CN212018093U - 一种水中高压脉冲放电破碎装置 - Google Patents

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宋佰鹏
蒋玲
张梦瑶
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温嘉烨
李秋阳
张冠军
王生富
王生杰
张成磊
吴对平
于鑫龙
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Xian Jiaotong University
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一种水中高压脉冲放电破碎装置,涉及高电压放电及应用的技术领域,其结构为:脉冲电源系统的高压端通过导线连接中心导体,中心导体分别穿过屏蔽环、绝缘套管和密封盖至腔体内,中心导体再穿过绝缘支柱与均压环的一端连接,均压环的另一端连接有棒电极,棒电极与固体材料的上端连接,固体材料的下端与网电极连接,网电极通过导线与脉冲电源系统的接地端连接形成回路,网电极下侧设置有收集装置,收集装置在底座内,底座通过紧固螺丝与腔体的底部连接,腔体与密封盖之间通过密封螺栓连接。本实用新型的有益效果:具有操作简单、可重复使用、压力可控等优点,不会产生废水、废液,避免了粉尘污染,减少了对从业人员生命健康危害。

Description

一种水中高压脉冲放电破碎装置
技术领域
本实用新型涉及高电压放电及应用的技术领域,特别是涉及一种水中高压脉冲放电破碎装置。
背景技术
高电场作用下水介质内部产生等离子体放电通道,进而放电回路导通,电源储存的能量短时间内释放,最终形成贯穿性击穿通道,可以产生高达GPa量级的冲击波压力。水中产生冲击波的方法主要分为金属丝爆炸和液电效应等方法。金属丝爆炸是指短时间内高密度电流通过金属丝,发生熔化、气化和放电过程,产生压缩冲击波。但该方法每次放电均需要更换金属丝,操作不方便,且对电源容量要求较高,限制了其适用范围。液电效应以水为放电载体,通过电极间隙击穿放电等离子体膨胀产生冲击波压力,具有操作简单、可重复使用、压力可控等优点,近年来在矿产开采、体外碎石等固体破碎领域应用范围日益扩大。
传统机械破碎方式存在效率较低、产生粉尘、噪音等缺点,水中放电冲击波具有能量密度高、压力幅值大和节能环保等优点,目前基于脉冲功率技术的水中冲击波在国防、医学、矿产开采和油气增透等方面应用越来越广泛。液电效应破碎过程全部在水中完成,不会产生废水、废液(水经过滤后可循环使用),同时还避免了粉尘污染,减少了对从业人员生命健康危害,降低了土壤、大气及水源的环境污染。液电破碎还存在极大的能耗优势,已有研究表面比能量为机械式破碎的2.6倍以上。固体破碎效果与冲击波波波形、幅值和传播特性密切相关,而冲击波参数是由水介电特性、电极结构和电源参数决定的。目前研究表明,水中脉冲放电产生激波的方式存在放电稳定性差的难题,导致了水激波幅值较低、能源转化率低。而目前普遍采用增大放电能量以提高激波强度的办法,无法解决能量利用效率降低、性价比不高等不足,亟需开展深入研究。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,针对水中高压脉冲放电的发生机制及其所产生的冲击波力学效应,用于分析水中高压脉冲放电破碎特性,本实用新型提供一种水中高压脉冲放电破碎装置,其结构为:脉冲电源(1)的高压端通过导线连接中心导体(2),中心导体(2)分别依次穿过屏蔽环(3)、绝缘套管(4)和密封盖(6)至腔体(15)内,中心导体(2)再穿过绝缘支柱(8)与均压环(9)的一端连接,均压环(9)的另一端连接有棒电极(10),棒电极(10)与固体材料(11)上端连接,固体材料(11)下端与网电极(13)连接,固体材料(11)内设置有放电通道(12),网电极(13)通过导线与脉冲电源(1)的接地端连接形成回路,网电极(13)下侧设置有收集装置(14),所述收集装置(14)在底座(17)内,底座(17)通过紧固螺丝(16)与腔体(15)的底部连接,所述腔体(15)与密封盖(6)之间通过密封螺栓(7)连接,密封盖(6)上一端设置有进水装置(51),另一端设置有出水装置(52)。
