CH642606A5

CH642606A5 - Ozonisator.

Info

Publication number: CH642606A5
Application number: CH25180A
Authority: CH
Inventors: Peter Dr Baessler; Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1980-01-14
Filing date: 1980-01-14
Publication date: 1984-04-30
Also published as: DE3005040C2; US4410495A; DE3005040A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ozonisator gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ozonisatoren werden in zunehmendem Masse in industriellen; Betrieben eingesetzt, da Ozon als starkes Oxida-tionsmittel zur Abwasserreinigung, Luftverbesserung, Trinkwasserbehandlung, Lebensmittellagerung sowie in der Medizin und Chemie verwendet wird.

Aus der DE-OS 26 17 104 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Koronaentladungsreaktionen, bei dem ein Reaktionsgas durch einen Koronaentladungsspalt hindurchgeleitet wird und in dem Spalt elektrische Energie in Form schmaler Impulse freigesetzt wird, wodurch unter Ausbildung einer Koronaentladung den in dem Spalt befindlichen Elektronen und Gasionen Energie zugeführt wird. Die Elektronen werden zur Erzielung einer produktiven Reaktion des Reaktionsgases mit Energie beaufschlagt. Die während der Reaktion entstandenen Gasionen werden aus dem Spalt beseitigt, um eine unproduktive Energiebeaufschlagung der Ionen zu minimieren. Die Beseitigung der Gasionen erfolgt durch ein Vorspannungspotential und zwar in dem Zeitintervall zwischen den schmalen Impulsen. Die Gasionen können auch durch Zumischung von negativ geladenen feinunterteilten Flüssigkeits- und Feststoffteilchen neutralisiert werden. Das Verfahren wird zur Ozonerzeugung verwendet, wobei Ozon aus einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch erzeugt wird, das erhebliche Men-5 gen an Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen enthält.

Bei einem derartigen Verfahren werden die Impulse durch eine relativ aufwendige Schaltung erzeugt, bei der das Schaltelement in der Lage sein muss, die volle Spannung zu schalten. Die zur Ansteuerung derartiger gepulster Ozoni-10 satoren verwendeten Schaltelemente müssen Spannungen von 15 bis 20 kV sowie Ströme von 1 bis 5 kA schalten und durchschalten können, bevor sich zwischen den Ozonisator-elektroden eine Entladung aufgebaut hat. Zudem müssen diese Schaltelemente eine hohe Lebensdauer erreichen, d.h. 15 bis zu 1010 Schaltzyklen ausführen können. Geeignete Schaltelemente sind zum Beispiel Halbleiterschalter wie Kippdioden und Amplifying-Gate-Thyristoren. Ihr Aufbau und die Wirkungsweise sind zum Beispiel in der BBC-Firmenschrift D HS 704 68 EFD und in der Veröffentlichung 20 von P.F. Pittmann, DJ. Page, Solid State Pulse Switching, Pulsed Power Cont., Lubcock (Tex), 1977 beschrieben. Diese Schaltelemente können auch die erforderlichen Stromanstiege von grösser 109 A/s bewältigen. Ihre Spannungsfestigkeit, die etwa bei einem kV liegt, ist jedoch nicht aus-25 zum Patent angemeldet, bei denen das Schaltelement nur reichend. Deshalb wurden Schaltungen vorgeschlagen und einen kleineren zusätzlichen Spannungssprung schalten muss, der sich einer langsameren Grundschwingung überlagert. (CH-Patentgesuch Nr. 7101/79-8 bzw. deutsche Patentan-30 meidung P 29 34 327.9).

Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Stromtragfähigkeit der Kippdioden, welche Spitzenströme von 100 bis 200 A pro Element schalten können. Zur Verbesserung der Ozonausbeute sind jedoch relativ hohe Stromdichten auf den 35 Ozonisatorelektroden von ca. 1A pro Quadratzentimeter Elektrodenfläche von Vorteil, da sich dadurch erst eine homogene Entladung ausbildet. Ein Ozonrohr von einem Meter Länge besitzt eine Elektrodenfläche von ungefähr 1600 cm2. Es sind demnach 8 bis 16 parallel geschaltete Kippdioden 40 notwendig, welche jeweils 100 bis 200 A auf die Elektrode durchschalten, um bei einem derartigen Ozonisator die geforderte Stromdichte auf der Elektrode zu erzeugen. Das Zündpotential der einzelnen parallel geschalteten Kippdioden schwankt jedoch von Element zu Element. Es sind des-45 halb zusätzliche Schaltungsmassnahmen notwendig, um ein synchrones Durchschalten der Kippdioden und eine gleich-mässige Aufteilung des Stromes auf die Schaltelemente sicherzustellen. Ohne diese zusätzlichen Schaltungsmassnahmen würde ein Teil der Kippdioden durch Überlastung zer-50 stört.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ozonisatoren, wie sie in der eingangs genannten Patentanmeldung beschrieben sind, derart weiterzubilden, dass stets die für eine wirtschaftliche Ozonerzeugung optimalen Stromdichten er-55 reicht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Durch die erfindungsgemässe Ausführung der Ozonisatorelektroden kann zwischen diesen eine homogene Entladung 60 erzeugt werden, wobei die dafür erforderlichen Teilströme den Elektroden über Schaltelemente zugeführt werden, ohne sie dabei zu überlasten. Es ist auch nicht notwendig, dass die Schaltelemente synchron schalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den 65 Unteransprüchen beschrieben.

Funkenstrecken als Schaltelemente gemäss Anspruch 2 zeichnen sich durch schnelles Ansprechen und hohe Strombelastbarkeit aus.

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Halbleiterschaltelemente besitzen eine extrem hohe Lebensdauer und ermöglichen ein sehr schnelles Durchschalten im Nanosekundenbereich.

Die Verwendung von Kippdioden, wie es im Anspruch 4 beschrieben ist, ermöglicht ein gut reproduzierbares Durchschalten der Ströme, da das Zündpotential für ein Einzelelement nur um weniger als 5 V schwankt.

Mit dem Schaltelement, wie es in Anspruch 5 beschrieben ist, kann bei entsprechender Auswahl und Anzahl der in Serie geschalteten Kippdioden die volle Spannung, die bis zu 20 kV betragen kann, geschaltet werden. Durch Parallelschalten eines Schaltkondensators nach Anspruch 6 können auch Schaltelemente mit geringerer Spannungsfestigkeit verwendet werden, da das Schaltelement nur den zusätzlichen Spannungssprung schalten muss. Bei Anordnung des Speicherkondensators unmittelbar am Ozonisator, wie es in Anspruch 7 vorgeschlagen wird, kann eine gute Stromübertragung von der Spannungsquelle auf die Ozonisatorelektroden erreicht werden, wobei Verluste, die bei Verwendung längerer Zuleitungen auftreten würden, weitgehend vermieden werden. In Anspruch 8 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Ozonisators beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Ozonisators, bei dem eine Ozonisatorelektrode aus zwei elektrisch voneinander getrennten ringförmigen Manschetten aus elektrisch leitendem Material besteht,

Fig. la, lb, lc Schaltanordnungen, die bevorzugt als Schaltelemente verwendet werden können,

Fig. 2 die schematische Darstellung von mehreren erfindungsgemässen Ozonisatoren, die zu einer grösseren Ozonisatoreinheit zusammengeschaltet sind,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Ozonisators, bei dem eine Ozonisatorelektrode aus mehreren elektrisch voneinander getrennten ringförmigen Manschetten aus elektrisch leitendem Material besteht.

Zur Verdeutlichung der allen Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden erfinderischen Idee sind in den Zeichnungen gleichwirkende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ozonisator ist zur Bildung eines Entladungskanals 4 in einem elektrisch isolierenden Rohr 3, z.B. aus Glas, ein von diesem senkrecht zur Längsachse distanziertes und parallel zu diesem verlaufendes elektrisch leitendes Rohr 1, z.B. aus Stahl, angeordnet, welches die Innenelektrode des Ozonisators bildet. Die äussere Oberfläche des elektrisch isolierenden Rohres 3 weist zwei Teilelektroden 2 auf, welche die Aussenelektroden des Ozonisators bilden. Sie bestehen aus parallelen elektrisch leitenden Manschetten 2, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, die das elektrisch isolierende Rohr 3 in Umfangsrichtung umgeben und in Richtung der Längsachse des Rohres 3 in einem bestimmten Abstand voneinander distanziert sind. Die Manschetten 2 können z.B. als Einbrennlack oder durch Metall-Bedampfung auf das Rohr 3 aufgebracht werden. Die wirksame Fläche einer Manschette 2 beträgt etwa 100 bis 200 cm2. Jede Manschette 2 ist über jeweils ein Schaltelement A mit einer Verbindungsleitung 8 verbunden, welche an eine Klemme der Anschlussklemmen 5" einer Wechselspannungsquelle 5' angeschlossen ist. Die zweite Klemme der Wechselspannungsquelle 5' ist mit dem einen Ende des elektrisch leitenden Rohres 1 verbunden, dessen anderes Ende geerdet ist. Die Anschlussklemmen 5" der Wechselspannungsquelle 5' sind mit einem Speicherkondensator 6 überbrückt, der in unmittelbarer Nähe des Ozonisators angeordnet ist. Der Speicherkondensator 6 und die Wechselspannungsquelle 5' bilden die Energieversorgungseinrichtung 5 für den Ozonisator.

