Конструкция электродинамической фракционирующей установки

Изобретение относится к конструкции электродинамической фракционирующей установки для фрагментации, размола или суспендирования хрупкого минерального технологического материала. Конструкция электродинамической фракционирующей установки для фрагментации, размола или суспендирования хрупкого технологического материала состоит из заряжаемого электрического аккумулятора (1) энергии, к выходу которого присоединены два электрода, один из которых лежит на опорном потенциале, а другой выполнен с возможностью импульсного нагружения высоким напряжением через выходной выключатель (2) на аккумуляторе энергии, реакционного сосуда (3), заполненного технологической жидкостью, в которую погружен технологический материал и в которой друг против друга на регулируемом расстоянии расположены два голых конца электродов - реакционная зона. Нагружаемый высоким напряжением электрод (4) до свободного концевого участка окружен изолирующей оболочкой (5) и эта изолирующая оболочка на концевом участке также погружена в технологическую жидкость. Аккумулятор энергии вместе с выходным выключателем, электроды вместе с подводящим проводом и реакционный сосуд полностью находятся в объеме с электропроводящей стенкой, т.е. в боксе (6), и этот окруженный боксом объем минимальный. Толщина стенки бокса, по меньшей мере, равна глубине проникновения, соответствующей самой низкой составляющей спектра Фурье импульсного электромагнитного поля, и имеет, по меньшей мере, необходимую для механической прочности толщину. Электрод с опорным потенциалом (4) соединен через стенку бокса с массовой стороной (8) аккумулятора энергии, а нагруженный высоким напряжением электрод на кратчайшем пути соединен с выходным выключателем на аккумуляторе энергии. Технический результат состоит в снижении материалоемкости установки и повышении экранирования от электрического излучения и обеспечении безопасности от прикосновения. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к конструкции электродинамической фракционирующей установки (FRANKA = Fraktionieranlage Karlsruhe) для фрагментации, размола или суспендирования хрупкого минерального технологического материала,

Все известные до сих пор установки, которые разрабатывались посредством сильных высоковольтных разрядов, в частности электродинамического метода, с целью фрагментации, съема, бурения или аналогичных целей для обработки минеральных материалов, состоят из следующих двух основных составных частей: аккумулятора энергии, т.е. блока для вырабатывания высоковольтного импульса, зачастую или в большинстве случаев известного из высоковольтной импульсной техники генератора Маркса, и специфического для данного применения, заполненного технологической жидкостью реакционного/технологического сосуда, в который полностью погружен голый концевой участок соединенного с аккумулятором энергии высоковольтного электрода. Напротив него находится электрод с опорным потенциалом, в большинстве случаев служащее заземляющим электродом дно реакционного сосуда в целесообразном выполнении. Когда амплитуда высоковольтного импульса достигает на высоковольтном электроде достаточно высокого значения, возникает электрический пробой от высоковольтного электрода к заземляющему электроду. В зависимости от геометрических условий и формы, в частности времени нарастания высоковольтного импульса, возникает пробой через расположенный между электродами фрагментируемый материал, являющийся, таким образом, высокоэффективным. Пробои только через технологическую жидкость создают разве что ударные волны, являющиеся малоэффективными.

Электрическая цепь состоит во время высоковольтного импульса из аккумулятора С энергии, присоединенного к нему высоковольтного электрода, промежутка между высоковольтным электродом и дном реакционного сосуда и возвратного трубопровода от дна сосуда к аккумулятору энергии. Эта цепь включает в себя емкостные С, омические R и индуктивные L компоненты, влияющие на форму высоковольтного импульса (фиг.6), т.е. как на скорость нарастания, так и на дальнейшую временную характеристику разрядного тока и, тем самым, на введенную в нагрузку мощность импульса и, следовательно, на эффективность разряда в отношении фрагментации материала. В активном сопротивлении R этой временно существующей цепи в течение времени импульса разрядного тока количество Ri² электрической энергии преобразуется в теплоту. Этого количества энергии больше нет в распоряжении для собственно фрагментации.

