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產品知識 - 產量可調臭氧消毒機的研究

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產量可調臭氧消毒機的研究

作者│·₪╃:YJF 來源│·₪╃: 日期│·₪╃:2013/7/29 9:42:15 人氣│·₪╃:68 標籤│·₪╃:產量可調臭氧消毒機的研究
採用97氧化鋁陶瓷管內水冷外風冷冷卻臭氧管◕·☁,與高頻電源組成產量可調型臭氧消毒機₪↟•│。實驗證實臭氧產率與載入的電暈功率成正比且有一定的線性關係₪↟•│。按其原理在應用工藝中◕·☁,實際臭氧消耗量與臭氧產量透過檢測反饋實現同步₪↟•│。具有較高的實用價值₪↟•│。

臭氧作為消毒劑◕·☁,脫色劑◕·☁,除味劑◕·☁,氧化劑廣泛運用於飲用水深度處理·│☁·、汙水處理·│☁·、造紙漂白和化工氧化及大規模空間消毒等工藝中₪↟•│。工業型臭氧消毒機一般採用中高頻DBD電暈放電法產生臭氧◕·☁,它具有產量大·│☁·、濃度高·│☁·、體積小和執行經濟等特點₪↟•│。但多數臭氧消毒機的產量是無法調節的◕·☁,本研究透過改變電暈功率實現臭氧產量調節₪↟•│。與其它檢測反饋拓展應用可實現(PID)臭氧輸出量與處理工藝實際需求量同步₪↟•│。

 1.設計引數與組成部分

1.1氣源為乾燥氧氣◕·☁,產量100g/h◕·☁,臭氧濃度50-100mg/L,電耗8-9kW·h/(kgO3)◕·☁,透過調節電暈功率(密度)改變臭氧產量₪↟•│。

1.2研製的臭氧消毒機主要由內水冷外風冷97氧化鋁製造的陶瓷管臭氧消毒機;  功率可調高頻高壓逆變電路;FPM監控與保護系統等組成(與電源一體);以上是關鍵部分◕·☁,本文作重點介紹₪↟•│。

2臭氧發生管│·₪╃:

2.1臭氧發生管的結構與工作原理

臭氧發生管的結構如上圖所示◕·☁,內外電極間用一層複合介電體隔開◕·☁,當兩電極間施加一定強度的交變高壓時◕·☁,氣隙中產生生電暈放電◕·☁,使流經氣隙的氧氣電離成氧原子(O2)◕·☁,氧原子再與其他氧分子結合產生臭氧(O3)₪↟•│。影響臭氧產生的因素很多◕·☁,如氣源品質·│☁·、高壓電源特性·│☁·、臭氧發生管結構與冷卻條件等等₪↟•│。就臭氧發生管本身而言◕·☁,臭氧產率與載入的電暈功率成正比₪↟•│。

2.2電暈功率│·₪╃:

電暈功率是指當加在臭氧發生管上的工作電壓大於起暈工作電壓後◕·☁,氣隙電暈放電消耗的平均電功率₪↟•│。設臭氧發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│·₪╃: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;C g為氣隙電容值◕·☁,F;f為工作電壓頻率◕·☁,Hz₪↟•│。Pg為氣體絕對壓力◕·☁,kPa;d s為氣隙厚度◕·☁,mm₪↟•│。工作電壓的最

小值◕·☁,稱為起暈工作電壓(Ucs)₪↟•│。只有當工作電壓(峰值)大於起暈工作電壓時◕·☁,臭氧發生管才有電暈功率產生₪↟•│。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◕·☁,對提高電暈功率最有效₪↟•│。根據採用的介電體耐壓強度控制峰值電壓₪↟•│。b.選用介電常數和耐壓強度都比較高的介電體◕·☁,減小介電層厚度◕·☁,從而提高電器效能₪↟•│。c.減小氣隙厚度控制氣體工作壓力◕·☁,從而降低臭氧發生管的起暈電壓₪↟•│。ds應有一定的選擇餘地◕·☁,不一定越小越好◕·☁,這樣有利於結構設計₪↟•│。整理上述資料計算即可得出相應的設計引數₪↟•│。

2.3介電體材料│·₪╃:

根據上述要求◕·☁,理想的介電體應具有優良的介電效能和耐電壓·│☁·、耐腐蝕·│☁·、耐老化等特點₪↟•│。這裡採用97氧化鋁材料製造的介電管◕·☁,介電常數4.5₪↟•│。電極精確加工後機械效能更為優越◕·☁,缺點是製造工藝複雜對加工環境也有一定要求₪↟•│。

2.4結構尺寸│·₪╃:臭氧發生管外形見下圖◕·☁,與其外側緊密配合的是鋁合金散熱器₪↟•│。

 

 

 

                                                          

                                                                        

                                    

2.5風水雙路冷卻系統│·₪╃:

高壓高頻臭氧消毒機工作時臭氧發生管內部溫度上升會使臭氧產量下降◕·☁,加速以生成臭氧的分解₪↟•│。因此必須採取有效的冷卻措施◕·☁,用風和水分別冷卻高壓極和接地電極₪↟•│。

3功率可調高頻逆變高壓電路│·₪╃:

3.1原理│·₪╃:

工頻交流電壓經整流濾波後轉換成直流電壓◕·☁,用兩組4只IGBT對其進行斬波◕·☁,逆變為高頻全波交流電壓◕·☁,再經升壓變壓器獲得高頻交變高壓◕·☁,載入在臭氧發生管上₪↟•│。調節電暈功率透過改變週期內脈波數量實現₪↟•│。

