СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СРЕДАХ
METHOD FOR DETERMINATION OF DISTRIBUTING CONFIGURATION FOR ELECTROMAGNETIC LINES OF FORCE IN LIQUID HYDROCARBON MEDIA

Изобретение относится к области исследования и применения электростатических полей в различных средах и условиях, преимущественно в жидких углеводородных горючих и их смесей в условиях их естественной конвекции.
При создании электростатических полей от различных электродов образуются силовые линии, конфигурацию которых в основном определяют сложными математическими расчетами с различными степенями погрешностей.
Известен теоретический физико-математический способ, который можно принять за аналог предлагаемого способа (Миролюбов Н.Н., Костенко М.В., Левинштейн М.Л., Тиходеев Н.Н. Методы расчета электростатических полей / Учебное пособие. М.: Изд-во «Высшая школа», 1963. 415 с.), в котором нахождение конфигурации распространения силовых линий электростатических полей определяют путем математического расчета.
Недостатками данного способа являются сложность, трудность расчета, а значит, и неэффективность из-за громоздкости формул и наличия большого количества параметров, неточности расчетов и больших расхождений с экспериментальными данными, возможности расчетов только в воздушной и дисперсной средах при нормальных условиях, невозможности расчетов в жидких углеводородных горючих и их смесях в условиях их естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре.
Однако более точными являются экспериментальные исследования параметров электростатических полей при помощи различных датчиков и приборов зондового типа (Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Изд-во «Энергия», 1974. 480 с.), в которых приведены способы замера напряженности и других параметров электростатического поля в воздушном пространстве или дисперсной среде при помощи стационарных или подвижных зондов.
Недостатками этого зондового способа являются: громоздкость самих зондов; неточность, а порой и невозможность измерений из-за ручного управления и манипуляций и малого габарита объекта; невозможность процесса измерения в жидких углеводородных горючих и их смесях в условиях их естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре; трудности, возникающие при натурном изображении реальных силовых линий электростатического поля. Все перечисленные недостатки приводят к малой эффективности данного зондового способа.
Наиболее близким по технической сущности и взятому за прототип является изобретение «Способ моделирования поля электрического заряда и устройство для его осуществления» авторов Миенко Г.Т., Коберник С.Г., патент №2075109, МПК G09B 23/18, бюл. №16 от 10.06.2002 г., заключающийся в моделировании поля электростатического заряда на воздухе путем возбуждения электростатического поля заряженных тел, в визуализации силовых линий электростатического поля подвижными стрелками, во внесении в электростатическое поле каждого заряженного тела, по крайней мере одного незаряженного.
Недостатками данного способа являются: возможность моделирования (определения) характеристик электростатического поля только в воздушной среде; обязательное наличие заряженного тела; необходимость в поле заряженного тела внесения незаряженного тела; невозможность правильно и точно определить конфигурацию силовых линий электростатического поля до и после его отключения; невозможность определения конфигурации распространения силовых линий электростатического поля в жидком углеводородном горючем или в их смесях из двух или более марок в условиях естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре. Вследствие чего данный способ невозможно эффективно использовать для определения конфигурации распространения силовых линий электростатического поля в среде жидкого углеводородного горючего.
Решаемой задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности способа путем повышения точности определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в условиях естественной конвекции в жидких углеводородных горючих и их смесей при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре.
Технический результат заключается в реальном и точном получении конфигурации распространения силовых линий электростатического поля в объеме жидкого углеводородного горючего или их смесей в условиях естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре.
