DE3852136T2 - Ozonherstellung durch koronaentladung bei erhöhtem druck. - Google Patents

Ozonherstellung durch koronaentladung bei erhöhtem druck.

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Description

  • Diese Erfindung ist ein Ozongenerierungssystem, das das Verfahren lehrt, sehr hohen Druck in dem Generator zur Erzeugung von Ozon einzusetzen, wobei abhängig von Druck und Temperatur bis zu 50% weniger Energie, verwendet wird als in einem System, das bei Umgebungstemperatur und -druck betrieben wird.
  • Ein Beispiel des Standes der Technik stellt die US-A 2,936,279 dar, die eine Vorrichtung zum Ozonisieren von Sauerstoff beschreibt, die unter Druck stehende Gase enthält.
  • In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Basis-Diagramm eines Ozongenerierungssystems mit Korona-Entladung unter Verwendung von Luft oder Sauerstoff bei Umgebungsdruck. Fig. 2 zeigt ein Basis-Diagramm eines grundlegenden Ozongenerierungssystems mit Korona-Entladung unter Verwendung von Sauerstoff bei Drücken von 20,6 · 10&sup6; N/m² (3000 Pfund pro Quadratinch). Fig. 3 zeigt eine geschnittene Ansicht eines Ozongenerators, der Sauerstoff bei Drücken von 20,6 · 10&sup6; N/m² (3000 Pfund pro Quadratinch) verwendet und Fig. 4 einen Schnitt durch eine Modifikation des Hochdruckozongenerators. Fig. 5 zeigt ein Diagramm der ozongenerierenden elektronischen Pulse.
  • Bei dem Ozongenerierungssystem mit Korona-Entladung gemäß Fig. 1, einem Diagramm einer hohen Wechselspannung, z. B. 10 kV bei 400 Hz, ist der Transformator über eine metallische Elektrode 1a und eine metallische Elektrode 2a, die auf einem Dielektrikum, wie Glas 3a, plattiert ist, angeschlossen. Sauerstoff bei Umgebungsdruck fließt durch den Zwischenraum zwischen dem Glas und den Elektroden 1a und 2a. Die Spannung ist ausreichend hoch, um eine Ionisierung des Sauerstoffs zu bewirken, liegt aber unterhalb des Wertes, bei dem ein Zusammenbruch und Funkenbildung auftritt. Der bei der Ozonerzeugung verbrauchte Strom wird durch einen Strommesser 4a angezeigt. Fig. 2 zeigt die gleiche Vorrichtung wie Fig. 1, welche mit Sauerstoff unter einem Druck von 20,6 · 10&sup6; N/m² (3000 Pfund pro Quadratinch) versorgt wird. Durch Verringerung der über die Elektroden 1b, 2b aufgebrachten Spannung bis der durch den Strommesser 4b angezeigte Strom derselbe ist, wie vorher bei 4a festgestellt, wenn die Vorrichtung mit Sauerstoff bei Umgebungsdruck versorgt wurde, wird der Ozonoutput größer als der Output bei Sauerstoff mit Umgebungsdruck.
  • Die niedrigere Spannung zeigt an, daß der für die Ozonerzeugung erforderliche Strom durch den erhöhten Betriebsdruck verringert wird. Dies wurde für Sauerstoffdrücke von 3,4 x 106 N/m² bis 20,6 · 10&sup6; N/m² (500 bis 3000 Pfund pro Quadratinch) getestet. Es wurde festgestellt, daß je größer der Druck ist, desto größer die Menge des erhaltenen Ozons. Es gibt keinen Grund, warum dieselben Resultate nicht auch mit Sauerstoffdrücken über 20,6 · 10&sup6; N/m² (3000 Pfund pro Quadratinch) erreicht werden sollten.
  • Der Vorteil davon, daß Hochdrucksauerstoff in dem Koronabereich, in dem das Ozon erzeugt wird, vorliegt, liegt darin, daß ohne Änderung irgendwelcher anderer Parameter mehr Ozon pro Wattstunde erzeugt wird. Bei hohem Druck muß die Durchflußrate des Sauerstoffs erhöht werden, ansonsten wird die Korona die Zerstörung des von ihr erzeugten Ozons bewirken. Die Temperatur des Glasisolators erhöht sich ebenfalls, wenn der Gasdruck erhöht wird. Der Grund für diese Temperaturerhöhung liegt darin, daß mehr Energie durch das Glas hindurchgetreten ist und daß der Widerstand über den Hochdruckgasbereich niedriger ist. Der Vorteil ist, daß das Glasisolatordielektrikum sich nicht ändert und daß sein Wechselstromwiderstand im wesentlichen derselbe bleibt. In der Praxis wurde die Hochspannung auf dasselbe Stromniveau abgesenkt, wie beim Betrieb mit niedrigem Gasdruck, und das System verbrauchte weniger Energie in Watt, erzeugte aber mehr Ozon.