Эта цепь представляет собой проводящую петлю, через которую в очень короткий отрезок времени протекают очень большие токи, около 2-5 кА. Такое образование создает интенсивное электромагнитное излучение, т.е. представляет собой радиопередатчик высокой мощности излучения, и во избежание помех в техническом окружении должно быть экранировано с техническими затратами. Вообще, такая установка должна быть экранирована посредством защитных устройств таким образом, чтобы прикосновение к токопроводящим компонентам во время работы было невозможно. Это приводит к объемной защитной конструкции вокруг собственно полезной конструкции.

Все до сих пор известные установки, в которых применяется электродинамический метод, имеют открытую конструкцию, т.е. узлы такой установки соединены между собой электрическими проводами (фиг.6).

При фрагментации каменного материала, как это описано, например, в WO 96/26010, можно видеть между электрическим аккумулятором энергии и искровым промежутком соединительные провода, которые во время высоковольтного импульса образуют петли. Установки для съема материала (DE 19736027 С2), бурения в скальной породе (US 6164388) или инертизации (DE 19902010 С2) содержат простые электрические провода к высоковольтному электроду.

В основе изобретения лежит задача создания такой цепи FRANKA-установки во время высоковольтного импульса, чтобы как индуктивность, так и активное сопротивление разрядной цепи оставались ограниченными минимальным значением и одновременно технические затраты для экранирования от электромагнитного излучения и для обеспечения безопасности прикосновения оставались ограниченными минимальными затратами.

Эта задача решается посредством конструкции фракционирующей установки, согласно отличительным признакам пункта 1 формулы изобретения.

Аккумулятор энергии вместе с выходным выключателем, последним обычно является в большинстве случаев работающий или запущенный в режиме самопробоя искровой промежуток, электроды вместе с подводящим проводом и реакционный сосуд находятся с соблюдением электрического изоляционного расстояния до участков с разными электрическими потенциалами полностью в объеме с электропроводящей стенкой, т.е. в боксе. Объем, имеющийся между боксом и встроенными в него узлами, минимальный, и, тем самым, индуктивность установки ограничена до неизбежного минимума. Это соблюдение электрофизики обеспечивает типичное для установки кратчайшее время нарастания разрядного импульса.

Толщина стенки, с одной стороны, по меньшей мере, равна глубине проникновения самой низкой составляющей спектра Фурье импульсного электромагнитного поля, т.е. в значительной степени определяется ею. С другой стороны, механическая прочность требует минимальной толщины стенки. Необходимая большая толщина стенки по тому или другому из обоих условий соблюдается при конструировании.

При этой полной капсюляции электрод с опорным потенциалом через стенку бокса соединен с массовой стороной аккумулятора энергии. Остальное токопрохождение через аккумулятор энергии и временно лежащие на высоковольтном потенциале детали является центральным по отношению к боксу.

Эта капсюлированная конструкция обеспечивает предпочтительную в электрофизическом отношении и в отношении техники обслуживания конструкцию, признаки которой специфицированы в зависимых пунктах 2-9 формулы изобретения.

В зависимости от режима работы стенка бокса имеет в соответствии с пунктом 2 съемную часть для порционного режима или проем для непрерывной загрузки (пункт 3). Для ремонтных работ бокс так и так должен открываться на отдельных участках.

В соответствии с пунктом 3 для непрерывной переработки фракционируемого материала на стенке бокса размещен, по меньшей мере, один направленный наружу трубчатый патрубок из проводящего материала для загрузки и, по меньшей мере, один дополнительный для выгрузки. Вследствие электрического экранирования наружу они рассчитаны по длине и размеру в свету таким образом, что, по меньшей мере, мощные высокочастотные составляющие в спектре выработанного высоковольтным импульсом электромагнитного поля не выходят через эти патрубки или ослабляются в этих патрубках до выхода в окружающее пространство, по меньшей мере, до предписанного законом значения.

Аккумулятор энергии и реакционный сосуд пространственно отделены друг от друга в боксе. В соответствии с пунктом 4 формулы изобретения в зоне одной его внутренней торцевой стенки расположен аккумулятор энергии, а в зоне другой его внутренней торцевой стенки - реакционный сосуд, или образуются ими.

Бокс представляет собой замкнутое трубчатое образование и имеет в соответствии с пунктом 5 многоугольное или круглое сечение. При этом бокс может быть прямым или же, по меньшей мере, один раз изогнутым. Форма конструктивно определяется планом встраивания. Простейшей формой является прямая.

