Портативное устройство для электрогидравлической обработки воды

Область техники
Полезная модель относится к области обеззараживания (дезинфекции) жидкости, включая питьевую воду, от микробиологических объектов и может быть использована в любых отраслях промышленности, в процессе водоподготовки, в быту, военных или туристических условиях, вдали от источников питания. Возможно применение полезной модели в других отраслях науки и техники, использующих технологии, в основе которых лежит электрогидравлический эффект.
Уровень техники
В настоящее время существует множество разновидностей устройств для электрогидравлической обработки жидкости, действие которых основано на прохождении электродугового импульсного разряда между электродами, размещенными в жидкости.
Из уровня техники известно устройство для очистки и обеззараживания жидкостей, преимущественно питьевых и сточных вод [1], конструкция, электрическая схема и принцип работы которого подробно рассмотрены в книге Льва Юткина [2] на станице 13, рис. 1.2, на странице 88, рис 3.1 и на страницах 216-217, рис. 6.5. Из описания и рисунков следует, что устройство для электрогидравлической обработки состоит из основных элементов: трансформатора, повышающего напряжение до 50-100 кВ, выпрямительного диода, по крайне мере одного накопительного конденсатора ёмкостью 1 мкФ и более, по крайне мере одного разрядника открытого типа, формирующего воздушный искровой промежуток, и тары, в которую вмонтирован разрядник, формирующий рабочий искровой промежуток в жидкости. Для достижения максимального эффекта обеззараживания рекомендуется использовать цилиндрическую и узкую тару, через которую бы прокачивался весь объём обрабатываемой жидкости - в таком исполнении потребуется насос для прокачки жидкости. Недостатком известного устройства является необходимость постоянного подключения к источнику переменного сетевого напряжения 220 В для работы повышающего трансформатора, а так же большие габариты и, как следствие, отсутствие мобильности. Так же к недостаткам можно отнести сложность использования вне специальной отведенной производственной площади, отвечающей технике безопасности и необходимость обслуживания квалифицированным персоналом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату является устройство, приведенное в статье «Разработка лабораторной электрогидравлической установки для обеззараживания воды» [3]. Устройство имеет следующие элементы: источник питания (блок питания), понижающий переменное напряжение сети с 220 до 10 В, строчный трансформатор, выпрямительный диод, накопительный конденсатор ёмкостью 1 мкФ, разрядник открытого типа, формирующий воздушный искровой промежуток, и тару с вмонтированными в нее стальными электродами разрядника, формирующего рабочий искровой промежуток в жидкости. Схема позволяет получать разряды напряжением до 10 кВ. Недостатком является необходимость постоянного подключения к источнику переменного сетевого напряжения 220 В. Не смотря на гораздо меньшие габариты по сравнению с первым аналогом, прототип все равно имеет низкую мобильность, а его применение предполагает наличие у пользователя необходимых знаний по электробезопасности и поэтому невозможно в бытовых условиях.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявленного технического решения является создание портативного, безопасного и удобного в пользовании устройства для электрогидравлической обработки воды.
Технический результат, обеспечиваемый данным техническим решением, состоит в обеспечении максимального напряжения при минимальных массогабаритных параметрах устройства с обеспечением простоты и безопасности его использования для любого пользователя.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для электрогидравлической обработки воды, содержащее источник питания, выпрямительный диод, накопительный конденсатор, резистор, рабочий орган, отличается тем, что содержит корпус, в котором размещены указанные источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи, резистор, выпрямительный диод, а также второй выпрямительный диод, два последовательно работающих генератора высоковольтных импульсов в виде обратноходовых преобразователей напряжения, выходы которых подключены к блоку последовательно соединенных накопительных конденсаторов с центральным отводом, и газонаполненный разрядник, соединенный параллельно с блоком накопительных конденсаторов, при этом рабочий орган содержит два газонаполненных разрядника, последовательно соединенных с открытым гидравлическим разрядником, выполненным в виде отрицательного спирального электрода, и плюсовой центральный изолированный электрод.
Использование схемы соединения компонентов устройства в виде двух последовательно работающих генераторов высоковольтных импульсов, двух выпрямительных диодов, выходы которых подключены к блоку последовательно соединенных накопительных конденсаторов с центральным отводом, а так же использование газонаполненных разрядников позволяет значительно сократить размеры устройства без снижения мощности электрических разрядов, что позволяет разместить все компоненты устройства в едином корпусе, в том числе и источник питания, который занимает существенный объем внутреннего пространства корпуса, что в совокупности обеспечивает энергонезависимости устройства и повышает его мобильность.
