介质阻挡放电臭氧产生的传热及动力学模拟

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臭氧具有强氧化等优良特性,近百年前就成功应用于水处理与医药行业中,且其新的应用场合不断被发现。但目前商用臭氧发生器的臭氧产率小于111/(kW·h)(氧气源),远低于理论值1226/(kW·h).从介质阻挡放电臭氧产生的原理来看,臭氧产生所需能耗的90%以上转化为热量,这部分热量如未及时排除还将分解已产生的臭氧。因此,为使臭氧产生更有效地进行,有必要对介质阻挡放电臭氧产生的传热过程进行分析。本文首先对介质阻挡放电臭氧产生的温度场进行分析,以揭示臭氧发生单元的温度分布规律和寻求降低气体间隙温度的有效方法;同时,为揭示臭氧产生的反应机理,还进行了动力学分析,具体如下:(1)利用ANSYS建立了圆管型和平板型介质阻挡放电臭氧发生单元传热模型,并对它们的温度分布规律及气体间隙温度影响因素进行分析。研究结果表明:在圆管型臭氧发生单元体系中,各部分沿周向的温度分布都比较均匀,但是沿气源流动方向和径向温度分布都呈现一定的梯度;冷却水进水温度的降低、冷却水进水流量的增大、电源功率的降低和有效放电长度的增长都有利于气体间隙平均温度的降低;在平板型臭氧发生单元体系中,除气体间隙和高压电极外,沿x轴方向(即垂直于气源流动方向)的温度分布都比较均匀,但是沿气源流动方向的温度都呈现一定的梯度;使冷却水和电介质层位于气体间隙的同侧、采用单电介质层和较宽的气体间隙结构都有利于气体间隙平均温度的降低。(2)收集整理了详细的臭氧产生基元反应及动力学参数,然后采用CHEMKIN软件对臭氧产生过程进行了动力学模拟。模拟结果表明:在一定范围内,气体压力的增大、环境温度的降低和气体流量的减小都有利于高浓度臭氧的产生;对臭氧产生过程进行敏感性分析和ROP(Rate of Production)分析,得到了臭氧产生过程中的主要基元反应和主要组分,以及主要组分O、O*和O2*的主要影响反应;对臭氧产生过程进行瞬态分析得出,在非稳态粒子中,氧原子O的生存期最长,带电粒子O-、O+、O2+的生存期都很短,其中O+、O2+的生存期约为10-8s左右,O-的生存期约为10-6s,O2*生存期约为10-6s-10-5s。
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