（机械电子工程专业论文）工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究.pdf

摘要 臭氧无论是在空气还是溶于水后都有很强的氧化性，具有出色的消毒、灭菌、除嗅、 脱色、化学氧化等功能。基于介质阻挡放电( d b d ) 形式的臭氧发生器发展迅速，产生 臭氧的技术指标有较大幅度的提高，但是整个臭氧发生系统电耗大，电能利用率较低 本文旨在根据c f 4 3 3 1 k 大型臭氧发生器的结构设计和运行积累的经验，基于串联 谐振式的高频逆变电路的分析与计算思路，利用臭氧发生器的高压变压器漏感和负载平 均等效电容概念，从而确定臭氧发生器串联谐振式等效负载电路的工作频率和相应频率 下的臭氧管电功率。为指导不同负载条件下臭氧发生器逆变电源高效工作，同时保证臭 氧发生器工作在最佳工况下，通过对比不同负载等效电容下电源参数的变化，得出规律。 最后示例求得1 5 k g h 臭氧发生器电源的最佳电特性参数是电压峰值为2 0 k v ，工作频率 为1 2 2 7 h z ，滤波电感为2 6 m h ，滤波电容为2 0 u f ，限流电感可不选。最后对有关课题 未来的研究方向作了展望。 关键词：臭氧发生器，介质阻挡放电，串联谐振式，平均等效电容，工作频率，限流电 感 a b s t r a c t o z o n eh a ss t r o n go x i c l a r i o nc h a l a g l 盯w h e t h e ri ti sd i s s o l v e di nw a t e ro ri na i r i th a s s o m ee x c e l l e n tf u n c t i o n s ，f o re x a m p l e ，d i s i n f e c t i o n , r e m o v i n g 呲d i s c o l o r a t i o n , c h e m i s t r y o x i d a t i o na n ds oo n 1 1 1 eo z o n eg e n e r a t o r , w h i c hb a s e do nt h em o d e lo fd b d d e v e l o p sv e r v f a s ta n di t st e c h n i q u ei n d e x e sh a v ei m p r o v e dal o t , b u tt h ee l e c t r i ce 伍c i e n c yo fo z o i 把 g e n e r a t o ri sn o th i g h n 圮t h e s i se s t a b l i s h e st h ef r e q u e n c yo fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e ra n dt h ec e l l sp o w e f t h r o u g ht h es t r u c t u r a d e s i g na n dw o r k i n ge x p e r i e n c eo f 也el a r g ea n dh i g hf r e q u e n c yo z o n e g e n e r a t o r ( m o d e l ：c f g 3 1 k 、a n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nb a s e do ns e r i e sr e s o n a n ti n v e r w r , t h el e a k a g ei n d u c t a n c eo ft r a n s f o r m e ra n dt h ec o n c e p t i o no fe q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e i no r d e r t om a k eab e s te f f i c i e n tf o ri n v e r t e rp o w e rs u p p l yo fd i f f e r e n tl o a d s a n dt og u a i a n t e et h e o z o n eg e n e , r a t o rw o r k i n gi nt h eb e s to p t i m u mo p e r a t i o n , t h i st h e s i sc o m p a r e sd i f f e r e n t e q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e sw i t hc h a n g e so fp o w e rs u p p l y sc h a r a c t e r s , a n de s t a b l i s h e st h e r e g u l a r i t y t h r o u g ht h ee x a m p l e ，t h eb e s te l e