  • Fig. 3 ist ein zentraler Längsschnitt des inneren Aufbaus des Hochdruckozongenerators. Dieser Generator besteht aus vier Hauptelementen, einem Behälter 1, einer Abdeckung 10, einem Glas- oder Keramikisolator 12 und einer inneren Metallelektrode 7.
  • Der äußere Behälter 1 besteht aus drei Kühlkammern 2, 3, 4. Die Kammern 2 und 4 sind hermetisch abgedichtet und mit inkompressiblen Flüssigkeiten gefüllt. Kammer 3 ist mit Wasser gefüllt, das die zentrale oder Erdelektrode 7 durch Leitung und Konvektion kühlt - das heiße Wasser verläßt die zentrale Elektrode, in dem es durch die Endplatte 10 aufsteigt, nach unten durch einen Kanal 2b geführt wird und, nachdem es gekühlt wurde, nach Aufströmen durch 5 in die zentrale Elektrode zurücksteigt. Um die Kühlung zu erhöhen, kann eine abgedichtete Pumpe in Linie 2b hinzugefügt werden.
  • Die zweite Kühlkammer 3 entzieht die Hitze sowohl von dem abgedichteten inneren Kühlwasser der Kammer 2 als auch von dem abgedichteten inneren Öl der Kammer 4. Die Kammer 4 mit innerem Öl kühlt und isoliert das Glasrohr 12, welches über einen Abschnitt seiner Außenfläche mit Silber plattiert ist, um eine Hochspannungselektrode 6 neben dem Öl zu schaffen.
  • Das Kühlwasser für die Kammer 3 tritt am Punkt A ein und am Punkt B aus. Diese Kühlkammer liegt zwischen den Ölkühl- und den Wasserkühlkammern 4 und 2. Das Kühlwasser kühlt sowohl das Öl, das die Temperatur des Glasisolationsrohres 12 steuert, als auch das Wasser, das die Temperatur der zentralen Erdelektrode 7 steuert.
  • An dem Boden des Behälterabschnitts 1 ist außerdem ein Druckausgleichsbalg 9 angeschweißt. Dieser Ausgleicher bringt den Wasserdruck in der Erdelektrodenkühlschleife 2 auf denselben Druck wie den Öldruck in der Ölkühlkammer 4 für die Hochspannungselektrode 6.
  • Der zweite Teil 10, die Abdeckung, ist an dem Teil 1 über einen Ring oder Schrauben 11 um ihre Kante gehalten, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die beiden Hochdruckmetallringe der Dichtung 19 dichten den Deckel 10 gegenüber dem Behälter 1 ab. Die Abdeckung 10 richtet außerdem den Glasisolator 12 und die zentrale Elektrode 7 aus.
  • Die Abdeckungsendplatte 10 weist außerdem einen daran befestigten, in das Öl 4 von der Abdeckung 10 vorspringenden Druckausgleichsbalg 8 auf, der den Druck des Hochdrucksauerstoffs auf das Öl überträgt. Die Druckausgleicher 8 und 9 bestehen jeweils aus einem Balg aus dünnem Nickel, der an die Deckplatte 10 bzw. den Boden des Tanks 1 angeschweißt ist. Wird der Druck erhöht, so bildet sich der am Punkt C (in der Abdeckung 10) eintretende Sauerstoff auf, und sowohl 8 als auch 9 werden den Druck ausgleichen, ohne Wasser, Sauerstoff und Öl zu mischen. Der Druck auf den Glasisolator wird nie größer sein als ein Pfund, egal wie hoch der Einlaßsauerstoffdruck am Punkt C ist. In allen Fällen müssen die hermetisch abgedichteten Wasser- und Ölkühlsysteme mit wenig oder gar keiner Luft in jedem System gefüllt sein.
