臭氧发生器毕业论文文档格式.docx

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颜色

淡蓝色

1大气压，0℃时溶解度（ml/L水）

49.1

640

稳定性

稳定

易分解

1大气压，0℃时溶解度（g/L）

1.429

2.144

表一 

氧气和臭氧的主要性质

表一不难看出，与氧气相比，臭氧比重大、有味、有色、易溶于水、易分解。

由于臭氧（O3）是由氧分子携带一个氧原子组成，决定了它只是一种暂存形态，携带的氧原子除氧化用掉外，剩余的有组合为氧气（O2）进入稳定状态。

所以臭氧工作中没有二次污染产生，给人类的环保需求雪中送炭，这是臭氧技术应用的最大优越性。

臭氧的应用主要在人为的灭菌消毒。

这主要是臭氧有很强的氧化能力，氧原子可以氧化细菌的细胞壁，直至穿透细胞壁与其体内的不饱和键化合而夺取细菌生命，它的作用是即刻完成的，臭氧的迅速灭菌效果决定于它的高还原电位，表二列出了人们常用的消毒物质还原电位与臭氧的比较。

名称

分子式

标准电极电位（伏）

臭氧

2.07

过氧化氢（双氧水）

H2O2

1.78

高锰酸离子

MnO4

1.67

氯

CL2

1.36

二氧化氯

CLO2

1.50

表二 

氧化还原电位比较

臭氧在灭菌消毒中名列榜首,成就了它的四大功用:

灭菌、氧化、脱色除味。

第三节臭氧的用途

臭氧的研究应用

早在19世纪，人们就认识到了臭氧的强氧化作用，发现臭氧对木材、稻草、淀粉、植物色素、天然橡胶、脂肪、动植物油与酒精等物质都有氧化作用。

1868年，德·

格贝斯（de·

Gebeth）获得了臭氧应用技术的第一项专利，用臭氧将煤焦油混合物氧化为适于涂料、油漆使用的产品。

1873年，欧洲将臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面投入使用。

一百多年来臭氧应用已社如多个领域，对人类的生产技术发展做出了重大贡献。

臭氧应用按用途分为水质处理、化学氧化、食品加工保鲜和医疗四个领域，各个领域的应用研究与设备开发都已达到相当高的水平。

世界已经形成了独立的臭氧技术产业和部门，1973年建立的国际臭氧协会（IOA）设在加拿大。

该协会每两年一次举办国际会议交流各国发展臭氧技术的论文、报告，发达国家都普遍建立了IOA地区性组织，进行学术交流。

[3][7][8]

二战以后，国际上臭氧应用技术得到了长足发展。

首先，1992年，德国帕德博恩建立了第一座用臭氧处理水质的大规模水厂，欧美、日本、加拿大等国家的自来水厂应用臭氧已达到普及程度。

矿泉水、纯净水厂家几乎都装备了臭氧设备。

美国七十年代初开始利用臭氧处理生活污水，主要是为了灭菌消毒、去除污染物、脱色等达到排放标准。

日本则在缺水地区将污水用臭氧处理后作为中水使用。

美、日、德、法等国家近年来都建立了大规模的臭氧污水处理厂。

其次，工业应用臭氧也已非常普遍，主要用于化工、石油、造纸、纺织和制药、香料工业。

食品行业的应用更为普及，1904年欧洲就利用臭氧对保存牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品进行保鲜处理，三十年代末，美国80%的冷藏蛋库都安装了臭氧发生器。

二战后，欧美、日在食品果蔬、蔬菜保鲜中将臭氧运用到储存、制造、运输等各个环节。

在医疗方面，二战时日本就利用臭氧进行人体理疗，俄罗斯则用于强气（臭氧化空气）体育人应用。

目前，国际上在医疗方面已有多种用途：

如病房、手术室的空气消毒，利用臭氧水进行医用器械消毒，采用臭氧进行牙科疾病治疗（口腔手术及保持口腔无菌），采用臭氧与放射理疗结合治疗癌症，喝臭氧水治疗妇女病，注射臭氧气体治疗瘘痔、静脉曲张等。