c t r i c a lp a r a m e t e 嬲o ft h eo z o i l cg e n e r a t o r , w h i c h i sd e s i g n e db yt h i sp a p e r 啪p r o d u c eo z o i i cb v1 5 k g h , i st h a tt h ep e a kv a l u eo fv o l t a g ei s a b o u t2 0k v , t h ef r e q u e n c yo fp o w e ri s1 2 2 7 h z , t h ef i l t e ri n d u c t i o ni s2 6 m h t h ef i l w r c a p a c i t o ri s2 0 u f , a n dt h e r ei sn on e e dc u r r e n t - l i m i t i n gi n d u c t a n c e a tl a s t , t h ed e v e l o p i n g p r o s p e c tr e l a t e ds u b j e c t si sp r e d i c t e d k e y w o r d s ：o z o n eg 即向咖d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g e ，s e r i e sr e s o n a n t , e q u i v a l e n t c a p a c i t a n c e ，w o r k i n gf r e q u 即e y , c t t r r e n t - l i m i t i n gi n d u c t a u c e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年3 月2 5 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 2 0 0 8 年3 月2 5 日 河海大学硕士研究生论文第一章绪论 绪论 臭氧技术是既古老又崭新的技术，1 8 4 0 年臭氧被德国化学家发现，1 8 5 6 年就被用 于手术室消毒，1 8 6 0 年用于城市供水的净化。但由于臭氧发生设备效率低，价格昂贵 以及对臭氧的一些错误认识，政治、文化等因素，臭氧技术的应用迟迟未能推广。1 9 0 3 年开始在欧洲的一些水厂用臭氧替代氯处理自来水，但规模有限，并且发展也很慢。本 世纪八十年代末九十年代初，随着高效臭氧发生技术一高频高压电晕法的实际应用， 臭氧技术应用及产业规模迅速发展，目前已广泛用于水净化、空气净化、工业医疗、 农业等领域。 1 1 臭氧简介 臭氧是氧的同素异形体，其分子式为0 3 ，分子量为4 8 ，是一种很不稳定的气体。在 稀薄状态是近乎无色、无味的气体，当浓度逐渐升高时，其刺激味逐渐增强，大约在1 5 以上浓度时呈浅蓝色。其沸点为一1 1 9 ，熔点为一1 9 2 7 ，液态臭氧呈深蓝色，固态臭 氧呈紫黑色l l - 2 l 。臭氧分子比氧分子活泼，不稳定，易分解，臭氧分解时释放出氧气和 热量。臭氧具有极强的氧化性，其氧化能力仅次于氟。它能与许多无机物和有机物发生 氧化反应。臭氧与无机物发生反应时，一般是释放出一个活泼的氧原子使无机物氧化， 同时生成一个氧分子。臭氧与有机物发生反应时，首先生成过氧化物或羟基化合物，然 后再分解。 1 2 臭氧的应用领域 1 2 1 臭氧在日常生活领域上的应用 日常生活领域是获得或将获得最广泛应用的领域，其相关应用产品也将成为所有臭 氧技术应用产品中市场最大的产品。因此，这一领域也将成为世界各国最关注的臭氧技 术应用领域，发展极为迅速。西方市场上前二年开时涌现出大量臭氧型家电如臭氧型冰 箱，可使食品在冰箱内的保质期延长1 之倍，杜绝食品串味或腐化；臭氧型冼衣机可以 洗净除动物脂肪以外的一切有机污垢，使洗净度提高1 0 ，且洗净后不用漂洗；臭氧型 空调不仅可以带来清凉世界，还可以同时消除室内各种异味、病菌，给人们洁净清新的 空气；此外还有臭氧型电风扇、臭氧型抽油烟机、各种臭氧型小家电等。日本还推出臭 氧消毒机、饮水机等。 日常生活中各种臭氧技术应用产品功能可以概括为如下几种： 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 ( 1 ) 空气的除毒、除臭、杀菌 室内、密闭的车内等是空气污染最严重的地方，臭氧型空气净化器或空调可以除去 空气中绝大部分有毒物质和臭味如c o 、油漆或涂料挥发物、香烟烟雾、生物体臭等， 同时可以杀灭空气中各种传染菌病毒【3 l 。 ( 2 ) 饮用水消毒、解毒 水是传播疾病的主要媒介，据调查，农村中5 0 疾病是由饮用水污染所致。令人遗 憾的是，随着经济及科学技术的发展，饮用水的质量并没有获得令人满意的提高。在大 城市尽管自来水出厂前经过一系列过滤、净化，长长的供水管道以及高层建筑的水箱蓄 水很容易造成二次污染，使细菌和各种有害物质含量严重超标。另外，有关研究表明， 用氯处理的自来水中含有三卤甲烷、乙酸化合物等多种致癌物【4 】。净水器的使用也并不 完全。