提高臭氧发生器放电室效率的研究

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1、提高臭氧发生器放电室效率的研究鼻推荐给您的朋友日期:2004-12-910:05:19作者:臭氧技术网点击次数:5284提高臭氧发生器放电室效率的研究魏旭刘虹解之凤吴维韩（清华大学电机工程与应用电子技术系）李汉忠龚琬如（清华大学通力臭氧技术开发中心，北京100084）［摘要］本文根据管式臭氧发生器放电室的电晕放电功率方程式，分析了臭氧发生器的发展趋势。设计了搪瓷介电体的臭氧发生器放电室。对玻璃和搪瓷材料进行了电性能参数测试。对玻璃和搪瓷介电体的臭氧发生器产率和电耗参数进行了比较。结果表明：结构合理的擴瓷介电体臭氧发生器比玻

2、璃介电体臭氧发生器臭氧产率提高了44%,电耗降低T42%o［关键词］臭氧发生器，搪瓷介电体1.引言臭氧作为一种强氧化剂，具有消毒、杀菌、除臭、脱色等作用，现已广泛应用于水处理、化工、食品保鲜、医疗卫生等许多领域。但由于臭氧的生产效率低、生产成本高，在一定程度上影响了臭氧的应用。尤其在水处理工业上，一台大型臭氧发生装置只能达到每小时儿十甚至上百千克，消耗的电能巨大。交流高压干燥空气接地图1电晕放电臭氧发生器基本原理目前工业上臭氧的生产主要是采用电晕放电法，基本原理如图1所示。在一对电极间隔以介电体（通常采用玻璃）和气隙（通常

3、含氧气体）。当外加交流高压吋，随着电压值的升高，气隙中发生电晕放电，气体被电离，间隙屮的含氧离子化浓度急剧增加，氧离子同氧分子以及氧离子相互之间反应生成臭氧，反应过程如下：02+高能量电子一20+低能量电子（1）0+02+M-03+M+热（2）式中M是间隙中的任何其他气体分子。同时，原子氧和电子也同臭氧反应生成氧：0+03->202（3）03+e-l->02+0+e-l（4）因此，生成臭氧的反应是可逆反应，当臭氧生成与分解处于相对平衡时，电晕内臭氧浓度达到某一限值，一般用空气源吋为1%-4%（重量），氧气源吋为4%-8%o

4、生成臭氧的反应是吸热反应：302->203（5）所吸收的热量为：二+144.8kj/mol所以理论上耗电lkwh可生成1220g臭氧，即臭氧电耗为0.82kW・h/kg・03。但当前典型的电晕放电臭氧发生器，用空气源时产生lkg臭氧（浓度1%）约需16kwh电能，电能利用率很低，只有5%左右，其余都以热、声、光等形式消散了。因此，探讨提高大型水处理用臭氧发生器效率的方法，有很大的经济价值。1.提高臭氧发生器放电室效率的方法臭氧发生器主要有供气系统、冷却系统、供电电源和电晕放电室等部分组成,合理地选择各部分参数不同程度地提高

5、臭氧发生器的效率。从电工学科来进行研究，我们把重点放在了电晕放电室的结构尺寸和供电电源上。在放电室中，电晕放电过程产生臭氧是电能在电晕内耗散的结果，因此，放电室的放电功率参数能合理地反应出臭氧产量参数。放电室内电晕放电的功率方程式可表示为：P=4CdVsf[V0-（Cd+Cg）Vs/Cd]（6）式屮：P-电晕元件放电功率，W；Cd-介电体电容,F；Cg-放电间隙电容,F；Vo-外加驱动电压（峰值），V；Vs-间隙间的电晕起始电压（峰值），V；f-外加驱动电压频率，血。对于管式臭氧发生器，介电体和放电间隙的电容计算公式为：C

6、=2n£reol/In（D2/D1）（7）式中，为介质的相对介电常数，£0为绝对介电常数，1为放电室有效放电长度，D2、D1分别为内外径。从公式（6）、（7）可以看出，通过改进放电室结构和供电电源来提高臭氧发生器的效率，可以从以下几方面着手：（1）在较高频率下运行；（2）采用较薄且介电常数高的介电材料；（3）在较高的峰值驱动电压下运行；（4）釆用较窄的放电间隙。提高驱动电压可有效的提高臭氧产量，但受介质绝缘强度的限制，增加介质和气隙也不利于散热并影响发生器效率。一般工程中采用的电压为儿千到十儿千伏。因此,目前臭氧发生器产品

7、的开发趋势是朝向介电性能更好、更薄的介电体，更窄的电晕间隙和更高的运行频率等方向发展。瓷介质具有较高的电气强度、较大的介电常数值和较强的耐腐蚀能力，近年来国际上提出采用瓷介质作为放电室的介电体考虑到搪瓷的制造工艺比较简单，我们提出了采用摘瓷材料作为放电室的介电体,并制作了不同尺寸的单管擔瓷介电体臭氧发生器试品，同玻璃介电体的发生器进行了对比试验，以探讨通过改进放电室介电材料和结构来提高臭氧发生器效率的方法。3放电室的设计及供电电源1.1放电室的设计单管搪瓷介电体臭氧发生器放电室的结构如图2所示，采用的是内管式结构。▲nn_

8、不锈钢管（地极）炭钢管（高压极）聚四氟乙烯加图2搪瓷介电体放电室的结构为了能更好地反映出结构参数对发生器效率的影响，我们设计制做了两种不同尺寸的搪瓷介电体放电室，并选择已有的玻璃介电体放电室（外管式）为对照样本，各放电室尺寸如表1所示。表1各放电室的尺寸（单位mm）内管外径mm外管内径mm介质层厚度JO