  • Der dritte Teil 12, der Glasisolator, ist in Nuten in der oberen Abdeckung 10 und dem Boden des Behälters 1 befestigt. Die Abdichtung wird durch einen mit Kohlenstoffmehlschmiermittel 18 beschichteten Neoprengummiring an jedem Ende des Rohres erreicht, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Abdichtung muß in der Lage sein, Ozon in Konzentrationen bis zu 12% zu widerstehen. Es ist von großer Bedeutung, daß durch Verwendung der Druckausgleicher weniger Leckageprobleme auftreten, da nur sehr geringer Druck über alle Abdichtungen mit Ausnahme von 19 auftritt. Das Glasrohr 12 weist eine Beschichtung mit einer Silberplatte 8 über seine Außenseiten außer einem freigehaltenen Bereich von 2 Inches an beiden Enden auf. Das Silber ist an einem Draht befestigt, der zu dem zentralen Leiter des Isolators 20 führt. Die Hochspannungsquelle ist an diesen Punkt angeschlossen. Der Behälter 1 ist geerdet. Die innere Metallelektrode 7, das vierte Element, ist zwischen der oberen Abdeckung 10 und dem Boden des Behälters 1 befestigt, wie in Fig. 3 dargestellt. O-Ringe 18 dichten beide Enden ab.
  • Eine Erzeugung des Ozons bei hohen Drücken ist effektiver und erzeugt mehr Gramm Ozon pro Watt. In der US-A 3,719,017 wurden Ozon und Luft oder Sauerstoffmischungen zum Sprühen komprimiert bei Drücken von bis zu 6,88 · 10&sup6; N/m² (1000 Pfund pro Quadratinch). Es wurde festgestellt, daß Ozon nur dann effektiver bei hohen Drücken verwendet werden kann, wenn es bei hohen Drücken erzeugt wurde. Die Kompressionswärme, die beim Pumpen einer Ozongasmischung auf einen hohen Druck erhalten wird, wird nahezu das gesamte Ozon zu einem für eine Sterilisierung nicht verwendbaren Gas zerstören. Ein weiterer Vorteil der Erzeugung von Ozon bei hohem Druck liegt darin, daß es sich beim Entspannen auf einem niedrigeren Druck abkühlt und länger aktiv bleibt.
  • Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform des Ozongenerators weist eine Anzahl von Teilen auf: die metallische äußere Hülle 22 umhüllt den Ozonator und trägt an ihrer Innenfläche einen Wärmetauscher 27, 29, um das Öl 31 zu kühlen, das die innere Elektrode 25 kühlt und das durch die Elektrode den Sauerstoff und das Ozon kühlt, wenn diese zwischen der inneren Elektrode und dem Glasisolator 24 hindurchtreten.
  • Das Öl wird durch Konvektion nach oben durch die innere Elektrode und nach unten durch den Wärmetauscher 27 gekühlt. Eine Pumpe könnte in Reihe bei 37 angebracht werden, um die Durchflußrate zu erhöhen und das Kühlen des Öls von 31 zu verstärken.
  • Die Kunststofform 32 an der Spitze des Ozongenerators dient mehreren Zwecken: sie trägt das obere Ende des inneren Isolators "Q", der an 35 befestigt ist, wobei der Metallring das Element 25 an Ort und Stelle hält. Das Kunststoffelement 32 schafft außerdem einen Durchgang für den Durchfluß durch thermische Konvektion des erwärmten Öls aus der inneren Elektrode heraus zu einem Hochdruckkunststoffrohr 36 auf dem Weg zu dem Wärmetauscher, zurück durch das Rohr 37 und weiter zu der Kunststofform 38, welche das Öl in das Innere der inneren Elektrode 25 zurückführt. Die Teile 32, "Q" und 38 werden alle aus hochwiderstandsfähigem ausgegossenem Teflon hergestellt. Eine Mutter 40 hält über eine Scheibe 41 das Teflonrohr 38 an Ort und Stelle in der unteren Endplatte 42.
  • Zwei O-Ringe 43 werden an jedem Ende des Ozongenerators dazu verwendet, eine Abdichtung zwischen dem Kühlwasserraum 44 und dem Gasraum 45 zu schaffen, um den Glasisolator 24 zu tragen und zu schützen, der eine leitende Beschichtung 46 an seiner äußeren Oberfläche aufweist, um als äußere Elektrode zu dienen. Zwei weitere O-Ringe 43 dichten die äußere Hülle 22 gegenüber der oberen Platte 47 und der Bodenplatte 42 ab, um eine Leckage des Kühlwassers 44 zu vermeiden. Die komplette Einheit wird über einen Ring von sechs Durchgangsbolzen 49 zusammengehalten, welcher außerdem Druck auf die O-Ringe 43 ausübt, um leckagedichte Abdichtungen zu gewährleisten.
