教学研究侧管放电室参数选择与结构设计.docx

臭氧发生器放电室参数选择与结构设计
前言
在臭氧发生器中，臭氧放电室是一个非常重要的部件，它的性能决定于臭氧发生器总体性能。放电室工作时放电状态、热分布及放电间隙的选定；介电材料与性能；放电室工作条件与原料气的选择等，都是决定放电室臭氧发生效率的重要因素。因此，在臭氧发生器放电室的设计中，选择合适的参数确定合理的放电式结构，是提高放电室效率的有效的措施。
1 臭氧发生原理及放电状态分析
1.1 臭氧发生原理概述[1]
为了提高臭氧的产量、浓度、臭氧生成效率，国外科学家们做了大量的研究工作，西德Prof salge 教授用di/dt大的高压脉冲作为臭氧发生器的电源，使臭氧产生效率提高2倍。日本增田闪一教授发明了“高频陶瓷沿面放电生成臭氧技术”有效的解决了臭氧发生器小型化、实用化问题。提高了臭氧产率Y(g/kwh)，臭氧浓度C(mg/l)，臭氧生成量G(g/h)。
图1 气隙放电原理图

图3臭氧发生器的基本结构图
1.1.1臭氧发生器的一般结构及臭氧生产过程
人们长期使用的臭氧发生器的基本结构如图1所示。把交流高压电源同时加到高压电极与地电极上，中间放置电介质，在其间隙中产生辉光放电，干燥空气或氧气通过间隙后产生含有臭氧的气体。
当对电极施加交流高压电时，电介质体与气体间隙δ的电压值与其静电容量成反比。随着电压v的增加，空气间隙电压vg也随之增加，当气体间隙的电场强度Eg = vg /δ达到气体击穿电场强度Eg（约3000kv/m）时，气体被电离产生脉冲电晕放电，此时电介质表面逐渐积蓄大量正或负离子，形成与外加电场相反的电场强度，并与其相互抵消。当气体间隙电压还在继续处于上升周期（di/dt>0）时，就会不断出现上述的脉冲放电。当外加电压过了峰值后，处于下降周期（di/dt<0）时，积蓄在电介质表面的电荷形成电场强度，不间断反方向发生脉冲电晕放电。当外加电压变到0伏左右时，此时（di/dt）最大。产生密集具有丰富谐波的脉冲电流，极大的强化了脉冲放电。
电介质层可以防止气体电晕放电变到弧光放电，把气体放电限定在电晕放电阶段。在高电压脉冲电场条件下，使空间气体电离成等离子，氧分子O2分解成原子氧O，在瞬间又与O2结合成臭氧O3。O3生成与分解反应十分复杂，交替进行[2] [3]。主要反应式如下：
O2 + e = 2O
2O + 2O2 =2O3 （1）
以氧气为原料气体，臭氧生产率的理论可达到1200g/kwh，实际上臭氧产生效率远低于理论值，因为大部分电能都转化成热能。然而温度的升高将会破坏产生臭氧的进程，为了提高产生臭氧的效率，就要使反应在较低的温度下进行。因此对放电室设计，除了要保持有效的冷却之外，必须采用无热能放电。
1.1.2 臭氧发生器中的气体放电原理[4]
臭氧发生器产生的臭氧是在容积放电（VD）或表面放电（SD）装置中，以介电体屏蔽的放电方式来产生的。其放电参数、产出与破坏臭氧的化学反应的边界条件，处理气体的温度等都是影响臭氧发生品质的因素。臭氧发生品质的因素是：能效比[kg O3/kwh]，产量[kg O3/h]，以及浓度[g O3/Nm3]。
合成大量臭氧最有效的途径是利用放电。利用放电处理含氧的空气或纯氧产生自由氧原子，他们与氧原子结合生成臭氧。通常使用介电体屏障放电（或称稳定的无声放电），其结构如图2。a为容积放电（VD）， b为表面放电（SD）当达到击穿场强的瞬间出现晕辉，在常压下大量微放电相当均匀地覆盖电极区域。

