Способ и устройство для получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости
Использование: для электрогидравлической обработки различных материалов. Технический результат заключается в облегчении условий электрического пробоя жидкостей и повышении КПД преобразования электрической энергии в энергию ударной волны. Способ заключается в осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом водоеме или закрытом резервуаре, предварительного электрического разряда, по крайней мере, между одним из рабочих электродов и вспомогательным электродом и последующего основного импульсного электрического разряда между двумя рабочими электродами. При этом предварительный разряд осуществляют в форме электрической короны постоянного или переменного напряжения. Кроме того, полярность напряжения предварительного коронирующего разряда короны (напряжения на вспомогательном электроде) установлена противоположной напряжению основного электрического разряда. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к горному и строительному делу, а также экологии и может быть использовано для электрогидравлической обработки различных материалов, в частности дробления и измельчения горных пород, обеззараживания бытовых и промышленных стоков.
Известен (см. авт. св. СССР №105011, авторы Л.А.Юткин, Л.И.Гольцова, заявл. 15.04.50, №416898, опубл. в 1957 г., БИ №1) способ получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости путем осуществления внутри объема любой проводящей или непроводящей жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического (искрового, кистевого или других форм) разряда. КПД данного способа растет при уменьшении активной (т.е. соприкасающейся с жидкостью) площади положительного электрода и одновременном увеличении активной площади отрицательного электрода, а также при условии максимального сокращения фронта импульса напряжения и укорочения длительности импульса тока, и обеспечении формы импульса тока, близкой к апериодической.
Однако данный способ обладает следующими недостатками:
- в непроводящих жидкостях разряд сопровождается большими предразрядными потерями энергии и имеет большое время запаздывания, соответственно, уменьшаются амплитуда разрядного тока и амплитуда ударной волны;
- вследствие «кустообразного или древовидного» характера формирования лидеров у поверхности анода разряд часто развивается не по кратчайшему пути к катоду, а на боковую поверхность корпуса электродной системы. По этой причине сильному ударному воздействию и износу подвергаются анод и изолятор анода, а полезная механическая работа электрического разряда уменьшается.
Известен также способ получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости (см. авт.св. СССР №161820, авторы Л.А.Юткин, Г.Н.Яссиевич, заявл. 04.10.61, №746837/24-7, опубл. в 1983 г., БИ №20), в котором для повышения КПД преобразования электрической энергии в механическую (устранения роста побочных стримеров и формирования разряда в жидкости одноканальным и строго прямолинейным) осуществляют радиационный поджиг разряда. Для этого, например, на одном из электродов (преимущественно заземленном) устанавливается защищенная капсула с радиоактивным препаратом, создающим в жидкости узкий ионизированный канал в заданном направлении. Получив в свое распоряжение предварительно ионизированный путь, разряд направляется по нему, не затрачивая свою энергию на создание бесполезных побочных стримеров. Все это делает разряд более мощным и строго прямолинейным, а значит, и более длинным, что в совокупности повышает его электроакустический (или электромеханический) КПД.
Недостатком способа получения высоких и сверхвысоких давлений с радиационным поджигом (инициированием) разряда в жидкости является его радиационная опасность для персонала. Вследствие этого способ не вышел до сих пор из стен лабораторий в горную и строительную промышленность.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости, согласно которому перед основным электрическим разрядом в жидкости осуществляют дополнительные разряды между рабочими электродами и вспомогательными электродами от дополнительного высоковольтного генератора.
