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提高臭氧發(fā)生器放電室效率的研究
魏旭 劉虹 解之鳳 吳維韓（清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系）
李漢忠 龔琬如（清華大學(xué)通力臭氧技術(shù)開發(fā)中心，北京
100084）
[摘要]本文根據(jù)管式臭氧發(fā)生器放電室的電暈放電功率方程式，分析了臭氧發(fā)生器的發(fā)展趨勢。設(shè)計了搪瓷介電體的臭氧發(fā)生器放電室。對玻璃和搪瓷材料進行了電性能參數(shù)測試。對玻璃和搪瓷介電體的臭氧發(fā)生器產(chǎn)率和電耗參數(shù)進行了比較。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)合理的搪瓷介電體臭氧發(fā)生器比玻璃介電體臭氧發(fā)生器臭氧產(chǎn)率提高了44%，電耗降低了42%。
[關(guān)鍵詞]臭氧發(fā)生器，搪瓷介電體
1.引言
臭氧作為一種強氧化劑，具有消毒、殺菌、除臭、脫色等作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水處理、化工、食品保鮮、醫(yī)療衛(wèi)生等許多領(lǐng)域。但由于臭氧的生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高，在一定程度上影響了臭氧的應(yīng)用。尤其在水處理工業(yè)上，一臺大型臭氧發(fā)生裝置只能達到每小時幾十甚至上百千克，消耗的電能巨大。
圖1 電暈放電臭氧發(fā)生器基本原理
目前工業(yè)上臭氧的生產(chǎn)主要是采用電暈放電法，基本原理如圖1所示。在一對電極間隔以介電體（通常采用玻璃）和氣隙（通常含氧氣體）。當(dāng)外加交流高壓時，隨著電壓值的升高，氣隙中發(fā)生電暈放電，氣體被電離，間隙中的含氧離子化濃度急劇增加，氧離子同氧分子以及氧離子相互之間反應(yīng)生成臭氧，反應(yīng)過程如下：
O2+高能量電子 →2O+低能量電子（1）
O+O2+M →O3+M+熱 （2）
式中M是間隙中的任何其他氣體分子。同時，原子氧和電子也同臭氧反應(yīng)生成氧：
O+O3 →2O2（3）
O3+e-1 →O2+O+e-1（4）
因此，生成臭氧的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，當(dāng)臭氧生成與分解處于相對平衡時，電暈內(nèi)臭氧濃度達到某一限值，一般用空氣源時為1%-4%（重量），氧氣源時為4%-8%。
生成臭氧的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)：3O2→2O3 （5）所吸收的熱量為：△H=+144.8kj/mol
所以理論上耗電1kwh可生成1220g臭氧，即臭氧電耗為0.82kW·h/kg·O3。但當(dāng)前典型的電暈放電臭氧發(fā)生器，用空氣源時產(chǎn)生1kg臭氧（濃度1%）約需16kwh電能，電能利用率很低，只有5%左右，其余都以熱、聲、光等形式消散了。
因此，探討提高大型水處理用臭氧發(fā)生器效率的方法，有很大的經(jīng)濟價值。
2.提高臭氧發(fā)生器放電室效率的方法
臭氧發(fā)生器主要有供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供電電源和電暈放電室等部分組成，合理地選擇各部分參數(shù)不同程度地提高臭氧發(fā)生器的效率。從電工學(xué)科來進行研究，我們把重點放在了電暈放電室的結(jié)構(gòu)尺寸和供電電源上。