图2 VD与SD放电装置原理图
a） VD装置 b） SD装置

图4
随着起辉电压过程而被连接的对面电极的电荷载流子被收集到介电体表面，他减少气隙中的场强直至达到息辉电压。在介电体上积累的电荷载流子限制电流，并使放电猝灭。这种放电便成为无热能的。在其峰值范围内升高所施加的电压，直到再次达到气隙中的击穿电压，另外的微放电便在VD装置中出现。在SD装置中则出现放电延伸区逐步增大现象。VD由气隙内的放电柱与介电体上的表面放电组合而成，SD则仅有在介电体上的放电现象，其表面上的结构依极性而定。
两种放电类型的暂态工况是相似的，其电流上升持续几个纳秒，而其总电流脉冲以在常压的空气中为例是几十纳秒。
在文献[5]中作出了描述的由许多微放电的存在而得出的介电屏障放电的平均功率消耗P ：
P = 4·F·CΔ·Ub·{ Up – Ub·( CΔ+ Cd)/ CΔ} （2）
式中F是频率，CΔ、Cd分别是介电体及气隙的电容量，Ub是放电气隙处的平均电压，而Up是外加电压的峰值。
1.1.3 微放电中臭氧形成的条件
在臭氧形成过程中微放电的主要任务是，在适当的温度下有效的供给自由氧原子。在放电的内部电子象离子一样在电场中被加速，主要是电子碰撞产生氧原子。为了改进氧的分解，确定其场强范围是有益的，在氧气中直接测量发现这个范围介于（200~300）Td之间（1Td=10 -17Vcm，由极小量强度表示的场强）[6]。
微放电内部的场强取决于电导率，在高的电导率处必须有低的场强以支持放电，而反之亦然。细微的微放电是有利的，其一是均值场强较接近佳值，再就是放电柱内部的温度密度低。
为了修整微放电，以达到最佳的臭氧能效比，必须使微放电细微。这可由小的转移电荷来获得，即选择适当的气隙间距d；介电层的介电常数ε及厚度Δ，其表达式为：q = d·f (ε/Δ),并考虑适当的气压。
微放电的强度受处理气体的湿度及压力影响。随着温度升高，每单位面积的微放电数量减少，同时其强度（转移电荷量）相应增大。这是从表面电导率增加会导致介电体上每个微放电的放电区域较大而得出的，因此必须降低气体的湿度。随着气压的增加，在放电通道中被强制电离的微粒也增加，这是增大能量密度与温度的结合，从另一方面来说，因气压增高而促进臭氧在三体反应中合成，
即 O + O2 +M =O3+M （3）
1.2 臭氧发生器设计的优化条件
臭氧发生器的一个重要功能是热的交换。臭氧发生的效率，在以氧为气源的最佳条件下，也仅仅不超过20%，有效的冷却系统是臭氧发生器设计的一个重要关键。
臭氧产生过程可划分为三个不同时间标度阶段。当存在微放电的期间（每次至多几十纳秒）生成原子氧，生成臭氧的化学反应约需要10微秒。当臭氧发生器运行时，微放电持久的撞击处理气体，而处理的气体以约1秒的时间流经反应器，所以臭氧被电子碰撞而被破坏不可避免。
臭氧发生器的效能比可被冷却条件，处理气体的成分以及微放电的强度所影响。微放电强度低可以获得高能效比，这取决于单个微放电的电荷转移电荷量值。由3式可见，气隙小及介电体的特性电容量小是有利的。气隙小意味着冷却条件好，在小的功率密度下气隙宽度缩减，导致每单位面积上微放电个数增加。
具有高效能的臭氧发生器的介电体应具有以下条件：⑴导热系数高；⑵厚度精确，可获得较小的气隙；⑶具有较优良的介电性能。
高的介电体层比电容（薄的层厚与高的介电常数）具有如下特点：⑴微放电增强；⑵薄介电体具有良好的冷却性能；⑶外加电压可以降低，因为介电体压降小。
1.3 SD发生器中臭氧形成特性