Способ-прототип реализован в электрогидравлической установке с управляемым поджигом в воде (см. журнал «Электронная обработка материалов», 1970, №4, с.59-65, рис.1-2), содержащей высоковольтный импульсный конденсатор, управляемый коммутатор и два соосных рабочих электрода, расположенных в воде и образующих основной разрядный промежуток. Оба рабочих электрода выполнены из стальных трубок диаметром 18×14 мм, покрытых снаружи изоляцией из вакуумной резины. Внутри каждого рабочего электрода установлены дополнительные электроды, выполненные в виде стержней и изолированные от рабочих электродов при помощи полиэтиленовой изоляции. Дополнительные электроды-стержни заканчиваются головкой цилиндрической формы. Между дополнительными электродами-стержнями и основным и рабочими электродами-трубками оставлен зазор, удаленный от изоляции основного электрода-трубки на 40 мм. Поджигающие разряды в кольцевых зазорах между основными электродами-трубками и дополнительными электродами-стержнями возбуждаются импульсами напряжения, поступающими от вторичных обмоток одного или двух дополнительных импульсных трансформаторов, первичные обмотки которых соединены с дополнительным высоковольтным конденсатором. Основной разряд в воде и пробой дополнительных поджигающих промежутков на рабочих электродах синхронизируются от отдельного блока синхронизации.
Испытания данной установки-прототипа показали ее преимущества:
- канал основного разряда локализован вблизи места возникновения вспомогательного поджигающего разряда, тем самым срок службы изолятора положительного рабочего электрода возрастает очень сильно (с 700 разрядов до 50 тысяч разрядов);
- пробой разрядных промежутков в воде длиной более 25 мм осуществляется встречным движением лидеров с положительного и отрицательного рабочих электродов.
Одновременно испытания способа-прототипа и устройства для его осуществления выявили и их недостатки:
- сложность, громоздкость и дороговизна электрической схемы (практически двойное количество высоковольтных источников энергии с близкими разрядными напряжениями и токами, а также наличие дополнительного блока синхронизации);
- необходимость жесткой привязки основного токового разряда через воду к вспомогательному поджигающему импульсу на рабочем электроде (при малых ≤10 мкс и больших ≥200 мкс временах задержки основного токового разряда эффект воздействия вспомогательного поджигающего разряда на локализацию - место возникновения основного разряда и на ресурс основного изолятора не проявляется).
При создании настоящего изобретения решалась задача улучшения условий электрического пробоя длинных промежутков в жидкостях, особенно, непроводящих (растворителях, нефтях, маслах и т.п.) без сложных схемных ухищрений и с малыми материальными и финансовыми затратами.
Техническим результатом изобретения является облегчение условий электрического пробоя жидкостей и повышение коэффициента преобразования электрической энергии в энергию ударной волны и скоростного гидропотока.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости, заключающемся в осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом водоеме или закрытом резервуаре, предварительного электрического разряда, по крайней мере, между одним из рабочих электродов и вспомогательным электродом и последующего основного импульсного электрического разряда между двумя рабочими электродами, новым является то, что предварительный разряд осуществляют в виде электрической короны постоянного или переменного напряжения.
Кроме того, полярность напряжения короны (напряжения на вспомогательном электроде) устанавливается противоположной напряжению основного электрического разряда.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной электрогидравлической установке, содержащей высоковольтный импульсный конденсатор или конденсаторную батарею, управляемый или неуправляемый коммутатор и два основных рабочих электрода, расположенных в открытом водоеме или закрытом резервуаре с жидкостью, при этом, по меньшей мере, в одном из рабочих электродов установлен вспомогательный электрод, изолированный от основного электрода, новым является то, что между вспомогательным электродом и основным рабочим электродом включен источник высокого постоянного или переменного напряжения.
Кроме того, полярность напряжения предварительного коронирующего разряда короны (напряжения на вспомогательном электроде) установлена противоположной напряжению основного электрического разряда; один из основных рабочих электродов выполнен в виде металлического сосуда или резервуара с жидкостью, а вспомогательный электрод установлен на дне сосуда или резервуара с жидкостью; полярность напряжения (потенциала) на вспомогательном электроде установлена отрицательной.
