Каталог
Порталус
Крупнейшая база публикаций

ВОПРОСЫ НАУКИ есть новые публикации за сегодня \\ 25.06.18

Электростатический фильтр

Дата публикации: 11 января 2018
Автор: Плахута В. В.
Публикатор: Плахута Владимир Васильевич
Рубрика: ВОПРОСЫ НАУКИ
Номер публикации: №1515676810 / Жалобы? Ошибка? Выделите проблемный текст и нажмите CTRL+ENTER!


Плахута В. В., (c)

найти другие работы автора

Электростатический фильтр

                                                      Суть  изобретения

 

Метод  электростатической очистки  воды, технических и подсолнечных масел,  и других различных жидкостей. Способ отличается высокой эффективностью, экологичностью, и применим для очистки как проводящих электрический ток, так и не электропроводных жидкостей. Устройство содержит корпус, внутри которого размещены плоские парные разнополюсные электроды покрытые слоем изоляции. Высокая надежность обеспечивается отсутствием деталей с ограниченным сроком эксплуатации и требующих периодических замен. Имеется удобная возможность периодической промывки различными моющими растворами. В случае необходимости, можно производить механическую очистку без разборки фильтра. Метод отличается от известных способов малыми энергозатратами.

         Эффект достигается за счёт оригинальной электрической схемы установки.

         В настоящее время явление электрофореза широко используется в технике, производстве, нано технологиях, медицинских и биологических исследованиях. В некоторых из этих случаев предлагаемый метод может быть применён.

           

                                      Описание изобретения.

            Изобретение относится к устройствам для очистки диэлектрических и электропроводных жидкостей путем воздействия электростатического поля.

            Известны установки по очистке масел типа FRIESS EFC (Германия). Аналогичный принцип работы и в установке типа ELC-R50SP фирмы Kleentek Industrial Corporation изобретателя Акира Сазаки, которая состоит из панели управления, маломощного насоса, высоковольтного трансформатора и камеры очистки. В камере очистки находится главный элемент установки – сменный картридж (коллектор).

            Известно, что метод электростатической очистки заключается в том, что диэлектрическую жидкость пропускают через электрическое поле, при котором, полярные частицы осаждаются на электроды, создающие это поле (процесс электрофореза), а нейтральные частицы благодаря специальному элементу, находящемуся между электродами, который искажает электростатическое поле, оседают на этом элементе в местах наибольшей напряженности (диэлектрофорез). Недостатком этого способа является необходимость частой замены картриджей.

            Известен способ и устройства обессоливание воды методом электродиализа. Принцип электродиализа состоит в перемещении между электродами анионов и катионов растворённых солей через мембраны, проницаемые только для анионов или катионов. В результате этого процесса в одной камере собирается обогащенный рассольный раствор, а в другой камере вода опресняется. К недостаткам этого способа, при всех различиях конструкций, является: накопление шлама на мембранах и электродах, и накопление в ионитных мембранах поливалентных ионов, что приводит к отравлению мембран и снижению их электропроводности.  

            Известен способ очистки воды от ионов и устройство для его реализации:

          RU  2425805 C1   C02F1/46;  ВО583С5/00,

являющимся прототипом заявленного изобретения. В нём предлагается подачу воды осуществлять в верхнюю часть цилиндрического сосуда и придачу кругового движения потоку. На воду воздействуют вращающимся электрическим полем напряженностью 2,0±0,6 В/см, придающему дополнительное вращение движению потоку взвешенных частиц и ионам, для выноса их из центральной области цилиндрического сосуда в периферийную, а выдают воду снизу по трем каналам: из центральной области по каналу очищенную, из периферийной области по двум каналам – насыщенную нейтральным осадком, анионитами и катионитами. Недостатком прототипа является сложная конструкция и значительные величины энергозатрат. В предлагаемом изобретении предлагается электроды изолировать, что исключит протекание тока через них, существенно повысится экономичность.

 

            Фильтр состоит из набора металлических пластин покрытых изоляцией. От количества и размера пластин зависит производительность фильтра. Изоляция должна выдерживать напряжение до 100 кВ между пластинами. Пространство между пластинами образует ячейки фильтра. Пластины подключаются поочерёдно к положительному и отрицательному полюсу генератора импульсов, как показано на рисунке фильтра. Генератор подаёт однополярные импульсы высокого напряжения (десятки киловольт) на пластины. Между пластинами протекает электропроводная жидкость, подлежащая фильтрации. Электрический ток между пластинами не протекает, так как пластины покрыты изоляцией. В пространстве между пластинами создаётся пульсирующее электростатическое поле. Под действием этого поля возникает явление электрофореза. Загрязняющие жидкость частицы, в неоднородном электростатическом поле, по разным причинам, приобретают заряды. Наличие заряда заставляет частицу двигаться к пластине, подключенной к электроду противоположного знака, совместно с ионами растворённых солей. Эти частицы оседают на изолирующей поверхности пластин. Под действием потока жидкости они будут двигаться вниз и дальше по каналам. Ионы, и потоки положительно и отрицательно заряженных частиц соединяются внизу за пластинами, и удаляются из ячейки фильтра, как показано на рисунке. Пульсирующее напряжение на пластинах необходимо для того, чтобы загрязняющие частицы и ионы не прилипали “намертво” к изолирующей поверхности пластин.

