Способ получения потоков аэроионов при атмосферном давлении и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для приготовления продуктов питания или их обработке с продлением срока их хранения. Сущность изобретения: способ получения интенсивных потоков аэроионов базируется на ионизации подаваемого принудительно газа электрическим разрядом в два этапа - этапа предварительной ионизации газа и этапа повторной ионизации образовавшейся смеси импульсным электрическим разрядом. Устройство для получения потоков аэроинов при атмосферном давлении содержит корпус из изолирующего материала, внутри которого располагаются генерирующий электрод с металлическими иголками, соединенный с источником высокого напряжения и расположенный по ходу движения аэроионов, ускоряющий электрод. Устройство снабжено соединенным с источником питания электродом предварительной ионизации, расположенным перед ним узлом принудительной подачи воздуха или газа, газоразрядной камерой, и экстрагирующей системой. При этом ускоряющий электрод выполнен сетчатым и является одновременно торцевой стенкой газоразрядной камеры, в которой установлен генерирующий электрод с металлическими иголками, соединенный с источником высокочастотного напряжения, противоположная торцевая стенка газоразрядной камеры выполнена сетчатой и является одновременно первым электродом экстрагирующей системы, образованной этим электродом и двумя последующими, расположенными по ходу движения аэроионов, потенциальными экстрагирующими электродами, каждый из которых соединен с источником питания. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для приготовления продуктов питания или обработки продуктов питания с целью продления сроков их хранения. Изобретение также может быть использовано в медицине для стерилизации медицинского инструмента и оборудования, операционных, больничных палат с целью уничтожения микрофлоры, а также в коммунальном хозяйстве для обеззараживания воздуха в залах театров, кинотеатров и иных подобных помещений.

Известен способ получения ионизированного газа (воздуха) за счет эффектов образования носителей заряда в электрическом разряде. Ионизация осуществляется на металлических остриях коронирующего электрода, расположенного над плоским (обычно заземленным) электродом, между которыми прикладывается высокое напряжение. Наибольшая часть ионов (при ионизации окружающего воздуха их именуют аэроионами) образуется в т.н. "чехле короны" электрического разряда и очень узкой области, не превышающей 0,1 мм от коронирующего острия. Этим определяется ограничение плотности генерируемых аэроионов и трудности получения концентраций более 1000000 ионов в куб. см, необходимых для организации промышленных процессов с аэроионами (Бут. А.И. Применение электронно-ионной технологии в пищевой промышленности, М. Пищевая промышленность, 1977, с. 5-19. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии, М. Энергоатоиздат, 1985, 160 с.).

Известен способ получения потоков аэроионов за счет ионизации воздуха (газа) проникающих излучением от радиоактивных изотопов (А.Л. Чижевский. Аэроионизация в народном хозяйстве. М. Стройиздат, 1960). Этот способ имеет наиболее существенный недостаток в том, что в таком ионизаторе находится определенные количество радиоактивного вещества, которое при неосторожном обращении может попасть в окружающее пространство и создать проблемы радиационной безопасности. Кроме того, даже в дорогостоящих ионизаторах, содержащих большое количество радиоактивного вещества, реально достигнутая концентрация аэроионов редко приближается к 1000000 ионов в куб. сантиметре.

В качестве прототипа изобретения выбран способ получения аэроионов, описанном М.Н. Лившицом в книге "Аэроионификация: Практическое применение. Промышленное применение", М. Стройиздат, 1990, с. 92. В предложенном способе ионы генерируются электрическим разрядом и ускоряются электрическим полем с получением потока ионизированного воздуха.

Описанные способы получения потоков ионов газов реализованы в конструкциях специальных устройств, именуемых генераторы аэроионов или ионизаторы (аэроионизаторы).

Известно устройство: генератор упомянутых ионов воздуха, в котором для ионизации воздуха использован радиоактивный изотоп водорода тритий (период полураспада 12 лет, энергия излучения около 12 кэВ), содержание которого в устройстве производительностью 100000 500000 ионов в кубическом сантиметре воздуха (при рабочем объеме около 0,1 кубического метра) составляет несколько десятков кюри ("Униполярный генератор аэроионов ИВА-Т", проспект СКТБ с ЭП ИЯИ АН УССР, Киев, 1991 г.).

Недостатком такого устройства является наличие чрезвычайно большого количества радиоактивного трития, утечка которого и попадание в объем обрабатываемого воздуха совершенно недопустимо. Даже при низком проценте утечки, например около 0,1% это примерно 0,1 кюри, при 0,01% 10 мкюри, 0,0001% 1 мккюри. Фактически не исключен и выход всего радиоактивного изотопа, например, при нагревании более, чем на 200 град. Цельсия от пожара и т.д.