进一步地,所述脉冲电源(1)可产生单次、重频的脉冲电压信号,脉冲极性、幅值、上升沿、脉冲宽度和重频次数可调。
进一步地,所述棒电极(10)和网电极(13)用于水中形成放电通道(12)产生冲击波,棒电极(10)和网电极(13)之间的间距及网电极(13)的网孔尺寸根据试验需求可调节更换。
进一步地,所述腔体(15)是圆柱型结构,腔体(15)内装满水介质,进水装置(51)和出水装置(52)用于更换反应腔体的水介质,所述腔体(15)用于水中放电反应的承压容器,承压1MPa维持1min以上。
本实用新型的原理及使用方法:1、选取固体材料(11),确定其尺寸和安放位置,调节高压棒电极(10)和接地网电极(13)间距,通过进出水装置(51)和(52)将腔体(15)装满水;2、将脉冲电源(1)高压端与中心导体(2)、接地端与接地电极(13)相连。脉冲电源(1)根据试验需要选取合适的电阻R和电容C元件参数,调节球隙G间距。启动脉冲电源(1),脉冲高压加载在高压棒电极(10)和接地网电极(13)之间,形成放电通道(12),进而产生冲击波;3、改变施加的脉冲电压幅值和次数,研究不同参数时冲击波破碎效果。破碎产物沉积在收集装置(14),通过测量破碎产物的粒径、重量和成分进而分析获得冲击波能耗;4、改变高压棒电极(10)和接地网电极(13)参数和脉冲电源(1)的参数,重复上述步骤,获得最优化的破碎参数。
本实用新型的有益效果在于:具有操作简单、可重复使用、压力可控等优点,不会产生废水、废液(水经过滤后可循环使用),同时还避免了粉尘污染,减少了对从业人员生命健康危害,降低了土壤、大气及水源的环境污染,还存在极大的能耗优势。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图;
图中:1、脉冲电源;2、中心导体;3、屏蔽环;4、绝缘套管;51、进水装置;52、出水装置;6、密封盖;7、密封螺栓;8、绝缘支柱;9、均压环;10、棒电极;11、固体材料;12、放电通道(示意);13、网电极;14、收集装置;15、腔体;16、紧固螺丝;17、底座。
具体实施方式
实施例1,如图1所示,本实用新型提供一种水中高压脉冲放电破碎装置,其结构为:脉冲电源1的高压端通过导线连接中心导体2,中心导体2分别依次穿过屏蔽环3、绝缘套管4和密封盖6至腔体15内,中心导体2再穿过绝缘支柱8与均压环9的一端连接,均压环9的另一端连接有棒电极10,棒电极10与固体材料11上端连接,固体材料11下端与网电极13连接,固体材料11内设置有放电通道12,网电极13通过导线与脉冲电源1的接地端连接形成回路,网电极13下侧设置有收集装置14,所述收集装置14在底座17内,底座17通过紧固螺丝16与腔体15的底部连接,所述腔体15与密封盖6之间通过密封螺栓7连接,密封盖6上一端设置有进水装置51,另一端设置有出水装置52。
进一步地,高压脉冲电源1,如图1虚线框内所示,包括初级调压器T、电阻R、触发球隙G(带有光电出发模块)和电容器C。根据试验电压的极性、幅值、上升沿、脉冲宽度和重频参数选取合适的电阻R、触发球隙G和电容器C元件。输出脉冲极性为正极性和负极性,幅值为-200~200kV,上升沿时间为ns~ms量级,脉冲宽度为ns~ms量级,重复频率为1Hz~100Hz,输出电流峰值为kA量级。
进一步地,中心导体2、屏蔽环3、绝缘套管4和出水装置51、52位于密封盖6上端。其中中心导体2采用金属铜材料,直径5mm,与脉冲电源1、屏蔽环3和均压环9相连,贯穿绝缘套管4和绝缘支柱8,亲密切合且无缝隙。屏蔽环3为圆柱形结构,材料为金属铜,直径80mm,高度10mm,与绝缘套管4紧密接触。绝缘套管4为聚四氟乙烯材料,外径100mm,高度500mm,与密封盖6螺纹连接。
