专利名称：一种利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种污水处理装置，尤其涉及一种利用电磁(EM)切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置。
背景技术：
目前，污水处理技术中常常需要将空气、氧气、氯气、臭氧等气体投加到污水中，以达到促进生化、化学反应、消毒等方面的作用，其投加方式基本上是采用射流曝气、曝气盘(管)曝气或溶气泵等投加手段，使用时，通过增加水深的方式来增加溶气效率，其原理基本是通过增加气体分压来增大气体的溶解度。但这样方式所存在的不足之处是:能耗大，溶气效率低、并且受温度等因素的影响较大，另外，用增加水深度的办法来达到提高溶气效率，使其适用场合受到很大的限制。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置。本发明解决了现有装置所存在的能耗大、溶气效率低、受温度影响大的技术问题。为了解决上述技术问题，本发明利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置予以实现的技术方案是:包括壳体，所述壳体内并列分布有多个电极板，所有电极板呈交替间隔的分为两组；两组电极均设有电气连接线；还包括一 EM模块脉冲电源系统，所述EM模块脉冲电源系统由L-C谐振恒流充电电路、两级充放电回路、脉宽调制器和脉冲压缩电路构成；所述L-C谐振恒流充电电路，由电源、L-C谐振恒流电路以及充电电路组成；所述电源的UO为电网交流电压，通过一调压器Tl连接至所述L-C谐振恒流电路，所述L-C谐振恒流电路由电容器C l和两个分别带有铁心的电感线圈LI和电感线圈L2组成；所述充电电路由隔离变压器T2、整流桥D和第一级储能电容C2组成；所述两级充放电回路由电感L3、晶闸管K1、第二级储能电容C3、高频脉冲变压器T3和晶闸管K2组成；所述电感13与第一级储能电容C2连接，所述L-C谐振恒流充电电路给第一级储能电容C2充电，第一级储能电容C2通过所述电感L3、晶闸管Kl和第二级储能电容C3放电，所述第二级储能电容C3通过高频脉冲变压器T3原边漏感L4和晶闸管K2放电；所述晶闸管Kl和晶闸管K2轮流导通，通过所述晶闸管Kl和晶闸管K2对第二储能电容C2放电形成脉冲；所述脉宽调制器采用SG3525单片集成PWM控制芯片，该芯片的6脚和5脚之间串联有电容C5和调节电位器R3，其中调节电位器R3用于调节输出信号的频率；该芯片的7脚与5脚之间连接有放电电阻R4 ;该芯片的13脚和12脚之间串联有分压电阻Rl和分压调节电阻R2，所述分压电阻Rl和分压调节电阻R2用于将13脚基准电压调整器输出的标准电压分压，分出的电压接到补偿端9脚，分压调节电阻R2用于改变引入9脚的电压幅值，从而达到调节脉宽；该芯片的8脚连接有电容C6 ;该芯片的13脚和15脚连接有电容C4 ;该芯片的10脚接地；该芯片的11脚和14脚为两路互补信号的输出；该芯片的11脚和14脚分别通过其隔离及放大电路连接至所述晶闸管Kl和晶闸管K2，所述隔离及放大电路包括光耦和三极管，经过光耦隔离和三极管放大后的信号触发所述晶闸管Kl和晶闸管K2 ;所述脉冲压缩电路由与所述高频脉冲变压器T3副边连接的自击穿气体开关，所述自击穿气体开关为同轴结构，其中间部位为铜棒电极，其外面是不锈钢圆筒电极，气体介质为氩气；所述自击穿气体开关连接有两段Blumlein传输线，两段Blumlein传输线获得的脉冲电压等于充电电压；两组电极的电气连接线分别与两段Blumlein传输线连接。