在保健方面，日本、台湾流行吸强气（含低浓度臭氧的空气）以强气，用臭氧化水淋浴身体杀体菌和美容。

现在流行的高科技美容，事实上就是利用臭氧。

[4][7][8]

第四节臭氧发生的方法

一、光化学法

　　光化学法是光波中的紫外光会使氧气分子O2分解并聚合成臭氧O3，大气上空的臭氧层即是由此产生的。

　　波长λ＝185nm（10-9m）的紫外光效率最高，此时，光量子被O2吸收率最大。

其反应基本过程为：

O2＋hr→O＋O

O2＋O＋+M→O3＋M

hr－紫外光量子

M－存在的任何惰性物体，如反应器器壁、氮、二氧化碳气体分子等。

　　紫外法产生臭氧的优点是对湿度、温度不敏感，具有很好的重复性；

同时，可以通过灯功率线性控制臭氧浓度、产量。

这两个特性对于臭氧用于人体治疗与作为仪器的臭氧标准源是非常合适的。

图1紫外线产生臭氧示意图

二、电化学法

利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧气体的方法，其历史同发现臭氧一样悠久。

八十年代以前，电解液多为水内填加酸、盐类电解质，电解面积比较小，臭氧产量很小，运行费用很高。

由于人们在电极材料、电解液与电解机理、过程方面作了大量的研究工作，电解法臭氧发生技术取得了很大进步。

近期发展的SPE（固态聚合物电解质）电极与金属氧化催化技术，使用纯水电解得到14％以上的高浓度臭氧，使电化学法臭氧发生器技术向前迈进了一大步。

　　电解法臭氧发生器具有臭氧浓度高、成分纯净、在水中溶解度高的优势，在医疗、食品加工与养殖业及家庭方面具有广泛应用前景，在降低成本与电耗条件下将与目前应用广泛的电晕放电法臭氧发生器形成激烈竞争。

