RU2555659C2

RU2555659C2 - Air ozoniser

Info

Publication number: RU2555659C2
Application number: RU2013150179/12A
Authority: RU
Inventors: Николай Михайлович Лепёхин; Юрий Степанович Присеко; Николай Иванович Пуресев; Валентин Георгиевич Филиппов
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-07-10
Also published as: RU2013150179A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: air ozoniser comprises an ozonising chamber 1 in the form of a rectangular prism made completely of insulating material, a high-voltage nanosecond pulsed power supply operating in periodic pulse mode with a potential lead 2, having a negative polarity, and an earthed lead 3. The chamber 1 has, inside it and arranged in parallel, a section 4 for a potential electrode and a section 5 for a non-potential electrode, having the same number of parallel current-conducting plates 6 and 7. The sections 4 and 5 are mounted in the chamber 1 such that the planes of each of the potential plates 6 coincide with the plane of the corresponding non-potential plate 7 and with the direction of air flow in the air duct. Thus, an "edge-edge" geometric electrode system is formed with electrode spacing 8, the length of which is equal to the length of the plates 6 and 7.

EFFECT: invention improves synthesis and output of ozone owing to high concentration of electrons in the discharge gap of the ozonising chamber of the apparatus.

1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для озонирования воздуха и может быть использовано для очистки воздуха от вредных газов и микроорганизмов, водоочистки и водоподготовки, а также в качестве источника радикалов или других химически активных частиц в генераторах низкотемпературной плазмы.The invention relates to devices for ozonation of air and can be used to purify air from harmful gases and microorganisms, water purification and water treatment, and also as a source of radicals or other chemically active particles in low-temperature plasma generators.

Известно устройство для озонирования воздуха (авторское свидетельство СССР №1543193, кл. F24F 3/16, C01B 13/11, заявл. 13.10.87, опубл. 15.02.90), содержащее расположенную в воздуховоде озонирующую камеру с игольчатыми электродами, подключенными к источнику высокого напряжения и направленными остриями друг другу навстречу. Между электродами размещена металлическая диафрагма, подключенная к отрицательному полюсу источника. Электроды расположены симметрично относительно диафрагмы и подключены к положительному полюсу источника. Недостатком данного устройства является низкий выход озона из-за низкой плотности носителей зарядов электронно-ионной плазмы при стримерном коронном разряде, который формируется в озонирующей камере с игольчатыми электродами, подключенными к источнику постоянного высокого напряжения.A device for air ozonation is known (USSR author's certificate No. 1543193, class F24F 3/16, C01B 13/11, application form 13.10.87, publ. 15.02.90) containing an ozonizing chamber located in the duct with needle electrodes connected to a source high voltage and pointed tips towards each other. Between the electrodes there is a metal diaphragm connected to the negative pole of the source. The electrodes are located symmetrically relative to the diaphragm and are connected to the positive pole of the source. The disadvantage of this device is the low yield of ozone due to the low density of the charge carriers of the electron-ion plasma during streamer corona discharge, which is formed in the ozonizing chamber with needle electrodes connected to a constant high voltage source.