Последовательным образом лежащий на опорном потенциале электрод установлен по центру в торцевой стенке реакционного сосуда, а высоковольтный электрод - по центру на расстоянии напротив него (пункт 6). Высоковольтный электрод подключен непосредственно к выходному выключателю аккумулятора энергии. Этот выходной выключатель в случае генератора Маркса в качестве аккумулятора энергии является выходным искровым промежутком. Таким образом, при любой форме бокса возникает благоприятная, с электрической точки зрения, и целесообразная, с точки зрения техники изоляции, коаксиальная конструкция, отвечающая требованию капсюлирования и, тем самым, типичной для установки минимальной индуктивности.

В отношении монтажа установки ограничений по пункту 7 нет. Электрический аккумулятор энергии вместе с выходным выключателем установлен в боксе по отношению к реакционному сосуду пространственно над ним или на одной высоте или пространственно под ним.

В зависимости от вида фрагментируемого материала согласно пункту 8 электрод на опорном потенциале, в большинстве случаев заземляющий электрод, является центральной частью торца или сетчатым дном или кольцевым или стержневым электродом.

Согласно пункту 9 аккумулятор энергии отделен от реакционного сосуда защитной стенкой, так что реакционная камера влагонепроницаемо отделена от участка аккумулятора энергии.

Высоковольтный импульс между высоковольтным электродом и дном реакционного сосуда или ток от одного электрода к другому преобразует введенную электрическую энергию в различные составляющие энергии иного рода, в том числе просто в механическую энергию, в конце концов механические волны/ударные волны. Высоковольтный электрод в зоне своей оболочки электрически изолирован до концевого участка и этим концевым участком полностью погружен в технологическую жидкость.

Полностью экранированная наружу конструкция аккумулятора энергии или генератора импульсов и реактора в общем электропроводящем боксе имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционной открытой конструкцией:

- индуктивность разрядной цепи уменьшается или может быть уменьшена до неизбежного минимума;

- омические потери в цепи импульсного тока высокого напряжения также остаются ограниченными неизбежным минимумом;

- минимальная индуктивность и минимальное активное сопротивление цепи импульсного тока приводят к более эффективному разряду в нагрузке, т.е. к большему вводу энергии в нее. В отношении электромагнитного излучения и безопасности прикосновения в определенной степени закрытая конструкция установки имеет преимущества. В течение всего времени высоковольтного импульса разрядный ток течет исключительно внутри установки. Это и так уже очевидно для тока прямого направления, протекающего от аккумулятора энергии, включая генератор импульсов, через высоковольтный электрод и нагрузку, реакционную жидкость с фракционируемым материалом к дну реакционного сосуда, вследствие экранирующей функции электропроводящего бокса.

Ток обратного направления от дна реакционного сосуда к аккумулятору энергии течет по внутренней стенке полого цилиндрического бокса, поскольку электромагнитное поле, возникшее за счет кратковременно протекающего в установке разрядного тока, имеет свойство минимизировать заключенную проводящей петлей поверхность. Этот кратковременно протекающий по внутренней стороне стенки установки ток обратного направления проникает на основе скин-эффекта в материал стенки только на небольшую глубину, т.е. на зависимую от частоты глубину проникновения. Глубина проникновения, как известно, зависит от электрической проводимости материала стенки и от возникающего в разрядном токе частотного спектра. При обычном времени нарастания высоковольтных импульсов около 500 нс, при характеристическом периоде собственных колебаний разрядной цепи около 0,5 мкс и при применении простых сталей для стенки установки, таких как конструкционная сталь, глубина проникновения во внутреннюю стенку составляет менее 1 мм. Толщина стенки бокса учитывает, с одной стороны, обязательно самую низкую частоту спектра Фурье от электрического разряда из-за глубины проникновения (скин-эффект) и необходимую механическую прочность из-за формы установки. По одной из обеих причин преобладает более высокое минимальное требование к толщине стенки. Так, на внешней поверхности бокса не могут возникать электрические напряжения, за счет этого становится излишней защита от прикосновения, или она может оставаться по своей структуре ограниченной до минимума. Электромагнитное излучение наружу также не может возникнуть.