图3 场强源的分布

图5
当微放电在VD装置中发生时，是处于固定气隙中的初始均值场内。而在SD装置中的放电则发展成为随场强而改变的一个区域，并没有任何确定的气隙。由表面电荷积聚而导致一个接近击穿值的场强波峰，在放电的外延并引起表面上的延展，见图3 。随着电压增高，放电沿着表面而逐步移动，与表面电极垂直的放电区域的延伸（正比于充电的能量）正比于电压的幅值。由于电荷量是电容量与电压的乘积，因此在一个电压周期的转移电荷量应正比于外加电压的平方。
对放电延伸或转移电荷量影响更大的参数是介电常数。当介电常数高时，介电体上的电荷密度也高，然而充电区域的延伸在其他条件相同时却缩小。

图4 SD臭氧发生器臭氧浓度与气源关系

图7
SD装置的性能具有如下优势：
⑴放电以细窄线的形式与表面接触，这样可以得到有效的冷却；
⑵在不均匀场的结构中，放电活动开始于比VD装置较低的外加电压值，这是由于放电与表面相互作用，介电体表面的击穿电压比气体内部低，在外加电压的半周期内放电活动有持续的趋势；
⑶在某种程度上避免了臭氧被电子碰撞所造成的破坏，这是因为在SD装置中气流将臭氧（部分地）载运到没有放电的区域。
由试验可知VD发生器使用氧气源的臭氧产量，比使用空气源高出2~3倍。对SD发生器来说，这个差别要显著得多，见图4。因此SD发生器使用氧气源，更能发挥出其特有的优势。
2 放电室中的热平衡分析[7]
2.1 放电间隙中的热源分布
在研究放电时效率时，放电间隙中的热源分布是一个非常重要的问题，因为它影响如何准确估算放电间隙中的温度分布以及平均温度值，而又直接影响到臭氧的合成与分解过程，进而在宏观上反映出臭氧放电室的效率。因此，搞清放电间隙中的热源分布对优化放电室的结构，提高臭氧发生器效率是十分必要的。
实测表明[李培国1，4]在放电间隙中，在电极放电后极短时间内臭氧浓度在两个电极表面附近较大，而放电时的发光强度也呈现出类似的分布。从屏障放电型臭氧发生器放电特性理论分析表明，一个微放电通道内的产热也是不均匀的，放电产间隙中的热量主要产生在两电极附近，靠近覆介电体电极一侧略多些。由于气体热容量很小，气体流速也不大，气体带走的热量可以忽略。由于气体导热率极低，而且它的流速较慢，其状态基本是层流，对流换热很有限，所以这层薄薄的气隙的热阻就相当大。有计算显示[李培国10]，气隙层的热阻比介电体层和冷却水对流换热层的热阻高1～2个数量级。这意味着，在一侧电极附近产生的热量，很难通过气隙到达对侧电极，而主要由本侧冷却介质带走。

2.2 不同放电间隙的臭氧浓度与单位耗能
李培国[7]利用数学模型，以数字模拟方法计算出臭氧放电室在不同间隙厚度时的臭氧浓度及单位耗能，见图5。可以看出，臭氧发生器有一个最佳间隙厚度，大约为0.3mm～1mm。
2.3 分析结论
放电所产生的热量主要由电极两端的冷却介质带走，一般情况下气体带走的热量可以忽略；气隙中的热源分布是不均匀的，大部分热量产生在两侧电极附近；热源分布为稍不对称型，金属电极附近产生的热量比介电体附近产生的热量约少20%。
3 介电材料的选择与性能分析
表1 绝缘材料的特性
材料种类
绝缘性能
电阻率
介电常数
可加工性
玻璃
较好
中
低
差
搪瓷
较好
中
中
较好
陶瓷
很好
高
高
差

