DE7807214U1

DE7807214U1 - Einrichtung zur ozonerzeugung

Info

Publication number: DE7807214U1
Application number: DE19787807214
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-02-14
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1979-12-20
Also published as: FR2423439A1; GB2014419A; JPS54110998A; DE2810327A1; BR7900844A; NL7901057A

Description

BBC Baden ·· :"": i'V." '·-■-.". ^2O/?⁸

-H-

Einrichtung zur Ozonerzeugung

Ozon wird als starkes Oxydationsmittel auf vielen Gebieten mit zunehmendem Bedarf eingesetzt: Trinkwasserbehandlung, Abwasserreinigung, Luftverbesserung, Medizin, Chemie, Lebensn ttelindustrie.

Die heute technisch eingesetzten Ozonisatoren arbeiten durchwegs mit dem I857 von W. von Siemens entwickelten Wechselstrom-Entladungsrohr mit Dielektrikum. Diese Technologie ist inzwischen intensiv weiterentwickelt worden und hat einen hohen Optimierungsstand erreicht. Die heutigen Ozonisatoren werden meist mit (sinusförmigem) 50 Hz-Wechselstrom betrieben. In neuerer Zeit werden zur Verbesserung der Ozonausbeute Wechselspannungen höherer Frequenz und verschiedener Wellenformen verwendet (vgl. z.B. US-PS 4,016,ΟβΟ oder DE-OS 26 10 809).

Die Erzeugung von Ozon mittels Gleichstromentladungen (Koronaentladung) ist aus Laborversuchen bekannt. P. Imris gibt in der deutschen Offenlegungsschrift 25 39 715 einen Ozongenerator, der mit der Gleichstromkoronaentladung arbeitet, an, der auch für industrielle Anwendungen bestimmt ist.

Bei diesem bekannten Ozonerzeuger wird die normale Koronaentladungszone durch sogenannte bipolare Elektroden unterbrochen, die zwischen einer auf Erdpotential und einer auf Hochspannungspotential liegenden Elektrode angeordnet sind, und elektrisch zu- und ableitungsfrei sind.

Nach den Aussagen der Offenlegungsschrift wird durch die Zwischenschaltung der bipolaren Elektrode der Bereich der

BBC Baden ·; ;"· .".'··'. ·":.■·. 20/78

Korona, in dem die Ozonbiläung im wesentlichen erfolgt, verlängert <,

Ausgehend von diesem bekannten Ozonerzeuger liegt der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Ozonerzeugung zu schaffen, die eine optimale Ozonausbeute ermöglicht und technisch und wirtschaftlich einfach herstellbar ist.

Der Erfindung liegen dabei folgende physikalische Ueberlegungen zugrunde: Zur Erzeugung des Ozonmoleküls (0,) muss zunächst das relativ stabile Sauerstoffmolekül (0_) gespalten werden. Dies erfolgt in der heissen Entladung durch Elektronenstoss. Das aus 0_? und 0 gebildete Ozonmolekül zerfällt sehr schnell bei erhöhter Temperatur und kann deshalb nur ausserhalb der Entladung existieren. Durch die erfindungsgemässe Anordnung und Ausbildung der Elektroden bzw. der Trennwand wird erreicht, dass infolge der sich in unmittelbarer Umgebung der Entladung einstellenden Gasströmungen eine vergleichsweise dünne Grenzschicht zwischen Lichtbogen und umgebendem Gas einstellt. Dies wiederum hat zur Folge, dass das gebildete Ozon sehr rasch abgekühlt wird.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind zwei grundsätzliche Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes gekennzeichnet. Während im Anspruch 2 eine mit Durchbrüchen versehene Trennwand aus Isoliermaterial zur Beeinflussung der Gasströmung an den Entladungen dient, ist in der Ausführungsform nach Anspruch 3 eine der Elektroden Trennwand und Gasführungsmittel zugleich.

Die in den Ansprüchen M bis S gekennzeichneten Weiterbildüngen des Gegenstandes des Anspruchs 3 unterscheiden sich im wesentlichen in der Ausbildung der den Entladungs- bzw.

