Морозов Александр Прокопьевич к т. н., доцент кафедры «Теплотехнических и энергетических систем»




Сторінка10/14
Дата конвертації18.04.2016
Розмір2.88 Mb.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

7. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА

Существуют различные способы получения озона, например электронной бомбардировкой кислорода (пат. 4095115 США), путём фотохимических реакций (заявка 51-774332 Японии), при электролизе воды или водных (неводных) растворов (пат. 293295 Австрии). Однако, наиболее распространенным способом является генерация озона в барьерном (или «тихом») электрическом разряде.

Барьерный высоковольтный разряд осуществляется при давлении близком к атмосферному, в газовой полости между двумя проводящими электродами, из которых хотя бы один покрыт диэлектриком. Возникающий распределенный разряд характеризуется сравнительно высокой средней энергией электронов (45 эВ) и низкой средней температурой газа в разрядной зоне, близкой к температуре электродов. Микроразряды возникают дважды за период и распределяются по площади электродов, причем разряды следуют сериями. Амплитуда тока достигает 100 мА при величине разрядного промежутка в 1 мм при использовании диэлектриков типа стекол. При диэлектрической прочности ε  10 (что соответствует обычным стеклам) напряжение горения разряда должно быть близким к напряжению пробоя данного газа. Для большинства озонаторов соотношение Cд /Cг  1, т.е. реализуется разряд с низким значением погонной емкости диэлектрического электрода, поэтому активная мощность разряда, выделившаяся в разрядном промежутке, определяется по формуле [49, 50]:

P = (2/) Cд (V0 - Vг) - VгСг Vг;

где V0, Vг – напряжение на проводящих электродах и газовом промежутке соответственно, В Cг, Cд — емкость газового промежутка и диэлектрика, Ф;  — частота питающего тока, Гц.

С повышением  диэлектрика происходит падение напряженности горения разряда, например при ε = 1000, напряженность примерно в 2 раза ниже пробоя газового промежутка, т.е. ниже 3 кВ/мм.

Синтез озона начинается с образования атомарного кислорода в разрядной зоне, т.е. с диссоциации кислорода: е + O2  е + 2O. При использовании импульсного питания разряда, когда скорость нарастания разряда достигает 0,5 кВ/нс и выше, падение напряженности поля в канале компенсируется внешним источником и остается на уровне или даже выше напряженности пробоя. В таком случае эффективность синтеза озона максимальна ( 45 Втч/г O3),что примерно в 2 раза выше наблюдаемых в озонаторах с обычным питанием.

При прохождении через зону разряда молекулы кислорода частично диссоциируют по реакциям [26]:



При этом атомарный кислород реагирует с молекулой кислорода, образуя озон. Если в системе имеется достаточно большая концентрация озона, он может реагировать с атомарным кислородом, превращаясь в молекулы кислорода. Конкуренция этих двух реакций ограничивает возможность увеличения концентрации озона в газе на выходе из озонатора свыше 57 об.%. Наличие диэлектрического барьера между электродами вызывает необходимость питания озонатора только переменным током. В качестве электродов можно использовать фольгу или металлические краски.

Кинетика образования озона в барьерном разряде в кислороде содержит более 70 реакций, константы которых являются функциями температуры, напряженности электрополя. Суммарной реакцией образования озона является: O + O2 + M  O3 + M. В «тихих» разрядах, происходящих при давлениях близких к атмосферному, наблюдается неизотермическая плазма с относительно низкими молекулярными температурами. В этих условиях, протекают процессы «усложнения» исходных молекул, т.е. получаются продукты с большими, по сравнению с исходными веществами, молекулярными весами (O3, H2O2).

Появление O–атомов, участвующих в реакции, происходит в результате диссоциации молекул O2 электронным ударом. При низких концентрациях озона его выход прямо пропорционален плотности выделенной в газе энергии. Но, данная зависимость становится нелинейной при росте концентрации озона, т.е. рост удельной мощности разряда не приводит к увеличению выхода O3 (порог — 11,5 % O3, при синтезе из О2 с ε = 510 и хорошем охлаждении достигает -12 об. %). Уровень этой стационарной концентрации зависит от геометрии разрядного промежутка, температуры электродов и ε диэлектрика [51].

