大型臭氧发生器冷却性特性分析

2017-03-25 14:19 作者:admin 栏目: 大型臭氧 标签: 

20世纪90年代以来,臭氧发生器在食品贮藏、 保鲜及加工中的应用受到了##工业发达##的普遍重视,现已成为21世纪开发研究的热点,极具商业应用价值.工业上主要采用介

 
      20世纪90年代以来,臭氧发生器在食品贮藏、 保鲜及加工中的应用受到了##工业发达##的普遍重视,现已成为21世纪开发研究的热点,极具商业应用价值.工业上主要采用介质阻挡放电(DBD)[1-3]的方法来获得臭氧气体.介质阻挡放电产生的热量对臭氧发生器的性能有直接的影响,讨论了冷却条件对臭氧产量的影响,本文中作者以试验为依据,研究臭氧产量为1kg/h臭氧发生器的冷却特性,讨论工作气体、冷却水、冷却油等的进口温度对臭氧浓度和电耗(本文中臭氧浓度指臭氧的质量浓度,电耗指臭氧发生器的电耗)的影响,确定其运行参数。  
 
1kg/h高频臭氧发生器构成分析  
高频管式臭氧发生器按功能划分,主要由臭氧发生管及其双路冷却系统、逆变主电路及其驱动电路、 PLC全自动监控及其保护系统和空气预处理系统等部分组成[5-6]. 臭氧发生管是臭氧发生器的关键部件,其工作原理是利用介质阻挡放电产生臭氧气体.产量为1kg/h的臭氧发生器采用20根单管产量为50g/h的臭氧发生管并联运行,其外径和长度各为100mm和1350mm,平均有效放电面积约为0.1387m2;介电体采用性能优良的硼硅3.3玻璃,玻璃管直径50mm,长1000mm,壁厚1.8mm;采用双气隙放电结构,主要构件包括内电极管、 介电管和外电极管等.内外电极管分别作为接地极和高压电极,材质均为铝合金,玻璃管作为介电管置于内、外电极管间,形成内外2个放电间隙.作为放电电极的2根铝合金管表面均经阳极化处理,形成极薄的抗氧化层.臭氧发生器运行时采用IGBT高压逆变电路,工作电压的有效值为10~12kV,峰值为16~20kV,工作频率为1050Hz。   
臭氧发生器在放电过程中,气体电离和介电体介质的损耗使放电单元间隙内的热量剧增,气体工作温度上升,加剧了臭氧的分解反应[4],不但减少了臭氧产量而且降低了臭氧浓度增加了电耗.因此,为保证臭氧发生管高效稳定工作,提高臭氧产率,防止介电体热击穿,臭氧发生器通常采用水油双路对高压极和接地极进行冷却,冷却系统原理如图1所示.系统一般采用自来水对接地极进行水冷,冷却水采用开式循环,通过内部的铝合金管流动;高压极采用油冷,冷却油采用闭式循环,沿外电极的外表面流动.冷却水和冷却油通过热交换器换热,将臭氧发生管工作过程中产生的热量及时吸收,从而降低工作温度,提高臭氧产量。
 
2冷却特性的试验研究  
试验时,臭氧发生管的工作电压为11kV,工作频率为1050Hz,标准空气流量为50m3/h,冷却水流量为40L/min,工作气体露点温度≤-40~-45℃,工作气体##压力0.2MPa.在此情况下采集数据,对在不同工作气体温度、冷却水(油)进口温度下臭氧发生器的特性进行试验研究,分析冷却条件对臭氧浓度和电耗的影响,为设计大型高频臭氧发生器的冷却系统提供理论和实践依据。
 
