国标沿面放电陶瓷片的工作原理、应用、问题与对策.doc

沿面放电陶瓷片的 工作原理、应用、问题与对策北京理工大学 倪国年 眭英tlji基i平阳机械厂张家德摘要：本文在简述沿面放电陶瓷片工作原理的基础上，列举了使用中提出的 一些问题，并针对地提供一些行之有效的解决办法沿面放电陶瓷片是小型臭氧发生器的核心部件当前陶瓷片的应用范围有逐 步扩大的趋势：由小型向中型，由空气向水处理拓展。在陶瓷片的使用中，也遇 到了一些问题。为了用好沿面放电陶瓷片，制造出性能优良的臭氧发生器，本文 在介绍沿面放电陶瓷片工作的基本原理之后，将我们多年来生产、考核、检测的 体会，以及跟用户合作中遇到的一些问题列举于后，并有针对地提供一些业已采 取的有效解决办法，供与会同行参考 、沿面放电陶瓷片是利用陶瓷绝缘介质表面上的沿面放电，产生低温等离子体 沿面放电陶瓷片的结构特点是：电极分别布置在陶瓷基片的两边：如图所示：她蝴、感应电极正面为放电电极(一般为线状)，背面为感应电极(通常为板状)，并接地。 将不十分高的电压作用在两极上时，由于陶瓷基片的良好绝缘，很难出现放电通 道。只有两极问的电压大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极 附近有限的表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相当于个极板，在 高频高压正弦交流电的作用下，放电电极附近表面处不断地俘获和发射电荷当 电压达到正半周临界起晕电压U-血时，开始放电，正电荷聚向放电极附近的介质 表面即电子被加速到很高能量从介质表面传输到放电电极。随着电压升高，放 电继续，更多的正电荷被束缚在介质表面这一过程一直持续到峰值电压U。， 放电过程停止，介质表面正电荷并不消失。当电压开始下降对。介质表面正电萄仍不动，放电著不发生，一直持续降到负半周临界起晕电压一Um，这时放电开始，介质表面的正电荷离开负电荷积聚于表面，即电子被加速到很高能量从放电电极传输到介质表面，这过程持续到负半周峰值电压一U，放电过程停止。当电压再次升高到正半周临界起晕电压U山时正电晕放电又开始，整个放 电过程就是这样交替进行的，因此。沿面放电过程就是介质表面的静电平衡状态 反复建立和破坏，表面气体的反复击穿而介质表面上反复充放异性电荷的过程。根据沿面放电陶瓷片的工作原理，影响其放电的因素很多，例如，介质材料的绝缘性能、电极的结构配置、电极表面的气体条件以及激励电源的性能参数等。 七、八十年代日本人研究表明，沿面放电器件的材料选用钨电极和A12妫陶瓷基片较好，因为钨的热膨胀系数与A120，陶瓷相近，受热后电极不会与陶瓷脱开，同时，陶瓷基片具有较好的绝缘性和机械强度。所以，这种沿面放电器件有良好 的电、机械，热和化学性能然而，制造性能优良的臭氧发生器，除合理选用臭 氧陶瓷器件外。还必须注重各方面的影响因素。实验证明：l、放电能量随供电电压峰值u。的增大而增大，同时放电发光长度也随u卯 的增大而加长，一般在空气中。当Um为68KV时，放电发光长度为25-34mm， 所以，U。越高，臭氧产量越高。2、沿面放电器件的临界起晕电压U曲值是供电频率f的函数，f越大，uk 越低即在高频条件下，沿面放电陶瓷片具有更低的起始工作电压有利于臭氧 产率的提高。临界起晕电压U山还与气体条件有关，不同的气源和工作环境，会 影响um的大小和放电过程进行的完善程度，可直接影响臭氧产量。3、沿面放电陶瓷片在未放电对，表现为纯电容性质，介质表面充电面积越大，则电容越大当放电时。器件可表现出电阻和电容二重性它的特性除与充 电面积有关，还受放电过程气源和工作环境(温度、湿度等)的影响，所以，沿面放电器件的阻容特性是动态的，在配置供电电源时必须注意要适应它在不同使用条件下的阻容特性。下面列举使用中的向题和对策 一、陶瓷片使用过程中放电电极变细变短，臭氧产率下降的问题在高频高压放电的情况下，即使放电电极是钨烧结体，也难免电极材料的氧 化和迁移解决鹋办法是在放电电极上覆盖一层纳米氧化铝保护层国外资料表 明，氧化铝可大幅提高钨的抗氧化性我们所傲的考核证明了带纳米氧化铝保护 层的沿面放电陶瓷片寿命长，臭氧产率稳定二、陶瓷片工作时湿度升高，臭氧产率下降、氮氧化物增加的阀遂 由于陶瓷片放电时能量密度较高，温升快，会使臭氧产率迅速下降。