Reaktionsraum begrenzenden Elektroden und der Anordnung der Durchbrüche. Nach Anspruch U bildet der zwischen den beiden Elektroden liegende Raum den Entladungs- bzw. Reaktionsraum. Der zwischen der anderen Gehäusewandung und der mit Vorsprün gon versehenen Elektrode verbleibende Raum ist Gaszufuhr oder Gasabfuhrraum, je nachdem, ob in diesen das zu behandelnde sauerstoffhaltig Gas eingeleitet, oder das behandelte, nunmehr mit Ozon angereicherte Gas abgeführt wird. Entsprechendes gilt für die Weiterbildung der Erfindung ge mäss Anspruch 5 für den Raum zwischen Gehäusewandung und der mit Durchbrochen versehenen Elektrode.

In der Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes gemäss Anspruch 6 sind beide Elektroden von den Gehäusewandungen beabstandet und über die Durchbräche in den Elektroden mit dem Reaktions- bzw. Entladungsraum verbunden. Jeweils einer der Räume dient als Gaszufuhr- der andere als Gasabfuhrraum und umgekehrt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn entsprechend der Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes beide Elektroden auf den einander zugewandten Flächen mit Vorsprüngen, die vorzugsweise mindestens eine Kante und/oder eine Spitze aufweisen, versehen sind, da auf diese Weise geeignete Feldinhomogenitäten zur Stabilisierung der Entladung im Entladungs- bzw. Reaktionsraum erzeugt werden können.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind

die Vorsprünge den Durchbrüchen in der bzw. den Elektroden unmittelbar benachbart; vorzugsweise umranden die Vorsprünge die Durchbrüche und umgekehrt. Dies ermöglicht eine sehr direkte An- bzw. Abströmung der sich zwischen den Elektro den ausbildenden Koronaentladungen, was sich wiederum auf die erzielbare Ozonausbeute vorteilhaft auswirkt.

BBC Baden

- 7

Bei der in Anspruch 10 gekennzeichneten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist mindestens eine der Elektroden mit Vorsprüngen versehen, die sich im Bereich der Durchbrüche in der zwischen den Elektroden angeordneten Trennwand aus Isoliermaterial befinden und welche Vorsprünge durch diese Durchbrüche hindurchreichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erste Aus führung s form der Ei-findung in stark schematisierter Darstellungsweise,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. i» eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die als Kombination der Elektrodenanordnungen nach den Figuren 2 und 3 anzusehen ist,

Fig. 5 die Kaskadenschaltung zweier Ozonerzeuger nach Fig. 1,

Fig. 6 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Ozonerzeugers, der auf dem in Fig. ¹^ veranschaulichten Konstruktionsprinzip basiert.

In Fipr. 1 liegt zwischen zwei sich annähernd parallel zueinander erstreckenden Elektroden H₁ und H₂ ein Entladungs bzw. Reaktionsraum E. Die beiden Elektroden H₁ und H₃ bilden gleichzeitig zwei sich gegenüberliegende Wandungen W₁ bzw. W₂ eines Gehäuses W (Fig. Ic). Die untere Elektrode H

BBC Baden _· .. 20/78

ist mit Vorsprüngen V„, versehen. Zwischen den Elektroden ti ist eine Trennwand T aus Isoliermaterial (z.B. Keramik) an- Ij geordnet. Im Bereich der Vorsprünge V_u. der Elektrode H₁ s

nX 1

weist die Trennward T Durchbrüche D_n, auf. Die Vorsprünge V_U1

ι nl

reichen durch diese Durchbrüche in der Trennwand hindurch.
Der Abstand zwischen Trennwand T und Elektrode H₁ sollte
grundsätzlich nicht grosser sein als die Höhe der Vorspränge
V„_n der Elektrode H,. ^ft

ΠΙ X ;>-

Im linken, mit a bezeichneten Teil der Figur dient der Raum |

zwischen Trennwand T und Elektrode H₁ als Gaszufuhrraum GZ, f

der Raum zwischen der Trennwand T und der anderen Elektrode §

H_ als Gasabfuhrraum GA, Im rechten, mit b bezeichneten Teil I

der Fig. 1 sind Gaszufuhr- und Gasabfuhrraum miteinander ver- g

tauscht. Aus Gründen der Einfachheit ist in der schemati- fi

sehen Schnittdarstellung nach Fig. Ic lediglich die Variante \

nach Fig. la dargestellt.