Известно устройство для генерирования озона (патент РФ №2211800, МПК C01B 13/11, заявл. 29.11.2001 г., опубл. 10.09.2003), содержащее генератор высоковольтных импульсов и подключенную к нему рабочую камеру с электродной системой в виде соосных внешнего низковольтного трубчатого электрода и внутреннего высоковольтного электрода в виде проводящего стержня, на котором в плоскостях, перпендикулярных его продольной оси, дополнительно установлены проводящие пластины. Кроме того, между генератором высоковольтных импульсов и рабочей камерой установлен высоковольтный коммутатор. Недостатком данного устройства является низкий выход озона при импульсном коронном разряде, который формируется в рабочей камере с данной электродной системой.A device for generating ozone is known (RF patent No. 2211800, IPC C01B 13/11, application form. November 29, 2001, publ. September 10, 2003) containing a high-voltage pulse generator and a working chamber connected to it with an electrode system in the form of coaxial external low-voltage a tubular electrode and an internal high-voltage electrode in the form of a conductive rod, on which conductive plates are additionally installed in planes perpendicular to its longitudinal axis. In addition, a high-voltage switch is installed between the high-voltage pulse generator and the working chamber. The disadvantage of this device is the low ozone output during pulsed corona discharge, which is formed in the working chamber with this electrode system.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для озонирования воздуха (патент РФ №2176366, МПК F24F 3/16, C01B 13/11, заявл. 10.04.2000 г., опубл. 27.11.2001 г.), содержащее озонирующую камеру с игольчатыми электродами, подключенными к высоковольтному наносекундному источнику высокого напряжения с положительной полярностью. Озонирующая камера выполнена в виде призмы, при этом одна пара противоположных граней выполнена из металла и подключена к заземленному выводу высоковольтного наносекундного импульсного источника питания, другая пара граней выполнена из диэлектрика, а в плоскости симметрии между заземленными гранями расположен игольчатый электрод, подключенный к высоковольтному выводу источника питания. Недостатком данного устройства является низкий выход озона из-за низкой концентрации носителей зарядов в разрядном промежутке при наносекундном импульсном коронном разряде, который формируется в озонирующей камере с игольчатыми электродами.Closest to the claimed is a device for ozonation of air (RF patent No. 2176366, IPC F24F 3/16, C01B 13/11, decl. 10.04.2000, publ. 27.11.2001), containing an ozonizing chamber with needle electrodes, connected to a high voltage nanosecond high voltage source with positive polarity. The ozonation chamber is made in the form of a prism, with one pair of opposite faces made of metal and connected to the grounded terminal of the high-voltage nanosecond pulsed power source, another pair of faces made of dielectric, and in the plane of symmetry between the grounded faces there is a needle electrode connected to the high-voltage terminal of the source nutrition. The disadvantage of this device is the low yield of ozone due to the low concentration of charge carriers in the discharge gap with a nanosecond pulsed corona discharge, which is formed in an ozonizing chamber with needle electrodes.

Задачей изобретения является повышение производительности устройства для озонирования воздуха. Техническим результатом изобретения является интенсификация разрядного процесса за счет получения однородного объемного импульсного коронного разряда и увеличения концентрации носителей зарядов электронно-ионной плазмы, т.е. за счет увеличения концентрации электронов в разрядном промежутке озонирующей камеры устройства.The objective of the invention is to increase the performance of the device for ozonation of air. The technical result of the invention is the intensification of the discharge process by obtaining a homogeneous volume pulsed corona discharge and an increase in the concentration of charge carriers of the electron-ion plasma, i.e. by increasing the concentration of electrons in the discharge gap of the ozonizing chamber of the device.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для озонирования воздуха, содержащем расположенную в воздуховоде озонирующую камеру, выполненную в виде прямоугольной призмы, в которой расположены потенциальный и непотенциальный электроды, подключенные к выводам высоковольтного наносекундного импульсного источника питания, призма озонирующей камеры выполнена полностью из изоляционного материала, потенциальный вывод источника питания имеет отрицательную полярность, кроме того, потенциальный и непотенциальный электроды выполнены в виде параллельно расположенных секций, состоящих из одинакового числа параллельных токопроводящих пластин, которые образуют геометрическую систему электродов «ребро-ребро», а плоскости каждой потенциальной и соответствующей непотенциальной пластины совпадают между собой и направлением воздушного потока в воздуховоде.The problem is solved in that in the device for ozonation of air containing an ozonizing chamber located in the duct, made in the form of a rectangular prism, in which there are potential and non-potential electrodes connected to the terminals of the high-voltage nanosecond pulsed power source, the prism of the ozonizing chamber is made entirely of insulating material , the potential output of the power source has a negative polarity, in addition, the potential and non-potential electrodes are made They are in the form of parallel sections, consisting of the same number of parallel conductive plates, which form a geometric system of rib-rib electrodes, and the planes of each potential and corresponding non-potential plate coincide with each other and the direction of the air flow in the duct.