进一步讲，本发明利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置中，所述高频脉冲变压器的铁心为30型JP2.5K锰锌铁氧体铁心，铁心形状为C型，铁心磁路长17.7cm,截面为圆形,半径为1.3cm,截面积为5.3cm2 ;所述高频脉冲变压器的初级绕组阻数为19匝，次级绕组匝数为1140匝；所述初级绕组的线径d=l.24mm，所述次级绕组的线径为 0.14mm η与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明从一个全新的角度来实现在污水处理过程提高溶气效率，是利用电磁切变场(电磁切变窄脉冲)作用于污水中水分子团簇结构、 污染物分子的团簇结构，从而改变了污水的物理化学性质，与现有的装置相比，可以成倍的提高溶气效率及化学、生化反应速度。本发明装置具有低能耗、高溶气效率且不受环境温度影响的优点。与目前常规溶气装置(如溶气泵，射流投加等)比较，在同等效率的情况下，可降低能耗，节能达50%以上。而且体积只是现有技术中溶气装置的十分一，从而节约了大量的原材料；本装置可以全自动运行，无需人员值守，节约人力成本，降低了运行人员劳动强度。
图1-1是本发明溶气装置实施例一的结构示意图；图1-2是图1-1中A-A位置剖视图；图2-1是本发明溶气装置实施例二的结构示意图；图2-2是图2-1中B-B位置剖视图；图3是本发明所实现的脉冲电流波形图；图4是本发明中EM模块脉冲电源电路原理图；图5是本发明中L-C谐振恒流充电电路图；图6-1是一种单级充放电电路图；图6-2是本发明中两级充放电回路电路图；图6-3是脉宽调制器SG3525的外围电路图；图6-4和图6-5分别是脉宽调制器SG3525输出信号的隔离及放大电路图；图7-1是本发明中高频脉冲变压器等效电路图；图7-2是二阶滤波电路的幅频特性曲线；图7-3是二阶滤波电路的相频特性曲线；图7-4是本发明中变压器绕组线路图；图8-1是本发明中Blumlein传输线的电路及其中的波过程；图8-2是本发明中自击穿气体开关剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图1-1和图1-2所示，本发明一种利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置，包括壳体1，所述壳体I内并列分布有多个电极板2，所述电极板2涂覆有镧系金属氧化物涂层，使其具有较低的析氢析氧电位；所有电极板2呈交替间隔的分为两组，两组电极均设有电气连接线3，两组电极的电气连接线分别与一 EM模块脉冲电源系统4的两段Blumlein传输线连接。为了得到高压、高重复频率和纳秒级快上升沿的高能脉冲，EM模块脉冲电源将充电、储能、脉冲形成、脉冲压缩有机结合起来，提出一种新的高重复频率纳秒级前陡沿脉冲高压电源设计方案。通常脉冲形成回路得不到纳秒级陡脉冲，还需要脉冲压缩回路，因此EM模块脉冲电源将脉冲形成回路放在低压侧，脉冲压缩回路放在高压侧，中间用变压器升压和隔离。如图4所示，所述EM模块脉冲电源系统4由L-C谐振恒流充电电路、两级充放电回路、脉宽调制器和脉冲压缩电路构成。脉冲是储能元件在输出脉冲期间向负载放电形成的，那就必须在脉冲输出的间隔时间内，利用电源对储能元件充电。因此，除了放电回路(即脉冲形成回路)，还需要一个充电回路。为使脉冲电源能够良好的工作，通常对充电电路有下述三项要求:(I)必须保证在每一次充电过程结束后，储能元件上都具有大致相同的充电电压；(2)必须保证在脉冲输出期间，使电源和放电开关充分隔离开；(3)必须有较高的充电效率。为了满足高重复频率的要求，除了需要满足以上三个要求之外，还需要解决的一个问题是快速充电。传统的单次运行的脉冲功率电源常采用恒压充电技术，其缺点是:充电回路限流电阻的存在严重限制 了充电速度，并且该电阻的耗能使充电效率偏低，在高重复频率条件下，其耗能更是不可忽略。因此，在重复频率脉冲功率装置中通常采用L-C谐振恒流充电电路，其特点是:充电电流与负载无关，充电速度快，并且充电回路无需电阻，提高了效率。如图4和图5所示，所述L-C谐振恒流充电电路，由电源、L-C谐振恒流电路以及充电电路组成；所述电源的UO为电网交流电压，通过一调压器TI连接至所述L-C谐振恒流电路，所述L-C谐振恒流电路由电容器Cl和两个分别带有铁心的电感线圈LI和电感线圈L2组成，(其互感为M，M=KL，0〈K〈1为互感系数);所述充电电路由隔离变压器T2、整流桥D和第一级储能电容C2组成。当满足谐振条件ω2ΙΧ=1，并忽略电感线圈电阻时，由电路原理得
