CN112231959B - 一种等离子体模块制作方法及等离子体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体模块制作方法，属于环保设备制作技术领域。该方法采用了“点、线、面”“三要素”的结构设计理念，通过模态分析，获取内电极和外电极之间的模态频率和振幅，确定内电极和外电极的几何尺寸材料参数；通过离子体分析，获取内电极和外电极空间电子密度分布以及空间离子密度分布数据，用来确定内电极和外电极的空间距离和空间位置，使内电极和外电极片的“点”、“线”放电，产生“扇面”等离子体，减少或基本消除了等离子体作用区域的污染物“粘附”面积，通过本方法设计的等离子模体具备了自净能力，提高了废气处理的效率。此外，本发明还提供基于上述方法制作的等离子体模块。
Description
技术领域
本发明属于环保设备制作技术领域，更具体地说，涉及一种等离子体模块制作方法及等离子体模块。
背景技术
市政环卫及工业生产过程中产生的恶臭/VOCs气体不仅对大气环境造成严重污染，也对居民身心健康造成伤害。其中污染的主要来源是市政垃圾及污水产生的恶臭气体，以及工业生产过程中产生的VOCs气体，这些污染气体若不加治理，任由其排放至大气中，势必会对周围环境产生严重影响，因此恶臭气体和VOCs气体的有效治理已成为我国经济发展过程中亟待解决的关键问题之一。
目前，我国用于恶臭/VOCs气体的治理技术呈现多样化，各种治理技术在污染气体减排方面起到了非常大的作用，但暴露出的问题也是非常明显。如治理设备在长期运行过程中的治理效率下降、治理设备自身受到污染以及由此带来的安全隐患等。每年几乎都有各类安全事故的发生。究其原因，就是治理设备在长期运行过程中，设备内部积攒了大量的污染物，这些污染物若不及时得到清洗，不仅治理设备的运行条件得不到保障，如治理效率的下降或没有任何治理效果；而且治理设备也会成为新的污染源，且在一定的条件下，这些污染物会引发治理设备的火灾或爆炸等安全事故。
由此可见，治理设备有无自净功能，直接关系到治理设备的治理效率、治理的长效性以及治理的安全性等。在传统的等离子体治理设备中，均缺少自净功能，如筒型结构的等离子体模块组成的治理设备、以及平板结构的等离子体模块组成的治理设备等，这些结构的等离子体治理设备运行一段时间后，电极板上吸附有大量的污染物，需要频繁将等离子体模块取下来进行人工清洗，否则很容易引起一系列问题，如电源保护不工作或点燃电极板上的污染物发生燃烧或爆炸等安全事故。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中的等离子体模块容易吸附大量污染物，导致治理效率下降，甚至产生安全隐患问题，本发明提供一种新的等离子体模块制作方法，采用了“点、线、面”三要素的结构设计理念，通过模态分析，获取内电极和外电极之间的模态频率和振幅，确定内电极和外电极的几何尺寸材料参数；通过离子体分析，获取内电极和外电极空间电子密度分布以及空间离子密度分布数据，用来确定内电极和外电极的空间距离和空间位置，使内电极和外电极片的“点”、“线”放电，产生“扇面”等离子体，减少或基本消除了等离子体作用区域的污染物“粘附”面积，通过本方法设计的等离子模体具备了自净能力，提高了废气处理的效率。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种等离子体模块制作方法，所述步骤包括：
S100：提取内电极和外电极模型，改变所述内电极和外电极模型的尺寸和/或材质，进行模态分析；获取内电极和外电极之间的模态频率和振幅，确定内电极和外电极的几何尺寸材料参数；
S200：将所述内电极和外电极模型导入分析软件中，构建内电极与外电极空间反应模型，进行等离子体分析；获取内电极和外电极空间电子密度分布以及空间离子密度分布数据，用来确定内电极和外电极的空间距离和空间位置；
S300：将所述内电极和外电极的空间距离、空间位置、几何尺寸以及材料参数输入有限元分析软件中，进行模态分析测试以及离子仿真测试；
S400：当测试合格后，根据有限元分析软件输出的内电极和外电极的最终空间距离、最终空间位置、最终几何尺寸以及最终材料参数，制作等离子体模块。
在一些实施例中，在所述步骤S100中：
提取的内电极模型为电极片，所述电极片的一侧或两侧具有等距排列的齿状电极；所述外电极模型为外电极片或外电极杆的一种。
在一些实施例中，所述步骤S100包括：
