DE2314398B2 - Einrichtung zur Erzeugung von Ozon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Ozon nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ozon läßt sich mittels Hochspannungsentladung erzeugen. Zur Erzielung einer stillen Entladung ohne Lichtbogen und damit geringerer Wärmebildung erfolgt die Entladung in Luft, die sich zwischen einer Metallelektrode und einem dielektrischen Element, normalerweise Glas, befindet. Auf der der Luft abgewandten Seite des Dielektrikums ist eine zweite Elektrode angeordnet Diese kann eine leitende Flüssigkeit sein; normalerweise wird Wasser verwendet. Das Dielektrikum dient der Erzielung einer stillen Entladung. Bei zwischen den Elektroden anliegender Spannung wird auf der Oberfläche des Dielektrikums eine elektrische Ladung gespeichert, so daß die Entladung aufhört, sobald sich an dem Dielektrikum ein Potential ausgebildet hat. Es ist daher notwendig, die Elektroden mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen.

Die erzeugte Ozonmenge ist proportional der Entladungsfläche und der Leistungsdichte in der Entladung. In dem Gas wird nahezu die gesamte elektrische Energie in Form vcn Wärme verbraucht Wird die Leistungsdichte erhöht, so wird die Luft erwärmt und das Ozon dissoziiert Deshalb wurden bisher Einrichtungen mit sehr großen Entladungsflächen verwendet Bei den großen Ozoomengen, die für viele industrielle Anlagen erforderlich sind, führt dies zu Einrichtungen, die bei hohen Konstruktionskosten sehr umfangreich und aufwendig sind.

ίο Die Elektroden großer Ozongeneratoren wurden früher mit Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz gespeist Durch Anwendung einer höheren Frequenz wird es möglich, die Entladungsfläche zu verkleinern, da die Leistungsdichte der Entladung erhöht werden kann.

is Eine Einrichtung der eingangs in bezug genommenen Art ist aus der amerikanischen Patentschrift 34 96 092 bekannt Bei dieser bekannten Einrichtung wird der Gleichrichter vom Ausgang eines Spartransformators mit einer vehältnismäßig niedrigen Spannung gespeist Demzufolge führen auch die Spannungsleitungen eine relativ niedrige Spannung. Mit diesen Spannungsleitungen sind die beiden in Reihe liegenden Schalter nicht direkt, sondern beidseitig über eine Induktivität verbunden. Zwischen dem Bezugspunkt und dem Verbindungspunkt der beiden Schalter ist die Parallelschaltung aus einer Kondensatorkette uncJ der Primärwicklung eines Aufwärtstransformators geschaltet Die Kondensatorkette ist umschaltbar. Die Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators, an der erstmalig eine Hochspannung auftritt, ist direkt mit den beiden Elektroden des Elektrodenpaares verbunden. Die Schalter in Form von Thyristoren werden bei der bekannten Einrichtung durch jeweilige Steuerimpulse abwechselnd leitend geschaltet und durch Kommutierung wieder gesperrt Für diese Kommutierung sind die erwähnten Induktivitäten und die Kondensatorkette verantwortlich, die auch die im Tonfrequenzbereich liegende Frequenz der der Primärwicklung des Aufwärtstransformators zugeführten Wechselspannung bestimmen. Es handelt sich hierbei also im wesentlichen um einen selbstgeführten Wechselrichter, dessen Ausgangsfrequenz nur in ganz bescheidenem Umfang durch Umschaltung der Kondensatoren der Kommutatorschaltung veränderlich ist.

Die Tatsache, daß bei der bekannten Einrichtung die Hochspannung mit Hilfe eines Abwärtstransformators erst hinter den Schaltern erzeugt wird, führt zum einen dazu, daß zwei Transformatoren erforderlich sind. Zum anderen ist die von der Sekundärwicklung des

so Aufwärtstransformators an die Elektroden des Elektrodenpaares angelegte Spannung zumindest annähernd sinusförmig. Nun arbeitet die Ozoneinrichtung aber vorzugsweise im Bereich der stillen Entladung, für die eine bestimmte Spannungshöhe wechselnder Polarität erforderlich ist Wird im Fall des erwähnten Standes der Technik die Scheitelspannung gleich oder nur etwas größer als die erforderliche Spannung gemacht, dann tritt die gewünschte stille Entladung nur jeweils eine sehr kurze Zeit pro Halbperiode auf. Wird jedoch andererseits die Scheitelspannung zur Verlängerung dieser Zeit gegenüber der erwünschten Spannung wesentlich erhöht, dann ergeben sich zum einen größere Probleme hinsichtlich der Isolation und zum anderen die Gefahr von Funkenentladungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so auszugestalten, daß sich bei einfachem Aufbau an den Elektroden des ElektrodenDaares eine Soannune

einstellbarer Frequenz und von der Sinusform abweichendem Verlauf erzielen läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemä? durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst

Gemäß dieser Lösung wird die Hochspannung bereits mit Hilfe des dem Gleichrichter vorgeschalteten Transformators erzeugt Das Elektrodenpaar kann dann direkt zwischen dem Bezugspunkt und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern geschaltet werden, wobei sowohl die Frequenz als auch die Form der so an die Elektroden angelegten Spannung von den Steuerimpulsen für die Schalter bestimmt werden. Es ergibt sich auf diese Weise ein fremdgeführter Wechselrichter, der auf die Kommutatorinduktivitäten und -kapazitäten verzichten kann.

Die auf diese Weise einstellbare Frequenz der die Elektroden speisenden Wechselspannung führt zu dem besonderen Vorteil, daß die erzeugte Ozonmenge durch Frequenzänderung geändert werden kann. Die Frequenz kann leicht innerhalb eines großen Bereichs, beispielsweise von 50 Hz bis zu 20 kHz, eingestellt werden, indem die Frequenz der Steuerimpulse vom Impulsgenerator entsprechend vorgegeben wird. Dabei bleibt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Wirkungsgrad innerhalb des gesamten Frequenzbereichs praktisch konstant Die Steuerimpulse hab en eine relativ niedrige Spannung, und es ist leicht möglich, Niederspannungsimpulse kurzer Dauer mit einstellbarer Frequenz innerhalb eines weiten Frequenzbereichs zu erzeugen. Die maximale Betriebsfrequenz hängt von der Zeit ab, nach der sich die Entladung im Ozongenerator selbst löscht Die Steuerimpulse müssen kürzer als eine halbe Periodendauer dieser maximalen Frequenz sein.

Die beiden Schalter können mechanische Schalter oder Vakuumschalter sein. Vorzugsweise handelt es sich um gittergesteuerte Gasentladungsanordnungen, beispielsweise um Thyratrons. Zwischen die beiden Hochspannungsleitungen und den vorzugsweise auf Massepotential liegenden Bezugspunkt können zwei Speicherkondensatoren geschaltet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch die Elektrodenanordnungen einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 bis 5 vier Diagramme zur Erläuterung von Abänderungen der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung, und

F i g. 6 die elektrische Schaltung zur Zuführung einer geschalteten Gleichspannung an die Elektroden.

In F i g. 1 ist eine Elektrodeneinrichtung für einen Ozongenerator großer Kapazität dargestellt, die mehrere konzentrische Elektrodenanordnungen umfaßt Jede Elektrodenanordnung hat eine innere Metallelektrode 10, die koaxial innerhalb einer dielektrischen Röhre 11 angeordnet ist und vorteilhaft aus Edelstahl oder Aluminium besteht. Die dielektrischen Röhren 11, die aus einem wärmebeständigen Soda-Aluminiumoxid-Borsilikatglas bestehen, sind mittels Polytetrafluoräthylendichtungen (PTFE) 12 in Metallplatten 13 und 14 angeordnet, die die obere und untere Abschlußwandung eines zylindrischen Behälters 15 bilden, der vorteilhaft aus Edelstahl besteht. Dieser Behälter 15 enthält eine leitfähige Kühlflüssigkeit, beispielsweise Leitungswasser, das durch die in d£m Behälter 15 gebildete Kammer zirkuliert Es wird sn Eintrittsöffnun^aen 16 nähe dem Boden der Kammer zugeführt und verläßt diese an Austrittsöffnungen 17. Dieses Kühlmittel bildet eine gemeinsame flüssige Elektrode für alle Elektrodenanordiidngen. Die Dichtungen 12 bilden Wasserabdichtungen in den Abschlußplatten 13 und 14. Die Wandungen der Kammer 50-Hz-Transformators geerdet, wie dies bei 18 angedeutet ist

