高效可調(diào)中頻臭氧發(fā)生器的研究
工業(yè)型臭氧發(fā)生器主要用于工業(yè)生產(chǎn)中的強(qiáng)氧化工藝和大規(guī)模消毒工藝，可廣泛運(yùn)用于飲用水深度處理、污水處理、造紙漂白和化工氧化工藝等。臭氧產(chǎn)量1000g/h以下時(shí)，以空氣為氣源的中頻臭氧發(fā)生器是工業(yè)型的基礎(chǔ)，一般采用中頻高壓電暈放電法產(chǎn)生臭氧，具有產(chǎn)量大、濃度高、體積小和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。
1設(shè)計(jì)參數(shù)與主要組成部分
氣源為空氣，臭氧產(chǎn)量50~100g/h，臭氧濃度≥24g/m3，臭氧產(chǎn)率≥180g/(mh)，電耗15～20kW·h/(kgO3)，通過(guò)調(diào)節(jié)工作頻率(500～900Hz)改變臭氧產(chǎn)量，設(shè)計(jì)點(diǎn)工作電壓(有效值)和頻率分別為10kV和800Hz。
研制的臭氧發(fā)生器主要由(a)油水雙路冷卻的有機(jī)高分子介電體臭氧發(fā)生管(雙管并聯(lián)運(yùn)行)；(b)可調(diào)中頻逆變高壓電路；(c)分子篩吸附干燥空氣預(yù)處理系統(tǒng)；(d)PLC全自動(dòng)監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)等組成。其中(a)和(b)是關(guān)鍵部分，本文作重點(diǎn)介紹。
2臭氧發(fā)生管
2.1臭氧發(fā)生管的結(jié)構(gòu)與工作原理
臭氧發(fā)生管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)外電極間用一層介電體隔開(kāi)。當(dāng)兩電極間加以一定強(qiáng)度的交變高壓時(shí)，氣隙中產(chǎn)生微電柱放電(常稱為電暈放電)，使流經(jīng)氣隙的空氣中的氧(o)電離成氧原子(O2)，氧原子再與其他氧分子結(jié)合產(chǎn)生臭氧(O3)。
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影響臭氧產(chǎn)生的因素很多，如氣源品質(zhì)、高壓脈沖電源特性、臭氧發(fā)生管結(jié)構(gòu)與電特性、冷卻條件等等。就臭氧發(fā)生管本身而言，臭氧產(chǎn)率與加載的電暈功率成正比。
2.2電暈功率
電暈功率是指當(dāng)加在臭氧發(fā)生管上的工作電壓大于起暈工作電壓后，氣隙電暈放電消耗的平均電功率。設(shè)臭氧發(fā)生管兩電極間的交變高壓近似為正弦波，則加在氣隙上的電暈功率為：
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式中：P為電暈功率，w；U。為工作電壓(峰值)，V；U s為氣隙打火電壓，V；C d為介電層電容值，F(xiàn)；C g為氣隙電容值，F(xiàn)；f為工作電壓頻率，Hz。空氣的打火電壓可由下式確定
Us=29.64Pgd s+1350(2)
式中Pg為氣體絕對(duì)壓力，kPa；d s為氣隙厚度，mm。
從式(1)不難看出，括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)為工作電壓的最小值，稱為起暈工作電壓(Ucs)。只有當(dāng)工作電壓(峰值)大于起暈工作電壓時(shí)，臭氧發(fā)生管才有電暈功率產(chǎn)生。提高電暈功率可從下述幾方面考慮：
a、提高工作電壓(峰值)和頻率廠，對(duì)提高電暈功率最有效。根據(jù)采用的介電體耐壓強(qiáng)度，峰值電壓一般控制在25～30kV，而臭氧發(fā)生管的最高耐壓應(yīng)設(shè)計(jì)在35～45kV。
b．選用介電常數(shù)和耐壓強(qiáng)度都比較高的介電體，減小介電層厚度，增大管徑，從而提高介電層電容值。
c．減小氣隙厚度和氣體工作壓力，從而降低氣隙打火電壓，亦即降低臭氧發(fā)生管的起暈電壓。同時(shí)引起氣隙電容值C上升，ds應(yīng)有一定的選擇余地，不一定越小越好，這樣有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.3介電體材料
根據(jù)上述要求，理想的介電體應(yīng)具有優(yōu)良的介電性能和耐電壓、耐腐蝕、耐老化等特點(diǎn)。一般采用專用玻璃，亦可采用特種陶瓷。這里采用某有機(jī)高分子材料，介電常數(shù)3.0，耐電場(chǎng)強(qiáng)度30kV/mm，其電學(xué)性能超過(guò)玻璃與陶瓷，機(jī)械性能特別是可精確加工性能更為優(yōu)越，缺點(diǎn)是在強(qiáng)電場(chǎng)下電老化性能較差。
