大型臭氧發(fā)生器冷卻性特性分析

 ２０世紀(jì)９０年代以來(lái)，臭氧發(fā)生器在食品貯藏、 保鮮及加工中的應(yīng)用受到了世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視，現(xiàn)已成為２１世紀(jì)開發(fā)研究的熱點(diǎn)，商業(yè)應(yīng)用價(jià)值．工業(yè)上主要采用介質(zhì)阻擋放電（ＤＢＤ）［１－３］的方法來(lái)獲得臭氧氣體．介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的熱量對(duì)臭氧發(fā)生器的性能有直接的影響，討論了冷卻條件對(duì)臭氧產(chǎn)量的影響，本文中作者以試驗(yàn)為依據(jù)，研究臭氧產(chǎn)量為１ｋｇ／ｈ臭氧發(fā)生器的冷卻特性，討論工作氣體、冷卻水、冷卻油等的進(jìn)口溫度對(duì)臭氧濃度和電耗（本文中臭氧濃度指臭氧的質(zhì)量濃度，電耗指臭氧發(fā)生器的電耗）的影響，確定其運(yùn)行參數(shù)

 １ｋｇ／ｈ高頻臭氧發(fā)生器構(gòu)成分析

高頻管式臭氧發(fā)生器按功能劃分，主要由臭氧發(fā)生管及其雙路冷卻系統(tǒng)、逆變主電路及其驅(qū)動(dòng)電路、 ＰＬＣ全自動(dòng)監(jiān)控及其保護(hù)系統(tǒng)和空氣預(yù)處理系統(tǒng)等部分組成［５－６］． 臭氧發(fā)生管是臭氧發(fā)生器的關(guān)鍵部件，其工作原理是利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧氣體．產(chǎn)量為１ｋｇ／ｈ的臭氧發(fā)生器采用２０根單管產(chǎn)量為５０ｇ／ｈ的臭氧發(fā)生管并聯(lián)運(yùn)行，其外徑和長(zhǎng)度各為１００ｍｍ和１３５０ｍｍ，平均有效放電面積約為０．１３８７ｍ２；介電體采用性能的硼硅３．３玻璃，玻璃管直徑５０ｍｍ，長(zhǎng)１０００ｍｍ，壁厚１．８ｍｍ；采用雙氣隙放電結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件包括內(nèi)電極管、 介電管和外電極管等．內(nèi)外電極管分別作為接地極和高壓電極，材質(zhì)均為鋁合金，玻璃管作為介電管置于內(nèi)、外電極管間，形成內(nèi)外２個(gè)放電間隙．作為放電電極的２根鋁合金管表面均經(jīng)陽(yáng)極化處理，形成極薄的抗氧化層．臭氧發(fā)生器運(yùn)行時(shí)采用ＩＧＢＴ高壓逆變電路，工作電壓的有效值為１０～１２ｋＶ，峰值為１６～２０ｋＶ，工作頻率為１０５０Ｈｚ

臭氧發(fā)生器在放電過(guò)程中，氣體電離和介電體介質(zhì)的損耗使放電單元間隙內(nèi)的熱量劇增，氣體工作溫度上升，加劇了臭氧的分解反應(yīng)［４］，不但減少了臭氧產(chǎn)量而且降低了臭氧濃度增加了電耗．因此，為保證臭氧發(fā)生管穩(wěn)定工作，提高臭氧產(chǎn)率，防止介電體熱擊穿，臭氧發(fā)生器通常采用水油雙路對(duì)高壓極和接地極進(jìn)行冷卻，冷卻系統(tǒng)原理如圖１所示．系統(tǒng)一般采用自來(lái)水對(duì)接地極進(jìn)行水冷，冷卻水采用開式循環(huán)，通過(guò)內(nèi)部的鋁合金管流動(dòng)；高壓極采用油冷，冷卻油采用閉式循環(huán)，沿外電極的外表面流動(dòng)．冷卻水和冷卻油通過(guò)熱交換器換熱，將臭氧發(fā)生管工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)吸收，從而降低工作溫度，提高臭氧產(chǎn)量

