РАЗРЯДНИК ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
DISCHARGER FOR LIQUIDS AND GASES TREATMENT

Изобретение относится к энерготехнологическому оборудованию и может быть использовано для обработки жидкостей и/или газов с любой целью, в том числе для активации углеводородных топлив, как жидких, так и эмульсий и суспензий или для ионизации или озонирования воздуха.
Известно устройство для обработки жидкого топлива по патенту РФ на изобретение №2546886, МПК F02M 27/04, опубл. 10.04.2015 г.
Это устройство содержит корпус, входной и выходной топливные штуцеры, индуктор переменного электрического тока, а также внутреннюю цилиндрическую камеру из неэлектропроводного материала для прохода топлива, связанную с входным и выходным штуцерами. Внутри камеры коаксиально с ней установлена тонкостенная металлическая трубка, а на расстояниях от концов металлической трубки располагаются постоянные магниты, выполненные в виде дисков и обращенные друг к другу разноименными полюсами.
Недостатки:
- низкая эффективность,
- сложность конструкции,
- высокое энергопотребление.
Известен разрядник для обработки жидкостей и газов по патенту РФ на полезную модель №88742, МПК F02M 27/04, опубл. 20.11.2009 г., прототип.
Это устройство для обработки топлива содержит полый корпус из электроизоляционного бензостойкого материала; входной и выходной штуцеры; электромагнитную катушку соленоида; блок последовательно установленных кольцеобразных магнитов; распылитель каплеотрыва с отверстиями; камеру расщепления топлива высоким пилообразным напряжением; камеру высоковольтного импульсного расщепления топлива; сетчатые разрядники; выравнивающую магнитную камеру; кольцеобразный магнит; источник пьезоизлучения; ультразвуковой генератор; источник напряжения; электроды. Поступающее через входной штуцер топливо подвергается электромагнитной обработке электромагнитным полем, создаваемым обмоткой катушки соленоида и сердечником. Далее, проходя через отверстия распылителя каплеотрыва, и под воздействием на топливо постоянных магнитов, со смещенными друг относительно друга полюсами, и образующих своеобразную «магнитную спираль» 360°, происходит магнитное турбулентное закручивание потока топлива в момент каплеотрыва. В камере расщепления топлива высоким пилообразным напряжением 8
происходит обработка топлива высоким импульсным пилообразным напряжением 400 вольт с заданной частотой следования и длительностью. Следующий этап - воздействие на топливо высоковольтным импульсом не менее 20 киловольт в камере высоковольтного импульсного расщепления топлива. В результате прохождения потока топлива через камеры с импульсным электрическим полем высокой напряженности, происходит окончательное расщепление топлива на фракции с электризацией вредных примесей и топлива. После электромагнитной и электростатической обработки (в момент каплеотрыва) под воздействием ультразвукового генератора происходит диспергирование топлива на молекулярном уровне. На последней стадии топливо проходит через выравнивающую магнитную камеру, где происходит выравнивание молекул топлива в магнитном поле, образуемом магнитами, и последующее поступление его в двигатель. Полезная модель представляет новую конструкцию устройства для обработки жидкого топлива, обеспечивающего повышение качества обработки топлива и обладающего широкой областью применения.
Недостатки:
- низкая эффективность образования ионов - инициаторов горения в камере сгорания, к которой это устройство подключено,
- сложность конструкции,
- высокое энергопотребление.
Задачи создания изобретения: повышение его эффективности и упрощение конструкции.
Технический результат: увеличение эффективности устройства.
Решение указанных задач достигнуто в разряднике для обработки жидкостей и газов, содержащем рабочую камеру, образованную цилиндрическим корпусом, входной и выходной патрубки, присоединенные к нему с торцов, внутренний электрод, установленный вдоль оси симметрии рабочей камеры, и внешний электрод, установленный концентрично внутреннему электроду внутри цилиндрического корпуса, со смещением вдоль оси разрядника, соединенные высоковольтными проводами с источником высокого напряжения, средство создания магнитного поля в рабочей камере, отличающийся тем, что средство создания магнитного поля в рабочей камере выполнено с возможностью вращения разряда от действия магнитного поля между электродами.