Die Elektroden H₁ und H_ sind an eine (nicht weiter dargestellte) Hochspannungsquelle angeschlossen. Beim Anlegen ] der Hochspannung und Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas oder ; auch reinem Sauerstoff in den Gaszufuhrraum GZ bilden sich

im Bereich zwischen den Vorsprüngen V„_n der einen Elektrode -;

Hl

H₁ und der anderen Elektrode H_, die selbstverständlich auch
mit Vorsprüngen versehen sein kann, Koronaentladungen aus,
die eine Anreicherung des sauerstoffhaltiges Gases bzw. des
Sauerstoffs im Entladungs- bzw. Reaktionsraum E mit Ozon

bewirken. Das mit Ozon angereicherte Gas kann dem Entladungsbzw. Reaktionsraum direkt entnommen werden.

In Fig. 2 ist ein Entladungs- bzw. Reaktionsraum E durch
zwei sich annähernd parallel zueinander erstreckende Elektroden H. und Hp gebildet. Die obere Elektrode H₂ bildet
gleichzeitig eine Wandung W₂ des Ozonerzeugers. Die andere
Elektrode H₁ ist von der anderen Wandung W des Ozonerzeugers beabstand^t. .Οςτ! pwjiqcKe.A '4eJ?_;,Elektrode H. und der

BBC Baden _# _ 20/78

Wandung W befindliche Raum bildet den Gaszufuhrraum GZ, für den Fall, dass in diesen Raum das su behandelnde säuerstoffhaltige Gas eingeleitet wird (linke Hälfte der Fig. 2) oder den Gasabfuhrraum GA, für den Fall, dass aus diesem Raum das mit Ozon angereicherte Gas aus dem Ozonerzeuger abgeführt wird (rechte Hälfte der Fig. 2). Die entsprechenden Gasströmungsrichtungen sind durch Pfeile symbolisiert. Die Elektrode H weist auf der der anderen Elektrode Hp zugewandten Seite Vorsprünge V„, , z.B. Spitzen, auf. In unmittelbarer Nachbarschaft der Vorsprünge ist die Elektrode H. mit Durchbrüchen D^₁ versehen, die eine Verbindung zwisehen dem Entladangs- bzw. Reaktionsraum E und dem Gaszufuhrraum GZ bzw. dem Gasabfuhrraum GA herstellen. Die Elektrode H₀ ist auf der der Elektrode H, zugewandten Seite ebenfalls mit Vorsprüngen V„_o versehen, die als Spitzen ausgebildet sind und den Vorsprüngen V_fll auf der Elektrode Η_Ί etwa gegenüberliegen. Die Elektroden H₁ und H. sind an eine nicht weiter dargestellte Hochspannungsquelle angeschlossen. Beim Anlegen einer Hochspannung zwischen den Elektroden bilden sich im Bereich zwischen den sich gegenüberliegenden Spitzen Koronaentladungen aus, die eine Anreicherung des sauerstoffhaltigen Gases im Entladungs- bzw. Reaktionsraum E mit Ozon bewirken.

In der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die eine Gehäusewandung W, als eine mit Vorsprangen V„. versehene Elektrode H, ausgebildet. Die Gegenelektrode Hp weist den Vor-Sprüngen V_H1 gegenüberliegende Durchbrüche D„p auf, die zudem mit die Durchbrüche umrandende Vorsprüngen V„. versehen ist. Zwischen der Gegenelektrode Hp und der anderen Gehäusewandung W_ liegt der Gasabfuhrraum GA (linke Hälfte der Fig. 3) oder der Gaszufuhrraum GZ (rechte Hälfte der Fig. 3). Die Elektroden H₁ und H₂ sind mit einer nicht weiter dargestellten Hochspannungsquelle verbunden.

.: 20/78

BBC Baden : : : : : .·

- ίο -

Die Ausführungsform nach Fig. 4 stellt quasi eine Kombination der Anordnungen nach den Figuren 2 und 3 dar. Beide Elektroden H₁ und H₂ sind miteinander gegenüberliegenden Vorsprüngen V_R1 bzw. V_R2 und Durchbrüchen D_H1 bzw. D_H2 ver-

sehen. Beide Elektroden sind von den Gehäusewandungen W₁ und W₂ beabstandet. Die so entstehenden Räume GZ und GA dienen der Gaszu- bzw. Gasabfuhr. Analog zu den Ausführungen nach Fig. 1 bis 3 kann das zu behandelnde sauerstoffhaltige Gas einem der beiden Räume zugeführt und aus dem anderen abgeführt werden, was in den beiden Hälften der Fig. U verdeutlicht ist.

