RU2418740C1

RU2418740C1 - Ozonising blower with combined gas discharge

Info

Publication number: RU2418740C1
Application number: RU2009139878/05A
Authority: RU
Inventors: Олег Анатольевич Журавлев (RU); Олег Анатольевич Журавлев; Алексей Викторович Ивченко (RU); Алексей Викторович Ивченко; Александр Юрьевич Стрельников (RU); Александр Юрьевич Стрельников
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-20

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: proposed ozonising blower comprises corona-forming and conducting electrodes connected with HV AC source and arranged on opposite sides of face walls of radial-flow fan dielectric casing flow section, additional flat electrode arranged in said flow section and secured in cantilever on side wall at equal distance from face walls. Corona-forming electrode is arranged on inner side of walls and is made up of two opposed rakes. Aforesaid additional flat electrode features invariable gap with respect to blower impeller dielectric vanes and is connected to positive-polarity HV source. Additional electrode plate area overlaps that of each rake of corona-forming electrode.

EFFECT: ozone produced by electric discharge.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, используемым в биологии, химической промышленности, медицине, сельском хозяйстве для получения озона с помощью электрического разряда.The invention relates to devices used in biology, chemical industry, medicine, agriculture for producing ozone using an electric discharge.

Известен малогабаритный генератор озона (Патент RU №2057059 С1, МКИ C01B 13/11, опубл. 27.03.1996), содержащий разрядную камеру с установленными в ней диэлектрическим барьером, имеющим по обе стороны коронирующий и проводящий электроды, устройством ввода-вывода газа, выполненным в виде двух трубок с расположенным по их длине рядом отверстий, а также пластиной теплоотводящего элемента, расположенной на расстоянии от поверхности диэлектрического барьера с коронирующим электродом. Коронирующий электрод выполнен в виде ряда параллельных электропроводящих полос, электрически соединенных между собой.A small-sized ozone generator is known (Patent RU No. 2057059 C1, MKI C01B 13/11, publ. 03/27/1996) containing a discharge chamber with a dielectric barrier installed in it, having a corona and conductive electrodes on both sides, a gas input-output device made in the form of two tubes with a number of holes located along their length, as well as a plate of a heat-removing element located at a distance from the surface of the dielectric barrier with a corona electrode. The corona electrode is made in the form of a series of parallel electrically conductive strips electrically connected to each other.

Недостатки данного озонатора заключаются в необходимости специального изготовления разрядной камеры и подключения ее к какому-либо нагнетательному устройству. Кроме этого размещение отверстий по длине трубок устройства ввода-вывода газа приводит к неравномерности распределения расхода и соответственно к изменению температурных условий работы коронирующего электрода.The disadvantages of this ozonizer are the need for a special manufacture of the discharge chamber and its connection to any discharge device. In addition, the location of the holes along the length of the tubes of the gas input-output device leads to uneven distribution of the flow rate and, accordingly, to a change in the temperature conditions of operation of the corona electrode.

