УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ И/ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК F02M27/04 

Изобретение относится к области обработки жидких и/или газообразных сред, преимущественно топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и воды, электрическим полем, в том числе с одновременным воздействием на среду постоянным магнитным полем. Изобретение может найти широкое применение в различных отраслях, в частности, при эксплуатации ДВС автомобилей, в сельском хозяйстве, строительстве, медицине, быту, в различных технологических процессах и многих других.

В настоящее время среди известных технических решений, предназначенных для обработки текучих сред, широкое распространение получили устройства, обеспечивающие воздействие на текучую среду как постоянного магнитного поля, так и электрического поля.

Устройства для магнитной обработки жидкой и/или газообразной среды, как правило, содержат корпус из диамагнитного материала с входным и выходным штуцерами (патрубками) для подвода и отвода среды и систему постоянных магнитов, установленных внутри (либо снаружи) корпуса с образованием полости (канала) обработки (см. например, устройство по заявке PCT N 90/01018, кл. C 02 F 1/48, публ. от 08.02.90). В этом устройстве внутри корпуса вдоль его длины с помощью держателей установлены два ряда прямоугольных постоянных магнитов, обращенных один к другому одноименными полюсами.

В устройстве по А.с. СССР N 1346584, кл. C 02 F 1/48 от 14.01.86, применены кольцевые постоянные магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами, внутренние отверстия которых образуют полость обработки. В этом устройстве для повышения эффективности обработки магниты выполняются различными по высоте с соотношением высот 1:5 и устанавливаются по длине полости обработки в чередующемся порядке.

Для увеличения эффективности обработки путем повышения перепада магнитного поля используют различные приемы, в частности, применение магнитов различной формы, применение концентраторов магнитного поля и пр. Дальнейшее увеличение эффективности воздействия магнитного поля неизбежно связано с увеличением количества применяемых постоянных магнитов, что неизбежно приводит к нежелательному возрастанию веса и габаритов устройств, что, в свою очередь, приводит к удорожанию устройств.

Устройства для обработки жидких и/или газообразных сред с применением электрического поля обладают большими потенциальными возможностями повышения эффективности воздействия на среду. Как правило, они содержат корпус с входным и выходным отверстиями для подвода и отвода среды. Внутри корпуса размещен положительный электрод, а снаружи отрицательный электрод, подключенные к источнику напряжения (см. например, заявку Японии N 62-14357, кл. C 02 F 1/48, 5/00, публ. от 01.04.87).

В устройстве для обработки топлива по А.с. СССР N 1590608, кл. F 02 M 27/04 от 08.06.88 степень воздействия электрического поля на протекающее в полости обработки топливо увеличивается за счет выполнения положительного электрода, подключенного к высоковольтному источнику напряжения, в виде цилиндрической спирали, намотанной на полый цилиндрический отрицательный электрод. Оба электрода размещены в полости обработки.

Эффективность воздействия на обрабатываемую среду в известных устройствах ограничена тем, что создаваемое в них электрическое поле однородно (или слабо неоднородно) по пространственным координатам.

Прототипом изобретения является устройство для обработки топлива по А.с. СССР N 1671934, кл. F 02 M 27/04, от 20.11.89, содержащее диэлектрический корпус и присоединенный к нему отводящий диэлектрический топливопровод, входной и выходной штуцеры, высоковольтный источник напряжения, к которому подключен протяженный положительный электрод, размещенный внутри диэлектрических корпуса и продолжающего его отводящего топливопровода с образованием между внутренней поверхностью и положительным электродом полости обработки, сообщающейся со штуцерами. Снаружи диэлектрической стенки полости обработки концентрично положительному электроду закреплен заземленный на "массу" отрицательный электрод, выполненный в виде оплетки. Отводящая часть конструкции может быть выполнена гибкой.

В устройстве-прототипе, так же, как и в аналогах, создаваемое электрическое поле, с помощью которого осуществляют воздействие на среду, однородно (или слабо неоднородно) по длине положительного электрода, в связи с чем дальнейшее повышение эффективности обработки среды может быть связано либо с увеличением величины электрического поля, либо с увеличением размеров (длины) устройства, что входит в противоречие с техническими требованиями, предъявляемыми к устройству, учитывая его применение в различных системах, например, в ДВС автомобиля.

Задача изобретения состоит в создании устройства для обработки жидких и/или газообразных сред, в котором повышение эффективности обработки не связано с такими изменения других параметров устройства, которые входили бы в противоречия с техническими требованиями к нему.

