книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды

плоскими стеклянными пластинами. Кроме того, операции с трубчатыми электродами проще в эксплуатации, а прочистка их незатруднительна. Другим преимуществом является непо­ средственное погружение трубчатых электродов в охлаждаю­ щую воду. Это создает значительную разрядную площадь при малогабаритном объеме с весьма эффективным охлаждением и позволяет получить повышенную концентрацию озона, а такжеувеличить его выработку.

Таблица 20

Техническая характеристика озонатора Шуази-7500

80

Разрядные элементы 1 в озонаторе размещены вертикально внутри цилиндрического корпуса 2, состоящего из трех секций. Сухой воздух 3 поступает сверху вниз в верхнюю секцию 4, где распределяется по пакету металлических трубок 5, служащих высоковольтными электродами. Каждая металлическая трубка 6 установлена концентрично внутри трубки-диэлектрика 7, изго­ товленной из специального стекла. Снизу эти трубки заглуше­ ны, и их внутренний диаметр несколько больше внешнего диа­ метра металлической трубки. Так образуется кольцевое прост­ ранство между трубками, по которому воздух движется вверх.

Пакет стеклянных трубок-диэлектриков 7 почти на всю их высоту погружен в нижнюю секцию цилиндрического корпуса, заполненную циркуляционной водой 8. Кроме охлаждения вода должна выполнять функцию заземленного электрода.

Верхние концы трубок-диэлектриков входят в среднюю сек­ цию корпуса озонатора 9, которая служит коллектором, куда поступает и откуда выпускается озонированный воздух 10, прошедший через кольцевое пространство.

На рис. 44 показан ряд деталей озонатора: зажим и пере­ ходный изолятор 11, крышка корпуса 12, распределительный диск высокого напряжения 13, плавкий предохранитель 14, сты­ ковые соединения 15, впуск охлаждающей воды 16, выпуск во­ ды 17.

Такие озонаторы подвергались испытаниям как на стенде, так и в производственных условиях в течение, нескольких лет. Результаты испытаний озонаторов при питании током с часто­ той 50 гц, отнесенные к одному трубчатому элементу, показаны в табл. 21.

Из табл. 21 следует, что озонатор с вертикальными электро­ дами в некоторой мере может быть сопоставлен по своим по­ казателям с генератором озона Шуази-7500. Однако озонаторы

свертикальным исполнением не целесообразны для применения

вкрупных установках из-за их громоздкости. Последняя вызва­ на дублированием уплотнений между устройствами для про­ пуска воздуха, озона и охлаждающей воды. Уплотнения явля­

ются также технологическим препятствием для действия озона­ тора под давлением.

Казалось бы, можно полагать, что к. п. д. установки с вер­ тикальными электродами повышается в связи с энергичным ох­ лаждением электрода при непосредственном соприкасании с водой. На самом же деле теплопередача разрядной энергии, со­ ставляющей 90% поглощаемой мощности, свободнее осущест­ вляется металлическим электродом, чем электродом, выполнен­ ным из такого изоляционного материала, как стекло. Кроме то­ го, поскольку стеклянный электрод находится в непосредствен­ ном контакте с водой, она становится проводником тока высо­ кого напряжения. Это обстоятельство при наличии значитель-

81

ной поверхности электродов создает затруднения для равномер­ ного распределения электрических разрядов.,

Пластинчатый озонатор с центральным коллектором. Прин­ ципиальная схема пластинчатого озонатора была предложена

,тановки были одобрены Международными конгрессами по водо­ снабжению в Хельсинки (1954 г.) и в Чикаго (1956 г.). Озо­ наторы «Отто» широко внедрены в практику, так как в настоя­ щее время во Франции и за ее пределами используется более 500 таких установок, находящихся в постоянной эксплуатации. В частности, на водопроводной станции Сен-Мор (Париж) при общей производительности озонирующей установки 450 кг озо­ на в сутки 50% всего получаемого озона вырабатывается на озонаторах «Отто» (станция введена в эксплуатацию с февраля

1953 г.).

Озонатор «Отто» выполнен из нескольких параллельно раз­

мещаемых разрядных элементов, чередующихся в определенной последовательности, а именно: заземленный электрод, диэлек­ трик, электрод высокого напряжения, диэлектрик, заземленный электрод и т. д. (рис. 45). В качестве электрода используется слой фольги или металлической краски, плотно прилегающей 'к наружной поверхности полых брусков 1, которые являются низ­ ковольтными вследствие их заземления. Непосредственно через

82

полые бруски 1 пропускают воду, охлаждающую электроды. Диэлектриками служат тонкие стеклянные пластины 2, примы-

»кающие к заземленным электродам. Бруски 3 представляют собой высоковольтные электроды, и система охлаждения их водой электрически изолирована от заземления. Электроды и диэлектрики имеют квадратное сечение с центральным отвер­ стием.

друг к другу. Так образуется секция, в которой центральные от­ верстия составляют проход, сообщающийся с разрядными по­ лями 4. Величина промежутка между электродом высокого на­ пряжения и диэлектриком определяет ширину поля разряда, которая регулируется с помощью направляющих колец, при­ крепленных к электроду высокого напряжения.

