产量可调臭氧消毒机的研究

采用97氧化铝陶瓷管内水冷外风冷冷却臭氧管，与高频电源组成产量可调型臭氧消毒机。实验证实臭氧产率与加载的电晕功率成正比且有一定的线性关系。按其原理在应用工艺中，实际臭氧消耗量与臭氧产量通过检测反馈实现同步。具有较高的实用价值。

臭氧作为消毒剂，脱色剂，除味剂，氧化剂广泛运用于饮用水深度处理、污水处理、造纸漂白和化工氧化及大规模空间消毒等工艺中。工业型臭氧消毒机一般采用中高频DBD电晕放电法产生臭氧，它具有产量大、浓度高、体积小和运行经济等特点。但多数臭氧消毒机的产量是无法调节的，本研究通过改变电晕功率实现臭氧产量调节。与其它检测反馈拓展应用可实现(PID)臭氧输出量与处理工艺实际需求量同步。

 1.设计参数与组成部分

1.1气源为干燥氧气，产量100g/h，臭氧浓度50-100mg/L,电耗8-9kW·h/(kgO3)，通过调节电晕功率（密度）改变臭氧产量。

1.2研制的臭氧消毒机主要由内水冷外风冷97氧化铝制造的陶瓷管臭氧消毒机；  功率可调高频高压逆变电路；FPM监控与保护系统等组成（与电源一体）；以上是关键部分，本文作重点介绍。

2臭氧发生管：

2.1臭氧发生管的结构与工作原理

臭氧发生管的结构如上图所示，内外电极间用一层复合介电体隔开，当两电极间施加一定强度的交变高压时，气隙中产生生电晕放电，使流经气隙的氧气电离成氧原子(O2)，氧原子再与其他氧分子结合产生臭氧(O3)。影响臭氧产生的因素很多，如气源品质、高压电源特性、臭氧发生管结构与冷却条件等等。就臭氧发生管本身而言，臭氧产率与加载的电晕功率成正比。

2.2电晕功率：

电晕功率是指当加在臭氧发生管上的工作电压大于起晕工作电压后，气隙电晕放电消耗的平均电功率。设臭氧发生管两电极间的交变高压近似为正弦波，则加在气隙上的电晕功率为：式中：P为电晕功率，w；U。为工作电压(峰值)，V；U s为气隙打火电压，V；C d为介电层电容值，F；C g为气隙电容值，F；f为工作电压频率，Hz。Pg为气体绝对压力，kPa；d s为气隙厚度，mm。工作电压的最

小值，称为起晕工作电压(Ucs)。只有当工作电压(峰值)大于起晕工作电压时，臭氧发生管才有电晕功率产生。提高电晕功率可从下述几方面考虑：a、提高工作电压(峰值)和频率，对提高电晕功率最有效。根据采用的介电体耐压强度控制峰值电压。b．选用介电常数和耐压强度都比较高的介电体，减小介电层厚度，从而提高电器性能。c．减小气隙厚度控制气体工作压力，从而降低臭氧发生管的起晕电压。ds应有一定的选择余地，不一定越小越好，这样有利于结构设计。整理上述数据计算即可得出相应的设计参数。

2.3介电体材料：

根据上述要求，理想的介电体应具有优良的介电性能和耐电压、耐腐蚀、耐老化等特点。这里采用97氧化铝材料制造的介电管，介电常数4.5。电极精确加工后机械性能更为优越，缺点是制造工艺复杂对加工环境也有一定要求。

2.4结构尺寸：臭氧发生管外形见下图，与其外侧紧密配合的是铝合金散热器。

 

 

 

                                                          

                                                                        

                                    

2.5风水双路冷却系统：

高压高频臭氧消毒机工作时臭氧发生管内部温度上升会使臭氧产量下降，加速以生成臭氧的分解。因此必须采取有效的冷却措施，用风和水分别冷却高压极和接地电极。

3功率可调高频逆变高压电路：

3.1原理：

工频交流电压经整流滤波后转换成直流电压，用两组4只IGBT对其进行斩波，逆变为高频全波交流电压，再经升压变压器获得高频交变高压，加载在臭氧发生管上。调节电晕功率通过改变周期内脉波数量实现。