Включение источника высокого постоянного и отрицательного напряжения между вспомогательным электродом и первым основным, например, заземленным рабочим электродом:
- обеспечивает поставку в воду от источника постоянного и отрицательного напряжения при токе короны, например, 0,1 А·сек примерно 6·1017 электронов·сек (заряд электрона е=1,602·10-19 Кл), для которых вода подобна вакууму и которые без потерь будут перемещаться к положительному рабочему электроду, формируя так называемые лучистые стримеры и определяя возможность пробоя длинных (до 50-80 мм) промежутков;
- создает в воде, где практически существуют только два вида ионов (положительные H+ и отрицательные ОН-), противоположные условия для ионов разных знаков: нейтральные атомы и ионы ОН-, легко получая новые заряды от источника постоянного отрицательного напряжения, насыщают межэлектродное пространство и, имея подвижность примерно в 100 раз выше, чем подвижность положительных ионов (это справедливо практически для всех жидкостей), быстро передвигаются в направлении к аноду и активно разряжаются, но не на сам, почти весь изолированный положительный электрод, а преимущественно на растущий от положительного электрода стример. Вследствие этого стример продвигается строго в направлении отрицательного (заземленного) электрода и прорастает на значительные расстояния. При этом всемерно затрудняются условия образования новых ионов Н+ и одновременно облегчаются условия их разрядки (см. книгу Л.А.Юткин «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986).
В результате такой искусственной асимметрии электрических полей и зарядов в воде стример прорастет дальше, разряд получается длиннее, меньше будут потери энергии на электропроводность и выше электромеханический КПД разряда.
Количественный сдвиг ионного равновесия в сторону преобладания ионов ОН- в воде допустим действием закона Кольрауша, тем более, что этот закон справедлив не только для межэлектродного промежутка, но и в остальном объеме жидкости, где заряд ионов преимущественно противоположен и положителен (состоит ионов Н+).
Включение источника высокого постоянного и отрицательного напряжения между вспомогательным электродом и вторым основным, например, положительным электродом обеспечивает локализацию основного канала разряда (анодного пятна) в месте возникновения вспомогательного пробоя (короны). Тем самым, анодное пятно и канал основного разряда отодвигается от «тройной» точки - границы раздела изолятора с водой и анодом. Вследствие этого, термическое и ударное воздействия на изолятор положительного электрода - анода ослабляются и срок службы изолятора положительного рабочего электрода резко возрастает.
Включение между вспомогательным электродом и одним из основных электродов источника высокого переменного напряжения обеспечивает образование вблизи вспомогательного инициирующего электрода за счет локального разогрева жидкости или электролиза жидкости пузырьков газа, которые вследствие действия выталкивающей силы и основного электрического поля (скорость движения пузырьков в электрическом поле совпадает со скоростью движения ионов) всплывают вверх к положительному электроду и образуют «мостик» газовых пузырьков между анодом и катодом. По этому газовому «мостику» (время «жизни» газовых пузырьков в жидкости примерно равно 5 с, что больше периода срабатывания генератора - периода подачи на анод высоковольтных импульсов напряжения) и происходит главный электрический разряд (см. книгу Ушаков В.Я., Климкин В.М., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении / под ред. проф. В.Я.Ушакова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2005).
Таким образом, с применением предлагаемого способа разряды в непроводящих жидкостях: в пресной воде и углеводородных жидкостях (керосине, нефтях, маслах и т.п.) становятся при равных параметрах основного электрического поля в несколько раз длиннее или осуществляются при меньшем напряжении (со средним градиентом около 1 кВ/см по длине рабочего искрового промежутка). А так как с повышением основного напряжения градиент электрического поля нелинейно падает, то предлагаемый способ позволяет при напряжениях в несколько сотен киловольт получать в воде многометровые разряды. Кроме того, для основного разряда эти благоприятные условия реализуются в жидкости без каких-либо устройств синхронизации. Заявляемый способ весьма простой и надежный и может быть реализован в электрогидравлических установках для дробления и переизмельчения горных пород, а также для обеззараживания загрязненных и токсичных жидкостей.
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления в научно-технической и патентной литературе не обнаружены, что свидетельствует об их новизне и изобретательском уровне.