Основной недостаток рассматриваемого генератора связан с низкой концентрацией озона на выходе как при малом, так и при большом расходах газа. Это объясняется неэффективностью работы заложенного в конструкции теплоотводящего элемента турбулентного механизма перемещения молекул обрабатываемого газа в область плазмы поверхностного разряда и подтверждается тем, что применяемый поверхностный разряд (он же незавершенный скользящий разряд) мало подвержен воздействию прокачиваемого газового потока, так как его свойства во многом определяются характеристиками диэлектрического барьера (Дашук П.Н. Характеристики незавершенного скользящего разряда в воздухе при Р=10⁵Па. // Письма в ЖТФ, 1993. - Т.19, №18. - С.21-25) и он компактно помещается в толщине пограничного слоя, формируемого обтекающим пластину диэлектрического барьера потоком газа (Кузьмин Г.П., Минаев И.М., Рухадзе А.А. Обтекание вязким потоком газа плазменного листа, образованного скользящим разрядом // Теплофизика высоких температур, 2002. - Т.40, №3. - С.515-524).The main disadvantage of the generator in question is associated with a low concentration of ozone at the output both at low and at high gas flow rates. This is explained by the inefficiency of the operation of the turbulent mechanism for moving the molecules of the treated gas into the region of the surface discharge plasma, which is incorporated in the design of the heat-removing element, and is confirmed by the fact that the applied surface discharge (it is also an incomplete sliding discharge) is little affected by the pumped gas stream, since its properties are largely determined by the characteristics the dielectric barrier (Dashuk P.N. Characteristics of an incomplete sliding discharge in air at P = 10 ⁵ Pa. // Letters to ZhTF, 1993. - T.19, No. 18. - P.21-25) and it is compactly placed in the thickness of the boundary layer formed by a gas stream flowing around the dielectric barrier plate (GP Kuzmin, IM Minaev, A Rukhadze A .A. Viscous gas flow around a plasma sheet formed by a sliding discharge // Thermophysics of High Temperatures, 2002. - T. 40, No. 3. - S. 515-524).

Наиболее близким по конструкции и применяемым техническим решениям является озонатор-вентилятор (Патент RU №2107023 С1, МКИ C01B 13/11, опубл. 20.03.1998), содержащий коронирующий и проводящий электроды, соединенные с высоковольтным источником переменного тока и размещенные на разных сторонах боковой стенки диэлектрического корпуса-улитки центробежного вентилятора. Коронирующий электрод расположен на внутренней стороне стенки и выполнен из фольги в виде ряда гребенок, ориентированных лентами-зубьями против выхода из вентилятора. Каждая последующая гребенка коронирующего электрода после первой, стоящей на выходе из проточной части корпуса, соединена через индивидуальный коммутатор с высоковольтным источником, имеющим несколько ступеней выходного напряжения.The closest in design and applied technical solutions is an ozonizer-fan (Patent RU No. 2107023 C1, MKI C01B 13/11, publ. 03.20.1998) containing corona and conductive electrodes connected to a high-voltage AC source and placed on different sides of the side the walls of the dielectric casing of the centrifugal fan. The corona electrode is located on the inner side of the wall and is made of foil in the form of a row of combs oriented with teeth-ribbons against the fan exit. Each subsequent comb of the corona electrode after the first one, standing at the outlet of the flowing part of the housing, is connected through an individual switch to a high-voltage source having several stages of output voltage.

При подаче возбуждающего напряжения на коронирующий электрод между проводящим и коронирующим электродами создается переменное электрическое поле, а на внутренней поверхности боковой стенки корпуса-улитки образуется поверхностный разряд в потоке прокачиваемого газа, обеспечивающий генерацию озона и ультрафиолетового излучения.When an exciting voltage is applied to the corona electrode, an alternating electric field is created between the conducting and corona electrodes, and a surface discharge is formed in the flow of the pumped gas on the inner surface of the side wall of the cochlea-coil, which ensures the generation of ozone and ultraviolet radiation.

В данном устройстве для повышения эффективности взаимодействия прокачиваемого воздуха с поверхностным разрядом также применяется турбулентный механизм перемещений молекул газа перпендикулярно вектору скорости основного потока. Он обеспечивается за счет срыва потока газа на лопастях крыльчатки рабочего колеса вентилятора. Однако кроме газодинамического метода вовлечения газа в поверхностный разряд в рассматриваемой конструкции заложен дополнительный метод, основанный на ступенчатом повышении объема плазменного образования разряда, связанного с возрастанием интенсивности протекающих в нем ионизационных процессов. Данный метод реализуется за счет использования высоковольтного источника с рядом уровней напряжения. При этом рабочее напряжение на гребенках коронирующего электрода повышается по мере продвижения потока к выходу из проточной части корпуса-улитки вентилятора.In this device, to increase the efficiency of interaction of the pumped air with the surface discharge, a turbulent mechanism for moving gas molecules perpendicular to the velocity vector of the main flow is also used. It is provided due to disruption of the gas flow on the blades of the impeller of the impeller of the fan. However, in addition to the gas-dynamic method of involving gas in a surface discharge, an additional method is based on the design in question, based on a stepwise increase in the volume of the plasma discharge formation associated with an increase in the intensity of ionization processes occurring in it. This method is implemented through the use of a high voltage source with a number of voltage levels. In this case, the operating voltage on the combs of the corona electrode increases as the flow advances to the outlet of the flow part of the fan coil housing.