２冷卻特性的試驗(yàn)研究

 試驗(yàn)時(shí)，臭氧發(fā)生管的工作電壓為１１ｋＶ，工作頻率為１０５０Ｈｚ，標(biāo)準(zhǔn)空氣流量為５０ｍ３／ｈ，冷卻水流量為４０Ｌ／ｍｉｎ，工作氣體露點(diǎn)溫度≤－４０～－４５℃，工作氣體壓力０．２ＭＰａ．在此情況下采集數(shù)據(jù)，對(duì)在不同工作氣體溫度、冷卻水（油）進(jìn)口溫度下臭氧發(fā)生器的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析冷卻條件對(duì)臭氧濃度和電耗的影響，為設(shè)計(jì)大型高頻臭氧發(fā)生器的冷卻系統(tǒng)提供理論和實(shí)踐依據(jù)． ２．１工作氣體進(jìn)口溫度對(duì)臭氧濃度和電耗的影響

  空氣是空氣源型臭氧發(fā)生器的工作氣體，經(jīng)過(guò)壓縮和干燥預(yù)處理后，空氣的溫度會(huì)略有上升．上升幅度 與空氣壓縮機(jī)的壓縮比和功率儲(chǔ)備有關(guān)，一般要求空氣經(jīng)預(yù)處理后的溫升不高于３℃．不同季節(jié)，空氣溫度的變化不同，若進(jìn)入臭氧發(fā)生管的空氣溫度上升，則會(huì)使放電氣隙的工作溫度上升，導(dǎo)致臭氧濃度下降，其結(jié)果使臭氧產(chǎn)量下降，電耗增加．

圖２（ａ）

是在冷卻水溫度為１５℃，冷卻油溫度為２３℃，空氣流量一定的條件下，工作氣體進(jìn)口溫度對(duì)臭氧濃度和電耗的影響．從圖２（ａ）可以看出，隨著工作氣體進(jìn)口溫度上升，臭氧濃度明顯下降，工作氣體進(jìn)口溫度與臭氧濃度近似呈線性關(guān)系，空氣每升高１０℃，濃度約降低１５％． 在冷卻能力相同的試驗(yàn)條件下，工作氣體進(jìn)口溫度對(duì)電耗的影響比較大，隨著工作氣體進(jìn)口溫度上升，電耗增大，工作氣體進(jìn)口溫度每升高１０℃，電耗就增大約１０％．在不同的季節(jié)，高頻臭氧發(fā)生器的電耗也明顯不同．一般情況下，若要求臭氧濃度相同，則臭氧發(fā)生器在夏季所需的電能要比冬季高得多． ２．２冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)臭氧濃度和電耗的影響

２．２冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)臭氧濃度和電耗的影響

３．雙路冷卻系統(tǒng)能夠有效控制臭氧發(fā)生管內(nèi)工作氣體的溫升，降低臭氧分解率，提高臭氧產(chǎn)量．在臭氧發(fā) 生管中，冷卻水是臭氧發(fā)生管的主要冷卻介質(zhì)，通常采用自來(lái)水．冷卻水的進(jìn)口溫度（即冷卻水初溫）是關(guān)鍵參數(shù)． 圖２工作氣體、冷卻水和冷卻油的進(jìn)口溫度與臭氧濃度和電耗的關(guān)系

