脈沖電場處理過程中電極金屬離子釋出的研究
發(fā)布時間：2021-03-30 03:10
高壓脈沖電場（Pulsed Electric Field,PEF）處理技術是目前較熱門的一種冷滅菌技術,可作為傳統(tǒng)熱力液體滅菌的替代方法。通過在高壓電極上接入高壓脈沖,在處理室內產生高壓脈沖電場并作用于微生物,在強脈沖電場的作用下使微生物細胞發(fā)生不可逆穿孔導致細胞失活。但當采用傳統(tǒng)的PEF殺菌系統(tǒng)時,發(fā)生不良電化學反應是不可避免的,產生有毒的金屬離子和氣態(tài)氣泡。本文研究了高壓脈沖電場對釀酒酵母殺菌的效果及對電極金屬離子釋出的影響。本研究工作如下:（1）分別自制兩個具有相同幾何結構以及處理空間的流動連續(xù)型和靜止間歇型的同軸PEF處理室,并采用自主搭建的指數(shù)衰減波高壓脈沖發(fā)生器進行不同電氣參數(shù)（脈沖數(shù)N、電場強度E）條件下釀酒酵母的滅菌對比實驗。（2）進行靜止同軸處理室PEF過程中不同電氣參數(shù)（脈沖數(shù)N、電場強度E和總能比輸入WT）對不銹鋼（304型）電極中金屬離子釋出的影響實驗。得到實驗結果如下:（1）PEF處理室的滅菌效率實驗結果顯示:流動型和靜止型PEF處理室的滅菌效率均與電場強度和脈沖個數(shù)成正相關;但在相同處理條件下,靜止間歇型處理室的滅菌效率優(yōu)于流動連續(xù)型處...
【文章來源】：廣西大學廣西壯族自治區(qū) 211工程院校
【文章頁數(shù)】：65 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
指數(shù)脈沖發(fā)生器的仿真電路圖
廣西大學碩士學位論文脈沖電場處理過程中電極金屬離子釋出的研究17其電感也很小，但其最大缺點是電極間的介質是一次性的，因此只能產生單個脈沖。因此，本研究中采用自擊穿火花隙開關，其關斷原理是當開關兩電極電壓大或等于電極間隙的擊穿電壓時，電極間發(fā)生霎時電弧擊穿導通，造成兩電極霎時的導通和關斷。自擊穿火花隙開關不僅放電電壓可調，而且頻率可通過調節(jié)充電電流大小來控制，具有耐高電壓和大電流，重復頻率高等特點，在產生簡單、可靠的脈沖波形應用廣泛。3.2.3高壓脈沖直流電源高壓直流電源選用大連泰思曼科技有限公司的TRC2020系列高壓直流電源，安裝有數(shù)字電壓和電流數(shù)碼管LED顯示，配有過壓和輸出短路保護功能。該電源采用市電220V供電，輸出最高電壓為50kV，輸出最高電流為1mA，功率為50W。該電源面板自帶的多圈電位器可將輸出電壓設置在0V到最高電壓之間，電源自帶的多圈電位器可將電流設置在0A到最高電流,可實現(xiàn)高壓輸出的線性平穩(wěn)上升。綜上研究分析，目前實驗室階段搭建了一個利用自擊穿火花隙開關的負極性單指數(shù)脈沖發(fā)生器。由于高壓脈沖發(fā)生器的設備，不僅價格昂貴，而且輸出的是短時高電壓大電流，在搭建和調試過程中具備一定的危險性。隨著各類計算機仿真軟件的不斷豐富，因此為了保證自主搭建的指數(shù)脈沖發(fā)生器的成功性以及人身安全性的前提下，在實際搭建前對自主搭建的指數(shù)脈沖發(fā)生器進行了計算機仿真模擬。該脈沖發(fā)生器的仿真電路圖與電容電壓波形圖如圖3-6、圖3-7所示。圖3-6指數(shù)脈沖發(fā)生器的仿真電路圖Fig.3-6Simulationcircuitdiagramofexponentialpulsegenerator圖3-7電容電壓仿真波形圖Fig.3-7Waveformofcapacitorvoltagesimulation
廣西大學碩士學位論文脈沖電場處理過程中電極金屬離子釋出的研究18該仿真結果表明該電路是可行的，并在實驗室搭建了實際脈沖裝置，裝置圖如圖3-8所示。圖3-8指數(shù)脈沖發(fā)生器實驗裝置圖Fig.3-8Experimentaldeviceofexponentialpulsegenerator該PEF高壓脈沖發(fā)生器的輸出電壓和脈沖頻率均可調，其中輸出電壓即為火花隙開關的擊穿電壓，通過調整開關的電極間距可實現(xiàn)0～25kV的輸出電壓；而通過調節(jié)直流電源的輸出電流可以控制電容充電的快慢，從而實現(xiàn)范圍在0.5～2pps（pulsepersecond,pps）之間的脈沖頻率。有效脈沖寬度取決于PEF處理室的等效阻抗和充電電容容值，計算公式用式（3-1）計算：τ=ReqC（3-1）其中，Req為處理室的等效阻抗，C為充電電容容值。3.3高壓脈沖電場處理室在高壓脈沖電場技術的發(fā)展過程中，處理室的設計也是關鍵技術難點之一。PEF處理室的一般用途是存放待處理的液體懸浮液，并向懸浮液輸送高壓脈沖。在某些情況下，PEF處理室的設計也配備冷卻系統(tǒng)，以保持一個相對較低的溫度。基本上，PEF處理室由絕緣材料和固定的兩個電極組成，形成包含液體懸浮液的處理區(qū)域。目前，處理室的結構主要有三種形式在：平板式、同軸式和共場式，其結構圖分別如圖3-9、3-10、3-11所示，并且處理室處理方式從靜止間歇式處理室發(fā)展出流動連續(xù)式處理室。靜態(tài)處理室處理體積小，主要適用于實驗室研究相關因素對PEF處理過程的影響，而連續(xù)處理室對于大規(guī)模的脈沖電場處理技術應用更具潛力。本研究先利用COMSOLMultiphysics多物理場仿真軟件對平板型、同軸型和共場型三種類型的處理室進行多物理場耦合仿真模型。比較各處理室內的電場與流場分布性以及等效電阻大小，綜合分析比較各參數(shù)在不同類型處理室的優(yōu)勢水平，以便搭建更為合
