RU2798481C1 - Device and method for processing liquid medium - Google Patents
Device and method for processing liquid medium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2798481C1 RU2798481C1 RU2022125044A RU2022125044A RU2798481C1 RU 2798481 C1 RU2798481 C1 RU 2798481C1 RU 2022125044 A RU2022125044 A RU 2022125044A RU 2022125044 A RU2022125044 A RU 2022125044A RU 2798481 C1 RU2798481 C1 RU 2798481C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid medium
- electrode
- flow
- plasma
- chamber
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 162
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 23
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 18
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 110
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 69
- 208000028659 discharge Diseases 0.000 description 47
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 44
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 19
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 14
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical group O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 4
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000249 desinfective effect Effects 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000005987 sulfurization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
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.The present invention relates to devices and methods for processing a liquid medium, in particular, to the complex processing of a liquid medium flow using plasma discharge, ultraviolet radiation, ultrasound, etc., without the use of chemical reagents. The invention can be applied, for example, to the separation of gases from liquid media.
Уровень техникиState of the art
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.From patent RU2637026, a device for processing an aqueous medium in a stream is known, containing a reaction chamber with an inlet pipe and an outlet pipe and a first-stage nozzle element installed at the inlet to the reaction chamber, providing a pressure drop at the inlet to the reaction chamber, as well as a diffuser located at the outlet from the reaction chamber to slow down the flow. The reaction chamber is made of a dielectric material and is formed by two ring electrodes sequentially installed in it along the flow, spaced along the length of the chamber to create a longitudinal plasma discharge in the cavity of the reaction chamber. The method for treating an aqueous medium by means of said device includes directing the flow under pressure to the element of the first stage of the nozzle with further outflow of the flow into the reaction chamber for treating the aqueous medium with the formation of a two-phase gas-liquid flow, followed by deceleration and condensation of the two-phase flow at the outlet of the reaction chamber. At the same time, a longitudinal plasma discharge is created in the reaction chamber, which initiates radiation in the ultraviolet region (UV radiation) and the synthesis of ozone from oxygen released from the aqueous phase during the formation of a two-phase gas-liquid flow, and when the flow is decelerated at the outlet of the device by the collapse of gas bubbles, an ultrasonic sound is created. field and local overheating of the flow of the aquatic environment. The technical result consists in increasing the efficiency of water disinfection with an increase in microbiological indicators of the quality of the aquatic environment.
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.A disadvantage of the known device for processing an aqueous medium in a stream and the method of its operation is the rather high inhomogeneity of the plasma over the cross section of the treated aqueous medium, which reduces the processing efficiency.
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.Another device for disinfecting water and its method of operation are disclosed in patent EA026813. The device includes a means for introducing the flow of the original product; a liquid atomizer designed to create, by abrupt depressurization, a two-phase mixture from the feedstock in the liquid phase; a reactor having a pair of electrodes connected to a voltage source that is capable of generating a voltage in excess of the breakdown voltage of said two-phase mixture; and a liquid condenser for returning said two-phase mixture to a liquid state. The method according to embodiments of the present invention includes converting a single-phase flow into a two-phase flow consisting of liquid and gas or liquid and vapor, which can be achieved by passing the flow from a high pressure zone to a low pressure zone, for example, in a plasma chamber. This transition can be implemented through a diaphragm, an ultrasonic hydrodynamic transducer, or any other device capable of spraying liquid. The method involves plasma ignition inside a two-phase mixture. The two-phase flow in which the discharge is created has a dynamic structure in the form of an accumulation of particles with a significant interface between the gas and liquid phases. By changing the pressure at the nozzle inlet and the counterpressure in the outlet pipe, it is possible to change the ratio between the gas and liquid phases in the flow and the mode of stable discharge burning, and, consequently, the direction and speed of chemical reactions occurring in the plasma chamber. As the present inventors point out, the method of influencing a liquid with plasma particles is based on converting the liquid into a mixture of liquid droplets suspended in the gas phase and having a diameter of a few tenths of a micrometer or less, and igniting the plasma in the gas phase.