解决的办法，正如大家熟知的：贴散热器，强制风冷或水冷，这就对陶瓷片的平整度提 出了严格的要求。由于我们生产的沿面放电陶瓷片的电极是钨烧结体，它的烧结 温度高，使陶瓷片难免有或大或小的翘曲变形，对此，我们采取了整平的工序， 以确保片子的平整度能满足用户的使用要求另外，要特别指出的是，随陶瓷片工作温度升高，还存在氮氧化物增高的问题。我们应用美国BeckmenIndustrial公司的Model955 NONOxAnalyzer仪器分析，对我们的钨电极陶瓷片和某种材料电极的陶瓷片进行测试。其结果如下：49室温25室内空气 NOx浓度(PPM)156钨陶电瓷温度25 35 46 55 62极片 陶瓷片工作 NOx浓度323363374404428(PPM)室温25某种陶 室内空气 NOx浓度(PPM)14材瓷料片 温度25 35 50 60 76电陶瓷片极工作 NOx浓度3524711181867616346(PPM)不难看出，沿亟放电陶瓷片工作时，用空气作为气源，在产生臭氧的同时， 总会产生氮氧化物欲限制其数量，控制好陶瓷片的工作温度固然重要；适当选 择好放电电极材料的成分则是个不容忽视的因素。 三、在某些特殊场合使用时电极损耗的问题。将沿面放电陶瓷片在某些场合使用，譬如用于鸡舍的除味、杀菌消毒时，鸡 舍的空气中有较多的氨、硫化氢及水气。陶瓷片放电时，在电极附近可能会合成 硫酸、硝酸等产物，对金属电极产生腐蚀。经过长期实践和分析，采取以下解决办法并取得了良好的效果：l、发生器的电源要与陶瓷片相匹配；2、陶瓷片放电电极的保护层适当加厚；3、臭氧发生器加进风罩，从室外引入新鲜空气作为气源。四、垃圾站除味器的陶瓷片上厚厚沉积物的问题垃圾站环境极为恶劣，沿面放电陶瓷片工作时经受了严酷的考验，连续工作2天，陶瓷片上就沉积一层毛茸茸的白色絮状物，其味咸涩，分析为硝氨、硫氨类盐，影响放电和臭氧产率，解决的办法为：l、从室外引入新鲜空气作为发生器气源：2、发生器设活门，便于定期清理陶瓷片表面：3、给发生器配备小毛刷、百洁布和小瓶酒精。五、高湿环境使用陶瓷片遇到的问题。 有的臭氧发生器使用环境特别潮湿，如水产品加工车间、肉禽屠宰加工车间、乳品加工车间等，相对湿度达80-90甚至更高，沿面放电陶瓷片放电启动迟 缓，对一些需频繁启动的周期性工作的臭氧发生器来说，就不能满足要求了。解决办法是：l、在陶瓷片表面增加致密保护层以提高抗湿性，缩短放电启动时间；2、试用开放式的缝隙放电器件 这些方法我们已经采用，并正在考核之中。六、低温启动遇到的问题。自激振荡的高频高压电源，与沿面放电陶瓷片相匹配，通常是在常温制造、 调试的。当进入低温环境时，由于陶瓷片阻容特性的变化，有时会遇到激振不起 来的问题对此，可在发生器启动时，将陶瓷片适当预热，使其很快进入工作状 态。一旦正常放电，就可以连续运转。七、供气源对臭氧产率的影响。 气源是产生臭氧气的原料，气源状态会直接影响陶瓷片臭氧产率的大小。 从气源成分来讲，含氧气量越多，产生臭氧就越多，所以纯氧作为气源是最理想的。当用空气源时，不但成分中含氧气量只有20，而且自然空气受天气影 响很大，温度、湿度过高时，都会影响陶瓷片的放电过程，使臭氧产率下降，故 使用空气源时，需要采取过滤、干燥、冷冻等措施。目前，沿面放电陶瓷片逐渐发展到应用于水处理中，要求臭氧产量大、浓度 高的臭氧发生器，因此，采用多片沿面放电陶瓷片的组合，封闭在小体积容器中， 使气源气体沿陶瓷片放电表面通过，取得高产量高浓度的臭氧气。这种形式的臭 氧发生器，其效率高、功耗低，可产生每小时几十克到上百克的臭氧。在中型水 处理设备上的应用有很大潜力。值得提出的是，这类臭氧发生器因为是采用多片 陶瓷片的组合，气源的气体分配到各陶瓷片表面的方式，对臭氧产率有较大影响。 我们的实践发现，气源气体沿陶瓷片放电表面要有一定的流通长度，气流量越大， 流通长度应越长，因此，采用气体串联进入各陶瓷片，能在保证臭氧浓度的前提 下，明显提高臭氧产量另外，气体应尽量贴近放电表面也就是通气缝隙不宜过大，产生的臭氧浓度可提高，更适宜于水处理中的应用上述不难看出，要做出性能优良，符合使用要求的臭氧发生器，是集气源、 电源、陶瓷片以