СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТОВЫХ И УДАРНЫХ ВОЛН В ЖИДКОСТИ
METHOD AND APPARATUS FOR OBTAINING OPTICAL AND IMPACT WAVES IN LIQUID

Изобретение относится к способам получения мощных световых и ударно-акустических волн в проводящей жидкости и может быть использовано в экологии для очистки сточных вод, в химии растворов для стерилизации медицинского инструмента.
Известен способ очистки питьевых и сточных вод, в котором для разрушения бактерийной формы используется электрический разряд (см. а.с. СССР 196632, МПК C02F 1/48, авторы Л.А.Юткин, Л.И.Гольцова, опубл. 15.05.83, бюл. №18). Для осуществления этого способа могут быть использованы различные устройства, обеспечивающие создание искрового электрического разряда в потоке или спокойной массе воды.
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, укорочения длительности импульса тока и обеспечении формы импульса тока, близкой к апериодической (см. книгу Л.А.Юткин. «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. - 253 с., с ил.).
Однако данный способ имеет следующие недостатки:
- обеззараживание воды происходит только в непосредственной близости к искровому межэлектродному промежутку (на расстоянии не более 3-4 межэлектродных зазоров);
- обеззараживающий эффект устройств низок, так как большая часть энергии разряда переходит в энергию ударной волны, а на долю ультрафиолетового излучения, которое уничтожает до 80% болезнетворных бактерий, приходится лишь 10% энергии разряда;
- сопровождающие искровой разряд мощные ударные и акустические волны предъявляют повышенные требования к механической прочности устройства и защите обслуживающего персонала от акустических ударов;
- нельзя сконцентрировать значительную часть энергии заряженной конденсаторной батареи в тонком канале разряда и получить мощную ударную и световую волну, если жидкость является проводящей, например, промышленной сточной водой или медицинским солевым раствором (в них ток растекается по всему объему жидкости).
Известен также способ стерилизации жидкости и находящихся в них объектов химически активными частицами, получаемыми при диафрагменном разряде, генерируемом с использованием электродов, при этом процесс ведут при непрерывной циркуляции раствора, используют ток промышленной частоты при напряжении 500-1000 В, разряд генерируют на молибденовых или графитовых электродах (см. патент РФ №2195961, МПК A61L 2/02, опубл. 01.10.2003, авторы Стройкова И.К., Максимов А.И. и др.).
Устройство для осуществления данного способа состоит из электрического блока питания и плазмохимической ячейки, содержащей в свою очередь кварцевую или керамическую ампулу со сферической диафрагмой (отверстием) диаметром 0.4 мм. В ячейку заливается токопроводящая жидкость - раствор хлорида натрия при концентрации 2 г/л. В жидкость помещается требующий обеззараживания объект. На диэлектрической крышке ячейки с помощью резьбового соединения с резиновым уплотнением монтируют мешалку и электроды, на один из которых надевают кварцевую (или керамическую) ампулу с диафрагмой. Между электродами прикладывают внешнее напряжение промышленной частоты 50 Гц и амплитудой 500-1000 В и в ячейке протекает ток, замыкающийся через отверстие в ампуле. При величине тока 40-80 мА в отверстии зажигается диафрагменный разряд. После этого раствор и помещенные в него медицинские объекты обрабатывают разрядом в течение 4-10 минут, после чего выключают все элементы схемы и вынимают объект. Во всех опытах с данным устройством эффективность стерилизации медицинских объектов диафрагменным разрядом была 100%, а выживаемость микроорганизмов - нулевая.
Недостатки устройства для осуществления данного способа:
- не более чем лабораторный, а точнее, ампульный или пробирочный масштаб (примерно 50 мл), вследствие чего в устройстве нельзя обрабатывать медицинские объекты и инструменты крупных размеров;
- большая длительность процесса стерилизации (4-10 минут для одной ампулы или пробирки). Для объектов промышленного масштаба длительность стерилизации вообще не определена.
Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является способ возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости - электролите (см. статью Санкин Г.Н., Дрожжин А.П., Ломанович К.А., Тесленко B.C. Многоочаговый диафрагменный генератор ударных волн в жидкости. // Приборы и техника эксперимента, 2004, №4. C.114-118), заключающийся в том, что для возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости (электролите) применяют многоочаговый электрический разряд, создаваемый между электродами, разделенными перфорированным диэлектрическим барьером, погруженными в проводящую жидкость и подключенными к высоковольтному источнику питания.
