Подробное объяснение принципа работы крупногабаритных озонаторов 

II. Принцип работы озонаторов с диэлектрическим барьерным разрядом
1. Основной физический процесс
Диэлектрический барьерный разряд (ДБР) включает в себя установку изолирующего диэлектрика (обычно стекла или керамики) между двумя электродами и подачу высокочастотного переменного тока высокого напряжения (обычно 5–20 кГц, 5–20 кВ) для образования неравновесной плазмы. В процессе разряда:
Свободные электроны ускоряются в электрическом поле, приобретая кинетическую энергию.
Высокоэнергетические электроны сталкиваются с молекулами O₂, вызывая их диссоциацию: e⁻ + O₂ → 2O + e⁻
Атомы кислорода соединяются с молекулами кислорода: O₂ + O₂ + M → O₃ + M (M представляет собой третье тело, обычно другую молекулу газа).
Этот процесс происходит в канале микроразряда, генерируя миллионы микросекундных разрядов за один цикл разряда. Макроскопически этот разряд проявляется как равномерная сине-фиолетовая корона. 2. Основные компоненты и структура
Крупногабаритные генераторы озона методом DBD обычно имеют модульную конструкцию, состоящую в основном из следующих компонентов:
Разрядный блок:
Высоковольтный электрод: нержавеющая сталь или никелированный, полированный до Ra < 0,8 мкм
Заземляющий электрод: обычно трубка или пластина из нержавеющей стали
Диэлектрический слой: алюмооксидная керамика (96%+) или боросиликатное стекло, толщиной 1-2 мм
Разрядный промежуток: 2-3 мм (с воздушным охлаждением) или 1-2 мм (с водяным охлаждением)
Система подачи воздуха:
Предварительная обработка воздуха: включает компрессор, сублимационную сушилку (точка росы ниже -40 °C), адсорбционную сушилку (точка росы ниже -60 °C) и прецизионный фильтр (0,01 мкм). Также доступна система очистки кислорода (опционально). VPSA или испаритель жидкого кислорода, чистота кислорода >90%
Система охлаждения:
Водяное охлаждение: циркуляция деионизированной воды (проводимость <10 мкСм/см), двухпластинчатый теплообменник
Воздушное охлаждение: конструкция с принудительной конвекцией, температура окружающей среды <30°C
Система питания:
Преобразователь частоты (400 Гц–4 кГц)
Регулируемое выходное напряжение 0–15 кВ
Схема драйвера IGBT с КПД >92%
3. Рабочий процесс
Подготовка газа: Подаваемый газ (воздух или кислород) проходит многоступенчатую очистку до точки росы ≤-60°C и содержания твердых частиц ≤0,1 мкм
Реакция разряда: Газ проходит через разрядный промежуток, где происходит ионизация под действием высокой частоты и высокого напряжения.
Управление количеством тепла: Система охлаждения поддерживает температуру разрядной трубки 25–35°C (при повышении температуры на каждые 10°C выработка озона снижается примерно на 15%).
Сбор озона: Озоносодержащий газ (концентрация 80–150 г/м³) выводится через буферную емкость.
Очистка отходящих газов: Непрореагировавший озон разлагается на кислород с помощью каталитического разлагателя (MnO₂/Al₂O₃).

III. Ключевые параметры, влияющие на выработку озона
Параметры газа:
Чистота кислорода: Системы с чистым кислородом в 2–3 раза эффективнее систем с воздухом.
Расход газа: Оптимальный расход 0,3–0,6 м/с (влияет на время пребывания).
Давление газа: Обычно 0,08–0,12 МПа (избыточное давление снижает эффективность выброса).
Данные об электрических параметрах:
Удельная мощность: Оптимальный диапазон: 0,5–1,2 Вт/см² площади разряда
Частотные характеристики: Оптимальная температура электронов — 10–20 кГц
Форма напряжения: Синусоидальные волны на 5–8% эффективнее импульсных
Конструктивные параметры:
Разрядный промежуток: Эффективность увеличивается примерно на 12% при уменьшении размера зазора на каждые 0,5 мм
Диэлектрическая проницаемость: Al₂O₃ с εr = 9 превосходит стекло с εr = 4,5
Площадь электродов: Большие генераторы могут достигать 5–10 м² на модуль
Контроль температуры: Разность температур охлаждающей воды должна контролироваться в пределах 5°C. Расход охлаждающей воды должен составлять 3–5 л/мин на кВт мощности разряда.
IV. Тенденции развития технологий
Технология высокочастотных источников питания: использование источника питания на основе SiC-MOSFET с частотой 200 кГц позволяет снизить энергопотребление до 6–8 кВт·ч/кг O₃.
Микроканальные реакторы: разрядный промежуток уменьшен до менее 0,5 мм, что обеспечивает экономию энергии на 30% по сравнению с традиционными конструкциями.
Интеллектуальное управление: система с обратной связью на базе ПЛК регулирует частоту и напряжение в режиме реального времени в соответствии с изменениями нагрузки.
Новые диэлектрические материалы: нанокомпозитные диэлектрические слои (например, ZrO₂-SiO₂) могут повысить стойкость к коронному разряду в 10 раз.
Современные крупногабаритные озонаторы (например, класса 100 кг/ч) снизили удельное энергопотребление до 10–12 кВт·ч/кг O₃ (источник кислорода), а срок службы системы превышает 60 000 часов. Концентрацию озона можно точно регулировать в диапазоне от 50 до 180 г/м₃ с помощью параметров электропитания. Эти технологические достижения позволили снизить стоимость озонирования до 0,15–0,3 юаня на тонну воды для крупных водоочистных сооружений (например, с суточной производительностью очистки 100 000 тонн).