Принцип действия устройства основан на возникновении серии импульсных высоковольтных электрических разрядов в жидкости между электродами гидравлического разрядника - данное явление известно как электрогидравлический эффект. Вокруг зоны образования разрядов при каждом импульсе возникает сверхвысокое гидравлическое давление, распространяющееся по всему объёму обрабатываемой жидкости. Так же электрогидравлический эффект обладает мощным комплексным воздействием на жидкость: сильные кавитационные явления, возникновение плазмы и образование озона, ультрафиолетовое излучение, интенсивная ионизация и рекомбинационные процессы ионов в зоне разряда, ультразвуковое излучение, электромагнитные поля разрядов - все это способствует активной гибели микрофлоры жидкости [2].
Краткое описание чертежей
Заявленное решение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид заявленного устройства сверху.
На фиг. 2 изображен общий вид заявленного устройства снизу с присоединенным рабочим органом.
На фиг. 3 представлена схема соединения основных компонентов устройства.
На фиг. 4 представлена принципиальная схема генератора высоковольтного.
Осуществление полезной модели
Портативное устройство для электрогидравлической обработки воды состоит из двух главных частей: основного блока (21) и съёмного рабочего органа (13).
Корпус основного блока включает аккумуляторную батарею (1), электронное реле (2) для управления устройством, два генератора высоковольтных импульсов (3, 4), два выпрямительных высоковольтных диода (5, 6), блок накопительных высоковольтных конденсаторов (7), защитный газовый разрядник (8), высокоомный резистор (9), гнездо высоковольтного разъёма (10).
Рабочий орган состоит из вилки высоковольтного разъёма (10), двух газонаполненных разрядников (11, 12) и открытого гидравлического разрядника (14).
В качестве источника питания используется химический источник тока - аккумуляторная литий-ионная батарея с номинальным напряжением 11,1 В, состоящая из трёх последовательно соединённых элементов форм-фактора 18650. Применение цилиндрических элементов позволяет рационально использовать внутреннее пространство корпуса. Аккумуляторная батарея снабжена разъёмом (15) для зарядки соответствующим зарядным устройством.
Для управления устройством применяется реле с цифровой индикацией времени (19).
Для получения необходимого уровня рабочего напряжения и достаточной мощности разрядов при небольших размерах устройства применятся два последовательно работающих генератора высоковольтных импульсов, каждый из которых способен создавать импульсы напряжения до 6 кВ. Потребляемая мощность каждого генератора составляет 22 Вт.
Генератор высоковольтных импульсов (ГИН) является обратноходовым преобразователем напряжения (фиг. 1) и работает по принципу накопления энергии в сердечнике дросселя от первичной обмотки на первом этапе работы и передачи накопленной энергии во вторичную обмотку во время второго этапа работы. Происходит преобразование постоянного напряжения 12 В в высокочастотное импульсное напряжение 6 кВ. Основу данной схемы составляет генератор прямоугольных импульсов на интегральной микросхеме NE555 в корпусе SO-8. Микросхеме задана рабочая частота 30±3 кГц. Ключом в данной схеме является N-канальный МОП-транзистор (IRFP4332PBF). Дроссель представляет собой высоковольтный импульсный трансформатор, состоящий из магнитного незамкнутого стержневого сердечника, с двумя обмотками, расположенными концентрически. Первичная однослойная обмотка содержит 35 витков. Вторичная многосекционная обмотка содержит 3500 витков.
Использование обратноходового высоковольтного преобразователя позволяет добиться максимального напряжения на выходе трансформатора при его минимальных массогабаритных параметрах.
Выходы генераторов высоковольтных импульсов подключаются к секции последовательно соединённых конденсаторов (2-8 шт.) с центральным отводом, образуя левое и правое плечо конденсаторной батареи. Каждое плечо заряжается от собственного ГИН, а в момент искрового пробоя, напряжение на обоих плечах суммируется и достигает величины до 12 кВ.
Для выпрямления высокочастотного импульсного напряжения используются два высоковольтных ультрабыстрых диода, подключенные таким образом, чтобы они пропускали через себя только обратный импульс самоиндукции от трансформаторов.
Опытным путем установлено, что суммарная ёмкость последовательно соединённой конденсаторной батареи для выраженного электрогидравлического эффекта должна быть не менее 0,1 мкФ.