В результате осуществления изобретения достигается существенное повышение эффективности обработки среды за счет создания условий максимальной интенсификации процесса образования мелкодисперсной смеси в среде.

В свою очередь, это приводит, например:
при обработке топлива, применяемого в ДВС, к более полному сгоранию горючей смеси, в результате которого уменьшается количество вредных составляющих в выхлопных газах (до 40%), увеличивается мощность двигателя, уменьшается рабочая температура двигателя, достигается экономия топлива не менее чем на 10% увеличивается рабочий ресурс ДВС;
при обработке воды, применяемой в быту, к уменьшению жесткости воды, снижению накипеобразования, улучшению вкусовых и лечебных свойств воды;
при обработке водных сред в медицине к усилению лечебных свойств лекарств, к уменьшению применяемых доз;
при обработке воды для приготовления бетонных смесей к улучшению их качества, а также к экономии исходных материалов;
при добыче полезных ископаемых к интенсификации процессов лотации, связанных с извлечением конечного продукта из исходного сырья, и пр.

Указанный технический результат достигается в устройстве для обработки жидких и/или газообразных сред, содержащем корпус из диэлектрического материала с входным и выходным штуцерами, высоковольтный источник напряжения, к которому подключены протяженный положительный электрод, размещенный внутри корпуса с образованием между внутренней поверхностью корпуса и положительным электродом полости обработки, сообщающейся с входным и выходным штуцером, и подключенный на "массу" отрицательный электрод, установленный снаружи корпуса против полости обработки, благодаря тому что протяженный положительный электрод выполнен с размещенными по всей его длине заостренными пилообразными или игольчатыми выступами, расположенными с противоположных сторон либо повернутыми друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной продольной оси протяженного положительного электрода, причем заостренные концы выступов отогнуты.

Указанные альтернативные варианты выполнения формы протяженного положительного электрода создают в устройстве условия для формирования в полости обработки резко неоднородного по пространственным координатам электрического поля с максимально возможными перепадами напряженности, способствующего наиболее эффективной интенсификации процесса образования мелкодисперсной смеси в среде, причем разворот заостренных выступов друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной продольной оси протяженного положительного электрода, а также отгиб заостренных концов выступов способствуют тому, что электрическое поле приобретает дополнительное существенное увеличение пространственной неоднородности за счет влияния каждого из упомянутых факторов.

Согласно п.2 формулы изобретения в устройстве полость обработки выполнена в вид спиралеобразного канала в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса. Такая конструкция существенно уменьшает габариты устройства за счет уменьшения длины корпуса до минимально возможной, определяемой лишь размерами полости обработки и обеспечением необходимой механической и электрической прочности.

Для дополнительного повышения эффективности обработки среды устройство может быть выполнено в соответствии с п.3 формулы изобретения, при этом по крайней мере с одной стороны корпуса установлены с равными промежутками друг относительно друга постоянные магниты с чередующейся полярностью, обращенные своими полюсами в сторону полости обработки. Наличие постоянных магнитов создает второй источник воздействия на обрабатываемую среду неоднородное по пространственным координатам постоянное магнитное поле, причем благодаря указанной ориентации полюсов постоянных магнитов градиентные зоны магнитного поля образуются в полости обработки. В этом случае при пропускании среды по спиралеобразному каналу, выполненному в компактном корпусе, происходит многократное прохождение средой градиентных зон магнитного поля и, соответственно, многократная ее обработка.

Для усиления воздействия в соответствии с п.4 формулы изобретения со стороны наружных полюсов постоянных магнитов установлен магнитный экран, вследствие чего напряженность магнитного поля в градиентных зонах возрастает в 1,5-2,0 раза.

Корпус устройства по п. 5 формулы изобретения может быть выполнен цилиндрическим, тогда для создания неоднородного в пространстве постоянного магнитного поля с градиентными зонами в области обработки вводятся кольцевые постоянные магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами, установленные снаружи цилиндрического отрицательного электрода из диамагнитного материала, охватывая полость обработки.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для обработки жидких и/или газообразных сред в соответствии с п. 1 формулы изобретения, в котором использован один из возможных альтернативных вариантов выполнения положительного электрода; на фиг. 2-5 другие возможные альтернативные варианты выполнения положительного электрода в устройстве по п. 1; на фиг. 6,7 конструктивная схема устройства с различными вариантами выполнения полости обработки в соответствии с п. 2; на фиг. 8-10 возможные варианты использования постоянных магнитов в устройстве по п.п. 3-5.