据研究，由于净水器内长期积水，在温度适宜时在净水器内会生长水藻，而水藻 毒素是一种很强的致癌物。 用臭氧处理饮用水则可以杜绝上述所有危害，使人们饮用真正洁净、安全的水。因 为水中的臭氧不但可以杀死所有病菌及其它微生物，还可以有效去除水中镉、铅等重金 属和其它有毒物质如氯仿、氯甲烷等，从而彻底断绝由饮用水致病的途径。 ( 3 ) 厨房用具、餐具、儿童玩具、衣物等杀菌消毒 家庭中的厨房用具、餐具、儿童玩具、内衣内裤等是细菌大量滋生的场所和多种病 菌的传播途径，用臭氧水洗涤、浸泡可以彻底杀菌消毒，并且处理后可以抑制各种微生 物的滋生，达到防菌的效果。同时用臭氧水洗涤衣物，还可以提高洗涤效果。 ( 4 ) 鱼肉、果蔬及其它食品的消毒、解毒、保鲜 用臭氧水清洗、浸泡或在含臭氧的环境中存放( 如臭氧型冰箱内) 鱼肉、果蔬及其 它食品，可以杀灭附着在上面的细菌及其它微生物并抑制其滋生繁衍，延长其贮存、保 鲜时间。用臭氧水处理进的食物还可以消除各种异味，食用起来味道鲜美。 ( 5 ) 易产生异味场所的除臭、杀菌消毒 冰箱、冰柜中食物串味、怪味一直是老百姓头痛的问题，冰箱中0 1 0 c 的温度环 境也使其成为某些低温细菌如大肠杆菌、沙门氏菌、流感病毒、甲乙肝炎病毒等生存繁 衍的温床。臭氧型冰箱则解决了上述问题。普通冰箱、冰柜通过用臭氧水擦洗或通入适 量臭氧也可以达到清除异味、杀灭细菌的效果。 ( 6 ) 治疗某些皮肤病、消除口臭、促进伤口愈口等 由于臭氧杀菌彻底、迅速，臭氧水对某些皮肤感染引起的疾病有显著的治疗效果。 例如经常用臭氧水洗、泡脚可以有效治疗和预防脚气、脚癣；经常用臭氧水冲洗真菌感 染的皮肤病区可以收到显著治疗效果；用臭氧水漱口、刷牙可以杀灭口腔牙缝间滋生的 2 河海大学硕士研究生论文第一章绪论 细菌，起到保护牙齿、去除口臭的作用。 ( 7 ) 美容 研究证明，臭氧还有很好的美容作用。现在市场上有些美容设备就用含臭氧的蒸气 对皮肤进行薰蒸，即“蒸奥桑”。经常用臭氧水洗脸、洗手也可以改善干燥、苍白、缺乏 光泽、有皱纹、有暗疮的皮肤，使其细嫩、光滑，延缓衰老。 1 2 2 臭氧在医疗卫生领域上的应用 医院是治疗疾病的地方，但是由于到医院就诊的人很大部分是危重患者，其炎症正 处于高峰时期，来自病人身上有的害病菌极易散发于空间中。因此，医院又是容易感染 疾病的场所。现在，由于到医院就诊引起交叉感受染的事已司空见惯。医院手术和护理 操作前大夫或护士的双手及手术器具的消毒问题也是亟待解决的课题之一。 具有高效、迅速杀菌作用的臭氧在医院环境消毒、术前消毒等方面大有用武之地。 比如，日本科学家就研究过用于医院的臭氧水消毒法，只需4 p p m 的臭氧浓度消毒3 0 s 即可杀死所有细菌，不仅时间极短，而且其消毒效果也是其它碘类消毒剂无法比拟的。 传统进行同样的消毒操作至少需要1 0 分钟。在医院中最易引起感染的黄色葡萄球菌和 绿脓杆菌等在臭氧水中只需5 秒钟即可全部被杀死，其杀菌力远远超过酒精和氯。而且 臭氧水具有可靠的安全性，经常使用不会伤及肌肤，即使误喝也不会中毒。 臭氧还可用于治疗。国外，臭氧的疗法已达到十余种，如血液输氧、肌肉注射、自 血回输，直肠吹入，吸氧、臭氧浴等，对乙肝病毒抗原，甲型肝炎病毒抗原，甲型流感 病毒，爱滋病毒( h i v ) 都有很好的杀灭效果1 5 - - 6 1 。m o h a m m e d 等还研究了臭氧对糖尿 病及其并发症的治疗作用，且治疗作用较为明显。据最新报道，中国臭氧产业联合会技 术委员会专家，“国家p 3 实验室”主任李泽琳教授主持了利用臭氧进行灭活s a r s 病毒 的实验，实验表明臭氧对绿猴肾细胞接种的s a r s 病毒综合灭活率达到了9 9 2 2 e 7 1 。 1 2 3 臭氧在水果蔬菜保鲜领域上的应用 水果、蔬菜的运输、贮藏一直是急需解决的问题，处理不当将带来极大损失。据 悉，我国每年有3 0 4 0 的蔬菜因储运不当和局部积压而成为垃圾。臭氧与负离子共同 作用有极好的果蔬保鲜功能，因此利用臭氧技术可以大大延长果蔬的保鲜、贮存时间， 扩大其外运范围。另外，臭氧技术还可用于净菜处理中的杀菌消毒。日本川岛播种工业 公司开发了利用臭氧水自动对蔬菜进行杀菌的系统。据其研究，与目前用于蔬菜杀菌的 次氯酸钠相比，低浓度臭氧水杀菌迅速高效，没有二次污染。通过实验对比臭氧水和次 氯酸钠对很容易在蔬菜里繁殖的枯草菌杀菌效果发现，用浓度为5 0 p p m 的次氯酸钠杀 菌2 分钟后细菌没有被杀死，而用浓度为5 p p m 的臭氧水杀菌2 0 秒后9 9 9 0 , 6 被杀死。 臭氧水有望成为最佳的蔬菜杀菌剂。 3 工业型臭氧发生嚣的串联谐振特性分析与研究 1 2 4 臭氧在资源环境保护领域上的应用 近年来，水资源短缺及其保护问题成为世界关注的热点。据水文地理学家分析，目 前地球上的淡水足以养活整个人类。产生水危机的主要原因是浪费、污染、用水分配不 均和灌溉，其中约有5 5 亿立方米左f 的水体被污染。作为高效杀菌、解毒剂的臭氧自然 吸引了众多科学家研究将其应用于水资源污染处理及节约工业用水领域的技术。 美国地下水技术公司在试验用臭氧化技术处理土壤及地下水污染取得了成功。该公 司的试验表明，臭氧化技术可以在几个月内消除3 5 9 8 的有毒物质，而这些有毒物质 用挥发、生物降解等传统方法来处理则需几年时间。 