 

                                      Формула изобретения.

            Способ и устройство для очистки диэлектрических и электропроводных жидкостей путем воздействия электростатического поля, содержащие корпус с размещенными в нем парными разнополюсными электродами, отличается тем, что для повышения надёжности и экономичности, электроды покрыты изоляцией и соединены с полюсами генератора импульсов, а в нижней их части  имеется канал, по которому стекают ионы и заряженные частицы, соединяясь внизу фильтра и удаляясь, а очищенная жидкость проходит посредине между электродами и выходит по отдельному каналу.

 

                                    Аннотация.

    Предлагается способ очистки различных диэлектрических и электропроводных жидкостей в пульсирующем электростатическом поле и устройство такого фильтра.    

                  Автор:       Плахута   Владимир  Васильевич

 

 

       

 

 

Расчёт электростатического  фильтра воды.

   Расчёт ведём для одной пары пластин. Для примера задаём следующие  данные.

     Площадь пластин  -  S =  1 м  кв

     Расстояние между пластинами – d =3 m m = 0,003 m;

     Для упрощения, расчет производим для самой распространённой соли NaCl, c молярной массой  М=58,5 г/моль и эффективной валентностью Z=1.

      При электролизе, в электролитической ячейке на электродах выделяется количество вещества, в граммах определяемое законом Фарадея

                                 m = QM / FZ,      

              где

      F=96 500  кл / моль – постоянная Фарадея;

      Q – заряд на пластинах, для плоского конденсатора определяется из выражения

                Q = её SV / d,

               где

       е=81-диэлектрическая проницаемость воды;

       ё=8,85х10-12      Кл /Вм –диэлектрическая проницаемость вакуума;

        V=100 000 B – пиковое напряжение на пластинах, подводимое от источника высокого напряжения.

Подставив эти величины в формулу Фарадея, получим:

                     m=еёSVM / dFZ =81 x 8,85 x10-12  х 1х 100000x 58,5 / 0,003x 96500x 1=14,5x 10-6   г  = 14,5х 10-3 мг.

     Это вещество не будет выделятся на электродах, а станет оседать на изолирующем покрытии и смываться  движущей водой.

     Если подводимое напряжение будет пульсировать с частотой как в промышленной сети

                                                       f = 50 Гц,

а пластин будет  n = 30,  то в фильтре будет удалятся за время t = 1 час соль в количестве

                                      N = m f n t = 14,5 x 10-3 x 50 x 30 x 3600 =78300 мг / час.

       Среднее содержание солей в природных водах составляет около q = 110 мг/литр.

Следовательно, производительность фильтра размером 1 метр кубический будет равна

                                        G =N / q = 78300 / 110 = 700 л /час.

         Ячейка фильтра представляет собой электролитический конденсатор, ёмкость  которого определяется из выражения:

                                        Cя = Q/ V = еёS/ d = 81 x 8,85 x 10-12    x 1 / 0,003 = 24 x 10-8  Ф = 240нФ.

          С целью уменьшения энергозатрат, схема подключения фильтра  выполнена как колебательный контур. Такая схема изображена на рис.1.

Половина пластин фильтра в количестве 15 шт. образует ёмкость С1, а вторая часть пластин, подключенных параллельно, являются ёмкостью С2. Последовательно С1 включена балластная ёмкость С3 и индуктивность L в виде дросселя низкой частоты. Последовательно С2 включена ёмкость С4  Колебательные контуры работают в противофазе.

      Определим значения ёмкостей

                    С1 = С2 = СЯ  х15 = 240 х 15 =3600 нФ =3,6мкФ

         Выбираем  С3 =С4  = С1 = 3,6 мкФ¡

         Тогда общая ёмкость в каждом контуре будет равна

                  С = (С3 + С1) / С1 х С3  = (3,6 + 3,6) / 3,6 х 3,6  = 0,56 мкФ

         Определим величину индуктивности L из условия наступления электрического резонанса колебательного контура на частоте питающего источника. В нашем случае это промышленная частота f = 50 Гц. Из формулы, определяемой частоту собственных гармонических колебаний контура, найдём индуктивность

                    L = 1/4п п f f C ,    .

