（电工理论与新技术专业论文）低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计.pdf

低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 s t u d y o n o p t i m u m o fl o w - o z o n e n e g a t i v e i o ng e n e r a t o r & i t s p o w e r s u p p l yd e s i g n a b s t r a e t t h i sp a p e rs t u d i e so n o p t i m u mo f t h ee l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e ra n dt h ee l e c t r i c p a r a m e t e ro fn e g a t i v ei o ng e n e r a t o r a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra l s od e s i g n sa n da n a l y z e s h i g h - v o l t a g ed cp o w e rs u p p l yf o rn e g a t i v ei o ng e n e r a t o r t w om a j o r p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o f n e g a t i v e i o n g e n e r a t o r a r e n e g a t i v e i o n c o n c e n t r a t i o na n do z o n ec o n c e n t r a t i o n t h e n e g a t i v e i o nc a l lp u r i f ya i r , , s oi t sh e l p f u lt oh e a l t h y h o w e v e r ，o z o n eh a ss t r o n go x i d a t i o n ，s oi tw i l lb eh u r t f u lt op e o p l ei ft h ec o n c e n t r a t i o ni st o o h i g h t h i sp a p e rc o m b i n e sw i t hr e s e a r c hi ne x i s t e n c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fl a b o r a t o r y ，a n d g e n e r a t e sh i g hc o n c e n t r a t i o nn e g a t i v ei o nw i t l ln e g a t i v eh i g h - v o l t a g ec o r o n ad i s c h a r g e i t r e d u c e sg e n e r a t i o no f o z o n e u s i n gc o r o n ad i s c h a r g ee l e c t r o d eh e a t i n gt e c h n i q u eb e c a u s e c o r o n a d i s c h a r g ec a l lg e n e r a t eo z o n e ，t h e no z o n ec o n c e n t r a t i o nc a l lr e a c hd e m a n do fe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ( 5 6 p p b ) b a s e d o nt h er e l a t e dt h e o r y o f g e n e r a t o r c o r o n a d i s c h a r g ea n d a i r p u r i f i e d ， t h ep a p e rs t u d i e st h ee f f e c to ft h ee l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ra n dt h ee l e c t r i cp a r a m e t e r o ni t sp e r f o r m a n c e ，t h ep a r a m e t e ri n c l u d e sc o r o n ad i s c h a r g ev o l t a g e ，c o r o n aw i r eh e a t i n g v o l t a g e ，d i s c h a r g ee l e c t r o d eg a p ，g r o u n d e de l e c t r o d em e s h ，l e n g t ho fc o r o n aw i r ee