Selezione del materiale dielettrico del corpo di scarica per i generatori di ozono

Selezione del materiale dielettrico del corpo di scarica per i generatori di ozono

Astratto

Il corpo di scarica determina quanta carica viene spostata da ciascuna microscarica e quanto calore trasporta il reattore. Questo articolo ricava la capacità di barriera, il trasferimento di carica per semiciclo e la perdita dovuta al riscaldamento del percorso del gas, quindi mostra perché la sola permittività non può migliorare il valore di carica per joule. Si conclude con quattro punti critici, sei strategie di selezione e la catena di componenti termicamente stabili che mantengono la concentrazione nominale.

1. introduzione

Un generatore di ozono produce il suo prodotto all'interno di un reattore a scarica a barriera dielettrica, e il gas non entra mai in contatto con un elettrodo. Tra l'elettrodo ad alta tensione e l'intercapedine di scarica si trova il corpo di scarica, la barriera le cui proprietà del materiale determinano l'uniformità della formazione della scarica e la quantità di carica trasferita da ciascuna micro-scarica.

Nelle apparecchiature commerciali, tale barriera è solitamente costituita da un tubo di vetro borosilicato o di quarzo. I progetti ad alte prestazioni utilizzano ceramica di allumina, mentre le nuove geometrie in vetro speciale prevedono due intercapedini di scarica all'interno di un unico involucro. Ogni scelta modifica il limite di concentrazione del reattore.

Il limite massimo è un valore termico tanto quanto elettrico. Studi giapponesi su generatori di ozono azionati da trasformatori piezoelettrici hanno misurato una diminuzione della concentrazione di ozono fino al 33% con il riscaldamento del trasformatore e del corpo di scarica durante un funzionamento prolungato. Lo stesso meccanismo si applica ai reattori convenzionali.

Questo articolo ricava il trasferimento di carica, la perdita di barriera e il rapporto di concentrazione utilizzando i dati specifici del reattore, quindi individua quattro punti critici, sei strategie di selezione e le specifiche dei componenti che mantengono fissa la tensione di pilotaggio durante il riscaldamento del cabinet.

2. Meccanismo fondamentale

Il risultato è determinato da tre proprietà del materiale: la permittività stabilisce quanta carica può contenere la barriera, il fattore di dissipazione stabilisce quanta di tale carica viene dissipata sotto forma di calore e la stabilità termica determina quanta concentrazione sopravvive fino alla fine del turno.

2.1 Capacità di barriera e trasferimento di carica

Il tasso di sintesi dell'ozono segue la carica trasferita attraverso l'intercapedine per unità di tempo. La carica spostata in un semiciclo è determinata dalla capacità della barriera e dall'escursione di tensione al di sopra della soglia di accensione:

Q = 2 · C_d · (V_peak − V_ignition)

dove Q è la carica trasferita in C, C_d è la capacità della barriera in F, V_peak è la tensione applicata di picco in V e V_ignition è la tensione di innesco della scarica in V.

La capacità di barriera segue la relazione delle piastre parallele:

C_d = ε₀ · ε_r · A / d_d

dove C_d è la capacità della barriera in F, ε₀ è 8.854×10⁻¹² F/m, ε_r è la permittività relativa, A è l'area di scarica in m² e d_d è lo spessore della parete della barriera in m.

Per un tubo con area attiva di 0.10 m² e spessore della parete di 2 mm, il vetro con ε_r = 4.6 fornisce C_d = 2.04 nF e l'allumina con ε_r = 9.5 fornisce 4.21 nF. Con V_peak = 8 kV e V_ignition = 3 kV, la carica di semiciclo raddoppia da 20.4 µC a 42.1 µC. In unità ingegneristiche la relazione di capacità è C_d [pF] = 0.885 · ε_r · A [cm²] / d_d [mm], il che esclude ε₀ dai calcoli.

La velocità di passaggio della carica è ciò che il gas "vede". A 20 kHz ci sono 40,000 semicicli al secondo, quindi il tubo di vetro eroga una corrente di scarica media di 0.82 A e il tubo di allumina di 1.68 A. Questo raddoppio è il vantaggio che i progetti a doppio gap sfruttano, perché due gap in un unico involucro raddoppiano l'area attiva senza allungare il tubo.

2.2 Perdita di barriera e percorso del calore

La barriera converte parte dell'energia motrice in calore attraverso il suo fattore di dissipazione:

P_barrier = 2π · f · C_d · V² · tan δ

dove P_barriera è la perdita in W, f è la frequenza di eccitazione in Hz, C_d è la capacità della barriera in F, V è la tensione efficace applicata in V e tan δ è il fattore di dissipazione del materiale della barriera.