在放電室中，電暈放電過程產(chǎn)生臭氧是電能在電暈內(nèi)耗散的結(jié)果，因此，放電室的放電功率參數(shù)能合理地反應(yīng)出臭氧產(chǎn)量參數(shù)。放電室內(nèi)電暈放電的功率方程式可表示為：P=4CdVsf[V0-（Cd+Cg）Vs/Cd]（6）
式中：P-電暈元件放電功率，W；
Cd-介電體電容，F(xiàn)；
Cg-放電間隙電容，F(xiàn)；
Vo-外加驅(qū)動電壓（峰值），V；
Vs-間隙間的電暈起始電壓（峰值），V；
f-外加驅(qū)動電壓頻率，Hz。
對于管式臭氧發(fā)生器，介電體和放電間隙的電容計算公式為：C=2πεrεol /㏑(D2/D1)（7）
式中，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，εo為絕對介電常數(shù)，l為放電室有效放電長度，D2、D1分別為內(nèi)外徑。
從公式（6）、（7）可以看出，通過改進放電室結(jié)構(gòu)和供電電源來提高臭氧發(fā)生器的效率，可以從以下幾方面著手：
（1）在較高頻率下運行；
（2）采用較薄且介電常數(shù)高的介電材料；
（3）在較高的峰值驅(qū)動電壓下運行；
（4）采用較窄的放電間隙。
提高驅(qū)動電壓可有效的提高臭氧產(chǎn)量，但受介質(zhì)絕緣強度的限制，增加介質(zhì)和氣隙也不利于散熱并影響發(fā)生器效率。一般工程中采用的電壓為幾千到十幾千伏。因此，目前臭氧發(fā)生器產(chǎn)品的開發(fā)趨勢是朝向介電性能更好、更薄的介電體，更窄的電暈間隙和更高的運行頻率等方向發(fā)展。
瓷介質(zhì)具有較高的電氣強度、較大的介電常數(shù)值和較強的耐腐蝕能力，近年來國際上提出采用瓷介質(zhì)作為放電室的介電體考慮到搪瓷的制造工藝比較簡單，我們提出了采用搪瓷材料作為放電室的介電體，并制作了不同尺寸的單管搪瓷介電體臭氧發(fā)生器試品，同玻璃介電體的發(fā)生器進行了對比試驗，以探討通過改進放電室介電材料和結(jié)構(gòu)來提高臭氧發(fā)生器效率的方法。
3 放電室的設(shè)計及供電電源
3.1放電室的設(shè)計
單管搪瓷介電體臭氧發(fā)生器放電室的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用的是內(nèi)管式結(jié)構(gòu)。
圖2 搪瓷介電體放電室的結(jié)構(gòu)
為了能更好地反映出結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)生器效率的影響，我們設(shè)計制做了兩種不同尺寸的搪瓷介電體放電室，并選擇已有的玻璃介電體放電室（外管式）為對照樣本，各放電室尺寸如表1所示。
表1 各放電室的尺寸（單位mm）
3.2供電電源
在本試驗中，供電電源采用通力臭氧技術(shù)開發(fā)中心地管式發(fā)生器中頻電源。該電源開發(fā)時間長、技術(shù)成熟，采用可控硅控制電容的充放電來獲得高頻電壓，每個周期內(nèi)典型的電壓波形如圖3所示。
圖3 電源每個周期內(nèi)的電壓波形
從圖中可以看出，雖然電源頻率是中頻（200-700Hz）,放電時加在放電室兩端的衰減振蕩電壓頻率卻是10kHz以上的高頻。這樣設(shè)計保證了公式（6）中的頻率參數(shù)足夠高，能產(chǎn)生較高的放電功率，同時也考慮了高頻振蕩的周期不應(yīng)低于微放電的持續(xù)時間（1-10ns）和氧分子和原子的反應(yīng)時間（10-20ns),不致影響微放電地進行。此外，在電壓波的一個周期中，隨著振蕩電壓的幅值按指數(shù)波衰減，一段放電時期后有著放電緩和期，在氣流的作用下，有利于提高氧分子的濃度，促進臭氧生成的正向反應(yīng)，同時也有利于介質(zhì)層的散熱，提高放電的效率。
4 搪瓷和玻璃介電體的性能測試
