CN113286763B - 用于连续流中的液体的等离子体处理的方法和*** - Google Patents
用于连续流中的液体的等离子体处理的方法和*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于处理连续流中的液体的方法、反应室和***，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a)通过所述反应室中的至少一个入口开口接收用于在反应室中处理的液体，将用于处理的液体引导到反应室的入口区段；b)在所述入口区段中将用于处理的液体流转换成双相液体‑气体流；c)将双相流引导到反应室的中心区段，在中心区段中施加电场；d)由于双相流与所施加的电场之间的相互作用，使得对穿过所述中心区段的双相流的气态部分进行电离；e)维持在反应室的整个中心区段产生非热等离子体的电离状态，其中通过控制在所述中心区段中施加的电场来保持所述状态；f)将经历电离状态的双相流引导到反应室的除了施加电场的中心区段之外的排放区段，产生气态部分的去离子化并使双相流降低其速度，由此使得双相流凝聚；以及g)通过反应室中的至少一个排放开口从所述排放区段移除经处理的液体流。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于处理连续流中的液体的方法，将液体转变成双相流，通过高强度电场暂时对双相流进行电离，保持电离状态并产生非热等离子体，以促进所述液体中有机化合物的降解和微生物的灭活。
另外，本发明涉及一种用于处理连续流中的液体的反应室，用于暂时将液体转换成双相流并在反应室内对所述双相流进行电离。
最后，本发明还涉及一种用于处理连续流中的液体的***，其包括本发明的反应室。
背景技术
对具有用于处理液体，主要是用于水的净化的可靠且紧凑的***的需求日益增长，促使行业创建了被认为是非传统的不同处理机制。在所述处理机制中，可以提及使用等离子体来处理流体。
在此背景下，标题为“Methods and device for in-stream aqueous mediumtreatment(用于流体中水介质处理的方法和装置)”的公开文本EP 3321233考虑了一种反应器，其中因为音速在反应室内降低，所以使用超音速双相流将等离子体施加到待处理的液体流。根据所述公开文本，简单地通过实施其公开的处理机制，尤其是等离子体，可在短时间内消除已知的所有病原体微生物。
然而，公开文本EP 3321233中没有包含任何内容来涉及提供一种用于处理液体的方法、反应室和***，以能够有效地处理液体，在穿过反应室的双相流中产生稳态等离子体，从而促进有机化合物和无机化合物已降解且存在的微生物灭活的液体的产生。
此外，专利US 9023214和US 0475713公开了将等离子体颗粒施加到液体，更具体地施加到悬浮在气体介质中的液滴的方法，以促进所述双相混合物中的各种相互作用。在这方面，本发明是所引用专利的进一步发展，提高了所引用专利中公开的方法和装置的效率和功效。事实上，本发明包括液体处理机构、反应室和所述处理中涉及的***的完整发展，通过将流体转化成双相液体-气体流并随后对气相进行电离，从而产生非热等离子体，使得对水的处理提供最佳解决方案。
该方法在低温和连续流下促进化学反应，产生自由基、水解和氧化还原反应等反应。一些技术应用旨在降解有机化合物并使微生物灭活。
发明内容
本发明涉及一种用于处理连续流中的液体的方法，其中所述方法包括以下步骤：
a.通过反应室中的至少一个入口开口接收用于在所述反应室中处理的液体流，将所述用于处理的液体流引导到反应室的入口区段；
b.在所述入口区段中将用于处理的液体流转换成双相液体-气体流；
c.将双相流引导到反应室的中心区段，在中心区段中施加电场；