Реализован данный способ в генераторах плоских и сферических световых и ударно-акустических волн. В первом из них (см. рис.1 вышеуказанной статьи) электроды выполнены из нержавеющей стали в виде сетки. В качестве проводящей жидкости использовался водный раствор поваренной соли с концентрацией соли по массе 5%. Проводящая жидкость заливалась в кювету из прозрачного органического стекла. Электроды погружались в жидкость и располагались параллельно друг другу. Расстояние между электродами составляло 60 мм. Перфорированный диэлектрический барьер представлял собой лавсановую пленку толщиной 0,05 мм с множественными отверстиями (10 рядов по 10 отверстий) диаметром 0,4-0,5 мм. Пленка располагалась между сетчатыми электродами ближе к высоковольтному электроду и делила кювету на две части. Источником питания служила конденсаторная батарея емкостью 2 мкФ, заряженная до напряжения 6 кВ и подключенная к электродам через управляемый разрядник РУ-62.
Кинограммы формирования и распространения ударно-акустических волн в генераторе плоских световых и ударно-акустических волн (от плоского излучателя в электролите) показали, что ударные волны на отверстиях лавсанового барьера (диафрагмы) возникают синхронно. Разряд на каждом отверстии формирует сферически расходящуюся волну давления. Результатом суперпозиции этих волн является плоская ударная волна. Распределение амплитуды импульса давления вдоль и поперек оси плоского излучателя колоколообразное. В точке фокуса при 1400 отверстиях в барьере (диафрагме) амплитуда импульса давления достигает 17 МПа, длительность импульса давления 0,9 мкс.
Недостатки данного способа и устройства для его осуществления:
- слабая механическая прочность диэлектрического барьера (лавсановой пленки) и резервуара для жидкости (кюветы из оргстекла), не позволяющая обеспечить высокий ресурс устройства и его промышленное применение;
- узкая область применения (исследование процессов кавитации и сонолюминесценции, разрушение почечных камней).
Задачей изобретения является создание промышленной установки с множественным диафрагменным разрядом, которая характеризовалась бы повышенными механической прочностью и ресурсом, широкими энергетическим диапазоном и областью применения.
Технический результат изобретения - расширение области применения способа в химическую промышленность, медицину и экологию.
Технический результат изобретения достигается тем, что в известном способе возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости - электролите, где применяют многоочаговый электрический разряд, создаваемый между электродами, разделенными перфорированным диэлектрическим барьером, погруженными в проводящую жидкость и подключенными к высоковольтному источнику питания, новым является то, что один из электродов выполняют в виде металлического резервуара для жидкости и заземляют, а второй высоковольтный электрод выполняют в виде одной или несколько групп электродов каждый с перфорированной изоляцией, высоковольтные электроды размещают равномерно по объему или площади проводящей жидкости и подключают к одной или различным фазам высоковольтного источника питания.
Технический результат изобретения достигается тем, что в известном устройстве для возбуждения световых и ударных волн в проводящей жидкости - электролите, где применяют многоочаговый электрический разряд, содержащем резервуар с проводящей жидкостью, два электрода, разделенные перфорированным диэлектрическим барьером, погруженные в проводящую жидкость и подключенные к высоковольтному источнику питания, новым является то, что резервуар выполнен металлическим и является одним из электродов, а второй высоковольтный электрод выполнен в виде одной или несколько групп электродов каждый с перфорированной изоляцией, при этом высоковольтные электроды размещены равномерно по объему или площади проводящей жидкости и подключены к одной или различным фазам источника питания.
Кроме того, в качестве высоковольтного источника питания применен трансформатор напряжения, или высоковольтный выпрямитель; высоковольтные электроды закреплены на крышке бака или на плавающей платформе (плоту).