图2电解法产生臭氧示意图

三、电晕放电法

　　电晕放电合成臭氧是目前世界上应用最多的臭氧制取技术，此技术能够使臭氧产量单台达500kg/h以上。

　　电晕放电法（无声放电或辉光发电法）就是一种干燥的含氧气体流过电晕放电区产生臭氧的方法。

常用的原料气体有：

氧气空气以及含有氮、二氧化碳，或许还有其他惰性稀释气体的含氧混合气体。

四、臭氧的产生机理

虽然有若干机理可能同电晕内臭氧的形成有关，但①式特殊反应途径被认为是主要的

e+O2→2O＋e 

①

利用高速电子轰击氧气，其分解成氧原子。

高速电子具有足够的动能（6～7eV）,紧接着通过三体碰撞反应形成臭氧。

O+O2+M→O3＋M 

②

式中M是气体中任何其它气体分子，不过与此同时，原子氧和电子也同样同臭氧反应形成氧气。

O+03→2O2 

③

e+O3→O+O2+e 

④

　　此外，电晕内的气体是处于可促进臭氧分解反应的高温下，所以净臭氧产量或出口产气组成是形成和分解臭氧所有反应的总和。

净产率依众多因素而变，包括：

原料气的氧气含量和温度、原料气含的污染物、达到的臭氧浓度、电晕中的功率密度、冷却剂的温度和流量及冷却系统的效率。

这些因素都影响着实用的、经济上有吸引力的臭氧发生器和系统的设计。

（一）沿面放电——臭氧发生器　

沿面放电型发生器原理属于电晕放电，其放电区发生在高压电极边缘表面，由高压闪络形成。

沿面放电区空气电晕能量集中，功率密度较高，需要良好的冷却。

　延边放电发生器有充惰性气体氖（Ne）或氩（Ar）的玻璃放电管和陶瓷片两种。

充气玻璃放电管发生器国外称作臭氧灯，八十年代初外国远洋食品冷藏船仓杀菌防霉就使用这种臭氧发生器。

我国邯郸、大连灯船舶工业相关单位首先研制了这种产品，做成5g/h的发生器用于鸡蛋、果蔬冷库消毒与保鲜。

由于结构简单、工艺要求低，我国很快发展了这种用于医疗行业和消毒柜的微型管式发生器，数量很大，价格便宜。

但经多年实践检验，该种发生器大多数寿命极短，一般连续工作几百小时后产生的臭氧量即所剩无几了。

（二）气隙放电

图3气隙放电产生臭氧示意图

气隙放电臭氧发生器是目前工业应用最多，单机产量最大，技术较成熟臭氧产品。

它分为板式结构和管式结构两种。

图4板式臭氧发生器示意图

板式结构臭氧发生器以俄罗斯为代表，采用冲压盘式搪瓷技术，放电气隙小，加工精度高，臭氧浓度高，运行较稳定，工业己有规模应用。

我国己有企业开始研究此项技术要达到工业应用还需要作很多工作。

板式结构适合中小型臭氧产品，大型臭氧需要多个放电室串联和并联来实现对系统要求较高。

管式结构如图：

图5管式臭氧发生器示意图

管式结构臭氧发生器是目前臭氧市场广泛采用、最为成熟技术以奥宗尼亚和威德高两公司产品为代表，占据我国大部分大型机臭氧市场，在我国已有单机45kg/h产品应用，国际上己有单台臭氧产量500kg/h的产品在运行。

管式臭氧发生器一般采用玻璃和非玻璃两种介质，电源采用可控硅和IGBT，频率800hz—5000hz。

国内己有企业采用上述技术生产大型臭氧设备单机产量达20kg/h。

上述是臭氧制取的几种方法和基本原理，并不代表臭氧如此简单产生，臭氧制取是一个完整系统。

（三）DBD（有介质阻档放电）型臭氧发生器型号CF-G-3-1K

图6CF-G-3-1K型臭氧发生器示意图

高频管式空气源臭氧发生器（CF-G-3-1K）特点及用途：

臭氧发生管是臭氧发生器的关键部件，其工作原理是利用介质阻挡放电，1kg/h臭氧发生器采用20根单管产量为50g/h的臭氧发生管并联运行，其外径为100mm、长为1350mm，平均有效放电面积约为0.1387m2，介电体使用性能优良的硼硅3.3玻璃，玻璃管直径50mm，长为1000mm，壁厚1.8mm；

采用双气隙放电结构，主要构件包括内电极管、介电管和外电极管等。

内、外电极管分别作为接地极和高压电极，材质均为铝合金，玻璃管作为介电管置于内、外电极管间，并且形成内、外2个放电间隙。

作为放电电极的2根铝合金管表面均经阳极化处理，形成极薄的抗氧化层。

采用IGBT功率元件的高压逆变电源，工作电压在臭氧发生器工作时有效值10～12kV,峰值16～20kV，工作频率为1050Hz。

在此条件下，臭氧发生器的单管产量能达到50～60g/h，臭氧浓度为18～22g/m3,单管臭氧产量比国内其它发生器高20～30g/h，臭氧浓度也得到提高，电耗减少，从而提高了臭氧发生管的可靠性和其总体性能。

臭氧发生管接地极采用水冷，冷却水通过内部的铝合金管流动，通常使用自来水，冷却水水路采用开式循环；

高压极采用油冷，油沿外电极的外表面流动，冷却油采用闭式循环。

冷却水和冷却油通过热交换器换热。

冷却水和冷却油将臭氧发生管工作过程中产生的热量及时吸收，从而降低工作温度，保证臭氧发生管高效稳定工作，提高臭氧产率和防止介电体热击穿 

独特的臭氧发生多管并联系统和空气预处理系统，由于采用标准化设计，并逐一由开关控制，因此可以方便地构成高产量的臭氧发生系统，并且即使出现损坏，也可以在不影响其它模块工作的情况下单独对损坏部件修理、更换。

[5]