S102：从设计图中分别提取内电极和外电极模型，将内电极和外电极模型导入到ANSYS软件中，对所述内电极和外电极模型进行网络化划分；
S104：设定内电极和外电极模态分析的边界条件，改变所述内电极和外电极模型的尺寸和/或材质，对内电极和外电极进行模态分析，分别确定内电极和外电极模型的模态频率和振幅；
S106：调整内电极和外电极模型的几何尺寸，重复步骤S202-S204，分别确定内电极模型和外电极模型的模态频率和振幅与几何尺寸的第一关系列表；
S108：调整内电极和外电极模型的材料参数，重复步骤S202-S204，分别确定内电极和外电极模型的模态频率和振幅与材料参数的第二关系列表；
S110：根据所述第一关系列表和第二关系列表，确定几何尺寸以及材料参数。
在一些实施例中，所述步骤S200包括：
S202：将内电极和外电极模型导入到COMSOL软件中，利用Multiphysics中的等离子体分析模块建立内电极和外电极的空间反应模型；
S204：设定所述空间反应模型中的参数，确定内电极和外电极空间的电子云密度分布、空间离子云密度分布和空间电导率分布；所述参数包括内电极和外电极之间施加的电源电压、内电极和外电极之间空间距离以及流经内电极和外电极之间的流体速度中的一种。
在一些实施例中，所述步骤S200还包括步骤S206，其包括：
调整内电极和外电极的电源电压，重复步骤S202-204，按电源电压大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图；
调整内电极和外电极之间的空间距离，重复步骤S202-S204，按内电极和外电极片之间的空间距离大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图；
调整流经内电极和外电极之间的流体速度，重复步骤S202-S204，按流体速度大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图。
在一些实施例中，在所述步骤S102中：
根据目标污染流体速度，计算流经所述等离子体模块内的风道截面积，确定等离子体模块的几何尺寸；
根据所述等离子体模块的几何尺寸对内电极和外电极的几何尺寸和材料参数进行调整。
本发明第二方面提供一种等离子体模块，通过如上述的等离子体模块制作方法制得，其中所述等离子体模块包括内电极、外电极、内支撑架、外支撑架和绝缘子组成，所述的内电极片为一侧或两侧具有等距排列的齿状电极，所述内电极片与所述的内支撑架连接；所述的外电极为片或杆状结构，且所述外电极与所述的外支撑架连接，所述的内支撑架与所述的外支撑架通过所述的绝缘子连接。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过对等离子体模块的内电极和外电极片的结构模态分析以及内电极和外电极片的空间等离子体分析，结合需要治理的污染流体的流体速度控制范围、湿度大小范围、以及配套的电源电压调节范围，优化内电极和外电极片的结构尺寸、材料以及内电极和外电极片的空间距离和空间位置，解决了传统等离子体模块易受污染的问题，实现了等离子体模块的高效、长效和安全运行。
(2)本发明提供的等离子体模块制作方法，采用了“点、线、面”“三要素”的结构设计理念，即通过内电极和外电极片(杆)的“点”、“线”放电，产生“扇面”等离子体，减少或基本消除了等离子体作用区域的污染物“粘附”面积，提成废气处理效率。
(3)本发明在等离子体模块制作过程中，通过控制电压变化，在与内、外电极配套的等离子体电源的激励下，等离子体模块产生均匀的电子云和离子云，具有了对污染气体分子的“三重净化”作用，即“电子击断”净化、“活性粒子氧化”净化和“紫外光分解”净化。
(4)本发明等离子体模块制作过程中，放大了内电极和外电极片(杆)在气流的扰动作用，使电极产生了一定频率的“微振动”，电极片的这种“微振动”，一方面削弱了污染物与内电极和外电极片表面的粘附力，另一方面污染物在“微振动”的能量作用下以及污染物自身重力的作用下，无法在内电极和外电极片(杆)表面上积聚，确保了等离子体模块电极片(杆)表面的自净。
附图说明
图1为本发明实施例提供的内、外电极模型结构正视图；
图2为本发明实施例提供的内、外电极模型中的某一阶振动模态放大示意图；
图3为本发明实施例提供的内、外电极片空间俯视布局图；
图4为本发明实施例提供的内、外电极杆空间俯视布局图；
图5为本发明实施例提供的等离子体模块示意图；
