Плазмообразующий элемент и плазмохимический реактор

Плазмообразующий элемент выполнен в виде цилиндрического диэлектрического баллона, заполненного электропроводящим газом, и двух электродов, один из которых пропущен через стенку баллона для контакта с электропроводящим газом, а другой электрод выполнен в виде токопроводящей ленты. Лента имеет V-образное поперечное сечение с зубчатыми краями, намотана по спирали на внешней поверхности баллона и прижата к ней токопроводящей спиральной шиной. Плазмохимический реактор содержит корпус с входным и выходным патрубками, пакет плазмообразующих элементов, эквидистантно установленных в корпусе и подключенных параллельно к источнику переменного напряжения.

Полезная модель относится к устройствам для получения озона, очистки газообразных выбросов в атмосферу от вредных веществ, в плазмохимии.

В настоящее время известны различные конструкции плазмохимических устройств, применяемых во многих областях.

Известен плазмообразующий элемент (см. патент US №5554344, МПК С01В 13/11, опубликован 10.09.1996), включающий внутренний и наружный трубчатые электроды, подключенные к источнику напряжения, между которыми размещена диэлектрическая труба, установленная соосно электродам. На внутренней поверхности наружного электрода и на

наружной поверхности внутреннего электрода травлением выполнены зубцы определенной конфигурации и размера.

В известном плазмообразующем элементе размеры зубцов наружного электрода и внутреннего электрода не обеспечивают создание эффективного газового разряда.

Известен плазмохимический реактор (см. патент RU №60509, МПК С01В 13/11, 27.01.2007), включающий корпус с входным и выходным отверстиями, в котором по ходу движения воздуха установлены блок управления и питания, вентилятор и генератор озона, включающий разрядник, выполненный в виде общей шины из W-образных и радиальных пластин, скрепленных между собой. На пластинах закреплены керамические пластины, поверх которых размещены проницаемые пластины, выполненные из танталовой ленты с отверстиями и прорезями или пластины из высокопористого ячеистого никеля.

Недостатком известного аналога является наличие вращающихся деталей, что увеличивает сопротивление воздушному потоку и усложняет конструкцию, снижает надежность и срок эксплуатации.

Известен плазмообразующий элемент (см. патент RU №2263068, МПК С01В 13/11, опубликован 27.10.2005), содержащий диэлектрический барьер, по одну сторону которого расположен инициирующий электрод, а по другую - комплект равномерно расположенных коронирующих электродов. Со стороны коронирующих электродов находится перегородка, образующая с барьером канал ввода и вывода озонируемого газа. Перегородка выполнена в виде диэлектрического барьера, по другую относительно коронирующих электродов сторону которого расположен дополнительный инициирующий электрод таким образом, что между поверхностями диэлектрических барьеров и стенками коронирующих электродов образованы разрядные зазоры. Коронирующие электроды выполнены полыми овальной формы или в виде полосок из электропроводящего материала.

К недостатку известного элемента следует отнести далекую от оптимальной геометрию коронирующих электродов.

Известен плазмохимический реактор (см. патент RU №2239596, МПК С01В 13/11, опубликован 10.11.2004), содержащий расположенные в герметичном корпусе высоковольтные и заземленные электроды, покрытые снаружи диэлектриком и чередующиеся через один, источник питания, выводы которого подключены к электродам, штуцера для подвода рабочего кислородосодержащего газа и теплоносителя и штуцера для отвода теплоносителя и газоозоновой смеси. Электроды выполнены с возможностью охлаждения теплоносителем из герметично соединенных между собой по кромкам гофрированных пластин, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга и образующих внутреннюю полость, в которой расположены перемычки, установленные перпендикулярно внутренним поверхностям пластин. Гофры пластин электродов расположены перпендикулярно кромкам электродов, а перемычки жестко закреплены между вершинами и впадинами верхней и нижней пластин каждого электрода. Штуцеры для подвода теплоносителя к электродам и отвода теплоносителя от них соединены с полостью электродов через инжекторы и коллекторы, жестко связанные с пластинами электродов, и выполненные в виде труб с отверстиями, расположенными у противоположных кромок электродов, повторяющих обе или, по крайней мере, одна из них, форму сечения гофров электрода в месте их крепления.