Основной недостаток рассматриваемого озонатора-вентилятора связан с малой эффективностью использования прокачиваемого воздуха, проявляющийся в неравномерности распределения концентрации озона в потоке газа на выходе из проточной части корпуса-улитки вентилятора. Этому способствует то, что продвижение газа к выходу из центробежного вентилятора сопровождается увеличением сечения проточной части его корпуса-улитки и как боковая стенка с поверхностным разрядом, так и лопасти крыльчатки рабочего колеса все более удаляются от оси потока. Поэтому с наименьшей эффективностью работает гребенка коронирующего электрода, расположенная на выходе из проточной части корпуса. Применение в прототипе высоковольтного источника, имеющего несколько ступеней выходного напряжения, не приводит к существенному эффекту, так как при повышении возбуждающего напряжения на коронирующем электроде в большей степени возрастает протяженность поверхностного разряда вдоль боковой стенки корпуса-улитки, а не толщина слоя плазменного образования.The main disadvantage of the ozonizer-fan under consideration is associated with the low efficiency of the use of pumped air, which manifests itself in the uneven distribution of ozone concentration in the gas stream at the outlet of the flowing part of the fan snail body. This is facilitated by the fact that the advancement of gas to the exit of the centrifugal fan is accompanied by an increase in the cross section of the flowing part of its cochlear casing, and both the side wall with a surface discharge and the impeller vanes are increasingly removed from the flow axis. Therefore, the comb of the corona electrode located at the outlet of the flowing part of the casing works with the least efficiency. The use of a high-voltage source with several stages of the output voltage in the prototype does not lead to a significant effect, since with an increase in the excitation voltage at the corona electrode, the extent of the surface discharge along the side wall of the cochlea shell increases to a greater extent, rather than the thickness of the plasma formation layer.

Целью изобретения является увеличение эффективности использования прокачиваемого воздуха при повышении концентрации озона и снижении неравномерности его распределения в выходном сечении без нарушения рабочих характеристик вентилятора.The aim of the invention is to increase the efficiency of use of the pumped air while increasing the concentration of ozone and reducing the uneven distribution in the output section without affecting the performance of the fan.

Указанная цель достигается тем, что в озонаторе-вентиляторе с комбинированным газовым разрядом, содержащем коронирующий и проводящий электроды, соединенные с высоковольтным источником переменного тока и размещенные на разных сторонах стенки проточной части диэлектрического корпуса-улитки центробежного вентилятора, согласно изобретению коронирующий электрод расположен на внутренней стороне торцевых стенок корпуса и выполнен в виде двух установленных напротив гребенок.This goal is achieved by the fact that in an ozonator-fan with a combined gas discharge containing a corona and conductive electrodes connected to a high-voltage AC source and placed on different sides of the wall of the flow part of the dielectric housing of the scroll of a centrifugal fan, according to the invention, the corona electrode is located on the inside end walls of the housing and is made in the form of two combs mounted opposite.

Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом снабжен дополнительным плоским электродом, расположенным в проточной части корпуса, который консольно закреплен на боковой стенке на одинаковом расстоянии от торцевых стенок, имеет зазор относительно диэлектрических лопастей крыльчатки рабочего колеса вентилятора и подключен к источнику высокого напряжения положительной полярности.An ozonator-fan with a combined gas discharge is equipped with an additional flat electrode located in the flow part of the housing, which is cantilevered on the side wall at the same distance from the end walls, has a gap relative to the dielectric blades of the impeller of the fan impeller and is connected to a high voltage source of positive polarity.

