【污水處理工藝】臭氧發(fā)生器的設(shè)計(jì)
1、臭氧放電室的設(shè)計(jì)
臭氧產(chǎn)量和臭氧濃度是臭氧放電室設(shè)計(jì)的基本依據(jù) ，通常是放電體(管)單位臭氧產(chǎn)量來確定放電單元臭氧產(chǎn)量：
Gx=SxQ
Gx —放電單元臭氧產(chǎn)量
S —放電單元放電面積
Q —單位放電面積臭氧產(chǎn)量
放電單元數(shù)量
N=G/Gx
N— 放電單元數(shù)量
G —設(shè)計(jì)臭氧產(chǎn)量
Gx —放電單元臭氧產(chǎn)量
N 確定后 ，可根據(jù)需要將放電定設(shè)計(jì)成立式或臥式，放電室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮容積重量，冷卻水壓力，氣體壓力等諸多因素。
放電氣隙設(shè)計(jì)是根據(jù)使用介質(zhì) ，電源頻率和加工能力精度來確定。
注意 ：放電室設(shè)計(jì)是依據(jù)放電單元臭氧產(chǎn)量。放電單元產(chǎn)量必須經(jīng)嚴(yán)格條件的實(shí)驗(yàn)來確定，否則。設(shè)計(jì)產(chǎn)量會(huì)相差甚遠(yuǎn)。
2、電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
臭氧電源設(shè)計(jì)是根據(jù)臭氧產(chǎn)量和放電單元臭氧產(chǎn)量所耗功率來設(shè)計(jì)，電源頻率、電源電壓與使用介質(zhì) ，放電氣隙大小有關(guān)。可根據(jù)有條件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。
臭氧電源系統(tǒng)包括電源控制系統(tǒng)、整流、變頻器、升壓變壓器，它的作用就是向臭氧放電室提供必要條件—高壓交變電場，而臭氧產(chǎn)生效率與高壓電源成正向增長關(guān)系，因此臭氧電源系統(tǒng)在整個(gè)臭氧發(fā)生系統(tǒng)中具有重要的作用。臭氧電源系統(tǒng)依據(jù)高壓放電頻率可分為工頻臭氧電源系統(tǒng)、中頻臭氧電源系統(tǒng)、高頻臭氧電源系統(tǒng)三類，其中頻率為 60/50Hz 的電源稱為工頻電源，頻率超過 1000Hz 的電源稱為高頻電源，介于工頻與高頻之間的稱為中頻。
1）、工頻臭氧電源系統(tǒng)
工頻臭氧電源系統(tǒng)的工作原理：交流 380V 電壓經(jīng)高壓變壓器后，變壓器輸出交流 10000V 電壓供給臭氧合成系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)圖如下所示：
工頻臭氧電源系統(tǒng)需要漏感很大的高壓變壓器、效率低、耗電大、產(chǎn)生臭氧的產(chǎn)量與濃度低；一般采用玻璃管作放電介電體，用于生產(chǎn)中、大型臭氧發(fā)生器。
2）、中頻臭氧電源系統(tǒng)
上圖為中頻臭氧電源系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖，此電源是根據(jù)介質(zhì)和臭氧放電室而設(shè)計(jì)的與之相匹配的高壓電源，其中可控硅屬大功率器件，工作壓降低，過載特性好，輸出功率大，用于中頻大功率電源時(shí)的性能比較高，能很好地滿足臭氧發(fā)生器對(duì)電源的需要。
A．三相全控整流橋
用于控制調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)高壓輸出電壓與臭氧產(chǎn)量的平滑調(diào)節(jié)。該電路能避免臭氧放電室在起輝和工作放電時(shí)因負(fù)載變動(dòng)產(chǎn)生高電壓，從而保證了臭氧電源和臭氧放電室的可靠性。
B．可控硅全橋逆變
因可控硅是半開關(guān)器件，它必須在自身電流過零時(shí)才能關(guān)斷，而可控硅又在電源與負(fù)載之間作開關(guān)使用，可控硅一旦打開就失去了控制電流大小的作用。因此電流的大小和相位受前級(jí)和負(fù)載影響，為保證可控硅正常關(guān)斷，要求在可控硅自身電流過零時(shí)其兩端電壓為零或已變?yōu)樨?fù)值，這在臭氧放電室這一負(fù)載下很難實(shí)現(xiàn)，而且在起輝、正常工作、瞬時(shí)跳火或局部跳火時(shí)負(fù)載特性變化很大，這極大地影響了可控硅的正常關(guān)斷。為了保證可控硅的正常關(guān)斷，有受負(fù)載影響較小的關(guān)斷電路與之相匹配。