Установка коаксиальной конструкции является компактной, простой в обращении и доступной, с точки зрения техники измерения и управления. Электрическое зарядное устройство для аккумулятора энергии необязательно специально экранировать. Его подводящий провод можно без проблем пропустить через вводы к аккумулятору энергии в верхней внутренней части бокса, возможно, через коаксиальный кабель, наружный проводник которого контактирует с боксом.

Полностью металлически капсюлированная фракционирующая установка более подробно поясняется ниже с помощью чертежа, на котором изображают:

- фиг.1: FRANKA-установку коаксиальной конструкции;

- фиг.2: схему FRANKA-установки с перегородкой;

- фиг.3: схему FRANKA-установки для непрерывного режима;

- фиг.4: схему FRANKA-установки с U-образным боксом;

- фиг.5: схему FRANKA-установки с реакционным сосудом вверху;

- фиг.6: традиционную FRANKA-установку.

На фиг.1 FRANKA-установка коаксиальной конструкции изображена схематично в осевом разрезе. Непрерывный или периодический режим работы здесь не учитывается, поскольку на переднем плане находится электрическая конструкция. Не обозначено также электрическое зарядное устройство для зарядки электрического аккумулятора 3 энергии. Коаксиальная конструкция, с электрической точки зрения, является наиболее предпочтительной. Отклонение от этого могло бы быть только по вынужденным конструктивным причинам.

Генератор высоковольтных импульсов состоит из включенных последовательно электрического аккумулятора С, схематично показанного в виде конденсатора, индуктивности L и активного сопротивления R. Присоединен высоковольтный электрод 5. От своего электрического присоединения к сопротивлению R до концевого участка электрод 5 электрически изолирован от окружения посредством диэлектрической оболочки. Своим голым концевым участком 4 он входит в обозначенный молнией технологический/реакционный объем и имеет там заданное регулируемое расстояние до дна технологического/реакционного сосуда 3, который образует нижнюю часть коаксиального, полого цилиндрического бокса 6.

Во время высоковольтного разряда ток течет в конструктивных элементах вдоль оси полого цилиндрического бокса 6, по меньшей мере, по одному разрядному каналу в технологическом объеме к дну реакционного сосуда 3, а затем через стенку бокса обратно в аккумулятор энергии/конденсатор 1. Бокс 6 присоединен к опорному потенциалу «земля».

Индуктивность L и сопротивление R представляют индуктивность и сопротивление установки, а С обозначает электрическую емкость и, тем самым, через зарядное напряжение имеющуюся в распоряжении аккумулированную энергию ¹/₂ С (nU)², которая в максимально большой части должна быть преобразована в технологическом объеме. В случае генератора Маркса в качестве генератора высоковольтных импульсов решающими для аккумулированной энергии являются его, по меньшей мере, двухступенчатость (n=2), отдельная емкость С, ступенчатое зарядное напряжение U и число ступеней n.

На фиг.6 схематично изображена FRANKA-установка традиционной конструкции, легко изготавливаемая для многих лабораторных работ.

На фиг.2-5 изображены коаксиальные варианты FRANKA-установки.

На фиг.2 показано, как аккумулятор 1 энергии отделен от реакторной зоны 3 перегородкой в зоне высоковольтного электрода 5. Ее встраивают, в частности, при возникновении брызг жидкости в результате процесса разряда.

На фиг.3 показаны два отверстия в боксе 6: одно в зоне оболочки для заполнения реакционного сосуда 3, а другое из реакционного сосуда 3, например, через дно. Благодаря этой конструктивной мере может осуществляться непрерывный режим с загрузкой и выгрузкой.

На фиг.4 изображен U-образный бокс. Эта конструктивная форма имеет предпочтение у большой установки благодаря массе и манипулируемости.

На фиг.5 показана перевернутая конструктивная форма, а реакционный сосуд 3 установлен над аккумулятором 1 энергии. Такая конструктивная форма подошла бы для газообразных или очень легких завихренных технологических субстанций.

