水下臭氧发生器结构及参数研究 - 2012年机械与电子工程国际会议审议，可在sciencedirect.com上获取

© 2012由Elsevier B.V.出版。由2012年可持续发展大会负责甄选和/或同行审议可在www.sciencedirect.com上在线获取IERI Procedia 3（2012）28 - 332012年机械与电子工程国际会议水下臭氧发生器结构及相关参数的研究王朝晖a*，高全杰a，夏志勇a，廖振芳ba武汉科技大学机械自动化学院，湖北省武汉市和平路947号，邮编430081。中国b重庆大学机械工程学院，重庆市沙正街174号，邮编400030。中国摘要为了更好地控制水体富营养化，利用电液动力脉冲技术研制了水下臭氧发生器。通过将一对电极中的一个设计为空心结构，分析了该装置的充放电电路和电室的结构。确定了最佳的放电电压、放电频率、电容量等相关电参数，以及电极参数和电室结构参数。结果表明，基于电液动力脉冲技术的水下臭氧发生器的臭氧生成和净化水过程均在水中完成。所建立的装置相关参数为提高臭氧发生器的水处理效率和适用性提供了依据。© 2012由Elsevier B. V.出版由信息工程研究所负责选择和同行评审根据CC BY-NC-ND许可证开放访问。关键词：水下臭氧发生器;电液动力脉冲;水体;结构;相关参数*通讯作者。联系电话：电话：027 -68862283传真： 027 -68862283电子邮箱：wzhuiboy@yahoo.com.cn。2212-6678 © 2012由Elsevier B. V.出版信息工程研究院负责评选和同行评议在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi：10.1016/j.ieri.2012.09.006王朝晖等/ IERI Procedia 3（2012）282909 RU 380911. 介绍富营养化是由于过量的营养物质（主要是氮、磷等）排入湖泊、水库或海湾等缓流自然水体。它会导致各种水生生物、植物的繁殖和畸形生长，从而带来一系列严重的后果。研究表明：利用电液动力脉冲技术脉冲放电时在电极间形成的等离子体，通过脉冲放电产生的高压、强红外、空化流、冲击波、自由基等综合作用，改变水的结构，形成臭氧。然后利用臭氧的消毒、杀菌、杀藻、抑菌、杀微生物、改变活性污泥等性能来治理湖泊水体的富营养化，在水处理方面具有能力强、应用广泛、能耗低、剩余臭氧无需处理等优点[1-3]。作者所做的研究通过最近的实验得到了进一步的完善。将一对电极中的一个制成中空，并通过中空电极喷射压缩空气，然后通过高压放电直接在水下形成臭氧。本文对臭氧发生器的内部结构和部分参数进行了研究，为治理湖泊水体富营养化提供了更有效的措施。2. 水下臭氧发生器的结构水下臭氧发生器采用电液动力脉冲技术，可实现对水体的完美净化。电液动力脉冲技术的工作原理如图1所示，当开关3闭合时，电容器5将被充电。当电容器的电压达到一定值时，电容器中储存的能量迅速释放到两电极间的放电间隙中，在放电间隙中形成等离子体通道，其能量约为103 ~ 106 J。两电极间的温度约为2 0 0 0 0 ~ 30 0 0 0 K，能量密度增加到109 J/m3，产生的冲击波以每秒几十米到几百米的速度向外迅速膨胀，压缩处理水，产生高达10-103 MPa的脉冲压力。当等离子体通道中的压力低于外部时，膨胀将停止。但在惯性的作用下，膨胀后的流体会突然闭合形成空化流，使流体运动发生逆转，从而使腔内压力急剧升高，使等离子体再次膨胀。上述过程会重复多次，然后逐渐衰减。37781. 高压Transformer 2.高压硅堆3.隔离开关4.限流电阻5.电容器6.空气开关7、8.电极图1.水下臭氧发生器水下臭氧发生器的设计者将一对电极中的一个作为喷嘴，压缩空气通过喷嘴喷出，另一个连接到地面。