На концентрацию озона при его электросинтезе из воздуха влияют следующие факторы [44]:

1) величина разрядного промежутка - чем он больше, тем ниже концентрация;

2) температура воздуха, например при повышении температуры с t = 20°С до t = 97°С концентрация уменьшается в три раза;

3) наличие паров воды - даже небольшая влажность воздуха (кислорода) снижает концентрацию озона, поэтому необходима тщательная осушка (силикагелем, алюмогелем или цеолитами -молекулярными ситами).

Производительность озонатора определяется в основном его мощностью, причем ее увеличение достигается изменением напряжения и частоты тока. Увеличение напряжения ограниченно пробоем диэлектрика, снижением коэффициента мощности. Поэтому единственным путем увеличения мощности (при неизменных габаритах) является повышение частоты тока. Например, переход частоты с f = 50 Гц на f = 3000 Гц позволяет заменить одним аппаратом 10 аналогичных низкочастотных. Считается [44], что для озонаторных установок безразлична форма кривой напряжения на выходе, поэтому преобразователи частоты могут быть упрощены, в связи с чем повысятся надежность и КПД озонаторов.

Другим фактором, позволяющим вдвое увеличить производительность озонаторов, не повышая их мощность, является применение чистого или обогащенного кислорода, вместо воздуха. Получение О2 7090 % чистоты возможно в установке, состоящей из четырех адсорбционных сосудов, заполненных гранулами вещества со свойствами молекулярного сита. Воздух подается при давлении Р = 0,20,4 МПа, при этом все компоненты, кроме О2, адсорбируются на гранулах. При снижении давления происходит процесс регенерации с выделением N2, СО2, Н2О и других газов. В каждый момент времени один сосуд вырабатывает О2, а три - регенерируются. Одновременно с получением O2 происходит его очистка и осушка.

Диэлектрические свойства барьера во многом определяют параметры процесса озонирования. Например, в озонаторе (пат. 3954586 США, С01В 13/11, опубл. 04.05.1976) в качестве диэлектрика между электродами используют слой фарфоровой эмали с высокой температурой размягчения, нанесённый на внутренние поверхности электродов и обожженый при температуре t  800 С. Толщина слоя эмали Тd (мм) определяется из соотношения: /Тd > 4; (где  — диэлектрическая постоянная эмали). Оптимальные условия разряда: напряжение U = 15 кВ; частота f = 4060000 Гц. Мощность разряда P (в Вт) на единицу площади А электродов (в см2) определяется по уравнению:

P/A = 0,8510-6(Tа/Td ){Vs - (Vs/)(Td + Ta)};

где Tа - разрядный промежуток; Vs - напряжение зажигания разряда при расстоянии между электродами - 1 см.

Диэлектрический барьер может быть изготовлен из слюды, например электрод для озонатора (заявка 54-94493 Япония, С01В 13/11, опубл. 26.07.1979) выполнен плоского типа в виде металлической фольги из алюминия, меди или стали, между слоями которой помещена тонкая профилированная пластинка из слюды, приклеенная лаком.

ВЧ озонатор (а. с. 1495286 СССР, С01В 13/11, опубл.30.09.1986) содержит электроды и диэлектрический барьер, включающий неорганический диэлектрический материал, причем барьер выполнен в виде чередующихся слоев толщиной 20120 мкм на основе эпоксидных смол, выполненных в виде пленки и высокодисперсных порошков неорганических диэлектрических материалов.

Разрядный элемент для озонатора (заявка 383803 Японии, C01B 13/11, опубл. 09.04.1991) состоит из внутреннего электрода 1 (рис. 3) и диэлектрика 2, причем для предупреждения быстрого разрушения внешнего электрода 3, его покрывают слоем 4 диэлектрического материала (керамики). При этом отношение диэлектрических емкостей диэлектриков 2 и 4 не превышает 0,5.



