CZ2011728A3

CZ2011728A3 - Akustický rezonátor kombinovaný s elektrickými výboji

Info

Publication number: CZ2011728A3
Application number: CZ20110728A
Authority: CZ
Inventors: Bálek@Rudolf
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-01-09
Also published as: CZ303615B6

Abstract

Akustický rezonátor kombinovaný s elektrickými výboji je tvoren válcovou výbojovou komorou (10) s prívodem (8) zpracovávaného plynu, uzemnenou drátovou elektrodou (3) zaústenou do výbojové komory (10) a spojenou s jedním potenciálem a vícejehlovou elektrodou (4) tvorenou soustavou jehel spojených s opacným potenciálem. Do výbojové komory (10) je z jedné strany zaústen zdroj (7) akustických vln a z druhé strany posuvný reflektor (2) s otvorem (1) pro odvod zpracovávaného plynu a s posuvným mechanismem (11) pro libovolné nastavení jeho polohy po celé délce výbojové komory (10). Stred vícejehlové elektrody (4) je umísten ve výbojové komore (10) ve vzdálenosti (.lambda./4) od posuvného reflektoru (2). Vsechny tyto jehly jsou elektricky vodive pripojeny pres spolecný odpor (5) s vysokonapetovým zdrojem (6). Drátová elektroda (3) je elektricky spojená se zemním vodicem vne výbojové komory (10) a je tvorena vodicem kruhového prurezu umísteným v ose válcové výbojové komory (10) rezonátoru, jehoz stred lezí proti stredu vícejehlové elektrody (4). Délka vodice v ose válcové výbojové komory (10) je vetsí nez dvojnásobek sírky vícejehlové elektrody (4) a jeho prumer je alespon desetkrát mensí nez vnitrní prumer válcové výbojové komory (10).

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení ve kterém dochází k interakci výkonového akustického pole s elektrickými výboji. Zařízení je určeno pro environmentální aplikace jako generace ozónu, rozklad oxidů dusíku, a dekompozice těkavých uhlovodíků.

Dosavadní stav techniky

Environmentální aplikace např. generace ozónu, rozklad oxidů dusíku případně dekompozice těkavých uhlovodíků jsou založeny na využití chemických reakcí. Reakční rychlosti těchto reakcí závisí na teplotě, koncentraci a míšení reakčních komponent, přítomnosti katalyzátorů a tlaku. Kromě toho lze reakční rychlosti ovlivnit ionizací komponent do reakcí vstupujících. Ionizace lze nejjednodušeji dosáhnout elektrickými výboji do kterých se komponenty/reagenty přivedou.

Pro praktické aplikace je vhodné výboj provozovat v co největších objemech při dosažení maximální dodané energie, čehož lze dosáhnout použitím viceelektrodových výbojů. S tím souvisí otázka řešení termální stability výboje. K udržení vhodné teploty výboje a výbojových elektrod se často používá chlazení proudícím plynem. Chladící plyn však ředí plyn zpracovávaný, čímž dochází k poklesu účinnosti uvedených procesů.

Je známé řešení podle patentu CZ 295687, kde se výkonovým ultrazvukem buzeným pístovým měničem podstatně zvyšuje generace ozónu elektrickým výbojem, který hoň mezi jehlou/tryskou a kmitající rovinou ultrazvukového měniče a dochází k částečnému chlazení a stabilizaci výboje. Podstatnou nevýhodou je nutnost použití nákladného ultrazvukového generátoru a nízká účinnost přenosu ultrazvuku z měniče do vzduchu.

• 2 Pro zvětšení objemu výboje se nejčastěji používá víceelektrodové uspořádání např. soustava elektrod/jehel připojených k jedné polaritě napětí proti vodivé rovině spojené s polaritou opačnou. Nevýhodou je, že každá z elektrod/jehel musí mít svůj předřadný odpor abychom alespoň částečně vyloučili hoření výboje pouze z jedné jehly, jak by tomu bylo, kdyby všechny jehly byly na stejném potenciálu. To značně komplikuje konstrukci zařízení zejména z hlediska elektrické isolace přívodů k jednotlivým jehlám a z hlediska velkých rozměrů předřadných vysokonapěťových odporů.