3.1 介电材料的特点与性能
表 2 玻璃与TC材料电性能参数
材料
介电常数
绝缘电阻率
Ω·cm
击穿电压
Kv/mm
玻璃
2.79
6.6×1014
15.2
TC
5.15
4.9×1014
17.9

设计臭氧发生器放电室时，首先要解决选择什么材料问题。要选择能达到使用目的材料就应当对材料的性能与特点进行研究。根据放电室的工作条件与加工工艺要求，介电材料应具备以下基本性能：
（1） 要有较好的绝缘性能；
（2） 采用较薄具有较高的介电常数；
（3） 应有好的导热和耐热性能；
（4） 具有良好的机械强度与机加工性能。
表4 玻璃管放电室测试数据（2号）
序号
气源
电流
A
氧气流量
m3∕h
臭氧浓度
mg∕L
臭氧产量
g/h
功率
W
1
氧气
1.4
0.2
42.6
8.52
275
2
氧气
1.4
0.4
38.5
15.4
278
3
氧气
1.4
0.6
34.6
20.8
282
4
氧气
1.4
0.8
31.6
25.3

5
氧气
1.4
1.0
28.7
28.7
284

表3 玻璃管放电室测试数据（1号）
序号
气源
电流
A
氧气流量
m3∕h
臭氧浓度
mg∕L
臭氧产量
g/h
功率
W
1
氧气
1.5
0.2
39.3
7.86
310
2
氧气
1.5
0.4
38.5
15.4
309
3
氧气
1.5
0.6
36.1
21.7
311
4
氧气
1.5
0.8
33.4
26.7

5
氧气
1.5
1.0
30.4
30.4

表（1）列出不同绝缘材料的特性。根据表（1）所列绝缘材料性进行分析，陶瓷具有较好的绝缘与介电性能，搪瓷的性能低于陶瓷，玻璃性能最差。从加工制作性能来看，搪瓷具有优越的性能。制作的形状与厚度，比玻璃与陶瓷更容易控制，因此将搪瓷选定为介电体材料。我们对搪瓷和玻璃介电材料的电性能进行了测试，结果如表2。
从表2中可以看到搪瓷复合材料和玻璃的电气强度都比较高，均能满足放电室内电晕放电的要求，但是搪瓷材料的介电常数值比玻璃还要高近一倍。应用于放电室中，将有较高的臭氧产量。由于搪瓷具有较好的加工制造性能，与玻璃和陶瓷相比可以容易的制成较薄的厚度，而且可以与金属电极烧结在一起，简化了加工工艺同时还有利于热的传导。由于介电体与间隙都可以做的较薄，因此就可以做到在较低的峰值电压下工作，这样就更有利于高频电源的开发与制作。
3.2 放电室测试性能分析
检玻璃介电体放电室与搪瓷节电体放电室进行性能测试，测试结果见表3～表8。
表5 板式放电室（1号）
序号
气源
电流
A
氧气流量
m3∕h
臭氧浓度
mg∕L
臭氧产量
g/h
功率
W
1
氧气
1.0
0.06
106.3
6.37
216
2

0.1
97.4
9.74
206
3

0.2
75.0
15.0
200
4

0.3
61.6
18.48
214
5

0.4
52.0
20.8
214
6

0.6
39.6
23.76
217
7

0.8
33.0
26.4
217
8

1.0
27.6
27.6
218

3.2.1 臭氧浓度测试结果
表6 板式放电室（2号）
序号
气源
电流
A
氧气流量
m3∕h
臭氧浓度
mg∕L
臭氧产量
g/h
功率
W
1
氧气
1.6
0.1
82.1
8.21
332
2