Кроме того, площадь пластины дополнительного плоского электрода перекрывает площадь каждой из гребенок коронирующего электрода.In addition, the plate area of the additional flat electrode overlaps the area of each of the combs of the corona electrode.

За счет переноса коронирующего и проводящего электродов с боковой на торцевые стенки проточной части корпуса-улитки обеспечивается постоянство расстояния между плоскостью поверхностного разряда и осью формируемого в проточной части вентилятора потока газа. При этом плазма поверхностного разряда возбуждается с двух сторон от оси потока.Due to the transfer of the corona and conductive electrodes from the side to the end walls of the flow part of the cochlea shell, the distance between the plane of the surface discharge and the axis of the gas flow formed in the flow part of the fan is constant. In this case, the surface discharge plasma is excited from two sides of the flow axis.

Введение в проточную часть корпуса дополнительного плоского электрода положительной полярности, находящегося на одинаковом расстоянии от торцевых стенок с гребенками коронирующего электрода, позволило получить два вспомогательных рабочих промежутка и включить в работу по электросинтезу озона ранее не задействованный канал, основанный на такой особенности поверхностных разрядов, как сопутствующая им высокая интенсивность ионообразования за пределами полосы свечения разряда (Калинин А.В., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Экспериментальное исследование характеристик высокочастотного поверхностного разряда // Изв. АН. Энергетика, 1993, №4. - С.45-51).The introduction into the flowing part of the housing of an additional flat electrode of positive polarity located at the same distance from the end walls with the combs of the corona electrode made it possible to obtain two auxiliary working gaps and to include a previously unused channel based on such a feature of surface discharges as the associated high ionization intensity outside the discharge glow band (Kalinin A.V., Kozlov M.V., Panyushkin V.V. Experimental Few studies of high-frequency characteristics of the surface discharge // Math Energy Sciences, 1993, №4 -... S.45-51).

Возбуждение во вспомогательных рабочих промежутках комбинированного газового разряда основано на расширении области дрейфового движения ионов и электронов, генерируемых плазмой поверхностных разрядов. При этом в процесс генерации озона вовлекается значительный объем воздуха, прокачиваемого через устройство, что позволяет повысить концентрацию генерируемого озона и снизить неравномерность его распределения на выходе из проточной части корпуса.Excitation in auxiliary working gaps of a combined gas discharge is based on the expansion of the drift motion region of ions and electrons generated by the plasma of surface discharges. At the same time, a significant amount of air pumped through the device is involved in the ozone generation process, which makes it possible to increase the concentration of generated ozone and reduce the uneven distribution at the outlet of the flow part of the housing.

На фиг.1 представлен общий вид озонатора-вентилятора с комбинированным газовым разрядом, разрез; на фиг.2 - вид по А.Figure 1 presents a General view of the ozonizer-fan with a combined gas discharge, section; figure 2 is a view of A.

Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом совмещен с центробежным вентилятором, корпус-улитка 1 и рабочее колесо 2 которого выполнены из диэлектрического материала. На внешней стороне торцевых стенок проточной части корпуса-улитки закреплены пластины проводящего электрода 3, играющие роль металлических экранов. На внутренней стороне торцевых стенок установлен коронирующий электрод 4, выполненный из фольги (толщина ~100 мкм) в виде двух, обращенных друг к другу дугообразных гребенок, ориентированных лентами-зубьями против выхода из вентилятора. Такая ориентация зубьев гребенок обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление газового тракта, способствует максимальной скорости натекания газа в промежутках между лентами-зубьями. Коронирующий и проводящий электроды соединены с высоковольтным источником переменного тока 5. На боковой поверхности проточной части корпуса-улитки параллельно торцевым стенкам и на равном расстоянии от них консольно закреплен дополнительный плоский электрод 6.An ozonator-fan with a combined gas discharge is combined with a centrifugal fan, the shell-snail 1 and the impeller 2 of which are made of dielectric material. On the outer side of the end walls of the flowing part of the cochlear housing, plates of the conductive electrode 3 are fixed, which play the role of metal screens. On the inner side of the end walls there is a corona electrode 4 made of foil (thickness ~ 100 μm) in the form of two arcuate combs facing each other, oriented by teeth bands against the exit of the fan. This orientation of the teeth of the combs provides the minimum hydraulic resistance of the gas path, contributes to the maximum flow rate of gas in the spaces between the bands-teeth. The corona and conductive electrodes are connected to a high-voltage source of alternating current 5. On the side surface of the flowing part of the cochlea shell, an additional flat electrode 6 is cantilevered parallel to the end walls and at an equal distance from them.