d.由于双相流与所施加的电场之间的相互作用，使得对穿过所述中心区段的双相流的气态部分进行电离；
e.维持在反应室的整个中心区段产生非热等离子体的电离状态，其中通过控制在所述中心区段中施加的电场来维持所述电离状态；
f.将经历电离状态的双相流引导到反应室的除了中心区段的排放区段，在排放区段中不施加电场，产生气态部分的去离子化并使双相流降低其速度，由此使得双相流凝聚；以及
g.通过反应室中的至少一个排放开口从所述排放区段移除经处理的液体流。
根据一个实施例，在反应室中接收流体流的步骤还包括：在湍流条件下使液体流朝向反应室加压和加速。另外，在湍流条件下加速的液体流在反应室的入口区段中产生压降，促进双相流在形成双相流的相之间具有大的接触表面。
根据一个实施例，通过溶解在待处理液体中的气体的部分释放及其部分蒸发，来促进将液体流转换成双相流的步骤。
根据一个实施例，将双相流引导到反应室的中心区段的步骤包括：引导所述双相流，使得双相流在反应室的中心区段中接触反应室的内壁。
所述中心区段可包括至少一对电极，至少一对电极产生放电以产生在所述中心区段中施加的电场。在这种环境下，对双相流的气态部分进行电离的步骤包括：在电极之间施加电场，该电场的强度超过所述双相流的气相的击穿电压。
根据一个实施例，将经历等离子体状态的双相流引导到反应室的排放区段的步骤包括：重新转换经处理的流体流中的双相流。
根据一个实施例，电场可通过电极之间的电势差而产生，其中所述电势差由至少一个高频电源施加。在这种环境下，维持产生非热等离子体的电离状态的步骤包括使用限流器，以限制循环通过电极的电流。所述限流器可集成到施加电势差的至少一个电源。
根据一个实施例，电场可通过电极之间的电势差而产生，其中所述电势差由至少一个DC电源施加，该DC电源可以以连续模式或脉动模式操作，且还包括限流器以限制循环通过电极的电流。
所述限流器可以是稳定自调节***形式的无源器件，或者是反馈控制器形式的有源器件。
此外，本发明涉及一种用于处理液体的反应室，反应室包括：
-至少一个入口开口，通过至少一个入口开口在反应室中接收待处理的流体流；
-入口区段，在所述入口区段中，待处理的流体流转换成双相液体-气体流；
-中心区段，中心区段被配置成向反应室施加电场，对穿过中心区段的双相流的气态部分进行电离，并维持电离状态，通过控制所施加的电场而在整个中心区段中产生非热等离子体；
-排放区段，排放区段与具有电场的中心区相邻，在排放区段中产生气态部分的去离子化，且在排放区段中发生双相流的速度的降低，由此使得双相流凝聚；以及
-排放开口，通过排放开口移除经处理的液体流。
根据一个实施例，反应室的入口区段包括至少一个喷嘴，至少一个喷嘴布置成在湍流条件下使液体流加速，促进双相流在两个相之间具有大的接触表面。喷嘴可包括排放区段，排放区段通过增加喷嘴的所述排放区段的横截面而扩展到反应室中，在反应室的入口区段中产生压降。另外，所述喷嘴可以将经历湍流条件的双相流引导到反应室的内壁，主要是引导到在反应室的中心区段中的内壁。
根据一个实施例，利用湍流式双相流填充反应室的内部体积，直到反应室的排放区段。
根据一个实施例，中心区段包括至少一对电极，至少一对电极产生放电以产生在所述中心区段中施加的电场。在这种环境下，根据优选实施例，电极之间的电场的强度超过双相流的气相的击穿电压。
最后，本发明还涉及一种用于处理连续流中的液体的***，该***包括至少一个根据本发明的反应室。另外，所述***可包括至少一个限流器，至少一个限流器能够控制在反应室中施加的电场，限制循环通过电极的电流。
根据一个实施例，该***还包括在反应室上游的高压泵，以在待处理流体进入反应室之前对待处理流体进行加压，并使流体压力增加到在0.5至150巴(g)的范围内，更优选地在2至70巴(g)的范围内。另外，该***可包括压力计，压力计放置在至少一个高压泵和反应室的至少一个入口开口之间，用于调节反应室的供给压力。
