Выбор диэлектрического материала для разрядного корпуса генераторов озона

Выбор диэлектрического материала для разрядного корпуса генераторов озона

Резюме

Разрядная структура определяет, какой объем заряда перемещает каждый микроразряд и сколько тепла отводит реактор. В этой статье выводятся значения барьерной емкости, переноса заряда за полуцикл и потерь, которые нагревают газовый тракт, а затем показано, почему одной лишь диэлектрической проницаемости недостаточно для улучшения показателя заряда на джоуль. В заключение рассматриваются четыре проблемных момента, шесть стратегий выбора и температурно-стабильная цепочка компонентов, поддерживающая номинальную концентрацию.

1. Введение

Генератор озона производит свой продукт внутри реактора с диэлектрическим барьерным разрядом, при этом газ никогда не соприкасается с электродом. Между высоковольтным электродом и разрядным зазором находится разрядное тело — барьер, свойства материала которого определяют равномерность формирования разряда и количество заряда, передаваемого каждым микроразрядом.

В промышленном оборудовании в качестве барьера обычно используется трубка из боросиликатного или кварцевого стекла. В более совершенных конструкциях используется керамика из оксида алюминия, а в новых конструкциях из специального стекла предусмотрены два разрядных зазора внутри одной оболочки. Каждый из этих вариантов повышает предельную концентрацию в реакторе.

Пороговое значение — это не только электрический, но и тепловой показатель. В японских исследованиях генераторов озона с пьезоэлектрическим трансформатором было зафиксировано снижение концентрации озона на целых 33% по мере нагревания трансформатора и разрядного корпуса во время длительной работы. Тот же механизм применим и к обычным реакторам.

В данной статье с помощью собственных данных реактора рассчитываются параметры переноса заряда, потерь на барьере и коэффициента концентрации, а затем приводятся четыре проблемных момента, шесть стратегий выбора компонентов и спецификация компонентов, обеспечивающая поддержание постоянного напряжения питания при нагреве корпуса.

2. Основной механизм

Результат определяется тремя свойствами материала: диэлектрическая проницаемость определяет, какой заряд может удерживать барьер, коэффициент диссипации определяет, какая часть этого заряда расходуется на теплопередачу, а термическая стабильность определяет, какая часть концентрации сохраняется до конца сдвига.

2.1 Барьерная емкость и перенос заряда

Скорость синтеза озона отслеживает заряд, передаваемый через зазор за единицу времени. Заряд, перемещаемый за один полупериод, определяется емкостью барьера и размахом напряжения выше точки воспламенения:

Q = 2 · C_d · (V_peak − V_ignition)

где Q — перенесенный заряд в C, C_d — барьерная емкость в F, V_peak — пиковое приложенное напряжение в V, а V_ignition — напряжение начала разряда в V.

Барьерная емкость подчиняется соотношению параллельных пластин:

C_d = ε₀ · ε_r · A / d_d

где C_d — емкость барьера в Ф, ε₀ — 8.854×10⁻¹² Ф/м, ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость, A — площадь разряда в м², а d_d — толщина стенки барьера в м.

Для трубки с активной площадью 0.10 м² и толщиной стенки 2 мм стекло при ε_r = 4.6 дает C_d = 2.04 нФ, а оксид алюминия при ε_r = 9.5 дает 4.21 нФ. При V_peak = 8 кВ и V_ignition = 3 кВ заряд за полуцикл удваивается с 20.4 мкКл до 42.1 мкКл. В инженерных единицах соотношение емкости имеет вид C_d [пФ] = 0.885 · ε_r · A [см²] / d_d [мм], что исключает ε₀ из арифметических вычислений.

Пропускная способность заряда — это то, что видит газ. При частоте 20 кГц происходит 40 000 полуциклов в секунду, поэтому стеклянная трубка обеспечивает средний разрядный ток 0.82 А, а алюминиевая — 1.68 А. Это удвоение является преимуществом, которое используют конструкции с двумя зазорами, поскольку два зазора в одном корпусе удваивают активную площадь без удлинения трубки.

2.2 Потери на тепловом барьере и путь передачи тепла

Барьер преобразует часть энергии привода в тепло за счет своего коэффициента рассеивания:

P_barrier = 2π · f · C_d · V² · tan δ

где P_barrier — потери в Вт, f — частота возбуждения в Гц, C_d — емкость барьера в Ф, V — приложенное среднеквадратичное напряжение в В, а tan δ — коэффициент диссипации материала барьера.