Известно, что для повышения интенсивности импульсной короны требуется создание сильного перенапряжения в воздушном промежутке за счет создания импульса высокого напряжения с резко нарастающим передним фронтом. В этом случае режим ультракороны отсутствует, т.к. разряд сразу развивается в виде стримеров, а переход стримерного режима в искру и контрагированный тлеющий разряд исключается за счет ограничения длительности импульса приложенного напряжения (Акишев Ю.С., Апонин Г.И., Грушин М.Е. и др. // Физика плазмы, 2008, том 34, №4, стр. 347-360). Известно также, что наибольшая плотность носителей зарядов электронно-ионной плазмы достигается в разрядном промежутке при объемной форме разряда (Баранов В.., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 216 с).It is known that to increase the intensity of the pulsed corona, a strong overvoltage in the air gap is required due to the creation of a high voltage pulse with a sharply increasing leading edge. In this case, the ultra-crown mode is absent, because the discharge immediately develops in the form of streamers, and the transition of the streamer mode into a spark and a contracted glow discharge is eliminated by limiting the pulse duration of the applied voltage (Akishev Yu.S., Aponin G.I., Grushin M.E. et al. // Plasma Physics , 2008, Volume 34, No. 4, pp. 347-360). It is also known that the highest density of charge carriers of an electron-ion plasma is achieved in the discharge gap with a three-dimensional shape of the discharge (Baranov V .., Borisov VM, Stepanov Yu.Yu. Electric-discharge excimer lasers based on inert gas halides. - M.: Energoatomizdat 1988. - 216 s).

В предлагаемом устройстве выполнение потенциального и непотенциального электродов в виде параллельно расположенных секций параллельных пластин, которые образуют геометрическую систему электродов «ребро-ребро» с резко неоднородным электрическим полем, а озонирующей камеры полностью из изоляционного материала обеспечивает, при использовании источника питания с отрицательной полярностью, формирование однородного объемного импульсно-периодического наносекундного коронного разряда в потоке воздуха атмосферного давления естественной влажности, что приводит к интенсификации разрядного процесса, т.е. к увеличению разрядного тока, а значит и к увеличению концентрации электронов в разрядном промежутке, которые играют наиболее существенную роль из всех заряженных частиц, имеющихся в разряде. Это связано с тем, что электроны обладают наибольшими энергиями и могут вызывать следующие процессы: диссоциативное прилипание электрона к молекуле кислорода с образованием озона; возбуждение электронных уровней с последующей диссоциацией молекулы кислорода с образованием озона; столкновение возбужденных молекул азота с молекулой кислорода с образованием озона; диссоциативную электрон-ионную рекомбинацию с образованием озона. Таким образом, интенсификация разрядного процесса вызывает увеличение как синтеза озона, так и его выход.In the proposed device, the implementation of the potential and non-potential electrodes in the form of parallel sections of parallel plates, which form a geometric system of electrodes "rib-rib" with a sharply inhomogeneous electric field, and the ozonizing chamber is completely made of insulating material, when using a power source with a negative polarity, of a homogeneous volume pulsed-periodic nanosecond corona discharge in an air stream of atmospheric pressure naturally oh humidity, which leads to the intensification of the discharge process, i.e., to an increase in the discharge current, and hence to an increase in the concentration of electrons in the discharge gap, which play the most significant role among all charged particles in the discharge. This is due to the fact that electrons have the highest energies and can cause the following processes: dissociative attachment of an electron to an oxygen molecule with the formation of ozone; excitation of electronic levels with subsequent dissociation of an oxygen molecule with the formation of ozone; collision of excited nitrogen molecules with an oxygen molecule to form ozone; dissociative electron-ion recombination with the formation of ozone. Thus, the intensification of the discharge process causes an increase in both ozone synthesis and its output.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображено устройство для озонирования воздуха в двух проекциях.The invention is illustrated by the drawing, which schematically shows a device for ozonation of air in two projections.