  • Beim Betrieb wird Luft oder Sauerstoff durch das Einlaßfitting 50 in die Einheit gepumpt und tritt dann durch einen Korona-Auslaß zwischen der inneren Elektrode 25 und dem Isolator 24 hindurch, wobei Ozon in dem "P"-Bereich gebildet wird. Die erhaltene Sauerstoff/Ozon-Mischung wird aus der Einheit durch das Fitting 51 am Boden der Einheit abgelassen. Das Kühlwasser tritt am Punkt 52 ein und am Punkt 53 aus.
  • Der Vorteil des Ozongenerators gemäß Fig. 4 liegt darin, daß das Äußere 22 auf Erdpotential liegt, und daß der Glasisolator 24 wassergekühlt ist, und daß seine an das Kühlwasser angrenzende Außenfläche ebenfalls auf Erdpotential liegt. Die Verwendung von Wasser als Kühlmittel für das Glas ist wirksamer als die Verwendung von Öl. Der Ozongenerator gemäß Fig. 4 kann auch so aufgebaut sein, daß er bei hohen Drücken betrieben werden kann, indem dasselbe Verfahren wie bei Fig. 3 verwendet wird. Es wäre lediglich notwendig, das gesamte System so auszuführen, daß es 20,6 · 10&sup6; N/m² (3000 Pfund) widerstehen kann, und einen Ausgleichsbalg in Teil "N" in der inneren Elektrode in Fig. 4 einzusetzen und außerdem einen Ausgleichsbalg bei 29 in die Wand zwischen dem Öl und dem Kühlwasser hinzuzufügen. Das Kühlwasser für ein Hochdrucksystem wäre ein geschlossenes System, wobei das Wasser von 53 in Fig. 4 zu einem nicht dargestellten Wärmetauscher zurück zu 52 gepumpt würde. In dem Wasserkühlsystem sollte keine Luft verbleiben. Dieses Kühlsystem muß so ausgeführt sein, daß es denselben Druck aushalten kann, mit dem der Sauerstoff dem Ozongenerator zugeführt wird. Der Wasser- und Öldruck wird nun mit dem Rest des Systems wie für den Ozongenerator gemäß Fig. 4 ausgeglichen.
  • Der in Fig. 4 dargestellte Ozongenerator ist eine elektrostatische Vorrichtung. Dieser Generator wird durch einen Aufwärtstransformator (Output über 23 kV) angetrieben, welcher im Gegenzug über eine Gleichstromzufuhr (120-160 V) angeregt wird, der bei einer Frequenz im Bereich von 400 bis 1500 Hz zerhackt wird, um einen Zug konstanter Spitzenspannungsspitzen zu erzeugen, wie in Fig. 5 dargestellt. Je höher die Spannungsspitzenfrequenz ist, desto größer wird der Ozonoutput sein.
  • Es gibt eine Anzahl von Vorteilen dieses neuen Ozongenerators. Wie in Fig. 4 dargestellt, liegt die äußere, metallische Hülle 22 des Generators auf Erdpotential. Das elektrostatische Antriebssystem ist so ausgestaltet, daß lediglich die 120-160 V Gleichstromzufuhr und das Hochspannungsende des Aufwärtstransformators über Erde liegen.
  • Der Antriebsoszillator und die Steuerschaltkreise sind jeweils nicht mehr als 25 V über Erde. Dieses System ist transformatorgekoppelt mit den Hochleistungs-SCR's, die den 120- 160 V Gleichstrom zerhacken, welcher den Hochspannungstransformator antreibt. Der Ozongenerator ist wassergekühlt, wobei das Wasser den Glasisolator 24 direkt berührt. Die innere Elektrode 25 aus rostfreiem Stahl ist über den Öl/Wasser- Wärmetauscher 27 an der inneren Fläche der äußeren Hülle 22 ölgekühlt, um das Öl zu kühlen. Um ein effektiveres Abkühlen des Öls von der inneren Elektrode 25 zu erreichen, können Rippen auf der Innenseite von 29 vorgesehen sein.