Рассмотрим алюминиевую трубку при частоте 20 кГц, напряжении 3 кВ среднеквадратичного значения и коэффициенте потерь в барьере 0.8%. Потери составляют 38.1 Вт. Та же трубка с коэффициентом потерь в материале 0.2% дает 9.5 Вт, поэтому барьер с потерями уносит в четыре раза больше тепла при одинаковой геометрии и одинаковом напряжении.

Это тепло передается газу. Преобразование потерь через поток 4 Нм³/ч при давлении 1.29 кг/м³ и энергии 1,005 Дж/(кг·К) дает разницу в повышении температуры на 26 К для случая 38.1 Вт и на 7 К для случая 9.5 Вт, что составляет разброс примерно в 19 К между двумя материалами.

2.3 Заряд на джоуль — показатель, имеющий значение.

Повышение диэлектрической проницаемости увеличивает перенос заряда и потери в той же пропорции, поэтому диэлектрическая проницаемость не может улучшить количество заряда, передаваемого на единицу тепла. Разделив разрядный ток на потери в барьере, можно увидеть, что именно улучшает ситуацию:

I_discharge / P_barrier = 2 · ΔV / (π · V² · tan δ)

где I_discharge — средний ток разряда в А, P_barrier — потери на барьере в Вт, ΔV — V_peak − V_ignition в В, V — приложенное среднеквадратичное напряжение в В, а tan δ — коэффициент диссипации.

При ΔV = 5 кВ и V = 3 кВ среднеквадратичного значения стеклянный барьер с содержанием 0.2% передает 177 мКл заряда на джоуль теплоты барьера, а материал с содержанием 0.8% — 44 мКл/Дж. Значение емкости, площадь и частота полностью компенсируют друг друга в этом соотношении. Коэффициент диссипации при рабочей температуре — единственное свойство барьера, которое влияет на это значение.

2.4 Отношение концентрации к стационарному состоянию

Указанная в технической документации номинальная концентрация — это значение, полученное при холодном запуске. Производственное значение — это концентрация после достижения теплового равновесия, которое наступает через 20–40 минут.

Stability = C_ozone(steady-state) / C_ozone(cold-start)

где Stability — безразмерное отношение концентраций, C_ozone(steady-state) — концентрация после достижения теплового равновесия, а C_ozone(cold-start) — концентрация при запуске.

Разложение озона обратно на кислород ускоряется с повышением температуры, поэтому чистая выходная мощность падает примерно на 1% на каждый кельвин повышения температуры в зазоре. Падение на 33%, измеренное в исследовании с пьезоэлектрическим трансформатором, соответствует нагреву газа примерно на 35 К во время работы. Реактор с барьером с низкими потерями и термостабильной силовой ступенью поддерживает стабильность выше 0.9; реактор, построенный с барьером с потерями, падает до 0.7, что приводит к потере 30% мощности оператором за каждую длительную смену.

Рис. 1 — Барьер потерь в 0.8% устанавливается на уровне 0.70 концентрации при холодном пуске, в то время как барьер в 0.2% удерживает значение на уровне 0.93.

3. Проблемы проектирования

Четыре промежутка отделяют техническую документацию на материал от производственного реактора.

Проблема 1: Стеклянные трубки хрупкие и имеют ограничения по температуре.

Трубки из боросиликатного стекла дешевы и химически инертны, их диэлектрическая проницаемость составляет 4.6, теплопроводность умеренная, а механическая хрупкость приводит как к снижению выхода годной продукции, так и к поломкам в полевых условиях. Конструктор выбирает стекло, исходя из стоимости, а затем платит за предельный уровень концентрации и вероятность поломки.

Проблема 2: Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью приводит к большим потерям.

Барьеры из оксида алюминия и титаната увеличивают перенос заряда и обычно одновременно повышают тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ), что приводит к более интенсивному нагреву зазора. Увеличение концентрации за счет дополнительного заряда частично компенсируется потерей концентрации в результате тепловыделения, поэтому материал необходимо оценивать при рабочей температуре и по заряду на джоуль.

Проблема №3: ​​Короткие квалификационные тесты скрывают упадок.