В качестве диэлектрика в озонаторе можно использовать [53, 54]: винипласты (пат. 1145943 Франции, опубл. 1957); стеклоэмали (пат. 1277218 Германии, опубл. 1969); огнеупорные фарфоровые эмали (пат. 3784838 США, опубл. 1974; пат. 3836786 США, опубл. 1974; пат. 3875035 США, опубл. 1975; пат. 3891561 США, опубл. 1975; пат. 3899682 США, опубл. 1975; пат. 3919064 США, опубл. 1975; пат. 3903426 США, опубл. 1976; пат. 3954586 США, опубл. 1976; пат. 3984697 США, опубл. 1976; пат. 3966474 США, опубл. 1976; пат. 3996122 США, опубл. 1976; пат. 4016060 США, опубл. 1977; пат 4038165 США, опубл. 1977). Рекомендуемая толщина эмалевого покрытия менее 1 мм при диэлектрической проницаемости не менее 510. Состав некоторых эмалей (в %): 1) по патенту 3903426 США: SiO2 35; Na2O — 17; B2O3 — 18; Al2O3 — 1; K2O — 017; TiO2 — 22; NiO — 04; CaF2 — 5; PbO — 1,64; BaO — 1429; MnO2 — 07; 2) по патенту 63-799112 Японии: SiO2 — 2526; Na2O — 7,17,5; B2O3 — 2,913; Al2O3 — 2,93,2; CoO — 00,9; NiO —1,1; MnO2 — 01,7. Для сравнения стекло пирекс имеет состав (в %): SiO2 — 80,6; CaO — 0,36; NaO — 4; B2O3 — 12; Al2O3 — 2; K2O — 1.

Технология изготовления эмалевого покрытия на электродах следующая. Из шихты данного состава варится фритта при температуре t = 1300C в течение 34 часов, затем она разливается в воду и размалывается в порошок (шликер). Водная взвесь шликера наноситься (пульверизатором или окунанием) на поверхность заранее подготовленного электрода (например, травлением, пескоструйкой и др.), а затем обжигается при t = 600800C. При использовании Al, Ti, Zr электродов возможно применение микродугового (электроискрового) нанесения изоляционного покрытия.

При увеличении приложенного к озонаторной трубке напряжения выше некоторого предельного значения у края трубки по поверхности стекла развиваются скользящие разряды, длительное существование которых приводит к местному перегреву стекла и скалыванию трубки. Для снижения краевого эффекта можно дополнительно наносить на внутреннюю поверхность стекла, кроме металлического, полупроводниковый слой. Причем поверхностное сопротивление полупроводникового слоя должно составлять 107108 Ом. Использование покрытия длиной 4050 мм позволяет устранить поверхностные и скользящие разряды и повысить напряжение на трубке с 1214 кВ до 2225 кВ.

Основным фактором, определяющим производительность и экономику синтеза озона, является отношение мощности разряда (N) к скорости потока или расходу газа (q). Например, зависимость концентрации озона от величины N/q 52 с разрядными промежутками h от 1 до 4,2 мм представлена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость концентрации озона от величины N/q: 1 – для О2; 2 – для сухого воздуха; h = 1 мм

Для расчета активной мощности разряда озонатора используется уравнение:

N = (2/) UP  CЭ (U0-UР) - CР UР;

где U0, Uр - напряжение, подводимое к озонатору и в разрядном промежутке; Cэ, СР - емкость электродов и разрядного промежутка;  - частота тока, Гц.

Оптимальная скорость потока воздуха через трубчатый озонатор изменяется в пределах 0,080,2 м/с. До 8595 % потребляемой электроэнергии в озонаторе затрачивается на выделение тепла, поэтому электродную систему необходимо охлаждать, т.к. озон при повышение температуры быстро разлагается. Повышение мощности озонатора и частоты тока до определённой величины повышают концентрацию О3, а затем происходит спад. Температурный перепад имеет место и в разрядном промежутке, поэтому озонаторы с малыми разрядными промежутками более выгодны. Оптимальное давление в озонаторах — 1,5÷2 ат, а при повышении давления до 4÷5 ат структура разряда изменяется, появляются искровые дискретные разряды, снижается концентрация озона и эффективность электросинтеза. В озонированном воздухе содержание оксида азота NO может достигать 1 % от количества O3.

