CN114702009A - 一种高效板式臭氧发生器放电室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效板式臭氧发生器放电室，包括封堵板、进出口法兰、缓冲室、水路密封圈、气路密封圈、导气槽、若干个地极板单元、若干个所述地极板单元内部均设有第一缓冲室和第二缓冲室，所述地极板单元顶部与前封堵板连接，所述第一缓冲室与第二缓冲室一通过U型并联线路连接，所述第一缓冲室和第二缓冲室一侧设有多路位凹槽气隙，所述多路位凹槽气隙顶部依次设有地极板、陶瓷板、橡胶板。该发明通过对地极板的特殊设计，结合陶瓷板，橡胶板及密封圈，在放电内部形成完整的气路、冷却通路设计，使放电室结构更紧促，接口简单，各个单元采用横向压力紧固，通过密封圈的线密封，确保气路、冷却通路的完整性，避免了泄露隐患。
Description
技术领域
本发明涉及气体制备技术领域，具体来说，涉及一种高效板式臭氧发生器放电室。
背景技术
现代工业的发展，导致进入水体、大气、土壤中的有机物数量和种类急剧增加，污染日益加剧，尤其是高浓度、难降解的有机物，成分复杂、可生化性差、污染严重、毒性高等特点，采用常规的处理工艺已经很难满足净化要求，采用高浓度臭氧的高级氧化技术是目前最为理想的方案，臭氧的氧化能力仅次于氟，可以与许多无机物和有机物发生氧化反应，对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染物质去除彻底，不产生二次污染，是“理想的万能绿色强氧化药剂”，采用芬顿、UV光催化等工艺能彻底解决污水净化、土壤修复、大气处理等问题；
研究表明，臭氧浓度的越高对污染的处理效果越明显，特别是半导体加工的硅片清洗、光刻胶去除、原子层沉淀ALD、分子束外延ALE等工艺，医疗高浓度臭氧水等领域，对臭氧的浓度需求超过20%wt，目前的臭氧发生器输出浓度通常在7%wt~15%wt，难以满足实际应用的需求，虽然有报道国外高校研制成功输出浓度可达20.85%wt的臭氧发生器，但是价格昂贵，结构复杂，运行条件苛刻，工程应用难度大；
臭氧发生器原理为通过高压放电技术，电离氧气使之产生电化学反应，从而产生臭氧，然而臭氧极其不稳定，标准环境中半衰期约30分钟，随着温度的升高，分解速度加快，温度超过100℃时，臭氧分解非常剧烈，当达到270℃高温时，可立即分解转化为氧气，目前最高效的臭氧发生器均采用介质阻挡放电技术，相比UV法、电解法更有能效优势，但是介质阻挡放电臭氧发生器的虽然工作于低温等离子放电状态，但是电子温度依然接近9000k，放电电极依然处于高温状态，加快了臭氧的分解，从而降低臭氧的有效输出浓度，增加设备的单位功耗，板式臭氧发生器的阻挡介质采用高纯氧化铝陶瓷，放电效率远远高于管式臭氧发生器的玻璃，浓度可以达到14%wt，能耗7~9w/g，优于管式臭氧发生器的10%wt浓度和9~11w/g能耗，作为高耗能设备，运行成本也是臭氧发生器应用的主要制约条件，因此目前的臭氧发生器无论是输出浓度，还是单位功耗都存在不足，严重制约了臭氧发生器的工程应用。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种高效板式臭氧发生器放电室，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高效板式臭氧发生器放电室，包括若干个地极板单元，若干个所述地极板单元内部均设有第一缓冲室和第二缓冲室，两侧所述地极板单元分别通过锁紧螺栓与封堵板连接，所述第一缓冲室与第二缓冲室通过并联线路连接，所述第一缓冲室和第二缓冲室一侧设有多路位凹槽气隙，所述多路位凹槽气隙中部设有反应组件。
更进一步的，若干个所述地极板单元左右两端分别设有第三缓冲室和第四缓冲室，所述第三缓冲室和第四缓冲室顶部四周设有气路密封圈，所述第一缓冲室和第二缓冲室顶部四周设有水路密封圈。
更进一步的，一侧所述封堵板与第一缓冲室对应处设有冷媒入口法兰，一侧所述封堵板与第二缓冲室对应处设有冷媒出口法兰，一侧所述封堵板与第三缓冲室对应处设有氧气输入法兰，一侧所述封堵板与和第四缓冲室对应处设有臭氧输出法兰。
更进一步的，所述并联线路为U型线路。
更进一步的，所述反应组件为三层叠加板体结构，所述叠加板体结构从底到上依次为地极板、陶瓷板、橡胶板。
更进一步的，所述地极板采用铝合金材料构成，所述陶瓷板上设有合金溅射电极涂层和电极涂层覆盖釉层，所述陶瓷板中部设有电极引线接驳点，橡胶板为骨架式支撑板。
更进一步的，所述电极引线接驳点通过正电极引出组件与电气接驳盒连接。
更进一步的，所述电气接驳盒设置于若干个所述地极板单元顶部，若干个所述地极板单元底部设有滚轮机构。
