CN108112152A - 一种温控水中大体积放电产生装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可温控水中大体积放电产生装置及其方法，包括水中放电产生装置和流体循环温控系统；水中放电产生装置包括实验腔体、实验电极、高压套管和电极调节装置，高压套管下端与实验腔体上端连接，实验电极设置于实验腔体内部，通过电极调节装置自由调节电极在腔体中的位置；液体循环温控系统包括循环管道、循环泵、温控器以及溶剂瓶，液体循环温控系统通过循环管道与实验腔体液体进口、液体出口连接，用于加热液体至不同温度并向腔体中水里添加指定浓度溶剂；本发明可进行脉冲高压下，不同温度、不同压力、不同溶剂浓度以及不同电场分布下的水中放电产生实验，为产生水中大体积放电提供实验平台及其方法。

Description

一种温控水中大体积放电产生装置及其方法

技术领域

本发明属于液体放电等离子体产生研究技术领域，具体涉及一种温控水中大体积放电产生装置及其方法。

背景技术

水是人类赖以生存和发展的最重要资源之一。随着现代化学工业的不断发展，通过各种途径进入水体中的化学合成有机物的数量和种类急剧增加，对水环境造成了严重的污染。尤为突出的是，城市污水处理厂作为医院污水、社区污水等的汇集地，是各种抗性菌来源集中的场所，污水中的抗性菌问题日渐显现。含有抗性菌的城市污水处理出水回用或直接排放，会增加公共人群的病原微生物感染风险。众多研究表明，生物难于处理的污染物通常具有相应的化学稳定性，难以被常见氧化剂完全氧化，这要求所采用化学氧化剂必须具有足够的氧化能力彻底破坏有机物。随着近年来放电等离子体技术的快速发展，人们发现等离子体中富含电子、离子、激发态原子和分子以及自由基等多种放电产物，具有较高的化学活性，在污染物处理和灭菌消毒方面具有高效、彻底、无选择性等优势。

目前已证实水中放电等离子体产生过程中的物理、化学等反应可应用在降解污染物上并取得较高效率，水中放电等离子过程生成的氧自由基具有强氧化性，可无选择性的氧化水中污染物和细菌，这一独特优势开拓了水污染处理、溶液灭菌应用新领域。国内外不少研究对水中放电产生的活性物质进行了报道，并且研究了水中放电过程对不同污染物的降解效果。

水中放电产生方法是实现各种应用的前提与基础。许多研究针对放电反应器中产生等离子体的方法进行了探索，目前存在的问题是，不同放电反应器的杀菌效率和能量效率差异较大。另外，由于整个水中放电对电场强度的要求很高，从而导致反应器的体积偏小，大多只有数十到数百毫升，如何产生水中大体积放电是目前的研究热点之一。因此，对于水中放电产生的研究有必要结合电学、光学等多种检测手段，考虑不同实际因素对水中放电产生的影响，如电场分布、温度、压力、水中添加不同溶剂等，进一步研究水中产生大体积、高效率放电的方法，实现水中放电在污染物降解、灭菌等领域中更好的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种温控水中大体积放电产生装置及其方法，可进行脉冲高压下，不同温度、不同压力、不同溶剂浓度以及不同电场分布下的水中放电产生实验，为产生水中大体积放电提供实验平台及其方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种温控水中大体积放电产生装置，包括水中放电产生装置、液体循环温控系统、示波器、光学相机、高压脉冲电源和电容分压器；其中，

水中放电产生装置包括实验腔体、实验电极和电极调节装置；实验腔体的侧面上设置有观察窗，实验腔体的顶部设置有高压套管、液体进口和进/出气口，进/出气口用于对该实验腔体抽真空和充入惰性气体，实验腔体的底部设置有液体出口；液体循环温控系统设置在液体进口与液体出口之间；

实验电极包括设置在实验腔体内的地电极和高压电极，电极调节装置设置在实验腔体内，用于调节地电极在实验腔体内的位置，地电极与实验腔体外壳连接，实验腔体上设置有放电电流引出端子，并通过电流传感器与示波器连接，以获取液体放电的电流波形；