Необходимость осушки воздуха, подаваемого в «тихий» разряд, объясняется следующими причинами: 1) увеличение влажности воздуха уменьшает выход озона (например, снижение точки росы tр с ( -50) до (-20) С снижает концентрацию O3 на 16 %); 2) происходит искрение электродов, и даже возникновение дуги при «тихом» разряде, уменьшается диэлектрическая прочность стекла; 3) образуются окислы (N2O5, N2O, NO2 — газ буро-красного цвета) и азотная кислота.

Осушение воздуха возможно с помощью пористых поглотителей, в частности твердых активных гелей. Например, при использовании силикагеля (геля кремнистой кислоты SiO2H2O) реализуются следующие показатели: практическая степень осушки по температуре точки росы tP = (- 40) C; практическая поглотительная способность по весу  810 %; температура применения tпр  035 C; температура регенерации tрег — 180220 C; расход воздуха на регенерацию Gврег  1 м3/кг; фиктивная скорость движения воздуха при адсорбции Wв — до 0,5 л/минсм2. При использовании алюмогеля (активированной окиси алюминия Al2O3H2O), соответственно: tP= - 60C; 24 %; tпр = 025 C; tрег = 240 260 C; Gврег = 1 м3/кг; Wв = 0,5 л/минсм2. Силикагелю (при равном объеме с алюмогелем) свойственна более высокая поглотительная способность - до 50 %. Причем адсорбция сопровождается выделением тепла и возрастанием температуры воздуха.

Осушитель O3 может включать: закрытый приемник поглотителя и активированного угля; устройство для регенерации поглотителя (вентилятор, электронагреватель). Осушение воздуха для небольших озонаторов с периодическим режимом работы возможно охлаждением (вымораживанием). Выгодно вначале охладить воздух, а затем вводить в поглотитель. Предпочтительный состав адсорбента для осушки воздуха по слоям: нижний — катионит, средний — силикагель, верхний — алюмогель. Осушка проводится до влагосодержания не более 0,05 г/м3.

Большое значение в установках для озонирования играют абсорбенты, предназначенные для нейтрализации отработавшего (остаточного) озона из отходящих газов. В качестве насадки могут использоваться различные материалы [54]. Например, гидроокиси металлов Pb(OH)2, Mn(OH)2, Ni(OH)2, Co(OH)2 окисляются озоном до перекисей. Растворы KOH, NaOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 разлагают озон. При встряхивании озон-кислородной смеси с угольным или графитовым порошком запах озона мгновенно исчезает. При этом на поверхности сухого активированного угля образуются кислотные оксиды: CO2 и в небольших количествах — C4O3, C6O3. Причем уже при комнатной температуре происходит быстрый распад O3 до O2. Озон также каталитически разлагается в присутствии оксидов металлов переменной валентности — Mn, Ni, Co, Fe, Cu и др. Например, оксиды CuO и MnO2 разлагают озон очень быстро при комнатной температуре. Влажный озон окисляет все металлы, за исключением Au и Рt, а сухой O3 не окисляет многие металлы (при t = 20C) например Mg, Zn, Al, Bb, Sn, Fe, Cu. Озон при действии на ртуть разлагается, но заметное окисление ртути не наблюдается, а влажная ртуть при контакте с озоном покрывается слоем желто-красной окиси — Hg2O и HgO. Озон реагирует с перекисью водорода, как в газовой среде, так и в растворе:

H2O2 + O3 = H2O + 2O2.

Аммиак окисляется озоном до нитрата аммония при реакции, как сухих, так и влажных газов:

2NH3 + 4O3 = NH4NO3 + H2 + 4O2.

Небольшое количество O3 реагирует с HJ с выделением йода, а большие же количества O3 окисляют HJ до воды и HJO3.