Objem výboje z jedné jehly lze rozšířit vhodnou aplikaci akustických vln. Je známo např. rozšířeni výboje typu vícejehlová elektroda - rovinná elektroda, při umístění jehel do roviny kolmé k uzlu akustického tlaku v akustickém rezonátoru uvedené v patentu CZ 301 823. Toto uspořádání je tvořeno komorou realizovanou elektricky nevodivou trubici, zdrojem akustických vln, a pohyblivým reflektorem. Ve vzdálenosti jedné čtvrtiny vlnové délky akustického vlnění (Λ/4) od reflektoru, tedy v uzlu akustického tlaku, je umístěn systém elektrod pro vytvoření výbojů, sestávající z uzemněné rovinné vodivé elektrody, například tvořené terčem o takovém průměru, aby se vzhledem k rozšíření výboje choval jako rovinná elektroda, a z řady jehlových elektrod od terče přibližně stejně vzdálených, které mohou být na kladném nebo na záporném potenciálu vůči elektrodě rovinné. Elektrody jsou uspořádány symetricky v řadě, v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku. Jehly jsou společně připojeny ke zdroji vysokého napětí přes jediný společný předřadný odpor. Zpracovávaný plyn je vhodné přivádět do výbojového prostoru a jímat otvorem v reflektoru. V tomto provedení popisovaná rovinná elektroda neumožňuje symetrické a vydatné zaplnění vnitřního prostoru zejména u válcových rezonátorů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje akustický rezonátor kombinovaný s elektrickými výboji podle předkládaného uspořádání. Zařízení je tvořeno výbojovou komorou realizovanou elektricky nevodivou trubicí opatřenou vstupem a výstupem zpracovávaného plynu, uzemněnou vodivou elektrodou zaústěnou do výbojové komory a spojenou s jedním potenciálem a vícejehlovou elektrodou tvořenou soustavou jehel spojených s opačným potenciálem. Do výbojové komory je z jedné . 3 · strany zaústěn zdroj akustických vln a z druhé strany posuvný reflektor, který má ve svém středu otvor pro odvod zpracovávaného plynu a který je spojen s posuvným mechanismem pro libovolné nastavení jeho polohy po celé délce komory. Střed vícejehlové elektrody je umístěn ve výbojové komoře ve vzdálenosti Λ/4 od posuvného reflektoru, tedy v uzlu akustického tlaku. Všechny tyto jehly jsou elektricky vodivě připojeny přes společný odpor s vysokonapěťovým zdrojem. Podstatou nového řešení je, že výbojová komora je válcová a uzemněná vodivá elektroda je drátová elektroda elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory. Tato drátová elektroda je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným v ose válcové výbojové komory rezonátoru, jehož střed leží proti středu vícejehlové elektrody. Délka vodiče drátové elektrody v ose válcové výbojové komory je větší než dvojnásobek šířky vícejehlové elektrody a jeho průměr je alespoň desetkrát menši než vnitřní průměr válcové výbojové komory. To znamená, že drátová elektroda má mít co nejmenší průměr, aby co nejméně ovlivňovala akustický rezonátor a vyhovovala požadavkům na proudovou hustotu vytvářenou výboji. Rovněž tak je v tomto případě vhodné, je-li délka drátové elektrody alespoň 2 krát větší než šířka vícejehlové elektrody, aby nedocházelo k ovlivnění výboje elektrickými přívody drátové elektrody.

Ve výhodném provedení je kolem obvodu válcové komory válcového rezonátoru symetricky k rovině uzlu akustického tlaku umístěn libovolný počet dalších vícejehlových elektrod, jejichž hroty mají stejnou vzdálenost k uzemněné drátové elektrodě.