Устройство для обработки жидких и/или газообразных сред (см. фиг. 1) содержит корпус 1 из диэлектрического материала, например, аминопласта, полиамида 610 литьевого, внутри корпуса имеется полость, сообщающаяся с входным 2 и выходным 3 штуцерами для подвода и отвода обрабатываемой среды. Штуцеры выполнены заодно с корпусом либо соединены с ним, например, посредством резьбового соединения, сваркой и т.п. Местоположение штуцеров 2, 3 не является принципиальным и определяется в зависимости от требований оптимальной компоновки устройства в системе в каждом конкретном случае его применения. Внутри корпуса 1 размещен протяженный положительный электрод 4, подключенный токопроводом 5, изолированным от корпуса 1 втулкой 6, к высоковольтному источнику напряжения (не показан), при этом между положительным электродом 4 и внутренней поверхностью корпуса 1 образована полость обработки 7. Снаружи корпуса 1 против полости обработки 7 установлен отрицательный электрод 8, подключенный на "массу". Предпочтительно придание корпусу 1 цилиндрической формы с отрицательным электродом, коаксиальным корпусу, например, в виде оплетки. Такую конструкцию целесообразно использовать при эксплуатации ДВС, если выполнить ее гибкой. В других случаях отрицательный электрод может состоять из электрически соединенных частей, размещенных на противоположных наружных поверхностях корпуса 1. В качестве материалов электродов могут быть взяты, например, латунь, алюминий, медь.

В качестве высоковольтного источника напряжения может быть взят любой, создающий постоянное напряжение до 5 кВ и обеспечивающий соответствующие токи утечки.

По всей длине протяженного положительного электрода 4 выполнены заостренные выступы 9, ориентированные относительно продольной оси корпуса 1 перпендикулярно. Заостренные концы выступов 9 отогнуты. Среди многочисленных возможных конструктивных вариантов такого выполнения положительного электрода 4 предлагаются следующие. На фиг. 1 изображен ленточный электрод 4 с пилообразными выступами 9, выполненными с обеих сторон ленты и имеющими отогнутые заостренные концы. Выступы 9 могут быть игольчатой формы, установленными, например, на ленточном основании (фиг. 2), на цилиндрической проволоке (фиг. 3), например, путем точечной сварки, прессованием, штамповки. Выступы 9 с отогнутыми концами электрода 4 могут быть повернуты друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной продольной оси электрода, что обеспечивается, например, путем отгиба плоских заостренных (фиг. 4) или игольчатых (фиг. 5) выступов, либо путем скручивания ленты и цилиндрической проволоки с выступами относительно продольной оси. Чередование повернутых друг относительно друга выступов выполняется упорядоченно и периодическим образом. Кроме того, требуемую конфигурацию положительного электрода легко получить протаскиванием мягкой проволоки через фильеры специальной формы, позволяющей получить заостренные выступы, с последующим скручиванием (или без него) сформированного электрода по всей его длине и последующей операцией отгибания заостренных выступов.

Более компактная конструкция устройства обеспечивает при выполнении полости обработки 7 в виде спиралеобразного канала (фиг. 6,7) в полости, перпендикулярной продольной оси корпуса 1, при этом размеры корпуса по продольной оси (толщина) сводятся до минимально возможного значения, определяемого, в основном, механической и электрической прочностью и размерами полости обработки, а его поперечные размеры определяются, исходя из выбранной длины спиралеобразного канала. В этом случае форма канала выполняется, например, в виде спирали (фиг. 6), развертывающейся от центра к периферии, в том числе эллиптической, либо в виде зигзагообразной "змейки" (фиг. 7). Участки канала разделены между собой зазором в 1,0- 1,5 мм, обеспечивающим прочность стенок между участками. В такой конструкции необходимо обеспечить герметичность полости обработки. Это выполняется (см. фиг. 6) путем размещения отрицательного электрода 8₂ через изолирующую прокладку 10 на корпусе 1 со стороны полости обработки 7, при этом отрицательный электрод 8₂ имеет круглую или иную форму, соответствующую форме той части поверхности, которую занимает в корпусе спиралеобразный канал. Электрод 8₂ прижимается, например, по всей поверхности с помощью дополнительного корпусного элемента 11, при этом для достижения полной герметичности конструкции целесообразно использование уплотнительного элемента 12 по периферии. Корпусные элементы 1 и 11 жестко связаны между собой посредством соединительных элементов 13. С другой стороны корпуса целесообразно разместить вторую часть отрицательного электрода 8₁, электрически связанную с нижней частью 8₂.

