اختيار مادة عازلة لجسم التفريغ لمولدات الأوزون

اختيار مادة عازلة لجسم التفريغ لمولدات الأوزون

الملخص

يُحدد جسم التفريغ مقدار الشحنة التي ينقلها كل تفريغ دقيق ومقدار الحرارة التي يحملها المفاعل. تستنتج هذه المقالة سعة الحاجز، ونقل الشحنة لكل نصف دورة، والفقد الذي يُسخن مسار الغاز، ثم تُبين لماذا لا يُمكن للنفاذية وحدها تحسين قيمة الشحنة لكل جول. وتختتم المقالة بأربع نقاط ضعف، وست استراتيجيات للاختيار، وسلسلة المكونات المستقرة حراريًا التي تحافظ على التركيز المُحدد.

1. مقدمة

يُنتج مولد الأوزون منتجه داخل مفاعل تفريغ حاجز عازل، ولا يلامس الغاز أي قطب كهربائي. ويقع بين القطب الكهربائي ذي الجهد العالي وفجوة التفريغ جسم التفريغ، وهو الحاجز الذي تحدد خصائصه المادية مدى انتظام تشكل التفريغ وكمية الشحنة التي ينقلها كل تفريغ دقيق.

في المعدات التجارية، يكون الحاجز عادةً أنبوبًا من زجاج البوروسيليكات أو الكوارتز. أما التصاميم ذات الأداء العالي فتستخدم سيراميك الألومينا، بينما تحمل الأشكال الهندسية الحديثة المصنوعة من الزجاج المتخصص فجوتين للتفريغ داخل غلاف واحد. ويؤدي كل خيار إلى تغيير الحد الأقصى لتركيز المفاعل.

يُعدّ الحد الأقصى للقدرة على توليد الأوزون ذا أهمية حرارية بقدر ما هو ذو أهمية كهربائية. وقد رصدت دراسة يابانية أجريت على مولدات الأوزون التي تعمل بمحولات كهرضغطية انخفاضًا في تركيز الأوزون بنسبة تصل إلى 33% مع ارتفاع درجة حرارة المحول وجسم التفريغ أثناء التشغيل المستمر. وينطبق الأمر نفسه على المفاعلات التقليدية.

تستنتج هذه المقالة نقل الشحنة وفقدان الحاجز ونسبة التركيز باستخدام أرقام المفاعل نفسه، ثم تقدم أربع نقاط ضعف، وست استراتيجيات اختيار، ومواصفات المكونات التي تحافظ على جهد التشغيل ثابتًا مع ارتفاع درجة حرارة الخزانة.

2. الآلية الأساسية

ثلاث خصائص مادية تحكم النتيجة: السماحية تحدد مقدار الشحنة التي يمكن أن يحملها الحاجز، وعامل التبديد يحدد مقدار تلك الشحنة التي تكلف حرارة، والاستقرار الحراري يحدد مقدار التركيز الذي يبقى حتى نهاية التحول.

2.1 سعة الحاجز ونقل الشحنة

يتتبع معدل تخليق الأوزون الشحنة المنقولة عبر الفجوة في وحدة الزمن. وتُحدد سعة الحاجز وتأرجح الجهد فوق نقطة الاشتعال مقدار الشحنة المنقولة في نصف دورة.

Q = 2 · C_d · (V_peak − V_ignition)

حيث Q هي الشحنة المنقولة بوحدة C، و C_d هي سعة الحاجز بوحدة F، و V_peak هي ذروة الجهد المطبق بوحدة V، و V_ignition هو جهد بدء التفريغ بوحدة V.

تتبع سعة الحاجز علاقة الألواح المتوازية:

C_d = ε₀ · ε_r · A / d_d

حيث C_d هي سعة الحاجز بالفاراد، و ε₀ هي 8.854×10⁻¹² فاراد/متر، و ε_r هي السماحية النسبية، و A هي مساحة التفريغ بالمتر المربع، و d_d هو سمك جدار الحاجز بالمتر.

بالنسبة لأنبوب مساحته الفعالة 0.10 متر مربع وسمك جداره 2 مم، يعطي الزجاج ذو ثابت العزل الكهربائي ε_r 4.6 سعة مكثف C_d = 2.04 نانو فاراد، بينما يعطي الألومينا ذو ثابت العزل الكهربائي ε_r 9.5 سعة مكثف C_d = 4.21 نانو فاراد. عند جهد ذروة V_peak = 8 كيلو فولت وجهد إشعال V_ignition = 3 كيلو فولت، تتضاعف شحنة نصف الدورة من 20.4 ميكرو كولوم إلى 42.1 ميكرو كولوم. وبوحدات القياس الهندسية، تُكتب علاقة السعة C_d [بيكو فاراد] = 0.885 · ε_r · A [سم²] / d_d [مم]، مما يُبقي ε₀ خارج الحسابات.