Mechanismus stabilizace výboje spočívá v homogenizaci prostředí výbojového prostoru akustickým polem. Podílí se na ní jak akustická výchylka, kterou jsou částice prostředí posouvány s periodou akustické vlny napříč rovině uzlu akustického tlaku, tak změny tlaku projevující se periodicky měnícím se zředěním a zhuštěním antisymetricky v obou poloprostorech položených vůči rovině uzlu, ve které se zachovává atmosférický tlak. K rozšířeni výboje dochází v rovině jehel vícejehlové elektrody. Ionizované prostředí ve kterém proběhne první výboj se dostane do výbojových prostorů ostatních elektrod, výboj se rozšiřuje a dochází ke stabilizaci všech výbojů.

• « « * . · · v · a * « * • » · - * * *

Velmi výhodné je, že akustické vlnění tohoto uspořádání stabilizuje výboje tak, že hoří ze všech jehel, zároveň chladí výbojové elektrody a neředí zpracovávaný plyn.

Kombinací použití vhodně uspořádaných stojatých akustických vln v rezonátoru a elektrického výboje lze takto dosáhnout synergetického jevu spojeného se stabilizaci viceelektrodového výboje, který přináší nové perspektivy pro řadu výše uvedených praktických aplikací a řeší uvedené nedostatky.

Objasnění výkresů

Přiklad uspořádáni zařízení pro stabilizaci výbojů ze záporné 3-jehlové elektrody vůči uzemněné drátové elektrodě za atmosférického tlaku v rezonátoru je schématicky naznačen na Obr. 1.

V Obr. 2a, 2b a 2c jsou ukázány snímky výbojů mezi 3-jehlovou elektrodou a drátovou elektrodou umístěnou v ose rezonátoru v závislosti na zvyšujícím se akustickém tlaku P při frekvenci 500 Hz a konstantním stejnosměrném napětí U_s = 25 kV.

Přiklad uspořádání zařízení pro stabilizaci výbojů ze dvou záporných 3jehlových elektrod vůči uzemněné drátové elektrodě za atmosférického tlaku je schématicky naznačen na Obr. 3.

V Obr. 4a, 4b a 4c jsou ukázány snímky výbojů ze dvou záporných 3jehlových elektrod a drátovou elektrodou v ose rezonátoru v závislosti na zvyšujícín se akustickém tlaku P při frekvenci 500 Hz a konstantním stejnosměrném napětí L/_s= -25 kV.

Příklady uskutečnění vynálezu

Uspořádáni na Obr.1 je tvořeno výbojovou komorou 10 realizovanou elektricky nevodivou trubicí, do které je z jedné strany zaústěn zdroj 7 akustických vln, zde

elektroakustický měnič, a z druhé strany posuvný reflektor 2, který má ve svém středu otvor 1 pro odvod zpracovávaného plynu. Polohu posuvného reflektoru 2 lze libovolně nastavit pomocí posuvného mechanismu 11 po celé délce výbojové komory

10. Ve vzdálenosti Λ/4 od posuvného reflektoru 2, to je v uzlu akustického tlaku, je umístěn střed drátové elektrody 3 spojené vně výbojové komory 10 se zemním potenciálem. Tato drátová elektroda 3 kolmo vybíhá z roviny uzlu akustického tlaku v ose válcové výbojové komory. Drátová elektroda 3 je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným v ose válcové výbojové komory 10 rezonátoru, jehož střed leží proti středu vícejehlové elektrody 4. Délka vodiče drátové elektrody 3 v ose válcové výbojové komory 10 je větší než dvojnásobek šířky vícejehlové elektrody 4 a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory 10. Druhá elektroda je vícejehlové elektroda 4 a je situována symetricky naproti středu drátové elektrody 3 a je tvořena řadou jehel, umístěných v rovině, která prochází osou válcové komory 10, tedy v rovině kolmé k rovině uzlu akustického tlaku. Tyto jehly jsou od drátové elektrody 3 přibližně stejně vzdálené a mohou být vůči ní na kladném nebo na záporném potenciálu, vždy ale na opačném potenciálu. Jehly jsou společně elektricky vodivě připojeny přes společný odpor 5 s vysokonapěťovým zdrojem 6. Vstup zpracovávaného plynu je tvořen přívodem 8, který je do prostoru výbojové komory 10 vyústěn pod drátovou elektrodou 3 a vícejehlovou elektrodou 4. Jinou variantou je, že jehly vícejehlové elektrody jsou duté a jsou vyústěny vné komory společným přívodem, který tvoří vstup zpracovávaného plynu. Zpracovávaný plyn je tedy vhodné přivádět do výbojového prostoru pod soustavou elektrod přívodem 8 nebo pomocí vícejehlových elektrod přívodem 9 a po zpracování jímat otvorem 1 v reflektoru 2.

