Електророзрядний генератор озону

Винахід відноситься до електротехніки, конкретно до пристроїв для отримання коронного розряду та може бути використаний як генератор озону для обробки води, очищення повітря в побутових приміщеннях, в сільському господарстві, медицині тощо. Відомий генератор озону [Коробцев С, Медведев В., Ширяевский В. Озонатор на основе импульсного коронного разряда // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 1996. - №1, 2. - С.37-43] [1], що містить камеру, у якої внутрішня поверхня її корпусу циліндрична і є катодом, всередині корпусу співосно розташовано анод у вигляді тонкого дроту. Утворення озону здійснюється при продувці через камеру повітря та подачі на електроди високовольтних імпульсів напруги. Недоліком цього пристрою є недостатньо значний питомий вихід озону М: до 70 грамів озону на 1кВт·год вкладеної в розряд енергії. Інший недолік полягає в необхідності застосування складних високовольтних джерел живлення. Це ускладнює озонатори, знижує їх надійність та підвищує вартість їх виготовлення та обслуговування і, тим самим, стає завадою широкому використанню таких пристроїв. Найбільш близьким аналогом до винаходу за те хнічною суттю і результатом, що досягається, є генератор озону, в якому використано позитивну стримерну корону постійного струму [Голота В.И., Завада Л.М., Кадолин Б.Б. и др. Генерация озона в тлеющем разряде положительной полярності // Вопросы атомной науки и техники. - 2000. - №1. - Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2). С.58-62] [2]. Генератор озону складається з камери, яка містить плаский катод та анод у вигляді голки. Пристрій працює наступним чином. Спочатку вмикають прокачування атмосферного повітря через камеру. Потім вмикають високовольтне джерело живлення постійного струму (до 20кВ), що під'єднано позитивним полюсом до голки, а негативним - до площини. При цьому в міжелектродному проміжку виникає стримерна корона, завдяки якій з кисню, що входить до складу повітря, утворюється озон. Пристрій забезпечує питомий вихід озону Μ=60-70г/кВт·год при енергоресурсі на рівні 300год. Як витікає з технічної суті відомого пристрою [2], використання електродної системи типу "голкаплощина" обумовлює обмеження довжини та об'єму міжелектродного проміжку, який займає та частина розряду, де проходить генерація озону. Крім цього при такій електродній системі весь розрядний струм на аноді прив'язаний до кінчика голки. Це приводить до його прискореної термічної ерозії. Таким чином, недоліками відомого пристрою [2] є недостатньо високі питомий вихід озону та енергоресурс роботи. В основу винаходу поставлена задача розробити електророзрядний генератор озону, в якому використання аноду заявленої форми дозволило б підвищити питомий вихід озону та енергоресурс роботи пристрою. Для вирішення поставленої задачі запропоновано електророзрядний генератор озону, що включає камеру з розташованими всередині пласким катодом і анодом, в якому згідно з винаходом, анод виконано з мікровиступами, має пласку поверхню округлої форми та установлений паралельно катоду, причому мікровиступи розміщені по кромці анода з густиною не менш ніж 1 мікровиступ на 1мм довжини кромки і направлені в бік катода. При цьому, анод в перетині має форму круга, висота мікровиступів становить 20±5мкм, а відстань між катодом і анодом вибирають із умови 7£L£10·d, де L - відстань між катодом і анодом, мм, d - діаметр аноду, мм. Позитивний результат в пристрої, що пропонується, досягається завдяки новій формі розрядного проміжку, утвореного пласким катодом та паралельно розташованим йому пласким анодом з мікровиступами, розташованими на його кромці. Наявність кромки з мікровиступами забезпечує на останніх ініціювання розрядних стримерів при напругах, які на 10-20% нижчі за ті, при яких виникають небажані іскрові пробої міжелектродного проміжку. Плоскопаралельна форма останнього дає можливість створення в ньому середньої напруженості електричного поля на рівні 10-15кВ/см, яка достатня для перекриття розрядними стримерами всієї відстані від анода до катода. Завдяки цьому область генерації озону розповсюджується на всю міжелектродну довжину, що обумовлює підвищений питомий вихід озону порівняно з відомим пристроєм [2]. Крім цього, розрядний струм, розподілений по всьому периметру кромки анода. Це зменшує її ерозію і, тим самим, збільшує енергоресурс генератора озону. Таким чином, сукупність істотних ознак пристрою, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - збільшення питомого виходу озону Μ до 90г/кВт·год та ресурсу його роботи до 1000год. Винахід пояснюється кресленням, на якому схематично зображено пристрій (Фіг.1), та фотографією розряду в міжелектродному