更进一步的，所述封堵板内侧设有多路位凹槽气隙。
本发明的有益效果：
全封闭的气路、冷却系统设计
通过对地极板的特殊设计，结合陶瓷板，橡胶板及密封圈，在放电内部形成完整的气路、冷却通路设计，使放电室结构更紧促，接口简单，各个单元采用横向压力紧固，通过密封圈的线密封，确保气路、冷却通路的完整性，避免了泄露隐患；
独特并联冷却通道设计
采用并联结构设计，避免了串联冷却通路（U型回路）的回路过长，而导致的回路末端温升过高，造成臭氧分解加快，降低臭氧输出浓度增加系统的单位臭氧产量的能耗，并联结构的特殊设计，使得各冷却支路的冷媒流态分布均匀，热交换效率高，放电室各部分温升一致，避免了局部温升而导致臭氧快速分解，保证了放电室的臭氧高浓度输出和更低的单位能耗；
独特气路及放电气隙设计
采用并联气路设计，气流状态更为均匀，特殊的气体缓冲室结构设计，保证在并联状态下各个气路的流态一致性，均匀电场作用下，放电状态均匀，增加了放电强度的可控性，提高放电室的放电效率，提高臭氧输出浓度，降低功耗；
提高放电室的可靠性
放电室采用一体化设计，除首尾封板外，其余单元结构均一致，可以实现流水线标准加工、组装，预定压力紧固，保证生产工艺的一致性，减少人为因素导致的组装差异，降低设备故障率，本设计可经受工作压力测试，是传统发生器可承受的压力测试的2倍，大大降低气体、冷媒泄露风险，增加设备的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室整体结构图；
图2是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的冷却系统结构图；
图3是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的多路位凹槽气隙结构图；
图4是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的多路位凹槽气隙工作原理图；
图5是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的反应组件结构图；
图6是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的陶瓷板金属电极布局图；
图7是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的陶瓷板剖面图；
图8是根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室的橡胶板结构示意图。
图中：1、电气接驳盒，2、第一缓冲室，3、并联线路，4、第二缓冲室，5、多路位凹槽气隙，6、地极板单元，7、地极板，8、陶瓷板，9、橡胶板，10、封堵板，11、第三缓冲室，12、第四缓冲室，13、气路密封圈，14、冷媒入口法兰，15、冷媒出口法兰，16、氧气输入法兰，17、臭氧输出法兰，18、反应组件，19、正电极引出组件，20、水路密封圈，21、合金溅射电极涂层，22电极涂层覆盖釉层，23、电极引线接驳点，24、滚轮机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图 1-8所示，根据本发明实施例所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，包括若干个地极板单元6，若干个所述地极板单元6内部均设有第一缓冲室2和第二缓冲室4，两侧所述地极板单元6分别通过锁紧螺栓与封堵板10连接，所述第一缓冲室2与第二缓冲室4通过并联线路3连接，所述第一缓冲室2和第二缓冲室4一侧设有多路位凹槽气隙5，所述多路位凹槽气隙5顶部设有反应组件18。
在具体实施例中，若干个所述地极板单元6左右两端分别设有第三缓冲室11和第四缓冲室12，所述第三缓冲室11和第四缓冲室12顶部四周设有气路密封圈13，所述第一缓冲室2和第二缓冲室4顶部四周设有水路密封圈20。
在具体实施例中，一侧所述封堵板10与第一缓冲室2对应处设有冷媒入口法兰14，一侧所述封堵板10与第二缓冲室4对应处设有冷媒出口法兰15，一侧所述封堵板10与第三缓冲室11对应处设有氧气输入法兰16，一侧所述封堵板10与和第四缓冲室12对应处设有臭氧输出法兰17。
在具体实施例中，所述并联线路3为U型线路。
在具体实施例中，所述反应组件18为三层叠加板体结构，所述叠加板体结构从底到上依次为地极板7、陶瓷板8、橡胶板9。
在具体实施例中，所述地极板7采用铝合金材料构成，所述陶瓷板8上设有合金溅射电极涂层21和电极涂层覆盖釉层22，所述陶瓷板8中部设有电极引线接驳点23，橡胶板9为骨架式支撑板。