В ходе 15-минутного квалификационного запуска измеряется значение холодного запуска, но не учитывается термическое затухание. Реакторы, принятые на этой основе, поставляются с показателем концентрации, который предприятие никогда не сможет воспроизвести, что приводит к гарантийному спору и недовольству инженера-технолога.

Проблема 4: Силовой каскад вносит свой собственный дрейф.

Изменение емкости резонансного конденсатора в зависимости от температуры сдвигает резонансную частоту резервуара и изменяет напряжение, подаваемое на реактор. Этот сдвиг изменяет энергию за один разряд и усугубляет собственное тепловое поведение барьера, поэтому второй час сдвига уже не совпадает с первым.

4. Этапы проектирования

В шесть этапов устанавливается барьерный материал и цепочка компонентов вокруг него.

Стратегия 1: Подгонка материалов при рабочей температуре.

Измерьте ε_r, tan δ и результирующую концентрацию при стационарной температуре барьера от 60 до 120 °C. Выберите материал, передающий заряд на джоуль потерь на барьере при этой температуре. Материал, лидирующий при 25 °C, может занять третье место при 110 °C.

Стратегия 2: Рассмотрите вариант использования специального стекла с двойным зазором.

Два разрядных зазора в одном корпусе удваивают активную площадь, поэтому трубка пропускает 42.1 мкКл за полцикла при той же толщине стенки и напряжении. В сочетании с барьером с низкими потерями такая геометрия улучшает концентрацию и удельное энергопотребление.

Стратегия 3: Охлаждайте газовую часть, а не только корпус.

Активное охлаждение разрядного зазора за счет потока подаваемого газа, жидкостного контура или ребер со стороны зазора поддерживает температуру газа вблизи оптимальной и предотвращает экспоненциальное разложение, которое снижает прирост заряда. Измеряйте концентрацию при включенном и выключенном охлаждении, чтобы оценить окупаемость инвестиций.

Стратегия 4: Определить цепочку компонентов для регулирования температуры.

Выберите резонансные и фильтрующие конденсаторы с температурным коэффициентом ±30 ppm/°C и коэффициентом рассеяния 0.1% или ниже, чтобы напряжение, подаваемое на реактор, оставалось стабильным при достижении шкафом температуры 85 °C. Это исключает дрейфовый член силового каскада и позволяет барьеру самостоятельно обеспечивать свою производительность. Установите градуировочные резисторы на той же термостойкой подложке.

Стратегия 5: Проверяйте по значению в стационарном состоянии.

Проведите испытания на достижение теплового равновесия в течение 30–60 минут и оцените стабилизированную концентрацию и ее соотношение с концентрацией при холодном пуске. Установите на месте установки непрерывный монитор концентрации и регистрируйте его показания в зависимости от температуры барьера, чтобы следующая итерация испытаний материала основывалась на реальных эксплуатационных данных.

Стратегия 6: Снизить тепловую мощность поля до предела возможностей материала.

Установите рабочее поле на уровне 60–80% от диэлектрической прочности в холодном состоянии, что обеспечит запас прочности, компенсируемый теплом во время переключения. Для барьера с номинальным напряжением 7.5 кВ/мм в холодном состоянии и работающего при 3 кВ/мм запас прочности составляет 2.5× при запуске и 1.8× при 105 °C.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	Типичное значение: 34 мОм, < 50 мОм	tan δ ≤ 0.1%
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Температурный коэффициент	±30 частей на миллион/°C	от −40 °C до +125 °C
Возможность импульсного DV/DT	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Компания HVC производит термостабильный силовой каскад для цепей управления озоновым реактором:

• Коэффициент рассеяния 0.1% или ниже, поэтому резонансный конденсатор добавляет незначительное количество тепла в газовый контур.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, что обеспечивает постоянство напряжения питания при нагреве корпуса.
• Частичный разряд составляет менее 5 пКл при номинальном напряжении, поэтому внутренняя эрозия не сокращает срок службы при постоянном резонансном воздействии.
• Номинальные напряжения от 1 кВ до 100 кВ для маломощных коронных разрядников и промышленных генераторов высокой концентрации.
• Диапазон рабочих температур от −40 °C до +125 °C, подтвержденный во всем диапазоне условий окружающей среды. дверная ручка конденсаторы и комплекты винтовых клемм для непрерывной работы.
• Серия винтовых клемм на 40 кВ, предназначенная для прямой замены основных компонентов в программах ремонта в полевых условиях.