图6为本发明实施例提供的等离子体模块制作方法流程图。
具体实施方式
使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图6所示，本示例提供一种等离子体模块制作方法，包括如下步骤：
S100：提取内电极和外电极模型，进行模态分析；分别获取内电极和外电极的模态频率和振幅，确定内电极和外电极的几何尺寸以及材料参数。
具体的，参见步骤S102-S110。
S102：从设计图中分别提取内电极和外电极模型，将内电极和外电极模型导入到ANSYS软件中，对所述内电极和外电极模型进行网络化划分。
具体的，从设计图纸中提取内电极和外电极的空间尺寸信息，绘制三维模型。本示例中，如图1和2所示，提取的内电极模型为电极片，所述内电极片的一侧或两侧具有等距排列的齿状电极；本示例中外电极模型为外电极片，本领域技术人员应当理解，此处的外电极模型也可以是外电极杆3，在此不作为对于本发明的限定。分别提取内电极片1和外电极片2的模型，并将内电极片1和外电极片2的模型导入到ANSYS等有限元分析软件中，对模型进行网络化划分，便于后面电极之间的模态分析。
本示例将内、外电极设计成杆状或者片状，而并非现有技术中的圆桶状或平板状，降低了粉尘与电极的接触面积，不便于粉尘在电极上的汇聚。此外，由于更小的外形设计，便于内电极和外电极片(杆)在气流的扰动作用下，产生了一定频率的“微振动”，电极片的这种“微振动”，一方面削弱了污染物与内电极和外电极片表面的粘附力，另一方面污染物在“微振动”的能量作用下以及污染物自身重力的作用下，无法在内电极和外电极片(杆)表面上积聚，确保了等离子体模块中电极片或电极杆表面的自净。
S104：设定内电极和外电极模态分析的边界条件，改变所述内电极和外电极模型的尺寸和/或材质，对内电极和外电极进行模态分析，分别确定内电极和外电极模型的模态频率和振幅。
具体的，本示例中设定的边界条件是指内、外电极安装位置的限制条件，本领域技术人员应当理解，在不同的工况下，废气处理设备的尺寸和大小是不相同的。如图5所示，内电极片1固定在内支撑架4上，外电极片2固定在外支撑架5，那么本示例中，边界条件就是由外支撑架5和内支撑架4的尺寸以及空间位置确定。优选的，根据目标污染流体速度，计算设备内风道的截面积，确定等离子体模块的几何尺寸；根据所述等离子体模块的几何尺寸确定内电极和外电极模态分析的边界条件，对内电极和外电极的几何尺寸和材料参数进行调整。具体的，如本示例中要求气流通过设备的速度为2m/s，根据风量大小，折算成设备内风道的截面积，等离子模块大小就是根据风道截面积大小设计的。需要说明的是，在不同的工况，要求气流通过设备的速度是不同的，一般气流速度的可控范围1.5m/s至5.0m/s不等。
调整内电极片1和外电极片2模型的几何尺寸，即分别改变内电极片1和外电极片2模型在水平方向上的参数，例如内电极片1和外电极片2的宽度和厚度。按振幅大小，列出电极片1和外电极片2模型的模态频率、振幅与模型几何参数的第一关系列表。调整内电极片1和外电极片2模型的材质，例如，将电极的材质选择不锈钢或者钛等金属。列出电极片1和外电极片2模型的模态频率、振幅材料参数的第二关系列表。在两个列表中，选取模态频率在100-500赫兹，振幅在0.2-0.5毫米，选取对应的内、外电极的空间尺寸和材料参数。需要说明的是，内、外电极在工作时，受到污染气流的扰动之下，那么振动频率和振动的幅值肯定是存在的，根据不同的工况，选取模态频率和振幅也有一定的区别。此外，模拟出的尺寸与实际的尺寸不是完全相同，大概是毫米数量级的差距，可以根据实际制作的时候，进行调整。
S200：将所述内电极和外电极模型导入分析软件中，构建内电极与外电极空间反应模型，进行等离子体分析；获取内电极和外电极空间电子密度分布以及空间离子密度分布数据，用来确定内电极和外电极的空间距离和空间位置。
具体的，参见步骤S202-S204。
S202：将内电极和外电极模型导入到COMSOL软件中，利用Multiphysics中的等离子体分析模块建立内电极和外电极的空间反应模型。
具体的，将步骤S104确定的电极片1和外电极片2的模型导入到COMSOL等有限元分析软件中，利用Multiphysics中的等离子体分析模块建立电极片1和外电极片2的空间反应模型。
S204：设定所述空间反应模型中的参数，确定内电极和外电极空间的电子云密度分布、空间离子云密度分布和空间电导率分布；所述参数包括内电极和外电极的电源电压、空间距离以及流经内电极和外电极之间的流体速度。