主要应用于矿泉水、纯水、小区分质供水等制取设备配套杀菌.污水处理、游泳池水质净化杀菌、消毒、除臭、除味、脱色。

自来水、中水回用等二、三级处理及终端处理。

地下水质净化。

化工氧化脱色，也可以作为原料或催化剂参与化学反应。

也可为外置式臭氧发生器适用于中央空调净化系统的制药、食品加工车间等洁净系统进行大循环大消毒、灭菌。

第五节影响臭氧发生器技术水平及质量的几个主要因素

一、气源

气体的性质（高浓度氧或空气）及干燥度对臭氧发生器的效率及性能有着重要的影响。

气源中含有的水气及微粒应被去除到最少，存在于气源中的杂质会沉积在电极表面影响放电。

源气中的水气会导致两个严重的问题。

第一，将导致臭氧产量急剧下降，第二，空气中的一小部分氮将被氧化溶解在水气中形成硝酸对设备造成腐蚀。

源气的露点应保持在-60℃以下以防止这类事情的发生。

使用空气作气源时，臭氧产率随浓度的上升快速下降，例如，当臭氧浓度为13g/m3时（1.1%重量比），每度电能产生35克的臭氧，当臭氧浓度为20g/m3时，每度电只能产生28克左右臭氧。

如要达到50g/m3的浓度，几乎无产量。

因而采用空气作气源时，往往采用10-20g/m3左右的臭氧浓度（1-1.5％重量比）。

以下几个原因使得采用高浓度氧气作为气源成为首选:

第一，高浓度氧气的生产工艺保证了气源的纯净和低露点----可轻松达到-60℃以下。

第二，高浓度氧气大幅度提高臭氧发生器的效率和性能。

第三，臭氧的溶解度符合亨利定律。

这说明臭氧的浓度越高，臭氧的溶解度也就越高，臭氧的溶解量也就越高。

将臭氧浓度从1%提高到4-6%，同样的剂量可以使更多地臭氧溶解在水中而且同时相应的提高处理效果。

第四，高浓度臭氧气使得需要溶解的气体体积减少到空气法的1/5,所需溶解动力只有空气法臭氧的1/5。

第五，氧气制备系统提供的清洁环境可增加臭氧放电组件的使用寿命，并相应地减少系统的维护费用。

现代一般采用分子筛变压吸附法制取高浓度氧气。

[6]

二、放电电源

臭氧由于是在高能电磁场下形成的，因而需要有外界提供相应的能量，这就是臭氧放电电源，理论计算表明，电源频率的提高可减少设备体积，降低放电电压，提高系统的安全性和可靠性，但中高频电源的应用需要电力半导体技术做支撑。

臭氧在应用之初,使用的是工频电源,设备体积庞大。

随着电力半导体技术的飞速发展,中高频臭氧发生器电源的可靠性得到大幅度的提高，目前国际上处于技术领先的臭氧发生器厂家在大功率臭氧发生器上普遍采用了中高频电源（大于400Hz）。

三、臭氧发生管

臭氧发生管是臭氧发生器的核心元件之一，也是故障高发区。

它影响到臭氧发生器的放电电压、效率及可靠性。

臭氧发生管的性能是衡量臭氧发生器生产厂商研发能力的重要标志。

四、控制及电器元件

一台先进的臭氧发生器应具备各种控制及保护功能，国内外先进的臭氧发生器均以PLC为控制核心，具有远控功能，并可由主控台对系统进行控制，并能实现与循环泵、加压泵等的联动。

具有短路保护、冷却水过温保护、变压器过温保护、机柜开关保护等各项联锁保护功能。

各种控制及传感元器件的性能直接影响到臭氧发生器的可靠性，一般来说，如果一台臭氧发生器上的控制及电器元件选择合理，则该部分的可靠性会得到保障。

第二章换热器知识

第一节换热器发展历史

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。

换热器的分类比较广泛：

反应釜、压力容器、冷凝器、反应锅、螺旋板式换热器、波纹管换热器、列管换热器、板式换热器、螺旋板换热器、管壳式换热器、容积式换热器、浮头式换热器、管式换热器、热管换热器、汽水换热器、换热机组、石墨换热器　空气换热器、钛换热器、换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。