1. Технический результат достигается тем, что в способе определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в жидких углеводородных средах, заключающемся в определении силовых линий с помощью зондовых датчиков и приборов, конфигурацию распространения силовых линий электростатических полей определяют в среде жидкого углеводородного горючего или в среде смеси двух и более жидких углеводородных горючих, находящихся в условиях естественной конвекции, где вводят и фиксировано устанавливают два электрода любой геометрической формы, например, системы, «игла-игла», один из которых является отдающим, а другой - принимающим, а между ними на одинаковых или различных расстояниях вводят и фиксировано располагают не менее трех параллельных плоских тел, выполненных в виде металлических сеток с ячейками 1-3 мм, которые нагревают Джоулевым теплом до температур от 100°C до 400°C, после установки и фиксации этой системы в постоянном режиме на отдающую иглу подают высоковольтное электростатическое напряжение в течение 5-10 минут и получают поверхности всех плоских металлических тел (сеток) с углеродистым осадком и их поверхности без осадка, образуемые прохождением силовых линий электростатического поля, после чего всю фиксированную систему электродов с плоскими параллельными металлическими сетками вынимают из объема с жидким углеводородным горючим или их смесей и производят замеры геометрических параметров полученных фигур без осадка на каждой сетке, по этим замерам воспроизводят конфигурацию внешних силовых линий электростатического поля путем соединения от отдающего электрода к принимающему через соответствующие точки на каждой плоской металлической поверхности (сетке), расположенные на границе поверхностей с осадком и без осадка, получая реальную объемную конфигурацию распространения силовых линий электростатического поля при заданном фиксированном расстоянии между электродами и подаваемом высоковольтном напряжении.
Для повышения эффективности способа определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в жидких углеводородных средах в системе «игла-игла» принимающий электрод выполняют в виде различных форм, например, в виде плоского тела - треугольника, многоугольника, кольца, или какого-либо любого объемного тела - шара, куба, тора и т.д.
Для повышения эффективности способа определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в жидких углеводородных средах в объеме с жидким углеводородным горючим или в их смесях устанавливают и поддерживают докритическое, или критическое, или сверхкритическое давление.
В ходе проведения экспериментальных исследований по влиянию постоянно включенных электростатических полей на процесс осадкообразования на нагреваемой Джоулевым теплом рабочей пластины в среде жидкого углеводородного горючего при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре в условиях естественной конвекции было установлено, что углеродистый осадок на поверхности пластины образуется в области прохождения силовых линий электростатического поля. Если вместо рабочей пластины между электродами системы «игла-игла» разместить нагреваемую металлическую сетку с ячейкой 1-3 мм, то через 5-10 минут она покроется слоем темно-коричневого (или даже черного) углеродистого осадка, а в области прохождения силовых линий электростатического поля образуется окружность с площадью без осадка (см. фиг.1).
,
Для пояснения технической сущности способа рассмотрим чертежигде:
На фиг.1 показано расположение рабочих элементов, где: 1 - принимающий электрод в виде иглы (принимающая игла); 2 - отдающий электрод в виде иглы (отдающая игла); 3 - нагреваемая металлическая сетка; 4 - поверхность металлической сетки с углеродистым осадком; 5 - поверхность металлической сетки без осадка (в данном случае - это окружность, диаметр которой равен расстоянию между внешними силовыми линиями в точках прохождения через металлическую сетку); 6 - внешние силовые линии электростатического поля; h - расстояние между соосными электродами (в данном случае - между остриями соосных рабочих игл).
