1、电晕放电法臭氧发生器电极的研究HIGHVOITAGEENGINEERINGcjcIj1,巳咒,J,c,咒,巳吊高电压新技术及应用 i咤w,r,fwf 一x(,w( 电晕放电法臭氧发生器电极的研究StudyontheElectrodeUsedinSurfaceDischargingOzoneGenerator岳朝松,陈万金,储金字(江苏理工大学生物与环境工程学院,镇江 212013)摘要论述了电晕放电法产生臭氧的机理和沿面放电用电极的结构及影响因素,认为提高电介质的介电常数,表面电阻率和降低电介质的厚度可以提高臭氧发生器的效率.通过实验确定介质为 0.250,4mmaAl.O.电极线缠绕间距为
2、23mm 的管式臭氧电极单根臭氧质量浓度可以达到1213g/m.AbstractTheauthoranalyzesthemechanismofozonegeneratedbycoronadischargeandtheinfluencingfactorsofsurfacedischargingelectrode.Concludesthatheighteningtheinduetivityandthesurfaceresistivityofthedielectricanddecreasingthethicknessofthedielectriccanincreasetheproductivityo
3、ftheozonegenerator.Bytheexperiment,theauthoralsospecifies 口一 Al203asdielectricin0.250,4mmthickness,Woundedwithelectrodewirein23mmdistance,thetubularozoneelectrodecanproduceozone1213g/mundertheexperimentalcondition.关键词沿面放电臭氧电介质Keywordssurfacedischargeozonedielectric中图分类号 X383 文献标识码 A0 引言臭氧是氧的同素异形体,在已
4、知的几种氧化剂中,其氧化性仅次于氟而居第二位_】.在水处理,食品,医疗等行业被广泛用于化学氧化,杀菌消毒.特别是在水处理方面,其氧化消毒效果比传统的氯高十几倍,且无二次污染_2,社会经济意义重大,目前有关研究方兴未艾.制约臭氧在环境污染治理等方面的大规模应用的主要因素在于,臭氧的产生设备的一次造价,体积和应用维护成本都很高.为降低经济成本,扩大它应用价值,可从电源,气源,电极,冷却方式等方面着手.人工产生臭氧主要有电解法,紫外光照法,电晕放电法等几种.相对而言,电晕放电法较为经济,工业用臭氧大多由此产生.根据电极结构及放电形式划分,电晕放电法又可分为极间直接放电,无声放电和沿面放电等形式.因为
5、沿面放电具有起始电压低,放电通道更有利于臭氧的形成及扩散等优点,产生臭氧的效率高,可控性好,是近年来臭氧研究的主要方向.1 电晕放电产生臭氧的机理电晕放电产生臭氧可以概括为 4 个过程:电场内气体电离,产生一定数量带有一定能量的电子;电子碰撞氧分解分子,产生自由氧原子(_)-4-e 一20-4-e);氧原子 ,氧分子在中间物质 M 作用下,结合生成臭氧分子(O-4-O-4-MO.-4-M);臭氧分子和其它粒子发生碰撞,发生分解反应()-4-().-4-M 一 20.-4-M).在此过程中,电源,放电电极及气体状态决定放电空间中电场强度和粒子的能量,并最终决定臭氧的产量.粒子能量在 28.4eV
6、 时,只会引起臭氧的分解反应 j,只有8.4eV 能量的电子能有利于臭氧生成反应.所以在放电区间应尽量提高这部分电子的含量,提高放电空间场强可提高 O.的产率.2 沿面放电的电极形式沿面放电的典型的电极见图 1j,其等效电路见图 2.图中,介质单位面积的体积电容 C.一 e/d,介质单位面积表面电阻 R 一,d 分别为电介质的介电常数,表面电阻率及厚度,为电源频率.设【,为电源电压,R 为介质单位面积体积电阻,由图 2 得介质表面 x 处电流电压方程:fi/a.27 一 U/R-4-C.au/at,【au/aiR由文5,经一系列变换和合理假设后解得电极线边缘处场强为:_E 一(,/d.(1)加
7、大放电空间的电场强度可提高().产率.单就电极而言,可以增加电介质的介电常数和表面比图 l 沿面放电电极2002 年 6 月高电压技术第 28 卷第 6 期?43?图 2 沿面放电的等效电路图电阻,也可以减小电介质的厚度.本文用实验的方法,选择合适的电介质材料并确定合理的电介质厚度,以期降低臭氧产生的能耗,提高臭氧的产率.根据实际需要,为便于冷却,实验中电极采用如图 3 所示结构.在 DN25 不锈钢管外表面等离子喷涂上一层陶瓷作为电介质,陶瓷表面缠绕螺旋状的电极线.管的有效长度 680mm.图 3 管式臭氧电极3 实验装置与流程臭氧综合试验台流程见图 4.其中空气干燥净化用自行设计的半导体制
8、冷干燥器,其出口露点一40C 下 ,压力和流量可调.电源为自行设计的专用电源,功率 2kW,电压和频率可调 .图 4 臭氧综合试验台流程图臭氧质量浓度由 Model3600 型臭氧分析仪在线连续检测.臭氧电极管的主要参数为电介质相对介电常数,介损 tan,电导率 y 及厚度 d.4 实验结果与讨论4.1 介电常数对臭氧质量浓度的影响取石英玻璃,镁橄榄石 aAlO.,ZrO 瓷,SiC瓷 5 种材料(其分别为 4.2,5.9,8.3,12,40.1)作为电介质,制成图 3 所示的电极,电介质厚度 0.3mm.高频电源频率 10kHz,电压峰值 9.4kV,测得臭氧发生器出口处 p(O.)见图 5