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.As in the device described above and its method of operation according to RU2637026, when implementing the invention according to EA026813, it is impossible to ensure plasma uniformity over the cross section of the processed two-phase mixture, which reduces the processing efficiency. The need for said transformation of the liquid into a mixture of liquid droplets suspended in the gas phase also leads to a decrease in efficiency.
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.In addition, the known devices and methods for the treatment of liquid media, including those mentioned above, as a rule are not universal, but are intended for the treatment of specific liquids for specific purposes, in particular, only microbiological treatment of water.
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.A technical problem that arises when using known devices for processing a liquid medium, but solved by the present invention, is the creation of a device and a method for processing a liquid medium, which ensures the most complete coverage of the volume of the processed medium with a homogeneous plasma with the possibility of wide regulation of plasma parameters for various types of processing of various liquid avg.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
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.The technical result of the present invention is to increase the efficiency of processing a liquid medium, in particular, by essentially complete coverage of the volume of the treated medium with a homogeneous plasma in the area of its plasma treatment with the possibility of controlling the plasma parameters to select the most optimal processing mode and implement various types of processing of various liquid media.
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.The specified technical problem is solved, and the claimed technical result is achieved in a device for processing a liquid medium, containing a chamber in which an inlet diaphragm, a rod electrode, a control electrode and an annular electrode, a liquid medium supply pipe and a diffuser are located in series, located on opposite sides of the chamber, placed behind a diffuser outlet, an alternating voltage generator for supplying voltage to the rod electrode and an annular electrode, and a control voltage generator for supplying voltage to the control electrode.
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.Thanks to this design of the device, in particular, the use of a three-electrode system in which the control electrode has its own power source (control voltage generator), it was possible to ensure not only a fairly uniform and complete filling of the volume between the extreme electrodes with plasma, which significantly increased the efficiency of processing the flow of a liquid medium, but also within a fairly wide range of control of such filling in the processing of liquid media of a significantly different nature, that is, different composition, and for different purposes.
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.Unlike the processes used in a number of analogues, including the device and method according to EA026813, in the claimed invention, the liquid in a continuous stream of liquid medium boils due to a pressure jump at the inlet to the plasma treatment area, and as a result, gas is released from it. Further, in relation to the processing of an already two-phase flow of a liquid medium, the control electrode stabilizes the burning of the plasma, helping to eliminate or reduce to a minimum level the pulsation of the plasma discharge in the flow of the processed liquid medium; contributes to the formation of a plasma discharge two to three or more times longer than when using a two-electrode system, for example, described in RU2637026; expands the plasma discharge to the entire cross section of the plasma treatment area, while the plasma discharge becomes volumetric, rather than linear (streamer) - all this directly affects the efficiency of liquid medium treatment.
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.Finally, when using a control electrode, the plasma discharge can be carried out both in the positive zone, by applying a positive voltage, preferably constant, and in the negative zone, by applying a negative voltage, preferably constant, which makes the claimed installation universal in terms of the types of liquids being processed. environments and purposes of processing. In particular, it can be microbiological treatment of water for its subsequent domestic use; decomposition in aqueous media of organic compounds; decomposition of carbon dioxide, methane and other gases; production of hydrogen and oxygen; purification from sulfur and hydrogenation of oil fractions with an initial boiling point above 180°C without the use of catalysts; and much more.
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.In a preferred embodiment, the claimed device may contain at least one gas supply channel installed in the area of the rod electrode. In this case, the supplied gas helps to obtain a plasma with the specified parameters, combustion volume, uniformity and stability. In addition to or in addition to this, for the same purposes, the device may contain an additional pin electrode in the area of the ring electrode.
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.Another object of protection according to the present invention, which allows solving a technical problem and achieving the claimed technical result, is a method for processing a liquid medium, including providing a flow of a liquid medium, forming a supersonic two-phase flow of a liquid medium, processing a two-phase flow of a liquid medium in a plasma discharge, and increasing pressure in the flow of a two-phase flow of a liquid medium with the provision of condensation of the vapor phase. At the same time, essentially complete coverage of the two-phase flow of the liquid medium by the plasma discharge is ensured.