معدل تدفق الشحنة هو ما يراه الغاز. عند تردد 20 كيلوهرتز، هناك 40,000 نصف دورة في الثانية، لذا فإن الأنبوب الزجاجي يوفر تيار تفريغ متوسط ​​قدره 0.82 أمبير، بينما يوفر أنبوب الألومينا 1.68 أمبير. هذه المضاعفة هي الميزة التي تستغلها تصميمات الفجوة المزدوجة، لأن وجود فجوتين في غلاف واحد يضاعف المساحة الفعالة دون زيادة طول الأنبوب.

2.2 فقدان الحاجز ومسار الحرارة

يقوم الحاجز بتحويل جزء من طاقة الدفع إلى حرارة من خلال عامل التبديد الخاص به:

P_barrier = 2π · f · C_d · V² · tan δ

حيث P_barrier هو الفقد بالواط، و f هو تردد الإثارة بالهرتز، و C_d هي سعة الحاجز بالفاراد، و V هو جهد الجذر التربيعي المتوسط ​​المطبق بالفولت، و tan δ هو عامل تبديد مادة الحاجز.

لنأخذ أنبوب الألومينا بتردد 20 كيلوهرتز، وجهد فعال 3 كيلوفولت، وحاجز بنسبة 0.8%. يبلغ الفقد 38.1 واط. أما الأنبوب نفسه بمادة بنسبة 0.2% فيعطي فقدًا قدره 9.5 واط، أي أن الحاجز ذو الفقد العالي ينقل حرارة بمقدار أربعة أضعاف لنفس الشكل الهندسي والجهد.

تنتقل تلك الحرارة إلى الغاز. ويؤدي تحويل الفقد عبر تغذية بمعدل 4 متر مكعب/ساعة عند كثافة 1.29 كجم/م³ وطاقة حرارية 1,005 جول/(كجم·كلفن) إلى ارتفاع في فرق درجة الحرارة بمقدار 26 كلفن في حالة 38.1 واط و7 كلفن في حالة 9.5 واط، أي بفارق حوالي 19 كلفن بين المادتين.

2.3 الشحنة لكل جول، الرقم المهم

تؤدي زيادة السماحية إلى زيادة نقل الشحنة وفقدانها بنفس النسبة، لذا لا يمكن للسماحية تحسين الشحنة المنقولة لكل وحدة حرارة. ويُبين قسمة تيار التفريغ على فقدان الحاجز ما يلي:

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

حيث I_discharge هو متوسط ​​تيار التفريغ بالأمبير، و P_barrier هو فقدان الحاجز بالواط، و ΔV هو V_peak − V_ignition بالفولت، و V هو جهد الجذر التربيعي المتوسط ​​المطبق بالفولت، و tan δ هو عامل التبديد.

عند فرق جهد ΔV = 5 كيلو فولت وقيمة جهد V = 3 كيلو فولت (قيمة جذر متوسط ​​المربعات)، يوفر الحاجز الزجاجي بنسبة 0.2% شحنة منقولة مقدارها 177 ملي كولوم لكل جول من حرارة الحاجز، بينما يوفر الحاجز الزجاجي بنسبة 0.8% شحنة منقولة مقدارها 44 ملي كولوم لكل جول. وتلغي قيمة السعة والمساحة والتردد هذه النسبة تمامًا. ويُعد عامل التبديد عند درجة حرارة التشغيل الخاصية الوحيدة للحاجز التي تؤثر على هذه القيمة.

2.4 نسبة التركيز إلى حالة الاستقرار

التركيز المُقدّر في ورقة البيانات هو قيمة بدء التشغيل البارد. أما رقم الإنتاج فهو التركيز بعد الوصول إلى التوازن الحراري، والذي يتحقق في غضون 20 إلى 40 دقيقة.

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

حيث أن Stability هي نسبة التركيز غير البعدية، و C_ozone(steady-state) هو التركيز بعد التوازن الحراري، و C_ozone(cold-start) هو التركيز عند بدء التشغيل.