Осевое смещение между внутренним и внешним электродами может быть выбрано из условия:
к
L=(1,0-3,0) D,
где L - расстояние между внутренним и внешним электродами вдоль оси разрядника,
к
D - внутренний диаметр корпуса.
Средство создания магнитного поля в рабочей камере может быть закреплено на внутренней стенке корпуса в осевом направлении между электродами.
Средство создания магнитного поля в рабочей камере может быть закреплено на внешней стенке корпуса в осевом направлении между электродами
Средство создания магнитного поля в рабочей камере может быть выполнено в виде внешнего электрода, выполненного из магнитного материала, к которому присоединен один из высоковольтных проводов.
Средство создания магнитного поля в рабочей камере может быть выполнено в виде постоянного магнита.
Средство создания магнитного поля в рабочей камере может быть выполнено в виде соленоида.
Средство создания магнитного поля в рабочей камере может быть выполнено в виде электромагнита.
На внутренней поверхности корпуса установлены дополнительные постоянные магниты.
На внешней поверхности корпуса могут быть установлены дополнительные постоянные магниты.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-19, где:
- на фиг. 1 приведен разрядник, разрядник со средством создания вращающегося разряда в виде постоянного магнита на внутренней поверхности корпуса,
- на фиг. 2 приведен разрядник со средством создания вращающегося разряда в виде постоянного магнита на внешней поверхности корпуса,
- на фиг. 3 приведен разрядник, у которого электрод совмещен с постоянным магнитом,
- на фиг. 4 приведен разрядник, у которого электрод совмещен с постоянным магнитом и с дополнительным постоянным магнитом на внутренней поверхности корпуса,
- на фиг. 5 приведен разрядник, у которого электрод совмещен с постоянным магнитом, и с дополнительным постоянным магнитом на внешней поверхности корпуса,
- на фиг. 6 приведено влияние магнитного поля на отрицательные ионы,
- на фиг. 7 приведено влияние магнитного поля на положительные ионы,
- на фиг. 8 приведен постоянный магнит с осевой намагниченностью,
- на фиг. 9 приведен постоянный магнит с радиальной намагниченностью,
- на фиг. 10 приведен секционный постоянный магнит,
- на фиг. 11 приведена схема разрядника с соленоидом на внутренней поверхности корпуса,
- на фиг. 12 приведена схема разрядника с соленоидом на внешней поверхности корпуса,
- на фиг. 13 приведена схема разрядника с электромагнитом на внутренней поверхности корпуса,
- на фиг. 14 приведена схема разрядника с электромагнитом на внешней поверхности корпуса,
- на фиг. 15 приведен вид А на фиг. 14, первый вариант,
- на фиг. 16 приведен вид А на фиг. 14, второй вариант,
- на фиг. 17 приведена схема подключения электромагнитов, первый вариант,
- на фиг. 18 приведена схема подключения электромагнитов, второй вариант,
- на фиг. 19 приведена схема подачи воздуха и топлива в энергетическую машину с озонатором и активатором топлива.
Перечень обозначений, упомянутых в описании: корпус 1, рабочая камера 2, первый торец 3, второй торец 4, входной патрубок 5, выходной патрубок 6, держатель 7, внутренний электрод 8, внутренняя поверхность 9, внешний электрод 10, средство создания магнитного поля 11, постоянный магнит 12, источник высокого напряжения 13, первый высоковольтный провод 14, второй высоковольтный провод 15, траектория разряда 16,
линия магнитного поля 17,
внешняя поверхность 18,
электрод, совмещенный с магнитом 19,
дополнительный постоянный магнит 20,
соленоид 21,
источник электропитания
22, электрические провода
23, электромагнит 24,
обмотка 25,
сердечник 26,
регулятор тока 27,
распределитель 28,
озонатор воздуха 29,
активатор топлива 30,
камера сгорания 31,
трубопровод воздуха 32,
воздушная форсунка 33,
трубопровод горючего 34,
форсунка горючего 35.
На фиг. 1-19 приведена конструкция предложенного разрядника для обработки жидкостей и газов.