0.2
75.4
15.8
330
3

0.3
67.0
20.1
326
4

0.4
59.6
23.84
330
5

0.6
47.2
28.32
330
6

0.8
39.6
31.6
331
7

1.0
33.1
33.1
329

对两支玻璃管放电室进行测试，玻璃管产生的臭氧浓度较低。在氧气流量为1.0 m3∕h时臭氧浓度为分别是30.4mg∕L 和28.7mg∕L。随着氧气流量的降低臭氧浓度有所上升，氧气流量为0.2m3∕h时臭氧浓度为39.3mg∕L和42.6mg∕L，见表3、表4。
表7 单管放电室—2号
序号
气源
电流
A
氧气流量
m3∕h
臭氧浓度
mg∕L
臭氧产量
g/h
功率
W
1
氧气
1.6
0.1
97.4
9.74
338
2

0.2
83.2
16.64
326
3

0.4
61.0
24.4
328
4

0.6
47.8
28.68
327
5

0.8
38.5
30.8
325
6

1.0
33.1
33.1
326

对搪瓷板式放电室进行测试，在氧气流量为1.0 m3∕h时臭氧浓度为分别是27.6mg∕L 和33.1mg∕L。随着氧气流量的降低臭氧浓度有所上升，氧气流量为0.2m3∕h时臭氧浓度为75.0mg∕L和75.4mg∕L，见表5、表6。
对搪瓷管式放电室进行测试，在氧气流量为1.0 m3∕h时臭氧浓度为分别是33.1mg∕L 和32.7mg∕L。随着氧气流量的降低臭氧浓度有所上升，氧气流量为0.2m3∕h时臭氧浓度为83.2mg∕L和68.6mg∕L，见表7、表8。
3.2.2 氧气流量与臭氧产量分析

表9 消耗1 m3氧气产生臭氧g（g∕m3）
序号
氧气流量
m3∕h
玻璃管放电室
搪瓷板放电室
搪瓷管放电室
1号
2号
1号
2号
1号
2号
g∕m3
g /kW
g∕m3
g /kW
g∕m3
g /kW
g∕m3
g /kW
g∕m3
g /kW
g∕m3
g /kW
1
0.1

97.4

82.1

97.4

2
0.2
39.3
25.3
42.6
30.9
75.0
75
75.4
47.9
68.6
41.5
83.2
50.9
3
0.4
38.5
49.8
38.5
55.4
59.6
97.2
59.6
72.2
53.2
65.2
61.0
74.4
4
0.6
36.1
69.8
34.6
73.8
47.2
109.5
47.2
85.8
43.7
80.4
47.8
87.5
5
0.8
33.4

31.6

39.6
121.7
39.6
95.4
37.4

38.5
94.8
6
1.0
30.4

28.7
101.0
33.1
126.6
33.1
100.6
32.7
102.2
33.1

表8 单管放电室—1号
序号
气源
电流A
氧气流量
m3∕h
臭氧浓度
mg∕L
臭氧产量
g/h
功率
W
1
氧气
1.6
0.2
68.6
13.72
330
2