يتسارع تحلل الأوزون إلى أكسجين مع ارتفاع درجة الحرارة، لذا ينخفض ​​صافي الإنتاج بنسبة 1% تقريبًا لكل كلفن من ارتفاع درجة حرارة الفجوة. ويتوافق الانخفاض بنسبة 33% الذي تم قياسه في دراسة المحول الكهروإجهادي مع تسخين الغاز بمقدار 35 كلفن تقريبًا أثناء التشغيل. يحافظ المفاعل ذو الحاجز منخفض الفقد ومرحلة الطاقة المستقرة حراريًا على استقرار أعلى من 0.9؛ بينما ينخفض ​​الاستقرار في المفاعل المبني بحاجز ذي فقد عالٍ إلى 0.7، مما يُسبب للمشغل خسارة في السعة بنسبة 30% في كل نوبة عمل متواصلة.

الشكل 1 - حاجز خسارة بنسبة 0.8 بالمائة يستقر عند تركيز بدء التشغيل البارد 0.70، بينما حاجز بنسبة 0.2 بالمائة يحافظ على 0.93.

3. نقاط الضعف الهندسية

تفصل أربع فجوات بين ورقة بيانات المواد ومفاعل الإنتاج.

المشكلة الأولى: الأنابيب الزجاجية هشة ومحدودة حرارياً

تتميز أنابيب البوروسيليكات برخص ثمنها وخمولها الكيميائي، وثابت عزلها الكهربائي 4.6، وموصلية حرارية متوسطة، وهشاشتها الميكانيكية تؤدي إلى انخفاض الإنتاجية وزيادة احتمالية الكسر. يختار المصمم الزجاج بناءً على التكلفة، ثم يتحمل تكلفة الحد الأقصى للتركيز ومعدل الكسر.

المشكلة الثانية: السيراميك ذو السماحية العالية يؤدي إلى خسائر أكبر

تزيد حواجز الألومينا والتيتانات من انتقال الشحنة، وعادةً ما تزيد من قيمة tan δ في الوقت نفسه، مما يؤدي إلى تسخين الفجوة بشكل أكبر. وبالتالي، فإن الزيادة في التركيز الناتجة عن الشحنة الإضافية تُعادل جزئيًا التركيز المفقود على شكل حرارة، لذلك يجب فحص المادة عند درجة حرارة التشغيل وعلى أساس الشحنة لكل جول.

نقطة الضعف الثالثة: اختبارات التأهيل القصيرة تخفي التدهور

يقيس اختبار التأهيل الذي يستغرق 15 دقيقة قيمة بدء التشغيل البارد، ولكنه لا يرصد التدهور الحراري. وبالتالي، تُشحن المفاعلات المقبولة بناءً على هذا الاختبار بتركيز لا يمكن للمصنع إعادة إنتاجه، مما يؤدي إلى نزاع حول الضمان واستياء مهندس العمليات.

نقطة الضعف الرابعة: مرحلة الطاقة تضيف انزلاقها الخاص

يؤدي تغير سعة المكثف الرنيني مع تغير درجة الحرارة إلى تغيير تردد الرنين للخزان وتغيير الجهد المطبق على المفاعل. ويؤدي هذا التغير إلى تغيير الطاقة لكل عملية تفريغ، ويزيد من تأثير السلوك الحراري للحاجز، بحيث لا تتطابق الساعة الثانية من أي إزاحة مع الساعة الأولى.

4. خطوات التصميم

ست خطوات تحدد مادة الحاجز وسلسلة المكونات المحيطة بها.

الاستراتيجية 1: تقييم المواد عند درجة حرارة التشغيل

قم بقياس ε_r و tan δ والتركيز الناتج عند درجة حرارة الحاجز في حالة الاستقرار من 60 إلى 120 درجة مئوية. اختر بناءً على الشحنة المنقولة لكل جول من فقد الحاجز عند تلك الدرجة. قد تتفوق مادة ما عند 25 درجة مئوية، لكنها قد تحتل المرتبة الثالثة عند 110 درجة مئوية.

الاستراتيجية الثانية: النظر في الزجاج الخاص ذي الفجوة المزدوجة

يؤدي وجود فجوتين للتفريغ في غلاف واحد إلى مضاعفة المساحة الفعالة، مما يسمح للأنبوب بنقل 42.1 ميكروكولوم لكل نصف دورة عند نفس سمك الجدار والجهد. وبالإضافة إلى حاجز منخفض الفقد، يُحسّن هذا التصميم الهندسي التركيز واستهلاك الطاقة النوعي معًا.

الاستراتيجية الثالثة: تبريد جانب الغاز، وليس الخزانة فقط

يُحافظ التبريد النشط لفجوة التفريغ عبر تدفق غاز التغذية، أو حلقة سائلة، أو زعانف جانبية للفجوة، على الغاز بالقرب من درجة حرارته المثلى، ويمنع التحلل الأسي من استنزاف الشحنة المكتسبة. قِس التركيز مع تشغيل التبريد وإيقافه لتحديد العائد على الاستثمار.