Разрядник (фиг. 1) содержит корпус 1, цилиндрической формы внутри которого образована рабочая камера 2, предназначенная для обработки жидкостей и/или газов. Особенностью разрядника является то, что он оборудован средством создания магнитного поля и электрического разряда, при этом его конструкция выполнена таким образом, что траектория разряда вращается по спирали с образованием конуса.
Корпус 1 имеет с двух сторон первый торец 3 и второй торец 4, к которым присоединены, соответственно входной патрубок 5 и выходной патрубок 6. Как частный случай при равенстве диаметров корпуса 1 и патрубков 5 и 6 торцы 3 и 4 отсутствуют.
Вдоль оси 00 устройства на держателе 7 закреплен внутренний электрод 8, выполненный в виде иглы. Концентрично внутреннему электроду 8 на внутренней поверхности 9 корпуса 1 установлен внешний электрод 10, имеющий кольцевую форму.
Корпус 1 может быть выполнен из диэлектрического материала (пластмасс) или магнитопроницаемого материала. Держатель 7 выполнен из неэлектропроводного материала.
Устройство оборудовано источником высокого напряжения 13, к которому присоединены: первый высоковольтный провод 14 и второй высоковольтный провод 15.
Выход первого высоковольтного провода 14 соединен с внутренним электродом 8, а выход второго высоковольтного провода 15 соединен с внешним электродом 10. На фиг. 1 показана траектория разряда 16 в виде конуса. Конус может быть неправильной формы и изменять свою форму во времени.
В качестве постоянного магнита целесообразно использовать неодимовый магнит.
Неодимовый магнит - мощный постоянный магнит, состоящий из сплава редкоземельного элемента неодима, бора и железа. Известен своей мощностью притяжения и высокой стойкостью к размагничиванию. Имеет металлический блеск, обусловленный покрытием (на изломе - серый), очень востребован и применяется в разных областях промышленности, медицины, в быту и электронике.
В 1983 году General Motors, Smrutomo Corporation и Китайская академия наук, независимо друг от друга, создали соединение неодим-железо-бор. Мощные редкоземельные магниты, имея крошечные размеры и колоссальную магнитную индукцию, стали с тех пор наиболее эффективным материалом для магнитоизлучателей.
Неодимовые магниты производят двумя способами: порошок, состоящий из смеси металлов запекается в специальной печи под давлением при температуре 1200°С, либо впрыскивается в расплавленный полимер и затем формуется.
Линии магнитного поля 17, создаваемые постоянным магнитом 12, пересекаются с траекторией разряда 16 (фиг. 1).
Оптимальное расстояние L между внутренним и внешним электродами 8 и 10 (фиг.1) равно:
к
L=(1,0-3,0) D,
где L - расстояние между внутренним и внешним электродами 8 и 10,
к
D - внутренний диаметр корпуса 1.
Оптимальность указанного расстояния L доказана далее.
Средство создания магнитного поля 11 должно быть выполнено таким образом, чтобы осуществить эффективное вращение разряда. Для этого оно должно быть установлено в осевом направлении между электродами 8 и 10, отстоящими друг от друга на значительном расстоянии L.
При меньшем расстоянии L будет трудно разместить достаточно мощное средство создания магнитного поля 11 (в том числе постоянного магнита 12), а при большем расстоянии L - линии магнитного поля 17 будут почти параллельны траектории разряда 16, при этом эффективность устройства резко уменьшается.
Доказательство оптимальности указанного диапазона для разрядника, используемого в качестве активатора топлива подтверждается в табл.1.
Доказательство оптимальности указанного диапазона для разрядника, используемого в качестве озонатора воздуха подтверждается в табл. 2.
Постоянный магнит 12 может быть размещен на внешней поверхности 18 корпуса 1 (фиг. 2).
Возможно совмещение функций внешнего электрода 10 и постоянного магнита 12 (фиг. 3) в виде электрода, совмещенного с постоянным магнитом 19.
Этот вариант представляет значительный интерес, так как получается наиболее простым по конструкции и наименее энергоемким в работе.
Для усиления магнитного поля может быть применен, по меньшей мере, один дополнительный постоянный магнит 20 (фиг. 4 и 5).