Доставка и поддержка включает кривые зависимости коэффициента демпфирования от температуры, данные TCC, отчеты об испытаниях PD, а также Перекрестная ссылка Для проверки работоспособности в полевых условиях и получения образцов для подтверждения стационарного состояния необходимо указать материал барьера, температуру газа в зазоре, напряжение узла и целевую концентрацию.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Всегда ли более высокая диэлектрическая проницаемость увеличивает выбросы озона?

Это увеличивает перенос заряда, что повышает предел концентрации при фиксированной частоте и напряжении. Это не улучшает заряд на джоуль тепла, поскольку потери на барьере зависят от той же емкости. Оцените оба показателя.

Вопрос 2: Насколько сильно потери на барьере нагревают газ?

При частоте 20 кГц и напряжении 3 кВ среднеквадратичного значения барьер из оксида алюминия 4.21 нФ при тангенсе угла диэлектрических потерь 0.8% рассеивает 38.1 Вт против 9.5 Вт при 0.2%. При подаче 4 Нм³/ч и расходе 1.29 кг/м³ это соответствует увеличению зазора на 26 К против 7 К.

В3: Что такое показатель концентрации, имеющий отношение к производству?

Значение после достижения теплового равновесия, которое происходит через 20-40 минут. 15-минутный тест измеряет холодный запуск и не учитывает спад, поэтому для проверки необходимо использовать тест продолжительностью 30-60 минут.

Вопрос 4: Почему повышение температуры газа до 10 К приводит к таким значительным потерям в производительности?

Разложение озона обратно на кислород ускоряется с повышением температуры, и чистая выходная мощность снижается примерно на 1% на каждый кельвин. Измеренное снижение работы пьезоэлектрического трансформатора на 33% соответствует нагреву примерно на 35 К.

В5: Какое место занимает конденсатор в задаче выбора материала?

Резонансный конденсатор задает напряжение, воспринимаемое барьером. При изменении температуры на ±30 ppm/°C в течение повышения температуры в шкафу на 60 К емкость изменяется на 0.18%, что оставляет управляющее напряжение и энергию на один разряд практически неизменными. пленочный конденсатор с тем же рейтингом и керамические дисковые конденсаторы Оба типа материалов достигают этого показателя, при этом керамика занимает меньшую площадь доски.

В6: Насколько необходимо снизить номинальные характеристики барьера, работающего в полевых условиях?

Работает при 60-80% от диэлектрической прочности в холодном состоянии. Барьер с номинальным напряжением 7.5 кВ/мм и рабочим напряжением 3 кВ/мм сохраняет диэлектрическую прочность в 2.5 раза выше в холодном состоянии и в 1.8 раза выше при 105 °C, поэтому снижение номинальных характеристик компенсирует потери, вызванные воздействием летней температуры окружающей среды.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
2. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
3. Н. Мохан, Т.М. Унделанд и У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
4. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудованияВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 1995.
5. МЭК 60384-17:2019, Стационарные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 17: Спецификация – Стационарные конденсаторы переменного и импульсного тока с металлизированной полипропиленовой пленочной диэлектрической прослойкой, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2019.
6. О. Цинке и Х. Зейтер, Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2., neubearbeitete und erweiterte Auflage. Берлин: Springer-Verlag, 1982.
7. Эй Джей Моулсон и Дж. М. Герберт, Электрокерамика: материалы, свойства, области применения., 2-е изд. Чичестер: Wiley, 2003.
8. У. Когельшац, Б. Элиассон и М. Хирт, Получение озона из кислорода и воздуха: физика разряда и механизмы реакций.Озон: наука и техника, том 10, № 4, стр. 367-377, 1988. https://doi.org/10.1080/01919518808552391.
9. Технология озонирования EFFIZON evoXylem / WEDECO, https://www.xylem.com/siteassets/campaigns/oceania/brochure-wedeco-effizon-evo-o3-electrode_opt.pdf .
10. К. Тераниши, Н. Шимомура, С. Судзуки и Х. Ито, Генератор озона DBD-типа с использованием пьезоэлектрических трансформаторов: влияние материала барьерного электрода на генерацию озона., Международная конференция IEEE по модуляторам мощности и высоковольтным системам, 2008 г., стр. 84-84, 2008 г. https://doi.org/10.1109/ipmc.2008.4743583.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com