Производительность такого устройства также относительно невелика.

Известен также ионизатор: электроэвфлювиальная люстра с игольчатыми ионизирующими электродами (Чижевский.А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве, М. Госпланиздат, 1960, с. 42). Люстра представляет собой сеточную чашу диаметром примерно 1 м с электродами-иголками, подвешенными на мощном изоляторе и заземляющем электродному полу помещения. Расстояние от люстры до пола составляет примерно 3 5 м. Люстра подключается к высоковольтному источнику постоянного тока.

Недостатком данного устройства является низкая производительность (примерно 1000 50000 ионов в кубическом сантиметре воздуха), неэффективный отбор ионов нужного знака. Поэтому использование таких ионизаторов в промышленности (производстве и хранении продуктов питания, медицине и др.) малоперспективно из-за малой плотности потока генерируемых аэроионов.

Известен также аэроионизатор, состоящий из игольчатого ионизатора и двух отражательных электродов, на которые подается постоянное напряжение величиной 1,3 1,7 кВ, иногда до 4 кВ. Этот ионизатор при силе тока около 0,5 мА производит примерно 100000 ионов в кубическом сантиметре воздуха в объеме примерно 0,25 кубических метра (Бръненкова З. Бръненков.П. Конструиране на апарати за аеройонизация, Радио, телевизия, электроника. N 8, 1981, с. 14).

Недостатком этого ионизатора является низкая производительность, малая концентрация ионов в единице объема и малый рабочий объем.

В качестве прототипа предлагаемого устройства взят электроразрядный генератор аэроионов, состоящий из корпуса, генерирующего электрода с металлическими иголками, соединенного с источником высокого напряжения, ускоряющего электрода (Лившиц М.Н. Аэроионификация. М. Стройиздат, 52 с.). Этот ионизатор генерирует поток аэроионов с энергией около 12 кэВ в узком направлении в сторону кольцевого ускоряющего электрода. Этот направленный поток аэроионов имеет удельную концентрацию до 500000 ионов в куб. см на расстоянии 1 м от его выходного окна.

Недостатком такого устройства является относительно небольшая концентрация генерируемого потока аэроионов и относительно малый рабочий объем разрядной камеры (около 4 см. куб).

Задача, решаемая изобретением, повышение плотности потока и концентрации аэроионов в рабочем объеме 20 60 миллионов в кубическом сантиметре, создание направленного потока ионизированного воздуха (газа) и увеличение суммарного объема неионизированного газа с заданной степенью концентрации ионов различной полярности, необходимой для эффективной обработки поверхности.

Цель изобретения достигается тем, что для увеличения степени ионизации применяется предварительная ионизация газа (воздуха), поступающего в газоразрядную камеру генератора ионов, а также создания направленного потока ионизированного газа за счет применения устройства принудительной подачи ионизируемого газа (воздуха). Необходимая мощность предлагаемого генератора аэроионов достигается тем, что питание игольчатых электродов осуществляется импульсным напряжением с высокой частотой следования, например от 15 до 35 кГц, и большой амплитудой напряжения (15 50 кВ) при силе тока от 1 до 500 мА.

Сущность способа заключается в том, что ионизация осуществляется в два этапа, состоящих из предварительной ионизации поступающего газа (воздуха) с получением объемной концентрации 1000 -1000000 ионов в куб. см и последующей ионизацией этой смеси мощным электрическим импульсным разрядом с силой тока 1 500 мА, амплитудой напряжения питания равной 15 50 кВ и частотой следования 13 35 кГц с последующей экстракцией и выделением ионов нужного знака. Импульс напряжения питания разряда может иметь пилообразную, прямоугольную или колоколообразную форму.

Способ реализуется в устройстве, которое включает устройство принудительной подачи воздуха, расположенное перед генерирующим электродом предварительной ионизации, соединенном с источником питания, а ускоряющий электрод выполнен сетчатым и является одновременно торцевой стенкой газоразрядной камеры, в которой установлен потенциальный коронирующий электрод, соединенный с источником импульсного высокочастотного питания, а противоположная торцевая стенка газоразрядной камеры также выполнена сетчатой и является одновременно первым электродом экстрагирующей (вытягивающей) системы, образованной этим электродом и двумя последующими потенциальными электродами, каждый из которых соединен с источником питания. На чертеже схематически показан предлагаемый генератор аэроионов.