施加150巴(g)的供给压力，考虑到喷嘴在所述操作点处转换机械能的效率为82％，则可达到约157m/s的喷嘴排放速度。
通过在排放口处使用真空泵，可以在0.5巴(g)的供给压力下操作反应室，当在所述操作点转换机械能的效率为50％的喷嘴操作时，获得7m/s范围内的流速。
根据一个实施例，该***还包括在反应室下游的至少一个真空泵，以朝向反应室的至少一个排放开口产生真空水平，真空水平达到接近双相流体的蒸气压力的值。另外，该***可包括真空计，真空计放置在反应室的至少一个排放开口和至少一个真空泵之间，用于调节反应室的排放区段中的真空水平。
根据一个实施例，该***还包括流量计，流量计在反应室的下游，用于调节经处理的液体的吞吐量。
根据优选实施例，该***包括至少一个高频电源，其中电场通过反应室的中心区段中的至少一对电极之间的电势差而产生，其中所述电势差由至少一个电源施加并由至少一个限流器控制。所述限流器可集成到施加电势差的至少一个电源。
根据一个实施例，该***包括至少一个DC电源，至少一个DC电源可以以连续模式或脉动模式操作，还包括使用限流器以限制循环通过电极的电流，其中电场通过电极之间的电势差而产生。
所述限流器可以是稳定自调节***形式的无源器件，或者是反馈控制器形式的有源器件。
根据该***的一个实施例，反应室的排放区段中的至少一个排放开口连接到其横截面大于排放开口的至少一个管道，从而促进双相流重新转换成液体流。
根据一个实施例，该***可包括彼此串联连接或并联连接的两个或更多个反应室。
附图说明
以下附图作为本发明的一部分示出，其表示本发明的优选实施例，因此，附图不应被视为限制所要求保护的发明的定义。
图1是根据本发明的实施例的用于处理连续流中的液体的反应室的图示。
图2是根据本发明的实施例的用于处理连续流中的液体的***的图，该图包括***的主要液压部件。
图3是反应室的图，反应室在内部直到排放区，产生低压湍流式双相流的流体动力学条件，双相流在排放区中凝聚。
图4是根据预测模型的PMin与在实验测试中获得的数据进行比较的图形比较。
图5是在排放区段处的不同真空水平下的特定泵送功率的曲线图。
图6是反应室的示意性表示，示出了电极之间的距离。
图7是反应室的静电模型的轴对称表示，还有施加的纵向电场的强度曲线。
图8是本发明的反应室的电极的详细视图。
图9是等离子体的不同操作条件下的电流/电压曲线图。
图10是根据本发明的实施例的无源负载、谐振槽和反应室的模型的图示。
图11是本发明的***的频率在没有电离和有等离子体的两种状态下的共振响应的曲线图。
图12对应于根据本发明的实施例的无源负载、谐振槽和反应室的模型。
具体实施方式
通过提及所附的附图，在构成本发明的不同方面使本发明分开，以限定本发明的优选实施例。
液压方面
液压***
待处理的液体在反应室的入口至所述室的入口区段处通过高压泵加压，该高压泵使压力升高到在例如2至70巴(g)的范围内。流体的加压提供必要的压力，以产生当反应室获得能量时能够形成等离子体的流体动力学条件。供给压力通过压力计调节，如图2中可以注意到的。
另外，可在反应室的排放口处添加真空泵，以产生真空水平，该真空水平可达到接近流体的蒸气压力的值。真空泵的实施降低了对反应室的入口处的压力要求，以产生流体动力学条件。排放区段中的真空水平通过真空计调节到高于流体的蒸气压力的水平，如图2中可以注意到的。
最后，通过排放口处的流量计控制流速，如图2中可以注意到的。
另外，图1是根据优选实施例的反应室的更详细的示意性表示，其标识了反应室的一些部件，特别是工作区段。图1还示出了反应室以反应室的圆柱形构造所给出的轴向形式布置。
反应室的流体动力学条件的一般特征