2.4結(jié)構(gòu)尺寸與電參數(shù)
臭氧發(fā)生管的內(nèi)電極為冷拔成型的鋁合金管，與其外側(cè)緊密配合的有機(jī)高分子介電體壁厚為1.2mm，外電極為內(nèi)表面經(jīng)精磨加工的不銹鋼管，氣隙厚度為1mm，平均有效放電面積為0.204mm。。計(jì)算可得，臭氧發(fā)生管電容C：1270pF，實(shí)測(cè)在1230~1290pF之間。當(dāng)P200kPa時(shí)，Us：7.28kV和一10.28kV。管的理論最高耐壓達(dá)43.28kV。
2.5油水雙路冷卻系統(tǒng)
每根臭氧發(fā)生管上設(shè)計(jì)加載的功率在550~750W之間時(shí)，生成熱量較多，臭氧發(fā)生管內(nèi)部溫度上升會(huì)使臭氧產(chǎn)量下降。因此必須采用油和水分別冷卻高壓電極和接地電極。冷卻油在系統(tǒng)中閉式循環(huán)，冷卻水開(kāi)式循環(huán)，用殼管式換熱器交換冷卻油與冷卻水的熱量。
3可調(diào)中頻逆變高壓電路
3.1原理與特點(diǎn)
三相工頻交流電壓經(jīng)整流濾波后轉(zhuǎn)換成直流電壓，用兩組4只單向可控硅對(duì)其進(jìn)行斬波，逆變?yōu)橹蓄l全波交流電壓，再經(jīng)升壓變壓器獲得中頻交變高壓，加載在臭氧發(fā)生管上。采用壓控振蕩器產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)，經(jīng)分離、放大、隔離形成兩組交替觸發(fā)脈沖信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)(開(kāi)啟)兩組可控硅，關(guān)閉則由逆變電路的串聯(lián)振蕩在電流或電壓回零時(shí)實(shí)現(xiàn)。
3.2電路保護(hù)
可控硅具有較強(qiáng)的耐浪涌電流和過(guò)流能力。當(dāng)逆變電路和升壓變壓器初級(jí)側(cè)出現(xiàn)異常情況時(shí)，由于受濾波電感、限流空心電感和分布電阻等元件的限流作用，使電流上升緩慢且電流值較小，保護(hù)電路有足夠時(shí)間(毫秒級(jí))切斷主回路電源，一般不會(huì)毀壞可控硅和續(xù)流二極管等功率元件。
特別是臭氧發(fā)生管出現(xiàn)擊穿、跳火等故障時(shí)，升壓變壓器初級(jí)側(cè)將感應(yīng)出瞬間強(qiáng)電流和高電壓，即使保護(hù)電路動(dòng)作切斷主回路，也會(huì)因強(qiáng)電流突變振蕩形成高電壓，常常擊穿可控硅的續(xù)流二極管。現(xiàn)采用的保護(hù)方法是依靠整流前的快速熔斷器迅速切斷主回路電源。
3.3空載與負(fù)載特性
圖2給出了可調(diào)中頻逆變高壓電路的空載與負(fù)載時(shí)的工作頻率與工作電壓(有效值)變化關(guān)系的實(shí)測(cè)結(jié)果。負(fù)載分單根臭氧發(fā)生管(1260pF)和雙管并聯(lián)(2490pF)兩種情況。空載時(shí)消耗電流很小，設(shè)計(jì)與調(diào)試時(shí)一般應(yīng)將電流控制在0.1A以下。
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有負(fù)載時(shí)，由于臭氧發(fā)生管在起暈工作電壓前后均表現(xiàn)為明顯的電容性，與升壓變壓器次級(jí)串聯(lián)形成電容效應(yīng)[3]，使得峰值電壓上升，并且隨負(fù)載電容增大和工作頻率提高而顯著上升。試驗(yàn)表明，升壓變壓器采用普通結(jié)構(gòu)的鐵氧體鐵芯(如E型)，輸出電壓峰值與有效值的比值在1.7～2.1之間。因此，設(shè)計(jì)制作升壓變壓器時(shí)應(yīng)考慮盡量減小漏感，減小電容效應(yīng)，同時(shí)根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整匝數(shù)比，使最高工作頻率時(shí)的工作峰值電壓小于管的最高耐壓，并有1.5～2.0的耐壓安全系數(shù)。
4空氣預(yù)處理系統(tǒng)
空氣預(yù)處理系統(tǒng)由無(wú)油空壓機(jī)、微塵過(guò)濾器、油氣分離器和吸附分離干燥器等組成，產(chǎn)生露點(diǎn)≤一50C，塵徑≤O.3m，油氣含量≤0.5×10的干燥與潔凈的空氣，輸入臭氧發(fā)生管。
實(shí)踐證明，以空氣為臭氧發(fā)生器氣源時(shí)，高品質(zhì)的空氣對(duì)提高臭氧產(chǎn)量十分必要，其中低露點(diǎn)尤為關(guān)鍵，它不僅可提高臭氧產(chǎn)量，而且能限制有害氮化物的產(chǎn)生。