На фиг.2 показано расположение трех параллельных металлических сеток между соосными электродами, где: 1 - принимающий электрод в виде иглы (принимающая игла); 2 - отдающий электрод в виде иглы (отдающая игла); 3 - нагреваемая металлическая сетка, расположенная по центру между соосными электродами (рабочими иглами); 6 - внешние силовые линии электростатического поля; 7, 8 - нагреваемые металлические сетки, расположенные между соосными электродами (рабочими иглами) и над и под центральной сеткой на одинаковых расстояниях;
На фиг.3 показаны нагреваемые металлические пластины 7, 3, 8 после эксперимента в жидком углеводородном горючем, на которых образовался углеродистый осадок, а в областях прохождения силовых линий электростатического поля осадка нет, это, соответственно, окружности 5 с различными диаметрами;
На фиг.4 показан пример прохождения внутренних и внешних силовых линий при каком-то подаваемом на отдающую иглу электростатическом напряжении, где: 1 - принимающая игла; 2 - отдающая игла; 3, 7, 8 - нагреваемые металлические сетки; 6 - внешние силовые линии электростатического поля;
На фиг.5 показан пример прохождения внутренних и внешних силовых линий при каком-то увеличенном, по сравнению с предыдущим, подаваемом на отдающую иглу электростатическом напряжении, откуда видно, что расстояние между внешними силовыми линиями, например, в области центральной сетки, также увеличено, где: 1 - принимающая игла; 2 - отдающая игла; 3, 7, 8 - нагреваемые металлические сетки; 6 - внешние силовые линии электростатического поля;
На фиг.6 показан пример, в котором: 1 - принимающий электрод в виде плоскости треугольной формы; 2 - отдающий электрод в виде иглы (отдающая игла); 3 - нагреваемая металлическая сетка, расположенная по центру между соосными электродами, т.е. между отдающей иглой и принимающим плоским треугольником; 6 - внешние силовые линии электростатического поля; 7, 8 - нагреваемые металлические сетки, расположенные между соосными электродами, соответственно над и под центральной сеткой на одинаковых расстояниях;
На фиг.7 показаны результаты нагрева металлических пластин в жидком углеводородном горючем при постоянном включении электростатических полей при соосных электродах, где: 2 - отдающий электрод в виде иглы (см. фиг.6), 1 - принимающий электрод в виде плоскости треугольной формы (см. фиг.6); 7, 3, 8 - нагреваемые металлические сетки после эксперимента в жидком углеводородном горючем, на которых образовался углеродистый осадок, а в областях прохождения силовых линий электростатического поля осадка нет, это, соответственно, подобные треугольники различных размеров 5.
Если между соосными рабочими иглами разместить несколько металлических сеток, например три (см. фиг.2), где средняя 3 является центральной, а остальные две 7, 8 - равноудаленными от центральной, то после нагрева этих сеток в среде жидкого углеводородного горючего при постоянной подаче электростатического напряжения на отдающую иглу 2 через 5-10 минут на их поверхностях образуются окружности с площадью без осадка, показанные на фиг.3. Диаметр окружности без осадка на каждой металлической сетке равен диаметру соответствующей окружности, образованной при поперечном сечении области силовых линий соответствующими плоскостями (см. фиг.2 и 3). Зная расстояние между соосными рабочими электродами (рабочими соосными иглами) и между параллельными металлическими сетками, а также диаметры окружностей без осадка, можно довольно точно определить (начертить, измерить, воссоздать) конфигурацию распространения внешних силовых линий данного электростатического поля при его заданных фиксированных параметрах: расстоянии между соосными электродами (h); подаваемом в постоянном режиме высоковольтном электростатическом напряжении (U) на отдающий электрод в среде жидкого углеводородного горючего, если объединить оба острия соосных рабочих игл 1 и 2 линиями 6, проходящими через периметры окружностей на металлических сетках 7, 3, 8 без осадка (см. фиг.4, 2 и 3). Внутренние силовые линии электростатического поля будут находиться внутри внешних силовых линий, как показано на фиг.4.
При увеличении напряжения U на отдающей игле 2 (см. фиг.5) при фиксированном расстоянии h между рабочими соосными иглами 2, 1 распределение силовых линий электростатического поля будет происходить при увеличенном расстоянии между внешними силовыми линиями 6, при этом диаметры всех окружностей без осадка на нагреваемых металлических сетках 7, 3, 8 также будут увеличенными, как показано на фиг.5, по сравнению с фиг.4. Подобные изменения будут происходить при изменении расстояния h между остриями соосных рабочих игл.