Дополнительный постоянный магнит 20 может быть установлен на внутренней поверхности 9 корпуса 1 разрядника (фиг. 4).
Дополнительный постоянный магнит 20 может быть установлен на внешней поверхности 18 корпуса 1 разрядника (фиг. 5).
Далее приведено теоретическое обоснование движения заряда в постоянном однородном магнитном поле на основании [1].
Начнем рассмотрение с самого простого случая - постоянного магнитного поля, вектор напряженности которого направлен строго перпендикулярно к плоскости рисунка (фиг. 6 и 7).
Пусть в некоторый момент времени в это поле попала частица, имеющая определенную массу m, заряд q и скорость V с которой она движется в направлении перпендикулярном вектору индукции В. Поскольку электрическое поле отсутствует, то на заряд действует только магнитное поле, имеющее вектор индукции В.
На заряд действует сила:
F=qVB, она называется силой Лоренца, где:
F - сила, действующая на заряд (ион),
q - величина заряда,
V - скорость движения заряда,
В - вектор индукции.
При этом сила F, действующая на заряд, не равна нулю и строго перпендикулярна вектору скорости. Это возможно только при равномерном движении по окружности. Заряд должен двигаться по окружности. С учетом того, что при равномерном движении по окружности сила Лоренца должна совпадать с центростремительной силой радиус г вращения заряда увеличивается. Если электроды, создающие ионизацию (эти заряды) разнесены в осевом и радиальном направлении, то поверхность разряда принимает форму конуса.
Движение по окружности не может быть бесконечным, поскольку кинетическая энергия движения постепенно растрачивается, например, на трение частицы в среде или просто на излучение. Это проявляется в том, что чисто вращательное движение переходит в спираль или конус. В итоге газ или жидкость, походя через этот конус, подвергается энергетическому воздействию в объеме всего расхода продукта и поэтому происходит образование как отрицательных (фиг. 6), так и положительных (фиг. 7) ионов.
Постоянные магниты 12 могут иметь различную конструкцию и намагниченность. Они могут иметь осевую намагниченность (фиг. 8) или радиальную намагниченность (фиг. 9) или быть секционными с радиальной намагниченностью с чередованием полюсов (фиг. 10).
Вместо постоянного магнита 12 для создания магнитного поля может быть применен соленоид 21 (фиг. 11 и 12).
При этом соленоид 21 может быть установлен на внутренней поверхности 9 корпуса 1 (фиг. 11) или на внешней поверхности 18 корпуса 1 (фиг. 12).
Для питания соленоида 21 служит источник электропитания 22, который электрическими проводами 23 соединен с соленоидом 21.
Вместо соленоида 21 может быть применен электромагнит 24, который содержит обмотку 25 и сердечник 26 (фиг. 13 и 14).
При этом электромагнит 24 может быть установлен на внутренней поверхности 9 корпуса 1 (фиг. 13) или на внешней поверхности 18 корпуса 1 (фиг. 14).
Сердечник 26 может быть частично установлен в рабочей камере 2 (фиг. 15 и 16). При этом возможен вариант, когда корпус 1 выполнен из стали (фиг. 16), это усилит магнитное поле в рабочей камере 2.
Если вместо постоянного магнита 12 применен электромагнит 24 (фиг. 13 и 14), содержащий обмотку 25 и сердечник 26, то для питания электромагнита 24 источник электропитания 22 соединен электрическим проводам 23 с одним или несколькими электромагнитами 24.
На фиг. 15 приведен вид А электромагнита 24, первый вариант, с корпусом 1 из диэлектрического материала. На фиг. 16 приведен вид А, второй вариант электромагнита 24 с корпусом 1 из стали.
На фиг. 17 приведена схема подключения электромагнитов 24, первый вариант с применением регулятора тока 27.
На фиг. 18 приведена схема подключения электромагнитов 24, второй вариант с применением распределителя 28, который подает питание на постоянные магниты 24 поочередно по окружности для создания вращающегося магнитного поля.
На фиг. 19 приведен пример применения разрядников в качестве озонаторов воздуха 29 и активатор топлива 30 для подачи топлива и воздуха в камеру сгорания 31 любой тепловой машины.