进一步地,棒网电极包括高压棒电极10和接地网电极13,其中高压棒电极10为金属钨电极,直径8mm,具有耐电弧烧蚀的优点。均压环9为圆柱形结构,采用金属铜材料,直径80mm,高度10mm,与高压棒电极10相连。接地网电极13为不锈钢材料,网孔尺寸为0.5mm~10mm,根据试验所需破碎颗粒物尺寸选取的网孔尺寸。高压棒电极10和接地网电极13间距为20mm~50mm,根据试验需求和固体材料11尺寸选取。固体材料11位于高压棒电极10和接地网电极13之间,根据试验需要确定固体材料11的材质和尺寸。高压棒电极10和接地网电极13放电通道如12所示。放电后,冲击波破碎固体材料11,产生不同尺寸的破碎产物,其中直径小于接地网电极13网孔直径的破碎产物,进入收集装置14。
进一步地,进出水装置51和52位于密封盖6上端,其中51为进水口,52为出水口,均带有阀门,控制关闭。出水装置51和52管道直径为6mm。
进一步地,反应腔体由密封盖6、收集装置14、腔体15、紧固螺丝16和底座17组成。密封盖6直径φ250mm,厚度10mm,采用尼龙材料。腔体15直径200mm,高度200mm,采用尼龙材料。收集装置14为圆柱形凹槽,直径80mm,深度50mm。腔体15和底座17通过紧固螺丝16连接,可拆卸。底座17为不锈钢金属,高度80mm。
以上所述的水中高压脉冲放电破碎装置的试验包括以下步骤:
(1)选取固体材料11,确定其尺寸和安放位置,调节高压棒电极10和接地网电极13间距,通过进出水装置51和52将腔体15装满水。
(2)将脉冲电源1高压端与中心导体2、接地端与接地电极13相连。根据试验需要选取合适的电阻R和电容C元件参数,调节球隙G间距。启动脉冲电源,脉冲高压加载在高压棒电极10和接地网电极13之间,形成放电通道,进而产生冲击波。
(3)改变施加的脉冲电压幅值和次数,研究不同参数时冲击波破碎效果。破碎产物沉积在收集装置14,通过测量破碎产物的粒径、重量和成分进而分析获得冲击波能耗。
(4)改变高压棒电极10和接地网电极13参数和脉冲电源1参数,重复上述步骤,获得最优化的破碎参数。
以上的仅为本实用新型的较佳示例,不能以此来限定本实用新型之权利范围,因此依本实用新型申请专利范围所做的等效变化,仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种水中高压脉冲放电破碎装置,其特征在于:脉冲电源(1)的高压端通过导线连接中心导体(2),中心导体(2)分别依次穿过屏蔽环(3)、绝缘套管(4)和密封盖(6)至腔体(15)内,中心导体(2)再穿过绝缘支柱(8)与均压环(9)的一端连接,均压环(9)的另一端连接有棒电极(10),棒电极(10)与固体材料(11)的上端连接,固体材料(11)的下端与网电极(13)连接,固体材料(11)内设置有放电通道(12),网电极(13)通过导线与脉冲电源(1)的接地端连接形成回路,网电极(13)下侧设置有收集装置(14),所述收集装置(14)在底座(17)内,底座(17)通过紧固螺丝(16)与腔体(15)的底部连接,所述腔体(15)与密封盖(6)之间通过密封螺栓(7)连接,密封盖(6)上一端设置有进水装置(51),另一端设置有出水装置(52)。
2.根据权利要求1所述的一种水中高压脉冲放电破碎装置,其特征在于:所述脉冲电源(1)可产生单次、重频的脉冲电压信号,脉冲极性、幅值、上升沿、脉冲宽度和重频次数可调。
3.根据权利要求1所述的一种水中高压脉冲放电破碎装置,其特征在于:所述棒电极(10)和网电极(13)用于水中形成放电通道(12)产生冲击波,棒电极(10)和网电极(13)之间的间距及网电极(13)的网孔尺寸根据试验需求可调节更换。
4.根据权利要求1所述的一种水中高压脉冲放电破碎装置,其特征在于:所述腔体(15)是圆柱型结构,腔体(15)内装满水介质,进水装置(51)和出水装置(52)用于更换反应腔体的水介质,所述腔体(15)用于水中放电反应的承压容器,承压1MPa维持1min以上。
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