In Fig. 5 ist eine Kaskadenschaltung zweier Ozonerzeuger gemäss Fig. H schematisch dargestellt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen, die Zugehörigkeit von Elementen zur zweiten Kaskade <*urch den Index "·" kenntlich gemacht

wurde. Das bergius mit Ozon angereicherte sauerstoffhaltige Gas, das den Entladungs- bzw. Reaktionsraum E durch die Durchbrüche D_R2 verlässt gelangt durch die Durchbrüche D₃₁* in den Entladungs- bzw. Reaktionsraum E* der zweiten Kaskade und verlässt diesen über die Durchbrüche D_R2* in der Elektrode H₂* zum Gasabfuhrraum GA*. Aus wirtschaftlichen Gründen kann es zweckmässig sein, die Elektroden H₃ und H₁* zu einer einzigen Elektrode zusammenzufassen.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ozonerzeugers in Schnittdarstellung veranschaulicht, der auf dem Prinzip der Ausführungsform nach Fig.4 basiert. Das Gehäuse des Ozonerzeugers besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Mittelteil Z mit daran angesetzten kegelförmigen Bodenteil B und Oberteil O mit einem Gaszufuhrstutzen S_ß bzw. einem Gasabfuhrstutzen S_Q. Das zu behandelnde Gas wird mittels einer

Pumpe P zugeführt. Im zylindrischen Teil Z sind zwei Elektroden H₁ und H₂ angeordnet. Die als Kreisscheiben ausgebildeten Elektroden H₁ und H₂ sind im Durchmesser kleiner als die lichte Weite des..zylindrischen Teils und mittels geeigneter

BBC Bad' ., ·^; ■'"■ ·"'· "■: ■·■■ .··. ^2O/78

- 11 -

Distanzelemente D, z.B. Kreisringscheiben aus Isoliermaterial, gehalten. Beide Elektroden.sind mit einer Hochspannungsquelle G elektrisch verbunden. Die Hochspannungsquelle liefert eine Gleichspannung von typisch 10 kV. Zur Spannungs· Versorgung der Elektroden sind jedoch auch niederfrequente Wechselspannungen mit einem Effektiwrert in der gleichen Grössenordnung geeignet, fernerhin Speisegeräte mit >usgangsspannungen definierter Impulsform, z.B. solche aus der US-PS 4.016.060 oder der DE-OS 26 10 809, dort z.B. gemäss Fig. 3· Das Gehäuse des Ozonerzeugers ist zumindest im zylindrischen Teil Z aus Isoliermaterial, die Elektroden H. und H₂ bestehen aus rostfreiem Stahl. Bei einem Ganzmetallgehäuse ist zumindest eine der Elektroden elektrisch vorn Gehäuse zu isolieren und über eine Hochspannungsdurchführung mit der Hochspannungsquelle G zu verbinden. Die erforderlichen Durchbrüche und VorsprtTnge sind r^gelmässig über die gesamte Elektrodenoberfläche verteilt und können in einfacher Weise in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden, etwa entsprechend der Technik, wie sie zur Herstellung von Reibeisen (= Küchengerät zum Reiben von Kartoffeln, Gemüse etc.) üblich ist.

Bei der angegebenen Spannung von ca. 10 kV beträgt der wirksame Elektrodenabstand über der gesamten Fläche etwa 6 mm.

Gegenüber bekannten Ozonerzeugern, die mit Koronaentladung arbeiten, weist der vorgeschlagene einen wesentlich einfacheren und wirtschaftlicheren Aufbau bei vergleichbarer Ozonausbeute auf. Er liefert bei Betriebsdrücken oberhalb 0,5 bar bereits befriedigende Ergebnisse.