Концентрированный озон может быть получен путем поглощения этого газа из воздуха на силикагеле в интервале температур от -117 до 20С (Журнал физической химии, 1972, т. 46. вып. 10, С. 2602; Журнал физической химии, 1973, т. 47, вып.4, С. 996). Озон адсорбируется на силикагеле и может десорбироваться без какой-либо реакции или распада. Адсорбция О3 при комнатной температуре повышается, если некоторое количество воды уже присутствовало на поверхности кремнезема. Теплота адсорбции озона на силикагеле составляет примерно 2,6 ккал/моль. Кремнийорганические полимеры (силиконы) проявляют высокую стойкость к действию озона и электрического коронного разряда.

Коаксиальные озонаторы состоят из двух коаксиальных, вставленных друг в друга стеклянных трубок 1 и 2 (рис. 5).



Электроды выполняются в виде металлической фольги, наносимой на внешнюю поверхность внешней трубки - 4 и на внутреннюю поверхность внутренней трубки - 3. Напряжение на клеммах реактора всегда превышает напряжение на газоразрядном промежутке, т.к. часть напряжения падает на барьере из диэлектрика. Производительность озонаторов увеличивается примерно в 100 раз при переходе с частоты тока f = 50 Гц, на f = 10 кГц, т. к. с ростом частоты падает сопротивление барьера: xc = (1/ωC); ω = 2f.

Возможно использование жидкостных электродов (рис. 6), в качестве которых применяют растворы солей, заполняющие внутреннюю трубку и рубашку второй трубки.


Рис. 6


В эти растворы погружают проволочки, соединенные с источником переменного напряжения. В случае использования охлаждаемой проточной внешней рубашки, наружный электрод и один из высоковольтных выводов трансформатора заземляют. Зазор между барьерами поддерживается на уровне 1÷2 мм. При наличии одного барьера для данного тока требуется более низкое напряжение. Поверхностная проводимость барьера зависит от количества воды адсорбируемой на его поверхности, т.е. зависит от влажности газа, давления и температуры. Поэтому при работе с влажным газом возникает меньшее число разрядов большой мощности, а при очищенном от пыли и высушенном газе число микроразрядов велико, зазор светится почти однородным свечением. При постоянном токе для создания тихого разряда между электродами не должно быть барьеров из диэлектриков, а ток ограничивается большим балластным сопротивлением в цепи.

В цилиндрическом озонаторе (рис. 7) разряд возбуждается между внешним стеклянным электродом 1 и внутренним металлическим 2. Оптимальные параметры: напряжение - 7÷12 кВ; частота - 1 кГц, выход озона - до 50 г/кВтч; при концентрации 2,5 г/м2. Металлические электроды выполняют из алюминия или нержавеющей стали или золоченой латуни.



Трубчатый генератор озона (рис. 8) состоит из двух электродов: электрода низкого напряжения 1 (электрод массы) и электрода высокого напряжения 2, разделенных стеклянным диэлектриком 3.



Электрод низкого напряжения 1 выполняется в виде цилиндра из нержавеющей стали, в котором с зазором установлен полый цилиндрический стеклянный диэлектрик 3, с нанесенным изнутри слоем металлического покрытия. Электрод высокого напряжения 2 размещен строго по центру стеклянного диэлектрика. Барьерный разряд генерируется в межэлектродном пространстве 5 между электродом 1 и поверхностью диэлектрика 3. Полость 6 электрода 1 охлаждается водой. Количество получаемого О3 (при Т = const), прямо пропорционально мощности, расходуемой при разряде. Причем при переходе с частоты f = 50 Гц к f = 600 Гц производительность увеличивается в 3 раза. Электропроводное покрытие 4 может выполняться из композиции медь-графит, алюминия или графита. Для герметизации озонаторов можно использовать следующие материалы: этиленпропиленовые эластичные прокладки, керамику и стекло. Соединения фтора устойчивы к действию озона [53] и могут использоваться как электроизолирующие элементы при конструировании генераторов озона. Достаточной химической стойкостью в озоновой смеси обладают: стали типа 12X18H10T, органическое стекло, полиэтилен, фторопласт, стеклопласт, пентапласт, стеклотекстолит, стеклоэмалевое покрытие УЭС-200 и др.

