[发明专利]DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法

权利要求书

1.DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、实验数据测量与分析，具体包括：

S11、采用Q-V李萨如图形法测量DBD反应器的放电功率；

S12、结合空气的物性参数随温度的变化，采用量热法获取DBD反应器向空气传递的热功率；

S13、采用3次实验的平均值作为最终的数据结果，分析得到热效率的不确定度；

实验结果的不确定性与空气流量、放电电压、放电频率、放电电流以及空气温度参数的测量误差以及圆管尺寸的加工误差有关，根据实验结果不确定性分析理论，定压比热C_p、质量流率流速u₀、放电功率p_d、热功率p_a以及热效率η的测量误差可表示为：

考虑风机入口处温度为298.15K，反应器入口处的最大温度为650K，反应器出口处的最大温度为900K，并根据实验测试仪表的测量精度，分析得到不同参数的不确定度；

S2、实验验证：对DBD等离子体反应器的合理性、功率测试方法及计算方法的有效性进行验证；

S3、实验结果与讨论，具体包括：

S31、分析放电电压对放电功率和热效率的影响；

S32、分析放电频率对放电功率和热效率的影响；

S33、分析入口流速对放电功率和热效率的影响；

S34、分析入口温度对放电功率和热效率的影响；

S4、得出结论：根据线-筒式DBD反应器热效率实验测试与研究结果，得到放电电压、放电功率、气流速度和气流温度因素对反应器内放电功率、热功率以及热效率的影响结论；

所述步骤S11通过高压探头测量得到DBD等离子体反应器的高频电压瞬时值U_h和放电频率f_h，并通过在放电回路中交替串接电阻R_m和电容C_m，测量反应器的电流瞬时值I_h和放电过程中输送的电荷量Q_m,在此基础上，通过绘制Q-V李萨如图形计算DBD反应器的放电功率，将其标记为P_d；

所述步骤S12中对应的具体内容包括：

提取空气的物性参数随温度的变化，其中标准大气压不同温度下空气的密度ρ与温度T的关系为：

空气比热C_p的变化参考空气物性参数数据库，并采用最小二乘法拟合得到C_p＝aT⁴+bT³+cT²+dT+e，式中，a＝4.0444×10^-10,b＝-1.4976×10^-6，c＝0.001934，d＝-0.8142，e＝1113.69；

通过控制风机可以获得不同体积流量Q的空气气流，根据入口处空气的密度ρ₀，计算空气的质量流率

根据经存储管加热后空气的热物性参数，计算得到DBD反应器入口处空气的流速为式中，ρ_in为经加热后空气的密度；

采用量热法测定DBD反应器向空气传递的热功率，其中当DBD反应器及气体流动达到稳定状态后，反应器入口处和出口处的温度保持不变，反应器的热功率为式中，C_p,in和C_p,out分别为反应器入口处和出口处空气的定压比热；T_in和T_out分别为反应器入口和出口处空气的温度；将C_p,in和C_p,out之间的平均值作为空气在反应器内气体的平均的定压比热；

分析得到DBD反应器的热效率可以表示为

所述步骤S2中对DBD等离子体反应器的合理性、功率测试方法及计算方法的有效性进行验证，具体包括：

对DBD等离子体反应器的合理性以及计算方法的有效性进行验证，当峰值电压V_pp为18kV，放电频率f_h为20kHz时，得到反应器上的电压和回路中的电流，其中放电电压为标准的正弦波形，而回路中的电流存在多个高振幅脉冲，对比得到电压和电流的波形形貌与测量得到的波形一致性验证了所设计DBD等离子体反应器的合理性；

为验证功率测试方法的有效性，将采用的Q-V李萨如图形法与瞬时功率法的测试结果进行对比，当放电频率小于或等于16kHz时，Q-V李萨如图呈现为对称的平行四边形；并计算得到不同放电电压和频率①V_pp＝16kV,f_h＝23kHz，②V_pp＝19kV,f_h＝16kHz，③V_pp＝20kV,f_h＝15kHz，④V_pp＝21kV,f_h＝13kHz时的放电功率，对比得到功率测量结果保持在6％以内，验证了本研究所采用功率测试方法及测试结果的有效性；

为验证热功率计算方法的有效性，采用圆筒中安装电阻值为100欧姆的金属翅片电加热管的方式进行实验，并根据实验表明，该方法能够有效测量反应管内的热功率和热效率；

所述步骤S31中分析放电电压对放电功率和热效率的影响方式为：

当放电频率为8kHz、12kHz、16kHz、20kHz条件下，气流的入口速度为12m/s，温度为400K时，构建DBD反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随放电峰-峰值电压下15kV-22kV的变化曲线，由变化曲线得到，在同一放电频率下，交流DBD的放电功率随着激励电压峰峰值的增加而增大；

