times, taking into account the flanges for the plate version.

Ввиду этого при изготовлении электроразрядных элементов встречаются серьезные конструктивные и технологические трудности, приводящие к дефектам, и в итоге к уменьшению ресурса и надежности работы генераторов озона.In view of this, serious structural and technological difficulties are encountered in the manufacture of electric discharge elements, leading to defects and, as a result, to a decrease in the life and reliability of ozone generators.

Техническим результатом изобретения является упрощение изготовления устройства, уменьшение его линейного габарита и повышение надежности работы.The technical result of the invention is to simplify the manufacture of the device, reducing its linear dimension and increasing the reliability.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для получения озона, содержащем диэлектрический барьер, индуцирующий электрод и разрядные электроды, электрически соединенные между собой, индуцирующий электрод и диэлектрический барьер представляют собой отрезки цилиндрического кабеля, электрически соединенные между собой, а разрядные электроды выполнены в виде неизолированных цилиндрических проводников, диаметр которых равен диаметру цилиндрического кабеля, причем отрезки кабеля и разрядные электроды расположены вплотную друг к другу в шахматном порядке.This technical result is achieved by the fact that in the device for producing ozone containing a dielectric barrier, an inducing electrode and discharge electrodes electrically connected to each other, the induction electrode and a dielectric barrier are pieces of a cylindrical cable electrically connected to each other, and the discharge electrodes are made in the form non-insulated cylindrical conductors, the diameter of which is equal to the diameter of the cylindrical cable, with cable lengths and discharge electrodes located staggered to each other.

Использование кабеля в качестве диэлектрического барьера и индуцирующего электрода позволяет значительно упростить технологию изготовления генераторов озона. Автоматизированность изготовления и контроля кабелей гарантирует высокую надежность при использовании их в качестве электроразрядных элементов. А большое разнообразие кабельной продукции позволяет в каждом конкретном случае достигать необходимых показателей и параметров для генераторов озона. Кроме этого, появляется возможность иметь различную геометрию поперечного сечения озонаторной камеры за счет регулируемого расположения в пространстве отрезков кабеля и неизолированных проводников. Это позволяет сократить линейный габарит генератора озона.The use of a cable as a dielectric barrier and an inducing electrode can significantly simplify the manufacturing technology of ozone generators. Automation of cable manufacture and control guarantees high reliability when used as electric discharge elements. A wide variety of cable products allows in each case to achieve the necessary indicators and parameters for ozone generators. In addition, it becomes possible to have different geometry of the cross-section of the ozonization chamber due to the adjustable location in space of the cable segments and uninsulated conductors. This reduces the linear dimension of the ozone generator.

На фиг.1 схематически изображен генератор озона; на фиг.2 разрез А-А фиг.1 Представлен случай, когда сечение озонаторной камеры квадратное, т.е. число столбцов равно числу рядов (в нашем случае фиг.1 и 2 в каждом столбце и ряду по три отрезка изолированного кабеля и три отрезка неизолированного проводника).Figure 1 schematically shows an ozone generator; in Fig. 2, section A-A of Fig. 1, a case is presented where the section of the ozonizer chamber is square, i.e. the number of columns is equal to the number of rows (in our case, Figs. 1 and 2 in each column and row are three pieces of insulated cable and three pieces of uninsulated conductor).

Озонатор состоит из отрезков изолированного кабеля круглого сечения 1 и отрезков неизолированного круглого проводника 2. Диаметры кабеля 1 и проводника 2 одинаковы и расположены с чередованием относительно друг друга в шахматном порядке.The ozonizer consists of pieces of insulated cable of circular cross-section 1 and pieces of non-insulated round conductor 2. The diameters of cable 1 and conductor 2 are the same and are staggered relative to each other.

Форма сечения озонаторной камеры может быть разнообразной. Наиболее технологичной и легко реализуемой является прямоугольная форма. Придание необходимой формы сечению камеры и ее сохранение обеспечивается с помощью корпуса 3, выполненного из диэлектрического материала. Для обеспечения вывода концов отрезков 1 и 2, с целью их подключения к источнику переменного высоковольтного напряжения (на фиг.1 не представлен) используются две крышки 4, которые одновременно обеспечивают герметизацию озонаторной камеры. Для подачи и вывода озонируемого газа используются два штуцера 5 и 6. На фиг.1 представлена активная зона озонаторной камеры, а на фиг.2 - ее сечение. В этой зоне отрезки 1 и 2 располагаются вплотную друг к другу. Далее перед выводом из камеры отрезки расходятся относительно друг друга с целью уменьшения влияния краевых эффектов. Очевидно возможны и другие варианты исполнения выводов отрезков 1 и 2.The cross-sectional shape of the ozonizer chamber can be varied. The most technological and easily implemented is a rectangular shape. Giving the necessary shape to the cross-section of the camera and its conservation is ensured by means of a housing 3 made of dielectric material. To ensure the conclusion of the ends of segments 1 and 2, in order to connect them to a source of alternating high-voltage voltage (not shown in FIG. 1), two covers 4 are used, which simultaneously provide sealing of the ozonizer chamber. For the supply and output of ozonated gas, two nozzles 5 and 6 are used. Figure 1 shows the active zone of the ozonation chamber, and figure 2 shows its cross section. In this zone, segments 1 and 2 are located close to each other. Further, before the output from the chamber, the segments diverge relative to each other in order to reduce the influence of edge effects. Obviously, other versions of the conclusions of segments 1 and 2 are possible.