Указанный способ может быть реализован, в том числе, посредством описанного выше устройства обработки жидкой среды.This method can be implemented, inter alia, by means of the liquid medium processing device described above.
В частном варианте реализации заявленного способа предусмотрена дополнительная подача газа в поток жидкой среды.In a particular embodiment of the claimed method, additional gas supply to the liquid medium flow is provided.
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.In general, the processing of a liquid medium in the specified installation includes directing the flow of a liquid medium under pressure to the diaphragm with further outflow of the flow into the chamber for processing the liquid medium with the formation of a two-phase supersonic gas-liquid flow and subsequent deceleration and condensation of the two-phase flow at the outlet of the chamber in a pressure surge. In this case, a longitudinal plasma discharge is created in the chamber, which initiates UV radiation and, usually, but not necessarily, the synthesis of ozone from oxygen released from the liquid phase during the formation of a two-phase gas-liquid flow. When the flow is decelerated at the exit from the chamber by the collapse of gas bubbles, an ultrasonic field and local overheating of the liquid medium flow are created. A control electrode is located in the chamber, which modulates the plasma discharge in such a way that it occupies essentially the entire volume between the rod electrode and the ring electrode.
Далее изобретение более подробно описывается со ссылкой на приложенные фигуры с представленными на них возможными вариантами реализации изобретения, которыми, однако, данное изобретение не ограничивается.Hereinafter, the invention is described in more detail with reference to the attached figures with possible embodiments of the invention presented thereon, to which, however, the present invention is not limited.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. 1 приведен вариант исполнения заявленного устройства обработки жидкой среды.In FIG. 1 shows an embodiment of the claimed liquid medium processing device.
На фиг. 2 приведен вариант схемы включения заявленного устройства в составе установки для обработки жидкой среды.In FIG. 2 shows a variant of the scheme for switching on the claimed device as part of an installation for processing a liquid medium.
Позициями на фигурах отмечены следующие элементы:The positions in the figures indicate the following elements:
1 – устройство обработки жидкой среды;1 – liquid medium processing device;
2 – камера;2 - camera;
3 – входная диафрагма;3 - input diaphragm;
4 – стержневой электрод;4 - rod electrode;
5 – управляющий электрод;5 - control electrode;
6 – кольцевой электрод;6 – ring electrode;
7 – патрубок подвода жидкой среды;7 - branch pipe for supplying a liquid medium;
8 – диффузор;8 - diffuser;
9 – отводящий патрубок;9 - outlet pipe;
10 – генератор переменного напряжения;10 - alternating voltage generator;
11 – управляющий генератор напряжения;11 – control voltage generator;
12 – канал подачи газа;12 - gas supply channel;
13 – магистраль подачи жидкой среды;13 - liquid medium supply line;
14 – запорный вентиль;14 - shut-off valve;
15 – фильтр;15 - filter;
16 – насос подачи жидкой среды под давлением;16 - pump for supplying a liquid medium under pressure;
17 – расходомер;17 – flow meter;
18 – датчик давления жидкой среды;18 – liquid medium pressure sensor;
19 – датчик температуры жидкой среды;19 – liquid medium temperature sensor;
20 – магистраль подачи газа;20 - gas supply line;
21 – регулирующий вентиль;21 - control valve;
22 – вакуумметр;22 - vacuum gauge;
23 – выходная магистраль;23 - output line;
24 – дегазатор;24 - degasser;
25 – линия выхода обработанной жидкой среды;25 – exit line of the processed liquid medium;
26 – линия выхода газа;26 - gas outlet line;
27 – вакуумный насос;27 - vacuum pump;
A – зона плазменной обработки потока жидкой среды;A is the zone of plasma treatment of the liquid medium flow;
B – первая область камеры;B is the first area of the chamber;
C – вторая область камеры;C is the second area of the chamber;
E – зона формирования двухфазного потока жидкой среды;E is the zone of formation of a two-phase flow of a liquid medium;
F – зона стабилизации (третья область камеры);F is the stabilization zone (the third area of the camera);
D0, L0 – диаметр и длина диафрагмы;D0, L0 are the diameter and length of the diaphragm;
D1, L1 – диаметр и длина стержневого электрода;D1, L1 – diameter and length of the rod electrode;
D2, L2 – диаметр и длина первой области камеры;D2, L2 are the diameter and length of the first region of the chamber;