「 π Γ.U1I2=-J ；
ω/,(\ + 人 I
7.U1I1=J -
β；/,(Ι + Α)因此，L-C谐振恒流电路输出电流I2只与电压U1有关，即其输出电流与负载无关，这样就保证了充电电流始终保持在较高值，从而提高了充电速度。电容储能是脉冲功率技术中最简单也是应用最多的一种储能方式，通过闭合开关对储能电容放电形成脉冲，这其中的关键是闭合开关的选取，EM模块脉冲电源系统中脉冲形成在低压侧，因此选择半导体开关器件作为闭合开关是最合适的。开关器件有很多种，如按功率等级来分类，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等；按制造材料分类有锗管、硅管等；按导电机理分类有双极型器件、单极型器件、混合型器件等；按控制方式来分类，可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件:不可控器件包括整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管等等，半可控器件只有普通晶闸管(SCR) —种，全可控器件包括双极结型电力三极管(BJT)、功率场效应管(POWERMOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、可关断晶闸管(GT0)、静电感应晶闸管(SITH)等。在选取开关器件时，主要从以下几个方面考查开关器件的性能特点:(I)导通压降。半导体器件工作在饱和导通时仍然产生一定的管耗，管耗与器件导通压降成正比，所以应尽量选择低导通压降的电力半导体器件。(2)运行频率。电力半导体器件运行频率除了与器件的最小开、关时间有关外，还受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开、关时间越短，器件可运行的
频率越高。(3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。(4)耐冲击能力。主要是指器件短时间内承受过电流的能力。(5)可靠性。主要是指器件防止误导通的能力。半可控器件一旦受到干扰信号产生了误导通，则无法通过控制信号 将其关断。而全可控器件可以通过控制信号迅速关断误导通的器件，因此系统工作可靠性高。表I列出了几种主要的电力半导体全控性开关器件的特性。从表中可以清楚的看到SCR的功率大于MOSFET和IGBT，同样功率的三种器件，SCR价格要便宜很多。虽然MOSFET开关速度最快，工作频率最高，但电流容量相对较小，耐压较低，导通压降大。IGBT虽然频率也较高，功率也较大，但是IGBT过流过压能力差，很容易烧毁，需要复杂的保护电路。本课题最初就是选用IGBT，但是实验表明，IGBT太脆弱，容易烧毁，而且这里不需要全可控器件，利用电感电容的谐振，可实现软开关技术，在电流为零时，半可控器件SCR就可以自关断，等待下一次放电。SCR优点就在于功率大，过流过压能力强，不易烧毁，不需要复杂的保护电路，且驱动简单，不需要专门的驱动芯片，经济实惠，而且导通压降低，因此，在频率不是很高(几kHz量级)、高压和大电流的情况下，选择SCR作为开关器件是最合适的。表I几种主要的电力半导体全控性开关器件的特性比较
权利要求