有研究表明，用臭氧配合紫外线照射可以将工业废水中有毒的碳氢化合物氧化分 解，同时去除重金属离子。这种方法在染料业废水处理中己取得9 5 的净化率，比传统 方法提高2 5 。处理后的工业污水可以循环使用，避免了水土污染，节约了工业用水。 在发达国家，臭氧技术在处理饮用水、海水淡化等方面也已获得应用。 除以上这些领域外，臭氧技术还应用在养殖业、渔业、农业、食品加工业等领域。 1 3 臭氧生成技术动态 经过一百多年的发展，臭氧发生技术有了很大的提高。无论是它的供电电源、电介 质材料、放电元件结构、供气设备、冷却系统还是控制检测等技术都今非昔比，不仅提 高了臭氧的产率，而且降低了能耗和改善了运行条件。 臭氧生产的方法有电解法、紫外线照射法、介质阻挡放电法等。目前工业上大规模 的臭氧发生器都是采用介质阻挡放电法，即在两平行高压电极之间隔以一层介电体，并 保持一定的放电问隙，当通入高压电流时，空气或氧气通过放电间隙，氧分子受高能电 子激发而获得能量，并相互碰撞形成臭氧分子。 1 3 1 国内动态 目前臭氧发生器的缺点是其生产成本高，生产效率低，耗电量大。传统的工频臭氧 发生器由于受材料、机械加工以及变频技术的限制，不仅臭氧产量低，而且电力消耗也 很大，经济效益较差。因此长期以来，提高臭氧合成效率，降低臭氧发生装置的运行成 本，并保证装置能安全可靠地运行，一直是人们关注的课题。 目前臭氧产生技术发展迅速，产品的技术指标有较大幅度提高，工业型主流产品由 工频向工作频率大于i k h z 的方向发展；臭氧产生效率从2 5 9 ( k w 如) 提高到1 0 0 徘霄如) ； 空气干燥富氧技术、气体溶解技术新的进展促使臭氧产生装置及其应用配套设备小型 化。减小到原来的1 ，5 左右；其一次性投资、运行成本均成倍降低。 国内外臭氧发生器设计者们近期在设计或改进无声放电臭氧发生器方面所做出了 4 河海大学硕士研究生论文 第一章绪论 一些努力，这些努力主要集中在有关放电元件结构，介质材料，供电电源和空气预处理 装置等的改进或创新上。具体如下： ( 1 ) 利用逆变技术将传统的工频高压( 5 0 h z ，2 0 3 0 k v ) 改为高频中压( o 8 2 0 k h z ， 3 0 0 0 6 0 0 0 v ) ，节省设备电耗，提高臭氧产量，降低运行成本。 ( 2 ) 选用介电常数较高、耐老化性能好和易加工成形的材料。这些材料包括以下几类： 玻璃类；陶瓷类；树脂类。 ( 3 ) 采用了富氧( 含氧量9 0 9 3 ) 或纯氧为气源，使得臭氧的浓度提高到1 5 1 6 ( 按质量计) ，且消除了因大量的氮气等无用气体所导致的设备与能量的浪费 ( 4 ) 改进了以往的单路冷却放电管接地极的冷却系统，采用冷却放电管放电极和接地 极的双路冷却系统，使以往由于放电间隙产生的热量导致臭氧分解、臭氧产率降低的现 象得到了改善。 ( 5 ) 改进了臭氧发生管的结构，采用蜂窝状结构，大大缩小了体积，有利于向大型化 发展。 ( 6 ) 由于臭氧应用规模、领域的不断扩大，应用水平的不断提高，现代检测、控制技 术已经应用到臭氧设备系统。目前臭氧发生器的臭氧浓度，水中与尾气中臭氧浓度都可 在线检测并闭环自动调节，水处理量、压力与臭氧化空气流量、压力、温度等几十项参 数都可在线通过计算机控制系统内检测并调节。 1 3 2 国外动态 设计或改进无声放电臭氧发生器方面取得不少进展，主要集中在放电元件结构、介 质材料、供电电源、空气预处理装置和自动化控制等的改进或创新上。随着各种工业技 术以及逆变技术的发展，在传统的发生器的基础上作了大量的改进，从电极部分、冷却 部分、供气部分都作了改进，尤其是电源部分，利用逆变技术将传统工频高压( 5 0 h z ， 2 0 3 0 k v ) 改中高频中压( o 8 2 0 k h z ，3 0 0 0 6 0 0 0 v ) ，节省设备电耗，提高臭氧产 量，降低运行成本。近年来，欧美、日本等经济发达国家在工业上应用臭氧方面发展很 快。从大中型臭氧发生器( 臭氧产量 1 0 0 9 0 3 h ) 设备来看，在传统的发生器基础上作 了大量的改进，诸如： ( 1 ) 采取优化电极形状和电极布置等技术，使电极多样化，如采用网状电极、 弹簧电极、空心电极等。 ( 2 ) 采用新的电介体材料。由于精密陶瓷、搪瓷等材料的发展，以及金属外喷涂等特 殊工艺的应用，提高了放电管耐高压和抗老化能力，减少了设备维修、保养费用。同时 减少了电介质层的厚度，电介质层厚度变薄，使电介质的能耗降低。 ( 3 ) 对每根放电管都增设了单独的电路保护，确保即使一根或多根放电管损坏后，也 不致影响整个发生器的工作。 ( 4 ) 使用中高频电源( 4 0 0 h z ) ，提高供电电源的上升前沿的陡峭程度，以降低产生臭 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 氧的能耗，提高臭氧发生器效率，减小设备的体积。 ( 5 ) 改进臭氧发生管的冷却系统，采用冷却放电管放电极的双路冷却系统，使以往由 于放电间隙产生的热量导致臭氧分解、臭氧产率降低的现象得到了改善。 不难看出，国内外工业型臭氧发生器的研究与开发方向，主要集中在臭氧发生管、 逆变主电路和冷却系统等的改进与提高上。 随着臭氧发生器体积越来越小，能耗越来越低，产率越来越高，控制的自动化程度 越来越高，臭氧的应用范围将越来越广，其产业发展也将加快。 