3.2逆变电路保护：

该电路采用智能型FPM技术设计。FPM由高速低功耗的机芯和优化的门极驱动电路及快速保护电路构成。FPM不仅把脉波调制和驱动电路集成于一体，而且内置软启动、过载过流、功率调节、频率设置等电路，并可诊断负载故障。一般不会毁坏IGBT和MOS等功率元件。特别是臭氧发生管出现击穿跳火等故障时，电路如果不采取措施，击穿点弧光放电使该点温度剧升，其温度可以融化或打穿电极并使故障升级。此时升压变压器高压侧电压将数十倍升高，对高压包绝缘材料造成破坏性冲击。这里的FPM电路具有诊断功能，在电极击穿时会及时关闭臭氧电源。

                                           

3.3负载特性:

负载臭氧发生管为电容性，与升压变压器串联后，调节电源驱动频率，使其在固有的频率范围内工作。气源压力，冷却温度等因素会改变负载电容量，试验表明宽的通频带在容值变化时不影响正常工作。升压变压器采用铁氧体磁芯，设计制作升压变压器时应考虑尽量减小漏感，减小电容效应，同时根据负载情况调整匝数比，使最高工作频率时的工作峰值电压小于管的最高耐压，并有2倍的耐压安全系数。

4气源预处理系统:

由瓶装氧气、微尘过滤器、吸附干燥器组成，产生露点≤一40C，尘径≤O.3um的干燥与洁净的氧气，输入臭氧发生管。
5自动控制与保护系统:

用可编程控制器(PLC)对整机进行启停过程与状态监控。系统监测的运行状态参数主要包括逆变电路的直流电压和交变电流、供气压力与露点、冷却水三路的流量、臭氧发生管与升压变压器的工作温度、涉及高压的机箱面板开合等。按其权重分类后，由PLC处理确定运停状态和保护动作。由PLC输出数字信号，经数模转换后调控FPM，改变电晕功率实现臭氧产量调节。这里的PLC只对发生器的外部工况变化监控和保护。逆变器的保护FPM以内置，也可将模拟量直接输入FPM即可改变和调节电晕功率，电源预留CB/WT端子可以扩展应用（扩展后具备PLC功能），后者具有更高的经济性。

6整机性能试验结果与分析:

试验结果是在负载连续运行1小时后得到的。实测负载电容为3200pF；总有效放电面积0.182m2；冷却水进口温度为20～23C；气源露点一40～一45C；工作压力0.098MPa；进气温度20～22C；出口温度23～25摄氏度。（上述条件本文定位标准状态）。电晕功率900W时臭氧产量120g/h,进气2m3/h臭氧浓度60mg/L, 1000W电晕功率最高臭氧浓度120mg/L，1000W时臭氧产量可达130g/h。

6.1电晕功率特性:

在气流量稳定在2.0～2.02m3/h时，臭氧消毒机的工作频率3.5KHz,其它工况基本符合(标准状态)下。当改变臭氧电源输出功率时，额定功率下调60%臭氧浓度变化近似线性变化。功率继续下调时由于气流量与功率密度严重失调，臭氧浓度下降较大失去线性关系。

6.2流量特性:

    标准状态，臭氧浓度随供气流量增加而下降，但变化平缓；臭氧产量随供气流量增加先上升后下降，证明无止境加大进气量并能无止境的提高臭氧产量。而是加大气流量时存在一个最大产量点。由于工作电压、频率、工作气压均一定，该点是电耗最低点。可见，对于一定的工作频率，存在一个最佳作气体流量，其值可以通过实验确定。最佳气流量应综合确定既要考虑臭氧的电耗也要考虑气源的消耗，是否增加了气源制备成本和能耗。

7结论：

实验证实采用97氧化铝陶瓷管制作双极冷却臭氧管，标准状态下单管有效放电面积0.18m2,频率3.5KHz,最大产量130g/h,最高臭氧浓度120mg/L，电耗小于8W/go3。臭氧产率与加载的电晕功率成正比且有一定的线性关系。该研究在工业臭氧消毒机中具有较高的实用价值。