C．濾波電路
由電抗器、電容組成的濾波電路，用于提高功率因數(shù)，平滑輸出電流，穩(wěn)定逆變器的工作點(diǎn)，抑制逆變雜波，減小對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)的干擾。
D．吸收回路
由電容、電阻組成的緩沖電路，可以防止過壓，保護(hù)可控硅和其他元器件的正常工作。
E．高壓變壓器
高壓變壓器用于傳遞功率和使電子功率電路的輸出與放電室匹配，對(duì)其參數(shù)的要求與普通變壓器有所區(qū)別。由于放電室在整個(gè)工作過程中，負(fù)載不僅在數(shù)值上變化很大，其特性也隨著起輝或正常工作時(shí)的狀態(tài)不同而改變，從而要求變壓器有一定的漏感來平衡上述變化，以便保護(hù)電子元器件。同時(shí)，漏感又容易引起電路損耗和換相時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓，因此需要根據(jù)電子電路的情況選擇其大小。
中頻臭氧電源是國際上比較流行的一種臭氧專用電源，具有效率高、耗電小的特點(diǎn)。一般采用非玻璃或玻璃作放電介電體，用于生產(chǎn)中、大型臭氧發(fā)生器。
3）、高頻臭氧電源系統(tǒng)
高頻臭氧電源系統(tǒng)的工作原理：工業(yè)配電經(jīng)整流后，通過變頻工藝使電源頻率在 1000Hz 以上，變頻后再次通過整流使電源變?yōu)榻涣麟娫矗ù诉^程稱為逆變），最后經(jīng)高壓變壓器升壓供給臭氧合成系統(tǒng)，高頻臭氧電源系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖如下所示：
高頻臭氧電源系統(tǒng)具有效率高、耗電小、產(chǎn)生臭氧的產(chǎn)量與濃度高等特點(diǎn)，一般采用搪瓷或陶瓷片作放電介電體，用于生產(chǎn)小型臭氧發(fā)生器及家用消毒機(jī)。
3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
臭氧發(fā)生器按規(guī)格（產(chǎn)量）可分為小型機(jī)（100以下）、中型機(jī)（100—1000g/h）、大型機(jī)（1000 g/h以上）三種。臭氧發(fā)生器因其規(guī)格不同控制系統(tǒng)也有所不同。
1）、小型臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)
220V/50Hz 經(jīng)兩個(gè)二極管整流橋?qū)ゎl電源進(jìn)行整流，整流后其中一路用來驅(qū)動(dòng)集成電路 3525 ，另一路經(jīng)電解電容與電阻濾波后供給臭氧放電室的正極。集成電路 3525 的輸出作為升壓變壓器的輸入， 3525 的“ VREF ”管腳用來控制電位器以實(shí)現(xiàn)臭氧產(chǎn)量與濃度的平滑調(diào)節(jié)；變壓器的輸出經(jīng)一個(gè)大功率三極管 IRF840 后供給臭氧放電室的地極，放電室的地極又通過一個(gè)大功率三極管 IRF840 接地起保護(hù)作用。系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖如下所示：
2）、中型臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)
中型臭氧發(fā)生器的控制系統(tǒng)是一個(gè)“交流—直流—交流”的過程，它利用二極管整流，整流后經(jīng)過電流電壓的調(diào)整，再通過可控硅逆變，最后升壓供給臭氧放電室。系統(tǒng)主電路圖如下所示：
3）、大型臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)
大型臭氧發(fā)生器的控制系統(tǒng)與中型臭氧發(fā)生的控制系統(tǒng)相似，不同之處在于中型臭氧發(fā)生器利用二極管整流，而大型臭氧發(fā)生器利用可控硅整流，最后升壓供給臭氧放電室。系統(tǒng)主電路圖如下所示：
