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臭氧发生器的气体放电技术

                           

关键词:介电体屏障放电,容积放电,表面放电,臭氧发生,品质因素 



    大量的臭氧是在容积放电( VD )或表面放电( SD )装置中以介电体屏障放电的方式来产生的。参数响应臭氧发生的品质因素,这里讨论的是能效比、产量及浓度。除了放电参数的影响之外,产出与破坏臭氧的化学反应的边界条件也是很重要的,特别是处理气体的温度。一些有特色的表面放电发生器也要讨论。


    臭氧发生的品质因素是:能效比 [kgo3/kw.h] ,产量(总产量) [kgo3/h kgo3/h/m3] 以及浓度 [go3/Nm3] 。他们是相互关联的。 

    合成大量臭氧最有效 的途径是利用放电。放电处理含氧气体如空气或纯氧产生自由氧原子,它们与氧分子结合成臭氧( M 是任意可能的碰撞伙伴): 

O+O2+M → O3+M 1 )式 

    为了高效地生产,基本的要求是处理气体应为低温。高温有助于破坏进程: 

O3+M → O+O2+M 2 )式 

    象在空气中这样较低的氮氧化物浓度也会催化反应链中破坏臭氧,以至于甚至可能出现臭氧发生器的“中毒效应”。


    随着启辉过程而被连接的对面电极的电荷载流子被收集到介电体表面,它减少气隙中的场强直至达到熄辉电压。在介电体上积累的电荷载流子限制电流并使放电猝灭。这种放电便成为无热能的。在其峰值范围内升高所施加的电压,直到再次达到气隙中的击穿电压,另外的微放电便在 VD 装置中出现。在 SD 装置中则出现放电延伸区逐步增大现象。峰值电压过后另外的放电活动发生于所施加电压极性反转之时。

    VD
由气隙内的放电柱与介电体上的表面放电组合而成。 SD 则仅有在介电体上的放电现象,其表面的结构依据性质而定。 

    两种放电类型的攒态工况是相似的。其电流上升持续几个纳秒,而其总电流脉冲以在常压的空气中为例是几十纳秒。在这个短促的时间周期内,场强在空间及时间方面都显著地改变。在 VD 装置中被微波放电所转移的电荷 q 几乎是相等的 [1] ,它取决于气隙间距 d ,特定的介电常数 ε 及 该介电体的厚度 Δ ,亦即 q 是线形地正比于气隙宽度与介电体比容量的函数之积: q=d·f(ε/Δ) (3) 

             


    中作出了描述的有许多微放电的存在而得出的介电体屏障放电的平均功率消耗 p: 

p=4·f·CΔ·Ub·{Up-Ub·(CΔ+Cd)/CΔ} 4)式

    
式中f是频率,CΔ、Cd分别是介电体及气隙的电容量,Ub是放电时气隙处的平均电压,而Up是外加电压的幅值。

微放电中臭氧的形成



    
    微放电内部的场强取决于电导率。在高电导率处必须有低的场强以支持放
    
细微的微放电是有利的。有两个理由:一是均值场强较接近最佳值,再就是放电柱内部的温度即能量密度低。

 为了修整微放电以达到最佳臭氧能效比,必须使其细微。这可有小的转移电荷量来获得,亦即选择适当的气隙间距d,介电体层的介电常数ε及厚度Δ并考虑到一定的气压(见3式)。

    
此外,微放电的强度受处理气体的湿度及气压的影响。随着湿度加大每单位面积的微放电数减少,同时其强度(转移电荷量)相应增大。这是从表面电导率增加会导致介电体上每个微放电的放电区域较大而得出的。那就是为何不得不避免潮气的缘故,随着气压的增加在放电通道中被强制电离的微粒也增加。这是增大的能量密度与温度的结合,从另一方面来说,因气压增高而促进臭氧在三体反应中合成[见(1)式]

臭氧在发生器中的形成

    
臭氧发生器主要是热交换器。发生过程的效率在以氧为气源的最佳条件下也仅仅不超过20%。有效的冷却系统在任何情况下都是关键。



    为了改进臭氧发生的性能,微放电中的场强应尽可能接近试验找出的最佳值。当主要大电荷转移期间的场强分布可被修整到某一范围。然而,还必须考虑到化学反应既产生又破坏臭氧,就此而论温度应尽可能低,也就是说发生器的冷却条件是关键。

    SD
的物理环境不同于VDSD朝着降低场强的方向发展。在SD中与在VD中相比其场强分不导致通常其平均场强远非最佳值。把VDSD臭氧发生器比较,很可能证实SD装置不会超过经良好优化的VD发生器的性能。

    
观察到空气源SD发生器的臭氧产量低或许是低价氮氧化物的浓度增高而导致的。



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