并采用指数型函数对放电功率与放电电压的对应关系进行拟合，不同放电频率下的拟合函数及确定系数如下：

由此可见，确定系数都大于0.99，参数拟合结果良好，并根据出口处气体的温度，计算得到DBD放电的热功率和热效率，可以得到，在同一放电频率下，随着峰峰值电压的增大，热功率增加，同时热效率增大；

当f_h为8kHz，V_pp由15kV增加到23kV时，η由55.25％增加到68.47％；当f_h为12kHz时，η由60.23％增加到73.92％；当f_h为16kHz时，η由64.43％增加到77.59％，而当f_h为20kHz时，η由69.95％增加到81.79％，进一步表明，随着放电电压的增加，放电过程中将有更多的能量占比由高能电子传递给重粒子；

所述步骤S32中分析放电频率对放电功率和热效率的影响方式为：

当放电电压为16kV、18kV、20kV、22kV条件下，气流的入口速度为12m/s，温度为400K时，构建反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随放电频率7kHz-23kHz的变化曲线，由变化曲线得到，在同一放电电压下，随着放电频率的增加，DBD反应器的放电功率呈现先增大后减小的倒“V”形，且在放电功率下降阶段，功率与频率近似呈线性关系；同时，随着放电电压的增大，谐振频率呈现减小的趋势；

由变化曲线中反应器出口处的温度计算可知，与DBD反应器的放电功率相一致的，热功率也呈现先增大后减小的趋势，但在同一放电电压下，热效率随着放电频率的增加呈现单调增大的趋势；

同时，当V_pp为16kV，f_h由7kHz增加到23kHz时，η由58.36％增加到73.19％；当V_pp为18kV时，η由60.60％增加到77.59％；当V_pp为20kV时，η由63.32％增加到80.09％；而当V_pp为22kV时，η由66.66％增加到82.76％，进一步表明，热效率随着频率的增加而增大；

所述步骤S33中分析入口流速对放电功率和热效率的影响方式为：

当放电电压为16kV、18kV、20kV、22kV条件下，放电频率为12kHz，气流温度为400K时，构建反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随气流速度2m/s-22m/s的变化曲线，由变化曲线得到，随着气流速度的增加，放电功率呈现先轻微增大后减小的趋势；

由变化曲线中出口处气体温度的变化计算可知，同一放电电压下，DBD反应器的热功率随着气体流速的增加同样表现出先增大后减小的趋势；此外，随着流速的增大，热效率整体上呈现出不断减小的趋势；

同时，当V_pp为16kV，入口处的速度由2m/s增加到22m/s时，η由69.96％降低到59.33％；当V_pp为18KV时，η由70.09％降低到63.10％；当V_pp为20KV时，η由71.49％降低到65.65％；当V_pp为22KV时，η由76.04％降低到70.35％，进一步表明，气体流速对热效率的抑制幅度随着放电电压的增加而减小；

所述步骤S34中分析入口温度对放电功率和热效率的影响方式为：

当放电电压为16kV、18kV、20kV、22kV条件下，放电频率为12kHz，入口处的气流速度为12m/s时，构建反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随气流速度400K-650K的变化曲线；

当V_pp为16kV，T_in由300K增加到650K时，P_d由116.57W增加到130.42W；当V_pp为18kV时，P_d由734.45W增加到778.96W；当V_pp为20kV时，P_d由734.45W增加到778.96W；当V_pp为22kV时，P_d由734.45W增加到778.96W，进一步表明，在特定的放电电压下，随着气流温度的增加，放电功率单调小幅度增大；

当V_pp为16kV，T_in由300K增加到650K时，η由59.45％增加到66.94％；当V_pp为18kV时候，η由68.83％增加到74.38％；当V_pp为20kV时候，η由68.83％增加到74.38％；当V_pp为22kV时候，η由68.83％增加到74.38％，进一步表明，在相同的放电电压下，随着气流温度的升高，热功率和热效率也呈现增加的趋势；

所述步骤S4中放电电压、放电功率、气流速度和气流温度因素对反应器内放电功率、热功率以及热效率的影响结论如下：

随着放电电压的增大，气体的电离度和电子的动能增大，反应器的放电功率和热效率随之增加；

由于反应器存在谐振频率，放电功率和热功率随着放电频率的增加呈现先增大后减小的倒“V”形变化，而热效率随频率的增加表现为单调增加的趋势；

由于气流可以改善放电均匀性并对反应器内的活性粒子具有吹出作用，放电功率和热功率随着气流速度的增加同样呈现先略微增大后减小的趋势，但热效率随着气体流速的增加而降低；

随着气流温度的增加，放电功率、热功率和热效率都增大，这源于粒子动能的和粒子间碰撞频率的增加。