На рис. 46 показаны схема разрядного элемента 1 озонатора, центральный коллектор 2, впуск сухого воздуха 3 и выпуск озонированного воздуха 4.

Корпус озонатора герметичен и рассчитан на давление, близ­ кое атмосферному. Сухой воздух 1 поступает внутрь корпуса (рис. 47), проникает в зону разряда по его периферии и сразу после озонирования попадает в центральную часть разрядного элемента. Последняя одновременно служит коллектором, прой­ дя по которому озонированный воздух выходит из аппарата через выпускную трубу 2.

Корпус озонатора может состоять из одной, двух или четы­ рех секций, каждая из которых содержит одинаковое количество разрядных элементов. Плоские заземленные электроды охлаж­ даются циркуляцией воды по двум трубопроводам. Один из них служит для впуска 3, другой — для выпуска 4 воды. Каждый из коллекторов соединен с плоскими пластинами электродов отдельными трубками.

83

Очень важным фактором для эффективного действия плас­ тинчатого озонатора является использование всей поверхности разряда. Прежде, когда обычные рабочие концентрации озона были низкими (несколько граммов на 1 м3 воздуха), вполне обеспечивалась радиальная циркуляция воздуха на входе в центральный коллектор. После того как значения концентрации превысили 10—12 г/м3, относительное снижение расхода воздуха

Это позволило улучшить эксплуатационные показатели озо­ наторов.

В табл. 22 они сопоставляются с моделью, выпущенной в 1956 г. Там же даны характеристики современных плоских озо­ наторов при питании их током средней частоты (до 500 гц), что делает возможным повысить производительность аппаратов в 2,5 раза на каждый элемент. Энергетический к. п. д. озонатора увеличивается с повышением частоты тока (максимально до 500 гц). Однако стоимость устройства и обслуживания преобра- • зователей частоты тока ограничивает целесообразное их исполь­ зование только для малых установок.

Наиболее крупные из выпускаемых в настоящее время пла­ стинчатых озонаторов с центральным коллектором состоят из 84 элементов со 168 разрядными полостями. На электроды по­ дается напряжение 20 тыс. в. При частоте 50 гц производитель­ ность такого озонатора составляет (27,6-84): 1000= 2,3 кг/ч (см. табл. 22). При частоте тока 500 гц производительность озонато­ ра для концентраций 15 и 20 г/м3 озона может достигать соот­ ветственно 5Д и 6,3 кг/ч.

К типу плоских озонаторов с центральным коллектором относится озонатор блочной конструкции фирмы «Societe de par action et d’antreprise» (Брюссель, Бельгия).

Этот аппарат в общем весьма похож на озонатор «Отто»,

84

нескольких элементов, но они имеют круглую форму, а не че­ тырехугольную.

выполнены из стальной фольги, которая плотно прикреплена к стеклянным пластинам, имеющим диаметр 394 мм и централь­ ные отверстия диаметром 25,4 мм. Толщина стеклянных плас­ тин составляет 3,2—4,8 мм, а зазор для разряда между элек­ тродами — 3,2 мм. Все блоки охлаждаются трансформаторным маслом, а не водой, что, конечно, электрически изолирует элек­ троды. Масло'охлаждается водой. Применяемое напряжение — до 22 000 в (с возможностью его изменения) для регулирования выхода озона в пределах ±10—20% номинала.

Самая крупная установка рассматриваемого типа — модель С-84 — имеет 32 элемента при наличии 64 разрядных полостей, выдача озона 1,23 кг/ч.

85

также имеет плоские электроды, но отличается от рассмотрен­ ного ранее аппарата следующими особенностями:

впуска 3 и выпуска 4 охлаждающей воды;

Рис. 48. Разрядный элемент плоского озонатора

спродольной циркуляцией

2)разрядные элементы располагаются не вертикально в о щей камере, а каждый имеет свой собственный коробчатый ко­ жух.

Таким образом, озонатор собран из определенного числа установленных горизонтально коробчатых кожухов, составляю­ щих единый блок (рис. 49). Заземленный электрод и диэлектрик

имеют устройство, аналогичное принятому в плоском озонаторе ■с центральным коллектором, за исключением формы, которая, как указывалось, прямоугольная. Высоковольтные электроды, состоящие из пары очень тонких металлических пластин, уста­ навливают на одинаковом друг от друга расстоянии, которое можно изменять с помощью специального устройства. Зазем­ ленные электроды размещены так, что каждый из них является общим для двух соседних коробчатых кожухов.

Две металлические пластины, составляющие электрод вы­ сокого напряжения, расположены внутри коробчатого кожуха, имеющего форму параллелепипеда. Благодаря зазору, созда­

86

ваемому раздвижным устройством, два диэлектрика плотно прилегают к заземленным электродам.

Камеры тихого разряда сообщаются с пространством, за­ ключенным в коробчатом кожухе, только через один из своих открытых концов (см. рис. 48) для впуска сухого воздуха 2. Противоположный конец камеры служит для выпуска озониро­ ванного воздуха 1. В каждом коробчатом кожухе размещены две параллельные зоны тихого разряда,

На одной из продольных боковых стенок коробчатого кожу­ ха расположены патрубки (см. .рис. 49) для входа 1 и выхода 2 охлаждающей воды и для впуска сухого воздуха 3 и выпуска озоно-воздушной смеси 4. Все эти патрубки присоединены к кол­ лекторам, проложенным в специальных проемах, которые от­ деляют друг от друга блоки, объединяющие наборы из не­ скольких коробчатых кожухов. Электроток подается от повысительного трансформатора 5.

В табл. 23 приведены технические показатели плоского озо­ натора с продольной циркуляцией. Производительность его по озону на 1 м2 поверхности электродов составляет 96—409 г/ч-м2, т. е. на 50% больше, чем производительность трубчатых озона­ торов (ем. табл. 22). Конечно, при этом несколько-увеличивает- ся удельное потребление электроэнергии, но только на 5—7% по сравнению с удельным ее потреблением трубчатыми озона­ торами.

Если число коробчатых элементов плоского озонатора с про­ дольной циркуляцией ограничить 25, то производительность та­ кого блока при концентрации озона 20 г/м3 составит (60,3-25): :1000= 1,5 кг/ч. Следовательно, при четырех блоках можно до­ вести выработку озона до 6 кг/ч.

87

5.ПИТАНИЕ ОЗОНАТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Козонатору подводится переменный ток, обычно однофаз­ ный, с частотой 50 гц. Использование тока более высокой час­ тоты позволяет при заданной мощности W снижать величину

жет быть превзойдено, поскольку соответствует «тепловому порогу», т. е. такому значению мощности, за пределами кото­ рого разрушение озона преобладает над его образованием. Это происходит вследствие быстрого нагрева разрядного про­ странства, несмотря на его эффективное охлаждение. В подоб­ ных условиях бесцельно увеличивать мощность W.

Ток, питающий озонатор, подается от трансформатора под напряжением от б тыс. в до 25 кв в зависимости от типа озо­ натора, рабочей мощности, используемой частоты и т. д. Транс­ форматор получает ток либо непосредственно от сети при час­ тоте 50 гц, либо от электрогенератора при частотах 150— 1000 гц. Если частота тока не более 500 гц, применяют генера­ тор переменного тока маховично'го типа или же статический преобразователь частоты. Генераторы переменного тока исполь­ зуются в течение более 30 лет, но им свойствен умеренный к. п. д., который снижает общий энергетический к. п. д. озона­ тора. Кроме того, стоимость таких генераторов высока. Поэто­ му, несмотря на экономические преимущества высоких частот для действия озонаторов, генераторы переменного тока вышли из употребления. Причина заключается и в том, что в настоя­ щее время достигнут значительный прогресс в создании высоко-

88

производительных озонаторов, работающих на токе с частотой

50гц.

По аналогичным причинам статические преобразователи ча­

стоты использовались весьма слабо. Кроме того, если в питаю­ щей сети имеется преобразователь частоты в виде альтерна­ тора, подключенного к повышающему трансформатору, то ра­ бочая устойчивость сомнительна из-за перенапряжений и резо­ нансных явлений. Осложнение вызывается и тем, что при вы­ соких частотах тока необходимо специальное устройство, точно регулирующее величину напряжения U. На это указывают наклоны линий, приведенных рис. 50 и близких к вертикали.

ности использования частот выше 50 гц только на малых уста­ новках.

Однако в настоящее время ведутся исследования, которые должны выявить преимущества действия озонатора на сред­ них частотах со снижением капитальных затрат при устройст­ ве крупных установок и сокращением затрат на их эксплуа­ тацию.

6. РАСЧЕТ ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА

Советские ученые Н. И. Кобозев, С. С. Васильев и Е. Н. Еремин [50] доказали, что основным фактором, определяющим химическое действие электрического разряда, является отноше­

для получения необходимого объема озона.

Проф. Ю. В. Филиппов [51] на основе опытных данных ус­ тановил зависимости концентрации озона от величины отно­ шения UIV для озонатора с разрядными промежутками 1— 4,2 мм. Следует отметить, что е увеличением разрядного про­ межутка увеличивается поток энергии, отводимой через едини­ цу площади электродов, и одновременно устанавливается боль­ ший температурный' перепад между газом в разрядном проме­ жутке и охлаждающей водой. Это ведет к снижению концент­ рации озона, получаемого в озонаторах с большими разрядны­ ми промежутками. Этот вывод получен на основе эксперимен­ тальных исследований.

Таким образом, найдены ' аппроксимативные значения кон­ центрации озона при получении его из тщательно очищенного воздуха или кислорода для разных размеров разрядного про­ межутка в зависимости от фактора U/V.

Для расчета активной мощности разряда озонатора проф. Ю. В. Филиппов [50] предложил формулу

89