BBC Baden .: .··. .. 20/78

Bezugsseichenliste

B = Gehäuseboden D = Distanzelemente

⁰Hl' ⁰Hl*'

_{n n} * = Durchbrüche in den Elektro-

H2» ^UH2 den Η_χ, H₁*, H₂, H₂*

E, E* = Entladungs- bzw. Reaktionsräume

G = Hochspannungsquelle

GA, GA* = Gasabfuhrräume

GZ, GZ* = Gaszufuhrräume

* 1» H₂,	=	Elektroden
O	r	Gehäuseoberteil
P	=	Pumpe
s_B	=	Gaszufuhrstutzen
^so	V * ^VH1 ^VH2*	Gasabfuhrstutzen
^VH1» ^VH2»		= Vorsprünge an
W	Gehäuse

W₂ = gegenüberliegende Gehäusewände

= zylindrischer Mittelteil des Gehäuses

Claims

3BC Aktiengesellschaft 20/78 Brown, Boveri & Cie. He/Ca Baden (Schweiz) ¥ -fc prn s ρ r ü c h e

1. Einrichtung zur Ozonerzeugtng, in der ein sauerstoffhaltiges Gas in einem Gehäuse zwischen Elektroden, zwischen denen eine Hochspannung anlegbar ist, hindurchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (W) durch eine Trennwand (T) in mindestens einen Entladungsbzw. Reaktionsraum.(E) und mindestens einen Gaszufuhrbzw. Gasabfubrraum (GZ; GA) getrennt ist, welche Räume über eine Mehrzahl von in der genannten Trennwand (T) vorgesehene Durchbrüche (D_T; D_H1; D_H2) miteinander verbunden sind, und dass Mittel (P) zum Hindurchleiten des sauerstoffhaltigen Gases durch den Entladungs- bzw. Reaktionsraum (E; vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zwischen den Elektroden (H₁, H₀) mit Durchbrüchen (D ) versehene und aus Isoliermaterial bestehende Trennwand (T) vorgesehen ist (Fig. la bis Ic).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse durch eine der Elektroden (H₁J H₃) in die genannten Räume getrennt ist, welche über eine Mehrzahl von in einer Elektrode vorgesehene Durchbrüche (D_H1J

D₁₁₀) miteinander verbunden sind.
H2

4. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass die mit Durchbrüchen (Ε>_Η1) versehene Elektrode (H₁) mit Vorsprüngen (V"_H,) versehen ist, und dass die in den Vor-Sprüngen (V_H1) zugewandte Wandung (W₃) des Gehäuses als Gegenelektrode ausgebildet ist (Fig. 2a bis 2c).

■' ■"■ ■"· "*: "■: .-·. 20/78 BBC Baden ." : : . : : ·. , .· ■ ·

5. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Gehäuses als eine mit Vorsprüngen (V„,) versehene Elektrode (H-) ausgebildet ist, und dass die Gegenelektrode (H_) mit Durchbrüchen (D_H2) versehen ist, die zumindest teilweise den Vorsprüngen (^V _H1) ^der erstgenannten Elektrode (H₁) gegenüberliegen (Fig. 3a bis 3c)

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden 'H-, H₀) von den Wandungen (W., Wp) des Gehäuses beabstandet sind, eine der Elektroden (H-, Hp) mit der anderen Elektrode zugewandten Vorsprüngen (Vp₁) versehen ist, und die eine der Elektroden (H₁) zumindest im Bereich der Vorsprünge (V_H1), die andere Elektrode (Hp) mit zumindest teilweise den Vorsprüngen (V„_n) der erst-

Hl

genannten Elektrode (H₁) gegenüberliegenden Durchbrüchen ' (D₁₁₀) versehet ist CFig. 4a bis Hc)'.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (H-, Hp) miteinander zugewandten, sich zumindest teilweise gegenüberliegenden Vorsprüngen (Vu₁, ^v„p) versehen sind.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen l» bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (D₁,.., D„_) den Vorsprüngen

π J. nc.

(V_U1, V„_) unmittelbar benachbart sind, vorzugsweise die

ni nc

Vorsprünge die Durchbrüche umranden und umgekehrt.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen U bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (V„., ^vh2^ mindestens eine Kante und/oder Spitze aufweisen.

10. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dar Elektroden (H₁; H₂) mit Vorsprüngen

BBC Bad^

20/78

(V_H1) versehen ist, welche Vorsprünge im Bereich der Durchbrüche (D_T) der Trennwand (T) angeordnet sind und durch die Durchbrüche hindurchreichen.