9、.可见并不完全符合公式(1)中所示的随根式递增关系,原因可能为:一则试验中仅按介电常数递增要求选择材料而未考虑介质的表面电阻率的影响,而公式(1)中该因素与介电常数具有同样的影响力;二则公式(1)只表明电介质的放电过程的电现象而未考虑其热现象.因为材料的热损耗系数和热导率不同,使得臭氧发生器内温度差别较大.高温环境下臭氧迅速分解,使出口处臭氧质量浓度降低.综合价格和制造的难度因素,臭氧发生器电介质选用 aA1.O.,16昌 12t图 5与 p(O)的关系4.2 电介质厚度对臭氧浓度的影响相同粒径和纯度的 aA1().制成电极的电介质厚度分别为 0.2,0.3,0.4,0.5 和 0.6mm,其
10、试验结果见图 6.一 0.2mm 时曾击穿一次.可见,虽然减小可提高|D().)和产率 ,但应避免过分减少使系统安全性下降,工作不稳定.就目前工艺而言,制成 0.250.4mm 薄层的电介质是完全可能的.d/mm图 6 电介质厚度与 p(O.)的关系4.3 电晕绕制密度对臭氧浓度的影响改变缠绕在电介质外表面的螺旋电极线的螺距h 可改变电晕密度.h 一 2,3,4,5mm 的试验结果见图 7.因为随着两电极线之间距离减小,其间的电介质表面上的电压降变小:,即电介质表面能保持较高的电压.由公式(1)可知,电介质表面的电场强度就很高,有利于臭氧的生成.但如果电极线过于密集,势必减少介质与气体的接触面
11、积,反不利臭氧形成,所以电极线不能过密.实验表明电极线间距取 24mm 为宜.应该看到,不同的电介质的介电常数,表面电阻率以及其它电性能,热学性能以及力学性能各不相同,有些条件甚至互为矛盾,由公式(1)选择最佳的(下转第 45 页)2002 年 6 月高电压技术第 28 卷第 6 期?45?表 1 组合间隙放电试验参数序号放 乜 k 压截间序号放电 k 压截间ll70l93.86l7l495.02l68291.47l78Ol06.43l7l794.98l70795.74l743l01.19l7l398.35l7l795.2l0l7l794.2图 4 组合间隙试验试验放电路径为导线一试品一塔身.
12、试验后观察小猪无伤痕,无不良反应,生态及运动功能正常.2.3 暴露部分体表的放电试验试验布置同图 4.小猪用屏蔽服包裹绑扎,鼻尖及面孔外露,进行标准操作冲击波放电试验.试验中放电途径为导线一试品一塔身.试验后将小猪放下检查,小猪全身特别是暴露部位未见电击点及灼伤痕迹,但小猪全身颤抖,反应迟钝,嘴中不停流唾液,处于半昏迷状态.3 分析与讨论如果生物试品完全置于屏蔽服内,在操作冲击电压下,即使高压带电体通过生物试品形成放电路径,也不会对生物造成显见伤害.原因是操作冲击的放电能量不足以损坏屏蔽服,而试验和计算表明屏蔽服旁路 99 以上的冲击放电电流.故生物放电后不呈现烧伤或不良反应.表 2 暴露部分
13、体表的放电试验参数序号放截问序号放乜 k 压截问ll734ll0.86l768l00.62l753l00.97l762lO3.03l74Ol00.08l764l00.54l765l07.99l73498.05l72897.8l0l737l09.6如果生物试品的部分体表暴露在屏蔽服外,在操作冲击电压下发生击穿时,一旦全部或部分冲击电流直接通过生物暴露部位流入生物试品形成电流通道将使生物遭受明显伤害.故应将作业人员全部均置于屏蔽服内.在实际作业中,一旦空气间隙击穿,与单纯操作冲击试验不同的是还会有工频续流流过.如果工频续流较大,将造成屏蔽服的烧损,而屏蔽服烧损后部分工频电流将直接流经人体,造成人员
14、伤亡.故采用通流量大,耐燃性能好的屏蔽服以避免屏蔽服的烧损,将有利于作业人员的安全.参考文献1GB6568.I 一 2()OO 带电作业用屏蔽服(收稿日期 20020,101)胡毅 l955 年 qi,教授级高.长期从事岛压线路的研究.电话(027)874459(上接第 43 页)电介质有一定的困难,从材料学角度,改变电介质的成份制成电特性,热学及力学性能符合要求的复合材料,已取得很好的效果.,这为臭氧发生器用电介质的选择的制备,提供了一条更广阔的思路.5 结论16f吕 12油804h/(ram)图 7 电极线间距与 p(O.)关系a?综合材料性能,价格及工艺条件 ,aAIO.可选为臭氧发生器
15、电介质,喷涂厚度以 0.250.4mm 为宜.试验条件下单电极产生的 f0(O.)达 1213g/m.b.电极线间距大小决定放电的电晕密度,尽寸宜小,在试验条件下,以 23mm 为宜.参考文献1 白希尧,张宏.臭氧的产生及应用研究.自然杂志.1991.14(11):8132 白希尧.张宏.臭氧水及其应用研究.水处理技术,1992.18(6):4093 周迅,杨学昌.臭氧发生器中放电形式的研究.清华大学(自然科学版),l999,39(9):264 张芝涛,韩慧等.强电离放电产生臭氧气体的方法环境科学.2001,22(2):1265 杨津基.气体放电.北京:科学出版社,19836 刘维良,坚强等.臭氧发生器用 AI0 陶瓷基板材料的改性研究.陶瓷,2001,22(2):737 鲍慈光,杨宗璐等.臭氧发生器用(Sr.Ca)Ti.陶瓷材料的研制.云南大学,1999,21(4):282(收稿日期 200112 一 l5)岳朝松 l971 年生,硕士生,研究方向环境工程,电话;(05l1)8794469.