            Подставив значения, получим:

            L = 1000000 / 4 x 3,14 x 3,14 x 50 x 50 x 0,56= 18 Гн.

            Фактически дроссель будет работать в режиме трансформатора. Расчет его параметров более сложен, и зависим от свойств среды. Настроить контуры на резонанс можно изменением ёмкости конденсаторов С3 и С4.

             Максимально возможная частота колебаний в контурах будет ограничиваться временем перемещения ионов между пластинами фильтра. Абсолютные скорости ионов (см / сек) в воде при разности потенциалов 1 в / см   равны:  U( Na+) = 4,6 x 0,0001 см / сек х в /см ; U(Cl -) = 6,85 x 0,0001см / сек х в / см. Для иона, имеющего меньшую скорость перемещения, время передвижения от одной пластины к другой будет равно:

          T = d /V x U(Na +) = 0,3 / 100000 x 4,6 x 0,0001 = 6,5 x 0,001 /сек

            Частота питающего контур генератора может быть не более:

         fm = 1/ T = 1/ 6,5 x 0,001 = 154 Гц.

           Приложенная извне э. д. с. в ячейках фильтра вызывает электрофорез.

            Коллоидные частицы менее подвижны чем ионы. Поэтому для их удаления частоту надо понижать. А это снижает производительность фильтра.

          Ширину пластин обозначим буквой  l. Тогда, проходное сечение фильтра будет иметь выражение:

                                  B= d l n = 0,003 x 1 x 30 = 0,09 м. кв = 900 см. кв.

Производительность фильтра

                                                    G = 700 л/ час =11670 см. куб/мин.

Скорость течения воды в фильтре будет равна

                                                     а = G / B = 11670 /900 =13 см/мин.

         Реактивная мощность фильтра определяется из формулы

    Pc = 2 п f C V V= 2 x 3,14 x 50 x 0,36 x 0,000001 x 100000 x 100000 = 1130000 вар =1130 квар.

    Эта величина определяет «запасаемую энергию» конденсатора. Мощность, потребляемая из сети, будет значительно меньше. Для перемещения ионов в первом контуре, она определяется из выражения:

                                          P1I I R

    Для конденсатора выполняется следующее равенство

           Q = I t = I / f = V C1 , откуда находим

             I = V C1 f = 100000 x 3,6 x 0,000001 x 50 = 18 A

     Удельная электропроводность раствора Na Cl  в диапазоне малых концентраций имеет зависимость

                         х = 191q = 191 x 110 =21010 mkCm / м = 0,021 Сm / м.

     Электрическое сопротивление водного раствора между пластинами фильтра

 будет равно

                          R = d / x S 15 = 0,003 / 0,021 x 1 x 15 =0,01 Oм.

     Мощность, расходуемая на перемещение ионов в обоих контурах, будет равна

                            P = 2P1 = 2 I I R = 2 x18 x 18 x  0,01 = 6,5 Вт

        Сила тока в обмотках трансформатора будет примерно такой же, как и протекающий через водный раствор ток.   Активное сопротивление обмоток трансформатора зависит от сечения обмоточного провода и потерь в сердечнике. Ориентировочно можно принять    Rт =2 Ом.  Тогда, мощность теряемая в трансформаторе, будет равна

                   Pт  = 2 I I Rт = 2 х 18 х 18 х 2 = 1296 Вт = 1,3 кВт

          Мощность источника высокого напряжения должна быть

                   Ри = Р + Рт  = 6,5+ 1296 = 1300Вт = 1,3 кВт

          Расход электроэнергии на опреснение одной тонны воды составит

                     W =  1000 Ри / G = 1000 x 1,3 / 700 =1,9 кВт  час.

        В совремённых электродиализных установках расход электроэнергии составляет

 7-13 кВт час на одну тонну опресняемой воды. Это в 5 раз больше, чем в предлагаемом фильтре.  

               Расчет выполнил:    Плахута В. В.

 

                                    Литература

        Болдырев А. И.   Физическая и коллоидная химия.  М., «Высшая школа», 1974.

        Зоммер К.    Аккумулятор знаний по химии. М., «Мир» , 1977.

        Лободюк В. А., Рябошапка К. П., Шулишова О. И.  Справочник по элементарной физике. Киев, «Наукова думка» ,1975.

        Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М., «Наука» , 1977.

        Преображенский В. П.  Теплотехнические измерения и приборы. М., «Энергия» 1978.

 

 

 

 

Опубликовано 11 января 2018 года




© Portalus.ru, возможно немассовое копирование материалов при условии обратной индексируемой гиперссылки на Порталус.
Ваше мнение?