Свободные торцы электрода 6 имеют закругления для исключения неравномерности распределения напряженности электрического поля. Дополнительный плоский электрод соединен с источником высокого напряжения положительной полярности 7.The free ends of the electrode 6 are rounded to eliminate uneven distribution of electric field strength. An additional flat electrode is connected to a high voltage source of positive polarity 7.

Озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом работает следующим образом.An ozonator-fan with a combined gas discharge works as follows.

После включения вентилятора и выхода его на режим подается напряжение на гребенки коронирующего электрода 4 от высоковольтного источника переменного тока 5. Благодаря этому между пластинами проводящего 3 и гребенками коронирующего 4 электродов создается переменное электрическое поле. На внутренней стороне торцевых стенок в проточной части корпуса-улитки образуются поверхностные разряды, обеспечивающие наработку озона в приповерхностной области с двух сторон от оси потока. Наряду с генерацией озона поверхностные разряды осуществляют интенсивную наработку отрицательных ионов и электронов в прилегающих слоях прокачиваемого потока газа. При включении источника 7 постоянное напряжение положительной полярности подается на дополнительный плоский электрод 6, и во вспомогательных рабочих промежутках между электродом 6 и плазменными образованиями поверхностных разрядов (плазменные электроды) включаются в работу механизмы дрейфового движения отрицательных ионов и электронов, способствующие образованию комбинированного газового разряда с вовлечением в процесс электросинтеза озона дополнительных объемов прокачиваемого воздушного потока. Комбинированный газовый разряд можно отнести к разновидностям слаботочного несамостоятельного объемного разряда с плазменным электродом.After turning on the fan and turning it on, voltage is supplied to the combs of the corona electrode 4 from the high-voltage AC source 5. Due to this, an alternating electric field is created between the plates of the conductive 3 and the combs of the corona 4 electrodes. On the inner side of the end walls in the flow part of the cochlea-shell, surface discharges are formed, which ensure the production of ozone in the surface region from two sides of the flow axis. Along with the generation of ozone, surface discharges carry out intensive production of negative ions and electrons in the adjacent layers of the pumped gas stream. When the source 7 is turned on, a constant voltage of positive polarity is supplied to an additional flat electrode 6, and in the auxiliary working spaces between the electrode 6 and the plasma formations of the surface discharges (plasma electrodes), the mechanisms of the drift motion of negative ions and electrons are activated, which contribute to the formation of a combined gas discharge involving into the process of electrosynthesis of ozone of additional volumes of pumped air flow. Combined gas discharge can be attributed to varieties of low-current non-self-sustained volume discharge with a plasma electrode.