臭氧可以直接在废水中产生。由于它没有管道输送臭氧、臭氧喷射和反应等步骤，30王朝晖等/ IERI Procedia 3（2012）28000而臭氧直接与废水反应。因此，它比目前国内外常规的臭氧发生器更有效地处理废水。水下臭氧发生器如图2所示。电极不可拆卸地安装在水中，根据待处理水量和污染程度，可以安装几对、几十对、甚至几百对电极以满足处理效果的要求，空心喷嘴电极为正。压缩空气或氧气通过喷嘴喷射到电极之间的间隙中。43沃特国际21空气水从1. 中空喷嘴电极2.绝缘套管3.平板电极4.反应堆腔图2.水下臭氧发生器的结构充电电路的作用是将电网中的交流电通过整流器，然后存入电容C。电容器C的电压uc将继续上升，并最终达到电源电压E。相应电容的电流Ic=（E-uc）/R将从最大E/R逐渐减小到零。此时在两个板之间建立电场，并且电能W为：W型CU2/2（一）当你的能力或价值被完全摧毁时，你会发现。 它是直流电路的总电感，包括电容器本身的电感、传输线的电感、隔离间隙的电感和负载的电感。为了提高电容器组的储能能力，需要增大电容器的电容量为了获得较大的电流冲击和电流上升的陡度，放电回路的总电感应尽可能小理论分析放电时电流i的影响为：iUsint/LUsint（C/L）1/2（二）3. 水下臭氧发生器相关参数的确定3.1 电液动力脉冲电参数的确定实验表明，电液脉冲对水的净化效果与其作用的n数呈指数关系，可以表示为：dN/dN（三）其中，N是液体中微生物的浓度。b为表示每次放电后净水效果系数的系数，用于评价电液脉冲对水的杀菌消毒效果。bf（W，U，C，L，V）（4）王朝晖等/ IERI Procedia 3（2012）2831其中：W是一次放电产生的能量，U是放电电压，L是电极之间的距离，V是反应室的体积，C是电容器的电容。在处理不同水体时，存在一个最优参数组合。(1) 放电电压对于电场，A表示在Wg =4.5-Wn = 12 eV范围内的电子的几率。如果电场改变，那么A也会相应地改变。显然，如果A的值增加，则臭氧产生量将增加。A可以表示为：WG（W）dWWn（五）用本文[4]提出的公式计算了多个氧分子能谱中出现的电子几率分布函数曲线。电子的能量分布曲线为：中文（简体）Pexp（平均PW PgWg）（六）年E/p年E/p其中，在等式（6）中， PPy<Pg，P是弹性过程碰撞并伴随着电子碰撞能量损失的氧分子离解，λ0是自由电子的波长，P是气体压强。氧气在常压条件下和在不同的电场和电压下，计算结果如公式（5）和（6）所示：当电场强度在12-15 kV/cm范围内时，A有最大值。结果表明，在臭氧发生过程中，氧分子的离解最大，臭氧的生成量最大。当电场强度大于25 kV/cm时，需要解离的电子能量的概率降低，这意味着不利于臭氧的产生。根据大量的杀菌实验，电液脉冲处理废水杀菌消毒的电压一般不超过40 kV，这与处理染料废水（V> 60 kV）不同。(2) 电 容 器 的 电 容 电 容 计 算 如下：C/U2（7）其中，C为电容器的电容（µF），U为电容器的电压（kV），W为电容器的总能量（J）。根据许多实验的结果[5]，通过电液压脉冲进行水杀菌消毒处理的电容器的容量通常在1-2 F内。(3) 放电脉冲频率实验结果表明，当电压频率从50 Hz增加到2500 Hz时，对臭氧产生量有显著影响。1/2T（八）振荡频率与电容的充电电压无关，只取决于环路的结构参数。当频率高于500-1000 Hz时，放电产生的臭氧量减少，而在50-500 Hz范围内，臭氧量可增加8-12倍，当频率从500 Hz增加到2000Hz时，臭氧量只能提高20- 40%。 此外，每个放电电流脉冲的持续时间比前一个脉冲的持续时间缩短2-2.5倍。当脉冲宽度为2mm时，当频率从50Hz增加到3000 Hz时，脉冲宽度从0.7-0.8μ s减少到脉冲电流幅值的大小对臭氧生成的强度有一定的影响.