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：结构合理的搪瓷介电体臭氧发生器比玻璃介电体臭氧发生器臭氧产率提高了44%，电耗降低了42%。

[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几十甚至上百千克，消耗的电能巨大。

         

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（通常含氧气体）。当外加交流高压时，随着电压值的升高，气隙中发生电晕放电，气体被电离，间隙中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：

            O2+高能量电子 →2O+低能量电子（1）

   O+O2+M →O3+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：
O+O3 →2O2（3）
O3+e-1 →O2+O+e-1（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，一般用空气源时为1%-4%（重量），氧气源时为4%-8%。

    生成臭氧的反应是吸热反应：3O2→2O3 （5）所吸收的热量为：△H=+144.8kj/mol

    所以理论上耗电1kwh可生成1220g臭氧，即臭氧电耗为0.82kW·h/kg·O3。但当前典型的电晕放电臭氧发生器，用空气源时产生1kg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。

2.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）

式中：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，Hz。

    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=2πεrεol /㏑(D2/D1)（7）

    式中，εr为介质的相对介电常数，εo为绝对介电常数，l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）采用较窄的放电间隙。

    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几千到十几千伏。因此，目前臭氧发生器产品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，我们提出了采用搪瓷材料作为放电室的介电体，并制作了不同尺寸的单管搪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

3.1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。

        

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）


3.2供电电源

    在本试验中，供电电源采用通力臭氧技术开发中心地管式发生器中频电源。该电源开发时间长、技术成熟，采用可控硅控制电容的充放电来获得高频电压，每个周期内典型的电压波形如图3所示。
                      


图3 电源每个周期内的电压波形

    从图中可以看出，虽然电源频率是中频（200-700Hz）,放电时加在放电室两端的衰减振荡电压频率却是10kHz以上的高频。这样设计保证了公式（6）中的频率参数足够高，能产生较高的放电功率，同时也考虑了高频振荡的周期不应低于微放电的持续时间（1-10ns）和氧分子和原子的反应时间（10-20ns),不致影响微放电地进行。此外，在电压波的一个周期中，随着振荡电压的幅值按指数波衰减，一段放电时期后有着放电缓和期，在气流的作用下，有利于提高氧分子的浓度，促进臭氧生成的正向反应，同时也有利于介质层的散热，提高放电的效率。

4 搪瓷和玻璃介电体的性能测试

    我们进行了搪瓷和玻璃两种电介质的电性能测试，结果如表2所示。

表2 搪瓷和玻璃材料的电性能参数


    从表中可以看到，搪瓷和玻璃材料的电气强度较高，均能满足放电室内电晕放电的要求。搪瓷材料的介电常数值比玻璃高近一倍，用于臭氧发生器中，将有较高的臭氧产量。

5不同放电室臭氧产率和电耗参数的测量结果比较

5.1参数测量方法

    臭氧产量的测量，首先是采用俄罗斯的Nko-50臭氧分析仪（紫外辐射吸收法的原理），测得出臭氧的浓度，再利用下式算出臭氧产量D .(g/h)D=CQ√1+9.8p ˉ(8)

式中C（g/m3）为出气中臭氧浓度，（m3/h）为气体流量，p（MPa）为气体压力。

    在本试验中，测取放电室和电源的功率和作为臭氧发生器的消耗功率。这样，消耗功率为放电室内气隙地电晕放电功率、介电体损耗以及供电电源损耗之和。因三部分功率随参数的变化趋势是一致的，通过分析发生器消耗功率的变化可以推断出放电室内气隙的电晕放电功率变化趋势。

    臭氧发生器的性能优劣主要是通过产率和电耗这两个参数来反映的。臭氧的产律是指单位面积、单位时间的臭氧产量。电耗是指臭氧发生器实测功率与单位时间臭氧产量之比。

    采用中频电源，原料气为氧气，保持电源输入电压220v，间隙内气体流量0.3m3/h气压0.05MPa不变，只改变电源频率，各放电管产量的变化曲线如图4，电好的表化曲线如图5所示（图中曲线1.2.3分别代表采用玻璃、一号搪瓷和二号搪瓷介电体放电室时的情况）。

               

                  图4 各发生器产率与电源频率的关系
                   
                  图5 各发生器电耗与电源频率的关系

    从图中可以看到，各发生器在电源频率提高时，产率呈接近线性的趋势提高，而电耗基本上不变。

    比较不同放电室发生器的产率，二号搪瓷介电体的最大，玻璃介电体的最小；而电耗则玻璃体介电体的最大，二号搪瓷介电体的最小。这说明随着介电常数的增加、放电间隙得减小以及介电体的变薄，有效地提高了臭氧的产率，降低了点好。

    比较二号搪瓷和玻璃介电体臭氧发生器在频率为600Hz时的臭氧产率和电号（二号搪瓷介电体臭氧发生器产率262.79g/㎡.h,电耗6.48kw.h/kg.O3,玻璃介电体发生器的产率182.8lg/㎡.h，电耗为11.26kw.h/kg.O3 ），二号搪瓷介电体比玻璃介电体发生器产率提高了44%，电耗降低了42%。

6结论

1 由放电室内的电晕放电功率方程式可以看出，臭氧发生器新产品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地运行频率等方向发展。

2 从玻璃和搪瓷材料的电性能测试结果可以看到，搪瓷材料的介电常数值比玻璃高近一倍，采用搪瓷介质，有可能制造出效率较高的臭氧发生器。

3 试验表明，结构较合理的搪瓷介电体臭氧发生器，同玻璃介电体发生器相比，臭氧产率得到明显的提高，电耗明显降低。

参考文献

1 Horvath M,Bilitzky L,Huttner J.Ozone Elevier Science Publishing Co.Inc,1985

2 Jen-shin Chang,Arnold J.Kelly Joseph M.Crowley Handbook of Electrostatic Processes.Marcel Dekker Inc,1995

3 Rice R.C.,Netzer A.Handbook of Ozone Technology and Applications Vol l.Ann Arbor Publisher Inc,Michigan,1982

4 S.Popescu D.Vaju.High Voltage Supply for Ozone Generators with Improved Functional Parameters.Ninth International Symposium on High Voltage Engineering ,Auust 28 to

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