1 4 影响臭氧技术进一步发展的主要因素 尽管臭氧技术正在逐渐为人们了解和接受，在相关领域的开发应用也不断取得新的 进展，但至今人们对其开发研究仍处于比较初始的阶段，远未达到成熟掌握并可灵活应 用的状态。综合国内外近几年臭氧技术研究、开发应用以及市场反馈信息，我们认为制 约臭氧技术开发应用进一步发展的主要因素可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 臭氧发生器本身的效率、制造成本和运行稳定性问题，如臭氧发生管的结构优化 设计、逆变主电路系统以及运行监控系统的问题； ( 2 ) 缺乏实用方便的包括气相和液相中臭氧浓度测定及控制的方法； ( 3 ) 水处理应用中，对臭氧氧化后副产物及其负面作用缺乏完整清晰的了解和控制方 法； ( 4 ) 人们对臭氧知识理解不深，缺少认同感。 1 5 论文研究的目的、内容和意义 由于国际社会对环境问题的日益关注和环境保护对水处理要求的提高，发达国家的 饮用水已禁止使用氯处理技术消毒，欧洲国家的饮用水均用臭氧作消毒剂，国外越来越 多的污水处理厂将臭氧应用于污水的深度处理，因此许多国家都在开发研制高产量低能 耗的臭氧发生装置，研究拓展臭氧的应用领域，以满足环保治理特别是水处理的需求， 提高人类的用水质量。但目前我国的大型高频臭氧发生器产生的臭氧效率较低，整个臭 氧发生系统电耗大，电能利用率低。造成臭氧在水处理领域特别是自来水深度处理中应 用的投资大、运行成本和系统可靠性低等突出问题，推广应用速度较慢，与先进发达国 家相比还很落后。 本文依据c f - g 3 1 k 大型臭氧发生器的结构设计和运行积累的经验，旨在提高臭氧 发生器逆变主电路的效率并基于串联谐振负载特性理论，对臭氧发生器中的臭氧发生管 和逆变主电路电特性进行理论分析与计算，对比实验结果，优化关键部件臭氧发生管的 结构参数，研究臭氧发生管与逆变电源最佳匹配的电特性参数，使臭氧发生器工作在高 6 河海大学硕士研究生论文第一章绪论 效、稳定的工作状态，探索解决上述工业型臭氧发生器目前存在的主要问题的方法与途 径，为研制更大产量的臭氧发生器的各类参数匹配提供理论上的依据。 7 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 第二章介质阻挡放电合成臭氧技术及臭氧 发生器系统简介 本文涉及的臭氧发生器，是基于介质阻挡放电( 简称d b d ) 的臭氧生成方法，是 目前工业型臭氧发生器的主流，这里作简要介绍。 2 1 介质阻挡放电技术 介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，又称介质阻挡 电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工 作气压为1 0 4 1 0 6 p a 。电源频率可从5 0 h z 至1 m h z 。电极结构的设计形式多种多样( 如 图2 1 所示) 。在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘 介质覆盖，也可以将介质直接悬挂在放电空间( 本文讨论的臭氧发生管即为图c 所示的 结构) 或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的 气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。 ab c 圈2 1 介质阻挡放电间隙结构示意图 介质阻挡放电通常是由正弦波型的交流高压电源驱动，随着供给电压的升高，系统 中反应气体的状态会经历三个阶段的变化，即会由绝缘状态逐渐至击穿最后发生放电。 当供给的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少电流太 小，不足以使反应区内的气体出现等离子体反应，此时的电流为零。随着供给电压的逐 渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但未达到反应气体的击穿电压时，两电极间的 电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞，缺乏非弹性碰撞的结 果导致电子数不能大量增加，因此。反应气体仍然为绝缘状态，无法产生放电，此时的 河海大学硕士研究生论文第二章介质阻挡放电合成臭氧技术及臭氧发生器系统简介 电流随着电极施加的电压提高而略有增加，但几乎为零。若继续提高供给电压，当两电 极间的电场大到足够使气体分子进行非弹性碰撞时，气体将因为离子化的非弹性碰撞而 大量增加，当空间中的电子密度高于一临界值时( 即帕邢( p a s c h c n ) 击穿电压) 时，便产 生许多微放电丝导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光的现象。此时，电流会 随着施加的电压提高而迅速增加。 在介质阻挡放电中，当击穿电压超过帕邢( p a s c h c n ) 击穿电压时，大量随机分布的微 放电就会出现在间隙中，这种放电的外观特征远看貌似低气压下的辉光放电，发出接近 蓝色的光。近看，则由大量呈现细丝状的细微快脉冲放电构成。