Die in Fig. la dargestellte Anordnung besteht aus einer Funkenstrecke 10, die mit einem Schaltkondensator 11 überbrückt ist. Das Schaltelement gemäss Fig. lb besteht aus zwei Gruppen von jeweils drei in Serie geschalteten Kipp-dioden 7, wobei die Serienschaltungen antiparallel zueinander geschaltet sind. Bei der in Fig. lc dargestellten Anordnung sind zwei Kippdioden 7 antiparallel geschaltet, wobei diese Antiparallelschaltung mit einem Schaltkondensator 11 überbrückt ist.

Die Funktionsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgende:

Durch den Entladungskanal 4 strömt ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Sauerstoff. Durch die Wechselspannungsquelle 5' wird der Speicherkondensator 6 während der positiven Halbwelle der Wechselspannung mit einer bestimmten Ladungsmenge aufgeladen. Bei einem bestimmten Spannungswert schaltet das Schaltelement A durch und der Speicherkondensator 6 entlädt sich über das Schaltelement A und die elektrisch leitenden Manschetten 2 durch den Entladungskanal. Die Entladung ist aufgrund der erreichbaren hohen Stromdichten von ca. 1 A/dm2 homogen. Sie bewirkt eine Ionisierung des Sauerstoffs und die damit verbundene Bildung von Ozon mit gutem Wirkungsgrad. Liegt die negative Halbwelle der Wechselspannung an, wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang. Bei Verwendung des in Fig. la dargestellten Schaltelementes und bei geeigneter Dimensionierung des Ozonisators und des Schaltkondensators 11 kann die von der Wechselspannungsquelle 5' gelieferte Spannung derart auf den als Kapazität wirkenden Ozonisator und den Schaltkondensator 11 aufgeteilt werden, dass über die Funkenstrecke 10 nur noch ein relativ kleiner Spannungsimpuls dazugeschaltet werden muss, um eine Zündung der Entladung zu bewirken. Dies gilt in gleicher Weise bei Verwendung des in Fig. lc dargestellten Schaltelementes. Dabei ist für die positive und negative Polarität jeweils eine Kippdiode als unipolares Schaltelement vorgesehen. Mit dem in Fig. lb dargestellten Schaltelement kann die volle Spannung, die zur Zündung der Entladung erforderlich ist, auf die Teilelektroden 2 des Ozonisators durchgeschaltet werden. Anstelle der Kippdioden 7 sind auch andere Halbleiterschaltelemente einsetzbar, z.B. Amplifying-Gate-Thyristoren. Das elektrisch leitende Rohr 1 kann von innen mit Wasser gekühlt werden und das elektrisch isolierende Rohr 3 zusammen mit den Schaltelementen in einem Ölbad angeordnet sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ozonisatoreinheit sind mehrere erfindungsgemässe Ozonisatoren mit Stützbalken 12 gegeneinander abgestützt. Die Stützbalken 12 bestehen aus elektrisch isolierendem Material z.B. Kunststoff. Die Aussenelektroden 2 der Ozonisatoren sind über jeweils eine Parallelschaltung einer Kippdiode 7 und eines Schaltkondensators 11 an eine erste Teilleitung 8 der Verbindungsleitung zu einem Pol der Energieversorgungseinrichtung 5 angeschlossen. An einem anderen Punkt der jeweiligen Aussenelektroden 2 der Ozonisatoren ist jeweils eine weitere Kippdiode 7 befestigt, welche zu der Kippdiode, die mit dem Schaltkondensator 11 überbrückt ist, antiparallel geschaltet ist und an eine zweite Teilleitung 9 der Verbindungsleitung zur Energierversorgungseinrichtung 5 angeschlossen ist. Die Innenelektroden 1 der Ozonisatoren sind geerdet und an den anderen Pol der Energieversorgungseinrichtung 5 angeschlossen.