Podstata činnosti uvedeného uspořádáni spočívá v tom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného přes společný odpor 5 ze svorky vysokonapěťového zdroje 6 k soustavě jehel vícejehlové elektrody 4 a hořící mezi jejich hroty a drátovou elektrodou 3, je akustickou vlnou termálně chlazen a prostředí v němž hoří je homogenizováno unášením ionizovaných částic prostředí akustickou vlnou s rychlostí, která má ve směru kolmém k rovině uzlu akustického tlaku největší velikost a v každé půl-periodě mění svůj směr ve směr opačný. Zároveň gradient akustického tlaku ve směru kolmém k rovině uzlu periodicky mění svou velikost a směr. Dráha výboje je tak na základě Meeksova kritéria posouvána do oblastí s nižším výsledným tlakem. Dochází tak k synergii účinků dvou fyzikálních veličin na výboj - akustické rychlosti a akustického tlaku. Zpracovávaný plyn je do prostoru výboje vpouštěn pomocí přívodu 8. Při malých průtocích je z hlediska zvýšeni účinnosti působeni výboje na zpracovávaný plyn výhodné realizovat vícejehlové elektrody 4 pomocí dutých jehel a zpracovávaný plyn do komory zařízení přivádět těmito jehlami pomocí společného přívodu 9. Z toho tedy plyne, že popisované zařízeni může mít pro vstup plynu jak přívod 8, tak i společný přívod 9, avšak vždy se použije podle situace jen jeden z nich. Stojaté akustické pole je v prostoru výbojové komory 10 vytvořeno elektroakustickým zdrojem 7, například reproduktorem, a je vyladěno posuvným reflektorem 2, čímž se z výbojové komory 10 stane rezonátor násobiči velikosti akustických rychlostí a tlaků.

Na Obr.2a, 2b a 2c jsou snímky výbojů mezi zápornou vícejehlovou elektrodou 4, zde 3-jehlovou, a drátovou elektrodou 3 v ose rezonátoru v závislosti na zvyšujícím se akustickém tlaku při frekvenci 500 Hz a konstantním stejnosměrném napětí Us = -25 kV. Na obr.2a je situace při hodnotách P = 0 Pa, (7₀ = -2,7 kV, kde P je amplituda akustického tlaku a Ud je stejnosměrné napětí mezi vícejehlovou elektrodou 4 a drátovou elektrodou 3. Tyto hodnoty jsou na Obr.2b P - 1210 Pa, C/_o= -4,5 kV a na Obr.2c P = 5380 Pa, U_D = -7.5 kV. Je demonstrován tvar a struktura stabilizovaného výboje v navrhovaném uspořádání bez působení akustického pole. Obr. 2a, a při zvyšujícím se akustickém tlaku, Obr. 2b, a Obr.2c.

Je vidět, že bez působení akustického pole se výboj uzavírá pouze z jednoho hrotu, který má vůči společné elektrodě nejvyšší gradient elektrického pole a který brzy přechází do jiskry. Při maximálním akustickém buzeni výboj hoří stabilně ze všech tří hrotů elektrody.