通过改变电流脉冲的幅值，使其控制在一定范围内，满足了产生臭氧时电子必须停留1-10µs的要求。它还可以防止过热和已形成的臭氧有效分解。LC32王朝晖等/ IERI Procedia 3（2012）284aPmax/Ev13.2 电液脉冲电室参数(1) 两个电极影响最佳间隙的因素很多，通过实验分析表明：最佳间隙随电容器容量的增大而增大，最佳间隙值也随电极尖端绝缘面积的增大而增大。根据大量的实验和对实验数据的分析结果，推荐两个电极之间的距离尺寸L由以下公式确定[6]：（0.07 0.085）UU是电极的放电电压。(2) 放电电极参数（九）a. 电极直径：值得注意的问题是，在高压脉冲放电等离子体技术的实际应用中，电极是易耗件，如果能提高电极的使用寿命，那么等离子体装置的效率也就提高了。电极直径Dmin的最小限值为：D最小值（10）其中，a是声音在材料中的传播速度，Pmax是等离子体通道中产生的最大压力。PMax 0.17（/Ll）1/2（十一）pw是液体的电导率，U0是充电电压，L是放电电路的电感，l是放电电极之间的距离，E是杨氏模量，vK是电极的极限位移速度。b. 电极材料：电液脉冲装置工作时会产生高温高压，电极会熔化溶解在水中。它应该根据要处理的水的特性最大限度地减少电极材料的损失。采用间接法（通过测定电极在水中的金属离子数）测定电极的腐蚀性。电液脉冲杀菌消毒时，水中溶解的金属离子数量必须受到一定的限制，否则会影响水处理的效果。限量为：铜≤ 1.0 mg/L，铁≤ 0.5 mg/L。(3) 反应室参数a. 反应室容积通过对实验数据的整理和分析，给出了如下公式：b铜铜0.1l0.046Ue铜0.6l（十二）式中，b1为反应室单位体积杀菌效果参数。实验表明，空腔体积越小，水处理效果越好。但在实际工作过程中，过小的腔体体积既不经济也不实用，因此最好根据实际需要的有效范围来确定，并采用电液脉冲操作。b. 反应室为了更有效地利用电液脉冲效应，提高冲击波参数，如波前压力、波前速度和冲击波能量利用系数，提出了半椭球形反应室，实现冲击波的聚集。王朝晖等/ IERI Procedia 3（2012）28334. 结论(1) 基于臭氧电液动力技术，臭氧的产生和反应完全在水中进行。该装置水处理能力强，臭氧生成速率稳定，剩余臭氧无需处理。通过调节放电电压、脉冲电流的频率和幅值，可以满足用户对不同臭氧量的需求。(2) 臭氧发生器在特定的工作条件下，有一个最佳的臭氧发生参数。从电容器的电容量、电极间距、直径以及反应室的材料、体积和结构形状等方面确定了电液脉冲的相关参数，对提高净水效果具有参考意义。(3) 电液动力脉冲法净化水体是一种非常有效的方法，其净化效果与处理水体的体积成正比，电液动力脉冲产生的能量与放电循环成正比。根据具体情况改变液压脉冲的工作参数，可以大大扩展确认本项目得到了国家博士后科学基金（No.2011M501250）、湖北省优秀中青年骨干教师计划（No.Q20111108）、武汉市学科带头人计划（No.201051730557）、武汉科技大学绿色制造与节能减排技术研究中心开放基金（No.B1005）的资助。引用[1]廖志芳，王志华，陈德志.电液动力脉冲技术控制水体藻类的研究。环境工程学报，2008; 2：450-454.[2]Ao L，Lu JJ.电液脉冲放电/铁内电解法处理TNT废水的研究环境工程学报，2009; 3：1981-1984.[3]你好，谢谢。你知道我的意思吗？1986年的《我的母亲》[4]埃利亚松湾脉冲氧放电产生臭氧的优化。第四届等离子体化学互联网研讨会。苏黎世，1979年。[5]廖振芳，张世杰。电液脉冲技术产生的水气混合射流强化金属材料表面质量科学技术材料，2002;18[6]张永祥，王宏.一种电液脉冲污水处理装置。环境科学与技术，2005; 28