D3, L3 – диаметр и длина второй области камеры;D3, L3 are the diameter and length of the second region of the chamber;
D4, L4 – диаметр и длина зоны стабилизации (третьей области камеры);D4, L4 are the diameter and length of the stabilization zone (the third region of the chamber);
D5 – диаметр патрубка подвода жидкой среды;D5 is the diameter of the liquid medium supply pipe;
D6 – диаметр отводящего патрубка.D6 is the diameter of the outlet pipe.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
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.The liquid
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.The
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).The liquid
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.The inner region of the
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.A longitudinal plasma discharge is created by applying an alternating voltage from 1000 to 4000 V with a frequency of 100 to 500 kHz and a current strength of 100 to 500 mA to the
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.In order to stabilize the plasma discharge and ensure uniform filling of essentially the entire volume of the chamber with plasma along its cross section, a constant voltage of positive or negative polarity of 1000 to 9000 V, preferably from 3000 to 7000 V, and a current strength is applied to the control electrode 5 by means of a
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.Thanks to the use of control electrode 5, the plasma discharge can be carried out both in the positive zone, by applying voltage from +1000 to +9000 V, and in the negative zone, by applying voltage from -1000 to -9000 V, which is necessary for various tasks. The control electrode 5 made it possible to expand the plasma discharge to almost the entire cross section of the plasma impact zone on a two-phase flow of a liquid medium due to the fact that it was possible to turn the plasma discharge from a linear (streamer) into a volumetric one, so that in the claimed device the plasma occupies the entire volume of the
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.To ensure even more stable plasma combustion and its greater uniformity in the claimed
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.A longitudinal plasma discharge can be ignited both without the use of additional gases and with the use of such. In the second case, the
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.The
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.The
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.Thus, the first and second regions B, C form the aforementioned plasma treatment zone A, characterized by a total length L2 + L3. The diameters D2 and D3 of the plasma treatment zone A can be quite close to each other and significantly exceed the diameter D0 of the
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.The area of the chamber from the
Об указанных зонах будет подробно сказано далее.These zones will be discussed in more detail below.
Патрубок 7 подвода жидкой среды в камеру 2 характеризуется диаметром D5, а отводящий патрубок 9 на выходе из камеры 2 характеризуется диаметром D6.The
Длина L камеры 2 и ее диаметр D, предпочтительно, связаны соотношением:The length L of the
L= (10 ÷ 30)·D,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.where the diameter D of the
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).In a preferred embodiment of the invention, the liquid medium is supplied to the liquid
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.The diameter D5 of the
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.The diameter D0 of the
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.The value of the diameter D1 of the
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.The inner diameter of
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.The diameter D2 of the first region is determined from the condition of the minimum local sound velocity of the liquid medium 10÷20 m/s and is (1.5÷2.5)·D0 (or the equivalent diameter of the sum of the areas of several apertures of the diaphragm 3). The length L2 of the first region is (5 ÷ 10)·D2.
Длина управляющего электрода 5 составляет величину (0,5 ÷ 1,5)·D2.The length of the control electrode 5 is (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.The diameter D3 of the second region is determined from the condition of the minimum local sound velocity of the liquid medium 10÷20 m/s and is (1.5÷2.5)·D0 (or the equivalent diameter of the sum of the areas of several apertures of the diaphragm 3). The length L3 of the second region is (5 ÷ 10)·D3.
