Трубчастий елемент озонатора

Изобретение относится к устройствам для получения озона и может быть использовано в электрохимии, в очистке промышленных и бытовых сточных вод, в обеззараживании питьевой воды, воды плавательных бассейнов, дезинфекции и дезодорации помещений, овощехранилищ с целью предотвращения порчи сельскохозяйственной продукции, а также в други х отраслях народного хозяйства. Особенно широкое применение могут найти озонаторы во вредных химических производствах, использующих фенол, стирол, толуол и их производные, так как достаточное количество озона способно разложить эти вредные, но стойкие вещества до простых углеводородов, что очень важно с точки зрения экологии. Озонатор создает заданные концентрации озона в воздухе замкнутых объемов за счет многократного пропускания воздуха, содержащегося в объеме, через генератор озона. Составной частью генератора озона, как правило, являются газоразрядные элементы трубчатого типа. Поскольку основной технической характеристикой любого озонатора является его производительности в г/час, при создании озонатора стремятся прежде всего увеличить именно этот показатель. Однако при этом более высокие показатели могут быть получены за счет ухудшения таких характеристик, как потребляемая мощность, уровень высокого напряжения, сложность сборки, большие габариты и вес устройства в целом. Наиболее широко распространены в настоящее время озонаторы, содержащие цилиндрические элементы трубчатого типа с коаксиально расположенными электродами, представляющими собой цилиндрический конденсатор, в электрическом поле которого при определенных условиях образуется озон. Известен трубчатый озонатор, содержащий разрядные элементы, выполненные в виде цилиндрических, коаксиально расположенных электродов, с установленной между ними диэлектрической трубкой [1], при этом наружный электрод выполнен заземленным, а внутренний электрод выполнен в виде стержня и является высокопотенциальным. Диаметр высокопотенциального электрода выполняют равным 0,25 - 1мм, при этом соотношение диаметров наружного и внутреннего электродов равно 6 - 10. Разрядные элементы охлаждают водой. Конструктивное выполнение озонатора с указанным соотношением диаметров внутреннего и наружного электродов позволяет увеличить более чем в два раза объем разрядной зоны и в 4 - 5 раз ее поверхность охлаждения без увеличения габаритов озонатора, что позволяет увеличить производительность озонатора в 2 - 3 раза. Однако, хотя цель изобретения заключается в повышении производительности и упрощении технологии изготовления, выходные характеристики существенно зависят от точности сборки, и нарушение технологии приводит к значительным потерям озона. Кроме того, устройство требует использования высоковольтных источников питания. При повышении производительности возникают проблемы с использованием такого рода источников. Известен также электроразрядный элемент озонатора трубчатого типа, состоящий из наружного и внутреннего электродов, выполненных в виде металлических спиралей, и расположенной между ними стеклянной трубки с токопроводящим слоем на внутренней поверхности [2], при этом внутренний электрод прикреплен к внутренней поверхности стеклянной трубки при помощи токопроводящего слоя. Наличие спирали, прикрепленной к внутренней поверхности стеклянной трубки при помощи токопроводящего слоя, способствует равномерному распределению электрического поля, повышению надежности трубчатого элемента. Однако для получения электрического поля необходимой напряженности используют источник с напряжением порядка 10 кВ. Дальнейшее повышение производительности связано также с повышением напряжения на источнике, что ведет к использованию дорогостоящих диэлектрических материалов, увеличению габаритов и веса устройства в целом. Известен кроме того озонатор трубчатой формы, состоящий из внешнего и внутреннего электродов и диэлектрической трубки между ними [3]. При этом внешний и внутренний электроды выполнены в виде спирали, внутренний электрод расположен внутри диэлектрической трубки, причем начало внешнего электрода и конец внутреннего электрода подключены к источнику питания. При подаче напряжения от источника питания порядка 5кВ с частотой 6,5кГц образуется тлеющий поверхностный разряд и молекулы кислорода подвергаются электронной бомбардировке. Как и в описанных выше технических решениях, спирали образуют конденсатор. Повышение производительности и в данном случае связано также с увеличением напряженности электрического поля, что ведет к указанным выше недостаткам, ухудшает условия работы с озонатором в целом. Кроме того, известен также озонатор, содержащий коаксиально установленные внешний и внутренний электроды, подключенные к источнику высокого напряжения, а также источник ультрафиолетового излучения [4], при этом световоды, соединенные с источником ультрафиолетового излучения расположены по периметру, а электроды выполнены рифлеными. Использование ультрафиолетового излучения позволяет повысить производительность устройства. Однако, как и в предыдущих случаях, в качестве источника питания используют высоковольтный источник, а выделение озона происходит в тлеющем разряде высоковольтного конденсатора. Повышение производительности озонатора можно осуществить и путем снижения работы выхода электронов. Для этого, например, в генераторе озона, включающем электроды, выполненные в виде цилиндрических диэлектриков из стекла со слоем алюминия на внутренней поверхности [5], дополнительно нанесен мономолекулярный слой из электроположительного металла, который расположен между диэлектриком и слоем алюминия. Нанесение дополнительного слоя из электроположительных металлов уменьшает работу выхода электронов, что приводит к значительному увеличению количества электронов, участвующи х в процессе образования озона. Однако устройство эффективно работает при высоких напряжениях, очень большом количестве электродов, имеет увеличенный расход электроэнергии и большие общие габариты. Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является трубчатый элемент озонатора, включающий коаксиально установленные наружный и внутренний элементы, причем внутренний элемент содержит полый цилиндр из диэлектрического материала [6]. Наружный и внутренний элементы являются электродами, между которыми в контакте с наружным электродом расположен слой диэлектрика, внешняя поверхность внутреннего электрода выполнена игольчатой, при этом внутренний электрод выполнен в виде полого цилиндра из металла, внутри которого расположен также полый цилиндр из диэлектрического материала, заглушенный с обоих концов. При работе ВЧ генератора на иглах возникает тлеющий разряд, а на выходе трубчатого элемента - озон. Потребляемая мощность при этом составляет порядка 400Вт, частота 10кГц, амплитуда подаваемого напряжения порядка 8кВ. Выход озона составляет 80г/ч. Изобретение позволяет решить задачу интенсификации получения озона путем четырехкратного увеличения площади активной поверхности. Однако и в данном случае остается необходимость в использовании высоковольтного источника питания, что усложняет и снижает надежность устройства в целом, усложняет его обслуживание. Использование высоковольтного оборудования в присутствии кислорода или озона всегда требует проведения специальных мер для соблюдения условий техники безопасности. Поэтому целью предлагаемого технического решения является упрощение устройства и условий его эксплуатации, надежности озонатора, уменьшение габаритов и веса при одновременно высокой производительности озонатора. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования трубча того элемента озонатора, в котором, вследствие выполнения внутреннего элемента в виде полого цилиндра из диэлектрического материала, заполненного веществом, испускающим ультрафиолетовое излучение при возбуждении, выполнения наружного элемента в виде индуктора, являющегося составной частью резонансного контура, соединенного с ВЧ источником питания, размещения их коаксиально в диэлектрическом трубчатом элементе, пропускающем ультрафиолетовое излучение, и нанесения на наружную поверхность диэлектрического трубчато го элемента покрытия, отражающего ультрафиолетовое излучение, обеспечивается получение вихревого электрического поля внутри элемента, заполненного парами специального вещества , заключенного во внутреннем элементе, и за счет этого получают ультрафиолетовое излучение, сосредоточенное в пространстве между двумя диэлектрическими трубками, эффективно ионизирующее кислород воздуха или кислородосодержащую воздушную смесь. При этом, в отличие от газоразрядных источников озона, ионизация воздуха или кислородосодержащей смеси происходит не в тлеющем или ином разряде, что небезопасно с точки зрения техники безопасности, а путем ионизации ультрафиолетовым излучением. Помещая трубку, заполненную парами специального вещества в ВЧ электромагнитное поле, создаваемое индуктором, включенным в резонансный контур, соединенный с ВЧ источником питания, создают условия для возбуждения определенных уровней атомов вещества , заключенного в трубке, в результате которого возникает ультрафиолетовое излучение. Для того, чтобы уменьшить потери излучения в окружающую среду, вн утреннюю трубку и индуктор помещают в дополнительную диэлектрическую трубу, на которую наносят покрытие, отражающее ультрафиолетовое излучение. Многократное отражение в пространстве, ограниченном дополнительной наружной трубой, еще более увеличивает эффективность излучения, берущего начало в центральной трубке. Поскольку в резонансном контуре возможно обеспечить условия для получения максимального тока, что позволяет при минимальной мощности источника питания получить максимальную напряженность электрического поля внутри газоразрядной трубки, то есть максимальную степень возбуждения и ионизации. Использование резонансного контура позволяет получить высокую напряженность вихревого электрического поля внутри элемента, заполненного парами рабочего вещества, и соответственно повысить выход ультрафиолетового излучения. Поставленная задача решается тем, что в известном трубчатом элементе озонатора, включающем коаксиально установленные наружный и внутренний элементы, согласно изобретению, внутренний элемент выполнен в виде полого цилиндра из диэлектрического материала, заполненного веществом, испускающим ультрафиолетовое излучение при возбуждении, наружный элемент выполнен в виде индуктора, включенного в резонансный контур, соединенный с ВЧ источником питания, при этом оба элемента коаксиально расположены в дополнительной диэлектрической, пропускающей ультрафиолетовое излучение трубе, на наружной поверхности которой нанесено покрытие, отражающее ультрафиолетовое излучение. Как видно из изложения сущности технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым. Решение также обладает изобретательским уровнем, так как получение и использование ультрафиолетового излучения в данном случае принципиально отличается от известного использования ультрафиолетового излучения [7,8]. В известных случаях использования ультрафиолетового излучения его создают источниками УФ-излучения, которые представляют собой газоразрядные лампы, заполненные смесью He-Ar или He-Xe. При этом наиболее эффективным для инактивации микроорганизмов является излучение с длиной волны короче 280нм, а озон рассматривается как вредный продукт, и в увеличении его количества при использовании устройств такого рода никто не заинтересован. В известных устройства х ультрафиолетовое излучение произвольно рассеивается, что не создает условий для получения озона в больших количествах, а поэтому и исключает их использование в качестве источников озона в сложных электрохимических процессах. Другими словами, источники ультрафиолетового излучения имеют совершенно иное применение и, следовательно, принципиально иное техническое решение в устройствах обеззараживания различных сред. Известно и другое использование ультрафиолетового излучения [4]. Однако в известном озонаторе ультрафиолетовое излучение использовано только для стимуляции процесса. Образование озона происходит за счет тлеющего разряда, который возникает между электродами коаксиального конденсатора. В данном случае тлеющий разряд вообще отсутствует. Ультрафиолетовое излучение возникает вследствие столкновения электронов с атомами вещества, заключенного в замкнутом объеме диэлектрического цилиндра, пропускающего ультрафиолетовое излучение. При этом энергия столкновения и интенсивность излучения определяются энергией ВЧ электромагнитного поля, созданного ВЧ источником питания и резонансным контуром. Энергия ВЧ электромагнитного поля при этом не рассеивается, вследствие полного поглощения на реакцию возбуждения и ионизацию атомов вещества , заключенного во внутреннем элементе трубчато го элемента озонатора. Известно использование в озонаторе электродов в виде спиралей [2, 3]. Однако в этих случаях система спиральных электродов образует также коаксиальный конденсатор, в тлеющем разряде которого возникает озон. В предлагаемом решении спираль использована в качестве индуктора, а выделяемая на индукторе энергия использована для создания интенсивных столкновений электронов с атомами вещества, заключенного в упомянутый выше объем. Известно также использование металлических покрытий, которые наносят на отдельные элементы озонатора [2, 5]. Однако в известных решениях металлических покрытия используют в озонаторах в качестве одного из элементов коаксиального конденсатора, либо для уменьшения работы выхода электронов, что не изменяет характер недостатков, присущих коаксиальным конденсаторам. Таким образом, в предлагаемом решении известные признаки выполняют новые функции, и это обеспечивает получение озона в количестве достаточных для использования в промышленных целях, При этом в устройстве отсутствуют высоковольтные источники питания. Существенно уменьшается расход энергии на производство озона. Существенно возрастает производительность. Как отмечено выше, предлагаемое устройство найдет применение в промышленных целях. На чертеже (фиг.) показана принципиальная схема устройства. Трубка 1 из кварцевого стекла заполнена парами ртути 2 и закрыта с обоих концов. Подготовленная таким образом трубка 1 помещена коаксиально в индуктор 3, который вместе с конденсатором 4 образует резонансный контур, соединенный с источником ВЧ напряжения. Индуктор 3 с трубкой 1 коаксиально размещены в кварцевой трубе 5, на наружной поверхности которой нанесено отражающее покрытие 6 из алюминия. Перед трубой 5 размещен вентилятор 7. Устройство работает следующим образом. После включения источника ВЧ напряжения в резонансном контуре, образованном индуктором 3 и конденсатором 4 возникают электромагнитные колебания, энергия которых передается парам 2, помещенным в трубке 1. В результате столкновений частиц, обладающих значительным запасом энергии, полученной от электромагнитного поля индуктора 3, возникает ультрафиолетовое излучение, которое, выходя за пределы трубки 1 и многократно отражаясь от покрытия 6, ионизирует воздух или кислородосодержащую смесь, продуваемую через коаксиально расположенные элементы трубчатого озонатора с помощью вентилятора 7. При частоте 13,56мГц, мощности ВЧ генератора 400Вт/ч, диаметре отражающей диэлектрической трубы 150мм, температуре окружающей среды +15°C производительность по выходу озона составляет 10г/ч. Этот результат можно сравнить с характеристиками серийно выпускаемого озонатора ЭРГО-1, который при том же уровне производительности и потребляемой энергии имеет габариты в мм 502 ´ 401 ´ 566 и массу озонатора 58кг. Таким образом, предлагаемый трубчатый элемент озонатора может служить основой для создания универсальных, малогабаритных, малоэнергоемких озонаторов, которые могут быть использованы во вредных, пожароопасных химических производствах для разложения таких стойких продуктов, какими являются различные типы фенолов, стиролов, толуолов и их производные.