Устройство состоит из корпуса (1) из изолирующего материала, компрессора (2), электрода предварительной ионизации (3) с маломощным источником импульсного (или постоянного) питания (4), газоразрядной камеры (5) с торцевыми стенками (6, 7), выполненными сетчатыми, в которой установлен потенциальный коронирующий электрод (8), соединенный с источником высокочастотного питания (9), экстрагирующей системы электродов (10), источников их питания (11, 12), крепежного узла для подключения к обрабатываемому объему (13).

Параметры системы питания приведены в таблице.

Устройство работает следующим образом: Компрессор создает поток воздуха, протекающий со скоростью примерно 0,1 м/с вдоль трубы ионизатора. Предионизатор за счет коронного разряда между игольчатыми электродами (3) и заземленной сеткой (11) создает начальную концентрацию ионов, способствующую возникновению разряда в рабочем промежутке газоразрядной камеры (10) между внутренними стенками камеры и игольчатыми остриями потенциального электрода (5). Далее этот разряд поддерживается уже за счет энергии от источника импульсного питания (9) этого электрода.

При напряжении на игольчатом электроде (8) около 20 кВ и силе тока разряда более 10 мА, образуется 10³ 10⁶ ионов, которые ввиду процессов рекомбинации создадут концентрацию ионов примерно 50 100 млн.в куб.сантиметре, т.е. значительно большую, чем в прототипе и других подобных генераторах.

В зависимости от полярности напряжения, приложенного от источников питания (11, 12) к электродам (10) из рабочего объема газоразрядной камеры экстрагируются (извлекаются) ионы той или иной полярности.

Пример 1. Электроразрядный генератор ионов газа, состоящий из вентилятора, корпуса круглой формы диаметром 100 мм, (отделенной от основной разрядной камеры заземленной сеткой (6)), одновременно являющейся ускоряющим электродом для предионизации и торцевой стенкой газоразрядной камеры (5), состоящей из заземленного корпуса с сеткой на входе (6) и выходе (7) и потенциального электрода (8) в виде протяженного цилиндра диаметром 20 мм и длиной 250 мм со стальными коронирующими иголками в количестве 100 шт (закрепленными рядами на электроде вдоль потока газа), с последовательно расположенной системой экстрагирующих электродов (10), подключен выходным крепежным узлом (фланцем) (13) к прямоугольной камере обработки пищевых продуктов с объемом 4 куб. метра.

В камере предионизации создается начальная концентрация носителей заряда (ионов, электронов) 10000 1000000, обеспечивающая поджиг и формирование устойчивого интенсивного разряда в газоразрядной камере. Для этого на коронирующий сетчатый электрод предионизатора (3) прикладывается напряжение (постоянное или переменное) величиной 20 кВ с силой тока 1 10 мА от источника (4). Образовавшиеся в промежутке коронирующего электрода (3) и заземленного сетчатого электрода (6) заряженные частицы вдуваются вентилятором через него в газоразрядную камеру (5) в направлении, указанном стрелками на чертеже.

Наличие в поступающем газе (воздухе) большого количества носителей заряда создает условия зажигания мощного разряда между потенциальным электродом с коронирующими иголками (8) и внутренними стенками металлического корпуса газоразрядной камеры (5). Мощность этого разряда определяется параметрами источника питания (9), который в данном примере обеспечивает подачу на электрод (8) импульсного напряжения пилообразной формы с амплитудой 25 кВ, силой тока в импульсе 100 мА и частотой 20 кГц. При этом в объеме газоразрядной камеры создается высокая концентрация (до 10) заряженных частиц, численное значение которых определяется мощностью газового разряда. Регулирование мощности разряда может осуществляться либо изменением амплитуды импульсного напряжения, либо вариацией длительности импульсов при неизменной амплитуде. Оба метода практически равноценны, а в приведенном примере регулирование осуществляется амплитудой напряжения питания.

Образовавшаяся в разрядной камере смесь состоит из различных заряженных частиц из которых с помощью экстрагирующей системы (10) выделяются отрицательные аэроионы, необходимые для обработки продуктов. Экстрагирующая система данного варианта генератора аэроионов состоит из двух сетчатых электродов из константовой проволоки диаметром 0,2 мм и ячейкой 20 х 20 мм, натянутых по всему сечению потока ионизированного газа (воздуха). На электроды подается положительное напряжение 300 В на ближний к заземленной сетке (6) и 450 В на второй, расположенный вблизи выходного фланца (7).

При включении и работе генератора в подсоединенной камере обработки продукции, где на полках рядами, допускающими свободное проникновение аэроионов, подвешены обрабатываемые продукты из рыбы, образуется и поддерживается концентрация отрицательных аэроионов 60 млн. в куб. сантиметре. Длительность обработки 18 ч.

Полученный продукт: слабосоленая кета с высокими вкусовыми и диетическими свойствами.