在反应室中，特别是在入口区段中，待处理的液体转化成湍流式高速双相流。在所述区段中，反应室内的压力降低到接近液体的蒸气压力的点。
双相流的气态部分由液体的部分蒸发、液体的脱气和等离子体反应气体产生。没有注入外部气体。
在反应室内，在入口区段中产生的双相流具有湍流的特性，以使相之间的接触表面最大化，并在产生等离子体时改善电离气体对流体的影响。
湍流
出于该方法的目的，湍流是以压力和速度的快速时空变化为特征的不规则流动状态。
双相流的湍流最初由可放置在反应室的入口区段处的喷嘴产生，其中所述喷嘴可具有使用流的能量来促进在反应室内形成湍流的不同机制，以及可帮助增加所述效果的外部主动机制，例如超声波。
为了允许喷嘴中产生的湍流增加相的接触表面，喷嘴排放口通过增加其横截面而扩展到反应室中。在目前的设计中，气体体积分数与液体体积分数的比率例如在5至70的范围内，从而允许相之间的大接触表面。
例如，在内径为9.8mm的反应器中，在喷嘴具有0.6mm的限制时，气相的体积分数可以是液相的体积分数的270倍。
此外，在内径为2.61mm的反应器中，在喷嘴具有1.5mm的限制时，气相的体积分数可以仅为液相的体积分数的2倍。
压降
双相流的低压促进等离子体的引发，从而降低气相的电击穿电压。压降是通过使来自反应室内的喷嘴的高速排放流扩展到其入口区段中，达到例如在15和60m/s之间变化的速度而引起。
压力降低引起流体的部分绝热蒸发和部分脱气，从而利用湍流式双相流填充反应室内部体积，直到反应室的排放口，如图3中所指示的。
双相流的凝聚
在反应室朝向排放区段的排放口处，发生双相流的凝聚，从而在非弹性碰撞的情况下降低双相流的速度，损失动能，这导致压力和密度增加。在双相流的凝聚区之后，产生液相，其中当存在双相流中的气态部分的电离时，气体体积分数相对于液体体积分数在例如50至0.25之间变化。凝聚区的示意性表示在图3中示出。
凝聚区在反应室的排放区中趋于稳定，其中当反应室连接到排放口处的较大内径的管时，内横截面增加，如图3所示。
低压湍流式双相流的形成条件
为了保持反应室内的双相流的低压条件，当流在离开反应室之前的凝聚期间减慢时，由流的动量变化引起的反作用力必须大于排放压力和内部压力之间的压力差的力。
以下表达式描述了基于要满足的力平衡的条件：
Fmomentum variation＞FPressure
ΔVm＞A(P2-Pv)
其中ΔV是当发生双相流的凝聚时，双相流在塌缩时的速度变化，A是发生双相流的凝聚所处的横截面，p2是排放压力，pv是表示反应室内的压力的流体的蒸气压力，且是质量流量。
在反应室外部，紧接在排放区段之后，横截面A的增加突然增加了对反作用力的要求，以维持低压湍流式双相流的条件。此时双相流凝聚区变得稳定。
设定最小运行压力的模型
为了在设计水平下评估所需的最小供给压力，基于由反应室的内部体积和排放区段之间的压力差引起的力的平衡以及当流刚好在反应室的排放区段之前减慢时的动量变化来开发模型。
该模型的使用允许优化设计，以减少压力要求并减少与液体加压相关联的泵送功率。
下面，介绍预测反应室的最小操作压力的模型。
为了计算PMin的目的，反应室内的压力被认为是流体的蒸气压力Pv。A1对应于在反应室的入口区段处约束的喷嘴横截面，A2对应于在反应室的中心区段中反应室的内横截面。ηnozzle和ηmomentum分别是喷嘴的效率和轴向动量的效率。这些参数根据经验确定。
最小压力模型的评估
当使用ηnozzle和ηmomentum的平均值时，可以在已知的反应室的两种情况下比较以实验方式获得的预测模型的结果，以在20℃下用水产生流体动力学条件。在下表中，示出了反应室的参数以馈送给模型。
表1：馈送给模型的反应室或反应器的参数
| 反应器 | R1 | R2 |
| A1[mm2] | 1,04 | 1,43 |
| A2[mm2] | 23,80 | 12,60 |