Длина кольцевого электрода 6 составляет величину (0,5 ÷ 1,5)·D3.The length of the ring electrode 6 is (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.As mentioned above, the third region, characterized by the inner diameter D4 of the
Полный угол раскрытия диффузора 8 предпочтительно составляет от 6 до 30°.The total opening angle of the
Далее со ссылкой на фиг. 2 поясняется работа заявленного устройства 1 в составе установки для обработки жидкой среды.Next, with reference to FIG. 2 explains the operation of the claimed
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.In the general case, a liquid medium processing plant includes the claimed liquid
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.In particular, the installation for processing a liquid medium may contain a
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.The liquid medium to be processed is supplied to the
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.As mentioned earlier, in addition, but not necessarily, gas can be supplied to the
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).The processing of the liquid medium in the flow is carried out by converting the flow of the liquid medium into a supersonic two-phase flow due to a sharp drop in pressure at the outlet of the diaphragm 3 (the first pressure jump) and plasma processing of the flow in the zone of plasma processing of the flow of the liquid medium, controlled by the control electrode 5 and followed by braking flow of the liquid medium during its expansion in the diffuser 8 (the second pressure jump).
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.The
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.In the plasma treatment zone, a longitudinal controlled plasma discharge is ignited and it is passed through the specified two-phase supersonic flow. The pressure in the plasma treatment zone is controlled by a
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.A controlled plasma discharge, formed according to the present invention in fact in the entire volume of a supersonic two-phase flow of a liquid medium, initiates electromagnetic radiation in the ultraviolet region of the spectrum (170 ÷ 300 nm), the visible region of the spectrum (380 ÷ 400 nm) and the infrared region of the spectrum (760 ÷ 780 nm ). This radiation intensely affects the processed liquid medium.
Воздействие плазменного разряда на поток жидкой среды обеспечивают в течение времени от 0,1 до 10 мс, предпочтительно от 3 до 8 мс.The impact of the plasma discharge on the flow of the liquid medium is provided for a time of 0.1 to 10 ms, preferably 3 to 8 ms.
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.Then, after passing through
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.During the implementation of the second pressure jump in the flow of a liquid medium, a spectrum of oscillations of various physical nature is formed, including ultrasonic and electromagnetic, which contribute to the collapse of gas bubbles, which, when collapsing, give rise to new oscillations. An avalanche-like process of collapse of gas bubbles is observed, which creates a powerful ultrasonic field and the local overheating of the liquid caused by it in the area of bubble collapse, as a result of which the thermal treatment of the liquid medium also occurs.
Согласно настоящему изобретению, все процессы обработки жидкой среды происходят в непрерывном потоке в камере 2 заявленного устройства 1. Этими процессами, в частности, являются:According to the present invention, all liquid medium processing processes take place in a continuous flow in the
- гидродинамическое воздействие на жидкую среду в потоке, вызывающее резкое понижение давления до кипения жидкой среды и образования двухфазного потока;- hydrodynamic effect on the liquid medium in the flow, causing a sharp decrease in pressure until the liquid medium boils and the formation of a two-phase flow;
- воздействие на поток жидкой среды плазменным разрядом с инициацией электромагнитного излучения широкого спектра (УФ-излучение, излучение видимого спектра, инфракрасное излучение и излучение радиочастотного спектра);- impact on the flow of a liquid medium by a plasma discharge with the initiation of a wide spectrum of electromagnetic radiation (UV radiation, visible spectrum radiation, infrared radiation and radio frequency spectrum radiation);
- воздействие ультразвуковым излучением, формирующимся в жидкой среде на стадии второго скачка (резкого повышения) давления;- exposure to ultrasonic radiation generated in a liquid medium at the stage of the second jump (sharp increase) in pressure;
- синтез и разложение газа, выделенного из жидкой среды или газа, вводимого в реакционную камеру.- synthesis and decomposition of gas separated from a liquid medium or gas introduced into the reaction chamber.
Также может быть предусмотрен ввод в жидкую среду различных ионов металла при выборе соответствующего материала электродов.It can also be provided for the introduction of various metal ions into the liquid medium by choosing the appropriate electrode material.