В устройстве по п. 3 формулы изобретения по крайней мере с одной стороны корпуса 11(1) (для варианта по фиг. 8,9 предпочтительно со стороны полости обработки) установлены постоянные магниты 14, полюса которых обращены к полости обработки 7. Если корпус выполнен со спиралеобразным каналом обработки, постоянные магниты 14 закреплены в дополнительном корпусном элементе 11, имеющем форму, аналогичную форме корпуса 1 (например, цилиндрическую).

Согласно фиг. 8, когда полость обработки выполнена в виде развертывающейся спирали, целесообразно применять N пар постоянных магнитов (прямоугольных или цилиндрических), где N≥1, и размещать их симметрично по окружности с одинаковыми угловыми промежутками, На фиг. 8, вид по стрелке Б, показано применение N 2 пар постоянных магнитов. Согласно фиг. 9, когда полость обработки выполнена в виде зигзагообразной "змейки", применяется N постоянных магнитов, параллельных друг другу и, когда N > 2, отстоящих один от другого на равных расстояниях, соизмеримых с поперечными размерами "змейки". В обоих случаях магниты имеют чередующуюся полярность, а их полюса обращены в сторону полости обработки. При этом со стороны внешних полюсов целесообразно применение магнитного экрана 15 (на фиг. 3, вид В; 9 магнитный экран условно не показан) из ферромагнитного материала, например, из стали СТ-3, толщина которого порядка 1,5-2,0 мм. Магнитный экран крепится к корпусу 1, например, посредством соединительных элементов 16. Экран 15 усиливает воздействие магнитного поля с внешней стороны магнитов. В качестве материала магнитов 14 применяется, например, фериито-бариевый сплав.

Согласно фиг. 10, когда область обработки выполнена в виде протяженного канала, например, кольцевого, а корпус 1 и отрицательный электрод 8 имеют цилиндрическую форму, предпочтительна установка снаружи отрицательного электрода, выполненного из диамагнитного материала, кольцевых постоянных магнитов 14, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Дополнительно целесообразно использование ферромагнитных концентраторов, устанавливаемых между кольцевыми магнитами 14 (не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Обрабатываемую среду пропускают через входной штуцер 2 в полость обработки 7, пройдя которую, она отводится через выходной штуцер 3 и далее поступает для использования в соответствующих целях. Относительные размеры полости обработки входного и выходного отверстий выбираются, исходя из соображений обеспечения требуемого потока среды.

В полости обработки 7 создается электрическое поле между положительным 4 и отрицательным 8 электродами и, при наличии постоянных магнитов 14, магнитное поле (постоянное во времени). Указанные поля являются неоднородными по пространственным координатам и описываются соотношениями вида
,
где ∂W^мп/∂t и ∂W^эп/∂t изменение энергии единичного объема, соответственно, магнитного и электрического полей;
μ_o магнитная проницаемость вакуума;
μ магнитная проницаемость среды;
H напряженность магнитного поля;
e_o диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε диэлектрическая проницаемость среды;
E напряженность электрического поля;
производные напряженностей, соответственно, магнитного и электрического полей;
V_x, V_y, V_z, скорости относительного перемещения среды в электрическом и магнитном поле по осям координат.

Приведенные выше соотношения являются необходимым условием воздействия магнитного и электрического полей на обрабатываемую среду.

Таким образом, обрабатываемая среда, проходя через полость обработки 7, подвергается воздействию неоднородного по пространственным координатам электрического поля при одновременном воздействии (либо без него) также неоднородного в пространстве магнитного поля, постоянного во времени.

Согласно существующим теоретическим представлениям, вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии, состоит из отдельных кластеров различных геометрических размеров, которые, в соответствии с принципом минимума полной энергии, можно рассматривать как совокупность электрических и магнитных диполей со средним значением электрического и магнитного моментов в объеме кластера равным нулю. Тогда, под действием постоянных во времени и неоднородных по пространственным координатам электрического и магнитного полей, происходит разрыв объема того или иного кластера, приводящий к образованию мелкодисперсной смеси в обрабатываемой среде, что, в конечном итоге, приведет, например, при обработке жидкого топлива, используемого в ДВС, к повышению эффективности работы самого ДВС.