Устройство для озонирования воздуха содержит озонирующую камеру 1, выполненную в виде прямоугольной призмы полностью из изоляционного материала, высоковольтный наносекундный импульсный источник питания, работающий в импульсно-периодическом режиме, с потенциальным выводом 2, имеющим отрицательную полярность, и заземленным выводом 3. Внутри камеры 1 размещены параллельно расположенные секция 4 потенциального электрода и секция 5 непотенциального электрода, которые содержат одинаковое число параллельных пластин 6 и 7, изготовленных из тонкого токопроводящего материала. Секции 4 и 5 крепятся в камере 1 так, чтобы плоскости каждой из потенциальных пластин 6 совпадали с плоскостью соответствующей непотенциальной пластины 7 и с направлением воздушного потока в воздуховоде. Таким образом, образована геометрическая система электродов «ребро-ребро» с межэлектродным промежутком 8, длина которого равняется длине пластин 6 и 7. Озонирующая камера 1 имеет не показанные на чертеже места присоединения к воздуховоду, что позволяет производить прокачку озоновоздушной смеси при различных скоростях потока через межэлектродный промежуток 8. Общая площадь секций 4 и 5, а также величина межэлектродного промежутка 8 определяются мощностью высоковольтного наносекундного импульсного источника питания.A device for air ozonation contains an ozonizing chamber 1 made in the form of a rectangular prism entirely of insulating material, a high-voltage nanosecond pulsed power supply operating in a pulse-periodic mode, with a potential terminal 2 having a negative polarity, and a grounded terminal 3. Inside the chamber 1 are placed parallel located section 4 of the potential electrode and section 5 of the non-potential electrode, which contain the same number of parallel plates 6 and 7, made of one conductive material. Sections 4 and 5 are mounted in the chamber 1 so that the planes of each of the potential plates 6 coincide with the plane of the corresponding non-potential plate 7 and with the direction of the air flow in the duct. Thus, a geometrical system of rib-rib electrodes with an interelectrode gap 8 is formed, the length of which is equal to the length of the plates 6 and 7. The ozonizing chamber 1 has connection points to the duct not shown in the drawing, which allows pumping the ozone-air mixture at various flow rates through interelectrode gap 8. The total area of sections 4 and 5, as well as the magnitude of the interelectrode gap 8 are determined by the power of the high-voltage nanosecond pulsed power supply.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Поток воздуха поступает по воздуховоду в озонирующую камеру 1 и, соответственно, в межэлектродный промежуток 8. При включении высоковольтного наносекундного импульсного источника питания отрицательной полярности, работающего в импульсно-периодическом режиме, с выходным напряжением ~30 кВ, длительностью импульса 20 не по уровню 0,5 и скоростью нарастания электрического поля ~2 кВ/(см·нс) в межэлектродном промежутке длиной 0,6 см, возбуждается однородный импульсно-периодический наносекундный коронный разряд объемом ~220 см³. Производительность озона при скорости протока воздуха ~25 м/с может регулироваться изменением частоты импульсно-периодических разрядов в диапазоне 0,05÷1 кГц.The air stream enters the ozonation chamber 1 and, respectively, into the interelectrode gap 8. When a high-voltage nanosecond pulsed power supply of negative polarity is switched on, operating in a pulse-periodic mode, with an output voltage of ~ 30 kV, a pulse duration of 20 not at level 0, 5 and a rise rate of the electric field of ~ 2 kV / (cm · ns) in the interelectrode gap of 0.6 cm in length, a uniform pulsed-periodic nanosecond corona discharge with a volume of ~ 220 cm ^{3 is} excited. The ozone productivity at an air flow rate of ~ 25 m / s can be controlled by changing the frequency of the pulse-periodic discharges in the range of 0.05 ÷ 1 kHz.

Claims

A device for air ozonation containing an ozonizing chamber located in the duct, made in the form of a rectangular prism, in which there are potential and non-potential electrodes connected to the terminals of a high-voltage nanosecond pulsed power source, characterized in that the prism of the ozonizing chamber is made entirely of insulating material, and the potential the output of the power source has a negative polarity, in addition, the potential and non-potential electrodes are made in the form of parallel no spaced sections, consisting of equal numbers of parallel conductive plates which form a geometric system "rib-rib" electrodes and the plane of each potential and the corresponding non-potential plate coincide with each other and the direction of air flow in the duct.