При использовании переменного тока с частотой f = 50 Гц производительность генераторов регулируется изменением напряжения через автотрансформатор. Величина cos  при f = 50 Гц не превышает 0,4. Поэтому преимущества переменного тока с частотой 600 Гц следующие: 1) возрастает мощность аппаратов с уменьшением габаритов; 2) достигается cos  = 0.9, т.е. увеличивается активная мощность; 3) возможна эксплуатация при более низком напряжении, с повышением КПД. Наблюдается оптимальная скорость прохождения воздуха через озонатор, причем с уменьшением скорости потока концентрация О3 практически падает до нуля.

Повышение частоты и формирование импульсного тока увеличивает выход озона и КПД процесса. Например, озонаторы (пат. 1401693 Англии, С01В 13/10, опубл. 30.07.1975) имеют питание с напряжением повышенной частоты импульсной формы. Ток от сети промышленной частоты преобразуется в повышающем трансформаторе 1 (рис. 9) и выпрямляют в выпрямителе 2 до напряжения U = 20 кВ относительно заземленной средней точки.



Шину –20 кВ от выпрямителя 2 присоединяют к катоду тиратрона 3, а шину +20 кВ — к аноду тиратрона 4. Разрядный промежуток озонатора 5 включают в цепь между средней точкой выпрямителя 2 и точкой соединения анода лампы 3 и катода лампы 4. Управляющие сетки тиратронов включены в схему триггерного импульсного генератора 6, характеризующегося короткими импульсами с регулируемой частотой, которая контролируется устройством 7. Генератор настраивают на частоту в диапазоне f = 5020000 Гц, в зависимости от требуемой концентрации О3.

Энергетическую эффективность (к.п.д.) озонатора можно повысить при использовании крутых коротких импульсов напряжения. Импульсы, распространяющиеся в виде бегущей волны, создают активную корону. Например, выработка О3 при напряжении U = 1820 кВ и частоте f = 50 Гц составляет 12 г/ч, при расходе электроэнергии — 25 Втч/г, а при использовании тиристорного преобразователя частоты с напряжением U = 1213 кВ и регулируемой частотой f = 5001200 Гц, выход О3 достигает 4560 г/ч, с расходом электроэнергии — 1215 Втч/г. Причем инверторы тока с прямоугольной формой тока обеспечивают лучшие условия протекания процессов образования О3.

Способ получения озона (а. с. 874603 СССР, С01В 13/12, опубл. 04.05.1978) осуществляется путем воздействия на газообразный кислород электрическим разрядом, причем для повышения степени превращения кислорода в озон, в качестве электрического разряда используют СВЧ импульсный электрический разряд, возбуждаемый электромагнитным излучением 10 см диапазона при длительности импульсов 24 мкс.

Способ озонирования воздуха (а. с. 899455 СССР, С01В 13/10, опубл. 27.02.1980) включает его очистку от пыли и влаги, а также охлаждение, причем для снижения энергоемкости технологического процесса, охлажденный воздух перед озонированием подвергают обработке в электрическом поле напряжением 10250 кВ и напряженностью 28100 кВ/см.

Способ озонирования воздуха (а. с. 941276 СССР, С01В 13/11, опубл. 26.01.1980) включает его очистку, осушку, охлаждение и воздействие на него электрического разряда, причем для снижения энергоемкости и повышения выхода О3, воздействие проводят высоковольтным импульсным paзрядом с амплитудой напряжения U = 10600 кВ, длительностью импульса (1,2200)10-6 с, скоростью нарастания напряжения 10105 кВ/мкс и скважностью между импульсами 0,910-31,12 с.