本文編號：3108739
【文章來源】：廣西大學廣西壯族自治區(qū) 211工程院校
【文章頁數(shù)】：65 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
指數(shù)脈沖發(fā)生器的仿真電路圖
廣西大學碩士學位論文脈沖電場處理過程中電極金屬離子釋出的研究17其電感也很小，但其最大缺點是電極間的介質是一次性的，因此只能產生單個脈沖。因此，本研究中采用自擊穿火花隙開關，其關斷原理是當開關兩電極電壓大或等于電極間隙的擊穿電壓時，電極間發(fā)生霎時電弧擊穿導通，造成兩電極霎時的導通和關斷。自擊穿火花隙開關不僅放電電壓可調，而且頻率可通過調節(jié)充電電流大小來控制，具有耐高電壓和大電流，重復頻率高等特點，在產生簡單、可靠的脈沖波形應用廣泛。3.2.3高壓脈沖直流電源高壓直流電源選用大連泰思曼科技有限公司的TRC2020系列高壓直流電源，安裝有數(shù)字電壓和電流數(shù)碼管LED顯示，配有過壓和輸出短路保護功能。該電源采用市電220V供電，輸出最高電壓為50kV，輸出最高電流為1mA，功率為50W。該電源面板自帶的多圈電位器可將輸出電壓設置在0V到最高電壓之間，電源自帶的多圈電位器可將電流設置在0A到最高電流,可實現(xiàn)高壓輸出的線性平穩(wěn)上升。綜上研究分析，目前實驗室階段搭建了一個利用自擊穿火花隙開關的負極性單指數(shù)脈沖發(fā)生器。由于高壓脈沖發(fā)生器的設備，不僅價格昂貴，而且輸出的是短時高電壓大電流，在搭建和調試過程中具備一定的危險性。隨著各類計算機仿真軟件的不斷豐富，因此為了保證自主搭建的指數(shù)脈沖發(fā)生器的成功性以及人身安全性的前提下，在實際搭建前對自主搭建的指數(shù)脈沖發(fā)生器進行了計算機仿真模擬。該脈沖發(fā)生器的仿真電路圖與電容電壓波形圖如圖3-6、圖3-7所示。圖3-6指數(shù)脈沖發(fā)生器的仿真電路圖Fig.3-6Simulationcircuitdiagramofexponentialpulsegenerator圖3-7電容電壓仿真波形圖Fig.3-7Waveformofcapacitorvoltagesimulation
廣西大學碩士學位論文脈沖電場處理過程中電極金屬離子釋出的研究18該仿真結果表明該電路是可行的，并在實驗室搭建了實際脈沖裝置，裝置圖如圖3-8所示。圖3-8指數(shù)脈沖發(fā)生器實驗裝置圖Fig.3-8Experimentaldeviceofexponentialpulsegenerator該PEF高壓脈沖發(fā)生器的輸出電壓和脈沖頻率均可調，其中輸出電壓即為火花隙開關的擊穿電壓，通過調整開關的電極間距可實現(xiàn)0～25kV的輸出電壓；而通過調節(jié)直流電源的輸出電流可以控制電容充電的快慢，從而實現(xiàn)范圍在0.5～2pps（pulsepersecond,pps）之間的脈沖頻率。有效脈沖寬度取決于PEF處理室的等效阻抗和充電電容容值，計算公式用式（3-1）計算：τ=ReqC（3-1）其中，Req為處理室的等效阻抗，C為充電電容容值。3.3高壓脈沖電場處理室在高壓脈沖電場技術的發(fā)展過程中，處理室的設計也是關鍵技術難點之一。PEF處理室的一般用途是存放待處理的液體懸浮液，并向懸浮液輸送高壓脈沖。在某些情況下，PEF處理室的設計也配備冷卻系統(tǒng)，以保持一個相對較低的溫度。基本上，PEF處理室由絕緣材料和固定的兩個電極組成，形成包含液體懸浮液的處理區(qū)域。目前，處理室的結構主要有三種形式在：平板式、同軸式和共場式，其結構圖分別如圖3-9、3-10、3-11所示，并且處理室處理方式從靜止間歇式處理室發(fā)展出流動連續(xù)式處理室。靜態(tài)處理室處理體積小，主要適用于實驗室研究相關因素對PEF處理過程的影響，而連續(xù)處理室對于大規(guī)模的脈沖電場處理技術應用更具潛力。本研究先利用COMSOLMultiphysics多物理場仿真軟件對平板型、同軸型和共場型三種類型的處理室進行多物理場耦合仿真模型。比較各處理室內的電場與流場分布性以及等效電阻大小，綜合分析比較各參數(shù)在不同類型處理室的優(yōu)勢水平，以便搭建更為合
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