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提高臭氧發生器放電室效率的研究
魏旭 劉虹 解之鳳 吳維韓（清華大學電機工程與應用電子技術系）
李漢忠 龔琬如（清華大學通力臭氧技術開發中心，北京
100084）
[摘要]本文根據管式臭氧發生器放電室的電暈放電功率方程式，分析了臭氧發生器的發展趨勢。設計了搪瓷介電體的臭氧發生器放電室。對玻璃和搪瓷材料進行了電性能參數測試。對玻璃和搪瓷介電體的臭氧發生器產率和電耗參數進行了比較。結果表明：結構合理的搪瓷介電體臭氧發生器比玻璃介電體臭氧發生器臭氧產率提高了44%，電耗降低了42%。
[關鍵詞]臭氧發生器，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，現已廣泛應用于水處理、化工、食品保鮮、醫療衛生等許多領域。但由于臭氧的生產效率低、生產成本高，在一定程度上影響了臭氧的應用。尤其在水處理工業上，一臺大型臭氧發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 電暈放電臭氧發生器基本原理
目前工業上臭氧的生產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）。當外加交流高壓時，隨著電壓值的升高，氣隙中發生電暈放電，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生成臭氧，反應過程如下：
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生成氧：
O+O3 →2O2（3）
O3+e-1 →O2+O+e-1（4）
因此，生成臭氧的反應是可逆反應，當臭氧生成與分解處于相對平衡時，電暈內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%。
生成臭氧的反應是吸熱反應：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。但當前典型的電暈放電臭氧發生器，用空氣源時產生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生器效率的方法，有很大的經濟價值。
2.提高臭氧發生器放電室效率的方法
臭氧發生器主要有供氣系統、冷卻系統、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不同程度地提高臭氧發生器的效率。從電工學科來進行研究，我們把重點放在了電暈放電室的結構尺寸和供電電源上。
在放電室中，電暈放電過程產生臭氧是電能在電暈內耗散的結果，因此，放電室的放電功率參數能合理地反應出臭氧產量參數。放電室內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；
Cg-放電間隙電容，F；
Vo-外加驅動電壓（峰值），V；
Vs-間隙間的電暈起始電壓（峰值），V；
f-外加驅動電壓頻率，Hz。
對于管式臭氧發生器，介電體和放電間隙的電容計算公式為：C=2πεrεol /㏑(D2/D1)（7）
式中，εr為介質的相對介電常數，εo為絕對介電常數，l為放電室有效放電長度，D2、D1分別為內外徑。
從公式（6）、（7）可以看出，通過改進放電室結構和供電電源來提高臭氧發生器的效率，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高的介電材料；
（3）在較高的峰值驅動電壓下運行；
（4）采用較窄的放電間隙。
提高驅動電壓可有效的提高臭氧產量，但受介質絕緣強度的限制，增加介質和氣隙也不利于散熱并影響發生器效率。一般工程中采用的電壓為幾千到十幾千伏。因此，目前臭氧發生器產品的開發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展。
瓷介質具有較高的電氣強度、較大的介電常數值和較強的耐腐蝕能力，近年來國際上提出采用瓷介質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生器試品，同玻璃介電體的發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構來提高臭氧發生器效率的方法。
3 放電室的設計及供電電源
3.1放電室的設計
單管搪瓷介電體臭氧發生器放電室的結構如圖2所示，采用的是內管式結構。
圖2 搪瓷介電體放電室的結構
為了能更好地反映出結構參數對發生器效率的影響，我們設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開發中心地管式發生器中頻電源。該電源開發時間長、技術成熟，采用可控硅控制電容的充放電來獲得高頻電壓，每個周期內典型的電壓波形如圖3所示。
圖3 電源每個周期內的電壓波形
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。這樣設計保證了公式（6）中的頻率參數足夠高，能產生較高的放電功率，同時也考慮了高頻振蕩的周期不應低于微放電的持續時間（1-10ns）和氧分子和原子的反應時間（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，同時也有利于介質層的散熱，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的電性能測試，結果如表2所示。
表2 搪瓷和玻璃材料的電性能參數
從表中可以看到，搪瓷和玻璃材料的電氣強度較高，均能滿足放電室內電暈放電的要求。搪瓷材料的介電常數值比玻璃高近一倍，用于臭氧發生器中，將有較高的臭氧產量。
5不同放電室臭氧產率和電耗參數的測量結果比較
5.1參數測量方法
臭氧產量的測量，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生器的消耗功率。這樣，消耗功率為放電室內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的變化趨勢是一致的，通過分析發生器消耗功率的變化可以推斷出放電室內氣隙的電暈放電功率變化趨勢。
臭氧發生器的性能優劣主要是通過產率和電耗這兩個參數來反映的。臭氧的產律是指單位面積、單位時間的臭氧產量。電耗是指臭氧發生器實測功率與單位時間臭氧產量之比。
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 各發生器產率與電源頻率的關系
圖5 各發生器電耗與電源頻率的關系
從圖中可以看到，各發生器在電源頻率提高時，產率呈接近線性的趨勢提高，而電耗基本上不變。
比較不同放電室發生器的產率，二號搪瓷介電體的最大，玻璃介電體的最小；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率，降低了點好。
比較二號搪瓷和玻璃介電體臭氧發生器在頻率為600Hz時的臭氧產率和電號（二號搪瓷介電體臭氧發生器產率262.79g/㎡.h,電耗6.48kw.h/kg.O3,玻璃介電體發生器的產率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生器產率提高了44%，電耗降低了42%。
6結論
1
由放電室內的電暈放電功率方程式可以看出，臭氧發生器新產品的開發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展。
2 從玻璃和搪瓷材料的電性能測試結果可以看到，搪瓷材料的介電常數值比玻璃高近一倍，采用搪瓷介質，有可能制造出效率較高的臭氧發生器。
3 試驗表明，結構較合理的搪瓷介電體臭氧發生器，同玻璃介電體發生器相比，臭氧產率得到明顯的提高，電耗明顯降低。
參考文獻
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