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青島美特斯凈化設(shè)備有限公司

大型臭氧發(fā)生器冷卻性特性分析

時(shí)間:2013-9-29閱讀:2187
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 20世紀(jì)90年代以來,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]的方法來獲得臭氧氣體.介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的熱量對臭氧發(fā)生器的性能有直接的影響,討論了冷卻條件對臭氧產(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)動電路、 PLC全自動監(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;介電體采用性能優(yōu)良的硼硅3.3玻璃,玻璃管直徑50mm,長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)一般采用自來水對接地極進(jìn)行水冷,冷卻水采用開式循環(huán),通過內(nèi)部的鋁合金管流動;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.冷卻水和冷卻油通過熱交換器換熱,將臭氧發(fā)生管工作過程中產(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)過壓縮和干燥預(yù)處理后,空氣的溫度會略有上升.上升幅度 與空氣壓縮機(jī)的壓縮比和功率儲備有關(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)口溫度對臭氧濃度和電耗的影響

2.2冷卻水進(jìn)口溫度對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低,會對臭氧濃度增加起到抑制作用,所以冷卻水溫度不宜過低.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低,會對臭氧濃度增加起到抑制作用,所以冷卻水溫度不宜過低.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,通過電極管徑向?qū)?,對工作氣體和臭氧發(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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