الاستراتيجية الرابعة: تحديد سلسلة المكونات لدرجة الحرارة

اختر مكثفات رنانة ومكثفات ترشيح بمعامل حراري ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية ومعامل تبديد 0.1% أو أقل، بحيث يظل الجهد المُوَصَّل إلى المفاعل ثابتًا عند وصول درجة حرارة الخزانة إلى 85 درجة مئوية. هذا يُزيل تأثير انحراف مرحلة الطاقة ويُتيح للحاجز أداء وظيفته بكفاءة. قم بتركيب مقاومات التدرج على نفس الركيزة المستقرة حرارياً.

الاستراتيجية الخامسة: التأهل بناءً على قيمة الحالة المستقرة

قم بإجراء اختبار القبول حتى الوصول إلى التوازن الحراري خلال 30 إلى 60 دقيقة، وتحقق من صحة النتائج بناءً على التركيز المستقر ونسبته إلى تركيز بدء التشغيل البارد. قم بتركيب جهاز مراقبة تركيز مستمر في الموقع، وسجل قراءاته مقابل درجة حرارة الحاجز، لضمان توفر بيانات تشغيلية حقيقية تدعم عملية تصنيع المادة التالية.

الاستراتيجية السادسة: خفض قدرة المجال إلى الحد الحراري للمادة

اضبط مجال التشغيل على 60 إلى 80% من قوة العزل الكهربائي في الحالة الباردة، مما يحمي هامش الأمان الذي يستهلكه الحرارة أثناء نوبة العمل. بالنسبة لحاجز مصنف عند 7.5 كيلو فولت/مم في الحالة الباردة ويعمل عند 3 كيلو فولت/مم، يكون هامش الأمان 2.5 ضعف عند بدء التشغيل و1.8 ضعف عند 105 درجة مئوية.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	34 ملي أوم نموذجي، < 50 ملي أوم	tan δ ≤ 0.1%
محاثة الحلقة (وتر E40)	< 8 ن.ح	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	> 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
معامل درجة الحرارة	±30 جزء في المليون/درجة مئوية	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية
قدرة نبض dv/dt	> 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC لهذه العقدة

تقوم شركة HVC ببناء مرحلة الطاقة ذات درجة الحرارة المستقرة لدوائر تشغيل مفاعل الأوزون:

• عامل التبديد 0.1% أو أقل، لذا فإن المكثف الرنيني يضيف حرارة ضئيلة إلى مسار الغاز.
• معامل درجة الحرارة ±30 جزء في المليون/درجة مئوية، مما يحافظ على ثبات جهد التشغيل مع ارتفاع درجة حرارة الخزانة.
• التفريغ الجزئي أقل من 5 بيكو كولوم عند الجهد المقنن، لذلك فإن التآكل الداخلي لا يقصر العمر تحت ضغط الرنين المستمر.
• تصنيفات الجهد من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت لخلايا كورونا منخفضة الطاقة من خلال مولدات صناعية عالية التركيز.
• نطاق تشغيل من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، تم التحقق منه عبر النطاق البيئي الكامل مع المكثفات مقابض الابواب وحزم طرفية لولبية للتشغيل المستمر.
• سلسلة من أطراف التوصيل اللولبية بجهد 40 كيلو فولت تعمل كبديل مباشر للأجزاء الأساسية في برامج إصلاح الخدمة الميدانية.

التوصيل والدعم يتضمن منحنيات DF مقابل درجة الحرارة، وبيانات TCC، وتقارير اختبار PD، و إشارة الصليب مقابل الجزء الموجود في الميدان، وعينات للتحقق من صحة الحالة المستقرة. أرسل مادة الحاجز، ودرجة حرارة غاز الفجوة، وجهد العقدة، وتركيز الهدف.

6. أسئلة مكررة

س1: هل تؤدي زيادة السماحية دائمًا إلى زيادة إنتاج الأوزون؟

يزيد ذلك من نقل الشحنة، مما يرفع سقف التركيز عند تردد وجهد ثابتين. لكنه لا يحسن الشحنة لكل جول من الحرارة، لأن فقد الحاجز يتناسب مع نفس السعة. سجّل كلا الرقمين.

س2: ما مقدار الحرارة التي يسببها فقدان الحاجز للغاز؟

عند تردد 20 كيلوهرتز وجهد 3 كيلوفولت RMS، يستهلك حاجز من الألومينا بسعة 4.21 نانوفاراد ومعامل فقد 0.8% طاقة قدرها 38.1 واط، مقابل 9.5 واط عند معامل فقد 0.2%. وبمعدل تدفق 4 متر مكعب/ساعة وكثافة 1.29 كيلوغرام/متر مكعب، يرتفع فرق درجة الحرارة بمقدار 26 كلفن مقابل 7 كلفن.