На фиг.6 изображена конструкция традиционной FRANKA-установки, которая в качестве полностью функционирующей установки еще дополнительно капсюлирована стенкой для экранирования и в качестве защиты от прикосновения. Большая электрическая петля не минимизирована. В случае импульса она действует как сильная передающая антенна. По этой причине в промышленном применении экранирование требуется законом.

Перечень ссылочных позиций

1 - аккумулятор энергии

2 - выходной выключатель/выходной искровой промежуток

3 - реакционный сосуд

4 - торец высоковольтного электрода

5 - высоковольтный электрод с изолятором

6 - бокс

7 - соединение технологический сосуд - бокс

8 - соединение зарядное устройство - бокс

9 - загрузочный патрубок

10 - отводящий патрубок

1. Конструкция электродинамической фракционирующей установки для фрагментации, размола или суспендирования хрупкого технологического материала, состоящая из заряжаемого электрического аккумулятора (1) энергии, к выходу которого присоединены два электрода, один из которых лежит на опорном потенциале, а другой выполнен с возможностью импульсного нагружения высоким напряжением через выходной выключатель (2) на аккумуляторе энергии, реакционного сосуда (3), заполненного технологической жидкостью, в которую погружен технологический материал и в которой друг против друга на регулируемом расстоянии расположены два голых конца электродов - реакционная зона, причем нагружаемый высоким напряжением электрод (4) до свободного концевого участка окружен изолирующей оболочкой (5) и эта изолирующая оболочка на концевом участке также погружена в технологическую жидкость, отличающаяся тем, что аккумулятор энергии вместе с выходным выключателем, электроды вместе с подводящим проводом и реакционный сосуд полностью находятся в объеме с электропроводящей стенкой, т.е. в боксе (6), и этот окруженный боксом объем минимальный, толщина стенки бокса, по меньшей мере, равна глубине проникновения, соответствующей самой низкой составляющей спектра Фурье импульсного электромагнитного поля, и имеет, по меньшей мере, необходимую для механической прочности толщину, электрод с опорным потенциалом (4) соединен через стенку бокса с массовой стороной (8) аккумулятора энергии, а нагруженный высоким напряжением электрод на кратчайшем пути соединен с выходным выключателем на аккумуляторе энергии.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что для периодической переработки фрагментируемого материала стенка бокса выполнена частично съемной или в стенке бокса имеется, по меньшей мере, один проем.

3. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что для периодической переработки фрагментируемого материала на стенке бокса установлен, по меньшей мере, один направленный наружу трубчатый патрубок (9) из проводящего материала для загрузки и, по меньшей мере, один дополнительный патрубок (10) для выгрузки, которые по длине и размеру в свету рассчитаны таким образом, что, по меньшей мере, мощные высокочастотные составляющие в спектре выработанного высоковольтным импульсом электромагнитного поля не выходят через эти патрубки или ослабляются в этих патрубках до выхода в окружающее пространство, по меньшей мере, до предписанного законом значения.

4. Конструкция по п.2 или 3, отличающаяся тем, что стенка бокса представляет собой полое тело, в зоне одной торцевой внутренней стенки которого установлен аккумулятор энергии, а в зоне другой внутренней торцевой стенки - реакционный сосуд.

5. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что бокс имеет многоугольное или круглое сечение и прямую форму или, по меньшей мере, один раз изогнутую форму.

6. Конструкция по п.5, отличающаяся тем, что лежащий на опорном потенциале электрод установлен по центру в торцевой стенке реакционного сосуда, а высоковольтный электрод установлен по центру напротив него и коаксиально с боксом соединен с выходным выключателем аккумулятора энергии.

7. Конструкция по п.6, отличающаяся тем, что электрический аккумулятор энергии вместе с выходным выключателем установлен в боксе по отношению к реакционному сосуду пространственно над ним или на одной высоте или пространственно под ним.

8. Конструкция по п.7, отличающаяся тем, что электрод на опорном потенциале выполнен в виде центральной части торца или в виде сетчатого дна или в виде кольцевого или стержневого электрода.

9. Конструкция по одному из пп.1-3, 5-8, отличающаяся тем, что аккумулятор энергии отделен от реакционного сосуда защитной стенкой.

10. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что аккумулятор энергии отделен от реакционного сосуда защитной стенкой.