Za účelem studia ovlivňováni výboje v rezonátoru spočívajícím v interakci výboje s oscilacemi akustických výchylek a tlaku v ionizační oblasti výboje bylo vytvořeno experimentální zařízeni, odpovídající schématu na Obr. 1. V tomto uspořádání byla vzdálenost mezi ocelovými jehlami vícejehlové elektrody 4 o vnějším průměru 1,2 mm a vnitřním průměru 0,8 mm a drátovou elektrodou 3 o průměru 1,6 mm a vzdálenost sousedních jehel 4 mm. Akustické pole bylo buzeno elektroakustickým měničem BMS 4591 z generátoru Agilent 33250A jehož, výkon byl • 1 ' znásoben pomocí zesilovače Mackie M 1400. V uzlu akustického tlaku dosahovaly akustické rychlosti amplitud kolem 10 m/s při pracovní frekvenci 500 Hz.

Uvedené uspořádání s drátovou elektrodou 3 v ose rezonátoru umožňuje umístit další vícejehlové elektrody 4 symetricky k rovině uzlu akustického tlaku kolem obvodu rezonátoru. Hroty těchto vícejehlových elektrod 4 mají stejnou vzdálenost k drátové elektrodě 3. Přiklad umístění dvou takových tří-jehlových elektrod 4 vůči drátové elektrodě 3 v ose rezonátoru je ukázán v Obr. 3, a fotografie výbojů při nulovém a zvyšujícím se akustickém tlaku na Obr. 4 a,b,c , přičemž se jedná o stejné nastavené hodnoty jako u Obr.2a, b, c.>

Průmyslová využitelnost

Působením stojatých akustických vln generovaných v rezonátoru na prostředí ionizované vícekanálovým výbojem vytvořeným ve víceelektrodovém systému lze dosáhnout synergetického jevu, který přináší nové perspektivy pro uplatnění v environmentálních aplikacích jako je například generace ozónu, rozklad oxidů dusíku a rozklad těkavých organických uhlovodíků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Akustický rezonátor kombinovaný s elektrickými výboji je tvořen výbojovou komorou (10) opatřenou přívodem (8) zpracovávaného plynu (¾ do výbojové komory (10) je z jedné strany zaústěn zdroj (7) akustických vln a z druhé strany posuvný reflektor (2), který má ve svém středu otvor (1) pro odvod zpracovávaného plynu a který je spojen s posuvným mechanismem (11) pro libovolné nastavení jeho polohy po celé délce výbojové komory (10), a dále je akustický rezonátor tvořen uzemněnou vodivou elektrodou zaústěnou do výbojové komory (10) a spojenou s jedním potenciálem a vícejehlovou elektrodou (4) tvořenou soustavou jehel spojených s opačným potenciálem, kde střed vícejehlové elektrody (4) je umístěn ve výbojové komoře (10) ve vzdálenosti (λ/4) od posuvného reflektoru (2), tedy v uzlu akustického tlaku, a všechny tyto jehly jsou elektricky vodivě připojeny přes společný odpor (5) s vysokonapěťovým zdrojem (6), vyznačující se tím, že výbojová komora (10) je válcová a uzemněná vodivá elektroda je drátová elektroda (3) elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory (10) a je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným vose válcové výbojové komory (10) rezonátoru, jehož střed leží proti středu vícejehlové elektrody (4), přičemž jeho délka vose válcové výbojové komory (10) je větší než dvojnásobek šířky vícejehlové elektrody (4) a jeho průměr je alespoň desetkrát menší než vnitřní průměr válcové výbojové komory (10).

2. Akustický rezonátor podle nároku 1 .vyznačující se tím, že kolem obvodu válcové výbojové komory (10) válcového rezonátoru symetricky k rovině uzlu akustického tlaku je umístěn libovolný počet dalších vicejehlových elektrod (4), jejichž hroty mají stejnou vzdálenost k drátové elektrodě (3).