Die inneren Metallelektroden 10 sind mittels Dichtungen 20 in Bohrungen eingesetzt die in die Abschlußplatten 21 und 22 aus Edelstahl eingebracht sind. Diese Platten sind den Abschlußplatten 13 und 14 nachgeordnet und tragen Kappen 23 und 24, die an ihnen befestigt sind. Das Kühlmittel für die inneren MetaJlelektroden wird über eine Eintrittsleitung 25 in den Innenraum der Kappe 24 und von dort aus nach oben durch die inneren Röhren 10 hindurch in den Innenraum der oberen Kappe 23 geführt Dann wird es durch die Austrittsleitung 26 wieder abgeführt Das sauerstoffhaltige Gas, normalerweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff, wird durch eine Eintrittsöffnung 29 in den Bereich zwischen den oberen Abschlußplatten 13 und 21 geführt und gelangt dann nach unten durch den ringförmigen Bereich zwischen den beiden Röhren 10 und 11 in den Bereich zwischen den beiden unteren Abschlußplctten 14 und 22. Von dort aus wird es durch die Austrittsöffnung 19 wieder abgeführt Die inneren Metallelektroden werden elektrisch abwechselnd mit einer positiven und einer negativen Spannung einstellbarer Frequenz gespeist, die von einer Hochspannungsquelle 31 variabler Frequenz zugeführt wird. Um eine Bogenbildung oder Entladungsfäden an den Punkten zu verhindern, wo die inneren Metallelektroden 10 durch die Bohrungen in den Abschlußplatten 13 und 14 hindurchgeführt sind, ist der Entladungsspalt durch eine Verringerung des Durchmessers der inneren Metallröhren 10 an dieser Stelle vergrößert

Das leitfähige Kühlmittel bildet eine der Elektroden und kühlt das Dielektrikum. Dieses Kühlmittel ist elektrisch geerdet wie dies bei 18 angedeutet ist. Hierzu wird die elektrische Verbindung mit dem Metallbehälter 15 ausgenutzt

Die inneren Elektroden 10 werden über eine Leitung 32 gespeist die durch die obere Metallkappe 23 geführt ist Sie ist an die Spannungsquelle 31 angeschaltet, die typischerweise ein Hochfrequenzgenerator mit einer Frequenz von 1 bis 20 kHz sein kann. Dieser Generator enthält, wie noch anhand der F i g. 6 beschrieben wird, •einen hinsichtlich seiner Frequenz regulierbaren Triggerimpulsgenerator zur Triggerung zweier Thyratrons. Diese Thyratrons verbinden die inneren Elektroden 10 abwechselnd mit positiver und negativer Spannung an Leitungen, die auf Gleichspannungen von beispielsweise 20 kV gegenüber Erdpotential gehalten werden. Diese Leitungen können über einen Gleichrichter gespeist werden, der die Spannung an der Sekundärwicklung eines 50-Hz-Transformators gleichrichtet welcher wiederum an das Stromversorgungsnetz angeschlossen ist. Der äußere Behälter 15 ist elektrisch gegenüber der oberen Kappe 23 durch den Anschlußteil für die Luftströmung zwischen den Abschlußplatten 13 und 21 isoliert, gegenüber der unteren Kappe 24 durch den Anschlußteil zwischen den Abschlußplatten 14 und 22. Die Höhe der leitfähigen Flüssigkeit, die die dielektrischen Röhren 11 umgibt bestimmt die obere Grenze des Entladungsraums, so daß diese wiederum von der Höhe der Austrittsleitungen 17 bestimmt ist.

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Metallröhren 10 eine Hochspannung gegenüber Erdpotential, so daß auch das Kühlmittel innerhalb der oberen und unteren Kappe eine Hochspannung führt, falls es elektrisch leitfähig ist. Es ist möglich, ein elektrisch nichtleitendes Kühlmittel zu verwenden oder ein Kühlmittel in einem geschlossenen Weg durch einen Wärmetauscher zu führen, der aus elektrisch isolierendem Material besteht. Es ist jedoch günstig, Wasser als Kühlmittel zu verwenden, beispielsweise normales Leitungswasser. In diesem Fall kann das Kühlmittel durch lange Röhren aus isolierendem Kunststoffmaterial mit geringem Durchmesser geführt werden. Die Röhren können leicht so ausgeführt sein, daß der Widerstand des Wassers in ihnen einen vernachlässigbaren Leistungsverlust zur Folge hat.

