一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置

技术领域

本发明属于脉冲水中放电技术领域，特别是涉及到一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置。

背景技术

近年来，脉冲水中放电因其优越的物理和化学性能，在能源与环境等领域得到广泛应用。以多针-板电极产生水中电晕放电为例，因其能够形成大面积等离子体而广泛采用。但是，对于水中电晕放电，放电产生的焦耳热使水气化形成气泡，气泡在针电极附近聚集较长时间，阻挡等离子体向平板电极发展，使得损耗增大，降低了等离子体的能量利用效率。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置用于解决水中电晕放电使水气化形成气泡，阻挡等离子体向平板电极发展，导致等离子体的能量利用效率低的技术问题。

一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置，包括等离子体电源系统、电极系统和水流调控系统；所述水流调控系统包括水箱、喷管、水泵、流量计和分水器；所述水箱的出水口依次连接水泵、流量计以及分水器；所述分水器的每个出水口均安装有喷管；所述喷管的出水口浸没于放电反应器的水中；所述电极系统采用针-平板电极系统，电极系统的针电极固定安装在喷管的内部，针电极也浸没于放电反应器的水中并且针电极的针尖位于喷管的外部，针电极从针尖产生等离子体，形成电晕放电，电极系统的接地平板电极放置在于放电反应器的内底部，接地平板电极与针电极对应布置；所述等离子体电源系统采用高压脉冲电源，等离子体电源的高压端与针电极连接，等离子体电源的低压端与接地平板电极以及地线连接；所述放电反应器为封闭腔体，放电反应器的顶部设置有出水口。

所述针电极的外部设置有绝缘层，针电极、绝缘层以及喷管为由内向外的同轴圆柱结构。

所述针电极有多个并且在放电反应器中的同一水平面上采用阵列形式排布，针电极均并联连接在等离子体电源系统上，相邻两个针电极之间的间距大于或等于二者不发生放电的最小间距。

所述喷管中喷出纵向水流，纵向水流的水流方向与针电极电晕放电产生的气泡移动方向相同，气泡在水流带动下加速向接地平板电极移动。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明首次提出利用水流纵向方向带动气泡离开电极。通过纵向水流将气泡沿着运动方向加速移动，有效减少气泡恢复时间，提高水中电晕放电等离子体能量利用效率，水流的速度通过水泵进行调节。

2、本发明工艺简单、操作方便，流水处于连续流动状态，且不会影响电晕放电的触发频率、外加电压等。

3、本发明适用于脉冲液相放电领域，如等离子体活化水制取，采用纯水溶液作为水流调控；如微生物溶液杀菌，采用相同浓度的微生物溶液作为水流调控。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置的结构示意图。

图2为本发明一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置中针电极、喷管及水流与气泡运动方向示意图。

图3为本发明一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置中有水流作用的双脉冲放电电压波形图。

图4为为本发明一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置中无水流作用的双脉冲放电电压波形图。

图中，1-针电极，-2绝缘层，3-喷管，4-接地平板电极，5-分水器，6-流量计，7-水泵，8-水箱，9-出口、10-放电反应器。

具体实施方式

为使本发明描述的更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施方式进行进一步描述说明。

本发明选取纯净水溶液作为处理对象，水溶液放置于放电反应器10内。参阅图1和图2，一种提高水中电晕放电等离子体能量利用效率的装置由等离子体电源系统、电极系统和水流调控系统组成。等离子体电源系统可根据水溶液条件的不同改变相应的脉冲峰值、脉冲宽度和脉冲频率。电极系统采用针-平板结构。等离子体电源系统的高压端与电极系统中的针电极1连接，等离子体电源激励针电极1使针电极1从针尖产生等离子体，形成电晕放电。等离子体电源系统的低压端、接地平板电极4与地线连接。

针-平板电极系统浸没于放电反应器10的水中。针电极1的直径为1mm圆柱结构，不锈钢材料。针电极1被绝缘层2包裹，绝缘层2的直径为3mm,环氧树脂材料。喷管3的直径为6mm,日丰管材料，针电极1、绝缘层2及喷管3三者构成同轴圆柱结构。针电极1采用3×3阵列的多针形式，针电极1均并联连接在等离子体电源系统上，相邻两个针电极1之间相距为40mm。接地平板电极4为平板结构，不锈钢材料，放置于放电反应器10的内底部。

所述的水流调控系统包括水箱8、喷管3、水泵7、流量计6和分水器5。水从水箱8流出，经过水泵7、流量计6后流入分水器5，水流从喷管3流出，水流方向与电晕放电产生的气泡移动方向相同，流速范围是0.2L/min～5L/min，水流速度由水泵7调控。当放电产生气泡后，气泡在水流带动下加速向接地平板电极4移动。水流温度与放电反应器10内的水溶液温度相同。

装置启动后，等离子体电源系统是间歇触发的工作状态，而水流调控系统是连续流动的工作状态。由于放电等离子体传播速度很快，水流速较慢，因此放电不会受到水流速的影响。等离子体电源系统激励针电极1，使多个针电极1同时发生放电，放电后产生气泡，由于气泡脉动效应，气泡首先聚集在针电极1附近，然后缓慢地向接地平板电极4移动，水流从喷管3流出，使气泡脱离针电极1，并加速向接地平板电极4移动，并逐渐消失，如图2所示。从而使后续放电等离子体的发展不受气泡影响。

实施例：

为进一步描述本发明提出的方法效果，本实施例选用实验室的不锈钢针-板电极进行水中电晕放电试验来说明。放电反应器10为选用长×宽×高分别为200mm×200mm×200mm的有机玻璃，放电反应器10上端为针电极1，采用3×3阵列的多针结构，针电极1与接地平板电极4相距100mm,整体构成针-板电极形式。放电反应器10内盛有150mm高的水溶液，水溶液温度为20℃。

采用双脉冲法来测试水中放电等离子体的能量利用效率，在电极系统上施加两次脉冲放电，放电间隔是2ms,考虑有水流作用和无水流作用两种情况下对比实验结果。

第一种情况有水流作用于气泡，在电极系统上施加两次脉冲放电，第一次电压峰值为14.0kV，放电间隔2ms，高压激励针电极1向接地平板电极4的方向产生电晕放电，第一次放电后约10μs产生气泡，气泡聚集在针电极1附近，喷管3产生的水流使气泡脱离针电极1，气泡在水流作用下加速向接地平板电极4移动，并逐渐消失。2ms时间间隔后，第二次放电施加到针电极1上，产生电晕放电，此时，针电极1附近气泡已经完全消失，第二次电压峰值为14.0kV，与第一次放电电压相同，电压波形如图3所示，说明相继两次放电等离子体能量效率没有改变。

第二种情况无水流作用于气泡，在电极系统上施加两次脉冲放电，第一次电压峰值为14.0kV，放电间隔2ms，高压激励针电极1向接地平板电极4的方向产生电晕放电，第一次放电后约10μs产生气泡，气泡聚集在针电极1附近时间为3ms，即气泡聚集的时间3ms长于放电间隔2ms，导致第二次放电的等离子体被前次产生的气泡阻挡，第二次放电电压9.1kV，显著低于第一次放电电压,电压波形如图4所示，说明第二次放电等离子体的能量利用效率低于第一次。实验结果显示，对于多个针-平板电极系统的电晕放电等离子体，纵向水流作用能够显著提高放电等离子体能量利用效率。