CH538881A - Corona-Reaktorzelle zum Behandeln fluider Medien mittels einer Coronaentladung und Verfahren zum Betrieb der Zelle - Google Patents

Description

  
 



   Die Erfindung betrifft eine Corona-Reaktorzelle zum Behandeln fluider Medien mittels einer Coronaentladung sowie e n Verfahren zum Betrieb der Zelle.



   Corona-Reaktorzellen und Ozongeneratoren zur Erzeugung von Ozon unter Druck sind bekannt. Die bekannten Ausführungen machen die Benutzung eines grossen Druckgefässes erforderlich, das starken Belastungen widerstehen kann, um einen Reaktorkern aufzunehmen; dieser kann aus einer einzigen Röhre oder Platte oder aber aus einer ganzen Anordnung von mehreren derselben bestehen. Bei den bekannten Ausführungen müssen auch die einzelnen Zellen mit Wasser gekühlt werden, wenn man grössere Mengen von Ozon erhalten will. Beide Anforderungen entfallen bei der vorliegenden Erfindung.



   Die bekannten Konstruktionsprinzipien sind ferner ungeeignet, um raumsparende und leicht zu unterhaltende Generatorausführungen zu liefern.



   Ein weiterer Nachteil der bekannten Ausführungen besteht darin, dass die Reaktorzellen eines Ozongenerators elektrisch parallel geschaltet sind. Diese Parallelschaltung erfordert ausserordentlich enge Toleranzen bei den Flächenund Abstandhaltern, die nur schwierig und auf kostspielige Weise eingehalten werden können. Wenn die Luftspalte zwischen benachbarten Elektroden ungleich gross sind, und wenn die dielektrischen Schichten auch nur geringfügig voneinander abweichen, dann werden einige Luftspalte (Corona-Reaktionskammern) elektrisch stärker beansprucht als die anderen. Genauer gesagt werden die schmalsten Luftspalte und die dünnsten dielektrischen Schichten am allerstärksten beansprucht.

  Dieser Nachteil stellt einen begrenzenden Faktor bei der Erstellung und beim Betrieb bekannter Coronageneratoren dar, weil der Coronagenerator nur so lange stark beansprucht werden kann, bis das Dielektrikum durch einen Lichtbogen zwischen zwei benachbarten Elektroden durchlöchert und auf diese Weise unbrauchbar gemacht wird. Daher kann bei den bekannten Ausführungen nicht mehr als ein Luftspalt bis zur Höchstbelastung elektrisch belastet werden.



   Der Erfindung liegt das Bestreben zugrunde, eine Reaktorzelle zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist und einfach und mit geringen Kosten hergestellt und unterhalten werden kann.



   Die erfindungsgemässe Reaktorzelle ist gekennzeichnet durch ein Paar von parallelen, benachbarten und im Abstand voneinander gehaltenen Elektroden, wobei eine luftdichte Reaktionskammer zwischen den einander gegenüberstehenden Innenfläche der Elektroden gebildet ist und die Elektrode äussere, einem Kühlmittel ausgesetzte Wärmeaustauschflächen aufweisen, die einander gegenüberliegen.



   Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb von Reaktorzellen ist gekennzeichnet durch Zuführung elektrischer Energie an die beiden Elektroden, so dass eine Coronaentladung zwischen diesen erzeugt wird und Strömenlassen eines Gases zum Zwecke des Wärmeaustausches gegen die von der   Corona-Entladung    abgesandten Wärmeaustauschflächen der    Elektroden,    um diese zu kühlen.



   Im folgenden werden als Beispiele Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 teilweise aufgeschnitten eine Reaktorzelle in Vorderansicht,
Fig. 2 ausschnittsweise einen Querschnitt durch die Reaktorzelle längs der Linie 8-8 der Fig. 7,
Fig. 3 ausschnittsweise einen Längsschnitt durch dieselbe Reaktorzelle längs der Linie 9-9 der Fig. 7.



   Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemässe Corona Reaktorzelle 21; diese weist ein Paar von parallelen, in gleichem Abstand voneinander befindlichen Elektroden 152, 154 auf; jede dieser Elektroden hat eine blanke, der Umgebung ausgesetzte äussere Oberfläche 153 bzw. 155. Die Elektroden 152, 154 haben eine dielektrische Schicht 156 bzw. 158 an ihren inneren Oberflächen 157 bzw. 159 der Platten 152 bzw. 154. Die im Abstand voneinander gehaltenen Elektroden 152, 154 begrenzen eine Reaktionskammer 160, die sich zwischen ihnen befindet. Die Elektroden 152, 154 sind vorzugsweise aus entkohltem Stahl gefertigt; die elektrische Schicht besteht vorzugsweise aus einem Dielektrikum, das erst bei sehr hohen Temperaturen weich wird, wie z. B. aus einer dünnen Schicht von einem keramischen Dielektrikum, das frei von Poren ist.



   Die Elektroden 152, 154 sind vorzugsweise rechteckig ausgebildet und haben eine abgebogene oder überhängende Kante 161 bzw. 163, die über den ganzen Umfang der Elektroden 152, 154 verläuft, wie die Fig. 7 und 8 zeigen. Die abgebogenen Kanten 161, 163 sind voneinander weg gekrümmt, d. h. weg von der benachbarten Kante der anderen der beiden Elektroden; das erlaubt den Betrieb der Reaktorzelle 21 bei hoher Spannung ohne Lichtbogenbildung an den Kanten. Die Reaktorzelle 21 hat eine Kehle 164 über ihrem ganzen Umfang, wie die Fig. 8 zeigt, die eine Abstandsscheibe
162 aufnimmt, die weiter unten näher beschrieben wird; die Kehle 164 erlaubt die Herstellung einer guten Dichtung oder Schweissverbindung 172.



   Mittels der isolierenden Abstandsscheibe 162 werden die beiden Elektroden 152, 154 in einem vorgewählten Abstand voneinander gehalten; die Abstandsscheibe 162 hat eine mittige Öffnung 166, wie die Fig. 7 zeigt, und wird um den ganzen Umfang der Reaktorzelle 21 zwischen den Elektroden
152, 154 angeordnet. Die Abstandsscheibe 162 wird vorzugsweise aus Silikonkautschuk gefertigt; sie kann aber auch aus anderen geeigneten Werkstoffen hergestellt werden. Die Abstandsscheibe 162 kann z. B. auch aus Metall, vorzugsweise aus leicht verformbarem Metall gefertigt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.



   Die Reaktionskammer 160 wird dadurch luftdicht abgedichtet, dass man die Elektroden 152, 154 luftdicht mit der Abstandsscheibe 162 verbindet, und zwar beispielsweise mittels einer Schweissnaht oder einer Raupe 172 aus einem Silikon-Dichtungsmittel, wie z. B. dem unter dem Handelsnamen  RTV  bekannten (siehe Fig. 8). Die Schweissnaht oder Raupe 172 wird auf beiden Seiten der Unterlagsscheibe 162 gebildet, und zwar längs des gesamten Umfanges der Reaktorzelle 21. Die Abstandsscheibe 162 hält den vorgewählten Abstand zwischen den Elektroden 152, 154 aufrecht und macht die Reaktorzelle 121 luftdicht.



   Das zu behandelnde fluide Medium wird in die Reaktionskammer 160 der Reaktorzelle 21 hinein und aus ihr heraus auf folgende Weise befördert: Die Reaktorzelle 21 ist mit einer Einlassleitung 98 und einer Auslassleitung 100 versehen. Die Einlassleitung 98 ist mit einem Einlassanschluss 173 in der Elektrode 152 mittels eines Verbindungsstutzens 175 verbunden. Die Auslassleitung 100 ist mittels eines Verbindungsstückes 177 mit einem nicht dargestellten Auslassanschluss in der anderen Elektrode 154 verbunden. Da die Verbindungsstücke 175, 177 von gleicher Beschaffenheit sind, braucht nur eines der beiden beschrieben zu werden. 

  Das Verbindungsstück 175 ist am Stutzen 173 mit der äusseren Oberfläche 155 der Elektrode 152 verschweisst oder auf andere Weise verbunden; der Stutzen 173 kann einen umlaufenden Flansch 179 aufweisen, der sich in einer Richtung von der Reaktionskammer 160 hinwegerstreckt. Das Verbindungsstück 175 weist einen metallischen Körper 181 auf, der einen ersten zylindrischen Durchlass 163 hat; dieser erstreckt sich ein Stück weit durch diese hindurch und umfasst oder nimmt den umfänglichen Flansch 179 auf, wie die Fig. 9 zeigt. Der Körper 181 des Verbindungsstückes 175 weist einen zweiten zylindrischen Durchlass 185 auf, der auf dem  ersten zylindrischen Durchlass 183 senkrecht steht; beide zylindrischen Durchlässe 183, 185 kommunizieren miteinander.

  Mit dem Körper 181 ist beim Durchlass 185 eine Röhre 187, die vorzugsweise aus Metall gefertigt ist, verschweisst oder auf andere Weise verbunden; diese erstreckt sich unterhalb des Körpers 181 und verbindet die Einlassleitung mit dem Verbindungsstück 175. Die Leitung 98 kann über die Röhre 187 geschoben und mittels eines Drahtstücks 189 gesichert werden, der auf die Leitung 98 aufgelegt und verdrillt wird. Die Auslassleitung 100 wird vorzugsweise auf dieselbe Weise ausgeführt. Beide Stutzen 173 und auch die nicht dargestellten Stutzen können bei Bedarf in derselben Elektrode liegen. Wie man aus obiger Beschreibung erkennt, stellt jede einzelne Reaktorzelle 21 ihr eigenes einzelnes Druckgefäss dar, das mittels der Abstandsscheibe 162 und der Silikon-Schweissnaht oder Raupe 172 über den ganzen Umfang der Reaktorzelle 21 auf beiden Seiten der Abstandsscheibe 162 verkittet worden ist.

  Vorzugsweise werden Abstandsscheiben und Abdichtungsmittel aus Silikongummi gefertigt, da dieser durch Corona-Entladungen oder Ozon nicht zerstört wird, und seinerseits das Ozon nicht zersetzt.



   Die Corona-Reaktorzelle 21 weist zusätzlich zu den oben beschriebenen Teilen vorzugsweise noch gewisse weitere Einzelheiten auf. Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Paar Abstandshalter 178, 180, die aus Aluminium gefertigt sind und gleichzeitig als Wärmesenken dienen. Sie stehen mit den äusseren Oberflächen 155 bzw. 157 der Elektroden 152 bzw. 154 in Berührung. Da die Abstandshalter 178, 180 gleichartig beschaffen sind, braucht hier nur einer der beiden beschrieben zu werden. Der Abstandshalter 178 ist wellblechartig ausgebildet und hat eine Vielzahl von sich nach gegenüberliegenden Seiten öffnenden, zueinander parallelen Kanälen; darunter befinden sich geschlossene Kanäle 186 und offene Kanäle 188.



  Die Abstandshalter 178, 180 haben verschiedene Funktionen auszuüben. Die eine Funktion besteht darin, dass sie als Wärmesenken dienen, um die von der Reaktorzelle 21 während des Betriebes erzeugte Wärme abzuführen. Zur Unterstützung dieser Funktion wird vorzugsweise durch den Corona-Reaktorkern 14 Kühlluft geblasen, und zwar in einer Richtung parallel zu den Kanälen 186, 188. Diese Luft wird mittels eines Gebläses eingeblasen.



   Eine andere Funktion der Abstandshalter 178, 180 besteht darin, dass benachbarte Reaktorzellen 21 im Abstand voneinander gehalten werden, wenn eine Vielzahl von Reaktorzellen 21 zur Bildung eines Corona-Reaktors zusammengefügt wird; auf diese Weise werden die vom Druck des fluiden Mediums in der Reaktionskammer 160 erzeugten Kräfte aufgenommen und gleichförmig verteilt.



   Da die Abstandshalter 178, 180 sowohl elektrisch als auch thermisch leiten, üben sie auch die zusätzliche Funktion aus, die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Elektroden von benachbarten Reaktorzellen 21 herzustellen. Die Abstandshalter 178, 180 stellen daher geeignete elektrische Anschlüsse dar, an die die elektrische Energie angelegt werden kann; sie dienen auch dazu, um mehrere Reaktorzellen 21 elektrisch miteinander zu verbinden.



   Die Einführung des zu behandelnden, fluiden Mediums in die Reaktionskammer 160 erfolgt durch die Leitung 98; diese erstreckt sich in einen der geschlossenen Kanäle 186 des Abstandshalter 178 und von da weiter durch den Raum 191, der zwischen einer Kante 193 (Fig. 3) des Abstandshalters 178 und der benachbarten Kante 195 der Elektrode 152 liegt. Die Auslassleitung 100 verläuft durch einen der
Kanäle 186 in ähnlicher Weise, wie es gerade für die Einlassleitung 98 beschrieben worden ist.



   Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine weitere Einzelheit der Reaktorzelle, nämlich eine Ablenkplatte 204 aus Silikongummi, die die Reaktion dadurch unterstützt, dass sie die Bildung von toten Räumen innerhalb der Reaktionskammer 160 vermeidet. Die Ablenkplatte 204 ist nicht eine ununterbrochene durchgehende Platte, die sich quer über den ganzen Luftspalt, d. h. über die Lücke zwischen zwei benachbarten Elektroden, der Reaktionskammer 160 erstreckt; wie die Fig. 2 zeigt, erstreckt sie sich nur ein stückweit über die Breite der Reaktionskammer 160.



   Es kann ein elektrisch leitender Werkstoff für die Abstandsscheibe 162, anstatt des bisher benutzten elektrisch nicht leitenden Gummis verwendet werden. Als elektrisch leitender Werkstoff wird vorzugsweise ein weiches, dehnbares Metall,   wiez.    B. Aluminium, verwendet. Die Benutzung eines solchen Metalls erlaubt es, den Trennabstand zwischen den beiden Elektroden 152, 154 mit einem hohen Grad von Gleichförmigkeit einzustellen. Zur Vermeidung elektrischer überschläge an den Ecken oder Kanten der Elektroden 152, 154 kann es notwendig sein, das Herausragen der die Elektroden 152, 154 trennenden metallischen Abstandsscheibe zu begrenzen, und zwar bis an die Stelle, an der sich die Kanten 161, 163 voneinander wegzukrümmen beginnen.



   Zur Vermeidung der Lichtbogenbildung bei Benutzung metallischer Abstandshalter kann man weiterhin die Spannung verringern. Bei niedrigerer Spannung kann eine gleich grosse oder sogar eine noch grössere Coronaintensität aufrechterhalten werden, wenn man die Frequenz erhöht; das lässt sich auf Grund der folgenden Gleichung leicht verstehen:
P =   K-VZ-f,    worin K eine Funktion der Dielektrizitäts-Konstante der Dicke des Dielektrikums und der Breite des Luftspaltes ist, und
P die Energie der Coronaentladung in Watt,
V die an die Elektroden 152, 154 angelegte Spannung in Volt und f deren Frequenz in Hz bedeutet.



   Vorzugsweise liegt die Frequenz im Bereich 100 bis 6000 Hz und die Spannung im Bereiche der Spitzenspannungen 2000 bis 15 000 Volt.



   Der erwähnte Umstand, dass eine ebenso hohe oder möglicherweise sogar noch grössere Ausbeute (verglichen mit den gewöhnlich benutzten hohen Spannungen und niedrigen Frequenzen) durch Erhöhung der Frequenz und Senkung der Spannung erzielbar ist, hängt nicht von der Benutzung von Metall als Werkstoff für die Abstandsscheibe ab; es gilt ebenso auch für viele andere Ausführungsformen.



   Verfahrensbeispiel
Die bevorzugten Bedingungen für den Betrieb einer erfindungsgemässen Reaktorzelle, wie sie obenbeschrieben worden ist, sind die folgenden:
Fluides Medium: Luft
Druck in der Reaktionskammer: 0,7 kg/cm2
Elektrische Leistung: 400 W
Strömungsgeschwindigkeit: 27 Liter/min
Luftspalt zwischen den Elektroden: 1,5 mm
Spannung in der Zelle: 12 000 V
Frequenz: 60 Hz
Ozonausbeute: 57 g/Tag
Anstatt der in den Figuren dargestellten plattenförmigen Elektroden können auch Elektroden von Rohrform oder anderen geometrischen Formen benutzt werden; derartige von der Plattenform abweichende Elektroden können auch bausatzweise aneinander gelegt oder gestapelt werden, wobei jede einzelne Elektrode bei Bedarf auf einfache Art aus der Reaktorzelle entfernt und in diese eingesetzt werden kann. 

   

  Auch diese Elektroden mit abweichender Form können nach der obigen Beschreibung in Reihe elektrisch mit  einander verbunden werden. Es können selbstverständlich auch andere Werkstoffe als in der obigen Beschreibung aufgeführt worden sind, benutzt werden. Obwohl sich die obige Beschreibung auf die Erzeugung von Ozon in einer bevorzugten Ausführungsform bezieht, versteht es sich von selbst, dass auch andere fluide Medien in Reaktorzelle eingeführt und einer Coronaentladung unterworfen werden können, um auf diese Weise verschiedene Endprodukte zu liefern.



   Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, dass die Elektroden mit einem Dielektrikum überzogen sind; so kann z. B.



  eine Elektrode eine dielektrische Schichtung haben, während eine andere Elektrode blankmetallisch ist; im letztgenannten Falle wird sich nur die Ozonausbeute verringern. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   I. Corona-Reaktorzelle zum Behandeln fluider Medien mittels einer Coronaentladung, gekennzeichnet durch ein Paar von parallelen, benachbarten und im Abstand voneinander gehaltenen Elektroden (152, 154), wobei eine luftdichte Reaktionskammer (160) zwischen den einander gegenüberstehenden Innenflächen der Elektroden (152, 154) gebildet ist und die Elektroden (152, 154) äussere, einem Kühlmittel ausgesetzte Wärmeaustauschflächen (153, 155) aufweisen, die einander gegenüberliegen.

   II. Verfahren zum Betrieb von Reaktorzellen nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch Zuführung elektrischer Energie an die beiden Elektroden (152, 154), so dass eine Coronaentladung zwischen diesen erzeugt wird und Strömenlassen eines Gases zum Zwecke des Wärmeaustausches gegen die von der Corona-Entladung abgesandten Wärmeaus tauschflächen der Elektroden (152, 154), um diese zu kühlen.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Reaktorzelle nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch mit der Reaktionskammer (160) verbundene Mittel (98, 100) zum Einlass und Auslass eines fluiden Mediums und ein in der Reaktionskammer angeordneten Ablenkmittel (204) für das fluide Medium.

   2. Reaktorzelle nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Elektroden (152, 154), die die Reaktionskammer (160) begrenzen, mit einer Schicht (156, 158) aus dielektrischem Werkstoff bedeckt sind, und dass die Elektroden durch einen elektrisch leitenden Abstandshalter (162) im Abstand voneinander gehalten werden.

   3. Reaktorzelle nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die die Reaktionskammer (160) begrenzenden Innenflächen der Elektroden (152, 154) mit einer Schicht (156, 158) aus dielektrischem Werkstoff bedeckt sind, und dass Mittel vorhanden sind, um die Bildung von Lichtbögen an den Kanten der Elektroden (152, 154) ausserhalb der Reaktionskammer (160) zu verhindern.

   4. Reaktorzelle nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Vermeidung der Lichtbogenbildung Mittel zum Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 bis 6000 Hz und einer Spitzenspannung von 2000 bis 15 000 V an die Elektrodenplatten (152, 154) aufweisen.

   5. Reaktorzelle nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (152, 154) durch einen elektrisch isolierenden Abstandshalter (162) im Abstand voneinander gehalten werden, welcher Abstandshalter sich über die Kanten der Elektrodenplatten (152, 154) hinaus erstreckt.

   6. Reaktorzelle nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (152, 154) eine Aussenkante (161, 163) aufweist, die von der benachbarten Kante der anderen Elektrode weg gekrümmt ist.

   7. Reaktorzelle nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch Mittel zur Luftkühlung.

   8. Reaktorzelle nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Elektroden (152, 154) aus einer grösstenteils ebenen Elektrodenplatte mit Kanten (161, 163), die von der Ebene der Elektrodenplatte weg gekrümmt sind, besteht.

   9. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung der Lichtbogenbildung zwischen den Elektroden eine Wechselspannung an die Elektrodenplatten (152, 154) gelegt wird, deren Frequenz 100 bis 6000 Hz und deren Spitzenspannung 2000 bis 15 000 V beträgt.

   10. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist.