УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/46 B01J19/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам обработки жидкой среды, в частности, к комплексной обработке потока жидкой среды с применением плазменного разряда, ультрафиолетового излучения, ультразвука и др., при этом без использования химических реагентов. Изобретение может быть применено, например, для выделения газов из жидких сред.

Уровень техники

Из патента RU2637026 известно устройство для обработки водной среды в потоке, содержащее реакционную камеру с подводящим патрубком и отводящим патрубком и элемент первой ступени сопла, установленный на входе в реакционную камеру, обеспечивающий падение давления на входе в реакционную камеру, а также диффузор, размещенный на выходе из реакционной камеры для торможения потока. Реакционная камера выполнена из диэлектрического материала и формируется последовательно установленными в ней по ходу потока двумя кольцевыми электродами, разнесенными по длине камеры для создания в полости реакционной камеры продольного плазменного разряда. Способ обработки водной среды посредством указанного устройства включает направление потока под давлением в элемент первой ступени сопла с дальнейшим истечением потока в реакционную камеру для обработки водной среды с образованием двухфазного газожидкостного потока, последующим торможением и конденсацией двухфазного потока на выходе из реакционной камеры. При этом в реакционной камере создают продольный плазменный разряд, который инициирует излучение в ультрафиолетовой области (УФ-излучение) и синтез озона из кислорода, выделившегося из водной фазы при образовании двухфазного газожидкостного потока, а при торможении потока на выходе из устройства схлопыванием пузырьков газа создают ультразвуковое поле и локальный перегрев потока водной среды. Технический результат заключается в повышении эффективности дезинфекции воды с повышением микробиологических показателей качества водной среды.

Недостатком известного устройства для обработки водной среды в потоке и способа его работы является достаточно высокая неоднородность плазмы по поперечному сечению обрабатываемой водной среды, что снижает эффективность обработки.

Еще одно устройство для обеззараживания воды и способ его работы раскрываются в патенте EA026813. Устройство включает средство для введения потока исходного продукта; распылитель жидкости, предназначенный для создания путем резкого снижения давления двухфазной смеси из исходного продукта, находящегося в жидкой фазе; реактор, имеющий пару электродов, соединенных с источником напряжения, который способен создавать напряжение, превышающее пробивное напряжение указанной двухфазной смеси; и конденсатор жидкости, предназначенный для возвращения указанной двухфазной смеси в жидкое состояние. Способ согласно вариантам выполнения данного изобретения включает преобразование однофазного потока в двухфазный поток, состоящий из жидкости и газа или жидкости и пара, что может быть достигнуто при переходе потока из зоны высокого давления в зону низкого давления, например, в плазменной камере. Этот переход можно реализовать через диафрагму, ультразвуковой гидродинамический преобразователь или любое другое устройство, способное распылять жидкость. Способ подразумевает зажигание плазмы внутри двухфазной смеси. Двухфазный поток, в котором создается разряд, имеет динамическую структуру в виде скопления частиц со значительной поверхностью раздела между газовой и жидкой фазами. Путем изменения давления на входе сопла и противодавления в выходной трубе возможно изменять соотношение между газовой и жидкой фазами в потоке и режим стабильного горения разряда, а, следовательно, направление и скорость химических реакций, протекающих в плазменной камере. Как указывают авторы данного изобретения, способ воздействия частицами плазмы на жидкость основан на преобразовании жидкости в смесь капель жидкости, взвешенных в газовой фазе и имеющих диаметр несколько десятых микрометра или меньше, и зажигания плазмы в газовой фазе.

Как и в описанном выше устройстве и способе его работы согласно RU2637026, при реализации изобретения согласно EA026813 невозможно обеспечить однородность плазмы по поперечному сечению обрабатываемой двухфазной смеси, что снижает эффективность обработки. К снижению эффективности также приводит необходимость упомянутого преобразования жидкости в смесь капель жидкости, взвешенных в газовой фазе.

Помимо этого, известные устройства и способы обработки жидких сред, включая упомянутые выше, как правило не являются универсальными, а предназначены для обработки конкретных жидкостей с конкретными целями, в частности, только микробиологической обработки воды.

Технической проблемой, возникающей при использовании известных устройств обработки жидкой среды, но решаемой настоящим изобретением, является создание устройства и способа обработки жидкой среды, при которых обеспечивается наиболее полный охват однородной плазмой объема обрабатываемой среды с возможностью широкого регулирования параметров плазмы для осуществления различных видов обработки различных жидких сред.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности обработки жидкой среды, в частности, посредством по существу полного охвата однородной плазмой объема обрабатываемой среды в области ее плазменной обработки с возможностью регулирования параметров плазмы для выбора наиболее оптимального режима обработки и осуществления различных видов обработки различных жидких сред.

Указанная техническая проблема решается, а заявленный технический результат достигается в устройстве обработки жидкой среды, содержащем камеру, в которой последовательно расположены входная диафрагма, стержневой электрод, управляющий электрод и кольцевой электрод, патрубок подвода жидкой среды и диффузор, расположенные по разные стороны камеры, размещенный за диффузором отводящий патрубок, генератор переменного напряжения для подачи напряжения на стержневой электрод и кольцевой электрод, и управляющий генератор напряжения для подачи напряжения на управляющий электрод.

Благодаря такой конструкции устройства, в частности, использованию трехэлектродной системы, в которой управляющий электрод имеет свой источник питания (управляющий генератор напряжения), удалось обеспечить не только достаточно равномерное и полное заполнение плазмой объема между крайними электродами, что существенно повысило эффективность обработки потока жидкой среды, но и в достаточно широких пределах управление таким заполнением при обработке жидких сред существенно разной природы, то есть разного состава, и с разными целями.

В отличие от процессов, используемых в ряде аналогов, включая устройство и способ согласно EA026813, в заявляемом изобретении жидкость в непрерывном потоке жидкой среды вскипает благодаря скачку давления на входе в область обработки ее плазмой, и вследствие этого из нее выделяется газ. Далее, применительно к обработке уже двухфазного потока жидкой среды, управляющий электрод стабилизирует горение плазмы, помогая исключить или снизить до минимального уровня пульсации плазменного разряда в потоке обрабатываемой жидкой среды; способствует формированию плазменного разряда в два-три и более раза длиннее, чем при использовании двухэлектродной системы, например, описанной в RU2637026; расширяет плазменный разряд на все поперечное сечение области обработки плазмой, при этом плазменный разряд становится объемным, а не линейным (стримером) – все это непосредственным образом влияет на эффективность обработки жидкой среды.

Наконец, при использовании управляющего электрода плазменный разряд можно осуществлять как в положительной зоне, подавая на него положительное напряжение, предпочтительно постоянное, так и в отрицательной зоне, подавая на него отрицательное напряжение, предпочтительно постоянное, что делает заявленную установку универсальной с точки зрения типов обрабатываемых жидких сред и целей обработки. В частности, это может быть микробиологическая обработка воды для ее последующего бытового использования; разложение в водных средах органических соединений; разложение углекислого газа, метана и других газов; получение водорода и кислорода; очистка от серы и гидрирование нефтяных фракций с температурой начала кипения выше 180°С без использования катализаторов; и многое другое.

В предпочтительном варианте исполнения заявленное устройство может содержать по меньшей мере один канал подачи газа, установленный в области размещения стержневого электрода. При этом подаваемый газ помогает получить плазму с заданными параметрами, объемом горения, однородностью и стабильностью. Помимо этого или в дополнение к указанному, для тех же целей устройство может содержать дополнительный штыревой электрод в области размещения кольцевого электрода.

Еще одним объектом защиты согласно настоящему изобретению, позволяющим решить техническую задачу и достичь заявленный технический результат, является способ обработки жидкой среды, включающий обеспечение потока жидкой среды, формирование сверхзвукового двухфазного потока жидкой среды, обработку двухфазного потока жидкой среды в плазменном разряде, и повышение давления в потоке двухфазного потока жидкой среды с обеспечением конденсации паровой фазы. При этом обеспечивают по существу полный охват двухфазного потока жидкой среды плазменным разрядом.

Указанный способ может быть реализован, в том числе, посредством описанного выше устройства обработки жидкой среды.

В частном варианте реализации заявленного способа предусмотрена дополнительная подача газа в поток жидкой среды.

В общем, обработка жидкой среды в указанной установке включает направление потока жидкой среды под давлением на диафрагму с дальнейшим истечением потока в камеру для обработки жидкой среды с образованием двухфазного сверхзвукового газожидкостного потока и последующим торможением и конденсацией двухфазного потока на выходе из камеры в скачке давления. При этом в камере создают продольный плазменный разряд, который инициирует УФ-излучение и, обычно, но не обязательно, синтез озона из кислорода, выделившегося из жидкой фазы при образовании двухфазного газожидкостного потока. При торможении потока на выходе из камеры схлопыванием пузырьков газа создают ультразвуковое поле и локальный перегрев потока жидкой среды. В камере расположен управляющий электрод, который модулирует плазменный разряд таким образом, чтобы он занимал по существу весь объем между стержневым электродом и кольцевым электродом.

Далее изобретение более подробно описывается со ссылкой на приложенные фигуры с представленными на них возможными вариантами реализации изобретения, которыми, однако, данное изобретение не ограничивается.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведен вариант исполнения заявленного устройства обработки жидкой среды.

На фиг. 2 приведен вариант схемы включения заявленного устройства в составе установки для обработки жидкой среды.

Позициями на фигурах отмечены следующие элементы:

1 – устройство обработки жидкой среды;

2 – камера;

3 – входная диафрагма;

4 – стержневой электрод;

5 – управляющий электрод;

6 – кольцевой электрод;

7 – патрубок подвода жидкой среды;

8 – диффузор;

9 – отводящий патрубок;

10 – генератор переменного напряжения;

11 – управляющий генератор напряжения;

12 – канал подачи газа;

13 – магистраль подачи жидкой среды;

14 – запорный вентиль;

15 – фильтр;

16 – насос подачи жидкой среды под давлением;

17 – расходомер;

18 – датчик давления жидкой среды;

19 – датчик температуры жидкой среды;

20 – магистраль подачи газа;

21 – регулирующий вентиль;

22 – вакуумметр;

23 – выходная магистраль;

24 – дегазатор;

25 – линия выхода обработанной жидкой среды;

26 – линия выхода газа;

27 – вакуумный насос;

A – зона плазменной обработки потока жидкой среды;

B – первая область камеры;

C – вторая область камеры;

E – зона формирования двухфазного потока жидкой среды;

F – зона стабилизации (третья область камеры);

D0, L0 – диаметр и длина диафрагмы;

D1, L1 – диаметр и длина стержневого электрода;

D2, L2 – диаметр и длина первой области камеры;

D3, L3 – диаметр и длина второй области камеры;

D4, L4 – диаметр и длина зоны стабилизации (третьей области камеры);

D5 – диаметр патрубка подвода жидкой среды;

D6 – диаметр отводящего патрубка.

Осуществление изобретения

Заявленное устройство 1 обработки жидкой среды схематично показано на фиг. 1 и содержит камеру 2, в которой последовательно расположены входная диафрагма 3 на входе в камеру 2, стержневой электрод 4, управляющий электрод 5 и кольцевой электрод 6. Со стороны входной диафрагмы 3 к камере 2 примыкает патрубок 7 подвода жидкой среды, подвергаемой обработке, а с противоположной стороны камеры 2 размещается диффузор 8. За диффузором 8, на выходе из камеры 2 размещен отводящий патрубок 9.

Камера 2 выполняется из любого подходящего диэлектрического материала, например, политетрафторэтилена (фторопласта-4).

Электроды 4, 5, 6 выполнены из металлического электропроводящего материала, предпочтительно выбранного из группы, включающей молибден, серебро, медь, сплавы указанных металлов, нержавеющую сталь, электропроводящую пористую керамику, графит, силицированный графит.

Устройство 1 обработки жидкой среды также включает генератор 10 переменного напряжения для подачи напряжения на стержневой электрод 4 и кольцевой электрод 6 и управляющий генератор 11 напряжения для подачи напряжения на управляющий электрод 5 (генераторы 10, 11 схематично показаны на фиг. 2).

Внутренняя область камеры 2 между стержневым электродом 4 и кольцевым электродом 6 формирует зону зажигания продольного плазменного разряда и, соответственно, зону A плазменной обработки потока жидкой среды.

Продольный плазменный разряд создают подачей на электроды 4, 6 посредством генератора 10 переменного напряжения от 1000 до 4000 В с частотой от 100 до 500 кГц и силой тока от 100 до 500 мА. Инициацию плазменного разряда осуществляют при токе примерно 500 мА, а затем ток снижают до 100÷300 мА, что, в сравнении с аналогами, снижает износ электродов.

Для стабилизации плазменного разряда и обеспечения однородного заполнения плазмой по сути всего объема камеры по ее поперечному сечению на управляющий электрод 5 посредством управляющего генератора 11 подают постоянное напряжение положительной или отрицательной полярности величиной от 1000 до 9000 В, предпочтительно от 3000 до 7000 В, и силой тока от 50 до 200 мА, что определяется жидкой средой и типом ее обработки. В отдельных случаях предусмотрена подача на управляющий электрод 5 посредством управляющего генератора 11 переменного напряжения, в частности, указанных значений амплитуды и тока, что также определяется жидкой средой и типом ее обработки.

Благодаря использованию управляющего электрода 5 плазменный разряд можно осуществлять как в положительной зоне, подавая на него напряжение от +1000 до +9000 В, так и в отрицательной зоне, подавая на него напряжение от -1000 до-9000 В, что необходимо для различных задач. Управляющий электрод 5 позволил расширить плазменный разряд практически на все сечение зоны воздействия плазмы на двухфазный поток жидкой среды за счет того, что удалось превратить плазменный разряд из линейного (стример) в объемный, так что в заявленном устройстве плазма занимает весь объем камеры 2. Кроме того, управляющий электрод 5 позволяет формировать плазменный разряд в два-три раза длиннее, чем при двухэлектродном варианте, известном, например, из RU2637026, а также стабилизирует горение плазмы в двухфазном потоке обрабатываемой жидкой среды, практически полностью исключая пульсации плазменного разряда.

Для обеспечения еще более стабильного горения плазмы и ее большей однородности в заявленном устройстве 1 обработки жидкой среды может быть предусмотрен дополнительный штыревой электрод (на фигурах не показан) в области размещения кольцевого электрода 6, выполненный, в частности, из тех же материалов, что и электроды 4, 5, 6.

Продольный плазменный разряд может зажигаться как без применения дополнительных газов, так и с применением таковых. Во втором случае в установке 1 может быть предусмотрен по меньшей мере один канал 12 подачи газа, установленный в области размещения стержневого электрода 4. Кроме того, дополнительные газы могут использоваться в процессе обработки потока жидкой среды.

Диафрагма 3 характеризуется диаметром D0 отверстия диафрагмы 3 и длиной L0.

Стержневой электрод 4 характеризуется диаметром D1 и длиной L1, измеряемой от выходного края диафрагмы 3 до своего конца.

Электроды 4, 5, 6 формируют три области камеры 2, в которых происходит обработка жидкой среды, в том числе, плазменным разрядом: первую область B, сформированную между концом стержневого электрода 4 и управляющим электродом 5 и характеризующуюся внутренним диаметром D2 камеры 2 и длиной L2; вторую область C, сформированную между управляющим электродом 5 и кольцевым электродом 6 или, в случае его наличия, концом дополнительного стержневого электрода и характеризующуюся внутренним диаметром D3 камеры 2 и длиной L3; и третью область, в которой обработка плазменным разрядом не осуществляется, сформированную между кольцевым электродом 6 и концом камеры 2, к которому примыкает диффузор 8, и характеризующуюся внутренним диаметром D4 камеры 2 и длиной L4.

Таким образом, первая и вторая области B, C формируют упомянутую выше зону A плазменной обработки, характеризующуюся общей длиной L2 + L3. Диаметры D2 и D3 зоны A плазменной обработки могут быть достаточно близки друг другу и существенно превосходят диаметр D0 отверстия диафрагмы 3.

Область камеры от диафрагмы 3 примерно до конца стержневого электрода 4 длиной L1 является зоной E формирования двухфазного потока жидкой среды, а упомянутая выше третья область является зоной F стабилизации.

Об указанных зонах будет подробно сказано далее.

Патрубок 7 подвода жидкой среды в камеру 2 характеризуется диаметром D5, а отводящий патрубок 9 на выходе из камеры 2 характеризуется диаметром D6.

Длина L камеры 2 и ее диаметр D, предпочтительно, связаны соотношением:

L= (10 ÷ 30)·D,

где диаметр D камеры 2 является примерно средним значением диаметров D2, D3 и D4, которые, вообще говоря, близки друг к другу. Как показали эксперименты, при таком соотношении длины L и диаметра D камеры 2 возможно использовать напряжение на электродах в диапазоне от 1000 до 5000 В (либо от -1000 до -5000 В), что является предпочтительным с точки зрения энергосбережения.

В предпочтительном варианте реализации изобретения подачу жидкой среды в патрубок 7 подвода жидкой среды осуществляют под давлением в диапазоне от 0,2 до 6 МПа. При этом давление в камере 2 поддерживают в диапазоне от 1 до 10 кПа, в частности, посредством создания противодавления на выходе из камеры 2, которое обеспечивается давлением газа, выделяющегося из жидкости в дегазаторе 24, и выходом жидкости и газа из дегазатора 24 через регулирующие вентили 21 по жидкости и по газу, установленные соответственно на линии 25 выхода обработанной жидкой среды и линии 26 выхода газа (см. фиг. 2).

Диаметр D5 патрубка 7 подвода жидкой среды и диаметр D6 отводящего патрубка 9 выбираются из условия обеспечения скорости движения потока жидкой среды в камере 2 не более 1,0–1,5 м/с.

Диаметр D0 диафрагмы 3 рассчитывается из условия получения минимального давления в потоке жидкой среды на выходе из диафрагмы 3, в частности, соответствующего давлению насыщения воды при данной температуре. Длина L0 диафрагмы 3 предпочтительно лежит в диапазоне (3 ÷ 15)·D0. При этом в диафрагме 3 может быть выполнено несколько отверстий общей площадью, соответствующей площади одного отверстия с диаметром D0. Количество отверстий диафрагмы 3 выбирается из условия максимального заполнения площади формирования двухфазного потока для его последующей плазменной обработки.

Значение диаметра D1 стержневого электрода 4 предпочтительно лежит в диапазоне (0,4 ÷ 0,9)·D0, а его длина L1 предпочтительно лежит в диапазоне (10 ÷ 20)·D2.

Внутренний диаметр камеры 2 в зоне формирования двухфазного потока определяется из условия минимальной локальной скорости звука жидкой среды 10–20 м/с и составляет величину (1,5 ÷ 2,5)·D0 (или эквивалентного диаметра суммы площадей нескольких отверстий диафрагмы 3). Длина зоны формирования двухфазного потока, как было сказано выше, по сути, примерно равна длине L1 стержневого электрода 4.

Диаметр D2 первой области определяется из условия минимальной локальной скорости звука жидкой среды 10÷20 м/с и составляет (1,5 ÷ 2,5)·D0 (или эквивалентного диаметра суммы площадей нескольких отверстий диафрагмы 3). Длина L2 первой области составляет величину (5 ÷ 10)·D2.

Длина управляющего электрода 5 составляет величину (0,5 ÷ 1,5)·D2.

Диаметр D3 второй области определяется из условия минимальной локальной скорости звука жидкой среды 10÷20 м/с и составляет (1,5 ÷ 2,5)·D0 (или эквивалентного диаметра суммы площадей нескольких отверстий диафрагмы 3). Длина L3 второй области составляет величину (5 ÷ 10)·D3.

Длина кольцевого электрода 6 составляет величину (0,5 ÷ 1,5)·D3.

Как было указано выше, третья область, характеризующаяся внутренним диаметром D4 камеры 2 и длиной L4, формирует зону F стабилизации. При этом диаметр D4 определяется из условия минимальной локальной скорости звука жидкой среды 10÷20 м/с и составляет (1,5 ÷ 2,5)·D0 (или эквивалентного диаметра суммы площадей нескольких отверстий диафрагмы 3). Длина L4 третьей бласти составляет величину (8 ÷ 15)·D3.

Полный угол раскрытия диффузора 8 предпочтительно составляет от 6 до 30°.

Далее со ссылкой на фиг. 2 поясняется работа заявленного устройства 1 в составе установки для обработки жидкой среды.

В общем случае установка для обработки жидкой среды включает заявленное устройство 1 для обработки жидкой среды, а также емкости для хранения жидкой среды и газов, линии подачи (магистрали), средства контроля (в частности, расходомеры, вакуумметры и т.п.) и дополнительное оборудование.

В частности, установка для обработки жидкой среды может содержать магистраль 13 подачи жидкой среды в установку 1 через патрубок 7 подвода жидкой среды с установленными на магистрали 13 подачи жидкой среды запорным вентилем 14, фильтром 15, насосом 16 подачи жидкой среды под давлением, расходомером 17, датчиком 18 давления жидкой среды и датчиком 19 температуры жидкой среды; дополнительную магистраль 20 подачи газа с установленными на ней запорным вентилем 14, регулирующим вентилем 21 подачи газа, расходомером 17; вакуумметр 22 контроля давления в камере 2; выходную магистраль 23 с установленным на ней датчиком 18 давления жидкой среды и соединенную с дегазатором 24, от которого отходят линия 25 выхода обработанной жидкой среды с регулирующим вентилем 21 и запорным вентилем 14, а также линия 26 выхода газа с вакуумным насосом 27, регулирующим вентилем 21 и запорным вентилем 14.

Жидкую среду, подлежащую обработке, подают в устройство 1 по магистрали 13 под давлением, предпочтительно более 0,1 МПа, в частности, от 0,1 до 6 МПа, создаваемым посредством насоса 16, через патрубок 7 подвода жидкой среды и фильтр 15 предварительной очистки. Контроль текущих параметров потока жидкой среды осуществляют с использованием расходомера 17, датчика 18 давления и датчика 19 температуры и при необходимости регулируют подачу потока жидкой среды.

Как было указано ранее, дополнительно, но не обязательно, в установку 1 через канал 12 подачи газа может подаваться газ, для чего в установке для обработки жидкой среды предусмотрена магистраль 20. Расход подаваемого газа устанавливается посредством регулирующего вентиля 21 и контролируется расходомером 17.

Обработка жидкой среды в потоке осуществляется преобразованием потока жидкой среды в сверхзвуковой двухфазный поток за счет резкого падения давления на выходе из диафрагмы 3 (первый скачок давления) и плазменной обработкой потока в зоне плазменной обработки потока жидкой среды, управляемой посредством управляющего электрода 5 и с последующим торможением потока жидкой среды при его расширении в диффузоре 8 (второй скачок давления).

Диафрагма 3 и первая область B камеры 2 формируют сопло. За счет существенной разницы диаметров D0 и D2, D3, D4 реализуется первый скачок (падение) давления, создающий зону разряжения в камере 2. После прохождения диафрагмы 3 скорость потока жидкой среды остается постоянной, однако поток становится сверхзвуковым, так как скорость звука падает. Таким образом, в первой и второй областях B, C, формирующих зону A плазменной обработки, создается область разрежения, за счет резкого падения давления происходит вскипание жидкой среды с выделением из нее паров и растворенных газов и формируется двухфазный сверхзвуковой поток.

В зоне плазменной обработки зажигают продольный управляемый плазменный разряд и пропускают его через указанный двухфазный сверхзвуковой поток. Давление в зоне плазменной обработки контролируют посредством вакуумметра 22.

Управляемый плазменный разряд, формируемый согласно настоящему изобретению по сути во всем объеме сверхзвукового двухфазного потока жидкой среды, инициирует электромагнитное излучение ультрафиолетовой области спектра (170÷300 нм), видимой области спектра (380÷400 нм) и инфракрасной области спектра (760÷780 нм). Это излучение интенсивно воздействует на обрабатываемую жидкую среду.

Воздействие плазменного разряда на поток жидкой среды обеспечивают в течение времени от 0,1 до 10 мс, предпочтительно от 3 до 8 мс.

Затем, после прохождения камеры 2, поток подвергают воздействию второго скачка – резкого повышения давления в диффузоре 8, что вызывает лавинообразную конденсацию паровой фазы двухфазного потока. Вообще говоря, прохождение потока через диффузор 8 должно было бы вызвать снижение давления в потоке. Повышение давления обеспечивается за счет создания противодавления посредством вентилей 21 после дегазатора 24.

При осуществлении второго скачка давления в потоке жидкой среды формируется спектр колебаний различной физической природы, в том числе ультразвуковых и электромагнитных, способствующих схлопыванию газовых пузырьков, которые, схлопываясь, рождают новые колебания. Наблюдается лавинообразный процесс схлопывания газовых пузырьков, что создает мощное ультразвуковое поле и вызванный им локальный перегрев жидкости в области схлопывания пузырьков, в результате чего происходит еще и термическая обработка жидкой среды.

Согласно настоящему изобретению, все процессы обработки жидкой среды происходят в непрерывном потоке в камере 2 заявленного устройства 1. Этими процессами, в частности, являются:

- гидродинамическое воздействие на жидкую среду в потоке, вызывающее резкое понижение давления до кипения жидкой среды и образования двухфазного потока;

- воздействие на поток жидкой среды плазменным разрядом с инициацией электромагнитного излучения широкого спектра (УФ-излучение, излучение видимого спектра, инфракрасное излучение и излучение радиочастотного спектра);

- воздействие ультразвуковым излучением, формирующимся в жидкой среде на стадии второго скачка (резкого повышения) давления;

- синтез и разложение газа, выделенного из жидкой среды или газа, вводимого в реакционную камеру.

Также может быть предусмотрен ввод в жидкую среду различных ионов металла при выборе соответствующего материала электродов.

Далее представлены некоторые примеры осуществления заявленного изобретения, которые, однако не ограничивают его реализацию.

Пример 1 .Микробиологическая очистка воды.

Воду из Москвы реки (температура воды 18–22°С) по магистрали 13 с помощью насоса 16 производительностью 1,5 м³/ч подавали через диафрагму 3 в камеру 2. Давление на входе в устройство 1 обработки жидкой среды составляло 0,9 МПа.

Затем вода истекала в зону формирования двухфазного потока жидкой среды, где за счет ее вскипания с выделением паров воды и растворенных газов формировался двухфазный сверхзвуковой поток водной среды, после чего в зоне плазменной обработки потока двухфазный поток подвергали воздействию управляемого плазменного разряда.

Управление плазменным разрядом осуществлялось с помощью управляющего электрода 5. Давление в зоне плазменной обработки потока составляло 0,01 МПа; давление на выходе из устройства 1 обработки жидкой среды – 0,28 МПа. Диаметры D1, D2, D3, D4 составляли 7 мм; зазоры между электродами 4, 5 и 6 – по 50 мм. Генератор 10 обеспечивал напряжение между электродами 4 и 6 величиной 3000 В и частотой 100 кГц. Возможно было использовать и более высокую частоту генератора 10, причем чем выше частота, тем более интенсивно идет обработка жидкости. При использовании частоты менее 100 кГц формировалась менее устойчивая, мерцающая плазма, что нежелательно. Генератор 11 обеспечивал напряжение на управляющем электроде 5 величиной -8000 или +8000 В. Суммарная потребляемая мощность генераторов 10, 11 и насоса 16 составляла 2,5 кВт. Время воздействия плазменного разряда на поток водной среды составляло от 10^-4 до 10^-2 с. На выходе из устройства 1 отбирались пробы для измерения основного показателя чистоты воды согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 – общего микробного числа (ОМЧ). Для питьевой воды ОМЧ должно быть меньше 50.

Использовались два режима работы устройства 1: первый режим – на электрод 5 подавали напряжение +8000 В; второй режим – на электрод 5 подавали напряжение -8000 В. Гидравлический режим работы устройства 1 был одинаковым.

Заключение сертифицированной лаборатории показало следующее.

Исходная вода: вода, взятая из Москвы реки. ОМЧ = 5900 (здесь и далее – при температуре 37°С).

Первый режим обработки: ОМЧ = 6.

Второй режим обработки: ОМЧ = 6.

Таким образом, при любом из двух режимов обработки показатель чистоты обработанной воды оказался существенно ниже верхней допустимой границы.

Пример 2. Разложение СО₂ на СО и О₂ без использования катализаторов.

Воду из московского водопровода (температура воды 18–22°С) по магистрали 13 с помощью насоса 16 производительностью 20 л/мин подавали через диафрагму 3 в камеру 2. Давление на входе в устройство 1 обработки жидкой среды составляло 0,9 МПа. Углекислый газ подавали в камеру 2 через каналы 12. Расход СО₂ составлял 4–5 л/мин.

Затем вода и СО₂ истекали в зону формирования двухфазного потока жидкой среды, где за счет интенсивного перемешивания и частичного вскипания водной среды с выделением паров воды и растворенных газов формировался двухфазный сверхзвуковой поток водной среды, после чего в зоне плазменной обработки потока двухфазный поток подвергали воздействию управляемого плазменного разряда.

Управление плазменным разрядом осуществлялось с помощью управляющего электрода 5. Давление в зоне плазменной обработки потока составляло 0,03 МПа; давление на выходе из устройства 1 обработки жидкой среды – 0,18 МПа. Диаметры D1, D2, D3, D4 составляли 7 мм; зазоры между электродами 4, 5 и 6 – по 50 мм. Генератор 10 обеспечивал напряжение между электродами 4 и 6 величиной 3000 В и частотой 100 кГц. Возможно было использовать и более высокую частоту генератора 10, причем чем выше частота, тем более интенсивно идет обработка жидкости. При использовании частоты менее 100 кГц формировалась менее устойчивая, мерцающая плазма, что нежелательно. Генератор 11 обеспечивал напряжение на управляющем электроде 5 величиной -4000 или +4000 В. Суммарная потребляемая мощность генераторов 10, 11 и насоса 16 составляла 1,7 кВт. На выходе из устройства 1 отбирались пробы для анализов газа по линии 26 выхода газа.

Использовались три режима работы установки 1: первый режим – без плазмы, второй и третий режимы – с плазмой разной мощности.

Для второго и третьего режимов время воздействия плазменного разряда на поток водной среды составляло от 10^-4 до 10^-2 с. За этот промежуток времени разложилось от 47 до 59% СО₂, поступившего в камеру 2.

Результаты измерений приведены в таблице ниже.

Параметр Режим 1 Режим 2 Режим 3 Потребляемая мощность генератора 10, кВт 0 0,18 0,18 Потребляемая мощность генератора 11, кВт 0 0,375 0,46 Количество газов, отбираемых по линии 26 выхода газа CO₂, % 5,359 3,936 4,537 O₂, % 17,746 18,853 17,961 N₂, % 69,981 63,447 53,082 CH₄, % 0,00 0,00 0,00 CO, % 0 3,605 6,629 Общее, % 93,09 89,84 82,21 Количество преобразованного СО₂, % 0 47,81 59,37

Пример 3. Пример получения кислорода и водорода из воды.

Воду из московского водопровода (температура воды 18–22°С) по магистрали 13 с помощью насоса 16 производительностью 20 л/мин подавали через диафрагму 3 в камеру 2. Давление на входе в устройство 1 обработки жидкой среды составляло 0,9 МПа. Углекислый газ подавали в камеру 2 через каналы 12. Расход СО₂ составлял 4–5 л/мин.

Затем вода истекала в зону формирования двухфазного потока жидкой среды, где за счет вскипания водной среды с выделением паров воды и растворенных газов формировался двухфазный сверхзвуковой поток водной среды, после чего в зоне плазменной обработки потока двухфазный поток подвергали воздействию управляемого плазменного разряда.

Управление плазменным разрядом осуществлялось с помощью управляющего электрода 5. Давление в зоне плазменной обработки потока составляло 0,02 МПа; давление на выходе из устройства 1 обработки жидкой среды – 0,18 МПа. Диаметры D1, D2, D3, D4 составляли 7 мм; зазоры между электродами 4, 5 и 6 – по 50 мм. Генератор 10 обеспечивал напряжение между электродами 4 и 6 величиной 3000 В и частотой 100 кГц. Возможно было использовать и более высокую частоту генератора 10, причем чем выше частота, тем более интенсивно идет обработка жидкости. При использовании частоты менее 100 кГц формировалась менее устойчивая, мерцающая плазма, что нежелательно. Генератор 11 обеспечивал напряжение на управляющем электроде 5 величиной -4000 или +4000 В. Суммарная потребляемая мощность генераторов 10, 11 и насоса 16 составляла 1,7 кВт. На выходе из устройства 1 отбирались пробы для анализов газа по линии 26 выхода газа.

Использовались два режима работы установки с плазмой разной мощности.

Время воздействия плазменного разряда на поток водной среды от составлял 10^-4 до 10^-2 с. За этот промежуток времени выделялось 2,3–2,5 нл/мин. кислорода и водорода. Эффективность использования составила 78–82%. При этом концентрация водорода в газовой смеси составляла 80–90%.

Согласно литературным данным, при щелочном электролизе теоретический удельный расход энергии составляет примерно 3,54 кВт·час/нм³, практический удельный расход энергии составляет 4,9 кВт·час/нм³. Таким образом, эффективность использования первичной энергии будет равна 72%.

При использовании заявленных устройства и способа обработки жидкой среды были использованы следующие параметры и достигнуты следующие результаты:

напряжение разряда, режим 1 / режим 2 – 2,2 / 2,1 кВ;

ток разряда, режим 1 / режим 2 – 295 / 295 мА;

мощность разряда, режим 1 / режим 2 – 649 / 619,5 Вт;

количество выделившегося кислорода и водорода, режим 1 / режим 2 – 2,5 / 2,3 нл/мин., или 0,15 /0,138 нм³/час;

удельный расход энергии, режим 1 / режим 2 – 4,33 / 4,49 кВт·час/нм³;

эффективность использования первичной энергии, режим 1 / режим 2 – 81,82 / 78,86%.

Таким образом, заявленные устройство и способ позволили повысить эффективность использования первичной энергии.

Пример 4. Очистка воды от загрязнений завышенными концентрациями этиленгликоля.

Наполнили кубовую емкость водопроводной водой и выдержали в течение суток с целью выхода из воды остаточного растворенного хлора. Провели взвешивание этиленгликоля 55 мл (согласно техническому заданию из расчета 60 мг/литр) и ввели его в 1 м³ воды. Перемешивание проходило в кубовой емкости с помощью погружного центробежного насоса в течение двух часов.

Провели отбор исходной пробы воды с растворенным этиленгликолем. Исходная проба характеризуется количеством этиленгликоля 63 мг/дм³.

Обработка загрязненной воды проводилась на проток, за один проход. Производительность установки 1 при этом составила 1,2 м³/час при давлении 9,7 бар на входе в диафрагму 3. Давление в камере 2 – 0,8 бар, давление на выходе из камеры 2 – 1 бар.

Режим обработки 1 – исходная проба без обработки.

Режим обработки 2 – исходная проба с обработкой плазменным разрядом в положительной зоне (положительный потенциал на управляющем электроде 5).

Режим обработки 3 – исходная проба с обработкой плазменным разрядом в отрицательной зоне (отрицательный потенциал на управляющем электроде 5).

Режим обработки 4 – исходная проба с обработкой двухфазным потоком с подводом озона в зону вакуума (из атмосферного воздуха).

В результате проведения работ по обработке воды с завышенным содержанием этиленгликоля в режимах обработки 2, 3 удалось в два раза сократить содержание этиленгликоля за счет использования плазменного разряда.

В режиме обработки 4 проводили обработку двухфазным высокоскоростным потоком с вводом озона, время обработки 0,003–0,004 с. Наблюдалось высокоэффективное воздействие озона за счет развитой поверхности контакта озона с паро-газожидкостными пузырьками обрабатываемой смеси.

Пример 5. Очистка речной воды.

Провели забор речной воды с величиной ОМЧ = 340.

Использовали четыре режима обработки, аналогичные указанным в Примере 4.

Режим обработки 2 позволил снизить ОМЧ до 4, режим обработки 3 – до 3, режим обработки 4 – также до 3.

Таким образом, использование заявленного устройства обработки жидкой среды позволило на два порядка снизить ОМЧ исходной речной воды.

Как показали исследования по обработке различных жидких сред, проведенные с использованием установки 1 согласно настоящему изобретению, благодаря наличию управляющего электрода 5 удалось избавиться от стримера между электродами 4, 6 и расширить зону воздействия разряда на поток обрабатываемой жидкой среды по всему сечению зоны обработки плазменным разрядом, а также увеличить длину указанной зоны, что непосредственно влияет на повышение эффективности обработки жидкой среды. Этот эффект усиливает подбор оптимальных геометрических размеров всех областей камеры 2, хотя он не обязательно должен строго соответствовать указанным выше в описании размерам.

Группа изобретений относится к области комплексной обработки потока жидкой среды без использования химических реагентов. Устройство обработки жидкой среды содержит камеру, в которой последовательно расположены входная диафрагма, стержневой электрод, управляющий электрод и кольцевой электрод. Электроды выполнены с возможностью формирования плазмы, равномерно и полно занимающей объем корпуса между стержневым электродом и кольцевым электродом. Патрубок подвода жидкой среды установлен со стороны входной диафрагмы, выполненной с возможностью обеспечения скачка давления на входе в область плазмы и формирования тем самым двухфазного потока, включающего жидкую фазу и паровую фазу. Устройство содержит диффузор, установленный со стороны камеры, противоположной стороне расположения патрубка подвода жидкой среды, в котором посредством вентилей создают давление выше, чем в камере, для обеспечения конденсации паровой фазы двухфазного потока. За диффузором на выходе из камеры размещен отводящий патрубок. Устройство содержит генератор переменного напряжения для подачи напряжения на стержневой электрод и кольцевой электрод и управляющий генератор напряжения для подачи напряжения на управляющий электрод. Обработку жидкой среды осуществляют при помощи вышеописанного устройства. Обеспечивают поток жидкой среды. Формируют сверхзвуковой двухфазный потока жидкой среды и обрабатывают его в плазменном разряде. Осуществляют повышение давления в обработанном двухфазном потоке жидкой среды с обеспечением конденсации паровой фазы. Обеспечивают полный охват двухфазного потока жидкой среды плазменным разрядом. Техническим результатом является повышение эффективности обработки жидкой среды, в частности, посредством по существу полного охвата однородной плазмой объема обрабатываемой среды в области ее плазменной обработки с возможностью регулирования параметров плазмы для выбора наиболее оптимального режима обработки и возможность осуществления обработки различных жидких сред. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство обработки жидкой среды, содержащее:

камеру, в которой последовательно расположены входная диафрагма, стержневой электрод, управляющий электрод и кольцевой электрод, причем электроды выполнены с возможностью формирования плазмы, по существу равномерно и полно занимающей объем корпуса между стержневым электродом и кольцевым электродом, патрубок подвода жидкой среды, установленный со стороны входной диафрагмы, выполненной с возможностью обеспечения скачка давления на входе в область плазмы и формирования тем самым двухфазного потока, включающего жидкую фазу и паровую фазу,

диффузор, установленный со стороны камеры, противоположной стороне расположения патрубка подвода жидкой среды, в котором посредством вентилей создают давление выше, чем в камере, для обеспечения конденсации паровой фазы двухфазного потока, размещенный за диффузором на выходе из камеры отводящий патрубок, генератор переменного напряжения для подачи напряжения на стержневой электрод и кольцевой электрод, и

управляющий генератор напряжения для подачи напряжения на управляющий электрод.

2. Устройство по п. 1, в котором управляющий генератор напряжения является генератором постоянного напряжения.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере один канал подачи газа, установленный в области размещения стержневого электрода.

4. Устройство по п. 1, содержащее дополнительный штыревой электрод в области размещения кольцевого электрода.

5. Способ обработки жидкой среды в устройстве обработки жидкой среды по любому из пп. 1-4, включающий:

обеспечение потока жидкой среды,

формирование сверхзвукового двухфазного потока жидкой среды,

обработку двухфазного потока жидкой среды в плазменном разряде, и

повышение давления в обработанном двухфазном потоке жидкой среды с обеспечением конденсации паровой фазы,

при этом обеспечивают по существу полный охват двухфазного потока жидкой среды плазменным разрядом.

6. Способ обработки по п. 5, дополнительно включающий подачу газа в поток жидкой среды.