Выполнение резервуара для жидкости металлическим и использование его в качестве первого заземленного электрода позволяет:
- повысить механическую прочность и время «жизни» резервуара, а также увеличить объемы обеззараживаемой жидкости до сотен кубических метров, т.е. довести устройство до промышленных масштабов;
- сделать технологические процессы по светорадиационному и ударно-волновому обеззараживанию жидких промышленных и бытовых отходов взрывобезопасными, так как металлический корпус резервуара с промышленными отходами механически и электрически защищает персонал и окружающую среду от непосредственного контакта с проводящей жидкостью, первоначально часто токсичной, а в ходе плазмохимических реакций в диафрагменном разряде всегда приобретающей высокую окислительную активность.
Выполнение второго высоковольтного электрода в виде одной или несколько групп электродов каждый с перфорированной изоляцией, равномерное размещение электродов по объему (или площади) проводящей жидкости и подключение электродов к одной или различным фазам источника питания позволяет:
- увеличить в n-раз, где n - число электродов, зону обеззараживания, т.е. увеличить в n-раз объем обрабатываемой сточной воды или медицинского раствора;
- наложить друг на друга ударные и световые волны от соседних электродов и, тем самым, увеличить давление световых и ударных волн на жидкость и находящиеся в ней микроорганизмы и бактерии и скорость обеззараживания жидкости;
- обеспечить перемешивание жидкости и полноту ее обеззараживания.
Применение в качестве источника питания силовых трансформаторов напряжения позволяет:
- довести устройство с диафрагменным разрядом до больших промышленных масштабов (размеров и производительности), так как выходных тока и мощности силовых трансформаторов достаточно для питания большого числа высоковольтных электродов или групп электродов;
- улучшить согласование многоочагового диафрагменного разряда в жидкости (нелинейной во времени индуктивно-резистивной нагрузки) с промышленной электрической сетью, а именно уменьшить вносимое в первичную обмотку трансформатора достаточно большое активное сопротивление диафрагменного разряда и увеличить коэффициент передачи электрической энергии в многоочаговый диафрагменный разряд, так как вторичная обмотка трансформатора имеет индуктивность, значительно превышающую индуктивность цепи диафрагменного разряда.
Крепление высоковольтных электродов на крышке бака или на плавающей платформе (плоту) позволяет:
- упростить наблюдение за состоянием высоковольтных электродов и их замену;
- очищать воду в открытых железобетонных бассейнах или в открытых водоемах, в случае, например, «цветения» воды - появления в ней зеленых водорослей.
Отличительных признаков заявляемого способа среди патентов РФ и научной литературы не обнаружено, что свидетельствует о его новизне и изобретательском уровне.
Заявляемый способ включает в себя следующие операции:
а) изготавливают металлический резервуар со съемной крышкой и заливают в него некоторый объем проводящей жидкости, например сточной воды - отходов металлургического или химического завода;
б) изготавливают, по крайней мере, одну группу высоковольтных электродов, идентичных по диаметру и длине и каждый с перфорированной изоляцией на его поверхности, при этом диаметр отверстий в изоляции электродов или диаметр проволок - концентраторов тока выполняют не более 0,5 мм, число отверстий или концентраторов тока берут из условия достижения тока 0,3-0,4 А через каждое отверстие или концентратор тока;
в) через отверстия в крышке резервуара, выполненные, например, в шахматном порядке погружают нижние перфорированные концы высоковольтных электродов в проводящую жидкость, а верхние неперфорированные концы электродов закрепляют, например, при помощи сальников на крышке резервуара;
г) присоединяют верхние концы высоковольтных электродов короткими проводниками или через разделительные индуктивности к высоковольтному полюсу источника питания, а металлический резервуар - к заземленному полюсу высоковольтного источника питания;
ж) включают высоковольтный источник питания, например, конденсаторную батарею или трансформатор напряжения и подают напряжение на высоковольтные электроды, при этом с каждого высоковольтного электрода с перфорированной изоляцией, обеспечивающей многоточечный контакт с проводящей жидкостью, развивается многоочаговый электрический разряд;
д) от каждого канала (очага) разряда на поверхности высоковольтного электрода распространяются сферически расходящиеся световая и ударная волны. Эти волны самосинхронизированы и многочисленны и складываются в единый фронт, с образованием цилиндрических (повторяющих геометрию электродов) световой и ударной волн. Яркостная температура на фронте световой волны достигает 5000-9000К, амплитуда ударной волны превышает 17 МПа (170 атм).