Для защиты всей высоковольтной схемы устройства от перенапряжения при случайном включении портативного устройства без рабочего органа используется газонаполненный разрядник с напряжением пробоя 12 кВ, соединенный параллельно с конденсаторной батареей.
Высоковольтные диоды, накопительные конденсаторы, защитный разрядник и гнездо высоковольтного разъёма изолируются от паразитных электрических пробоев электроизоляционным материалом (компаундом).
Для защиты пользователя от случайного поражения электрическим током, параллельно контактам высоковольтного разъёма в схему включен высокоомный резистор (9), служащий для плавного снятия заряда с конденсаторов устройства.
Рабочий орган выполнен в виде цилиндра, внутреннее пространство которого заполнено электроизоляционным материалом для защиты от паразитных электрических разрядов. Газонаполненные разрядники, служащие для ударной разрядки накопительных конденсаторов в момент пробоя искровых промежутков, рассчитаны на напряжение пробоя 3,5 кВ. Зазор между электродами гидравлического разрядника составляет 0,5-1,0 мм. Поскольку разрядный контур представляет собой последовательно соединённые газонаполненные разрядники и гидравлический разрядник, то напряжение пробоя при такой конфигурации составляет 10-11 кВ. Это оптимальное значение для частых (500 в минуту) и сильных (8 Дж) разрядов. Минусовой электрод гидравлического разрядника, формирующего рабочий искровой промежуток в жидкости, выполнен в виде неизолированной спирали из титанового сплава ВТ-1-0, а плюсовой центральный изолированный электрод из титанового сплава ВТ-6. Использование двух газонаполненных разрядников по 3,5 кВ вместо одного на 7 кВ, а так же применение отрицательного электрода в виде спирали с целью увеличения площади, способствует повышению крутизны фронта разряда. Кроме того, спираль служит демпфером от мощных разрушительных гидравлических нагрузок, а так же позволяет легко регулировать искровой промежуток после его увеличения из-за изнашивания электродов.
Устройство работает следующим образом: перед началом работы требуется подключить рабочий орган (13) к основному блоку (21) через разъём расположенный в основании корпуса (фиг. 2). Устройство нужно расположить над ёмкостью с жидкостью так, что бы уровень жидкости был не выше метки на корпусе рабочего органа. После включения тумблера (16), с помощью кнопок реле времени (20), задается желаемое время в секундах для обработки воды, и для запуска обработки нажимается кнопка запуска обработки (18). Устройство автоматически прекратит обработку по истечении заданного времени. Достаточное для обеззараживания время обработки составляет 45 секунд. Для хранения устройство необходимо выключить, извлечь и промыть при необходимости рабочий орган под проточной водой. Индикатором уровня заряда аккумуляторной батареи служит табло (17). Зарядка аккумуляторов устройства осуществляется с помощью разъёма (15).
Параметры устройства
- Потребляемая мощность: 45 Вт.
- Время автономной работы: 30-50 минут (зависит от ёмкости аккумуляторной батареи).
- Габариты основанного блока (длина×ширина×высота): 85×85×100 мм.
- Габариты рабочего органа (длина×ширина×высота): 24×24×70 мм.
- Вес: 600 г.
6
Были проведены эксперименты по проверке эффективности предлагаемого портативного устройства для обеззараживания воды. Для исследования использовалась вода объёмом 0,5 л, зараженная бактерией E.coli c концентрацией 4,6×10 колониеобразующих единиц на миллилитр. Результаты экспериментов показали, что абсолютно все бактерии погибали уже через 10-15 секунд обработки. Для сравнения: в естественном водоеме, не загрязнённом бытовыми отходами, концентрация бактерий в 500-600 раз ниже, чем в обрабатываемой в ходе эксперимента жидкости.
Таким образом, заявленное устройство обладает высокой эффективностью обеззараживания жидкости, но при этом имеет низкие массогабаритные параметры, является автономным и, за счет своей конструкции, обеспечивает простое, безопасное для любого пользователя применение.
Источники известности
1. а.с. №225799 СССР. / Л.А. Юткин, Л.И. Гольцова; заявл. 02.01.58; опубл 01.01.1983, Бюл. № 18.
2. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.
3. Белов А.А. Разработка лабораторной электрогидравлической установки для обеззараживания воды / А.А. Белов // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. - 2020. - Т. 67. - № 2 (39). - С. 3-7.