проміжку (Фіг.2). Пристрій (Фіг.1) містить камеру 1, компрессор 2 та високовольтне джерело живлення постійного струму 3. Камера 1 складається з металевого циліндричного корпусу 4 з внутрішнім діаметром D, один торець якого закривається діелектричною кришкою 5, а другий - металевою кришкою 6. В камері 1 розміщено електродну систему в вигляді плаского катода 7 діаметром D, поблизу краю якого розташовані отвори 8 для проходження газу, та плаского анода округлої форми 9 з центральним отвором 10. Анод установлений паралельно катоду на відстані L, мм, яку вибирають із умови 7£L£10·d, де d - діаметр анода, мм. На кромці анода розташовані мікровиступи 11 заввишки 20±5мкм, що направлені в бік катода. Простір між катодом 7 та кришкою 6 служить колектором газу 12. Подача газу до камери та виведення його з неї здійснюється, відповідно, через вхідний 13 та вихідний 14 штуцери. Пристрій працює наступним чином. При ввімкненні компресора 2 (Фіг.1) газ (повітря чи кисень при атмосферному тиску) через вхідний штуцер 13 та отвір 10 подається в міжелектродний проміжок, утворений катодом 7 та анодом 9. Після ввімкнення високовольтного джерела живлення постійного струму 3 (10-15кВ) в цьому проміжку виникає стримерний коронний розряд, що розповсюджується на всю довжину між катодом 7 та анодом 9 (Фіг.2). Газ, витікаючи з отвору 10 (Фіг.1) в центрі анода 9, перетинає зону розряду, в якій відбувається інтенсивна генерація озону. Потім газ через отвори 8 попадає в колектор 12, з якого через вихідний штуцер 14 надходить до споживача. Генератор забезпечує питомий вихід озону 85-95г/кВт·год при енергоресурсі 1000год. Приклад реалізації за винаходом. Озон генерували в пристрої з такими параметрами. Діаметр анода d=20мм. Він був виконаний з вольфраму і мав на своїй кромці мікровиступи, які були заввишки 20±5мкм і були розміщені з густиною 1-2 мікровиступи на 1мм довжини кромки і направлені в бік катода. Внутрішній діаметр корпусу камери становив D=55мм. Відстань від катода до анода складала L=14мм. Вона відповідала умові 7£L£10·d. Прокачуваним через камеру газом було атмосферне повітря. Типовий вигляд розряду при струмі 500мкА та напрузі 1,5кВ зображено на Фіг.2, на якій вгорі розташований анод 9, а внизу катод 7. Видно, що інтенсивність випромінення розряду, який знято при фотоекспозиції 0,1с, рівномірна по всьому міжелектродному простору. Це вказує на те, що в пристрої, який заявляється, область генерації озону, на відміну від відомого пристрою [2], займає не частину, а всю довжину міжелектродного проміжку. Пристрій випробовувався протягом 1000год. При цьому питомий вихід озону Μ становив 90г/кВт·год. Нами встановлено, що геометричні параметри пристрою, що заявляється (плаский анод округлої форми, який розташований паралельно катоду і який має мікровиступи заввишки 20±5мкм, розташовані по кромці аноду з густиною не менш ніж 1 мікровиступ на 1мм цієї кромки, відстань між катодом і анодом, яка задовольняє умові 7£L£10·d) забезпечують підвищені питомий вихід озону Μ та енергоресурс генератора озону. Визначено, що оптимальним є анод, що в перетині має форму круга. У такого анода розрядний струм рівномірно розподілений по його кромці, через що вона рівномірно спрацьовується. Крім цього, такий анод простіше за технологією виготовлення. При позамежних зменшеннях висоти мікровиступів, наприклад, до 8±5мкм енергоресурс роботи пристрою зменшується вдвічі (до 500год.), хоча питомий вихід озону залишається на рівні 90г/кВт·год. При позамежному збільшенні висоти мікровиступів, наприклад, до 35±5мкм питомий вихід озону зменшується до 30г/кВт·год, хоча енергоресурс генератора залишається на рівні 1000год. В тих місцях міжелектродного проміжку, де густина мікровиступів на кромці анода менша ніж 1 мікровиступ на 1мм довжини кромки, не виникає стримерна корона і не генерується озон. Експериментально встановлено, що збільшення густини мікровиступів понад 6-8 є нераціональним, тому що не призводить до підвищення питомого виходу озону та енергоресурсу пристрою. При відстані між катодом і анодом L10·d розрядні стримери не здатні перетнути весь міжелектродний проміжок, що також зменшує питомий вихід озону. Наприклад, при L=12·d він дорівнює 30г/кВт·год. Переваги електророзрядного генератора озону, що заявляється, в порівнянні з відомим [2] полягають у наступному: - питомий вихід озону збільшується з 60-70г/кВт·год до 85-95г/кВт·год, тобто приблизно на 30%; - енергоресурс роботи генератора зростає з 300 до 1000год, тобто приблизно в 3,3 рази. Крім цього, до достоїнств генератора, що заявляється, слід віднести його живлення від джерела постійного струму та підвищену надійність за рахунок відсутності в ньому іскрових пробоїв.