ta l ，t h e r e s e a r c hi s v e r yh e l p f u lt o r a d o n a l d e s i g no fn e g a t i v e i o n g e n e r a t o r , a n dc o n f i r m s t h e c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ra n d t h ee l e c t r i cp a r a m e t e ro f n e g a t i v ei o ng e n e r a t o rr e l i e so nr e s e a r c h r e s u l t t h ep a p e ra d o p t sh i g ht i e q u e n c ys w i t c h i n gh i g hv o l t a g ed cp o w e rs u p p l yt e c h n i q u e c o m b i n e dw i t h d e v e l o p m e n to f m o d e m e l e c t r i ca n de l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya c c o r d i n ga sp o w e r s u p p l yd e m a n do fn e g a t i v e i o ng e n e r a t o ra n dp r a c t i c a b i l i t yo fe q u i p m e n t d u et o l e a k i n g i n d u c t a n c eo fh i 幽f r e q u e n c ya n dh i g h v o l t a g et r a n s f o r m e ri s h i 曲，s oh i g h - v o l t a g ep o w e r s u p p l ya d o p t ss o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y ，t h e n t h ew a s t eo f s w i t c h i n gi sr e d u c e de f f e c t i v e l y ，t h e b u l ko fe q u i p m e n ti sr e d u c e db e c a u s eo fi n c r e a s eo ff r e q u e n c y t h ep a p e re m p h a s i z e so n a n a l y s i sa n dd e s i g no f t h ew h o l ep o w e rs u p p l yc i r c u i t ，s u c ha sc h a r a c t e r i s t i co f h i g h - v o l t a g e p o w e rs u p p l y ，a n a l y s i sa n dd e s i g no f t h e m a i nc i r c u i tf r a m e ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n dd e s i g n o f t h et r a n s f o r m e r , d e s i g no f t h e c o n t r o l l i n gc i r c u i t , e t a 1 k e yw o r d s ：o z o n e ；n e g a t i v ei o ng e n e r a t o r ；c o r o n aw i r eh e a t i n g ；h i g hv o l t a g ed cp o w e r s u p p l y ；s o f ts w i t c h i j 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人己经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期：兰竺：! ：竺 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的理论意义和应用价值 一 1 1 1 室内空气的污染情况及其对人体健康的影响 随着我国工业化的发展，人口不断增加，空气污染日益加重；同时，随着日用家电 增多，室内绿化不足，对人体健康有益的负离子含量也越来越少。因此，能否有效、彻底 地解决室内空气质量问题己逐渐被人们所关注 1 。 人们的大部分时间里都生活、工作在室内中，因此室内空气的好坏直接影响到人们 的身体健康。而通过很多的相关研究表明，室内的空气中含有大量的污染物，其来源基 本上是化学性污染物。主要有：甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨气、二氧化硫、二氧化 氮、一氧化碳、二氧化碳、总挥发性有机物t v o c 、可吸入颗粒物、臭氧等 2 。 