Projekt 05845/01

Entwurf, Konstruktion und Bau einer neuartigen Ozonerzeugereinheit kleiner Bauart

Projektdurchführung

Günter-Köhler-Institut für Fügetechnikund Werkstoffprüfung GmbH (IFW)
Otto-Schott-Str. 13
07745 Jena

Zielsetzung 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 marktübliche Geräte eine höhere Ozonausbeute erreicht, was wiederum eine kleinere Baugröße des Gerätes 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 für ca. 50 bis 100 g Ozon pro Stunde aus Sauerstoff;
3. Bau Spannungsversorgungen für kleinere und größere Ozonmengen (bis 1 kg Ozon pro Stunde).
In der ersten Projektphase wurden Studien zu keramischen Ozonerzeugerelementen und zu Wechselrichtern für Ozonerzeuger durchgeführt. Vor- und Nachteile marktüblicher Geräte wurden herausgestellt. Für den Ozonerzeuger wurde ein Ersatzschaltbild entwickelt, welches mittels Computersimulation zur Optimierung der Spannungsversorgung führte.
Eine Spannungsversorgung für 1,8 kW Leistung und 400 Hz Rechteckstrom wurde gebaut. Die Gesamtanlage besteht aus einer Drehstromspannungsquelle (Netz), der Spannungsversorgung für 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. Für die Erzielung großer Mengen Ozon müssen entsprechend viele Module zusammengeschaltet werden. In einem nächsten Schritt wurden die Keramikröhrchen durch Wabenkörper ersetzt. Dies sollte eine verbesserten Wirkungsgrad des Ozonisators ergeben. Für größere Ozonmengen wurde außerdem eine größere Spannungsversorgung mit 8 kW Leistung gebaut.


Ergebnisse und Diskussion

1. Es wurden 3 verschiedene Ausführungen 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 £ 400 Hz) für 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 Schwingkreisinduktivität arbeitet (Projekt für Diplomarbeit).
3. Zur Optimierung der Kühlleistung wurden zwei Arten direkt gekühlte Erdelektroden entwickelt:
· Elektroden in Plattenform
· Elektroden in Gitterform
4. Es wurde festgestellt, dass für die Erzielung einer hohen Ozonausbeute mehrere Faktoren eine entscheidende Rolle spielen:
· Art und Eigenschaften des Dielektrikums (Permittivität soll möglichst hoch sein, optimierte Schichtdicke);
· Optimale Kühlung der geerdeten Elektroden muss gewährleistet sein (direkte Kühlung);
· 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, gleichmäßiger Abstand zur Elektrode).
Als Einsatzgas wurde reiner Sauerstoff gewählt. Dadurch entfällt 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 Umweltverträglichkeit des neuartigen Ozonerzeugers. Die Investitionskosten werden gesenkt.
Insgesamt ist die Anordnung auf Grund der kurzen Weglänge der Hochspannungsstrecke durchschlagssicher.
Je nach Anzahl der zusammengeschalteten Module (Baukastenprinzip) können verschiedene Ozonmengen hergestellt werden. Durch die kompakte Bauweise ist der Platzbedarf für das Gesamtgerät kleiner als bei herkömmlichen Geräten.
Bei Verwendung von keramischen Schichten als Alternative entfällt die Verdrahtung und Versilberung der Elektroden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Auf der DECHEMA- Jahrestagung vom 26. -28. Mai 1998 in Wiesbaden wurde ein Poster mit dem Titel Neuartige und energiesparende Ozonerzeugereinheit präsentiert.Im Jahr 1998 sind noch Veröffentlichungen in Umweltzeitschriften (Umweltmagazin und Wasser, Luft, Boden) geplant.
Die Vermarktung der Geräte läuft über Thüringer 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 Gerätevarianten 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 vermarktungsfähige Spannungsversorgungen entwickelt und gebaut.
· Für die Vermarktung der Ozonerzeugermodule ist der Bau eines größeren Gerätes (mit 5 bis 10 Rohren) erforderlich.