在具体实施例中，所述电极引线接驳点23通过正电极引出组件19与电气接驳盒1连接。
在具体实施例中，所述电气接驳盒1设置于若干个所述地极板单元6顶部，若干个所述地极板单元6底部设有滚轮机构24。
在具体实施例中，所述封堵板10内侧设有多路位凹槽气隙5。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的带压的冷媒通过冷媒入口法兰14，进入第一缓冲室2，处于带压状态。在压力作用下，通过并联线路3进入第二缓冲室4，并经冷媒出口法兰15流出，本设计的要点在于地极板单元6的冷媒通道采用并联设计，能够避免串联设计的通道过长，导致冷媒末端温度过高，导致的臭氧分解加速，设计的核心在于散热冷媒通道的全并联设计状态下，确保各个并联通道内冷媒的流速、流量均匀，主要在于：冷媒入口法兰14的口径与位置，第一缓冲室2、第二缓冲室4的结构、尺寸及布局，并联管路3的尺寸及布局，确保在设定冷媒入口压力的情况下，冷媒在放电室单元各个支路及整个模块中的流态均匀，避免系统散热的不均匀，致使局部温度过高，而导致的臭氧分解加速，从而影响整体的臭氧输出浓度。
带压氧气通过氧气输入法兰16进入第三缓冲室11，在压力作用下，通过多路位凹槽气隙5构成的并联管路，经S形串联回路最终进入第四缓冲室12，并经臭氧输出法兰17流出。
由放电室地极板及陶瓷电极板套件三组构成为一个完整气隙单位，形成多组界面并联组件三次折返串联的并串联设计，根据不同产量，以3组为单位进行叠加，以达到不同产量输出的要求，既避免单并联导致的气体流速过快，在电厂中滞留时间短，电离不充分而导致的臭氧浓度低，又避免了单串联气路结构的通道过长，导致的管路末端氧气温度过高，导致的臭氧分解加速,同时也克服了串联气路的气阻过大，压力损失大，出气臭氧压力低，导致臭氧应用的曝气局限，本设计的核心在于气路的并串联设计状态下，确保放电界面的氧气、臭氧流态，通过调整并联气隙的截面积，优化不同臭氧产量（气量不同）的电离电场的氧气流态，保证各个气隙通道内氧气的流速、流量、温升均匀，确保在设定进气压力的状态下，氧气在放电室单元各个支路及整个模块中的流态均匀，形成均匀的放电状态，提高放电室的效能，降低功耗，避免气流不均导致的电离不均匀，局部温升过高，而导致的放电室效能低，臭氧输出浓度低，单位臭氧功耗高等。
陶瓷板喷涂电极的设计，陶瓷板的厚度及物理参数包括翘曲度、致密性、介电常数等，确立合适的放电电压、放电应力及导热特性；根据地极板的气路结构，确定的陶瓷板电极几何形状及尺寸，形成覆盖气路的均匀放电场，避免气路期许边缘的尖端放电，而导致的陶瓷板高压击穿；陶瓷板电极涂层的厚度及材质，设计合理的阻抗特性、降低驻波效应，电极引线接驳点23的设计在于合理的焊接温度，焊接合金电极的电气可靠性及焊接高温状态的焊点强度，保证焊点的接触电阻合理，避免虚焊及局部高温导致焊盘从陶瓷板脱落风险。
橡胶的主要作用为提供弹性压力，使陶瓷板紧密贴合地极板，形成均匀且封闭的放电气隙通道，既要保证充足的伸缩度，提供足够的压力使陶瓷板紧密贴合地极板，又要避免压力过大，导致陶瓷板承受过载的机械应力，在高压放电状态下炸裂，导致臭氧发生器放电室故障，为满足使用要求，根据放电气隙结构，橡胶板设计为平面方式，在承压受力方向上采用加强筋设计，在承受压力状态下，将形变向两边扩散，降低陶瓷板的机械应力。
将臭氧放电室专用电源的高压极及地极电缆引入电气接驳盒1内，通过螺栓分别固定于高压极及地极接线柱上，将制冷机的输出管路通过法兰与放电室的冷媒进口连接，放电室的冷媒出口通过管道与制冷机的输入管道链接，将制氧机或经过液化气的液氧输出，通过不锈钢管或者聚四氟管与放电室的氧气进口连接，放电室的臭氧出口通过不锈钢管或者聚四氟管与臭氧反应器连接。
打开氧气通道，进行吹扫15分钟，彻底排除放电室内水分、异物，打开制冷机，使冷媒进入放电室，充分排空通道内空气，调节放电室电源的频率及功率输出，逐步达到额定工作电压，通过安装于臭氧反应器的臭氧浓度检测仪，观测臭氧浓度根际气体流量计算臭氧产量及单位功耗。
根际本方案分别设计300g/h和2.5kg/h臭氧放电室样机，测定300g/h臭氧发生器放电室的最高输出臭氧浓度为21.3%wt，在10%wt浓度的输出产量为365g/h，单位功耗为5.65w/g，测定2.5kg/h臭氧发生器放电室的最高臭氧输出浓度为22.8%wt，在10%wt浓度的输出产量为2.96kg/h，单位功耗为5.57w/g，指标均由于目前同类臭氧发生器放电室指标：最高输出浓度提高约50%（同类发生器的最高浓度约14%wt），10%wt浓度下的输出产量提高约18.4%~21.7%；在10%wt浓度下额定产量的单位功耗降低约42%（同类发生器的额定工作状态功耗为7~9w/g），表明本设计的放电室在臭氧输出浓度，额定产量、单位功耗都有明显优势。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过对地极板的特殊设计，结合陶瓷板，橡胶板及密封圈，在放电内部形成完整的气路、冷却通路设计，使放电室结构更紧促，接口简单，各个单元采用横向压力紧固，通过密封圈的线密封，确保气路、冷却通路的完整性，避免了泄露隐患；