1.一种利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置，包括壳体(I)，其特征在于， 所述壳体(I)内并列分布有多个电极板(2)，所有电极板(2)呈交替间隔的分为两组；两组电极均设有电气连接线(3)； 还包括一 EM模块脉冲电源系统(4)，所述EM模块脉冲电源系统(4)由L-C谐振恒流充电电路、两级充放电回路、脉宽调制器和脉冲压缩电路构成； 所述L-C谐振恒流充电电路，由电源、L-C谐振恒流电路以及充电电路组成；所述电源的UO为电网交流电压，通过一调压器Tl连接至所述L-C谐振恒流电路，所述L-C谐振恒流电路由电容器Cl和两个分别带有铁心的电感线圈LI和电感线圈L2组成；所述充电电路由隔离变压器T2、整流桥D和第一级储能电容C2组成； 所述两级充放电回路由电感L3、晶闸管K1、第二级储能电 容C3、高频脉冲变压器T3和晶闸管K2组成；所述电感13与第一级储能电容C2连接，所述L-C谐振恒流充电电路给第一级储能电容C2充电，第一级储能电容C2通过所述电感L3、晶闸管Kl和第二级储能电容C3放电，所述第二级储能电容C3通过高频脉冲变压器T3原边漏感L4和晶闸管K2放电；所述晶闸管Kl和晶闸管K2轮流导通，通过所述晶闸管Kl和晶闸管K2对第二储能电容C2放电形成脉冲； 所述脉宽调制器采用SG3525单片集成PWM控制芯片，该芯片的6脚和5脚之间串联有电容C5和调节电位器R3，其中调节电位器R3用于调节输出信号的频率；该芯片的7脚与5脚之间连接有放电电阻R4 ;该芯片的13脚和12脚之间串联有分压电阻Rl和分压调节电阻R2，所述分压电阻Rl和分压调节电阻R2用于将13脚基准电压调整器输出的标准电压分压，分出的电压接到补偿端9脚，分压调节电阻R2用于改变引入9脚的电压幅值，从而达到调节脉宽；该芯片的8脚连接有电容C6 ;该芯片的13脚和15脚连接有电容C4 ;该芯片的10脚接地；该芯片的11脚和14脚为两路互补信号的输出；该芯片的11脚和14脚分别通过其隔离及放大电路连接至所述晶闸管Kl和晶闸管K2，所述隔离及放大电路包括光耦和三极管，经过光耦隔离和三极管放大后的信号触发所述晶闸管Kl和晶闸管K2 ； 所述脉冲压缩电路由与所述高频脉冲变压器T3副边连接的自击穿气体开关，所述自击穿气体开关为同轴结构，其中间部位为铜棒电极，其外面是不锈钢圆筒电极，气体介质为氩气；所述自击穿气体开关连接有两段Blumlein传输线，两段Blumlein传输线获得的脉冲电压等于充电电压； 两组电极的电气连接线分别与两段Blumlein传输线连接。
2.根据权利要求1所述利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置，其特征在于，所述电极板(2 )涂覆有镧系金属氧化物涂层。
3.根据权利要求1所述利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置，其特征在于，所述高频脉冲变压器的铁心为30型JP2.5K锰锌铁氧体铁心，铁心形状为C型，铁心磁路长17.7cm,截面为圆形,半径为1.3cm,截面积为5.3cm2 ； 所述高频脉冲变压器的初级绕组匝数为19匝，次级绕组匝数为1140匝；所述初级绕组的线径d=l.24mm,所述次级绕组的线径为0.14mm。
全文摘要
本发明公开了一种利用电磁切变场提高污水处理溶气效率的溶气装置，包括壳体，壳体内并列分布有多个电极板，所有电极板呈交替间隔的分为两组；两组电极均设有电气连接线；还包括一EM模块脉冲电源系统，EM模块脉冲电源系统由L-C谐振恒流充电电路、两级充放电回路、脉宽调制器和脉冲压缩电路构成。本发明是利用电磁切变场(电磁切变窄脉冲)作用于污水中水分子团簇结构、污染物分子的团簇结构，改变污水的物理化学性质，提高溶气效率及化学、生化反应速度，在同等效率的情况下，可降低能耗，节能达50%以上。而且体积只是现有技术中溶气装置的十分一，从而节约了大量的原材料。
文档编号C02F1/48GK103204570SQ20131006775
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者刘佩春, 贾占付, 刘海涛, 李 赫, 马强, 侯喜超 申请人:天津北方万峰环保科技有限公司