Заявляемый способ включает в себя следующие операции:
а) изготавливают два рабочих электрода, при этом, по крайней мере, внутри одного из рабочих электродов, который выполнен трубчатым, устанавливают вспомогательный, например, стержневой электрод, изолированный от рабочего электрода;
в) погружают рабочие электроды в сосуд или резервуар с жидкостью или суспензией воды и руды;
б) присоединяют к вспомогательному и одному из основных электродов источник высокого постоянного или переменного напряжения,
г) присоединяют рабочие электроды к высоковольтной конденсаторной батарее или генератору импульсных напряжений;
д) включают сначала источник высокого постоянного или переменного напряжения и создают между вспомогательным электродом и одним из рабочих электродов предварительный коронирующий разряд;
е) включают затем генератор импульсных напряжений и создают между рабочими электродами основной электрический разряд, который обогащается электронами от предварительного коронирующего разряда и проходит по воде или другой жидкости строго к заземленному рабочему электроду, при этом от канала разряда в воде отходят мощная ударная волна и скоростной гидропоток, которые выполняют механическую работу, например, по дроблению и переизмельчению кусков руды или по уничтожению болезнетворных бактерий и микроорганизмов, находящихся в жидкости.
На чертеже изображена принципиальная электрическая схема электрогидравлической установки для реализации заявляемого способа.
Электрогидравлическая установка содержит высоковольтную конденсаторную батарею 1, коммутатор 2, высоковольтный стержневой электрод - анод 3 с изолятором 4, металлический бак 5 с диэлектрической или металлической крышкой 6. Высоковольтный электрод - анод 3 с изолятором 4 пропущен через отверстие в крышке 6 бака. Бак 5 заполнен сточной водой 7 (или другой жидкостью, например смесью полисульфидной руды с водой). Дно металлического бака 5 играет роль второго заземленного электрода - катода. В дне бака 6 выполнено отверстие или закреплен штуцер 8, в котором установлен вспомогательный электрод 9 с изолятором 10. Вспомогательный электрод 8 выполнен, например, в виде вольфрамовой иглы. К вспомогательному электроду 9 и дну бака 5 подключен посредством высоковольтного кабеля источник высокого постоянного или переменного напряжения 11, питание на который поступает от промышленной электросети.
В качестве источника 11 высокого постоянного или переменного напряжения могут применяться высоковольтные устройства для испытания кабелей, например: компактная испытательная установка PGK 50 австрийской фирмы BAUR, которая формирует напряжение отрицательной полярности амплитудой до 50 кВ и выходным током до 25 мА и имеет выходной высоковольтный кабель длиной 4 м, или установка для испытания кабелей VLF-25 CMF американской фирмы High Voltage, которая формирует переменное напряжение частотой 0,1 Гц и амплитудой 25 кВ и снабжена высоковольтным экранированным кабелем длиной 6 м (см. www.electropribor.ru).
В качестве источника высокого переменного напряжения могут также выступать автомобильная катушка зажигания или строчный трансформатор от телевизора, которые работают в диапазоне напряжений до 25 кВ и с частотой следования импульсов от 1 до 20 кГц.
Электрогидравлическая установка работает следующим образом. Перед началом работы в металлический бак 5 загружается исходное сырье, например куски полисульфидной или полиметаллической руды, и заливается техническая вода, являющаяся рабочей средой 7. Затем бак 5 закрывается и через крышку 6 бака пропускается высоковольтный электрод - анод 3 с изолятором 4. После этого включается источник высокого постоянного напряжения 11 и на вспомогательный электрод 9 подается постоянное напряжение отрицательной полярности и амплитудой от 15 до 50 кВ. Между вспомогательным электродом 9 и металлическим дном бака 5 образуется корона постоянного напряжения. Ее тока не хватает для дугового разряда, но поставка электронов в воду достаточна (например, при выходном токе источника высокого напряжения 1-5 мА в воду поступает поток электронов (6-30)·1015 электронов·сек). Т.