Осуществление способа
Данный способ определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в жидких углеводородных горючих может осуществляться при конкретных и фиксированных значениях без смены полярностей на фиксированных рабочих иглах, без каких-либо выключений-включений, т.е. при постоянном включении электростатического напряжения U в течение 5-10 минут и нагреве металлических сеток до температуры более 100°C. При определении конфигурации распространения и прохождения силовых линий электростатического поля при каком-либо измененном параметре U или h (или сразу обоих этих параметров) необходимо заново установить новые металлические сетки и произвести весь процесс сначала.
Для определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в жидких углеводородных горючих от каких-либо других электродов, например, систем «игла-плоскость», «игла-кольцо» и др., также необходимо между электродами размещать три (и более) параллельных сменных металлических нагреваемых сеток. При соблюдении выше перечисленных условий включения и работы подаваемого электростатического напряжения на металлических сетках 3, 7, 8 (см. фиг.2, 4) будут образовываться области с углеродистым осадком 4 (фиг.1, 3), а в зоне прохождения силовых линий - области без осадка 5 (фиг.1, 3). Затем всю фиксированную систему электродов 1, 2 (фиг.4). с параллельными металлическими сетками 3, 7, 8 (фиг 4) вынимают из объема с жидким углеводородным горючим или их смесей и производят замеры геометрических параметров полученных фигур без осадка на поверхности каждой сетке, по которым воспроизводят конфигурацию распространения внешних силовых линий электростатического поля путем соединения от отдающего к принимающему электродам через соответствующие точки на каждой плоской металлической сетке 3, 7, 8, расположенные на границе поверхностей без осадка и с осадком, что позволит определить объемную конфигурацию силовых линий электростатического поля при заданном фиксированном расстоянии между электродами и подаваемом высоковольтном напряжении.
1
2
3
4
Для примера рассмотрим систему электродов типа «игла - плоскость» (фиг.6), где плоскость 1 - это треугольник. После проведения вышеописанного процесса всю фиксированную систему (соосные электроды, параллельные металлические сетки) вынимают из объема с жидким углеводородным горючим и производят замеры геометрических параметров фигур на поверхностях сеток без осадка. На нагреваемых металлических сетках будут четко видны зоны без осадка, показанные на фиг.7. Зная расстояние между электродами h, между треугольной пластиной 1 и сеткой 7 h, между параллельными металлическими сетками 7, 3, 8 h, h, между сеткой 8 и острием иглы 2 h, можно провести, к примеру, линии, проходящие от острия отдающего электрода 2 через границы зон без осадка на каждой сетке 8, 3, 7, к периметру принимающего электрода - треугольника 1 (см. фиг.7). Эти линии будут являться внешними силовыми линиями данного электростатического поля. При дальнейшем увеличении подаваемого электростатического напряжения U на отдающий электрод 2 (см. фиг.6) возможно увеличение площадей треугольников без осадка на сетках 7, 3, 8 (фиг.7) - из-за изменения конфигурации («раздутия») силовых линий электростатического поля. При изменении расстояния h между электродами 1, 2 (фиг.6) также возможно изменение конфигурации распространения силовых линий электростатического поля. Совместное изменение и установление новых значений параметров h и U приведет к новым характеристикам конфигурации распространения силовых линий. Подаваемое напряжение может изменяться от 1 до 50 кВ, расстояние между электродами может варьироваться от 5 до 25 мм и более.
Технико-экономические преимущества заявленного способа определения по сравнению с известными аналогами заключаются в повышении эффективности и точности определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в условиях естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре, что значительно расширит возможности использования метода в жидких углеводородных средах, а также расширения области применения электростатических полей в науке и технике, что позволит правильно и эффективно проектировать и создавать новые топливно-охлаждающие каналы, форсунки, фильтры двигателей, энергоустановок и других техносистем на жидких углеводородных горючих и их смесей наземного, воздушного и космического базирования с повышенными характеристиками по ресурсу, надежности, безопасности, экономичности и экологичности.