它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。

但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。

[1]

第二节换热器的应用领域

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。

它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。

它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

　　换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；

也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。

　　由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。

随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

　　二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

[2]

第三节换热器的类型

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

一、混合式换热器

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。

由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。

例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

二、蓄热式换热器

蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。

这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。

以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。

三、间壁式换热器

间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

　　间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。

管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；

板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；

其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

在下面的论文中我们着重多管壳式换热器和板式换热器进行分析。

（一）管壳式换热器的结构与特点

1管壳式换热器

导管式换热器在工业上的应用有悠久的历史，目前它被当作一种传统的标准换热器设备乃在很多工业不猛中大量使用，尤其是在化工、石油、热能动力工程等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器乃据主导地位。

1.1管壳式换热器的结构

管壳式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱和后端结构等部件组成。

管束安装在壳体内，前端固定在管板上。

管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。

在管壳式换热器中，介质流经换热管内的通道及与其相贯通处称为管程；

介质流经换热管外的通道及与其相贯通处称为壳程。

热、冷介质分别在管程和壳程中连续、稳定的流动，通过管束壁面实现传热。

流经管程的流体称为壳流体。

1.2管壳式换热器的特点

一般说来，管壳式换热器易于制造，生产成本比较低，选材范围广，传热面清洗比较方便，适应性强，处理量打，具有高度工作可靠性，能承受高温，高压。

但，它的结构经凑性，传热强度和单位传热面积无法和高效率的换热器相比较，但是，由于承受高温、高压和高度的可靠性等优点在市场有立足之地。

在换热器向高温、高压、大容量发展的今天，历史悠久的套管式换热器更增添了新的生命力。

（二）板式换热器的结构与特点

板式换热器以传热效率高（比传统的管壳式换热器高2～4倍）、节能、经济、结构紧凑、拆卸方便等优点。

以被广泛地应用于化工、电力、石油、冶金、食品、医药、船舶、机电、纺织、造纸等工业部门，同时在城市集中供热及热能回收工程式中也被大量采用。

我厂制造的板式换热器已被国家科委、机械部、电力部等七部委列为第十六批高效节能机电产品在全国推广。

2.1板式换热器的结构

板式换热器主要是由换热板、密封圈、盖板、紧固装置组成。

换热板是板式换热器的核心部件，版面的几何尺寸决定其传热及流阻性能。

目前广泛使用的板型有几十种，典型的有突起状板、波纹板、人字形板等。

2.2板式换热器的特点

（1）传热效率高

板片波纹的设计以高度的簿膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流），扰动流又有自净效应以防止污垢生成，因而传热效率很高。

一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000～6000W/m2.。

C范围内。

这就表明，板式换热器只需要管式换热器面积地1/2～1/4即可达到同样的换热效果。

（2）使用安全可靠

在板片之间的密封装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出换热器外部，即防止了两种介质相混，又起到了安全报警的作用。

（3）随机应变

由于换热板容易拆卸，通过调节传热板的数目或者变更流程就可以得到最合适的容量和传热效果。

只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。

这样就为用户提供了随时可变更和改变传热系数K值或者增加新机能的可能。

（4）有利于低温热源的利用

由于二种介质几乎是全逆流流动，以及高的传热效果，板式换热器二种介质的最小温差可以达到1。

C。

用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。

（5）占地小，易维护

板式换热器地结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2～1/3。

并且不像管壳式那样需要预留出很大的空间用来拉出管束检修。

而板式换热器只需松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内100％地接触到换热板地表面，且装卸很方便。

（6）阻力损失小

在相同地传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管式换热器的1/3范围内。

（7）热损失小

因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。

（8）冷却水量小

板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都有很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。

反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。

（9）投资较低

在相同热量的前提下，板使换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流