Die Metailelektroden 10 sind möglichst dünn ausgeführt, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten. Sie haben jedoch auch eine ausreichende Stabilität. Die Glasröhren 11 sind gleichfalls möglichst dünn auszuführen, um gute Wärmeübertragung zu gewährleisten, jedoch sind auch sie ausreichend stabil. Die Leistungsdichte der Entladung kann durch Einstellung der steuernden Frequenz in noch zu beschreibender Weise geändert werden.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Konstruktion befinden sich die Metallröhren 10 innerhalb der Glasröhren 11. Es ist jedoch möglich, die Glasröhren innerhalb der Metallröhren anzuordnen. In F i g. 1 ist ferner die flüssige Elektrode geerdet, während die Metallröhren 10 Hochspannung führen. Es kann jedoch auch eine umgekehrte Anordnung vorgesehen sein. Es sind also vier mögliche Ausführungsformen hinsichtlich geerdeter Elektrode und jeweils innen angeordneter Röhre möglich. Diese Ausführungsformen sind in Fig.2, 3, 4 und 5 dargestellt

F i g. 2 zeigt das Prinzip der in F i g. 1 dargestellten Konstruktion. Eine Glasrohre 40 ist außerhalb einer Metaüröhre 41 angeordnet, die mit der Hochspannungsquelle 42 verbunden ist Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die flüssige Elektrode, die sehr leitfähig sein muß, geerdet ist und somit keine Probleme bei der Verwendung kontinuierlich strömenden Wassers entstehen. Es sei darauf hingewiesen, daß Ozongeneratoren insbesondere zur Bearbeitung von Wasser und wäßrigen Flüssigkeiten dienen und daß in derartigen Anlagen Wasser für Kühlzwecke leicht zur Verfügung steht

F i g. 3 zeigt eine Konstruktion, bei der eine Glasrohre 50 innerhalb einer Metallröhre 51 angeordnet ist, welche bei 52 mit der Hochspannungsquelle verbunden ist Verglichen mit der Konstruktion nach F i g. 1 erleichtert diese Anordnung ein Entfernen und Auswechseln der Glasröhren. Zur Erhöhung der Breite des Luftspaltes an den Enden des Entladungsbereiches ist es jedoch erforderlich, entweder die Glasröhren enger auszuführen oder die Metallröhren mit einem größeren Durchmesser zu versehen.

Fig.4 zeigt eine Konstruktion, bei der eine Metallröhre 60 innerhalb eines Glasrohre 61 angeordnet ist Die Metallröhre 60 ist bei 62 geerdet, und die das Dielektrikum umgebende flüssige Elektrode muß das geschaltete hohe Potential führen. Fig.5 zeigt eine Glasrohre 70 innerhalb einer Metallröhre 71, wobei wieder die flüssige Elektrode das hohe Potential führt Bei der Anordnung nach F i g. 4 und 5 ist der elektrische Kontakt zwischen der flüssigen Elektrode und dem Glas kritischer als bei einer Verbindung der Glasfläch« dauernd mit Erdpotential. Für Ozongeneratoren hohei Leistung kann es erforderlich sein, ein oder mehren metallische Kontaktelemente an der Glasrohre an zuordnen.

In Fig.6 ist der Ozongeneratoi' in Form eine! Rechtecks 110 mit zugeordneten elektrischen Schaltungen dargestellt. Der Ozongenerator enthält zwe Elektroden 111 und 112, zwischen denen sich eine

ίο Schicht aus dielektrischem Material 113 befindet

Eine der Elektroden, beispielsweise die Elektrode 111 ist bei 114 mit Erde verbunden. Die andere Elektrode 112 ist mit der Kathode 115 eines Thyratrons 116 und mit der Anode 117 eines Thyratrons 118 verbunden. Die Anode 119 des Thyratrons 116 ist mit einer eine positive Gleichspannung führenden Leitung 120 verbunden, die Gleichspannung hat beispielsweise einen Wert von 20 kV gegenüber Erdpotential. Die Kathode 121 des Thyratrons 118 ist mit einer ein negatives Potential führenden Leitung 122 verbunden, wobei dessen Wert bei — 2OkV gegenüber Erdpotential liegen kann.