这些污染物主要是由人们在室内的日常活动中所使用的物质中挥发出来的。例如： 燃烧烟草的烟雾、溶剂、油漆、染色剂、图文传真机、电脑终端机和打印机、粘含 剂、墙纸、地毯、合成纤维、清洁剂和室内吸烟等。举个例子，一般新装修的房子其 甲醛的含量可超标6 倍以上，个别则有可能超标达4 0 倍以上。 在我国很多地区，建造住宅楼、写字楼、宾馆、饭店等的建筑旃工中添加的外加 剂，含有大量氨类物质，随着湿度、温度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢 释放出来 3 ，造成室内空气中氨浓度的大量增加。 我国农村多数农民以烧煤饼、煤球及蜂窝煤为主，由于炉灶结构的不合理，煤不能 完全燃烧，排放出大量的污染物，其中以二氧化硫为主 4 。 可吸入颗粒物( p a r t i c u l a rm a t t e rl e s st h a ni 0 um ，p m i o ) ：指悬浮在空气中， 空气动力学当量直径1 0 微米的颗粒物。空气中的颗粒物来源广泛，扬尘、细菌、毛 发、头屑、壁虱、尘埃、烟雾及空气中的有害物质与可吸入颗粒物结合，构成危害极大 的过敏源 4 。 这些污染物对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、内脏功能异常、 免疫功能异常、血液细胞损坏等方面 4 。比如当室内空气中甲醛含量为0 i m g m 3 时就 有异味和不适感：0 5 m g m 3 时可刺激眼睛引起流泪：0 6 m g m 3 时引起咽喉不适或疼 痛；浓度再高可引起恶一l i , 、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿。长期低浓度接触甲醛 气体，可出现头痛、头晕、乏力、两侧不对称感觉障碍和排汗过剩以及视力障碍，且能 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 抑制汗腺分泌，导致皮肤干燥皲裂；浓度较高时，对粘膜、上呼吸道、跟睛和皮肤具有 强烈刺激性，对神经系统、免疫系统、肝脏等产生毒害。 臭氧的强氧化性对人体健康有危害作用。般认为臭氧吸入体内后，能迅速转化为 活性很强的自由基一超氧基( 0 2 一) ，主要使不饱和脂肪酸氧化，从而造成细胞损伤。由于 臭氧能引起上呼吸道炎症、损伤终末细支气管上皮纤毛，从而削弱了上呼吸道的防御功 能，因此长期接触一定浓度的臭氧还易于继发上呼吸道感染 5 。臭氧浓度在2 p p m 时， 短时间接触即可出现呼吸道刺激症状、咳嗽、头疼。 可吸入颗粒物对人类健康和生态环境有很大影响。对其中直径小于2 5 微米的细微 颗粒物的研究表明，它们将会增加人类重病及慢性病患者的死亡率、促使呼吸系统及心 脏系统疾病恶化、改变肺功能及结构、改变免疫结构等。 因此，解决室内空气污染问题对人体的健康改善、人们的生活水准的提高有着极其 迫切和重要的意义。 1 1 2 本课题的理论意义和应用价值 空气中负氧离子的含量是空气质量好坏的关键。负离子不仅可高效杀灭家居空气中 因长期密闭而日趋增多的烟雾、灰尘、细菌，更可中和空气中的正离子，活化空气，改 善肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促进新陈代谢，增强人体抗病能力，是家居生活 不可缺少的健康卫士 6 ，7 。 早在6 0 年代，市场上销售的负离子发生器主要是作为保健设备，理论上讲负离子 对人类健康会产生良好的影响。 j o k l 8 描述了人体对负离子浓度的反应，其中包括：血液中的p h 值向碱性漂 移；血压降低；耗氧量降低；咽喉中纤毛运动和粘膜活性增加；5 一羟基吲哚乙酸对5 一 羟色氨的分解。j o k l 在1 9 7 6 年的工作表明负离子可降低脑中枢5 一羟色氨，从而使受负 离子辐照的人们有镇静的感觉。高浓度负离子可提高人体对病菌的抵抗能力，原因是负 离子可杀死细菌。j o k l 进一步解释5 一羟色氨会影响失眠病人和心情忧郁者，高含量5 一 羟色氨会加强血液的分泌作用、代谢功能和神经系统与循环系统的相互作用，因而降低 5 一羟色氨会对人体起镇静作用，有利于失眠者。 o s b o r n 9 指出空气中含有高浓度正离子，会是人们有疲劳的感觉，而此种环境常 出现在人群拥挤通风差的室内。空气中含有高浓度的负离子，会使人们有心情愉快的感 觉，此环境出现在海滨、森林、乡村。在室内使用负离子发生器会产生高浓度的负离 子，会中和正离子，除可以净化空气外，还会创造海滨一样的生活条件。 大连理工大学硕士学位论文 负电晕放电式室内负离子发生器是改善室内空气质量较理想的设备 i 0 ，但由于在 负电晕放电过程中除产生负离子外同时产生了对人体有害的臭氧，从而影响了室内负离 子发生器的推广使用。本课题用电晕线加热 i i ，1 2 的方法可抑制负电晕放电过程中臭 氧产生和降低负离子发生器的臭氧浓度，可设计出臭氧浓度低于环保要求高负离子浓度 和高净化效率的负离子发生器 1 3 ，1 4 。 另外，随着现代电力电子技术的快速发展，使高压电源高频化已成趋势，进而使得 高压电晕放电设备的小型化、轻型化、智能化及价格适中成为可能。本课题另一部分任 务就是将高频高压开关电源技术应用到上述的发生器上。 在电力电子技术中，大、中功率高压电源领域一直是工频高压占主导地位。