Недостатком известного плазмохимического реактора является излишне усложненная конструкция, а также большое сопротивление воздушному потоку.

Известен плазмообразующий элемент (см. патент RU №2066292, МПК С01В 13/11, опубликован 10.09.1996), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Плазмообразующий элемент выполнен в виде трубки из диэлектрического материала, на внешней стенке которой закреплен по

спирали коронирующий электрод, выполненный из токопроводящей ленты, а к внутренней стенке прилегает второй электрод. Второй электрод также выполнен из токопроводящей ленты, закрепленной по спирали на внутренней стенке, один длинный край каждого электрода выполнен зубчатым и отогнутым и размещен соответственно над другим длинным краем другого электрода, прижаты к трубке токопроводящей шиной.

Недостатком известного плазмообразующего элемента является то обстоятельство, что при пробое диэлектрической трубки приходится останавливать плазмохимический реактор и разбирать его для удаления вышедшего из строя элемента. В результате снижается производительность плазмохимического реактора. Если же каждый плазмообразующий элемент снабжать специальным устройством защиты, то возрастает его стоимость и усложняется конструкция.

Известен плазмохимический реактор (см. патент RU №25739, МПК С01В 13/11, опубликован 10.09.1996), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Плазмохимический реактор-прототип содержит размещенный в полости корпуса пакет трубчатых газоразрядных элементов, которые выполнены в виде металлического низкопотенциального электрода и размещенного внутри высокопотенциального стеклянного электрода, имеющего на внутренней поверхности токопроводящий слой. Количество газоразрядных элементов при их диаметре не более 48 мм зависит от внутреннего диаметра корпуса генератора и определяется по математической формуле.

Недостатки плазмохимического реактора-прототипа обусловлены следующим. При пробое диэлектрической трубки приходится останавливать плазмохимический реактор и разбирать его для удаления вышедшего из строя элемента. В результате снижается производительность плазмохимического реактора. Таким образом, недостатками этого озонатора являются сложность и высокая стоимость монтажа и эксплуатации, что существенно сужает область применения прототипа.

Задачей, которая решалась созданием настоящего технического решения, являлось устранение указанных недостатков плазмообразующего элемента и плазмохимического реактора и повышение удобства эксплуатации.

Поставленная задача достигается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.

Поставленная задача в части плазмообразующего элемента решается тем, что плазмообразующий элемент выполнен в виде цилиндрического диэлектрического баллона, заполненного электропроводящим газом, и двух электродов, один из которых пропущен через стенку баллона для контакта с электропроводящим газом, а другой электрод выполнен в виде токопроводящей ленты V-образного поперечного сечения с зубчатыми краями, намотанной по спирали на внешней поверхности баллона и прижатой к ней токопроводящей спиральной шиной.

Зубчатые края ленты могут быть наклонены к поверхности баллона под углом 3-60°.

Расстояние между остриями зубцов и поверхностью баллона может составлять 0,5-10,0 мм.

Поставленная задача в части плазмохимического реактора решается тем, что плазмохимический реактор включает корпус с входным и выходным патрубками, пакет плазмообразующих элементов, выполненных, как указано выше, и эквидистантно установленных в корпусе, и источник переменного напряжения, к которому параллельно подключены плазмообразующие элементы.

Корпус может иметь прямоугольное поперечное сечение, а оси плазмообразующих элементов перпендикулярны двум противолежащим стенкам корпуса. Плазмообразующие элементы могут быть установлены в корпусе, например, в шахматном порядке.

Корпус может иметь в поперечном сечении форму окружности (т.е. имеет форму полого круглого цилиндра), а оси плазмообразующих элементов могут быть параллельны продольной оси корпуса.

