СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ В ЖИДКОСТИ
METHOD AND DEVICE TO DEVELOP HIGH AND ULTRAHIGH PRESSURES IN LIQUID

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:
17
-19
- обеспечивает поставку в воду от источника постоянного и отрицательного напряжения при токе короны, например, 0,1 А·сек примерно 6·10 электронов·сек (заряд электрона е=1,602·10 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.
15
-
+
-
+
+
+
-
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)·10электронов·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.