| ηnozzle | 0,60 | 0,75 |
| ηmomentum | 0,87 | 0,80 |
在图4的图表中可以看出，调整后的模型能够预测已经用模型评估的反应室或等离子体反应器的情况下的最小操作压力。
喷嘴效率的计算
喷嘴效率ηnozzle被认为是动能中压力变化的能量转换效率。ηnozzle可表示为质量流量和施加的压力差ΔP的函数。其中A1是喷嘴约束面积，且是ρLiq液体密度。
为了凭经验计算ηnozzle，在喷嘴中包括在反应室的操作点施加的压力差下进行扫掠。在等离子体反应室的当前设计中，例如，ηnozzle范围在0.2和0.95之间。
轴向动量的效率的计算
轴向动量ηmomentum的效率对应于由于沿着反应室的流的轴向速度的损失而导致的双相流的动量的损失。除了取决于喷嘴流的形状、所使用的扩散器的类型及其对准之外，该参数还取决于构造因素，例如反应室的内壁的长度、直径和粗糙度。该因素根据实验通过在最小操作压力的方程中求解ηmomentum而获得。
在本发明的一些反应室中，ηmomentum的值例如在0.10至0.99之间变化，这取决于反应室的几何特征和流的形状。所获得的值允许在利用已经尝试的类似几何特征和喷嘴设计反应室时预测ηmomentum。ηmomentum值可用作反应室内的速度变化和当撞击在壁上时损失的能量的量的指标。
泵送功
在当前设计中，与泵送功相关联的能量消耗消耗了所需能量的重大部分，例如***总消耗的10-80％。
当增加抽吸区处的真空水平时，可以减少由图2所示的高压泵和真空泵形成的组件的泵送功。
排放区域处的压力的降低有助于降低根据图4中评估的模型最小供给压力的压力要求，该最小供给压力是泵送功的主要消耗。
当使用先前标识为R2的反应室(在反应室的出口处气泡含量例如为18％)时，使用预测反应室的最小操作压力的模型来评估特定泵送功，该模型基于将排放压力与供给压力相关联的最小压力要求。可绘制在排放口处具有不同真空水平时操作***所需的泵送功。
在图5的曲线中可以注意到，通向反应室的出口的排放压力不能低于流体的蒸气压力。
尽管可以以低能量需求产生流体动力学条件，但是当降低排放压力时，喷嘴的入口区段处的压力必须足够高，以具有必要的机械能量来增加湍流，并因此增加双相流的相之间的接触表面。因此，当供给压力的降低不损害双相流的相之间的接触表面时，使用真空是方便的。
真空泵
真空泵应能够处理气泡含量可达到其体积组成的85％的流。作为设计要求，使用诸如水环压缩机或相分离器的技术以独立于气相来给液相加压，是方便的。
双相流的预处理区
预处理区与入口区段处的喷嘴出口相距必要的距离，使得双相流的液相可到达反应室的内壁。
在预处理区之后，存在活性区，其中对双相流的气态部分进行电离。以这种方式，确保了与双相流接触的电极的冷却，并改善了喷嘴和第一电极之间的电绝缘。
使反应室内的相之间的交换表面最大化
下面示出了所使用的方法和策略，无论是单独使用还是组合使用，均使双相流的相之间的接触表面最大化。
a.增加供给压力。增加的压力有助于形成较小尺寸的液滴，但是由于相关联的泵送功增加，致使其具有更高的能量需求。
b.增加喷嘴的发散角。扩散器产生湍流，从而在喷嘴的约束区之前引入方向和气穴的变化。扩散器的使用增加了腔室中的流的发散，但是其使用可具有一些缺点，因为会引导雾化的液滴抵靠在反应室的内壁上，从而减小双相流的相之间的接触表面。用于增加发散角的一些机制是：
i.一种混合型扩散器
ii.孔板式扩散器
iii.带有多个孔的孔板式扩散器
c.元件的并入增加反应室内的流的湍流，从而避免在接触反应室的内壁时流的布置。
电气方面
通过由反应室的电极施加的电场对湍流式双相流进行电离，电极经受能够超过活性区中的双相介质的击穿电压的电势差。为了实现这一点，在反应室的几何形状、可施加到电极的最大电压和流体的蒸气压力之间存在很大的依赖性。分析这种依赖性的简化方式是通过帕邢定律，其中对于类似的电极构造条件，在电压(并因此，最大电场)、电极距离和气体的蒸气压力之间存在关系，如以下等式所示。