В случае электрического «пробоя» стекла и возникновения короткого замыкания происходит разгерметизация баллона плазмообразующего элемента и, как следствие, выход из баллона электропроводящего газа и прекращение протекания тока. Таким образом, при коротком замыкании не требуется специальной защиты на каждый плазмообразующий элемент, а тот элемент, в котором произошел пробой, автоматически исключается из работы. Количество элементов, как правило, от 20 до 10000 шт. (в зависимости от количества очищаемого воздуха), и поэтому автоматическое исключение, в случае короткого замыкания, из процесса очистки до 10% плазмообразующих элементов не приведет к существенному изменению степени очистки, что удобно для обслуживания потребителем. Кроме того, заявляемая конструкция плазмообразующего элемента и плазмохимического реактора, в отличие от аналогов и прототипа, позволяет производить их периодическую промывку для удаления скапливающейся под действием электростатических сил пыли и продуктов химических реакций, не разбирая реактор. Для осуществления промывки достаточно выключить напряжение, а после просушки вновь включить реактор в работу.

Зубчатые отогнутые края токопроводящей ленты обеспечивают устойчивый коронирующий разряд, захватывающий воздушный промежуток с внешней стороны баллона, что обеспечивает создание большего количества озона.

Заявляемые плазмообразующий элемент и плазмохимический реактор иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 показан вид сбоку в частичном разрезе плазмообразующего элемента;

на фиг.2 приведен вид сбоку в продольном разрезе плазмохимического реактора цилиндрической формы;

на фиг.3 изображен вид сзади плазмохимического реактора, изображенного на фиг.2, в поперечном разрезе по А-А;

на фиг.4 показана схема подключения плазмообразующих элементов в плазмохимическом реакторе;

на фиг.5 изображен вид сбоку в продольном разрезе плазмохимического реактора прямоугольной формы;

на фиг.6 показан вид сверху плазмохимического реактора, изображенного на фиг.5, в продольном разрезе по Б-Б.

Плазмообразующий элемент 1 (см. фиг.1) включает диэлектрический баллон 2 (например, изготовленный из стекла), заполненный электропроводящим газом 3, электрод 4, пропущенный через стенку баллона 2 для контакта с электропроводящим газом 3, электрод 5, выполненный в виде спирали из токопроводящей ленты V-образного поперечного сечения с зубчатыми краями 6. Электрод 5 прижат к поверхности баллона 2 упругой токопроводящей шиной 7. Зубчатые края 6 электрода 5 могут быть наклонены к поверхности баллона 2 под углом 3-60°. Зубчатые края 6 могут быть наклонены к поверхности баллона 2 под углом , составляющим от 3° до 60°. Расстояние h от острий зубчатых краев 6 до поверхности баллона 2 может составлять от 0,5 мм до 10,0 мм. Плазмохимический реактор 8 (см. фиг.2, фиг.3) включает корпус 9 в виде круглого цилиндра с входным патрубком 10 и выходным патрубком 11, пакет плазмообразующих элементов 1, выполненных, как указано выше, и эквидистантно установленных в корпусе 9 с помощью диэлектрических держателей 12, и источник 13 переменного напряжения, к которому плазмообразующие элементы 1 параллельно подключены шинами 14, 15, пропущенными через изоляторы 16. Плазмохимический реактор 8 (см. фиг.5, фиг.6) может иметь корпус 17 прямоугольного поперечного сечения (см. фиг.5, фиг.6) с входным патрубком 18 и выходным патрубком 19, а оси плазмообразующих элементов 1 перпендикулярны двум противолежащим стенкам 20, 21 корпуса 17. Плазмообразующие элементы 1 могут быть установлены в корпусе 17,

например, в шахматном порядке. Схема параллельного присоединения плазмообразующих элементов 1 к источнику 13 переменного напряжения показана на фиг.4.

Плазмообразующий элемент 1 работает следующим образом. При подаче напряжения на электрод 4 и через токопроводящую шину 7 на электрод 5 между остриями зубчатых краев 6 и стенкой баллона 2 (являющейся диэлектрическим барьером) возникает барьерный разряд, который генерирует из газов (воздуха) химически активные элементы (ионы, возбужденные молекулы, радикалы, электроны и т.д.). Величина указанного угла наклона зубчатых краев 6 определяется следующими факторами. Если угол будет меньше 3°, то газовый разрядный промежуток будет слишком мал, что обеспечит малое количество химически активных элементов. Если угол будет больше 60°, то начнется возникновение стримеров на поверхности баллона 2, что ведет к резкому локальному разогреву и пробою стекла. Величина h выбирается из следующих предпосылок. Если h будет меньше 0,5 мм, то газовый промежуток будет настолько мал, что образование химически активных элементов будет мало, а также начнется шнурование плазмы по поверхности баллона 2. Если h будет больше 10,0 мм, то газовый разрядный промежуток будет большим, что вызовет снижение напряженности электрического поля, т.е. ухудшаются условия возникновения и протекания разряда, для реально применяемых в современной технике напряжений. Плазмохимический реактор 8, в котором установлены плазмообразующие элементы 1, работает следующим образом (на примере варианта корпуса 9 плазмохимический реактор 8, изображенного на фиг.2). Подают напряжение от источника 13 на плазмообразующие элементы 1. Подлежащий очистке газ, содержащий вредные газообразные вещества, подают через входной патрубок 10 в корпус 9, где газ проходит через области высоковольтных электрических разрядов, создаваемых плазмообразующими элементами 1, и подвергается воздействию электронами, ионами различных энергий, ультрафиолетовым излучением. При этом атомы и молекулы газов,

присутствующих в разряде, переходят в возбужденное состояние и, как следствие, активно вступают в химические реакции окисления и восстановления (нейтрализации) вредных газообразных веществ. В случае электрического «пробоя» стекла какого-либо баллона 2 плазмообразующего элемента 1 и возникновения короткого замыкания происходит разгерметизация баллона 2 и, как следствие, выход электропроводящего газа 3 и прекращение протекания тока плазмообразующего элемента 1, в то время как остальные плазмообразующие элементы 1 плазмохимического реактора 8 продолжают работать.

Изготовление и использование предлагаемых плазмообразующего элемента 1 и плазмохимического реактора 8 не представляют трудностей, т.к. они просты по конструкции, материалы для их изготовления дешевы и доступны, сложного, точного или специального оборудования не требуется, обслуживание не трудоемко и не требует высокой квалификации персонала.

1. Плазмообразующий элемент, выполненный в виде цилиндрического диэлектрического баллона, заполненного электропроводящим газом, и двух электродов, один из которых пропущен через стенку баллона для контакта с электропроводящим газом, а другой электрод выполнен в виде токопроводящей ленты, имеющей V-образное поперечное сечение с зубчатыми краями, намотанной по спирали на внешней поверхности баллона и прижатой к ней токопроводящей спиральной шиной.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что зубчатые края ленты наклонены к поверхности баллона под углом 3-60°.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что расстояние между остриями зубцов и поверхностью баллона составляет 0,5-10,0 мм.

4. Плазмохимический реактор, включающий корпус с входным и выходным патрубками, пакет плазмообразующих элементов, выполненных по п.1, эквидистантно установленных в корпусе, и источник переменного напряжения, к которому параллельно подключены плазмообразующие элементы.

5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что корпус имеет прямоугольное поперечное сечение, а оси плазмообразующих элементов перпендикулярны двум противолежащим стенкам корпуса.

6. Реактор по п.5, отличающийся тем, что плазмообразующие элементы установлены в корпусе в шахматном порядке.

7. Реактор по п.4, отличающийся тем, что корпус имеет круглое поперечное сечение, а оси плазмообразующих элементов параллельны продольной оси корпуса.