Zur Verdeutlichung der Schaltanordnung ist einer der Ozonisatoren (in Fig. 2 durch Strichlinie umrahmt) mit den dazugehörigen Schaltverbindungen in Fig. 3 dargestellt.

Sein Aufbau entspricht weitgehend dem Ozonisator ge5

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mäss Fig. 1 und kann der Beschreibung zu Fig. 1 entnommen werden. Das elektrisch isolierende Rohr 3 ist jedoch nicht mit zwei sondern mit einer Vielzahl von elektrisch leitenden Manschetten 2 versehen. Die den einzelnen Manschetten 2 zugeordneten Schaltelemente entsprechen in ihrer Funktionsweise dem in Fig. lc dargestellten Schaltelement, wobei jeweils eine Parallelschaltung von Kippdiode 7 und Schaltkondensator 11 die Manschette 2 mit einer ersten Teilleitung der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5 verbindet und eine an einen anderen Punkt der Manschette 2 befestigte antiparallel geschaltete Kippdiode 7 diese Manschette 2 mit einer zweiten Teilleitung 9 der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5 verbindet.

Die Funktionsweise der Ozonisatoreinheit und des in Fig. 3 dargestellten Ozonisators kann der Beschreibung zu Fig. 1 und lc entnommen werden.

Zur Anspeisung der beschriebenen Ozonisatoren ist nicht nur Wechselspannung sondern auch eine gepulste Spannung verwendbar.

Bezeichnungsliste

1 = Innenelektrode des Ozonisators - elektrisch leiten des Rohr

2 = Aussenelektrode des Ozonisators - Teilelektroden -5 elektrisch leitende Manschetten

3 = Dielektrikum - elektrisch isolierendes Rohr

4 = Entladungskanal

5 = Energieversorgungseinrichtung

5' = Spannungsquelle - Wechselspannungsquelle 10 5" = Anschlussklemmen der Spannungsquelle

6 = Speicherkondensator

7 = Kippdiode

8 = erste Teilleitung der Verbindungsleitung zur Ener gieversorgungseinrichtung 5 15 9 = zweite Teilleitung der Verbindungsleitung zur Energieversorgungseinrichtung 5

10 = Funkenstrecke

11 = Schaltkondensator

12 = Stützbalken

20 A = Schaltelement v

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Ozonisator mit wenigstens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine auf ihrer der anderen Elektrode zugewandten Oberfläche mit einem Dielektrikum belegt ist, und einer Energieversorgungseinrichtung mit einer Spannungsquelle und einem paralielgeschalteten Speicherkondensator, wobei eine Anschlussklemme der Spannungsquelle mit einer Elektrode des Ozonisators und die zweite Anschlussklemme über wenigstens ein Schaltelement mit der anderen Elektrode des Ozonisators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode voneinander getrennte Teilelektroden (2) aufweist, dass jeder Teilelektrode (2) jeweils wenigstens ein Schaltelement (A) zugeordnet ist und dass sämtliche Teilelektroden (2) mit den zugeordneten Schaltelementen (A) parallel zu der Spannungsquelle (5') geschaltet sind.

2. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (A) eine Funkenstrecke (10) ist (Fig. la).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (A) ein Halbleiterschaltelement (7)

ist.

4. Ozonisator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (A) eine Kippdiode (7) ist.

5. Ozonisator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (A) als eine Antiparallel-schaltung von einer oder mehreren jeweils in Serie angeordneten Kippdioden (7) ausgeführt ist (Fig. lb).

6. Ozonisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (A) von einem Schaltkondensator (11) überbrückt ist.

7. Ozonisator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkondensator (6) unmittelbar am Ozonisator angeordnet ist.

8. Ozonisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ozonisator als Röhrenozonisator ausgeführt ist, der aus einem elektrisch leitenden Rohr (1) besteht, welches von einem in radialer Richtung zu diesem beabstande-ten und achsparallel zu diesem verlaufenden elektrisch isolierenden Rohr (3) umgeben ist, das auf seiner äusseren Oberfläche mit parallelen und in Richtung der Längsachse des elektrisch isolierenden Rohres (3) voneinander distanzierten dieses umfassende vorzugsweise in sich geschlossene Streifen (2) aus elektrisch leitendem Material versehen ist.