采用97氧化鋁陶瓷管內(nèi)水冷外風(fēng)冷冷卻臭氧管，與高頻電源組成產(chǎn)量可調(diào)型臭氧消毒機(jī)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)臭氧產(chǎn)率與加載的電暈功率成正比且有一定的線性關(guān)系。按其原理在應(yīng)用工藝中，實(shí)際臭氧消耗量與臭氧產(chǎn)量通過檢測(cè)反饋實(shí)現(xiàn)同步。具有較高的實(shí)用價(jià)值。

臭氧作為消毒劑，脫色劑，除味劑，氧化劑廣泛運(yùn)用于飲用水深度處理、污水處理、造紙漂白和化工氧化及大規(guī)?？臻g消毒等工藝中。工業(yè)型臭氧消毒機(jī)一般采用中高頻DBD電暈放電法產(chǎn)生臭氧，它具有產(chǎn)量大、濃度高、體積小和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。但多數(shù)臭氧消毒機(jī)的產(chǎn)量是無法調(diào)節(jié)的，本研究通過改變電暈功率實(shí)現(xiàn)臭氧產(chǎn)量調(diào)節(jié)。與其它檢測(cè)反饋拓展應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)(PID)臭氧輸出量與處理工藝實(shí)際需求量同步。

 1.設(shè)計(jì)參數(shù)與組成部分

1.1氣源為干燥氧氣，產(chǎn)量100g/h，臭氧濃度50-100mg/L,電耗8-9kW·h/(kgO3)，通過調(diào)節(jié)電暈功率（密度）改變臭氧產(chǎn)量。

1.2研制的臭氧消毒機(jī)主要由內(nèi)水冷外風(fēng)冷97氧化鋁制造的陶瓷管臭氧消毒機(jī)；  功率可調(diào)高頻高壓逆變電路；FPM監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)等組成（與電源一體）；以上是關(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)如上圖所示，內(nèi)外電極間用一層復(fù)合介電體隔開，當(dāng)兩電極間施加一定強(qiáng)度的交變高壓時(shí)，氣隙中產(chǎn)生生電暈放電，使流經(jīng)氣隙的氧氣電離成氧原子(O2)，氧原子再與其他氧分子結(jié)合產(chǎn)生臭氧(O3)。影響臭氧產(chǎn)生的因素很多，如氣源品質(zhì)、高壓電源特性、臭氧發(fā)生管結(jié)構(gòu)與冷卻條件等等。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：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。Pg為氣體絕對(duì)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(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，對(duì)提高電暈功率最有效。根據(jù)采用的介電體耐壓強(qiáng)度控制峰值電壓。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，從而提高電器性能。c．減小氣隙厚度控制氣體工作壓力，從而降低臭氧發(fā)生管的起暈電壓。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)。整理上述數(shù)據(jù)計(jì)算即可得出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

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)。這里采用97氧化鋁材料制造的介電管，介電常數(shù)4.5。電極精確加工后機(jī)械性能更為優(yōu)越，缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜對(duì)加工環(huán)境也有一定要求。

2.4結(jié)構(gòu)尺寸：臭氧發(fā)生管外形見下圖，與其外側(cè)緊密配合的是鋁合金散熱器。

 

 

 

                                                          

                                                                        

                                    

2.5風(fēng)水雙路冷卻系統(tǒng)：

高壓高頻臭氧消毒機(jī)工作時(shí)臭氧發(fā)生管內(nèi)部溫度上升會(huì)使臭氧產(chǎn)量下降，加速以生成臭氧的分解。因此必須采取有效的冷卻措施，用風(fēng)和水分別冷卻高壓極和接地電極。

3功率可調(diào)高頻逆變高壓電路：

3.1原理：

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IGBT對(duì)其進(jìn)行斬波，逆變?yōu)楦哳l全波交流電壓，再經(jīng)升壓變壓器獲得高頻交變高壓，加載在臭氧發(fā)生管上。調(diào)節(jié)電暈功率通過改變周期內(nèi)脈波數(shù)量實(shí)現(xiàn)。