Consideriamo un tubo in allumina a 20 kHz, 3 kV rms e con una barriera dello 0.8%. La perdita risultante è di 38.1 W. Lo stesso tubo con un materiale dello 0.2% fornisce 9.5 W, quindi la barriera con perdite trasporta un fattore quattro in calore a parità di geometria e tensione.

Quel calore si trasferisce al gas. Convertendo la perdita attraverso un'alimentazione di 4 Nm³/h a 1.29 kg/m³ e 1,005 J/(kg·K) si ottiene un aumento del gap di 26 K per il caso da 38.1 W e di 7 K per il caso da 9.5 W, una differenza di circa 19 K tra i due materiali.

2.3 Carica per joule, il dato che conta

L'aumento della permittività aumenta il trasferimento di carica e la perdita nella stessa proporzione, quindi la permittività non può migliorare la carica erogata per unità di calore. Dividendo la corrente di scarica per la perdita di barriera si ottiene ciò che:

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

dove I_scarica è la corrente di scarica media in A, P_barriera è la perdita di barriera in W, ΔV è V_picco − V_accensione in V, V è la tensione efficace applicata in V e tan δ è il fattore di dissipazione.

Per ΔV = 5 kV e V = 3 kV rms, la barriera di vetro allo 0.2% fornisce 177 mC di carica trasferita per joule di calore di barriera, mentre il materiale allo 0.8% ne fornisce 44 mC/J. Il valore della capacità, l'area e la frequenza si annullano completamente nel rapporto. Il fattore di dissipazione alla temperatura di esercizio è l'unica proprietà della barriera che influenza questo valore.

2.4 Rapporto di concentrazione allo stato stazionario

La concentrazione nominale riportata sulla scheda tecnica si riferisce al valore iniziale a freddo. Il valore di produzione indica la concentrazione raggiunta dopo il raggiungimento dell'equilibrio termico, che si ottiene in 20-40 minuti.

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

dove Stabilità è il rapporto di concentrazione adimensionale, C_ozono(stato stazionario) è la concentrazione dopo l'equilibrio termico e C_ozono(avvio a freddo) è la concentrazione all'avvio.

La decomposizione dell'ozono in ossigeno accelera con la temperatura, quindi la produzione netta diminuisce di circa l'1% per ogni Kelvin di aumento della temperatura del gap. Il calo del 33% misurato nello studio con trasformatore piezoelettrico corrisponde a circa 35 K di riscaldamento del gas durante il funzionamento. Un reattore con una barriera a basse perdite e uno stadio di potenza a temperatura stabile mantiene una stabilità superiore a 0.9; uno costruito con una barriera con perdite scende a 0.7, il che comporta per l'operatore una perdita di capacità del 30% ad ogni turno prolungato.

Figura 1 — Una barriera di perdita dello 0.8% si stabilizza a 0.70 della concentrazione di avviamento a freddo, mentre una barriera dello 0.2% si mantiene a 0.93.

3. Punti critici di ingegneria

Quattro intervalli separano una scheda tecnica di un materiale da un reattore di produzione.

Punto critico 1: i tubi di vetro sono fragili e presentano limitazioni termiche.

I tubi in vetro borosilicato sono economici e chimicamente inerti, hanno una costante dielettrica di 4.6, una conduttività termica modesta e una fragilità meccanica che causa sia perdite di resa che rotture sul campo. Un progettista sceglie il vetro in base al costo, ma poi deve fare i conti con il limite di concentrazione e il tasso di rottura.

Punto critico 2: le ceramiche ad alta permittività comportano perdite maggiori

Le barriere di allumina e titanato aumentano il trasferimento di carica e solitamente aumentano anche tan δ, il che riscalda maggiormente l'intercapedine. Il guadagno di concentrazione dovuto alla carica extra viene quindi parzialmente compensato dalla concentrazione persa per calore, pertanto il materiale deve essere valutato alla temperatura di esercizio e in base alla carica per joule.

Punto critico 3: I test di qualificazione brevi nascondono il declino

Una prova di qualificazione di 15 minuti misura il valore di avviamento a freddo, ma non tiene conto del decadimento termico. I reattori accettati su questa base vengono spediti con un valore di concentrazione che l'impianto non è in grado di riprodurre, il che si traduce in una controversia in garanzia e in un ingegnere di processo insoddisfatto.