传统的 大、中功率高压电源使用工频变压器升压 1 5 ，1 6 ，电路简单，但频率低，体积、重量大， 且纹波、稳定性不能令人满意。国内小功率高频低压开关电源技术业已成熟，而大、中 功率高频高压开关电源技术还处于摸索阶段。采用p _ | v m 技术的高频逆变电源，主电路开 关器件的损耗随着频率增大成比例增加，限制了频率提高 17 。为提高开关频率，降低开 关损耗，减小电源体积；同时更重要的是，为了克服高压变压器高漏感带来的不利的影 响，本课题恰恰利用漏感大的特点，将高频软开关技术引入高压电源，有效地降低伴随 着高频化带来的开关损耗，减少了e m i ( 电磁干扰) 问题，同时也进一步减小装置体 积。 总的来说，本课题的理论意义在于： 1 ) 对负离子发生器中的电晕线加热技术开展深入的实验研究； 2 ) 同时对高频高压电源中的软开关技术进行进一步的分析和试验； 3 ) 将高频高压技术同电晕线加热技术相结合。 其应用价值在于： 1 ) 产生负离子浓度高，可以消除烟尘及有害气体、有益身心健康； 2 ) 臭氧量低，无二次污染，对人体无副作用； 3 ) 消耗能源少； 4 ) 对于同类产品来讲，更小型化、轻型化及智能化，进而更加实用化。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 室内发生器是完成室内空气净化、清除有毒有害气体和粒子物质的一种设备，它 可分为两大类：固体强力通风空气设备和放在室内便携式净化器。据1 9 8 2 年资料，仅 便携式室内发生器在市场上年销售额可达1 5 亿美元 i 0 。 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 目前，我国发生器大部分都是采用药物消毒、机械过滤器、紫外灯杀菌、臭氧消毒 等方法 t o ，1 8 。上述产品仍有不足之处。例如：药物消毒将会造成二次污染，紫外灯杀 菌不能去除空气中灰尘，单纯臭氧消毒仅能在无人环境下使用( 臭氧浓度超标对人体有 害) ，且臭氧强氧化性易腐蚀室内物品。 因此，人们对室内负离子发生器越来越感兴趣。负离子发生器在7 0 年代末美国等 西方国家就已开始使用，国内在8 0 年代也开始了这方面的研制和销售。现在室内电子 式发生器主要有3 种类型：电离极板型、带电介质非电离型和带电介质电离型，且均采 用正电晕放电，因为正电晕放电比负电晕放电产生的臭氧浓度低，但在相同电压情况 下，正电晕放电电晕电流低，净化效率低，致使分布在空气中的正离予浓度提高。为了 进一步减小臭氧浓度，降低净化器的工作电压，目前采用两级负离子发生器。前级为常 规发生器，后级为臭氧消除器，但这样却使成本和运行费用提高。总的来说，因为臭氧 的问题，使得上述负离子发生器的使用及推广受到很大程度的限制。 当今市场上出现的电子发生器主要有如下三种类型： ( 1 ) 电离极板型。这种净化器分作用分为两部分，第步是荷电，第二步是收 尘，气体通过正电晕放电区时被电离，气体中所含粉尘荷电，最后被收集在加有负电压 的极板上。 ( 2 ) 带电介质非电离型。它是电子空气净化和过滤器的结合，过滤介质固定在 金属框架上，介质问加有电压并形成静电场，粒子物质通过此静电场后被极化并吸附在 介质上。 ( 3 ) 带电介质电离型。含尘气体首先通过电晕放电区，粒子物质荷电之后吸附 在加有相反极性电压的过滤介质上。 当今市场销售的发生器主要采用电极极板型结构，并采用正电晕放电电离气体和 收集粉尘微粒。原因是正电晕放电产生的臭氧比负电晕放电低，至少要低2 倍，但正电 晕放电火花电压低，净化效率低，并且向室内排放正离子，对人体有负作用。 卫生防疫部门和环境保护部门要求室内发生器产生的臭氧浓度必须低于( 5 6 p p b ) 1 9 ，为达此目的，通常要降低室内发生器的运行电压，从而也降低了净化效率。 研制臭氧浓度低，净化效率高的负离子室内发生器是当前热门研究课题 目前国内外关于电晕线加热技术方面的研究中，除日本的大久保利一( o h k u b o ) 教 授、增田教授以及国内的东北师范大学在上世纪九十年代初、中期有关于这方面的研究 外，鲜有报道。到目前为止此类净化器的高压电源主要是依靠工频电源来直接升压，但 大连理工大学硕士学位论文 频率低，体积、重量大，且纹波、稳定性不能令人满意，使设备变得笨重、不易运输和控 制。 同时国内小功率高频低压开关电源技术业已成熟，而大、中功率高频高压开关电源 技术还处于不成熟阶段。采用p 州技术的高频逆变电源中，主电路开关器件的损耗随着 频率增大成比例增加，限制了频率提高。为提高开关频率，降低开关损耗，减小电源体 积；同时更重要的是，为了克服高压变压器高漏感及高分布电容带来的不利的影响，将 高频软开关技术引入高压电源。但是对于大、中功率电源特别是高电压高频电源来说， 高频软开关技术的应用还处于摸索阶段。 随着电力电子技术、大规模集成电路技术及现代智能控制技术的迅猛发展，高压电 源将趋向高频化( 上百甚至上千k h z ) 、高度集成化及智能化方面发展。因此负离子发 生器将变得更加小型化和人性化。 1 3 本论文的选题学术思想、特色和研究内容 1 3 1 选题的学术思想、特色 本课题的选题思路主要是根据室内负离子发生器的性能要求、设备的实用性角度出 发的，进而对高浓度负离子的产生、低臭氧的实现、以及高压电源的改进等方面展开深 入细致的调研。 室内负离子发生器的主要性能指标有两个，即负离子浓度和臭氧浓度。