4、氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)發(fā)生器臭氧產(chǎn)量，使用濃度，運(yùn)行壓力和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行計(jì)算(略)氣源露點(diǎn)應(yīng)為一45℃以下。
氣源系統(tǒng)包括： 無油壓縮機(jī) 貯氣罐 過濾器 冷干機(jī) 過濾器 干燥機(jī) 過濾器 減壓閥等 如圖：
氣源設(shè)備選型應(yīng)注意如下幾方面問題
1）、根據(jù)根據(jù)臭氧產(chǎn)量和濃度要求換算出臭氧發(fā)生器的最大用氣量，注意氣源的標(biāo)準(zhǔn)方和工況方之間的換算。
2）、根據(jù)最大用氣量選擇氣源，并保證氣源有一定余量。
3）、如使用空氣源，選型空氣壓縮機(jī)，空壓機(jī)的排氣量應(yīng)包括后處理工藝中的耗氣量，并根據(jù)空壓機(jī)的工作狀況設(shè)計(jì)或配套空氣干燥機(jī)等空氣凈化處理裝置。
4）、如使用氧氣源，選擇使用氣態(tài)或液態(tài)氧，使用液態(tài)氧時(shí)還應(yīng)選型汽化減壓裝置。
5）、如使用富氧氣源，選型空氣壓縮機(jī)或風(fēng)機(jī)、空氣干燥凈化裝置及制氧機(jī)（真空解吸式的制氧機(jī)還應(yīng)選型真空泵），各設(shè)備選型時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照制氧機(jī)產(chǎn)氧量與耗氣量的比例關(guān)系，保證供氣量。
5、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
冷卻方式 理論上臭氧的生成熱為0。835kW•h/kgO3[1200g/（kW•h）]。假設(shè)用氧氣制造2%（質(zhì)量）臭氧比能是7 kW•h/kgO3，那么供給電暈電能的12%被用來生產(chǎn)臭氧，而88%最終從發(fā)生器內(nèi)以熱的形式排出被浪費(fèi)，對(duì)于使用空氣氣源15。5kW•h/kg的比能來說，電暈功率的95%必須以熱予以排出。因此，發(fā)生器的冷卻系統(tǒng)對(duì)于發(fā)生器的臭氧產(chǎn)量及其能否長期穩(wěn)定運(yùn)行是極其重要的因素。發(fā)生器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮好，基本上把供給電暈?zāi)芰咳孔鳛閺U熱來處理，這樣才能確保發(fā)生器的正常有效的運(yùn)行使用。否則，電暈作為一種內(nèi)熱的氣相反應(yīng)器而存在。由于空氣及其他類似氣體是不良熱導(dǎo)體，電暈內(nèi)的氣體能達(dá)到足以使臭氧的熱分解變得十分顯著的高溫，從而降低凈臭氧產(chǎn)量。為此，在臭氧發(fā)生器構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，必須把有利于電暈散熱作為設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)的先決條件。
由于散熱對(duì)臭氧產(chǎn)量的影響，基本上所有的發(fā)生器臭氧產(chǎn)量都對(duì)所有冷卻劑溫度的變化敏感。對(duì)于空氣冷卻的發(fā)生器來說，冷卻劑通常是周圍的空氣。水冷卻的裝置，多余的熱量最終消散到水中。隨著冷卻水溫的升高，相對(duì)臭氧產(chǎn)率明顯下降。因此，一般臭氧發(fā)生器所用的冷卻水溫均控制在15—25℃之間，液氧為氣源的臭氧設(shè)備冷卻水可達(dá)30℃。
除冷卻劑溫度外，冷卻劑的流量往往也是重要的。一般水冷式臭氧發(fā)生器，每生產(chǎn)1kg臭氧需要15—20℃的冷卻水2500—4000L。提高冷卻劑流量有助于補(bǔ)充因高功率密度（氣體溫度）引起的產(chǎn)量下降，以及由于介電體溫度升高使電介體損壞這兩方面的損失。
根據(jù)臭氧發(fā)生器的換熱量選擇冷卻方式，大型臭氧發(fā)生器使用水冷卻，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場所能提供的冷卻水條件，包括水量、水溫、水質(zhì)指標(biāo)等，設(shè)計(jì)水冷卻裝置。
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