CN212018093U - 一种水中高压脉冲放电破碎装置 - Google Patents
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Abstract
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
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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Cited By (2)
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| CN110721793A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-01-24 | 国网青海省电力公司电力科学研究院 | 一种水中高压脉冲放电破碎装置 |
| CN114433330A (zh) * | 2022-02-08 | 2022-05-06 | 西安交通大学 | 一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法 |
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2019
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