устройство для гашения пены в электрическом поле

Формула изобретения

Устройство для электрического гашения пен, содержащее бак с пенообразующей жидкостью, гаситель с электродом в виде системы острийных элементов и источник питания, отличающееся тем, что гаситель снабжен положительным электродом в виде системы стержней, погруженных в жидкость и установленных с образованием шестиугольных ячеек, острийные элементы выполнены из полупроводникового материала, образуют отрицательный электрод и размещены в центрах ячеек положительного электрода, сторона ячеек a равна длине острийного элемента, при этом расстояние от поверхности пены до верхних концов стержней b и до нижних концов острийных элементов c находятся в соотношении b = 2,73 a, c = 1,73 a, напряжение источника питания не менее 10 - 15 кВ, напряженность поля у поверхности пены (0,4 - 1) 10⁶ В/м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологиям гашения пен, в частности к технологиям электрофизического разрушения пен.

Известны устройства для механического гашения пен [РФ, патенты N 2053289 C 12 M 1/00; N 1811894, B 01 D 19/02], в том числе с помощью струй газа [РФ, патент N 2004303, B 01 D 19/04]. Такие устройства достаточно эффективны и часто применяются. Их недостатком является низкая эффективность при работе с большим количеством вязкой пены с прочными стенками пузырьков, сложности при работе с герметичным оборудованием, большая расходуемая мощность.

Известны устройства для акустического разрушения пен [Boucher R., Weiner A. -Brit. Chem. Eng. ,1963, v.8, N12, p.808-812]. Разрушение в этом случае происходит в результате вибрации пузырьков пены и их разрыва. Эффективно низкочастотное гашение, однако недостатком устройств такого рода является большой уровень акустических помех.

Наконец, известно устройство для разрушения пены посредством вводимого в объем с пеной пучка электронов [а.с. N 1500341, B 01 D 19/02, БИ N 30, 1989] . Недостатком его являются большие потери энергии электронов при переходе в объем пены и невысокая надежность устройств. Однако по совокупности существенных признаков это устройство выбрано нами в качестве прототипа.

Задачей данного изобретения является использование достоинств прототипа, в частности, идеальной чистоты воздействия, управляемости при устранении главных недостатков, перечисленных выше.

Указанная задача решается нами путем использования источника электронов, встроенного в объем, частично заполненный пенообразующей жидкостью. Это достигается тем, что в устройстве для гашения, содержащем бак с пенообразующей жидкостью, гаситель и источник электропитания, гаситель выполнен двухэлектродным, в т. ч. один из электродов, положительный, состоит из системы стержней, частично погруженных в жидкость, и образующих в горизонтальном сечении 6-ти угольную ячейку со стороной a. Второй электрод, отрицательный, состоит из системы острийных элементов, размещенных в центре ячеек положительного электрода, параллельно его стержням. Острийные элементы длиной a выполнены из полупроводящего материала, верхние концы их находятся на одном уровне с верхними концами стержней и на расстоянии 2,73a от поверхности пенящейся жидкости, при этом их нижние концы отстоят от этой жидкости на 1,73a. Данная система электродов питается от высоковольтного источника питания напряжением не менее 10-15 кВ. При этом средняя напряженность поля у поверхности лены выбирается в диапазоне (0,4-1)10⁶ В/м.

Пена представляет собой ячеистую структуру, основной объем которой заполнен воздухом, а роль стенок выполняют пленки пенообразующей жидкости. У высокократных пен толщина пленок жидкости очень мала, и ячейки представляют собой правильные многоугольники. Стабильность пен определяется их способностью сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости из пленок. Стабильность пен характеризуется временем существования определенного объема пены.

Разрушение пен зависит от температуры, давления, влажности и т.п. Механизм разрушения, как правило, определяют тремя моментами: истечением жидкости из стенок, диффузией газа и разрывом пленок.

Из требований к устройствам для гашения пен наиболее существенными являются: высокая эффективность, неизменяемость свойств пенящегося продукта, в том числе нетоксичность воздействия, экономическая эффективность и управляемость.

В предлагаемом изобретении разрушение пены является следствием воздействия объемного разряда, генерируемого между поверхностью пены и электродной системой. Указанное разрушение происходит в результате повышенной испаряемости пенообразующей жидкости в условиях объемного разряда с низкой плотностью тока, истончения пленок жидкости и их последующего разрыва. Повышенная испаряемость жидкости обусловлена дополнительными движениями пограничного слоя у поверхности пены из-за наличия объемных сил электрического происхождения. Эти силы являются результатом того, что приповерхностный слой пара в условиях тихого объемного разряда насыщается объемным зарядом с плотностью до 10¹⁰-10¹¹ см^-3. При наличии электрического поля электродной системы E(0,4-1)10⁶ см³ с учетом внутреннего поля объемного заряда 0,1-0,3E указанные заряды вызывают движение пограничного слоя пара с дрейфовой скоростью до 2-5 м/с. Переносу заряда от электродной системы к слою пара, т. е. току объемного разряда, способствует наличие кислорода воздуха в молекулярном состоянии с образованием определенного количества отрицательных ионов O^-₂.

Электродная система, конструкция которой и является сущностью данного изобретения, предназначена для генерации объемного разряда с малой плотностью тока. Она содержит отрицательный многоострийный электрод с малым радиусом острий, выполненный из полупроводящего материала. Острия этого электрода эмиттируют электроны по принципу автоэмиссии уже при напряжении 10-15 кВ. При радиусе острия 10^-7 м имеем поле на острие (1-1,5)10¹¹ В/м, для расстояния до поверхности пены 0,015-0,03 м получаем среднюю напряженность поля у поверхности пены (5-10)10⁵ В/м. Указанные значения полей вполне достаточны для генерации разряда с плотностью тока (0,5-50)10^-3 А/м². В данном случае генерируется не коронный, а т.н. тихий или темный разряд, в котором практически отсутствует свечение газа, образование озона O₃ и негативные последствия этого.

Устройство работает следующим образом. На фиг. 1а, 1б изображена схема расположения электродной системы в баке 1 с пенящейся жидкостью 2. Здесь 3 - элементы положительного электрода, частично погруженного в жидкость, 4 - элементы острийного катода, размещенные среди элементов положительного электрода и образующие регулярную структуру. Элементы крепления указанных электродов и способ токоподвода к ним на схеме не показаны, т.к. они не являются существенными. В результате работы электрических сил объемного разряда в паровом слое над поверхностью пены (жидкости) образуется система вихревых движений воздуха и пара 5, привязанная к структуре электродов. Благодаря этому и происходит интенсивное испарение пенообразующей жидкости из верхнего слоя пены и разрушение по механизму истончения пленок. Предполагается, что в данной схеме скорость пеногашения превышает скорость генерации пены, поэтому пены как бы нет. Для этого случая показаны вышеприведенные соотношения размеров: b = 2,7За, c = 1,73a. Если уровень пены не должен совпадать с уровнем жидкости, то систему электродов необходимо приподнять до выхода концов положительного электрода из жидкости. Тогда уровень стабилизации пены установится у нижних концов положительного электрода.

Устройство разрушения пен по данному механизму с использованием объемного тихого разряда и предлагаемой конфигурации проверено на водных растворах дидецилсульфата натрия, шампуня "Янтарь", неонола АФ9-12 и показало эффективность достаточно большую даже по сравнению с весьма эффективным механическим гашением. Для верхнего предела плотности тока 5010^-3 А/м² потребляемая мощность в пересчете на 1 м² поверхности пены составляла 20-30 Вт с пенообразователем "Янтарь". Это соответствует (5-7)10^-3 кВтг/м³ пены, что в 1,5-2 раза лучше, чем эффективность пеногашения под действием ультразвукового устройства [В. К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их разрушения. М. : Химия, 1983, стр. 237 -241] и механического при полной управляемости, отсутствии движущихся частей, помех и озона. Дальнейшее увеличение плотности тока увеличивает вероятность перехода разряда в коронный режим и не целесообразно. Уменьшение плотности тока ниже 0,510^-3 А/м² делает эффект гашения малозаметным.