S206：根据设计图确定的内、外电极的初始空间距离，在此基础上，调整内电极和外电极的电源电压，按电源电压大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图。
再调整内电极和外电极之间的空间距离，按内电极和外电极片之间的空间距离大小，列出内电极和外电极之间分别在不同电压下的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图。
需要说明的是，内电极和外电极之间电子云分布，与添加的电压有直接的关系，本示例中选用的电压是高压脉冲电压，相当于单方向直流电压。内、外电极在加压下电导之后，空气中发生电离，其中电离的情况与内、外电极之间空间距离有关，还与等离子模块的工作状态有关系，例如，废气中流体速度大小、废气成分，会导致内、外电极发生电离的情况都有所不同。
因此，先确定不同风速下，电离情况符合阈值时，对电压的大小进行记录。然后将内、外电极间的距离作为因变量；根据实际内、外电极的空间尺寸，去推断在不同工况下的工作电压，最终确定内电极和外电极之间合适的空间尺寸。通过施加在内、外电极不同电压范围，产生均匀的电子云密度。需要说明的是，在等离子体构建过程中，内电极和外电极之间距离不能太近，否则电子云密度过高，会导致局部短路，进而致使等离子场不均匀；会使废气的处理效率降低。本示例，通过在与内、外电极配套的等离子体电源的激励下，等离子体模块产生均匀的电子云和离子云，具有了对污染气体分子的“三重净化”作用，即“电子击断”净化、“活性粒子氧化”净化和“紫外光分解”净化。
优选的，调整流经内电极和外电极之间的流体速度为因变量，保持电压大小、内电极和外电极的空间距离不变，按流体速度大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图。通过这样的方式，分别找出内电极和外电极之间的空间距离、施加电压、与流体速度之间关系图，通过选择临界值的50％-80％作为参考，确定内、外电极的空间距离。
调整内、外电极空间位置步骤包括：将内、外电极交错排列，使得一个内(外)电极均与两个外(内)电极之间产生等离子体场，保证了等离子体放电面在模块上是均匀。本领域技术人员应当理解，此处的参数选取，还可以根据目标污染流体的流体速度控制范围、湿度大小范围，调整内电极和外电极的空间距离和空间位置，在此不做限定。
S300：将所述内电极和外电极的空间距离、空间位置、几何尺寸以及材料参数输入有限元分析软件中，进行模态分析测试以及离子仿真测试；判断内、外电极之间能否产生均匀的电子云密度，若有较大偏差，则重复步骤S100-S300。
S400：当测试合格后，根据有限元分析软件输出内电极和外电极的最终空间距离、最终空间位置、最终几何尺寸以及最终材料参数，制作等离子体模块。
如图5所示，具体的，根据上述步骤确定内、外电极的材料几何尺寸；根据内、外电极最终的空间距离、最终空间位置，按照设计图，将内电极片1与所述的内支撑架4连接；外电极与所述的外支撑5架连接，所述的内支撑架4与所述的外支撑架5通过所述的绝缘子6连接，以此构成完整的等离子体模块。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，提供一种等离子体模块，通过上述的等离子体模块制作方法制得，其中所述的等离子体模块，包括内电极片1和外电极、内支撑架4、外支撑架5和绝缘子6组成，内电极片1的一侧或两侧具有等距排列的齿状电极，并与所述的内支撑架4连接；所述外电极可以是外电极片2或外电极杆3中的一种；且所述外电极与所述的外支撑架连接，所述的内支撑架4与所述的外支撑架5通过所述的绝缘子6连接。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”
以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
还需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“一”“二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种等离子体模块制作方法，其特征在于，包括：