е) световые и ударные волны следуют (повторяются), например, в случае использования конденсаторной батареи через каждые 0,2 мс, в случае использования силового трансформатора - через 50 мс. Световые и ударные волны пронизывают весь объем проводящей жидкости, а в межэлектродных промежутках накладываются друг на друга. Эти многочисленные и распределенные по объему жидкости световые и ударные волны можно использовать для совершения многочисленных видов работ: обеззараживания промышленных и бытовых стоков; стерилизации медицинского инструмента и т.п.
На чертеже представлен вариант устройства для промышленной реализации заявляемого способа (разрез по одному из рядов высоковольтных электродов).
Устройство для осуществления заявляемого способа содержит металлический резервуар 1 с диэлектрической или металлической крышкой 2 и проводящей жидкостью 3 внутри резервуара. Через крышку 2 бака пропущены несколько десятков высоковольтных изолированных электродов 4, так что они равномерно пронизывают всю площадь (объем) резервуара. Изоляция 5 нижних концов (участков) электродов 4, расположенных в жидкости, перфорирована - в ней выполнен ряд отверстий - проколов 6 диаметром 0,2-0,4 мм. Таким образом, осуществляется множественный электрический контакт металлической поверхности электродов 4 с проводящей жидкостью 3 в резервуаре. Свободные (верхние) концы изолированных электродов 4 в каждой группе (ряду) соединены параллельно и подключены через дополнительную индуктивность 7 и общий коммутатор Р к высоковольтному выводу конденсаторной батареи С емкостью 10 мкФ и рабочим напряжением 5 кВ. Корпус конденсаторной батареи С соединен коротким проводником с металлическим резервуаром 1, который надежно заземлен. В наземных (заводских) условиях можно построить резервуар на любой объем жидкости и использовать конденсаторную батарею на любую энергоемкость.
Устройство можно использовать для светорадиационного и ударно-волнового обеззараживания бытовых и промышленных стоков, для чего резервуар достаточно присоединить с помощью патрубков к системе оборотного водоснабжения предприятия или поселка.
Работает устройство следующим образом. При подаче на электроды 4 высокого напряжения в отверстиях 6 в эпоксидной изоляции электродов - тонких каналах из электролита - сточной воды промышленного предприятия концентрируется электрический ток, сточная вода в этих отверстиях-каналах начинает разогреваться и вблизи отверстий 6 в изоляции электродов образуются парогазовые пузырьки. Каждый формирующий пузырек излучает сферическую ударную (акустическую) волну. Внутри пузырьков зажигаются электрические разряды, которые излучают в свою очередь световые импульсы. Вследствие включения в разрядные контуры дополнительных индуктивностей 7 рост паровоздушных пузырьков и возникновение разрядов в каждой группе электродов синхронизируется. Соответственно, ударные волны и световые импульсы от многоочаговых разрядов интерферируются и складываются друг с другом с образованием цилиндрической (повторяющей геометрию электродов) волны. Стадии образования паровоздушных пузырьков и возникновения разрядов в воде (ударных и световых волн) повторяются циклически с периодом (частотой), зависящим от напряжения конденсаторной батареи, проводимости электролита, диаметра и числа отверстий 6 в изоляции проводников 4. Сточная вода обрабатывается ударной волной и световым излучением от каждого пронизывающего объем резервуара электрода 4, т.е. одновременно по большой площади (объему). В межэлектродных промежутках световые и ударные волны накладываются друг на друга и усиливаются. В результате действия этих многочисленных и распределенных по объему сточной воды световых и ударных волн сточная вода очищается от органических веществ (человеческого, животного или нефтехимического происхождения) и неорганических загрязнителей (цианидов, токсинов, флуоридов и др), а также от бактерий и микроорганизмов.
Таким образом, автором показано, что использование новых способа и устройства для возбуждения световых и ударных импульсов в проводящей жидкости:
- обеспечивает создание промышленных установок с многоочаговым диафрагменным электрическим разрядом, которые могут быть различны по объемам, мощности и производительности. Кроме того, предлагаемые установки характеризуются низкими затратами на изготовление и просты в эксплуатации;
- расширяет область применения множественного (диафрагменного) разряда в химическую промышленность, медицину и экологию.