Благодаря отличительным конструктивным особенностям предлагаемого устройства в полости обработки 7 формируется резко неоднородное по пространственным координатам электрическое поле с максимальными перепадами напряженности, которое, воздействуя на обрабатываемую среду, интенсифицирует процесс разрыва объемов кластеров. Неоднородное в пространстве постоянное магнитное поле оказывает дополнительное воздействие на среду, способствуя образованию более мелкодисперсной смеси. Увеличение градиентов магнитного поля посредством магнитного экрана, а также возможность многократного прохождения средой градиентных зон электрического и магнитного полей в спиралеобразном канале обеспечивают дальнейшее повышение степени обработки среды.

Здесь следует отметить, что применение переменных магнитных полей не привело бы к желаемому результату, так как их действие связано, в основном, с поворотом магнитных и диэлектрических диполей, а не с разрывом объемов кластеров, как это было описано выше. Поскольку разрыв кластеров происходит вследствие наличия электрического и магнитного моментов в их объеме, движущихся со скоростью, например V_x, в неоднородном по пространственным координатам электрическом поле, в том числе совокупном с неоднородным в пространстве постоянным магнитным полем, то очевидно преимущественное использование электростатистических полей (хотя и не исключено использование импульсных полей с определенным плато во времени, когда электрическое поле достигает своего амплитудного значения) с требуемой неоднородностью, которая создается в полости обработки с помощью электродов с положительным потенциалом специальной формы, характеризующейся наличием заостренных выступов, размещенных по всей длине электрода перпендикулярно его продольной оси.

В испытательном центре автомобильных изделий в летний период были проведены испытания экспериментального образца устройства, выполненного в соответствии с изобретением, предназначенного для обработки жидкого топлива для ДВС легкового автомобиля ГАЗ-2410. Конструкция экспериментального образца устройства соответствовала формуле изобретения. Программа испытаний включала испытания на токсичность автомобиля, топливную экономичность в городском цикле, топливную экономичность при движении автомобиля на постоянных скоростях 30, 45, 60, 75, 90 км/час. Испытания показали высокую эффективность обработки топлива, что подтверждается полученными результатами:
уменьшение выбросов окиси углерода на 54,9% углеводородов на 5,55% окислов азота на 9,0% при напряжении питания 2,5 кВ;
уменьшение выбросов окиси углерода на холостом ходу не менее 60%
уменьшение расхода топлива при испытаниях в городском цикле на 6,7% при постоянных скоростях на 2,14%

Использование: при эксплуатации ДВС, в сельском хозяйстве, медицине, быту, в различных технологических процессах и пр. Сущность изобретения: в диэлектрическом корпусе устройства образована полость обработки, сообщающаяся с входным и выходным штуцерами. Снаружи корпуса против полости обработки установлен подключенный на "массу" отрицательный электрод, а внутри - подключенный к высоковольтному источнику напряжения протяженный положительный электрод, выполненный с заостренными выступами, размещенными по всей длине электрода перпендикулярно его продольной оси. Даны варианты конструктивного выполнения положительного электрода. Полость обработки может быть выполнена в виде спиралеобразного канала. В полости создается резко неоднородное в пространстве электрическое поле и, дополнительно, посредством введения постоянных магнитов с чередующейся полярностью, неоднородное в пространстве постоянное магнитное поле, воздействие которого усиливается применяемым магнитным экраном. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для обработки жидких и/или газообразных сред, содержащее корпус из диэлектрического материала с входным и выходным штуцерами, высоковольтный источник напряжения, к которому подключены протяженный положительный электрод, размещенный внутри корпуса с образованием между внутренней поверхностью корпуса и положительным электродом полости обработки, сообщающейся с входным и выходным штуцерами, и подключенный на "массу" отрицательный электрод, установленный снаружи корпуса напротив полости обработки, отличающееся тем, что протяженный положительный электрод выполнен с размещенными по всей его длине заостренными пилообразными или игольчатыми выступами, расположенными с противоположных сторон либо повернутыми относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной продольной оси протяженного положительного электрода, причем заостренные концы выступов отогнуты. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость обработки выполнена в виде спиралеобразного канала в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что по крайней мере с одной стороны корпуса установлены с равными промежутками относительно друг друга постоянные магниты с чередующейся полярностью, обращенные своими полюсами в сторону полости обработки. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что со стороны наружных полюсов постоянных магнитов установлен магнитный экран. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен цилиндрической формы с охватывающим его снаружи цилиндрическим отрицательным электродом, выполненным из диамагнитного материала, и введены кольцевые постоянные магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами и установленные снаружи отрицательного электрода, охватывая полость обработки.