3.2逆變電路保護│·₪╃:

該電路採用智慧型FPM技術設計₪↟•│。FPM由高速低功耗的機芯和最佳化的門極驅動電路及快速保護電路構成₪↟•│。FPM不僅把脈波調製和驅動電路集成於一體◕·☁,而且內建軟啟動·│☁·、過載過流·│☁·、功率調節·│☁·、頻率設定等電路◕·☁,並可診斷負載故障₪↟•│。一般不會毀壞IGBT和MOS等功率元件₪↟•│。特別是臭氧發生管出現擊穿跳火等故障時◕·☁,電路如果不採取措施◕·☁,擊穿點弧光放電使該點溫度劇升◕·☁,其溫度可以融化或打穿電極並使故障升級₪↟•│。此時升壓變壓器高壓側電壓將數十倍升高◕·☁,對高壓包絕緣材料造成破壞性衝擊₪↟•│。這裡的FPM電路具有診斷功能◕·☁,在電極擊穿時會及時關閉臭氧電源₪↟•│。

                                           

3.3負載特性:

負載臭氧發生管為電容性◕·☁,與升壓變壓器串聯後◕·☁,調節電源驅動頻率◕·☁,使其在固有的頻率範圍內工作₪↟•│。氣源壓力◕·☁,冷卻溫度等因素會改變負載電容量◕·☁,試驗表明寬的通頻帶在容值變化時不影響正常工作₪↟•│。升壓變壓器採用鐵氧體磁芯◕·☁,設計製作升壓變壓器時應考慮儘量減小漏感◕·☁,減小電容效應◕·☁,同時根據負載情況調整匝數比◕·☁,使最高工作頻率時的工作峰值電壓小於管的最高耐壓◕·☁,並有2倍的耐壓安全係數₪↟•│。

4氣源預處理系統:

由瓶裝氧氣·│☁·、微塵過濾器·│☁·、吸附乾燥器組成◕·☁,產生露點≤一40C◕·☁,塵徑≤O.3um的乾燥與潔淨的氧氣◕·☁,輸入臭氧發生管₪↟•│。
5自動控制與保護系統:

用可程式設計控制器(PLC)對整機進行啟停過程與狀態監控₪↟•│。系統監測的執行狀態引數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·│☁·、冷卻水三路的流量·│☁·、臭氧發生管與升壓變壓器的工作溫度·│☁·、涉及高壓的機箱面板開合等₪↟•│。按其權重分類後◕·☁,由PLC處理確定運停狀態和保護動作₪↟•│。由PLC輸出數字訊號◕·☁,經數模轉換後調控FPM◕·☁,改變電暈功率實現臭氧產量調節₪↟•│。這裡的PLC只對發生器的外部工況變化監控和保護₪↟•│。逆變器的保護FPM以內建◕·☁,也可將模擬量直接輸入FPM即可改變和調節電暈功率◕·☁,電源預留CB/WT端子可以擴充套件應用(擴充套件後具備PLC功能)◕·☁,後者具有更高的經濟性₪↟•│。

6整機效能試驗結果與分析:

試驗結果是在負載連續執行1小時後得到的₪↟•│。實測負載電容為3200pF;總有效放電面積0.182m2;冷卻水進口溫度為20~23C;氣源露點一40~一45C;工作壓力0.098MPa;進氣溫度20~22C;出口溫度23~25攝氏度₪↟•│。(上述條件本文定位標準狀態)₪↟•│。電暈功率900W時臭氧產量120g/h,進氣2m3/h臭氧濃度60mg/L, 1000W電暈功率最高臭氧濃度120mg/L◕·☁,1000W時臭氧產量可達130g/h₪↟•│。

6.1電暈功率特性:

在氣流量穩定在2.0~2.02m3/h時◕·☁,臭氧消毒機的工作頻率3.5KHz,其它工況基本符合(標準狀態)下₪↟•│。當改變臭氧電源輸出功率時◕·☁,額定功率下調60%臭氧濃度變化近似線性變化₪↟•│。功率繼續下調時由於氣流量與功率密度嚴重失調◕·☁,臭氧濃度下降較大失去線性關係₪↟•│。

6.2流量特性:

    標準狀態◕·☁,臭氧濃度隨供氣流量增加而下降◕·☁,但變化平緩;臭氧產量隨供氣流量增加先上升後下降◕·☁,證明無止境加大進氣量並能無止境的提高臭氧產量₪↟•│。而是加大氣流量時存在一個最大產量點₪↟•│。由於工作電壓·│☁·、頻率·│☁·、工作氣壓均一定◕·☁,該點是電耗最低點₪↟•│。可見◕·☁,對於一定的工作頻率◕·☁,存在一個最佳作氣體流量◕·☁,其值可以透過實驗確定₪↟•│。最佳氣流量應綜合確定既要考慮臭氧的電耗也要考慮氣源的消耗◕·☁,是否增加了氣源製備成本和能耗₪↟•│。

7結論│·₪╃:

實驗證實採用97氧化鋁陶瓷管制作雙極冷卻臭氧管◕·☁,標準狀態下單管有效放電面積0.18m2,頻率3.5KHz,最大產量130g/h,最高臭氧濃度120mg/L◕·☁,電耗小於8W/go3₪↟•│。臭氧產率與載入的電暈功率成正比且有一定的線性關係₪↟•│。該研究在工業臭氧消毒機中具有較高的實用價值₪↟•│。

     

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