Многоэлементный электрический озонатор (а. с. 1390182 СССР, С01В 13/11, опубл. 25.12.1984) имеет разрядный элемент состоящий из двух расположенных на расстоянии друг от друга и присоединенных к источнику питания электродов, один из которых в виде металлического покрытия нанесен на диэлектрическую стенку, выполненную в виде герметичной камеры, причем для наработки озонатора до отказа путем обеспечения самоотключения разрядного элемента с пробитой диэлектрической стенкой, металлическое покрытие присоединено к электрическому источнику питания через газоразрядный промежуток, расположенный внутри камеры.

Озонатор (пат. 649753 Швейцарии, C01B 13/11, H01T 15/00, опубл 14.06.1985) имеет разрядник из двух электродов, источник высокого напряжения и искровой промежуток с подвижным и неподвижным электродами. Причем между электродами создают импульсы тока 10-610-9 с длительностью, а также импульсные напряжения, в том числе с импульсами прямоугольной формы, без применения скользящих контактов. При этом импульсы тока заканчиваются до того, как тлеющий разряд может перейти в дуговой, поэтому предотвращается разрушение электродов и декомпозиция О3.

Электрический коммутатор для схемы питания озонатора (заявка 2652283 ФРГ, С01В 13/11, опубл. 18.05.1978), включает добавочные контура с резистором и искровым разрядником (или с двумя разрядниками), что позволяет улучшить форму питающего напряжения и повысить выход озона.

Устройство питания генератора озона (а. с. 984994 СССР, С01В 13/11, опубл. 21.05.1980) содержит источник постоянного напряжения, к выходу которого через последовательную цепь из дросселя и тиристора подключена первичная обмотка высоковольтного трансформатора, высоковольтная вторичная обмотка которого образует выводы для подключения нагрузки и блок управления, причем для повышения КПД и упрощения, последовательно и согласно с первичной обмоткой включена дополнительно введенная обмотка, зашунтированная конденсатором, при этом первичная и дополнительная обмотки расположены на одном стержне магнитопровода трансформатора, а высоковольтная - на другом.

В схеме электрического питания высоковольтного электроразрядного озонатора от источника переменного тока (пат. 2111041 ФРГ, С01В 13/11, опубл. 12.06.1980), например, трансформатора, в цепь источника и высоковольтного электрода озонатора включают катушку индуктивности. Индуктивность Lк этой катушки подбирается так, чтобы собственная частота 1 колебаний контура, образованного Lк и емкостью твердого диэлектрика CТ разрядного элемента озонатора, была ниже рабочей частоты 0 источника питания, но собственная частота 2 колебаний контура, образованного Lк и суммарной емкостью Cc диэлектрика и газоразрядного промежутка, была больше 0. При этом напряжение источника питания U на разрядном промежутке значительно выше напряжения U0 источника питания, что приводит к увеличению концентрации O3 в продукте и увеличению производительности аппарата. Например, в озонаторе с кольцевым разрядным промежутком длиной 106 см и шириной 2,2 мм при диаметре электрода 45,6 мм С1 = 3,16 мкФ и Сс = 0,475 мкФ. При этом озонатор питается от трансформатора при 0 = 50 Гц и U0 = 8,8 кВ. В цепь высоковольтного источника включают катушку с Lк = 94,7 Гн, при этом 1 = 41 Гц, 2 = 106 Гц, а U возрастает до 15,6 кВ, т.е. в 1,97 раза. Величина cos увеличивается до 0,82, а выход O3 составляет 5,3 кг/ч.

Электрический источник питания для озонатора (заявка 255204 Японии, C01B 13/11, H05F 3/04, опубл. 23.02.1990) включает вторичную обмотку преобразователя, сопротивление и диод, включенные между собой параллельно, а вся группа указанных элементов включена последовательно с источником постоянного напряжения. Периодические всплески напряжения, генерируемые источником, обеспечивают тлеющий разряд на катоде. Для питания высокочастотных озонаторов малой мощности можно использовать резонансные преобразователи, т.к. возможно преобразование источника напряжения в источник тока, обеспечивающего устойчивость процесса разряда, защиту от короткого замыкания, достижение высокого уровня напряжения. Можно использовать, например, преобразователь, объединяющий в себе свойства катушки индуктивности и конденсатора (5 кВ, 6,5 кГц).