Пример. В лабораторных условиях был создан действующий макет озонатора-вентилятора с комбинированным газовым разрядом, выполненный в виде соплового насадка, являющегося продолжением проточной части центробежного вентилятора с объемным расходом воздуха 120 м³/чac. Размеры проточной части насадка соответствовали размерам прямоугольного сопла вентилятора и составляли 70×108 мм². Протяженность корпуса насадка по потоку воздуха была равна 70 мм. Пластина дополнительного плоского электрода имела размеры 50×60 мм² и перекрывала площадь каждой из гребенок коронирующего электрода. Коронирующий и проводящий электроды подключались к источнику с амплитудой напряжения ≤7 кВ при частоте 10 кГц, а дополнительный плоский электрод - к источнику положительной полярности с напряжением до 12 кВ. Измерение концентрации озона в потоке воздуха из генератора производилось с помощью газоанализатора озона типа ЛЭК 302п. При расположении приемника газоанализатора на расстоянии 10³ мм от выхода из генератора было получено среднее значение концентрации озона на оси потока на уровне 200 мкГ/м³. Концентрация озона достаточно плавно спадала к периферии потока. Диапазон изменения концентрации озона на оси потока при заданных параметрах источников питания не превышал 20-30 мкГ/м³. Было показано, что при выключенном источнике питания дополнительного плоского электрода концентрация озона на оси потока спадала до 60 мкГ/м³ и характеризовалась малой стабильностью значений как во времени, так и в пространстве.Example. In laboratory conditions, a working model of an ozonizer-fan with a combined gas discharge was created, made in the form of a nozzle nozzle, which is a continuation of the flow part of a centrifugal fan with an air volume flow of 120 m ³ / h. The dimensions of the flow part of the nozzle corresponded to the dimensions of the rectangular fan nozzle and amounted to 70 × 108 mm ² . The length of the nozzle body in the air flow was 70 mm. The plate of the additional flat electrode had dimensions 50 × 60 mm ² and overlapped the area of each of the combs of the corona electrode. The corona and conductive electrodes were connected to a source with a voltage amplitude of ≤7 kV at a frequency of 10 kHz, and an additional flat electrode was connected to a source of positive polarity with a voltage of up to 12 kV. The ozone concentration in the air stream from the generator was measured using an ozone gas analyzer of the LEK 302p type. When the gas analyzer receiver was located at a distance of 10 ³ mm from the generator exit, the average ozone concentration on the flow axis was obtained at a level of 200 μG / m ³ . The ozone concentration decreased quite smoothly to the periphery of the stream. The range of changes in ozone concentration on the axis of the stream for given parameters of power sources did not exceed 20-30 μG / m ³ . It was shown that with the switched off power supply of the additional flat electrode, the ozone concentration on the flow axis dropped to 60 μG / m ³ and was characterized by low stability of values both in time and in space.

Проведенные исследования показали, что озонатор-вентилятор с комбинированным газовым разрядом обладает рядом преимуществ. Благодаря использованию дополнительного поверхностного разряда и возбуждению комбинированного газового разряда озон генерируется в значительной части прокачиваемого воздуха. При этом существенно увеличивается концентрация озона и снижается неравномерность распределения его на выходе из проточной части вентилятора. Эти преимущества открывают перспективу использования на практике предложенной конструкции.Studies have shown that an ozonizer-fan with a combined gas discharge has several advantages. Through the use of an additional surface discharge and the excitation of a combined gas discharge, ozone is generated in a significant part of the pumped air. In this case, the ozone concentration increases significantly and the uneven distribution of it at the outlet of the fan duct decreases. These advantages open up the prospect of using the proposed design in practice.

Claims

1. Ozonator-fan with a combined gas discharge, containing corona and conductive electrodes connected to a high-voltage source of alternating current and placed on different sides of the wall of the flow part of the dielectric casing-scroll of a centrifugal fan, characterized in that the corona electrode is located on the inner side of the end walls of the casing and made in the form of two combs mounted opposite.

2. The ozonator-fan with a combined gas discharge according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional flat electrode located in the flowing part of the housing, which is cantilevered on the side wall at the same distance from the end walls, has a gap relative to the dielectric blades of the working impeller fan wheels and is connected to a high voltage source of positive polarity.

3. Ozonator-fan with a combined gas discharge according to claim 1 or 2, characterized in that the plate area of the additional flat electrode overlaps the area of each of the combs of the corona electrode.