2.1工作气体进口温度对臭氧浓度和电耗的影响  
空气是空气源型臭氧发生器的工作气体,经过压缩和干燥预处理后,空气的温度会略有上升.上升幅度 与空气压缩机的压缩比和功率储备有关,一般要求空气经预处理后的温升不高于3℃.不同季节,空气温度的变化不同,若进入臭氧发生管的空气温度上升,则会使放电气隙的工作温度上升,导致臭氧浓度下降,其结果使臭氧产量下降,电耗增加.  
图2(a)  是在冷却水温度为15℃,冷却油温度为23℃,空气流量一定的条件下,工作气体进口温度对臭氧浓度和电耗的影响.从图2(a)可以看出,随着工作气体进口温度上升,臭氧浓度明显下降,工作气体进口温度与臭氧浓度近似呈线性关系,空气每升高10℃,浓度约降低15%. 在冷却能力相同的试验条件下,工作气体进口温度对电耗的影响比较大,随着工作气体进口温度上升,电耗增大,工作气体进口温度每升高10℃,电耗就增大约10%.在不同的季节,高频臭氧发生器的电耗也明显不同.一般情况下,若要求臭氧浓度相同,则臭氧发生器在夏季所需的电能要比冬季高得多。
 
2.2冷却水进口温度对臭氧浓度和电耗的影响  
双路冷却系统能够有效控制臭氧发生管内工作气体的温升,降低臭氧分解率,提高臭氧产量.在臭氧发 生管中,冷却水是臭氧发生管的主要冷却介质,通常采用自来水.冷却水的进口温度(即冷却水初温)是关键参数. 图2工作气体、冷却水和冷却油的进口温度与臭氧浓度和电耗的关系  2 在工作气体进口温度为15℃,冷却水流量相同的情况下,冷却水进口温度与臭氧浓度之间的关系曲线如图2(b)所示  随着冷却水进口温度升高,臭氧产量随之降低,臭氧浓度也降低,冷却水进口温度与臭氧浓度近似呈线性关系.但当冷却水进口温度在12℃时,臭氧浓度达到#大,而冷却水进口温度在8℃时臭氧浓度反而比12℃时小,这可能是冷却水温度过低,会对臭氧浓度增加起到##作用,所以冷却水温度不宜过低.冷却水温度高于12℃后,冷却水温每升高10℃,臭氧浓度约降低10%. 由图2(b)可看出,冷却水进口温度在8~16℃时,电耗随冷却水进口温度升高而降低;在16℃以上时,随着冷却水进口温度升高,电耗上升幅度较大;在冷却水进口温度为16℃时,电耗是#低的,因此可以16℃作为#佳的冷却水进口温度.进一步试验表明,在高温环境中,冷却水进口温度的升高将导致电耗增大 。
 
在工作气体进口温度为15℃,冷却水流量相同的情况下,冷却水进口温度与臭氧浓度之间的关系曲线如图2(b)所示.随着冷却水进口温度升高,臭氧产量随之降低,臭氧浓度也降低,冷却水进口温度与臭氧浓度近似呈线性关系.但当冷却水进口温度在12℃时,臭氧浓度达到#大,而冷却水进口温度在8℃时臭氧浓度反而比12℃时小,这可能是冷却水温度过低,会对臭氧浓度增加起到##作用,所以冷却水温度不宜过低.冷却水温度高于12℃后,冷却水温每升高10℃,臭氧浓度约降低10%. 由图2(b)可看出,冷却水进口温度在8~16℃时,电耗随冷却水进口温度升高而降低;在16℃以上时,随着冷却水进口温度升高,电耗上升幅度较大;在冷却水进口温度为16℃时,电耗是#低的,因此可以16℃作为#佳的冷却水进口温度.进一步试验表明,在高温环境中,冷却水进口温度的升高将导致电耗增大。
 
2.3冷却油进口温度对臭氧浓度和电耗的影响  
在双路冷却系统中,冷却油与高压电极接触并在其上流动,通过电极管径向导热,对工作气体和臭氧发生管进行冷却.由于冷却油的传热系数对冷却效果的影响较大,因此采用导热性能较好的变压器油。 
在工作气体进口温度为15℃,冷却油流量相同的情况下,冷却油进口温度与臭氧浓度的关系曲线如图 2(c)所示,可以看出,冷却油温度在18~24℃时臭氧浓度随冷却油进口温度变化幅度不大;在24℃以上时, 随着冷却油进口温度升高,臭氧浓度下降幅度较大. 冷却油进口温度与电耗之间的变化曲线如图2(c)所示,从图中可以看出,冷却油进口温度与电耗间呈非线性关系,当冷却油进口温度在18~27℃间变化时,电耗变化幅度较小,当冷却油进口温度在27~36℃间变化时,电耗的变化幅度较大。

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