  • Ein weiterer Vorteil unserer Ausgestaltung liegt darin, daß ein höherer Betriebsdruck verwendet werden kann, der mehr Ozon pro Einheit der aufgebrachten Energie erzeugen wird. Da das Kühlwasser den Glasisolator umgibt, kann der Sauerstoff mit hohem Druck zugeführt werden, der Isolator 24 muß dann aufgeladen werden durch Zusammenpressen mittels des Kühlwassers bei einem Druck, der etwas höher ist, als der verwendete Sauerstoffdruck. Der Wasserdruck wird dem Druck des Gases im Inneren des Glasisolators entgegenwirken. Auf den Isolator wird lediglich der Differenzdruck des Wassers und des Sauerstoffs wirken. Ein Sauerstoffdruck von 20 Atmosphären oder mehr kann aufgebracht werden, solange das Kühlwasser auf demselben oder etwas höherem Druck gehalten wird. Die Druckdifferenz zwischen dem Öl bei 31 und dem Sauerstoff beim Arbeiten mit Hochdrucksauerstoff im Bereich von 45 kann durch Hinzufügen eines Druckausgleichers am Punkt "N" zwischen dem Öl und dem Hochdruckgas für den Ozongenerator gemäß Fig. 4 gelöst werden, wie in Fig. 3 an den Punkten 8 und 9 dargestellt ist. Bei einer Verwendung dieser Technik kann keine Luft in dem Kühlölkreislauf vorhanden sein. Für Hochdruckbetrieb müssen die Öl- und Wasserkühlsysteme so ausgebildet sein, daß sie sich bei einem Druckwechsel nicht bewegen.

Claims (10)

1. Ozongenerator mit ersten und zweiten voneinander beabstandeten Elektroden (6, 7), Mitteln zur Erreichung einer Koronaentladung von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode und Mitteln für den Fluß von Sauerstoff oder einen Sauerstoff enthaltenden Gas bei einem Druck, der größer ist als der Atmosphärendruck, durch den Koronaentladungsbereich, gekennzeichnet durch eine erste hermetisch abgedichtete Kammer (2), die mit einer ersten unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit gefüllt ist und in Wärmeaustauschverbindung mit der ersten Elektrode (7) steht, eine zweite hermetisch abgedichtete Kammer (4), die mit einer zweiten unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit gefüllt ist und in Wärmeaustauschverbindung mit der zweiten Elektrode (6) steht, flexible Begrenzungsmittel (8, 9) für das Ausgleichen oder Ausbalancieren von Druck der Kühlflüssigkeiten und des Eingangsgases, wobei das Eingangsgas unter einem Druck von etwa 3,44 · 10&sup6; N/m² (500 psi) bis etwa 6,89 · 10&sup7; N/m² (10000 psi) der Koronaentladungsfläche zugeführt wird.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) auf einem Isolator (12) angeordnet ist.
3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Katalysatorplatin oder -eisenoxid auf den Elektroden (6, 7) aufweist, um die Herstellung von Ozon pro Energieeinheit zu erhöhen.
4. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Rohr aus Isoliermaterial für den Durchgang des Sauerstoff enthaltenden Gases aufweist.
5. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden (6, 7) konzentrische Rohre sind, die radial voneinander beabstandet sind, um einen Durchgang zu schaffen, durch den der Sauerstoff oder das Sauerstoff enthaltende Gas fließt.
6. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Kühlkammer (3) zwischen der ersten und der zweiten Kammer (2, 4) vorgesehen ist, wobei ein drittes Fluid durch die dritte Kühlkammer (3) fließt und in Wärmeaustauschverbindung mit den ersten und zweiten Kammern (2, 4) steht.
7. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hermetisch abgedichteten Kammern (2, 4) geschlossene Schleifen sind, wobei Abschnitte der Schleifen in Wärmeaustauschverbindung mit den Kühlmitteln (3) stehen.
8. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zum Aufbringen des Druckes des Gases auf die Flüssigkeit wenigstens einer der Schleifen aufweist.
9. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) auf der äußeren Fläche des Isolierrohres (12) angeordnet ist, wobei gegenüberliegende Enden mit den Enden oder Kopfabschnitten (10) eines Druckkessels (1) versiegelt sind, und durch einen Einlaß (C) für Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltendes Gas unter Druck an einem Ende des Rohres (12) und einen Auslaß (D) für Ozon an dem anderen Ende des Rohres (12) liegt, wobei das Isolierrohr (12) dem Berstdruck des Gases ausgesetzt ist, und eine nach außen von dem Isolierrohr (12) beabstandete und mit den Kopfabschnitten versiegelte ringförmige Wand ist, wodurch eine Kammer (4) für eine Kühlflüssigkeit für das Glasrohr geschaffen wird, und durch einen Balg (8), der mit der Kammer für die Übertragung von Druck von dem Gas auf die Kühlflüssigkeit versiegelt ist, um den Berstdruck an dem Glasrohr auszugleichen.
10. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden (6, 7) konzentrische Rohre sind, wobei das innere Rohr aus Metall besteht und das äußere Rohr ein auf seiner Außenseite mit einem Leiter beschichteter Isolator ist, wobei der Leiter die zweite Elektrode (6) und die Hochspannungselektrode ist, und wobei das innere Metallrohr die erste Elektrode (7) und geerdet ist.
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