我們進行了搪瓷和玻璃兩種電介質(zhì)的電性能測試，結(jié)果如表2所示。
表2 搪瓷和玻璃材料的電性能參數(shù)
從表中可以看到，搪瓷和玻璃材料的電氣強度較高，均能滿足放電室內(nèi)電暈放電的要求。搪瓷材料的介電常數(shù)值比玻璃高近一倍，用于臭氧發(fā)生器中，將有較高的臭氧產(chǎn)量。
5不同放電室臭氧產(chǎn)率和電耗參數(shù)的測量結(jié)果比較
5.1參數(shù)測量方法
臭氧產(chǎn)量的測量，首先是采用俄羅斯的Nko-50臭氧分析儀（紫外輻射吸收法的原理），測得出臭氧的濃度，再利用下式算出臭氧產(chǎn)量D
.(g/h)D=CQ√1+9.8p ˉ(8)
式中C（g/m3）為出氣中臭氧濃度，（m3/h）為氣體流量，p（MPa）為氣體壓力。
在本試驗中，測取放電室和電源的功率和作為臭氧發(fā)生器的消耗功率。這樣，消耗功率為放電室內(nèi)氣隙地電暈放電功率、介電體損耗以及供電電源損耗之和。因三部分功率隨參數(shù)的變化趨勢是一致的，通過分析發(fā)生器消耗功率的變化可以推斷出放電室內(nèi)氣隙的電暈放電功率變化趨勢。
臭氧發(fā)生器的性能優(yōu)劣主要是通過產(chǎn)率和電耗這兩個參數(shù)來反映的。臭氧的產(chǎn)律是指單位面積、單位時間的臭氧產(chǎn)量。電耗是指臭氧發(fā)生器實測功率與單位時間臭氧產(chǎn)量之比。
采用中頻電源，原料氣為氧氣，保持電源輸入電壓220v，間隙內(nèi)氣體流量0.3m3/h氣壓0.05MPa不變，只改變電源頻率，各放電管產(chǎn)量的變化曲線如圖4，電好的表化曲線如圖5所示（圖中曲線1.2.3分別代表采用玻璃、一號搪瓷和二號搪瓷介電體放電室時的情況）。
圖4 各發(fā)生器產(chǎn)率與電源頻率的關(guān)系
圖5 各發(fā)生器電耗與電源頻率的關(guān)系
從圖中可以看到，各發(fā)生器在電源頻率提高時，產(chǎn)率呈接近線性的趨勢提高，而電耗基本上不變。
比較不同放電室發(fā)生器的產(chǎn)率，二號搪瓷介電體的最大，玻璃介電體的最��；而電耗則玻璃體介電體的最大，二號搪瓷介電體的最小。這說明隨著介電常數(shù)的增加、放電間隙得減小以及介電體的變薄，有效地提高了臭氧的產(chǎn)率，降低了點好。
比較二號搪瓷和玻璃介電體臭氧發(fā)生器在頻率為600Hz時的臭氧產(chǎn)率和電號（二號搪瓷介電體臭氧發(fā)生器產(chǎn)率262.79g/㎡.h,電耗6.48kw.h/kg.O3,玻璃介電體發(fā)生器的產(chǎn)率182.8lg/㎡.h，電耗為11.26kw.h/kg.O3
），二號搪瓷介電體比玻璃介電體發(fā)生器產(chǎn)率提高了44%，電耗降低了42%。
6結(jié)論
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由放電室內(nèi)的電暈放電功率方程式可以看出，臭氧發(fā)生器新產(chǎn)品的開發(fā)趨勢是朝向介電性能更好、更薄的介電體，更窄的電暈間隙和更高地運行頻率等方向發(fā)展。
2 從玻璃和搪瓷材料的電性能測試結(jié)果可以看到，搪瓷材料的介電常數(shù)值比玻璃高近一倍，采用搪瓷介質(zhì)，有可能制造出效率較高的臭氧發(fā)生器。
3 試驗表明，結(jié)構(gòu)較合理的搪瓷介電體臭氧發(fā)生器，同玻璃介電體發(fā)生器相比，臭氧產(chǎn)率得到明顯的提高，電耗明顯降低。
參考文獻
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2 Jen-shin Chang,Arnold J.Kelly Joseph M.Crowley Handbook of
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