光学相机设置在实验腔体的观察窗处，与示波器连接；

高压脉冲电源的两端并联有电容分压器，其输出端通过高压套管内的金属导杆伸入至实验腔体内，并与高压电极连接，且电容分压器接地。

本发明进一步的改进在于，实验腔体的侧面上设置有腔体门。

本发明进一步的改进在于，实验腔体的顶部还设置有气压计和安全阀。

本发明进一步的改进在于，实验腔体的耐受压力为10atm，实验腔体的外壁上还涂有绝热材料，用于维持实验腔体内部液体温度恒定。

本发明进一步的改进在于，实验电极的结构形式为棒筒电极、球筒电极以及多针-板电极，其中，高压电极选用棒电极、球电极或多针电极，地电极选用筒电极或板电极，棒电极和筒电极表面涂覆一层硅橡胶，多针电极包括金属圆形底板以及均匀设置在该金属圆形底板上的七根针，相邻两根针间距1cm，排列呈正方形分布，每根针的直径为0.2mm。

本发明进一步的改进在于，电极调节装置包括金属滑轨以及设置在金属滑轨上并能够沿其移动的L形金属连接杆，地电极设置在该L形金属连接杆上，地电极和高压电极之间距离调节范围为0～150mm。

本发明进一步的改进在于，高压脉冲电源与电容分压器并联后的输出电路上设置有限流电阻，电容分压器分压端子还连接有电压测量装置连接。

本发明进一步的改进在于，液体循环温控系统包括连通在液体进口与液体出口之间的循环管道以及设置在该循环管道上的溶剂瓶、温控器和循环泵。

本发明进一步的改进在于，温控器包括制冷系统、制热系统和温度传感器，能够使得水温在15℃-80℃可调，温度调节误差为0.1℃。

一种温控水中大体积放电产生方法，该方法基于上述一种温控水中大体积放电产生装置，包括以下步骤：

1)调节实验腔体内部电极结构与距离，并接入高压脉冲电源中，保证装置接地可靠；

2)调节进/出气口使真空泵与实验腔体连接，将实验腔体抽真空；

3)用橡胶管道将液体进口与盛水容器连接，打开液体进口，使水进入实验腔体；

4)将液体循环控温系统与液体进口和液体出口连接，调节实验腔体中水温并使特定溶液进入水中混合，温度稳定后关闭液体循环控温系统；

5)调节进/出气口使真空泵与惰性气体气瓶连接，向实验腔体中充入惰性气体，实验腔体中压力达到指定值后关闭进/出气口；

6)开启高压脉冲电源，使高压电极和地电极间产生放电；

7)用光学相机拍摄放电发展过程照片，并用电流传感器采集放电过程电流，通过示波器显示液体放电的电流波形。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、实验腔体中设置电极调节装置，可调节高压电极和地电极间距改变电极间电场强度，高压电极包括棒电极、球电极或多针电极，更换高压电极结构可改变电极间电场分布，可研究不同当场分布对水中产生大体积放电的影响，将液体循环温控系统和水中放电产生装置组合，可保证腔体内水温实时可调，从而研究温度对水中产生放电体积的影响，也可进行不同种类和浓度溶剂、不同压力对水中放电影响的研究，与同类液体放电装置相比，本装置为水中大体积放电影响因素放电研究提供了电场分布、温度、溶剂种类浓度、压力可调的实验平台及其方法，利用本发明进行液体大体积放电产生研究具有较高的科学研究价值。

2、实验腔体观察窗处设置有光学相机，与示波器连接，以获取水中放电时的光学图像，实验腔体上设置有放电电流引出端子，并通过电流传感器与示波器连接，以获取液体放电的电流波形，可同时获取水中放电过程中电气参量和光学图像，从而对水中放电效果进行有效评估。

3、实验腔体的外壁上涂有绝热材料，保证实验腔体内部液体热量散失较小，确保循环温控系统精确调节水温。

4、采用所述实验方法进行实验可同时研究电场分布及强度、温度、各类溶剂浓度、压力对水中产生大体积放电的综合影响，能够有效提高实验效率，对大体积放电产生最优条件研究具有较高研究参考价值。

附图说明

图1为本发明实施例中温控水中大体积放电产生装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中多针-板电极示意图。

图3为图2的侧视图。

图4为本发明实施例中高压脉冲试验电路示意图。

图5为本发明实施例中的水中大体积放电实例图。

图中：1-实验腔体，2-绝热材料，3-高压套管，4-腔体门，5-金属导杆，6-高压电极，7-地电极，8-L形金属连接杆，9-液体出口，10-金属滑轨，11-观察窗，12-循环管道，13-液体进口，14-进/出气口，15-气压计，16-安全阀，17-溶剂瓶，18-温控器，19-循环泵，20-放电电流引出端子，21-电流传感器，22-示波器，23-光学相机，24-高压脉冲电源，25-电容分压器，26-限流电阻，27-电压测量装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1至图4，本发明提供的一种温控水中大体积放电产生装置，包括水中放电产生装置和液体循环温控系统，温控水中大体积放电产生装置通过高压脉冲试验电路接入电源；其中