5自動(dòng)控制與保護(hù)系統(tǒng)
用可編程控制器(PLC)對(duì)整機(jī)進(jìn)行啟停過(guò)程與狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)主要包括逆變電路的直流電壓和交變電流、供氣壓力與露點(diǎn)、氣油水三路的流量、臭氧發(fā)生管與升壓變壓器的工作溫度、涉及高壓的機(jī)箱面板開(kāi)合等。按其權(quán)重分類后，由PLC處理確定運(yùn)停狀態(tài)和保護(hù)動(dòng)作。由PLC輸出PWM電壓信號(hào)經(jīng)整流濾波作為壓控振蕩器的電壓控制信號(hào)，改變工作頻率。
6整機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析
試驗(yàn)結(jié)果是在負(fù)載為雙臭氧發(fā)生管并聯(lián)運(yùn)行下得到的。實(shí)測(cè)并聯(lián)總電容為2490pF；總有效放電面積0.204m×2；冷卻水進(jìn)口溫度為20～23C；空氣氣源露點(diǎn)一53～一55C；工作壓力0.15MPa；管進(jìn)口溫度23～26C；出口溫度25～29攝氏度。
6.1頻率特性
圖3、圖4為空氣流量均設(shè)定在3.40～3.46m。/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))時(shí)臭氧發(fā)生器的頻率特性。由圖可見(jiàn)，工作電壓頻率從450Hz變化到820Hz時(shí)，臭氧產(chǎn)量、濃度和產(chǎn)率均上升了約1.7倍，電耗從23.5kW·h/(kgO。)下降到17.4kW·h/(kgO。)。頻率上升，臭氧產(chǎn)出與電耗均向有利的方向變化。這是工作電壓隨頻率上升而上升，電暈功率增大，工作氣體電離的能級(jí)和頻次都提高了的結(jié)果。
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當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)工作頻率為800Hz工作電壓為10.5kV時(shí)，臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)量可能達(dá)到81.4g/h，臭氧濃度23.5g/m。，臭氧產(chǎn)率199g/(m·h)，電耗17.4kW·h/(kgO。)，單管臭氧產(chǎn)量達(dá)到了40g/h以上。
6.2流量特性
圖5為當(dāng)工作頻率和電壓分別為730Hz，9.9kV，雙管并聯(lián)的臭氧產(chǎn)量和濃度隨供氣流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))變化的規(guī)律。臭氧濃度隨供氣流量增加而下降，但變化平緩；臭氧產(chǎn)量隨供氣流量增加先上升后下降，當(dāng)空氣流量為3.5～3.6ITI。/h時(shí)存在一個(gè)最大產(chǎn)量點(diǎn)。由于工作電壓、頻率、工作氣壓均一定，該點(diǎn)是電耗最低點(diǎn)。可見(jiàn)，對(duì)于一定的工作頻率，存在一個(gè)最佳作氣體流量，其值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。
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7結(jié)束語(yǔ)
a、以空氣為氣源的中頻臭氧發(fā)生器，要獲得較高的臭氧產(chǎn)量、濃度和產(chǎn)率，對(duì)各組成部分的完整性及其性能要求都很高，包括中頻逆變高壓電路與臭氧發(fā)生管的匹配特性，高效的冷卻系統(tǒng)、空氣預(yù)處理系統(tǒng)和可靠的監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)等。通過(guò)本文系統(tǒng)分析研究，為單臺(tái)臭氧產(chǎn)量為1000g/h以上的大型中頻臭氧發(fā)生器的研制奠定了基礎(chǔ)。
b、采用有機(jī)高分子介電體的臭氧發(fā)生管結(jié)構(gòu)尺寸精確，單管電容值較大，可以加載較大的電暈功率。即使在采用空氣氣源時(shí)，單管臭氧產(chǎn)量也可在40g/h以上，臭氧濃度和產(chǎn)率較高，電耗也較低，可作為工業(yè)型臭氧發(fā)生器使用。唯一的缺點(diǎn)是有機(jī)高分子介電體材料的電老化性能較差，為此可降低工作電壓同時(shí)提高工作頻率，在不減小電暈功率的前提下減緩電老化。
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