电晕放电关键问题研究与新型放电装置研制

摘要

作为大气压放电的常见形式，直流电晕放电已经在很多领域已经获得了广泛应用，但在其形成机理中还存在一些有待澄清的理论问题：负电晕放电中连续特里切尔脉冲的幅值衰减机制及辉光转化的出现原因；特里切尔脉冲与簇放电脉冲的区别与联系；在小间隙直流场中，是否存在稳定的负直流流光放电状态。对这些机理问题的深入研究有助于加深对电晕放电基本过程的认识，具有重要的应用指导意义。 为了研究负电晕放电中的脉冲过程，本文对针电极产生的特里切尔脉冲以及线电极产生的簇放电脉冲进行了对比实验。在此基础上，对特里切尔脉冲幅值的衰减机制以及特里切尔脉冲与簇放电脉冲的相似性进行了分析，讨论了可能的脉冲形成机制与特里切尔脉冲幅值衰减的原因，明确了负流光放电在小间隙直流场中的表现形态。 作为产生大气压非平衡等离子体的常见放电方式，直流放电装置结构简单，工作可靠，电源造价低廉，但其实际工作效率往往受到较低放电功率密度的制约，有效提高放电功率密度是提高其实用性的关键。脉冲流光放电虽然能够使放电功率密度得到有效提高，但受制于脉冲电源较高的价格和较低的可靠性，该技术的大规模工业应用始终无法有效开展。正直流流光放电虽然具有电源价格优势，但传统针．板结构电极的流光分布均匀性差，放电功率密度低，放电可靠性差。因此，进行正直流流光放电电极结构优化研究，．改善流光分布均匀性提高放电功率密度，是提高直流流光装置工作效率的有效手段。开发基于正直流流光放电的等离子体源装置，是对脉冲流光放电装置缺点的合理回避，同时也具有很高的商业应用价值。 为了有效提高直流流光放电的实用性，本文中同时进行了多针电极正直流流光放电优化研究，考察了多针电极的几何结构对放电特性的影响。以此为基础，提出了一种基于片状电极的新型正直流流光放电放电方式，实验证明该新型电极结构能够有效改善放电均匀性同时提高放电功率密度。另外，为了深入了解放电的基本过程，对片状电极引发的正直流流光放电进行了发射光谱诊断研究，考察了电子激发温度随放电电流的变化情况。最后，研制了基于该新型电极结构的直流流光放电装置，同时进行了去除苯与甲苯的实验研究，验证了该新型放电方式引发等离子体化学反应的有效性。 相关工作的主要内容与所取得的研究成果与结论如下： 1．进行了特里切尔脉冲与簇放电脉冲的对比研究，记录了相应的脉冲波形与最大脉冲幅值，确定了簇放电的放电起始电压与起始场强。实验结果表明：初始特里切尔脉冲与簇放电脉冲的产生均基于负流光过程；一种与场致电子发射过程有关的连续电离机制的出现与发展是导致特里切尔脉冲衰减，并最终产生辉光转化的原因。上述研究结论统一了对负电晕放电中的两种基本脉冲状态形成机理的认识，澄清了小间隙直流场中的负流光放电形态。 2．进行了多针电极正直流流光放电优化研究，考察了针间距对单针放电功率和放电功率密度的影响。实验结果表明：单纯依靠提高针密度不仅无法有效提高放电的功率密度，反而会导致电极结构复杂性与制造成本的提高。在多针电极的基础上，提出了一种基于片状电极结构的正直流流光放电方式，实验证明，片状电极能够改善流光分布均匀性，并使放电功率密度得以显著提高。该电极结构同时具有结构简单、造价低廉的特点具有良好的应用前景。 3．进行了该新型正直流流光放电方式的发射光谱诊断研究。采用波尔兹曼图解法，对氩氧混合气体中电子激发温度随放电电流的变化进行了研究。实验结果表明：随着放电电流的不断增大，电子激发温度先升高后降低；在氧气浓度相对较高时，电子激发温度会再次升高。当氧气含量为 80％且放电电流为 600μA 时，实验所得的最高电子激发温度为 6300K。该结论对于优化正直流流光放电装置的工作区间，以获得较高的能量效率具有重要参考价值。 4．进行了正直流流光放电去除苯与甲苯的实验研究，以验证该新型放电方式引发化学反应的有效性。构建了基于片状电极阵列的新型放电反应器，并在该反应器中进行了苯与甲苯的降解实验。当载气流量为 10L/min 时，该反应器对 50ppm 苯与甲苯的最高去除效率分别达到了 68％与95％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1大气压非平衡等离子体与电晕放电优点

1.2直流电晕放电

1.3开展负直流电晕放电关键问题研究的意义

1.4研制新型电晕放电装置的意义

1.5论文的主要工作

第二章电晕放电理论回顾与研究进展概述

2.1自然电离机制与种子电子的产生

2.2基于汤生放电的电晕理论

2.3负直流电晕放电

2.3.1特里切尔脉冲

2.3.2辉光与火花击穿的形成

2.3.3辉光稳定方法及大体积大气压辉光

2.3.4簇放电

2.4正直流电晕放电

2.4.1初始流光

2.4.2辉光电晕

2.4.3流光与Meek判据

2.4.4一次流光

2.4.5二次流光

第三章负直流电晕放电关键问题研究

3.1特里切尔脉冲研究

3.1.1实验设置与放电图像

3.1.2伏安特性曲线与电流波形

3.1.3单脉冲波形随放电电压的变化

3.2簇放电研究

3.2.1簇放电实验设置与放电图像

3.2.2簇放电的伏安特性与电流波形

3.2.3尖端电晕与簇放电的相互影响

3.3负电晕放电机理讨论

3.3.1特里切尔脉冲的衰减过程与阴极区的形成

3.3.2特里切尔脉冲与簇放电脉冲的相似性与负流光放电解释

3.3.3针电极负直流放电的发展过程

3.4本章小结

第四章新型正直流流光放电方式的提出

4.1线电极正直流电晕放电

4.2单针正直流流光放电

4.2.1伏安特性曲线与放电图像

4.2.2流光发展过程

4.3多针电极正直流流光放电优化研究

4.3.1实验装置

4.3.2伏安特性曲线与放电图像

4.3.3针间距与单针放电功率和放电功率密度的关系

4.3.4多针电极放电电流波形

4.4新型电极提出的实验依据

4.4.1新型电极结构

4.4.2新型电极正直流流光放电图像

4.4.3新型电极的放电伏安特性曲线与功率密度

4.4.4新型电极的放电电流波形

4.5直流流光放电的机理讨论

4.6弧击穿对电极表面的破坏与镇流电阻的保护作用

4.7本章小结

第五章正直流流光放电电子激发温度诊断

5.1进行电子激发温度诊断的意义

5.1.1发射光谱等离子体诊断概述

5.1.2电子温度与电子激发温度的关系

5.2电子激发温度诊断原理

5.3电子激发温度诊断实验

5.3.1电子激发温度诊断实验设置

5.3.2放电伏安特性曲线与电流波形

5.3.3氩氧混合气体中的放电图像

5.3.4放电发射光谱

5.3.5实验讨论

5.4本章小结

第六章正直流流光放电去除苯及甲苯实验研究

6.1基于新型电极的直流流光放电反应器

6.2去除效率

6.3去除能量效率

6.3去除效率随载气流速的变化

6.4臭氧及氮氧化物的产率

6.5去除机理讨论

6.6本章小结

第七章结论与展望

7.1本论文的主要研究成果和结论

7.2前景展望

参考文献

创新点

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