所述水中放电产生装置包括实验腔体1、实验电极、高压套管3和电极调节装置，实验腔体外部涂覆一层绝热材料2维持腔体内部液体温度恒定，实验腔体前面设置观察窗11，使用光学相机23通过观察窗可进行水中放电光学观测，实验电极设置于实验腔体内部，实验电极分为高压电极6和地电极7，高压套管下端与实验腔体顶端连接，套管内金属导杆5进入实验腔体与实验高压电极连接，实验地电极通过电极调节装置自由在腔体中的位置，整个实验腔体具有良好气密性，可耐受压力为10atm，实验腔体设置液体进口13、液体出口9、进/出气口14、气压计15、安全阀16及腔体门4，其中进/出气口与真空泵和惰性气体气瓶连接，液体进口和液体出口与液体循环温控系统连接；

液体循环温控系统包括循环管道12、循环泵19、温控器18以及溶剂瓶17，循环泵、温控器以及溶剂瓶通过循环管道与腔体液体进、出口连接，能够监控并调节液体至不同温度，并向液体中添加特定溶剂并保证腔体中液体的温度及溶剂分布均匀；

进一步地，所述高压套管为聚四氟乙烯压铸的高压套管，可耐受最高150kV工频电压，320kV雷电冲击电压。

进一步地，所述实验电极结构可为棒筒电极、球筒电极以及多针-板电极，其中高压电极分别为棒电极、球电极和多针电极，地电极可为筒电极或板电极，实验时可根据不同需求选取不同电极，分别研究不同电场分布下水中放电的产生情况。

进一步地，所述多针电极具体结构为七根针与金属圆形底板连接，每两根针间距1cm，七针阵列呈六角形分布，所用针尖直径统一为0.2mm。

进一步地，所述电极调节装置包括金属滑轨10和L形金属连接杆8，金属滑轨居中固定在腔体底部，滑轨滑块通过螺纹与金属伸缩杆连接，L形金属连接杆通过螺纹与地电极连接，移动导轨滑块可带动地电极前后移动，调节高压电极与地电极之间距离，电极可移动距离为150mm。

进一步地，所述实验腔体采用不锈钢密闭腔体，外侧涂覆一层绝热材料，维持腔体内部液体温度恒定，腔体内壁刷涂一层环氧树脂，增加电气绝缘距离。

进一步地，所述实验腔体设置一腔体门，腔体注水前可打开腔体门进行电极更换和电极间距调节。

进一步地，所述温控器包括制冷系统、制热系统和温度传感器，使水温在15℃-80℃任意可调，温度调节误差为0.1℃。

进一步地，所述气压计监测腔体内部气压范围为0.1kpa-1.5Mpa可调，测量精度为0.1kPa，安全阀开启压力为1.5MPa。

进一步地，所述液体进口、进/出气口、气压计、安全阀位于腔体上部左侧，液体出口位于腔体下部左侧，腔体门位于腔体后面，其中进/出气口与真空泵和气瓶连接，液体进口和液体出口与液体循环系统连接，所有外部连接口处均设置有球阀以保证腔体气密性，其中进/出气口设置三通球阀，液体进口、液体出口设置二片式球阀。

进一步地，所述的腔体地电极与腔体金属外壳连接，腔体设置有放电电流引出端子20，与电流传感器21及示波器22连接获取液体放电的电流波形。

使用以上所述的温控水中大体积放电产生装置的试验方法，包括以下步骤：

1)打开腔体门，调节腔体内部电极结构与距离，将本装置接入相应脉冲高压试验电路中，保证装置接地可靠；

2)关闭腔体门，调节进/出气口三通球阀使真空泵与实验腔体连接，将腔体抽真空，连续抽真空20min；

3)用橡胶管道将液体入口与盛水容器连接，打开液体入口容器，通过大气压将水压入实验腔体；

4)向溶剂瓶中添加KCl溶液，将液体循环控温系统与腔体液体入口和液体出口连接，打开液体循环泵，调节腔体中水温并使特定溶剂进入水中混合，温度稳定后关闭系统；

5)调节进/出气口三通球阀使真空泵与惰性气体气瓶连接，向腔体中充入惰性气体，腔体中压力达到指定值后关闭球阀；

6)开启高压脉冲电源，使高压电极和地电极间产生放电，进行特定温度、压力、电场分布及溶剂浓度下的水中放电实验；

7)用光学相机拍摄放电发展过程照片并用电流传感器采集放电过程电流。

进一步地，所述脉冲高压试验电路包括高压脉冲电源24、电容分压器25、限流电阻26和电压测量装置27，高压脉冲电源输出为0～200kV高压脉冲电压，高压脉冲电源输出端通过限流电阻与电容分压器上端连接，电容分压器下端接地，电容分压器分压端子与电压测量装置连接。

