ЭГД-НАГНЕТАТЕЛЬ-НАСОС Российский патент 1995 года по МПК H02N3/00 

Изобретение относится к электродинамическим преобразователям энергии и может быть использовано для перекачивания диэлектрических жидкостей и сжатых газов или смесей газов с дисперсными жидкими или твердыми частицами в энергетике, криогенной технике, химической и газовой промышленности, нефтяном машиностроении и других отраслях народного хозяйства.

Известен ЭГД-насос-нагнетатель, содержащий канал с диэлектрическими стенками, в котором по ходу движения жидкости (под жидкостью подразумеваются и газы) размещены эмиттерный и коллекторный электроды (эмиттер и коллектор) с различной внешней и внутренней поверхностями, между которыми подключен источник высокого напряжения [1]
В таком ЭГД-преобразователе в качестве рабочего тела могут быть использованы диэлектрические жидкости, в том числе криогенные, газы, влажный пар, смеси газов с дисперсными или жидкими или твердыми частицами. При подключении источника высокого напряжения и подаче определенного напряжения между электродами возникает коронный разряд или разряд "подобный коронному" в капельных жидкостях, в результате чего рабочее тело ионизируется и межэлектродное пространство заполняется униполярным пространственным зарядом со знаком потенциала на эмиттере. Под действием приложенного электрического поля и поля пространственного заряда образовавшийся униполярный заряд (ионы), направляется от эмиттера к коллектору. В результате вязкостного взаимодействия заряженных частиц с основной нейтральной массой рабочее тело перемещается по направлению к коллектору. Потенциальная энергия зарядов переходит в кинетическую энергию потока, которая затем на выходе из коллектора преобразуется в потенциальную энергию давления.

Основным недостатком такого ЭГД-нагнетателя-насоса является низкая пробойная напряженность электрического поля в данной рабочей жидкости, которая ограничивает его расходно-напорные характеристики.

Известна конструкция жидкостного диэлектрического насоса [2] прототип, имеющая пару сетчатых (многоканальных) параллельно расположенных электродов, один из которых имеет множество заостренных окончаний, выдвинутых в направлении потока от впуска к выпуску, второй электрод определяет поверхности, расположенные на расстоянии напротив заостренных окончаний.

Недостатками указанной конструкции являются низкие напорно-расходные характеристики из-за повышенных местных гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости от заостренного окончания к выпускному отверстию через конический канал, и снижение производительности ступеней в случае их последовательного соединения из-за неполной деионизации рабочего тела.

При движении жидкости от иглы эмиттера к конусному каналу коллектора в зоне между окончанием иглы и внутренней поверхностью конуса образуется тороидальный пространственный вихрь, наличие и расположение которого в канале определяет местное гидравлическое сопротивление. Расход жидкости определяется проходным сечением между вихрем и внутренней поверхностью коллектора, которое для конической формы канала коллектора сильно ограничено.

Ионизированная жидкость, проходя по каналу коллектора и контактируя с его стенками, частично разряжается (деионизируется). Из-за относительно небольшой протяженности коллекторного канала и больших времен релаксации объемного заряда в диэлектрических жидкостях полной деионизации рабочего тела не происходит, что отражается на работе последующих ступеней ЭГД-нагнетателя. Неразрядившиеся частицы жидкости, имеющие заряд того же знака, что и потенциал на эмиттере следующей ступени, будут от него отталкиваться, что приведет к возникновению обратных потоков, снижающих производительность последовательно соединенных ступеней и, следовательно, КПД устройства. Увеличение длины канала коллектора с целью повышения степени рекомбинации зарядов приведет к росту габаритов и массы ЭГД-нагнетателя.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение расходно-напорных характеристик за счет снижения местных гидросопротивлений и профилирования внутренней поверхности канала, образованного электродами и промежуточным элементом, где образуется коронный разряд, создающий оптимальное электрическое поле.