只要电极间的气隙均匀， 则放电是均匀、漫散和稳定的。这些微放电是由大量快脉冲电流细丝组成，而每个电流 细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，放电通道基本为圆柱状，其半径约为o 1 0 3 m m ，放电持续时间极短，约为1 0 1 0 0 n s ，但电流密度却可高达0 1 l k a c m 2 ，每 个电流细丝就是一个微放电，在介质表面上扩散成表面放电，并呈现为明亮的斑点l 叫。 这些宏观特征会随着电极间所加的功率、频率和介质的不同而有所改变。如用双介质并 施加足够的功率时，电晕放电会表现出“无丝状”、均匀的蓝色放电，看上去像辉光放电 但却不是辉光放电。这种宏观效应可通过透明电极或电极间的气隙直接在实验中观察 到。当然，不同的气体环境其放电的颜色是不同的。 2 1 1 放电电场强度及电子能量【2 】 不失一般性，以图2 - 1 ( c ) 所示的介质阻挡放电原理结构为例，在两个电极中间悬挂 厚度为l 。的电介质薄层，放电间隙为上下间隙之和l 。，当作用在电极上电压为u 时，介 质通量密度是均匀的，而在介质和放电气隙间的电场强度e d 和是不同的。 介质阻挡放电的放电间隙的电场强度可用式( 2 - 1 ) 表示： b 2 丽v 8 d ( 2 一1 ) 式中s 。为放电间隙内气体的相对介电常数，旬为电介质的相对介电常数。 可以看出，只有增加u 、和e 。，减小和，才能得到较高的电场强度。 电子从气体放电间隙的外加电场得到加速度，取得动能，电子的能量分布基本符合 麦克斯韦规律分布： 厂阳j = 2 0 7 似，。”e “”e x p ( 一1 5 e 6 ) ( 2 - - 2 ) 式中，似j 表示单位能量区间内的电子数占总电子数的百分率，e 为电子的能量， 9 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 为电子平均能量。可见越大，具有高能量电子的比例也就越大。若放电间隙中为含 氧气体，则放电间隙的电子从外加电场获得能量几乎全部传递给气体分子，电子能量足 够高时，就会导致氧分子离解、电离，进而产生臭氧。电子从电场中所取得的能量常用 所获功率来表达，其公式为： 尸= 警m 南t o 即， z r一十v j ， 式中：啦为电子浓度，m e 为电子质量，为电子碰撞，t o 为等离子体激励频率，乓 为放电间隙电场强度。式中可以看出，等离子体里的电子从外加电场取得的功率与电场 强度鼠气体浓度砟( 或气压p ) 成函数关系，故采用折合电场强度f _ n ( 单位为t d , 1 t d = 1 0 。1 7 v c m 2 ) 来表征气体放电强度、电离度。放电电场里的电子能量是按麦克斯韦规律 分布的，只有放电电场的等离子体中电子具有不小于8 4 e v 的电子的占有率增大，才能 使更多的氧气分子激励到高能b 3 ；。强电离放电抑制了臭氧分解反应，有利于高效 率产生高浓度臭氧。由于臭氧是在高气压( 高气体浓度) 条件下产生，所以只有通过进 一步提高放电电场强度，才能得到高能量密度的大能量电子，亦即工作气体气压上升， 外加电压【，应随之加大。 2 1 2 臭氧形成机理 在介质阻挡放电形成的微放电通道里，氧分子被高能电子激励后发生跃迁，氧等离 子体m ”1 中的基态氧分子d 2 r x ：，可被自由电子碰撞激发到高能态风d 2 似3 ：j 和0 2 r b 2 j ，q 分子进行分解反应过程如式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 所示： 0 2 ( x 3 一g ，+ p 斗0 2 ( a 3 + “+ j + f 寸d r 3 彤+ 吖3 到+ p ( 2 4 ) 0 2 ( x 3 一gj + e _ 0 2 ( b 3 + 一j + p _ 研3 列+ 吖1 驯+ p ( 2 5 ) 氧分子离解成氧原子后，氧原子、氧分子、中间物质m ( 在纯氧原料气体中m 是 间隙中参与反应的0 、0 2 、q 、q ) 三体碰撞产生臭氧过程如式( 2 - - 6 ) 所示： o + d 2 + 肘一q m q + 肘( 2 6 ) 产生臭氧的同时也伴随着臭氧的分解反应过程： q + 矿- d 2 + o + e d 3 + d _ 2 0 2 电子从外加电场取得能量的大小将决定氧分子的分解、分解电离、分解附着的强度， 也决定了臭氧产生浓度的大小。从氧分子的能级跃迁曲线图2 - 2 可见，只有当电子具有 1 0 河海大学硕士研究生论文第二章介质阻挡放电合成臭氧技术及臭氧发生器系统简介 能量达到6 i c v 、8 4 e v 以上时，氧分子才能激励到a 3 、妒的高能级上，加速 电子与氧分子碰撞后的激励过程时间极短，是垂直激励过程。从基态激励到a 3 f 状 态时，激励能量要大于6 1 e v ，激励到b 3 y 一状态时，激励能量要大于8 4 e v 。只有电 子从放电电场取得能量大于8 4 e v 时，才能使氧分子分解成激发态、基态的氧原子 o r l d 人d r 3 p ) 。而k e t o 等人采用离解电离【l 9 】截面积方法计算的臭氧分解阈能为 2 e v ，即在2 e v 以下时臭氧不分解，而在2 e v 以上时臭氧则被分解( 臭氧与氧分子离解 截面积与电子能量关系如图2 3 所示) 。