S100：提取内电极和外电极模型，改变所述内电极和外电极模型的尺寸和/或材质，进行模态分析；获取内电极和外电极之间的模态频率和振幅，确定内电极和外电极的几何尺寸以及材料参数；提取的内电极模型为电极片，所述电极片的一侧或两侧具有等距排列的齿状电极；所述外电极模型为外电极片或外电极杆的一种；
S102：从设计图中分别提取内电极和外电极模型，将内电极和外电极模型导入到ANSYS软件中，对所述内电极和外电极模型进行网络化划分；
S104：设定内电极和外电极模态分析的边界条件，改变所述内电极和外电极模型的尺寸和/或材质，对内电极和外电极进行模态分析，分别确定内电极和外电极模型的模态频率和振幅；
S106：调整内电极和外电极模型的几何尺寸，重复步骤S102-S104，分别确定内电极模型和外电极模型的模态频率和振幅与几何尺寸的第一关系列表；
S108：调整内电极和外电极模型的材料参数，重复步骤S102-S104，分别确定内电极和外电极模型的模态频率和振幅与材料参数的第二关系列表；
S110：根据所述第一关系列表和第二关系列表，确定几何尺寸以及材料参数；
S200：将所述内电极和外电极模型导入分析软件中，构建内电极与外电极空间反应模型，进行等离子体分析；获取内电极和外电极空间电子密度分布以及空间离子密度分布数据，用来确定内电极和外电极的空间距离和空间位置；
S300：将所述内电极和外电极的空间距离、空间位置、几何尺寸以及材料参数输入有限元分析软件中，进行模态分析测试以及离子仿真测试；
S400：当测试合格后，根据有限元分析软件输出的内电极和外电极的最终空间距离、最终空间位置、最终几何尺寸以及最终材料参数，制作等离子体模块。
2.根据权利要求1所述的等离子体模块制作方法，其特征在于，所述步骤S200包括：
S202：将内电极和外电极模型导入到COMSOL软件中，利用Multiphysics中的等离子体分析模块建立内电极和外电极的空间反应模型；
S204：设定所述空间反应模型中的参数，确定内电极和外电极空间的电子云密度分布、空间离子云密度分布和空间电导率分布；所述参数包括内电极和外电极之间施加的电源电压、内电极和外电极之间空间距离以及流经内电极和外电极之间的流体速度中的一种。
3.根据权利要求2所述的等离子体模块制作方法，其特征在于，所述步骤S200还包括步骤S206，其包括：
调整内电极和外电极的电源电压，重复步骤S202-204，按电源电压大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图；
调整内电极和外电极之间的空间距离，重复步骤S202-S204，按内电极和外电极片之间的空间距离大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图；
调整流经内电极和外电极之间的流体速度，重复步骤S202-S204，按流体速度大小，列出内电极和外电极之间的空间电子云密度分布图、空间离子云密度分布图和电导率分布图。
4.根据权利要求1所述的等离子体模块制作方法，其特征在于，在所述步骤S102中：
根据目标污染流体速度，计算流经所述等离子体模块内的风道截面积，确定等离子体模块的几何尺寸；
根据所述等离子体模块的几何尺寸对内电极和外电极的几何尺寸和材料参数进行调整。
5.一种等离子体模块，通过如权利要求1-4任意一项所述的等离子体模块制作方法制得，其中所述等离子体模块包括内电极、外电极、内支撑架、外支撑架和绝缘子组成，所述的内电极为一侧或两侧具有等距排列的齿状电极，所述内电极与所述的内支撑架连接；
所述的外电极为片或杆状结构，且所述外电极与所述的外支撑架连接，所述的内支撑架与所述的外支撑架通过所述的绝缘子连接。
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| CN202011155818.2A CN112231959B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种等离子体模块制作方法及等离子体模块 |
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| CN202011155818.2A CN112231959B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种等离子体模块制作方法及等离子体模块 |
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