В состав схемы входят трубопровод воздуха 32, присоединенный к выходу из озонатора воздуха 29, выход этого трубопровода соединен с воздушной форсункой 33. Вход трубопровода горючего 34 присоединен к выходу из активатора топлива 30, а выход - к форсунке горючего 35.
РАБОТА РАЗРЯДНИКА
Работает разрядник следующим образом (фиг. 1-19).
ВАРИАНТ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНЕШНИХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (фиг. 1-5)
Через входной патрубок 5 (фиг. 1) подается жидкость или газ в рабочую камеру 2. Включают источник высокого напряжения 13 и он по первому и второму высоковольтным проводам 14 и 15 подается на внутренний и внешний электроды 8 и 10. Возникает разряд: траектории разряда 16. Линии магнитного поля 17 постоянно пересекают траекторию разряда 16. Вследствие этого происходит вращение траекторий разряда 16 по конусу. Жидкость (или газ), проходит через этот конус и ионизируется. Причем через конус проходит 100% жидкости (газа). При этом повышается процент ионизированного продукта (жидкости или газа) по сравнению с другими разрядниками.
ВАРИАНТ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОЛЕНОИДА
Если вместо постоянного магнита 12 применен соленоид 21 (фиг. 11 и 12), то для питания электроэнергией соленоида 21 от источника электропитания 22 по электрическим проводам 23 к соленоиду 21 подается электрический ток.
При этом соленоид 21 может быть расположен на внутренней поверхности 9 корпуса 1 (фиг. 11) или на внешней поверхности 18 корпуса 1 (фиг. 12). Эксплуатация разрядника (фиг. 11) с соленоидом на внутренней поверхности 3 при высоких температурах невозможна.
ВАРИАНТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Если вместо постоянного магнита 12 применен электромагнит 24 (фиг. 13 и 14), то для питания энергией электромагнита 24 от источника электропитания 22 по электрическим проводам 23 к электромагниту 24 подается электрический ток.
При этом электромагнит 24 может быть расположен на внутренней поверхности 9 корпуса 1 (фиг. 13) или на внешней поверхности 18 корпуса 1 (фиг. 14).
На фиг. 15 приведен вид А электромагнита 24, первый вариант, а на фиг. 16 приведен вид А второй вариант электромагнита 24.
На фиг. 17 приведена схема подключения электромагнитов 24, первый вариант с применением регулятора тока 27.
На фиг. 18 приведена схема подключения электромагнитов 24, второй вариант с применением распределителя 28, который подает питание на постоянные магниты 24 поочередно по окружности для создания вращающегося магнитного поля.
ВАРИАНТ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
На фиг. 19 приведен пример применения разрядников в качестве озонатора воздуха 29 и активатора топлива 30 для подачи топлива и воздуха в камеру сгорания 31 любой тепловой машины.
На вход в озонатор воздуха 29 подают воздух, где он озонируется и по трубопроводу воздуха 32 соединен с воздушной форсункой 33. Вход трубопровода горючего 34 присоединен к выходу из активатора топлива 30, а выход - к форсунке горючего 35.
Изготовлено и успешно испытано несколько опытных образцов разрядника и тепловых машин, в которых разрядники использовались как активаторы топлива и озонаторы воздуха. При этом испытания проводились с воздухом, углеводородными жидкими топливами и с природным газом. Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Вывод по табл. 3.
Оптимальное по полноте сгорания топлива и эмиссии вредных веществ в атмосферу при сгорании топлив, активированных в предложенном разряднике напряжение составляет от 10 до 20 КВ.
Применение изобретения позволило:
- повысить эффективность образования ионов - инициаторов горения (или озона в воздухе) в камере сгорания, к которой это устройство (устройства) подключено (ны), за счет вращения разряда в магнитном поле и прохождения через зону ионизации 100% обрабатываемого продукта,
- упростить конструкцию разрядника,
- снизить энергопотребление разрядника за счет использование высокоэффективных неодимовых магнитов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Книга Яворский Б.М. и Пинский А.А. Основы физики, учебн. в 2 т, т. 1 Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. Под ред. Ю.И. Дика - 5 е изд. Стереотип, М., ФИЗМАТЛИТ, 2003, с. 446-447.