所以说，具有2 e v - - 8 4 e v 之间的能量的电子对 产生臭氧没有一点用途，这部分能量的电子是专门用来分解臭氧的，因此应尽量减少具 有这部分能量的电子、粒子的占有率，以便提高臭氧的产生浓度。 专1 v 醛 i 县 糍 饪 肇 图2 - 2 氧分子能缀跃迁曲线 氧离子分解-氧离子分解电离 电子能量( c v ) 圈2 3 臭氧与氧分子离解截面积与电子能量关系 跹 、 。 、 、，、一 愁一 子矿 u 一 离 u 。c 敷 叶 叶 氧 u 臭姒 一 il牝已lli厂ile叭f叭 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 2 2 臭氧发生器的组成 工业上广泛采用的介质阻挡电晕放电法生产的发生装置( 臭氧发生器) 主要由空气 预处理系统、冷却系统、供电电源和放电室( 采用管式臭氧发生单元即为臭氧发生管) 等四部分组成，合理地选择各部分参数能不同程度地提高臭氧发生器的效率。本文涉及 的臭氧发生器系统的结构及流程如图2 4 所示，即用空气压缩机把空气压入气体净化除 湿设备，出来的干燥洁净空气导入臭氧发生管，由逆变高压电源对臭氧发生管供电，依 前述原理，使流过臭氧发生管的空气形成一定浓度的臭氧。由于在电晕放电时，会导致 电极和介电体表面温度的升高，因而加速臭氧的分解，所以必须对臭氧发生管进行有效 的冷却，以控制管内工作温度在一定范围内。 图2 - 4 臭氧发生器系统流程图 2 2 1 空气预处理系统 2 0 - 2 1 l 环 空气预处理系统一般包括有供气装置、换热装置、排水装置、吸附装置、粉尘过滤 器和除油过滤器等。其中，吸附装置中常充填某种吸附剂，对于要求深度干燥处理情况， 往往采用含氧化铝强化填料的微孔硅胶产品或采用分子筛。采用介质阻挡高压电晕放电 产生臭氧，对空气的洁净程度要求很高，特别是干燥程度要求高。实践证职，以空气为 臭氧发生器气源时，高品质的空气对提高臭氧产量十分必要，其中低露点尤为关键，不 仅能提高臭氧产量，而且可以限制有害氮化物的产生。由于空气气源中的水蒸气会降低 气体介质的介电强度、促使电弧的形成，且部分能量被水蒸气的电离消耗，从而导致臭 氧产率的降低；由于水分存在，由放电带来的氮氧化物会产生氮的衍生物，这使设备积 污垢，妨碍设备正常运行，用于水处理时还影响饮用水的质量。另外，因为空气带有电 荷，空气中的尘粒促使电弧的形成，这对臭氧的生产不利。供气的干燥程度对臭氧影响 很大，露点高则臭氧产量低，特别在空气露点o 3 0 间变化时，影响尤为突出，当露 点低于5 0 时，对臭氧产量的影响不大。所以在气源进入臭氧发生器之前通常要对其 进行干燥与净化，一般要求露点应低于5 0 。本文设计的空气预处理系统由无油空压 河海大学硕士研究生论文 第二章介质阻挡放电合成臭氧技术及臭氧发生器系统简介 机、多级微尘过滤器、油气分离器和变压吸附( p s a ) 分离干燥器等组成，流程如图2 - 5 所示。设计要求空气露点、 1 ) 。 c f - g - 3 1 k 型臭氧发生器中双放电气隙臭氧发生管的介电体使用的是硅硼3 3 玻 璃，它属于极性固体介质，这类介质相对介电常数比较大，约为4 6 ，性价比高，适 合做臭氧发生管的介电体。 3 2 2 电介质损耗洲 电介质在电压作用下有能量损耗，一种是由电导引起的损耗，一种是由某种极化引 起的损耗。在臭氧发生管中，介电体的损耗不只导致能量的利用率降低，更重要的是， 由于能量的损耗而产生热量，如果臭氧发生管的散热不佳，散热小于产生的热量时，介 电体温度持续上升，将导致电介质的击穿。在直流电压中，由于介质中没有周期性的极 化过程，因此当外加电压低于发生局部放电的电压时，电介质中的损耗仅由电导引起， 但是在交流条件下( 臭氧发生管采用交流电压) ，除了电导损耗以外，还有由于周期性 的极化而引起能量损耗。 河海大学硕士研究生论文 第三章d b d 型臭氧发生管介电体及其电特性 处于电场中的电介质，单位时间内消耗的能量定义为电介质功率损耗。简称介质损 耗。在直流电压作用下，损耗是由流过介质电导中的电流( 漏导电流) 引起的，可由下 式计算： p = u i ( 3 - - 3 ) 式中【厂一介质两端的电压； ，一流过介质的电流。 在交流电压作用下，产生损耗的原因比较复杂，除上述的电导损耗外，还有因介质 的反复极化引起的损耗。故电介质的功率损耗，可用统一的公式( 3 4 ) 进行计算： p = u 2 c o c d t 9 6 ( 3 - - 4 ) 其中：为电源的角频率、c 为电介质的等效电容、留6 称作介质损耗角正切或损耗因 数。由上式可以看出尸正比于u 2 ，f - o ，c a ，t 9 8 ，由式( 3 - - 4 ) 可得：对某一电介质g 一定，若u ，为不变数，则介质损耗由t g a 唯一地确定。因此t 9 6 和介电常数、电导 率一样，属于材料本身的特性参数，它是衡量介质本身在电场中将电场能量转变成热能 ( 损耗) 的一个宏观物理参数。在高电压或高频下，应选用f 9 6 小的材料，以防止过度 发热导致热击穿。影响辔6 的因素主要有温度、湿度、频率和电压等。中性或弱极性介 质的损耗主要来源于电导，故t g s 随温度升高而增大。