Данный технический результат достигается тем, что в ЭГД-нагнетатель-насосе, содержащем корпус с выполненным в нем каналом, состоящим из его участков в последовательно установленных эмиттерном игольчатом электроде, промежуточном элементе из материала с диэлектрическими свойствами и коллекторном электроде, при этом эмиттерный игольчатый электрод и коллекторный электрод соединены с источником высокого напряжения, причем часть канала между эмиттерным игольчатым электродом и коллекторным электродом включает участок в промежуточном элементе и формирующий участок в коллекторном электроде, согласно изобретению участок канала в промежуточном элементе совместно с формирующим участком коллекторного электрода образует рабочую камеру, внутренняя поверхность которой выполнена в форме эллипсоида и на выходном торце коллекторного электрода установлена электропроводящая диафрагма.

Выбор формы эллипсоида отношение большой и малой полуосей определяется, исходя из заданных расходно-напорных характеристик.

В частности, для получения максимального напора (при нулевом расходе) форма канала должна быть сферической, а острие иглы эмиттера должно находиться в центре этой сферы.

Для получения больших расходов жидкости поверхность канала должна вытягиваться в направлении движения жидкости.

В качестве диафрагмы может быть использован сетчатый элемент.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1.

Устройство состоит из корпуса 1 с выполненным в нем каналом, который формируют эмиттерный игольчатый электрод 3, промежуточный элемент 4 и коллекторный электрод 5 с электропроводящей диафрагмой 6 и источником высокого напряжения (ИВН) 7.

Устройство работает следующим образом. Канал 2 ЭГД-нагнетателя-насоса заполняется рабочей жидкостью и от ИВН 7 подается высокий электрический потенциал на эмиттерный электрод 2, а корпус 1 и коллекторный электрод 3 заземляются. При достижении разности потенциалов, равной напряжению зажигания коронного разряда, в канале между иглой эмиттера и коллектором образуется униполярный пространственный заряд со знаком потенциала на эмиттере, который движется к внутренней поверхности коллектора и в результате вязкостного взаимодействия с жидкостью увлекает ее в канал эмиттера. При этом тороидальный вихрь, образующийся в пространстве между иглой эмиттера и внутренней поверхностью коллектора, обтекается потоком жидкости с меньшим гидросопротивлением за счет увеличения проходного сечения между вихрем и внутренней поверхностью канала.

Ионизированная жидкость, протекая через электропроводящую диафрагму 6, имеющую потенциал коллектора, практически полностью нейтрализуется за счет увеличения площади контакта с поверхностью и за счет уменьшения времени релаксации.

В настоящее время созданы ЭГД-нагнетатели-насосы с внедренными предлагаемыми техническими решениями с характеристиками:
для жидкости МПС 1,5 р, максимальный напор 0,4 кгс/см², максимальный расход 8 см³/с;
для бензина марки АИ-93 максимальный напор 0,3 кгс/см², максимальный расход 7 см³/с.

Коэффициент полезного действия в обоих случаях до 30%

Использование: для перекачивания диэлектрических жидкостей и сжатых газов или смесей газов с дисперсными жидкими или твердыми частицами. Сущность изобретения: насос содержит игольчатый эмиттерный и коллекторный электроды и промежуточный элемент из материала с диэлектрическими свойствами, в которых выполнены сквозные отверстия, образующие проточный канал насоса. Участки канала в промежуточном элементе и коллекторном электроде образуют рабочую камеру в форме эллипсоида. На торце коллекторного электрода размещена электропроводящая диафрагма. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭГД-НАГНЕТАТЕЛЬ-НАСОС, содержащий корпус с выполненным в нем каналом, состоящим из его участков в последовательно установленных эмиттерном игольчатом электроде, промежуточном элементе из материала с диэлектрическими свойствами и коллекторном электроде, при этом эмиттерный игольчатый и коллекторный электроды соединены с источником высокого напряжения, причем часть канала между эмиттерным игольчатым электродом и коллекторным электродом включает участок в промежуточном элементе и формирующий участок в коллекторном электроде, отличающийся тем, что участок канала в промежуточном элементе совместно с формирующим участком коллекторного электрода образует рабочую камеру, внутренняя поверхность которой выполнена в форме эллипсоида. 2. ЭГД-нагнетатель-насос по п.1, отличающийся тем, что на выходном торце коллекторного электрода установлена электропроводящая диафрагма.