以上的仅为本发明的交佳示例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所做的等效变化，仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，包括水中放电产生装置、液体循环温控系统、示波器(22)、光学相机(23)、高压脉冲电源(24)和电容分压器(25)；其中，

水中放电产生装置包括实验腔体(1)、实验电极和电极调节装置；实验腔体(1)的侧面上设置有观察窗(11)，实验腔体(1)的顶部设置有高压套管(3)、液体进口(13)和进/出气口(14)，进/出气口(14)用于对该实验腔体(1)抽真空和充入惰性气体，实验腔体(1)的底部设置有液体出口(9)；液体循环温控系统设置在液体进口(13)与液体出口(9)之间；

实验电极包括设置在实验腔体(1)内的地电极(7)和高压电极(6)，电极调节装置设置在实验腔体(1)内，用于调节地电极(7)在实验腔体(1)内的位置，地电极(7)与实验腔体(1)外壳连接，实验腔体(1)上设置有放电电流引出端子(20)，并通过电流传感器(21)与示波器(22)连接，以获取液体放电的电流波形；

光学相机(23)设置在实验腔体(1)的观察窗(11)处，与示波器(22)连接；

高压脉冲电源(24)的两端并联有电容分压器(25)，其输出端通过高压套管(3)内的金属导杆(5)伸入至实验腔体(1)内，并与高压电极(6)连接，且电容分压器(21)接地。

2.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，实验腔体(1)的侧面上设置有腔体门(4)。

3.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，实验腔体(1)的顶部还设置有气压计(15)和安全阀(16)。

4.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，实验腔体(1)的耐受压力为10atm，实验腔体(1)的外壁上还涂有绝热材料(2)，用于维持实验腔体(1)内部液体温度恒定。

5.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，实验电极的结构形式为棒筒电极、球筒电极以及多针-板电极，其中，高压电极(6)选用棒电极、球电极或多针电极，地电极(7)选用筒电极或板电极，棒电极和筒电极表面涂覆一层硅橡胶，多针电极包括金属圆形底板以及均匀设置在该金属圆形底板上的七根针，相邻两根针间距1cm，排列呈正方形分布，每根针的直径为0.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，电极调节装置包括金属滑轨(10)以及设置在金属滑轨(10)上并能够沿其移动的L形金属连接杆(2)，地电极(7)设置在该L形金属连接杆(2)上，地电极(7)和高压电极(6)之间距离调节范围为0～150mm。

7.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，高压脉冲电源(24)与电容分压器(25)并联后的输出电路上设置有限流电阻(26)，电容分压器分压端子还连接有电压测量装置(27)连接。

8.根据权利要求1所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，液体循环温控系统包括连通在液体进口(13)与液体出口(9)之间的循环管道(12)以及设置在该循环管道(12)上的溶剂瓶(17)、温控器(18)和循环泵(19)。

9.根据权利要求8所述的一种温控水中大体积放电产生装置，其特征在于，温控器包括制冷系统、制热系统和温度传感器，能够使得水温在15℃-80℃可调，温度调节误差为0.1℃。

10.一种温控水中大体积放电产生方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至9中任一项所述的一种温控水中大体积放电产生装置，包括以下步骤：

1)调节实验腔体(1)内部电极结构与距离，并接入高压脉冲电源(24)中，保证装置接地可靠；

2)调节进/出气口(14)使真空泵与实验腔体(1)连接，将实验腔体(1)抽真空；

3)用橡胶管道将液体进口(13)与盛水容器连接，打开液体进口(13)，使水进入实验腔体(1)；

4)将液体循环控温系统与液体进口(13)和液体出口(9)连接，调节实验腔体(1)中水温并使特定溶液进入水中混合，温度稳定后关闭液体循环控温系统；

5)调节进/出气口(14)使真空泵与惰性气体气瓶连接，向实验腔体(1)中充入惰性气体，实验腔体(1)中压力达到指定值后关闭进/出气口(14)；

6)开启高压脉冲电源(24)，使高压电极(6)和地电极(7)间产生放电；

7)用光学相机(23)拍摄放电发展过程照片，并用电流传感器(21)采集放电过程电流，通过示波器(22)显示液体放电的电流波形。