介质损耗与频率的关系对某一种 电介质材料，频率增大时，t 9 8 曲线形状不变，但极值往温度升高的方向移动，其原因 是：在较高的频率下，偶极子不易充分转向，要使专项进行得更充分，只得升高温度， 减小粘滞性，故峰值点和整条曲线向右移动，但峰值的大小几乎不变。当外加电压较低 时，f 9 6 不随电压变化而改变。但如绝缘有缺陷，如存在小的气泡时，则当外加电压高 于空气的起始电离电压时。空气产生游离，介损剧增。 3 2 3 介电体的击穿 固体介质的击穿常见的有电击穿、热击穿及化学击穿等形式。固体介质击穿后，出 现烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自己 恢复绝缘性能。 ( 1 ) 电击穿理论 电击穿理论是建立在固体介质中发生碰撞电离的基础上，它不包括由于介质劣化等 其它原因引起的击穿。固体介质中存在少量处于导带能量状态的电子( 传导电子) ，它 1 9 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 在电场加速下将与晶格结点上的原子碰撞。解释有碰撞电离引起击穿过程的有下述两种 理论。固有击穿理论认为单位时间内传导电子从电场中获得的能量与因碰撞而失去的能 量不平衡而引起击穿。电子崩击理论则认为传导电子由电场得到了可使晶格原子电离的 能量，产生了电子崩，当电子崩发展到足够强时( e 删 e ”) ，引起固体介质的击穿。 电击穿的特点是：电压作用时间短，击穿电压高，电介质温度不变；击穿场强与电 场均匀程度密切相关，而与周围环境温度几乎无关。 ( 2 ) 热击穿理论 当固体介质加上电场时，介质中将发生损耗引起发热，使介质温度升高；而介质的 电阻具有负的温度系数，即温度上升时电阻将变小，这又会使电流进一步增大，损耗发 热亦跟着增大。因此，如果同一时间内介质发生的热量比发散的热量大时，介质温度将 不断上升，进一步引起介质分解、炭化等，致使介质击穿。如果电压不够高，在介电体 耐受的温度下建立了热平衡，热击穿就不会发生。当介电体中有局部弱点时，局部的损 耗增大，该处温升显著升高，击穿就将发生在这局部弱点的地方。热击穿和环境温度有 关，环境温度愈高，散热愈不易，则击穿电压就低；同时，热击穿还和电压频率有关， 频率愈高，介质的损耗愈大，热击穿电压愈低；此外，击穿还与绝缘本身的导热系数， 损耗角，电阻率和绝缘厚度有关。绝缘厚度的增大使散热条件变坏，热击穿场强将下降。 ( 3 ) 电化学击穿理论 电化学击穿一般发生在设备长期运行以后，在运行中绝缘将受到热的、化学的和机 械力的作用而使绝缘性能逐渐变坏，称为老化。从某种角度说，电化学击穿可以看作热 击穿或者电击穿。它是一种因为介电体的抗电强度下降，以致在长时期电压作用下产生 热击穿，或在短时过电压作用下造成电击穿。 因此，有针对性的防止臭氧发生管介电体的击穿，主要从两个方面着手解决。一是 采用冷却措施，控制臭氧发生管中两个电极和介电体的温升，对于臭氧产率较高的情况， 必须用冷却介质同时冷却两个电极；二是选用不但耐电压强度高而且介电常数大的材料 做成厚度较薄的介电体，既可以改善臭氧发生管的耐高压、防击穿性能，又可增大其电 容值，改善负载特性，提高臭氧产率。本文涉及的臭氧发生管的电介质工作在高电压、 具有高度氧化性的环境中，其击穿主要是电化学击穿，但电击穿也同样不可忽视。 3 3 臭氧发生管的电特性参数分析与计算 本文涉及的c f - g 3 i k 型臭氧发生器的臭氧发生管为双放电气隙、双路冷却立式 结构，由于单管臭氧产量设计为5 0 9 h ，要达到l k g h 的产量需用2 0 根并联运行。臭氧 发生管的纵横剖面结构示意图如图2 8 所示。在内外金属管电极间套有玻璃管介电体， 玻璃管和内外金属管之间有很窄的环行放电气隙。为了提高臭氧产生效率，气隙要设计 得尽量均匀狭窄，这样有利于电晕放电和电晕散热，同时在放电过程中热量分布均匀，避 免出现热集中现象。虽然目前国内还不能生产高精度大直径薄壁玻璃管，但只要能保证 河海大学硕士研究生论文第三章d b d 型臭氧发生管介电体及其电特性 玻璃管壁厚一致，内外气隙之和就一致，这样就能保证放电均匀，并且热量分布均匀，从而 提高臭氧产量和产率。 臭氧发生管的气隙和介电材料表现为容性，在外加电压没有达到起晕电压时，负载 可以等效为介质电容和气隙电容串联如图3 1 ( a ) 。当外加驱动电压达到气隙放电时，介 电层电导为电容型，而气隙间电导为气体导电，气体放电的负载特性是非线性电阻，如 图3 1 ( b ) 所示。因此可以将臭氧发生管等效为气隙电容c 。和等效双向稳压二极管v z 并联后与介质电容g 串联，如图3 1 如) 所示电路。 ( a ) c d c 口 ( b ) ( c ) 圈3 1 放电前后臭氧发生管等效电路图 3 3 1 臭氧发生管等效电容 式为【2 】 仁翁 ) 驯兰l s o 匏对介电常数( 8 8 5 4 x 1 0 1 2 f m ) ； 2 1 工业型臭氧发生器的串联谐振特性分析与研究 d l 内电极管外表面直径( m ) 。 表3 _ l 臭氧发生管尺寸参数单位。衄 l 外电极内径外径玻璃管内径外径外气隙内气隙有效放电长度 5 1 5 m 54 6 4 5 0 0 0 7 5o 9 59 2 0 材料采用性能优良的高硼硅3 3 玻璃，其介电强度为1 4 k v m m ，相对介电常数为4