Speicherkondensatoren 123 und 124 sind zwischen die Leitungen 120 und 122 und Erde geschaltet

Die Leitungen 120 und 122 erhalten ihr jeweiliges Potential durch eine Wechselstromquelle 125, die über einen Aufwärtstransformator 126 und einen Gleichrichter 127 angeschlossen ist, welcher Gleichspannungen gegenüber Erde liefert. Schematisch ist ein Einphasentransformator dargestellt, für große Ozongeneratoren kann jedoch auch eine Dreiphasenstromversorgung vorgesehen sein, die einen beispielsweise beidseitig in Sternschaltung betriebenen Dreiphasentransformator und einen DreiDhasengleichriclhter enthält Solche Gleichrichtersysteme sind bekannt und werden daher nicht weiter beschrieben.

Die Steuergitter 130 und 131 der Thyratrons 116 und 118 sind mit einer Steuerimpulsquelle 132 verbunden. Diese enthält einen hinsichtlich seiner Frequenz variablen Generator, der abwechselnd Impulse kurzer Dauer auf den Leitungen 133 und 134 liefert, welche mit den beiden Steuergittern 130 und 131 verbunden sind. Die Dauer der Ausgangsimpulse ist geringer als eine halbe Periodendauer bei der maximalen Betriebsfrequenz. Die Frequenz wird durch die Frequenzsteuerung 135 eingestellt Diese kann manuell betrieben werden, im allgemeinen handelt es sich jedoch um eine automatisch arbeitende Einrichtung, die die Frequenz entsprechend einem gemessenen Parameter einstellt, welcher aus einer den Ozon nutzenden Einrichtung

so abgeleitet werden kann. Beispielsweise ist es möglich, die abgegebene Ozonmenge mittels eines dem Ozongenerator nachgeordneten Ozondetektors zu steuern, so daß die Ozonkonzentration an dessen Ausgang auf einem gewünschten Wert gehalten wird. Wenn jedoch der Ozon in einer Behandlungsanlage für Wasser oder wäßrige Flüssigkeiten verwendet wird so kann die Steuerung auch durch Messungen des behandelten Materials erfolgen, wodurch sich dann eine Regelschleife ergibt

Die vorstehend beschriebene elektrische Schaltung ermöglicht die Zuführung praktisch konstanter Spannungsimpulse wechselnder Polarität an die Elektroden des Ozongenerators, wobei gleichzeitig eine Steuerung der Betriebsfrequenz innerhalb eines sehr weiten Frequenzbereichs möglich ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung von Ozon mit mindestens einem Elektrodenpaar, zwischen dessen Elektroden sich sauerstoffhaltiges Gas und dielektrisches Material befinden, und mit einer Vorrichtung zur Speisung der Elektroden mit einer Wechselspannung über einen Transformator, einen Gleichrichter und eine Schaltervorrichtung, bei der eine positive und eine negative Spannungsleitung von dem mit dem Ausgang des Transformators verbundenen Gleichrichter mit einem bezüglich eines Bezugspunktes positiven bzw. negativen Potential gespeist werden, und bei der ein erster und ein zweiter Schalter in Reihenschaltung an die beiden Spannungsleitungen angeschlossen sind, und abwechselnd jeweils durch einen elektrischen Steuerimpuls von einem Impulsgenerator leitend steuerbar sind, wobei die das Elektrodenpaar beaufschlagende Spannung von der Spannung zwischen dem Bezugspunkt und dem Verbindungspunkt beider Schalter abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator ein Aufwärts-Transformator (126) ist, daß eine Elektrode (111) des Elektrodenpaares direkt mit dem Bezugspunkt (114) und die andere Elektrode (112) direkt mit jeweils einem Anschluß (115,117) der beiden Schalter (116, 118) verbunden ist, daß ein jeweiliger anderer Anschluß (119, 121) der beiden Schalter direkt mit einer anderen der Hochspannungsleitungen (120, 122) verbunden ist und daß Steueranschlüsse (130, 131) der beiden Schalter mit einem Impulsgenerator (132,135) steuerbarer Frequenz verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (116,118) Thyratrons sind.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (132) zwei Steuerimpulszüge für die beiden Schalter (116, HS) mit einer zwischen ca. 50 Hz und 20 kHz einstellbaren Frequenz liefert.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugspunkt (114) auf Erdpotential liegt