Punto critico 4: Lo stadio di potenza aggiunge la propria deriva

La variazione di capacità del condensatore risonante con la temperatura modifica la frequenza di risonanza del serbatoio e la tensione applicata al reattore. Tale variazione altera l'energia per evento di scarica e amplifica il comportamento termico della barriera, cosicché la seconda ora di un turno non corrisponde più alla prima.

4. Fasi di progettazione

Sei fasi definiscono il materiale barriera e la catena di componenti che lo circonda.

Strategia 1: Incidere i materiali alla temperatura di esercizio

Misurare ε_r, tan δ e la concentrazione risultante alla temperatura di barriera allo stato stazionario compresa tra 60 e 120 °C. Selezionare in base alla carica trasferita per joule di perdita di barriera a tale temperatura. Un materiale che è in testa a 25 °C può arrivare terzo a 110 °C.

Strategia 2: Valutare l'utilizzo di vetri speciali a doppio intercapedine.

Due intercapedini di scarica in un unico involucro raddoppiano l'area attiva, consentendo al tubo di trasportare 42.1 µC per semiciclo con lo stesso spessore della parete e la stessa tensione. In combinazione con una barriera a bassa perdita, la geometria migliora contemporaneamente la concentrazione e il consumo energetico specifico.

Strategia 3: Raffreddare il lato del gas, non solo il mobile.

Il raffreddamento attivo dell'intercapedine di scarica attraverso il flusso del gas di alimentazione, un circuito di liquido o alette laterali mantengono il gas vicino alla sua temperatura ottimale e impediscono che la decomposizione esponenziale riduca la quantità di carica accumulata. Misurare la concentrazione con il raffreddamento acceso e spento per stimare il ritorno sull'investimento.

Strategia 4: Specificare la catena dei componenti per la temperatura

Scegliere condensatori risonanti e di filtro con un coefficiente di temperatura di ±30 ppm/°C e un fattore di dissipazione pari o inferiore allo 0.1%, in modo che la tensione fornita al reattore rimanga stabile quando il cabinet raggiunge gli 85 °C. Ciò elimina il termine di deriva dello stadio di potenza e consente alla barriera di prendersi il merito delle proprie prestazioni. Montare il resistori di gradazione sullo stesso substrato termostabile.

Strategia 5: Qualificarsi sul valore di stato stazionario

Eseguire il test di accettazione fino al raggiungimento dell'equilibrio termico per un periodo compreso tra 30 e 60 minuti e qualificare la concentrazione stabilizzata e il suo rapporto con la concentrazione iniziale a freddo. Installare un monitor di concentrazione continuo sul campo e registrarne i dati in funzione della temperatura della barriera, in modo che la successiva iterazione del materiale si basi su dati operativi reali.

Strategia 6: Ridurre il campo al limite termico del materiale

Impostare il campo operativo al 60-80% della rigidità dielettrica a freddo, che protegge il margine di dissipazione del calore durante un turno. Per una barriera con rigidità dielettrica nominale di 7.5 kV/mm a freddo e funzionamento a 3 kV/mm, il margine è di 2.5 volte all'avvio e di 1.8 volte a 105 °C.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	34 mΩ tipico, < 50 mΩ	tan δ ≤ 0.1%
Induttanza di anello (accordo E40)	< 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	> 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Coefficiente di temperatura	±30ppm/°C	da -40 °C a +125 °C
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	> 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC per questo nodo

HVC realizza lo stadio di potenza a temperatura stabile per i circuiti di azionamento dei reattori a ozono:

• Fattore di dissipazione pari o inferiore allo 0.1%, quindi il condensatore risonante aggiunge un calore trascurabile al percorso del gas.
• Coefficiente di temperatura di ±30 ppm/°C, che mantiene la tensione di pilotaggio fissa anche quando il contenitore si riscalda.
• Scarica parziale inferiore a 5 pC alla tensione nominale, quindi l'erosione interna non riduce la durata in condizioni di stress risonante continuo.
• Tensioni nominali da 1 kV a 100 kV per celle a corona di bassa potenza fino a generatori industriali ad alta concentrazione.
• Un intervallo operativo da −40 °C a +125 °C, verificato nell'intero intervallo ambientale con condensatori doorknob e contenitori con morsetti a vite per funzionamento continuo.
• Una serie di morsetti a vite da 40 kV che funge da ricambio diretto per i componenti di prima qualità nei programmi di riparazione sul campo.

Consegna e supporto include curve DF-temperatura, dati TCC, rapporti di prova PD, un riferimento incrociato contro la parte sul campo e campioni per la validazione in regime stazionario. Inviare il materiale della barriera, la temperatura del gas nell'intercapedine, la tensione del nodo e la concentrazione target.