Далее представлены некоторые примеры осуществления заявленного изобретения, которые, однако не ограничивают его реализацию.The following are some examples of implementation of the claimed invention, which, however, do not limit its implementation.
Пример 1 .Микробиологическая очистка воды.Example 1. Microbiological water treatment.
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.Water from the Moskva River (
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.Then the water flowed into the zone of formation of a two-phase flow of a liquid medium, where, due to its boiling with the release of water vapor and dissolved gases, a two-phase supersonic flow of an aqueous medium was formed, after which, in the zone of plasma processing of the flow, the two-phase flow was subjected to a controlled plasma discharge.
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.The plasma discharge was controlled using control electrode 5. The pressure in the zone of plasma treatment of the flow was 0.01 MPa; the pressure at the outlet of the liquid
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.Two modes of operation of
Заключение сертифицированной лаборатории показало следующее.The conclusion of the certified laboratory showed the following.
Исходная вода: вода, взятая из Москвы реки. ОМЧ = 5900 (здесь и далее – при температуре 37°С).Source water: water taken from the Moscow River. TMF = 5900 (hereinafter, at a temperature of 37°C).
Первый режим обработки: ОМЧ = 6.First processing mode: MCH = 6.
Второй режим обработки: ОМЧ = 6.Second processing mode: MCH = 6.
Таким образом, при любом из двух режимов обработки показатель чистоты обработанной воды оказался существенно ниже верхней допустимой границы.Thus, in any of the two treatment modes, the purity index of the treated water turned out to be significantly lower than the upper permissible limit.
Пример 2. Разложение СО2 на СО и О2 без использования катализаторов.Example 2. Decomposition of CO 2 into CO and O 2 without the use of catalysts.
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.Water from the Moscow water supply system (
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.Then, water and CO 2 flowed into the zone of formation of a two-phase flow of a liquid medium, where, due to intensive mixing and partial boiling of the aqueous medium with the release of water vapor and dissolved gases, a two-phase supersonic flow of the aqueous medium was formed, after which, in the zone of plasma treatment of the flow, the two-phase flow was subjected to controlled plasma discharge.
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.The plasma discharge was controlled using control electrode 5. The pressure in the zone of plasma treatment of the flow was 0.03 MPa; the pressure at the outlet of the liquid
Использовались три режима работы установки 1: первый режим – без плазмы, второй и третий режимы – с плазмой разной мощности.Three operating modes of
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.For the second and third regimes, the time of exposure of the plasma discharge to the flow of the aqueous medium ranged from 10 -4 to 10 -2 s. During this period of time, from 47 to 59% of CO 2 that entered
Результаты измерений приведены в таблице ниже.The measurement results are shown in the table below.
Пример 3. Пример получения кислорода и водорода из воды.Example 3. An example of obtaining oxygen and hydrogen from water.
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.Water from the Moscow water supply system (
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.Then the water flowed into the zone of formation of a two-phase flow of a liquid medium, where, due to the boiling of the aqueous medium with the release of water vapor and dissolved gases, a two-phase supersonic flow of the aqueous medium was formed, after which, in the zone of plasma treatment of the flow, the two-phase flow was subjected to a controlled plasma discharge.
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.The plasma discharge was controlled using control electrode 5. The pressure in the zone of plasma treatment of the flow was 0.02 MPa; the pressure at the outlet of the liquid
Использовались два режима работы установки с плазмой разной мощности.Two modes of operation of the facility with plasmas of different powers were used.
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%.The time of exposure of the plasma discharge to the flow of the aqueous medium was from 10 -4 to 10 -2 s. During this period of time, 2.3–2.5 nl/min was released. oxygen and hydrogen. Efficiency of use was 78–82%. In this case, the hydrogen concentration in the gas mixture was 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%.According to literature data, in alkaline electrolysis, the theoretical specific energy consumption is approximately 3.54 kWh/Nm 3 , the practical specific energy consumption is 4.9 kWh/Nm 3 . Thus, the efficiency of primary energy use will be equal to 72%.
При использовании заявленных устройства и способа обработки жидкой среды были использованы следующие параметры и достигнуты следующие результаты:When using the claimed device and method for processing a liquid medium, the following parameters were used and the following results were achieved:
напряжение разряда, режим 1 / режим 2 – 2,2 / 2,1 кВ;discharge voltage,
ток разряда, режим 1 / режим 2 – 295 / 295 мА;discharge current,
мощность разряда, режим 1 / режим 2 – 649 / 619,5 Вт;discharge power,
количество выделившегося кислорода и водорода, режим 1 / режим 2 – 2,5 / 2,3 нл/мин., или 0,15 /0,138 нм3/час;the amount of released oxygen and hydrogen,
удельный расход энергии, режим 1 / режим 2 – 4,33 / 4,49 кВт·час/нм3;specific energy consumption,
эффективность использования первичной энергии, режим 1 / режим 2 – 81,82 / 78,86%.primary energy efficiency,
Таким образом, заявленные устройство и способ позволили повысить эффективность использования первичной энергии.Thus, the claimed device and method made it possible to increase the efficiency of primary energy use.
Пример 4. Очистка воды от загрязнений завышенными концентрациями этиленгликоля.Example 4. Purification of water from pollution by overestimated concentrations of ethylene glycol.
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.The bottom container was filled with tap water and kept for a day in order to remove residual dissolved chlorine from the water. Conducted weighing ethylene glycol 55 ml (according to the terms of reference at the rate of 60 mg/liter) and introduced it into 1 m 3 of water. Mixing took place in a bottom tank using a submersible centrifugal pump for two hours.
Провели отбор исходной пробы воды с растворенным этиленгликолем. Исходная проба характеризуется количеством этиленгликоля 63 мг/дм3.An initial water sample with dissolved ethylene glycol was taken. The original sample is characterized by the amount of ethylene glycol 63 mg/DM 3 .
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.The treatment of polluted water was carried out per channel, in one pass. The productivity of
Режим обработки 1 – исходная проба без обработки.Processing mode 1 - original sample without processing.
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.As a result of work on the treatment of water with an overestimated content of ethylene glycol in
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.In
Пример 5. Очистка речной воды.Example 5. Purification of river water.
Провели забор речной воды с величиной ОМЧ = 340.River water was taken with the value of TMC = 340.
Использовали четыре режима обработки, аналогичные указанным в Примере 4.Four processing modes were used, similar to those in Example 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.Thus, the use of the claimed liquid medium processing device made it possible to reduce the TMF of the original river water by two orders of magnitude.
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.As shown by studies on the processing of various liquid media, carried out using the
Claims (14)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2798481C1 true RU2798481C1 (en) | 2023-06-23 |
Family
ID=
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080092C1 (en) * | 1994-10-11 | 1997-05-27 | Педдер Валерий Викторович | Apparatus for treating infected wounds with high-voltage pulsed electric discharges |
| JP2010022991A (en) * | 2008-07-24 | 2010-02-04 | Yaskawa Electric Corp | Liquid treatment device and liquid treatment method |
| KR101057453B1 (en) * | 2010-12-23 | 2011-08-17 | 미륭이씨오 주식회사 | Plasma processing equipment |
| RU2465303C1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-27 | Юрий Павлович Скакунов | Hydrocarbon-bearing fluid processing plant and plasma reactor incorporated therewith |
| JP5099612B2 (en) * | 2011-04-26 | 2012-12-19 | 独立行政法人国立高等専門学校機構 | Liquid processing equipment |
| KR101303081B1 (en) * | 2012-11-27 | 2013-09-03 | 미륭이씨오 주식회사 | Cooling tower system |
| JP2014113517A (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-26 | Samsung R&D Institute Japan Co Ltd | Water quality control apparatus and water quality control method |
| US9661732B2 (en) * | 2014-10-24 | 2017-05-23 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Plasma generation apparatus |
| RU2637026C1 (en) * | 2016-11-14 | 2017-11-29 | Юрий Павлович Скакунов | Method and device for treating aqueous medium in stream |
| RU2719503C1 (en) * | 2019-08-13 | 2020-04-20 | Иван Васильевич Трифанов | Recuperator of energy of plasma ions |
| US10723637B2 (en) * | 2017-03-21 | 2020-07-28 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Liquid treatment apparatus |
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080092C1 (en) * | 1994-10-11 | 1997-05-27 | Педдер Валерий Викторович | Apparatus for treating infected wounds with high-voltage pulsed electric discharges |
| JP2010022991A (en) * | 2008-07-24 | 2010-02-04 | Yaskawa Electric Corp | Liquid treatment device and liquid treatment method |
| KR101057453B1 (en) * | 2010-12-23 | 2011-08-17 | 미륭이씨오 주식회사 | Plasma processing equipment |
| JP5099612B2 (en) * | 2011-04-26 | 2012-12-19 | 独立行政法人国立高等専門学校機構 | Liquid processing equipment |
| RU2465303C1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-27 | Юрий Павлович Скакунов | Hydrocarbon-bearing fluid processing plant and plasma reactor incorporated therewith |
| KR101303081B1 (en) * | 2012-11-27 | 2013-09-03 | 미륭이씨오 주식회사 | Cooling tower system |
| JP2014113517A (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-26 | Samsung R&D Institute Japan Co Ltd | Water quality control apparatus and water quality control method |
| US9661732B2 (en) * | 2014-10-24 | 2017-05-23 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Plasma generation apparatus |
| RU2637026C1 (en) * | 2016-11-14 | 2017-11-29 | Юрий Павлович Скакунов | Method and device for treating aqueous medium in stream |
| US10723637B2 (en) * | 2017-03-21 | 2020-07-28 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Liquid treatment apparatus |
| RU2719503C1 (en) * | 2019-08-13 | 2020-04-20 | Иван Васильевич Трифанов | Recuperator of energy of plasma ions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4351734A (en) | Spark cell ozone generator | |
| US5326468A (en) | Water remediation and purification method and apparatus | |
| US6117401A (en) | Physico-chemical conversion reactor system with a fluid-flow-field constrictor | |
| KR101918147B1 (en) | Plasma Water Treatment Apparatus | |
| US10793447B2 (en) | System and method for plasma discharge in liquid | |
| US11279633B2 (en) | System and method for plasma discharge in liquid | |
| KR102613173B1 (en) | Systems and methods for treating fluids by sonoelectrochemistry | |
| JP2015085297A (en) | Liquid treatment apparatus and associated water treatment method | |
| JP2005058887A (en) | Waste water treatment apparatus using high-voltage pulse | |
| KR101984437B1 (en) | Water treating apparatus using plasma | |
| CN105060408A (en) | Underwater low temperature plasma wastewater treatment method and device | |
| KR20140110866A (en) | Ozone production and ozone dissolution device | |
| US10882021B2 (en) | Plasma reactor for liquid and gas and method of use | |
| US20250002376A1 (en) | Plasma water treatment | |
| RU2798481C1 (en) | Device and method for processing liquid medium | |
| CN103979668A (en) | Device for reacting discharge plasma positioned on gas-liquid interface of swirl gas column | |
| RU2152359C1 (en) | Device for cleaning and decontamination of water by high-voltage electrical discharges | |
| US12295090B2 (en) | System and method for plasma discharge in liquid | |
| US7534351B2 (en) | Pressurized biological waste water purification process | |
| Schmidt-Szaowski | Catalytic properties of silica packings under ozone synthesis conditions | |
| RU173849U1 (en) | PLASMA-CHEMICAL REACTOR FOR LIQUID PROCESSING OF BARRIER DISCHARGE | |
| RU2233244C1 (en) | Reactor for treating liquids | |
| US20230234862A1 (en) | An annular bubbling electric discharge reactor for treatment of water | |
| RU2326820C1 (en) | Method of cleaning and sterilisation of liquid or gas media and device for method implemention | |
| SU1754646A1 (en) | Device for ozonizing dielectric liquid |