е. вода в межэлектродном промежутке обогащается ионами ОН-. Далее включается коммутатор 2 и от конденсаторной батареи 1 на основной высоковольтный электрод - анод 3 поступает импульс напряжения положительной полярности и амплитудой 30-50 кВ. Между основным высоковольтным электродом - анодом 3 и заземленным дном бака - катодом 5 возникает резко неоднородное электрическое поле с максимумом в районе острия основного электрода - анода 3. Такая асимметрия поля создает в области между основным высоковольтным электродом 3 и заземленным дном бака 5 благоприятные условия для быстрой нейтрализации ионов H+ и перемещения по жидкости ионов OH-. Ионы H+ легко разряжаются на обширный заземленный 5 и отрицательный 9 поджигающий электроды, тогда как образование новых ионов Н+ при минимальной неизолированной поверхности положительного электрода 3 очень затруднено. В результате происходит резкое уменьшение общего числа ионов Н+ в объеме между рабочими электродами 3 и 5. Реакция жидкости в этом объеме становится щелочной. В то же время, нейтральные атомы и ионы ОН-, легко получая новые заряды от обширного (большого по площади) заземленного электрода - катода (металлического бака) 5 и коронирующего отрицательного электрода 9, насыщают межэлектродное пространство, быстро передвигаются в направлении анода 3 и активно разряжаются, но не на сам, почти весь изолированный положительный электрод 3, а преимущественно на растущий от положительного электрода 3 стример, своего рода «выдвижной» положительный электрод, вследствие чего он и прорастает на значительные расстояния, определяя сверхдлинный канал искрового разряда при данных параметрах импульса высокого напряжения. В момент касания стримером заземленного дна бака 5 начинается главный разряд конденсаторной батареи 1. В воде образуется длинный и сильноточный канал разряда. Ввод энергии в канал разряда сопровождается быстрым разогревом воды и образованием в ней паро-газового пузыря. Расширяющийся канал разряда порождает волну сжатия или ударную волну, а парогазовая полость - гидродинамические возмущения в виде скоростного гидропотока. Ударная волна и скоростной гидропоток, проходя через куски руды, разрушают последние на множество более мелких осколков и выщелачивают их. Отраженные от стенок бака ударные волны дополнительно перемешивают и переизмельчают слои руды. В течение примерно часа осуществляются повторные электрические разряды и измельчение кусков руды до требуемых размеров.
Таким образом, с применением предлагаемого способа разряды в непроводящих жидкостях: в пресной воде и углеводородных жидкостях - керосине, нефтях, маслах и т.п. становятся при равных параметрах основного электрического поля в несколько раз длиннее или осуществляются при меньшем основном напряжении (со средним градиентом около 1 кВ/см по длине рабочего искрового промежутка). С повышением основного напряжения градиент нелинейно падает, что позволяет при напряжениях в несколько сотен киловольт получать в воде многометровые разряды.
Кроме того, заявляемый способ более простой и надежный (только один высоковольтный источник энергии и никакого дополнительного блока синхронизации) и может быть реализован в любых электрофизических лабораториях и заводских цехах. Энергии на предварительную электрическую корону тратится мало по сравнению с энергией основной конденсаторной батареи.
1. Способ получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости, заключающийся в осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом водоеме или закрытом резервуаре, предварительного электрического разряда, по крайней мере, между одним из рабочих электродов и вспомогательным электродом и последующего основного электрического разряда между двумя рабочими электродами, отличающийся тем, что предварительный разряд осуществляют в виде (форме) электрической короны постоянного или переменного напряжения.
2. Способ по п.2, отличающийся тем, что полярность напряжения предварительного коронирующего разряда (или полярность напряжения на вспомогательном электроде) устанавливают противоположной напряжению основного электрического разряда.
3. Электрогидравлическая установка для осуществления способа по п.1, содержащая высоковольтный импульсный конденсатор (или конденсаторную батарею), управляемый или неуправляемый коммутатор и два основных рабочих электрода, расположенных в резервуаре с жидкостью, при этом, по меньшей мере, в одном из рабочих электродов установлен вспомогательный электрод, изолированный от основного электрода, отличающаяся тем, что между вспомогательным электродом и основным рабочим электродом включен источник высокого постоянного или переменного напряжения.
4. Электрогидравлическая установка по п.3, отличающаяся тем, что один из рабочих электродов выполнен в виде резервуара с жидкостью, а вспомогательный электрод установлен на дне резервуара с жидкостью.
5. Электрогидравлическая установка по п.3, отличающаяся тем, что полярность напряжения (потенциала) на вспомогательном электроде установлена отрицательной.
6. Электрогидравлическая установка по п.3, отличающаяся тем, что источник высокого постоянного или переменного напряжения подключен к вспомогательному электроду через резистор или дроссель.