س3: ما هو رقم التركيز ذي الصلة بالإنتاج؟

القيمة بعد الوصول إلى التوازن الحراري، والذي يستغرق من 20 إلى 40 دقيقة. يقيس اختبار الـ 15 دقيقة بدء التشغيل البارد ولا يرصد التدهور، لذا يُنصح بإجراء الاختبار على مدى 30 إلى 60 دقيقة بدلاً من ذلك.

س4: لماذا تؤدي درجة حرارة الغاز البالغة 10 كلفن إلى زيادة كبيرة في الإنتاج؟

يتسارع تحلل الأوزون إلى أكسجين مع ارتفاع درجة الحرارة، وينخفض ​​صافي الناتج بنحو 1% لكل كلفن. ويتوافق الانخفاض المقاس بنسبة 33% في عمل المحول الكهروإجهادي مع تسخين يقارب 35 كلفن.

س5: أين يقع المكثف في مشكلة اختيار المواد؟

تحدد المكثفة الرنانة الجهد الذي تتعرض له الحاجز. عند ±30 جزءًا في المليون لكل درجة مئوية على مدى ارتفاع درجة حرارة الخزانة بمقدار 60 كلفن، تتحرك السعة بنسبة 0.18%، مما يجعل جهد التشغيل والطاقة لكل حدث تفريغ ثابتين بشكل أساسي. مكثف الفيلم من نفس التصنيف و أ المكثفات القرص السيراميك يصل كلا النوعين إلى هذا الرقم، ويشغل السيراميك مساحة أقل على اللوحة.

س6: ما مقدار تخفيض القدرة الميدانية الذي يحتاجه الحاجز الساخن؟

يعمل بنسبة تتراوح بين 60 و80% من قوة العزل الكهربائي في درجات الحرارة المنخفضة. حاجز مصنف عند 7.5 كيلو فولت/مم ويعمل عند 3 كيلو فولت/مم يحافظ على 2.5 ضعف قوته في درجات الحرارة المنخفضة و1.8 ضعفها عند 105 درجة مئوية، لذا فإن خفض القدرة يعوض الهامش الذي تستهلكه درجة الحرارة المحيطة في الصيف.

7. المراجع

1. IEC 60384-1: 2021 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2021.
2. كوفيل، إي.، زينجل، دبليو إس، وكوفيل، جيه.، هندسة الجهد العالي: الأساسيات، الطبعة الثانية. أكسفورد: نيونس، 2000.
3. إن. موهان، تي إم أنديلاند، و دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده، 2003.
4. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونيةواشنطن العاصمة: وزارة الدفاع الأمريكية، 1995.
5. IEC 60384-17: 2019 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 17: المواصفات القطاعية - مكثفات التيار المتردد والنبضات ذات العازل المعدني المصنوع من غشاء البولي بروبيلين، الطبعة 3.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2019.
6. أو. زينكه وهـ. سيثر، Widerstände، Condensatoren، Spulen، and Ire Werkstoffe، 2.، نيوبيربيتيت آند إيرويتيرت أوفلاج. برلين: دار نشر سبرينغر، 1982.
7. إيه جيه مولسون وجيه إم هربرت، المواد الكهروسيراميكية: المواد، الخصائص، التطبيقات، الطبعة الثانية. تشيتشستر: وايلي، 2003.
8. يو. كوجيلشاتز، بي. إلياسون، وإم. هيرث، توليد الأوزون من الأكسجين والهواء: فيزياء التفريغ وآليات التفاعلالأوزون: العلوم والهندسة، المجلد 10، العدد 4، الصفحات 367-377، 1988. https://doi.org/10.1080/01919518808552391.
9. تقنية الأوزون إيفيزون إيفو، Xylem / WEDECO، https://www.xylem.com/siteassets/campaigns/oceania/brochure-wedeco-effizon-evo-o3-electrode_opt.pdf .
10. ك. تيرانيشي، ن. شيمومورا، س. سوزوكي، و هـ. إيتوه، مولد الأوزون من نوع DBD باستخدام محولات كهرضغطية: تأثير مادة قطب الحاجز على توليد الأوزون، مؤتمر IEEE الدولي لأجهزة تعديل الطاقة والجهد العالي لعام 2008، الصفحات 84-84، 2008. https://doi.org/10.1109/ipmc.2008.4743583.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com