0.3
60.8
18.24
328
3

0.4
53.2
21.2
325
5

0.5
48.4
24.2

6

0.6
43.7
26.22
326
7

0.8
37.4
29.92

8

1.0
32.7
32.7
320
9

1.0
0.06
103.0
6.18
198
10

0.1
97.3
9.73

11

0.2
76.7
15.34
201
12

0.4
50.5
20.2

13

0.6
37.2
22.32
201

臭氧发生器工作时，产生最大臭氧产量的工作点并非是最佳工作状态，单靠增加氧气流量来增加臭氧产量的做法是不经济的。因此应寻找一个最佳工作区域，保持相对较低的耗气量与耗电量与相对较高的臭氧产量。为了减少氧气的消耗，使用臭氧浓度一般应保持在50 mg∕L以上。由表3～表8可以看出，玻璃管放电室的性能难以达到上述要求。而搪瓷板和搪瓷管放电室，在氧气流量为（0.5～0.6）m3∕h时可以满足上述要求。分析表9可以看出当氧气流量在0.5m3∕h时，为经济合理的运行状态。此时的臭氧产量与氧气消耗为较佳状态。
3.2.3 放电室耗电情况分析
由表3～表9可以看出，在氧气流量为1m3∕h时，玻璃管与搪瓷管放电室，每度电臭氧产量均可达到100g以上。在氧气流量为（0.4～0.6）m3∕h时，玻璃管放电室的臭氧产率有较大降低， 而搪瓷板式和侧管式放电室的臭氧产率降低幅度不大，分别是玻璃管的1.3～1.48倍。氧气流量在 0.2m3∕h时，玻璃管放电室的产率则降到30g/kW左右，而搪瓷板式和侧管式放电室则能保持较高的水平，其中表8中第11号试验，在工作电流为1A时，臭氧产率则可达76.3g/kW，超过玻璃管两倍以上，具有优越的经济性能。
3.3 放电室气体压力对臭氧产量的影响
放电室气体压力对臭氧产量有一定程度的影响[8]，当电压峰值V 小于6kV时，气体压力对浓度、产量有较大影响，随气体的压力增加而增加。当增加到0.098MPa时气体压力再增加，臭氧的浓度、产量基本上不在变化，见图6 。在此区间内，随着电压峰值的增加，臭氧的浓度、产量则线性增加。有报道[53]证明，当压力高于2.0大气压力时，臭氧发生器放电特性为不规则火花，会造成产量大幅度下降。通常臭氧发生其中气体压力选取在0.05～0.098MPa为好。
由图6可以看出，放电室气体压力，在一定的压力区间内对臭氧产量影响是明显的。在实际应用过程中，我们测得臭氧浓度C(mg/l)，可利用公式4计算出臭氧产量G(g/h)。
（4）
Q —— 气体的流量m3∕h
P —— 气体的压力MPa。
4 小结
4.1 放电室工作时的放电状态，是决定臭氧发生器总体性能的一个综合因素。在臭氧形成过程中的微放电，可以改进氧的分解有益于臭氧的合成。影响微放电的主要因素为：较低的电场强度；选择适当的气隙间距；具有高效能的介电体及适合的厚度；气体的温度、湿度、压力以及在放电室中的流经过程。
4.2 温度是影响微放电强度的一个重要因素，冷却条件是放电室设计的需要考虑的重要问题。较薄的介电体以及介电体厚度精度，是制作过程中应该的技术关键。电极需要良好的冷却条件，对两个电极同时进行水冷会取得较好的换热效果。若条件所限只能单电极水冷，应设置在介电体电极一测，另一电极最好采用风冷装置，争取获得较高的效能比。
4.3 臭氧发生器放电室间隙厚度在0.3mm～1mm之间是较好的，最佳间隙范围在0.4mm～0.6mm之间。在此范围之内的放电室可获得较高的臭氧浓度，同时有较低的单位耗能。介电体厚度应选在0.8mm～1mm之间，介电体过薄影响绝缘性能，但厚度过大影响冷却效果，微放电强度减弱，同时还会使外加电压升高。
4.4 气源的性质与工作状态会从根本上影响放电时的性能，使用氧气作为放电室的气源是理想的选择。使用氧气源臭氧产量比使用空气源高出2~3倍，由于成品氧气室干燥的，所以也不存在湿度的影响问题。
4.5 臭氧在放电室中产生过程划分为三个不同时间标度阶段。在微放电的期间（每次至多几十纳秒）生成原子氧，生成臭氧的化学反应约需要10微秒。当臭氧发生器运行时，微放电持久的撞击处理气体，而处理的气体在流经反应器的过程中，臭氧被电子碰撞而被而破坏是不可避免的。因此在放电室结构设计中，要特别考虑如何缩短处理气体在放电室中的流程，以避免由于气体流程过长而造成不必要损失。

参考资料

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[3] 朱庆爽等译，Rip G.Rice等著，臭氧技术应用手册，中国建筑工业出版社，1991.5
[4] V.D.萨莫依洛维奇等，屏障放电的物理原理（2），杜塞尔多夫DSV-Verlag公司，1977
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