6. Domande frequenti

D1: Una maggiore permittività aumenta sempre le emissioni di ozono?

Aumenta il trasferimento di carica, il che innalza il limite superiore di concentrazione a frequenza e tensione fisse. Non migliora la carica per joule di calore, perché la perdita di barriera è proporzionale alla stessa capacità. Valuta entrambi i valori.

D2: Quanto riscalda il gas la perdita dovuta alla barriera?

A 20 kHz e 3 kV rms, una barriera di allumina da 4.21 nF con tan δ 0.8% dissipa 38.1 W contro 9.5 W allo 0.2%. Con un'alimentazione di 4 Nm³/h a 1.29 kg/m³ si ha un aumento del gap di 26 K contro 7 K.

Q3: Qual è la cifra di concentrazione rilevante per la produzione?

Il valore dopo il raggiungimento dell'equilibrio termico, che si ottiene in 20-40 minuti. Un test di 15 minuti misura l'avvio a freddo e non rileva il decadimento, quindi è consigliabile un test di 30-60 minuti.

D4: Perché un aumento di 10 K della temperatura del gas comporta un costo di produzione così elevato?

La decomposizione dell'ozono in ossigeno accelera con la temperatura e la produzione netta diminuisce di circa l'1% per Kelvin. Il calo misurato del 33% nel lavoro del trasformatore piezoelettrico corrisponde a circa 35 K di riscaldamento.

D5: In che modo il condensatore si inserisce in un problema di selezione dei materiali?

Il condensatore risonante imposta la tensione vista dalla barriera. A ±30 ppm/°C su un aumento di temperatura del cabinet di 60 K, la capacità si sposta dello 0.18%, il che lascia la tensione di pilotaggio e l'energia per evento di scarica sostanzialmente fisse. condensatore a film della stessa valutazione e un condensatori dischi ceramici Entrambi i tipi raggiungono quella cifra e la ceramica occupa meno spazio sulla scheda.

D6: Di quanto deve essere ridotto il campo magnetico di una barriera calda?

Funzionare al 60-80% della rigidità dielettrica a freddo. Una barriera con una rigidità dielettrica nominale di 7.5 kV/mm e operante a 3 kV/mm mantiene una rigidità dielettrica 2.5 volte superiore a freddo e 1.8 volte superiore a 105 °C, quindi la riduzione di capacità compensa il margine di sicurezza consumato dalla temperatura ambiente estiva.

7. Riferimenti

1. IEC 60384-1:2021, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche - Parte 1: Specifiche generiche, 6ª ed. Ginevra: IEC, 2021.
2. Kuffel, E., Zaengl, WS e Kuffel, J., Ingegneria dell'alta tensione: principi fondamentali, 2ª ed. Oxford: Newnes, 2000.
3. N. Mohan, TM Undeland e WP Robbins, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3ª ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2003.
4. Avviso MIL-HDBK-217F 2, Previsione dell'affidabilità delle apparecchiature elettronicheWashington, DC: Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, 1995.
5. IEC 60384-17:2019, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche – Parte 17: Specifiche di sezione – Condensatori fissi in corrente alternata e impulsiva con dielettrico in film di polipropilene metallizzato, Ed. 3.0. Ginevra: Commissione Elettrotecnica Internazionale, 2019.
6. O. Zinke e H. Seither, Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2., neubearbeitete und erweiterte Auflage. Berlino: Springer-Verlag, 1982.
7. AJ Moulson e JM Herbert, Elettroceramiche: materiali, proprietà e applicazioni, 2ª ed. Chichester: Wiley, 2003.
8. U. Kogelschatz, B. Eliasson e M. Hirth, Generazione di ozono da ossigeno e aria: fisica della scarica e meccanismi di reazione, Ozone: Science & Engineering, vol. 10, n. 4, pp. 367-377, 1988. https://doi.org/10.1080/01919518808552391.
9. Tecnologia all'ozono EFFIZON evoXylem / WEDECO, https://www.xylem.com/siteassets/campaigns/oceania/brochure-wedeco-effizon-evo-o3-electrode_opt.pdf .
10. K. Teranishi, N. Shimomura, S. Suzuki e H. Itoh, Generatore di ozono di tipo DBD con trasformatori piezoelettrici: effetto del materiale dell'elettrodo di barriera sulla generazione di ozono, 2008 IEEE International Power Modulators and High-Voltage Conference, pp. 84-84, 2008. https://doi.org/10.1109/ipmc.2008.4743583.
11. Team di ingegneria applicativa HVC, Condensatore ceramico ad alta tensione Risorse tecniche, https://www.hv-caps.com