Пример 2. Генератор ионов газов при атмосферном давлении устанавливают в помещении больничной палаты, (процедурной или хирургической) объемом 100 300 куб. метров.

При включении генератора в течение короткого времени (5 15 мин) во всем объеме обслуживаемого помещения создается и стабильно поддерживается концентрация аэроионов кислорода в количестве 100 -300,0 тыс. в куб. сантиметре, трудно достижимая для таких больших рабочих объемов иными устройствами. Благодаря высокой концентрации аэроионов кислорода, обладающих высокой подвижностью (усиленной также и принудительной подачей ионизированного воздуха), в объеме палаты осуществляется электрическая зарядка микровключений воздуха (пыли, микрофлоры), которые под действием электростатических сил уносятся на стены помещения. Таким образом достигается очистка (стерилизация) воздуха палаты. Обработка производится в присутствии людей в палате, что имеет преимущество перед бактерицидными лампами, которые нельзя использовать в присутствии людей. Кроме того имеют место ряд физиологических эффектов воздействия отрицательных аэроионов, улучшающих состояние больных и повышающих неспецифическую сопротивляемость организма человека.

Пример 3. Генератор ионов газов при атмосферном давлении подключается к системе вентиляции воздуха в помещении кинотеатра или подобного учреждения, характеризующихся большими объемами (1000 5000 и более куб. метров) и постоянным пребыванием людей.

Такой генератор обеспечивает подачу в объем помещения кинотеатра отрицательных аэроионов с концентрацией 10000 50000 аэроионов в куб. сантиметре, что практически невозможно осуществить ионизаторами иной мощности. Как и в предыдущем примере, но с более умеренной интенсивностью, происходит постоянная очистка и стерилизация воздуха и насыщение его отрицательно заряженными молекулами кислорода, благотворно действующими на людей. Такое использование изобретения обеспечивает выполнение санитарно-гигиенических требований к помещениям с постоянным пребыванием большого количества людей.

Т.о. по сравнению с прототипом, предлагаемый метод позволяет реализовать процессы с повышенной эффективностью ионизации за счет электрического разряда в газе при атмосферном давлении.

Предлагаемое с этой целью устройство позволяется достигнуть концентрации аэроионов более 100 млн. в кубическом сантиметре, получить заданную концентрацию в больших рабочих объемах, обеспечить высокую плотность аэроионов на поверхности обрабатываемого продукта, сконцентрировать поток аэроионов на заданной поверхности и повысить эффективность их применения в промышленных технологических процессах.

Формула изобретения

1. Способ получения потоков аэроионов при атмосферном давлении, включающий ионизацию газа электрическим разрядом и ускорение ионов электрическим полем, отличающийся тем, что для получения интенсивных потоков аэроионов концентрацией 10⁸ ионов/см³, проводят принудительную подачу газа на ионизацию, а ионизацию осуществляют в два этапа электрическими разрядами, при этом на первом этапе осуществляют предварительную ионизацию с получение концентрации до 1 млн. ионов/см³, а на втором этапе предварительно ионизированный газ повторно ионизируется электрическим импульсным разрядом с силой тока 1 500 мА, при амплитуде напряжения питания 15 50 кВ и частотой следования 13 35 кГц, после чего проводят экстракцию с выделением ионов соответствующего знака.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на втором этапе ионизации импульсов напряжения питания разряда имеет пилообразную форму.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на втором этапе ионизации импульс напряжения питания разряда имеет прямоугольную форму.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на втором этапе ионизации импульс напряжения питания разряда имеет колоколообразную форму.

5. Устройство для получения потока аэроионов при атмосферном давлении, содержащее корпус, генерирующий электрод с металлическими иголками, соединенный с источником высокого напряжения и расположенный по ходу движения аэроионов ускоряющий электрод, отличающееся тем, что оно снабжено соединенным с источником питания электродом предварительной ионизации, расположенным перед ним узлом принудительной подачи воздуха или газа, газоразрядной камерой, и экстрагирующей системой, а ускоряющий электрод выполнен сетчатым и является одновременно торцевой стенкой газоразрядной камеры, в которой установлен генерирующий электрод с металлическими иголками, соединенный с источником высокочастотного напряжения, противоположная торцевая стенка газоразрядной камеры выполнена сетчатой и является одновременно первым электродом экстрагирующей системы, образованной этим электродом и двумя последующими, расположенными по ходу движения аэроионов, потенциальными экстрагирующими электродами, каждый из которых соединен с источником питания.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что потенциальные экстрагирующие электроды выполнены в виде сетки из проводящего материала или проводников, расположенных параллельно друг другу, или в виде концентрических колец.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2