2 在工作氣體進(jìn)口溫度為１５℃，冷卻水流量相同的情況下，冷卻水進(jìn)口溫度與臭氧濃度之間的關(guān)系曲線如圖２（ｂ）所示

隨著冷卻水進(jìn)口溫度升高，臭氧產(chǎn)量隨之降低，臭氧濃度也降低，冷卻水進(jìn)口溫度與臭氧濃度近似呈線性關(guān)系．但當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度在１２℃時(shí)，臭氧濃度達(dá)到zui大，而冷卻水進(jìn)口溫度在８℃時(shí)臭氧濃度反而比１２℃時(shí)小，這可能是冷卻水溫度過(guò)低，會(huì)對(duì)臭氧濃度增加起到抑制作用，所以冷卻水溫度不宜過(guò)低．冷卻水溫度高于１２℃后，冷卻水溫每升高１０℃，臭氧濃度約降低１０％． 由圖２（ｂ）可看出，冷卻水進(jìn)口溫度在８～１６℃時(shí)，電耗隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而降低；在１６℃以上時(shí)，隨著冷卻水進(jìn)口溫度升高，電耗上升幅度較大；在冷卻水進(jìn)口溫度為１６℃時(shí)，電耗是zui低的，因此可以１６℃作為*的冷卻水進(jìn)口溫度．進(jìn)一步試驗(yàn)表明，在高溫環(huán)境中，冷卻水進(jìn)口溫度的升高將導(dǎo)致電耗增大

在工作氣體進(jìn)口溫度為１５℃，冷卻水流量相同的情況下，冷卻水進(jìn)口溫度與臭氧濃度之間的關(guān)系曲線如圖２（ｂ）所示．隨著冷卻水進(jìn)口溫度升高，臭氧產(chǎn)量隨之降低，臭氧濃度也降低，冷卻水進(jìn)口溫度與臭氧濃度近似呈線性關(guān)系．但當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度在１２℃時(shí)，臭氧濃度達(dá)到zui大，而冷卻水進(jìn)口溫度在８℃時(shí)臭氧濃度反而比１２℃時(shí)小，這可能是冷卻水溫度過(guò)低，會(huì)對(duì)臭氧濃度增加起到抑制作用，所以冷卻水溫度不宜過(guò)低．冷卻水溫度高于１２℃后，冷卻水溫每升高１０℃，臭氧濃度約降低１０％． 由圖２（ｂ）可看出，冷卻水進(jìn)口溫度在８～１６℃時(shí)，電耗隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而降低；在１６℃以上時(shí)，隨著冷卻水進(jìn)口溫度升高，電耗上升幅度較大；在冷卻水進(jìn)口溫度為１６℃時(shí)，電耗是zui低的，因此可以１６℃作為*的冷卻水進(jìn)口溫度．進(jìn)一步試驗(yàn)表明，在高溫環(huán)境中，冷卻水進(jìn)口溫度的升高將導(dǎo)致電耗增大．

２．３冷卻油進(jìn)口溫度對(duì)臭氧濃度和電耗的影響

 在雙路冷卻系統(tǒng)中，冷卻油與高壓電極接觸并在其上流動(dòng)，通過(guò)電極管徑向?qū)幔瑢?duì)工作氣體和臭氧發(fā) 生管進(jìn)行冷卻．由于冷卻油的傳熱系數(shù)對(duì)冷卻效果的影響較大，因此采用導(dǎo)熱性能較好的變壓器油． 在工作氣體進(jìn)口溫度為１５℃，冷卻油流量相同的情況下，冷卻油進(jìn)口溫度與臭氧濃度的關(guān)系曲線如圖 ２（ｃ）所示，可以看出，冷卻油溫度在１８～２４℃時(shí)臭氧濃度隨冷卻油進(jìn)口溫度變化幅度不大；在２４℃以上時(shí)， 隨著冷卻油進(jìn)口溫度升高，臭氧濃度下降幅度較大． 冷卻油進(jìn)口溫度與電耗之間的變化曲線如圖２（ｃ）所示，從圖中可以看出，冷卻油進(jìn)口溫度與電耗間呈非線性關(guān)系，當(dāng)冷卻油進(jìn)口溫度在１８～２７℃間變化時(shí)，電耗變化幅度較小，當(dāng)冷卻油進(jìn)口溫度在２７～３６℃間變化時(shí)，電耗的變化幅度較大

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