Устройство для стерилизации воздушной среды (заявка 93042447/13 России, A61L 9/00, опубл. 26.08.1993) содержит разрядник озонатора и систему питания озонатора, в виде последовательно соединенных усилительного каскада и схемы согласования комплексного сопротивления разрядника с выходным сопротивлением усилителя, причем схема согласования представляет собой П-контур.

Высокочастотный озонатор (заявка 93044213/26 России, С01В 13/11, опубл. 01.09.1993) выполнен так, что для повышения стабильности работы, в его конструкцию введены высоковольтный конденсатор, емкость которого значительно выше собственной емкости генератора, высокоэлектропроводный экран, которым снабжена искусственная длинная линия, датчик тока и система автоматической подстройки частоты, которые подключены между источником питания и искусственной длинной линией.

Озонатор (заявка 93048675/26 Россия, C01B 13/11, опубл. 21.10.1993) имеет разрядник, снабженный конденсатором, подключенным последовательно к первичной обмотке трансформатора и полупроводниковому диоду, подключенным параллельно этой же обмотке.

Высокочастотный озонатор (заявка 96112434/25 России, С01В 13/11, опубл. 18.06.1996), содержащий низковольтный электрод, высоковольтный охлаждаемый электрод, разрядную зону с патрубками подвода кислородсодержащего газа и отвода озон-содержащей смеси, выполнен так, что низковольтный электрод снабжен нагревателем, между упомянутыми электродами установлена охлаждаемая управляющая сетка, подключенная к ВЧ источнику напряжения и ограничивающая разрядную зону со стороны низковольтного электрода, а после патрубка отвода озоно-содержащей смеси установлено вакуумирующее устройство.

Установка для производства озона (заявка 97100036/25 России, С01В 13/11, опубл. 06.01.1997) содержит два подвода внешнего напряжения, выпрямитель с диодом и сглаживающим конденсатором, включенным между подводами, высоковольтный (ВВ) трансформатор и генератор озона. Дополнительно установка снабжена блокинг-генератором, а ее выпрямитель - дополнительным диодом, соединенным с другим диодом по двухполупериодной схеме выпрямления. При этом, в один из подводов внешнего напряжения перед выпрямителями, включен ограничительный конденсатор с резистором утечки, а выход выпрямителя соединен с одним из выводов первичной обмотки высоковольтного трансформатора. Другой выход выпрямителя соединен с другим выводом первичной обмотки высоковольтного трансформатора через блокинг-генератор, который снабжен положительной обратной связью с вторичной обмоткой ВВ трансформатора.

В качестве источника высокого напряжения в озонаторе можно использовать керамический трансформатор с иголками на пластинчатых электродах. Керамический трансформатор обеспечивает более высокий скачок напряжения и меньшее входное сопротивление, чем высоковольтная нагрузка. В таком генераторе озона обеспечивается саморегулирование тока и защита от бросков тока без схемы управления, т.к. напряжение на электродах керамического трансформатора автоматически снижается, когда сопротивление между ними становится низким (РЖ Электротехника, 1999, №2, 2П48).

Возможные рекомендации по источникам питания озонаторов [56]:

1. Применение последовательного инвертора напряжения, собранного по автономной схеме и возбуждающего в озонаторе прямоугольную форму напряжения переменной амплитуды и частоты, повышает его производительность в 1,5 раза и эффективность в 2,1 раза, по сравнению с этими параметрами в озонаторе, работающем при подаче напряжения по синусоидальной форме промышленной частоты.

2. Для уменьшения расхода электроэнергии на получение озона возможно использование импульсного режима питания с необходимой частотой следования импульсов и скважностью (например, при скважности униполярных и знакопеременных импульсов 1030 и частоте следования f = 50 Гц). При этом импульсный источник питания снабжается промежуточным накопительным конденсатором, поэтому потребляемый ток практически синусоидальный, а коммутация совершается на стороне низкого напряжения. Импульсный режим питания уменьшает энергозатраты на 1015 % по сравнению с синусоидальным питанием.

1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14


База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка