Projekt 05845/01

Entwurf, Konstruktion und Bau einer neuartigen Ozonerzeugereinheit kleiner Bauart

ProjekttrÀger

GĂŒnter-Köhler-Institut fĂŒr FĂŒgetechnikund WerkstoffprĂŒfung GmbH (IFW)
Otto-Schott-Str. 13
07745 JenaZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel, das - richtig angewendet - einen wesentlichen Beitrag zur Reinerhaltung der Umwelt (Wasser, Luft) leisten kann. Ziel ist die Entwicklung einer neuartigen Ozonerzeugereinheit, die mit geringerer Leistungsaufnahme als marktĂŒbliche GerĂ€te eine höhere Ozonausbeute erreicht, was wiederum eine kleinere BaugrĂ¶ĂŸe des GerĂ€tes mit weniger Materialverbrauch und somit geringere Investitionskosten bedeutet. Die höhere Ozonausbeute soll durch den Einsatz eines keramischen Dielektrikums erreicht werden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Forschungsthema wurde in drei Teilabschnitte unterteilt: 1. Theoretische Vorstudien und Marktrecherchen; 2. Entwicklung und Bau von Funktionsmustern fĂŒr ca. 50 bis 100 g Ozon pro Stunde aus Sauerstoff; 3. Bau Spannungsversorgungen fĂŒr kleinere und grĂ¶ĂŸere Ozonmengen (bis 1 kg Ozon pro Stunde). In der ersten Projektphase wurden Studien zu keramischen Ozonerzeugerelementen und zu Wechselrichtern fĂŒr Ozonerzeuger durchgefĂŒhrt. Vor- und Nachteile marktĂŒblicher GerĂ€te wurden herausgestellt. FĂŒr den Ozonerzeuger wurde ein Ersatzschaltbild entwickelt, welches mittels Computersimulation zur Optimierung der Spannungsversorgung fĂŒhrte. Eine Spannungsversorgung fĂŒr 1,8 kW Leistung und 400 Hz Rechteckstrom wurde gebaut. Die Gesamtanlage besteht aus einer Drehstromspannungsquelle (Netz), der Spannungsversorgung fĂŒr den Ozonerzeuger, bestehend aus Stromumrichter mit einstellbarer Frequenz und Transformator, sowie dem keramischen Ozonerzeugermodul selbst(einerseits beschichtete Edelstahlrohre, andererseits Röhrchenmodule mit 585 bzw. 1116 Röhrchen). Mittels Variation von Spannung, Frequenz, Stromform und Sauerstoffdurchsatz wird eine optimale Ozonausbeute ermittelt. Der Ozonerzeuger ist nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. FĂŒr die Erzielung großer Mengen Ozon mĂŒssen entsprechend viele Module zusammengeschaltet werden. In einem nĂ€chsten Schritt wurden die Keramikröhrchen durch Wabenkörper ersetzt. Dies sollte eine verbesserten Wirkungsgrad des Ozonisators ergeben. FĂŒr grĂ¶ĂŸere Ozonmengen wurde außerdem eine grĂ¶ĂŸere Spannungsversorgung mit 8 kW Leistung gebaut. Ergebnisse und Diskussion 1. Es wurden 3 verschiedene AusfĂŒhrungen von Ozonerzeugermodulen gebaut: · Ozonerzeuger aus Edelstahlrohr mit keramischen Spritzschichten als Dielektrikum · Quadratische Module mit 585 bzw. 1116 Keramikröhrchen · Quadratische Module mit 36 Keramikwabenkörpern 2. Zum Betreiben der Ozonerzeuger wurden 2 verschiedene Spannungsversorgungen gebaut und eine weitere projektiert: · 1,6 kW Spannungsversorgung (Frequenz ÂŁ 400 Hz) fĂŒr den Laborbetrieb (Test der Module); · 8 kW-Spannungsversorgung (Frequenz 200 - 1200 Hz) zur Erzeugung von ca. 1 kg Ozon pro Stunde; · Laboraufbau einer Spannungsversorgung, die ohne Transformator und SchwingkreisinduktivitĂ€t arbeitet (Projekt fĂŒr Diplomarbeit). 3. Zur Optimierung der KĂŒhlleistung wurden zwei Arten direkt gekĂŒhlte Erdelektroden entwickelt: · Elektroden in Plattenform · Elektroden in Gitterform 4. Es wurde festgestellt, dass fĂŒr die Erzielung einer hohen Ozonausbeute mehrere Faktoren eine entscheidende Rolle spielen: · Art und Eigenschaften des Dielektrikums (PermittivitĂ€t soll möglichst hoch sein, optimierte Schichtdicke); · Optimale KĂŒhlung der geerdeten Elektroden muss gewĂ€hrleistet sein (direkte KĂŒhlung); · Frequenz des Umrichters muss möglichst hoch sein (es gilt, den Resonanzpunkt zu finden); · Anpassung der Spannungsversorgung an das Ozonerzeugermodul muss optimiert werden (Abgleich); · Optimierung des Luftspaltes (zwischen 0,5 und 1mm, gleichmĂ€ĂŸiger Abstand zur Elektrode). Als Einsatzgas wurde reiner Sauerstoff gewĂ€hlt. Dadurch entfĂ€llt eine aufwendige Gasreinigung sowie Trocknung. Außerdem wird dadurch die Bildung von giftigen Stickoxiden vermieden. Durch eine geeignete Materialauswahl und die Entwicklung einer Spannungsversorgung, die ohne Transformator auskommt, werden Werkstoffe und Energie eingespart und somit die Umwelt entlastet.Die eingesetzten Werkstoffe haben eine hohe Lebensdauer (Keramik, Glas) und sind recycelbar. Dies liefert einen wichtigen Aspekt zur UmweltvertrĂ€glichkeit des neuartigen Ozonerzeugers. Die Investitionskosten werden gesenkt. Insgesamt ist die Anordnung auf Grund der kurzen WeglĂ€nge der Hochspannungsstrecke durchschlagssicher. Je nach Anzahl der zusammengeschalteten Module (Baukastenprinzip) können verschiedene Ozonmengen hergestellt werden. Durch die kompakte Bauweise ist der Platzbedarf fĂŒr das GesamtgerĂ€t kleiner als bei herkömmlichen GerĂ€ten. Bei Verwendung von keramischen Schichten als Alternative entfĂ€llt die Verdrahtung und Versilberung der Elektroden. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Auf der DECHEMA- Jahrestagung vom 26. -28. Mai 1998 in Wiesbaden wurde ein Poster mit dem Titel Neuartige und energiesparende Ozonerzeugereinheit prĂ€sentiert.Im Jahr 1998 sind noch Veröffentlichungen in Umweltzeitschriften (Umweltmagazin und Wasser, Luft, Boden) geplant. Die Vermarktung der GerĂ€te lĂ€uft ĂŒber ThĂŒringer Umweltinnovationszentren. Fazit · Das Ziel des Forschungsthemas wurde erreicht. · Es wurden Labormuster in mehreren Varianten gefertigt und getestet. · Bei Ozonerzeugern mit Keramikdielektrikum sind Energiebilanzen bis 4,5 Wh/g Ozon erreichbar. · Die GerĂ€tevarianten mit beschichteten Rohren und versilberten Röhrchen erbrachten gute Ergebnisse. · Die Ozonausbeute bei Einsatz von Keramik ist höher als bei einem Glasdielektrikum · Die Module mit den Keramikwabenkörpern erreichten keine auswertbaren Ergebnisse. · Die Einsatzspannung zur Ozonerzeugung kann bei Keramik bis 2 kV abgesenkt werden. · Es ist denkbar, mit einer Spannungsversorgung ohne Transformator zu arbeiten. · Es wurden 2 vermarktungsfĂ€hige Spannungsversorgungen entwickelt und gebaut. · FĂŒr die Vermarktung der Ozonerzeugermodule ist der Bau eines grĂ¶ĂŸeren GerĂ€tes (mit 5 bis 10 Rohren) erforderlich.

Übersicht

Telefon

03641/204-100

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Bundesland

ThĂŒringen

Fördersumme

169.111,32 €

Förderzeitraum

15.02.1996 - 21.04.1999