负离子不仅 可高效杀灭家居空气中因长期密闭而日趋增多的烟雾、灰尘、细菌，而且可中和空气中 的正离子，活化空气，改善肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促进新陈代谢，增强人 体抗病能力；臭氧具有强氧化性，臭氧具有杀菌、除臭作用。但是，臭氧的强氧化性对 人体健康却有危害作用，会造成人体内的细胞损伤，可引起上呼吸道的炎症病变。因此 按照国家的环保要求，增加负离子浓度和降低臭氧浓度是本课题的首要任务。 结合本课题的实验条件，在大量调研的基础上，最后选定主要通过净化器的结构优 化、引入电晕线加热技术，来达到室内负离子发生器的性能要求，同时对电晕线加热技 术进行实验研究。 基于设备的实用性出发，结合现代电力电子技术，将净化嚣所用的高压电源进行高 频化，将更加有利于整个设备的性能改善。因为到目前为止，用于电晕线加热的负离子 发生器的高压电源主要是依靠工频电源来直接升压，使设备交得笨重、不易运输和控 制。同时国内小功率高频低压开关电源技术业已成熟，而大、中功率高频高压开关电源 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 技术还处于摸索阶段。采用p m 技术的高频逆变电源，主电路开关器件的损耗随着频率 增大成比例增加，限制了频率提高。为提高开关频率，降低开关损耗，减小电源体积；同 时更重要的是，为了克服高压变压器高漏感带来的不利的影响，本课题恰恰利用漏感大 的特点，将高频软开关技术引入高压电源，有效地降低伴随着高频化带来的开关损耗， 同时提高频率，进一步减小装置体积。 预期达到的成果和水平： a )臭氧浓度低于环保要求( 5 6p p b ) ： b )装置1 米半径内负离子浓度达到1 0 ；个c m ：，6 米半径内负离子浓度达到1 0 3 个c 一： c )电源电压稳定性达到1 ，可调范围：一0 5 k v 一1 5 k v ，功率i o o w ： d )电源效率达到8 0 以上； e )能连续工作1 2 小时，具有过流、过压保护功能。 1 3 2 研究内容要解决的问题 1 ) 发生器结构的优化设计问题 通过实验研究得出负离子浓度、臭氧浓度与负离子发生器结构( 如电晕线粗细，放 电极间距、网孔尺寸等) 的关系，电晕线单位长度加热功率对负离子浓度、臭氧浓 度、粉尘浓度( 净化效率) 的影响 2 ) 高频软开关技术问题，高频逆变谐振主电路结构的参数优化问题： 3 ) 高压电源的调压及稳压问题： 4 ) 高变比高压变压器的设计问题； 5 ) 电晕线加热电源的安排及加热电压的调节问题； 大连理工大学硕士学位论文 2 低臭氧负离子发生器的空气净化原理 2 1 前言 本论文描述的是一种低臭氧负离子发生器。其使用较高的负电压供电，产生高浓 度负离子，并采用电晕放电电极加热技术，减少臭氧的产生，使臭氧浓度达到环保要求 ( 5 6p p b ) 。采用该技术设计的发生器不仅净化效率高，而且空气中的负离子浓度也 会大大提高，有助于人体健康。 这一章主要阐述与低臭氧负离子发生器相关的理论及其净化原理。 2 2 负离子发生器的空气净化原理 2 2 1 气体放电原理 2 2 1 1 不均匀电场放电 处在电场中的带电粒子，除了经常地做不规则运动，不断地与其它粒子发生碰撞 外，还受着电场力的作用，沿电场方向得到加速并积累动能。当具有足够能量的带电粒 子与气体分子碰撞时，便可能产生电离。电子在强电场中产生碰撞电离，在气体放电中 起着重要的作用，因为电子的尺寸要比离子小得多，其平均自由行程( 粒子在两次碰撞 之间的行程口q 自由形成) 远大于离子的 1 6 ，因此容易被电场所加速，积累起电离所需 的能量。 电子在电场作用下从阴极奔向阳极的过程中，与中性分子碰撞产生电离。因此产生 的新电子也加入其行列，是电子数目以e 的指数形式递增。这种迅猛发展的碰撞电离过 程，犹如高山上的雪崩一样，因此被形象地称为电子雪崩，或电子崩。 乏萋多 图2 1 电子崩的电荷分布 f i g 2 1e l e c t r i cc h a r g ed i s t r i b u t i n go f e l e c t r o n i c c o l l a p s e 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 电子崩的空间电荷分布如图2 1 所示。在碰撞电离时，电子和正离子是成对产生 的。但电子速度快，所以位于朝阳极方向的电子崩头部。而离子速度慢，可近似地看作 在原来产生的位置上。要在间隙中连续形成电子崩，使极间电流维持下去，除了要求间 隙中的场强能保证出现有效的碰撞电离以外，还要靠外界电离因素从阴极释放出自由电 子作为电子崩的初始电子。汤森根据对放电过程的实验研究，认为电子崩中的正离子在 返回阴极时，在阴极上产生的二次电离过程，是取得二次电子而使放电转为自持的关 键。汤森的自持放电条件可以简单说明如下： 在均匀电场中，起始电子从阴极到阳极，由于碰撞电离使电子数增为e “个( d 为 极间距离) 。除本身外，产生的新电子或正离子数为( e 。l 1 ) 个。如果每个正离子返回 阴极时，由于其具有的位能( 电离能) 及动能，从阴极上释放出y 个二次电子 ( y i r a ) 对，在流注通道还不足以贯通整个间隙的电压下，仍可 能发展起击穿过程。仍以棒一板间隙为例，当从棒极开始的流注通道发展到足够的长度 后，由于增大了流注与对面电极问的电容，导致流注根部电流增长，并使其温度升高到 足以出现热电离的过程。这个具有热电离过程的通道称为先导通道。先导通道中带电粒 子的浓度远大于流注通道，因而电导大，压降小。由于流注通道的一部分转变为先导， 就使得流注区头部的电场加强，从而为流注继续伸长到对面电极并迅速转变为先导创造 了条件。 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 当先导通道发展到接近对面电极时，在余下的小间隙中场强达到极大的数值，从 而引起强烈的电离，这一强电离区域又以极高的速度向相反方向传播。这一过程称为主 放电( 又叫回击) 。主放电在极间形成高电导通道，相当于使间隙短路，击穿过程于是 完成 1 6 。 22 12 电晕放电 电晕放电是气体自持放电的一种形式，它不需要外加电离源来引发和维持放电。 为了保持稳定的电晕放电，必须形成一个非均匀电场。随着施加在电极间的电压的增 加，到线附近的空间电场强度也将增大。通常在自由空间中，由于宇宙辐射，每立方厘 米空气中大约有i 0 0 0 个自由电子存在，这些自由电子在电场的作用下，会受到加速， 撞击气体原子或分子。自由电子的加速度随着电场强度的增加而增大，自由电子在撞击 气体原子或分子前积累的能量也随之增大。当电场强度达到气体放电的临界值时，自由 电子在撞击前积累的能量将足以从气体原子或分子撞击出一个电子。此时在导线附近一 个小范围内的空气就开始电离，出现了气体的非自持放电。继续升高电压，气体的电离 将加剧，形成大量电子崩，产生大量的电子和正负离子，并伴随着发出淡蓝色的辉光和 咝咝声。放电也就由非自持放电转变为自持放电。这种特定形式的气体放电就称为电晕 放电。 电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场强度很高的电极附近，特别是 发生在曲率半径很小的电极附近或大或小的薄层中，气体的发光也只发生在这个区域 里，这个区域称为电离区域，或称之为电晕层或起晕层。在区域之外，由于电场弱，不 发生或很少发生电离，电流的传导依靠正离子、负离子或电子的迁移运动，因此电离区 域之外的区域被称为迁移区域或外围区域。若两电极中仅有一个电极起晕，则放电的迁 移区域中基本上只有一种符号的带电粒子，在此情况下，电流是单极性的。本实验中的 负离子发生器形成不均匀电场的两个电极分别是加负高压的电晕线极和接地电极，发生 的是负电晕放电，其形成的就是负极性的电晕电流。 电晕放电产生后，若再进一步增大两电极间的电压，电晕区将逐渐扩大，亮度及 咝咝声也越来越大。当电压升高到某一值时，在某些放电点上可以出现向外辐射的刷状 细火花。它的范围要比正常的电晕区大得多。咝咝声中还伴随着拆裂声。这种放电形式 称为刷状放电。电压继续升高，刷状火花越来越长，最后将在正负两极间构成通道，产 生气体的击穿。两极间的电压将随之急剧下降。根据电源容量的大小，击穿可以表现为 弧光放电的形式，也可以表现为火花放电的形式。 大连理工大学硕士学位论文 当电源容量足够大时，气体击穿后会有很大的放电电流流过，在电极间形成电 弧，称为弧光放电。如果电源容量较小，则气体击穿以后，放电电流会受到限制，使之 不足以形成电弧，这时的放电就会停留在火花放电阶段。火花放电是一束明亮曲折、常 常又是分叉的细丝，这些细丝很快地穿过放电间隙，又很快地熄灭，熄灭后随即再度产 生。火花放电的电流比弧光放电要小得多。 为了使发生器能正常工作，必须在电极间加以一定的电压，使之形成电晕放电。形 成电晕放电的最低电压称为起晕电压。此时由于空气被电离而出现大量离子，在电压的 作用下就会有一定的电晕电流流过。电晕电流将随着电压的升高而增大。当然由于空气 中自由电子的存在，即使在所加电压远小于起晕电压时，电极问也会因自由电子的流动 而形成电流。但这些自由电子的数目不大，所形成的电流和电晕电流相比是微不足道 的。 2 2 2 负离子空气净化原理 负离子发生器是负离子发生器与净化器二体含，既是负离子产生源又是空气净 化装黄。主要构件是负电晕放电区和通风风扇。电晕线上加有负高压，形成负电晕放 电，在其周围形成空间电荷区。产生大量的负离子，负离子随着气流进入室内，起着空 气质量调节和净化作用， 把直流负高压电源( 电压- l o k v - l s k v ) 输出端接至电晕线上去，对地线开始电晕 放电，将周围空气电离，在电离过程中产生的正离子被强大的负电压电场吸引，返回至 极针上而电晕区里自由电子和负离子则呈负电场的排斥，迅速向正极移动逸出，因而带 动了周围的空气流动，形成了一种所谓的“电子风”。空气是由n t ，0 z 等多种气体组 成，在无外力作用下，各种气体分子都很稳定，呈中性。但在直流高压作用下，形成高 达近万伏的赢流电压，在放电极的上端出现一个负压区使未被电离的空气不断涌入，离 子化的空气就不断地向外扩 1 5 。 电晕区( 含有正离子和自由电子) 古负离 图2 3 管式吸尘电场 f i g 2 3t u b u l a r d u s t c l e a r i n g e l e c t r i cf i e l d o 田 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 为便于说明，设吸尘电场为管式，或同轴式( 见图2 3 ) ，内导体为负电极，外导 体管为正电极，内外导体间有高电压。若管内空气中有游离的电子，或受高电压激发， 负电极激发出电子，则在电场的作用下，电子获得能量，速度越来越大，即会从其它原 子中撞击出电子，被击出的电子又会从其它原子中撞击出电子，这一过程极其迅速，称 为雪崩过程。雪崩过程产生大量的电子，而后又产生大量负离子，这一过程常称为电 晕。于是，在负电极周围有很多电子与失去电子的正离子。同轴管内的电场是不均匀 的，其管内电力线如图2 4 。在内导体附近电场强度最高，越接近外导体越弱。在管中 某处电场的减弱使电子能量不足以从其它原子中撞击出电子来。以负电极为中心，能撞 击出电子的区域称为电晕区，在此区域内有很多电子与正离子。 b 图2 4 管式电场电力线 f i g 2 4 l i n eo f e l e c t r i cf o r c eo f t u b u l a re l e c t r i cf i e l d 空气中的主要成分是氮( n 。) 、氧( 0 。) 、及惰性气体氟( a f ) 及二氧化碳 ( c 0 2 ) ，它们约占干洁空气的9 9 9 9 6 。通常空气中还含有一定的水分( h 。0 ) 。由 于这些不同成分的原予结构和分子特性不周，它们在与高速电子撞击时的变化不同。氮 ( ) 、氦( a r ) 不会俘获电子或失去电子而离子化，而氧很容易俘获电子而成为负氧 离子。二氧化碳与水，遇电子撞击，会离解出氧原子，而氧原子俘获电子而成负氧离 子。 2 - 3 电晕线加热降低臭氧的基本机理 室内负离子发生器是改善室内空气质量较理想的设备，但由于在负电晕放电过程中 除产生负离子外同时产生臭氧，从而影响了室内负离子发生器的推广使用。用电晕线加 热的方法可抑制负电晕放电过程中臭氧产生和降低负离子发生器的臭氧浓度，可设计出 臭氧浓度低于环保要求高负离子浓度和高净化效率的负离子发生器。 大连理工大学硕士学位论文 目前国内外关于电晕线加热技术方面的研究中，除日本的大久保利一( to h k u b o ) 教授 1 l ，1 2 、增田教授以及东北师范大学 1 3 ，2 0 在上世纪九十年代初、中期有关于 这方面的研究外，鲜有报道。to h k u b o 教授、增田教授都研究了用电晕线加热技术降 低电除尘器中正电晕放电所产生臭氧浓度及其在电场中空间分布情况；东北师范大学研 制出的室内负离子发生器的性能指标都符合国家标准，室内粉尘净化率达s o 2 1 。 设计负离子发生器两个主要参量是负离子流和臭氧浓度，负离子流决定着净化效率， 臭氧浓度决定着负离子发生器是否能被选用。因此臭氧浓度是更重要的因素，设计时首 先应保证臭氧浓度低于环保要求( 5 6p p b ) 。在此条件下获得高负离子流。 在负电晕放电过程中双原子氧分子要发生电离或分解，其过程如下： 0 2 + e 0 2 + + 2 e( 2 1 ) 一0 + + o + 2 e - - 0 + o + e - - 0 一十o 所产生的原子氧和双原予氧分子m 发生三体反应形成臭氧分子，其过程如下： 0 十0 2 + m - - 0 3 + m( 2 2 ) 第三体m 的作用主要是提供或带走反映中的能量。 从臭氧形成的过程来看，降低负离子发生器臭氧浓度的途径可为：降低双原予氧 分子的分解率和三体反应率，为降低室内发生器的臭氧排放浓度，可降低其工作电压， 实际就是降低了双原子氧分子的分解。臭氧形成的三体反应率 1 4 可表示成 f = 2 5 x 1 0 “e x p l 9 7 0 堙) ( 2 3 ) 由上式可以看出在臭氧形成的三体反应区温度的升高会抑制臭氧的产生。 o h k u b o 等人利用正电晕放电过程研究了臭氧浓度的分布，其结论是臭氧主要集中 在电晕线附近，也就是说臭氧形成区在电晕线附近。由此我们提出利用电晕线加热的方 法可抑制负电晕放电臭氧的产生和降低负离子发生器的臭氧浓度。由此得出本设计题 目，经过实验对比电晕线加热与不加热，放电电极不同结构下臭氧及负离子浓度的变 化，得出一个合理的电极结构及方法，以得到最佳效果：臭氧浓度低而负离子浓度高。 其原理是：电晕线加热，便电晕线温度升高，降低电晕线内金属原子与表面的势能 差，减小电子从原子外层脱出的逸出功，使外层电子在较低能量作用下，就从原子中脱 出，飞出电晕线表面在场致发射作用下，逸出功与电场强度成正比，而电场强度又和 电压成正比，因此电晕线加热，逸出功降低，起晕电压也就随着降低电极间距小，电 晕线附近电位梯度大，电子被加速的时间短，速度高，即自由基能量高，所以电晕线加 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 热时，起晕电压下降明显。在相同电晕电流情况下，臭氧浓度随电晕线表面温度升高而 下降，且存在高电晕电流时，臭氧浓度明显下降，当温度达到8 5 0 c 以上时，基本达到 平衡状态其电晕放电过程中有臭氧产生，电晕放电加强，产生的臭氧量就增加；在相同 的电晕电流下，温度升高可以使电晕放电电压降低，使放电程度减弱，臭氧生成量也随 之降低；同时臭氧分解量增加从而使臭氧浓度降低。 我们在实验中发现：当加有一定电晕电压，并有电晕电流产生而无负离子流时便 测不出臭氧，可见臭氧是伴随着负离子流而产生并随着负离子流的增加而上升。当外加 电压为起晕电压时，便有微弱的电晕电流产生，此时电场中的能量还不足以使双分子氧 分解生成原予氧而使0 与0 2 和其它分子发生二体反应形成0 3 。当电晕电流高到可以产 生负离子( 这里说的负离子特指达离子输送区的负离子) 时电场能量增强使快电子平均 能量增大，而开始与0 2 作用，发生化学反应形成0 3 ( 臭氧) 。 本试验中使用负高压供电，来产生高浓度负离子，同时使用电晕线加热技术来降低 臭氧生成浓度，满足环保要求( 5 6 p p b ) 。本实验装置采用线一线电极系统，可使净化 空气，产生负离子在同一区域内进行，具有设计简单成本低的特点。本文中着重研究了 线一线电极系统的电晕放电特性、负离子流、臭氧浓度及其影响因素。找出它们之间的 关系，并进一步讨论负离子流、臭氧浓度与高压静电场的关系，为合理地设计负离子发 生器提供参考。 2 4 本章小结 本章在介绍了气体放电原理的基础上，主要阐述了负离子发生器的空气净化原理， 以及电晕线加热对减低臭氧浓度基本机理。 空气是由n 2 ，0 2 等多种气体组成，在无外力作用下，各种气体分子都很稳定，呈 中性。但在直流高压作用下，形成高达近万伏的直流电压，再将负高压接至电晕线上 去，电晕线开始电晕放电，将周围空气电离，在电离过程中产生的正离子被强大的负电 压电场吸引，返回至电晕线上，而负离子则呈负电场的排斥，迅速向周围扩散，以达到 净化周围空气的目的。 同时利用电晕线加热技术，使电晕线温度度升高，逸出功降低，起晕电压也就随着 降低。在相同的电晕电流下，温度升高可以使电晕放电电压降低，使放电程度减弱，臭 氧生成量也随之降低；同时臭氧分解量增加从而使臭氧浓度降低【6 j 。另外电晕线加热， 使电晕线周边空气温度升高，也加快了臭氧分解，也达到减低臭氧浓度的目的。 大连理工大学硕士学位论文 3 低臭氧负离子发生器优化的实验研究 3 1 前言 负离子发生器的两个主要性能参数是负离子浓度和臭氧浓度。负离子浓度决定着净 化效率，臭氧浓度决定着负离子发生器是否能被选用，前者越高越好，后者越低越好。 本章主要研究发生器的电气条件和放电电极结构对上述性能参数的影响情况，其中包括 电晕放电电压、电晕线加热电压、放电电极间距、接地电极网孔、电晕线串并联情况、 电晕线长度等，为负离子发生器的合理化设计提供了依据。本章最后根据实验研究结果 确定本文用的低臭氧负离子发生器的电气和结构参数。本章中的负离子浓度和臭氧浓度 是在发生器装置l 米半径的空间内所测得。 3 2 负离子浓度影响因素的实验研究 3 2 1 电气条件对负离子浓度的影响 3 2 11 电晕放电电压对负离子的影响 实验参数：放电电极间距1 8 c m ，加热电压3 5 v 8 0 k h z ( 详见3 2 1 _ 2 ) ，电晕线 问距及地线间距都是4 c m ，电晕线的长度为4 5 0 c m 。由汤森理论可知，随着放电电压的 增加，发射电子随之增多，就越容易产生电子崩，发生电晕放电，这样产生的电子和负 离子就会增加，这样使之扩散到空气中的负离子及电晕电流增加。由文献 2 1 可知，负 离子浓度是随着电晕放电强度的增加而成非线性上升的。因此为了更有效的反映负离子 浓度随各种影响因素的变化，同时更好地表示出电晕放电强度的状况，本文对于电晕电 流的强度也做了相关的实验研究。 其各自的数量及变化趋势，如图3 1 、3 2 中曲线所示： 图3 1 负离子浓度随放电电压的变化 f i g 3 1t h en e g a t i v ei o n c o n c e n t r a t i o nw i t ht h e c h a n g e o fd i s c h a r g e v o r a g e 唧姗哪伽|寻啪咖啪啪踟o ，。、口营一蛙蛙帖避 低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计 图3 2 电晕电流随放电电压的变化情况 f i g 3 2t h e c o r o n ac u r r e n tw i t ht h ec h a n g eo f d i s c h a r g e v o l t a g e 由图可知负离子浓度、电晕电流都是随着放电电压的增加呈非线性增加的。其中负 离子浓度单位是l o o o c i i 】5 ，也就是说在允许的电压范围内( 其负直流高压的上限大约 为1 6 5 k v ，当电压大于这个值时，有可能发生火花放电，对系统及其他安全条件不 利) ，负离子的浓度最大可以达到每立方厘米2 百万个。电晕电流可达2 0 0 m ，甚至更 高，就是说此时的功率为2 5 瓦左右，耗电还是比较少的，而且负离子浓度较高，可以 达到很好的净化效果。 3 2 1 2 电晕线的加热情况对负离子浓度的影响 本阶段的实验装置采用放电电极间距是1 8 c m 的系统结构，其加热电压为 3 5 v 8 0 k h z 的交流电压( 本文下面的加热电压未注明频率的都为8 0 k h z ) ，电晕线间距及 地线间距都是4 c m ，电晕线长度为2 2 0 c m 。分别对负离子浓度、电晕电流进行测量。结 果如图3 3 、3 4 所示： 鼋 、 喜 量 肇 h 1 缓 891 01 11 21 31 u k v 图3 3 加热情况不同对负离子浓度的影响 f i g 3 3t h en e g a t i v e i o nc o n c e n t r a t i o no nd i f f e r e n th e a t i n gc o n d i t i o no fc o r o n aw i r e 0 o 0 o 0 o l 三 m 加 大连理工大学硕士学位论文 图3