Генератор озона работает следующим образом. Заданный поток озонируемого газа поступает через штуцер 5 в озонаторную камеру. Далее он проходит в разрядные зазоры, образованные поверхностями отрезков кабелей 1 и проводников 2 (это зазоры между поверхностями цилиндров при расположении их вплотную друг к другу). При подаче высокого переменного напряжения на клеммы генератора озона к одной из которых подключены все отрезки изолированных кабелей 1, а к другой - все отрезки неизолированных проводов 2, в активной зоне по цилиндрической поверхности отрезков кабелей возникают скользящие разряды и осуществляется синтез озона. Затем озоногазовая смесь выходит из разрядных зазоров активной зоны камеры и через штуцер 6 подается на объект обработки озоном. Количество разрядных зон на каждом отрезке кабеля определяется числом линий соприкосновения с отрезками неизолированного проводника. Вследствие шахматного чередования фиг.2, для отрезков кабелей, расположенных внутри сечения озонаторной камеры, количество таких линий равно четырем, а для крайних отрезков равно трем и для угловых - двум.The ozone generator operates as follows. A predetermined ozonated gas flow enters through the nozzle 5 into the ozonizer chamber. Then it passes into the discharge gaps formed by the surfaces of the segments of cables 1 and conductors 2 (these are the gaps between the surfaces of the cylinders when they are placed close to each other). When applying a high alternating voltage to the terminals of the ozone generator, one of which connects all segments of insulated cables 1, and the other connects all segments of bare wires 2, sliding discharges occur in the core along the cylindrical surface of the cable segments and ozone is synthesized. Then the ozone-gas mixture leaves the discharge gaps of the active zone of the chamber and is fed through the nozzle 6 to the ozone treatment object. The number of discharge zones on each cable segment is determined by the number of lines of contact with the segments of uninsulated conductor. Due to the checkerboard rotation of figure 2, for the lengths of cables located inside the section of the ozonizer chamber, the number of such lines is four, and for the extreme segments is three and for the corner - two.

Общее количество разрядных зон определяется по формулеThe total number of discharge zones is determined by the formula

,

здесь а - число рядов, b - число столбцов. Наибольшее количество разрядных зон для одного и того же количества отрезков будет для квадратного сечения и равноhere a is the number of rows, b is the number of columns. The largest number of discharge zones for the same number of segments will be for a square section and is equal to

,

где n=a=b - число радов или столбцов сечения разрядной камеры.where n = a = b is the number of rad or columns of the cross section of the discharge chamber.

Такой же вывод справедлив и для обеспечения минимального линейного размера. На фиг.2 представлено сечение озонаторной камеры квадратной формы, соответствующей оптимальному варианту.The same conclusion is true to ensure a minimum linear size. Figure 2 presents the cross section of the ozonizer chamber square shape corresponding to the best option.

Выполнение в генераторе озона самого ответственного элемента диэлектрического барьера из отрезков кабелей позволяет увеличить ресурс работы предлагаемого устройства. Такие кабели широко выпускаются промышленностью, их производство и контроль качества автоматизированы, что является гарантией их высокой надежности.The implementation in the ozone generator of the most critical element of the dielectric barrier of the cable segments allows you to increase the life of the proposed device. Such cables are widely produced by industry, their production and quality control are automated, which is a guarantee of their high reliability.

В лабораторных условиях был создан ряд озонаторных камер на основе кабеля марки ППИ-У. Изоляция жилы такого кабеля выполнена из полиимидно-фторопластовой пленки марки ПМФ-С-352 и толщиной 0,23 мм. Генераторы озона с такими камерами работали при различной частоте с напряжением до 4 кВ с удельной производительностью по озону 200 г/кВт. Ни одна из камер не вышла из строя и длительность непрерывной работы генераторов озона составила не менее 4000 ч.In laboratory conditions, a number of ozonization chambers were created based on the PPI-U brand cable. The core insulation of such a cable is made of polyimide-fluoroplastic film grade PMF-S-352 and a thickness of 0.23 mm. Ozone generators with such cameras operated at various frequencies with voltages up to 4 kV with a specific ozone productivity of 200 g / kW. None of the chambers failed and the duration of continuous operation of ozone generators was at least 4000 hours.

Источники информацииInformation sources

1. В.В.Лунин, М.П.Попович, С.Н.Ткаченко. Физическая химия озона. - М: Изд-во МГУ, 1998, с.63-67.1. V.V. Lunin, M.P. Popovich, S.N. Tkachenko. Physical chemistry of ozone. - M: Publishing House of Moscow State University, 1998, p. 63-67.

2. Masuda S. Industrual Applications of Electrostatics // Journal of Electrostatics. 1981. V/Ю. P.1-14.2. Masuda S. Industrual Applications of Electrostatics // Journal of Electrostatics. 1981. V / S. P.1-14.

3. Калинин А.В., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Экспериментальное исследование характеристик высокочастотного поверхностного разряда // Изв. АН СССР. Энергетика. 1993. Т.4, с.44-51.3. Kalinin A.V., Kozlov M.V., Panyushkin V.V. An experimental study of the characteristics of a high-frequency surface discharge // Izv. USSR Academy of Sciences. Energy 1993. T.4, p. 44-51.

Claims

A device for producing ozone containing a dielectric barrier, an induction electrode and discharge electrodes electrically connected to each other, characterized in that the induction electrode and dielectric barrier are pieces of a cylindrical cable electrically connected to each other, and the discharge electrodes are made in the form of uninsulated cylindrical conductors, the diameter of which is equal to the diameter of the cylindrical cable, with cable lengths and discharge electrodes located close to each other in a checkerboard pattern order.