混合放电臭氧发生器的传热及放电数值模拟

摘要

臭氧(O3)具有强氧化、杀菌消毒、漂白等作用,且与其它氧化、杀菌产品相比具有应用后无二次污染及残留物的优点。自1857年西门子研制成功首台臭氧发生器以来,臭氧已被应用于工业生产的各个领域。臭氧应用前景很是诱人,但臭氧产率很低是一直困扰着人们的一个难题。其热化学理论计算的理论值1266g/(Kw·h),但实际中却远远达不到此数值,此因臭氧形成中仅有10％左右的能量用于形成臭氧,而其余能量都转化成了热量,为此,为提高臭氧产生效率学者们从各个方面做了大量研究工作。而Hyun-Jig SONG等采用混合放电(三个电极、两个放电空间)的臭氧发生器进行研究得出最大臭氧产率为783g/(Kw·h),为目前国内外文献报告的最高值。但SONG仅对臭氧产率值进行了相关的报道,没有对混合放电型臭氧发生器本身做出研究,因此有必要对其进行进一步的探讨。本文以Song的实验为基础,从传热和放电两个方向对该混合放电臭氧发生器进行数值模拟,模拟分析结果如下:
　　(1)采用Fluent进行传热数值模拟,结果表明:气体进入三根管的两放电空间后温度均是沿径向逐渐上升,至出口处三根管的出口平均温度依次为304.8K、309.9及313.2K;且两放电空间的平均温度差较大,外放电空间平均温度较内放电空间的温度低6.4K;介质及电极的内部径向温差较小;混合放电中仅有36.14%电能以热能的形式散发,而其余的63.86%电能则全部用于转换为生成臭氧的反应热;不同流量下总体平均温度与臭氧实验产率对比可知放电间隙温度的降低是提高臭氧产率的关键因素之一;一定流量和放电体积下,改变内电极在放电室中的位置可以均衡气体在两放电室的速度,从而缩短气体在放电空间的停留时间,降低臭氧分解率,有利于臭氧产率的提高。
　　(2)利用 ANSYS软件对该实验的混合放电进行电场模拟结果表明:三种类型混合放电的电场强度在无孔区域分布比较均匀,而在有孔存在区域附近电场出现剧烈波动,这主要是尖端放电导致的;利用BOLSIG+软件求解三种类型混合放电情况下的电子能量分布,分析结果表明IESDO型混合放电臭氧发生器最有利于臭氧的产生,与 SONG实验结果一致;单独模拟混合放电的两两电极结果表明混合放电时不存在电场的叠加现象。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景

1.3 臭氧的产生方法及研究进展

1.4 混合放电产生臭氧及温度的影响

1.5 课题研究内容

第二章 混合放电产生臭氧传热数值模拟分析

2.1 Fluent软件简介

2.2 实验模型及模拟条件

2.4 算例的模拟及分析

2.5 本章小结

第三章 混合放电臭氧发生器的电场仿真分析

3.1 数值模拟的科学研究及工程应用

3.2有限元法计算电场的基本理论

3.3 模型的简化及网格划分

3.4 模拟结果及分析

3.5 混合放电型臭氧发生器电场叠加探讨

3.6 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果