采用并联结构设计，避免了串联冷却通路（U型回路）的回路过长，而导致的回路末端温升过高，造成臭氧分解加快，降低臭氧输出浓度增加系统的单位臭氧产量的能耗，并联结构的特殊设计，使得各冷却支路的冷媒流态分布均匀，热交换效率高，放电室各部分温升一致，避免了局部温升而导致臭氧快速分解，保证了放电室的臭氧高浓度输出和更低的单位能耗；
采用并联气路设计，气流状态更为均匀，串联气路设计中的气体通道过长，随着放电的进行，气体温度逐渐升高，导致的末端温度过高，臭氧分解加快，采用特殊的气体缓冲室结构设计，保证在并联状态下各个气路的流态一致性，均匀电场作用下，放电状态均匀，增加了放电强度的可控性，提高放电室的放电效率，提高臭氧输出浓度，降低功耗；
放电室采用一体化设计，除首尾封板外，其余单元结构均一致，可以实现流水线标准加工、组装，预定压力紧固，保证生产工艺的一致性，减少人为因素导致的组装差异，降低设备故障率，本设计可经受10倍工作压力测试，高于传统发生器可承受的5倍压力测试，大大降低气体、冷媒泄露风险，增加设备的可靠性。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，包括若干个地极板单元（6），若干个所述地极板单元（6）内部均设有第一缓冲室（2）和第二缓冲室（4），两侧所述地极板单元（6）分别通过锁紧螺栓与封堵板（10）连接，所述第一缓冲室（2）与第二缓冲室（4）通过并联线路（3）连接，所述第一缓冲室（2）和第二缓冲室（4）一侧设有多路位凹槽气隙（5），所述多路位凹槽气隙（5）顶部设有反应组件（18）。
2.根据权利要求1所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，若干个所述地极板单元（6）左右两端分别设有第三缓冲室（11）和第四缓冲室（12），所述第三缓冲室（11）和第四缓冲室（12）顶部四周设有气路密封圈（13），所述第一缓冲室（2）和第二缓冲室（4）顶部四周设有水路密封圈（20）。
3.根据权利要求2所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，一侧所述封堵板（10）与第一缓冲室（2）对应处设有冷媒入口法兰（14），一侧所述封堵板（10）与第二缓冲室（4）对应处设有冷媒出口法兰（15），一侧所述封堵板（10）与第三缓冲室（11）对应处设有氧气输入法兰（16），一侧所述封堵板（10）与和第四缓冲室（12）对应处设有臭氧输出法兰（17）。
4.根据权利要求1所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，所述并联线路（3）为U型线路。
5.根据权利要求4所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，所述反应组件（18）为三层叠加板体结构，所述叠加板体结构从底到上依次为地极板（7）、陶瓷板（8）、橡胶板（9）。
6.根据权利要求5所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，所述地极板（7）采用铝合金材料构成，所述陶瓷板（8）上设有合金溅射电极涂层（21）和电极涂层覆盖釉层（22），所述陶瓷板（8）中部设有电极引线接驳点（23），橡胶板（9）为骨架式支撑板。
7.根据权利要求6所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，所述电极引线接驳点（23）通过正电极引出组件（19）与电气接驳盒（1）连接。
8.根据权利要求7所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，所述电气接驳盒（1）设置于若干个所述地极板单元（6）顶部，若干个所述地极板单元（6）底部设有滚轮机构（24）。
9.根据权利要求1所述的一种高效板式臭氧发生器放电室，其特征在于，所述封堵板（10）内侧设有多路位凹槽气隙（5）。
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