3.2逆變電路保護(hù)：

該電路采用智能型FPM技術(shù)設(shè)計(jì)。FPM由高速低功耗的機(jī)芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路及快速保護(hù)電路構(gòu)成。FPM不僅把脈波調(diào)制和驅(qū)動(dòng)電路集成于一體，而且內(nèi)置軟啟動(dòng)、過載過流、功率調(diào)節(jié)、頻率設(shè)置等電路，并可診斷負(fù)載故障。一般不會(huì)毀壞IGBT和MOS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)，電路如果不采取措施，擊穿點(diǎn)弧光放電使該點(diǎn)溫度劇升，其溫度可以融化或打穿電極并使故障升級(jí)。此時(shí)升壓變壓器高壓側(cè)電壓將數(shù)十倍升高，對(duì)高壓包絕緣材料造成破壞性沖擊。這里的FPM電路具有診斷功能，在電極擊穿時(shí)會(huì)及時(shí)關(guān)閉臭氧電源。

                                           

3.3負(fù)載特性:

負(fù)載臭氧發(fā)生管為電容性，與升壓變壓器串聯(lián)后，調(diào)節(jié)電源驅(qū)動(dòng)頻率，使其在固有的頻率范圍內(nèi)工作。氣源壓力，冷卻溫度等因素會(huì)改變負(fù)載電容量，試驗(yàn)表明寬的通頻帶在容值變化時(shí)不影響正常工作。升壓變壓器采用鐵氧體磁芯，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2倍的耐壓安全系數(shù)。

4氣源預(yù)處理系統(tǒng):

由瓶裝氧氣、微塵過濾器、吸附干燥器組成，產(chǎn)生露點(diǎn)≤一40C，塵徑≤O.3um的干燥與潔凈的氧氣，輸入臭氧發(fā)生管。
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)、冷卻水三路的流量、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輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后調(diào)控FPM，改變電暈功率實(shí)現(xiàn)臭氧產(chǎn)量調(diào)節(jié)。這里的PLC只對(duì)發(fā)生器的外部工況變化監(jiān)控和保護(hù)。逆變器的保護(hù)FPM以內(nèi)置，也可將模擬量直接輸入FPM即可改變和調(diào)節(jié)電暈功率，電源預(yù)留CB/WT端子可以擴(kuò)展應(yīng)用（擴(kuò)展后具備PLC功能），后者具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

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)載連續(xù)運(yùn)行1小時(shí)后得到的。實(shí)測(cè)負(fù)載電容為3200pF；總有效放電面積0.182m2；冷卻水進(jìn)口溫度為20～23C；氣源露點(diǎn)一40～一45C；工作壓力0.098MPa；進(jìn)氣溫度20～22C；出口溫度23～25攝氏度。（上述條件本文定位標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。電暈功率900W時(shí)臭氧產(chǎn)量120g/h,進(jìn)氣2m3/h臭氧濃度60mg/L, 1000W電暈功率最高臭氧濃度120mg/L，1000W時(shí)臭氧產(chǎn)量可達(dá)130g/h。

6.1電暈功率特性:

在氣流量穩(wěn)定在2.0～2.02m3/h時(shí)，臭氧消毒機(jī)的工作頻率3.5KHz,其它工況基本符合(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))下。當(dāng)改變臭氧電源輸出功率時(shí)，額定功率下調(diào)60%臭氧濃度變化近似線性變化。功率繼續(xù)下調(diào)時(shí)由于氣流量與功率密度嚴(yán)重失調(diào)，臭氧濃度下降較大失去線性關(guān)系。

6.2流量特性:

    標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，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，證明無止境加大進(jìn)氣量并能無止境的提高臭氧產(chǎn)量。而是加大氣流量時(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，對(duì)于一定的工作頻率，存在一個(gè)最佳作氣體流量，其值可以通過實(shí)驗(yàn)確定。最佳氣流量應(yīng)綜合確定既要考慮臭氧的電耗也要考慮氣源的消耗，是否增加了氣源制備成本和能耗。

7結(jié)論：

實(shí)驗(yàn)證實(shí)采用97氧化鋁陶瓷管制作雙極冷卻臭氧管，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單管有效放電面積0.18m2,頻率3.5KHz,最大產(chǎn)量130g/h,最高臭氧濃度120mg/L，電耗小于8W/go3。臭氧產(chǎn)率與加載的電暈功率成正比且有一定的線性關(guān)系。該研究在工業(yè)臭氧消毒機(jī)中具有較高的實(shí)用價(jià)值。