其中：
Pv(T)：表示取决于温度的流体的蒸气压力。在这种方法的情况下(不需要加热水，因为蒸发是通过真空产生)，典型的操作范围为约4℃至45℃；因此，蒸气压力在813.5Pa至9594.4Pa的范围内，远低于大气压，且通过设计成在这些条件下工作的电源，实现非常宽的操作范围。根据帕邢定律，在较低温度下，压力降低，因此更容易超过击穿电压；这允许增加电极之间的距离。
de：电极之间的距离。如果配置被固定，则以一定电压设置最大电场。随着距离增加，需要更高的电压来对双相流进行电离。
a、b：针对特定模型的帕邢模型的调节参数，其考虑根据双相流的调节以及根据电极和反应室的配置的调节。
Vb：原则上是为了开始气体电离而由电源发出的电压。
通过相应地调节这些参数，建立了电极之间的距离(de)、蒸气压力和由电源发出的最大电压之间的相关性，如图6所示。
通常，电极之间的距离不足以估计所述电压。配置和介电系数在电场的产生过程中起着非常重要的作用；这就是为什么反应室的设计应该经受静电模拟以估计最大电场及其分布的原因。
图7示出了真实反应室的轴对称模拟，其中可以观察到体积中的电场分布。另外，呈现了通过反应室内的纵向路径的电场强度的曲线图。该信息非常有用，因为允许识别气态成分的电离将开始的区域，以确保气态成分的所述电离发生在正确的位置，且可在两个电极之间产生导电路径，以产生稳定的等离子体通道。在这种特定情况下可以看出，电场在反应室的中心区域处于其最大值，该中心区域恰恰是等离子体预期开始的位置。
电容性电极的使用允许电容性地将电荷注入到双相流，从而促进等离子体的均匀化，产生从反应室的壁到内部的分布式电路径，使用反应室壁的电介质作为介质来施加分布式放电，如图8所示。可以注意到，该配置类似于电容器，反映了反应室的壁附近的区域中的电容分隔。该实施方式改善了等离子体的均匀化并降低了液滴在粘附到反应室的壁上时的亲附力，获得了反应室中的液相和等离子体之间的改善的相互作用。
在气态部分中产生的非热等离子体的能量密度例如在0.144W/mm3和7W/mm3之间的范围内。
例如，当使用内径为2.61mm的等离子体反应器、喷嘴具有1.5mm的约束和等离子体形成的活性区长35mm时，可使用880W达到7W/mm3的能量密度。
另外，当使用内径为9.8mm的等离子体反应器、喷嘴具有0.6mm的约束和等离子体形成的活性区长500mm时，可使用500W达到0.0133W/mm3的能量密度。
利用流消除由等离子体产生的热量。不需要消除热量的附加装置。
一旦等离子体由于电离而被引发，等离子体就稳定地操作。为此，需要足够的电流来在被称为辉光放电(E-H)的操作区中操作，从而避免过渡到电弧放电(H)，如图9所示。
因此，电源应该能够在两个不同的操作点处工作：
1.根据帕邢定律，触发气体电离所需的高电压和低电流点。
2.中压和受控电流操作点，以保持等离子体在根据图9的点E和J之间的“辉光放电”区域和“非热电弧放电”区域中操作。
电源的操作
由于当等离子体未被引发时，反应室表现为开路，且为了解决在两个不同操作点工作的问题，设计了包含谐振模块的电源，该谐振模块能够在未感知到显著负载(等离子体未被引发)时累积能量，因此在出口处电压增加若干倍。在谐振器附近是级联的升压变压器，该升压变压器被设计成具有正确的匝数比，以提供用于在辉光放电模式下操作所需的电压和电流。
图10示出了电源和反应室的简化模型，其中***从初始逆变步骤获得馈送，建模成调节到***的谐振频率如LR和CR的CA电源、具有电感和磁化损耗Lk和Lm的理想变压器以及操作中的反应室如RLC电荷(Rp、Lp、Cp)。
如上所述，在两种操作模式下，该模型具有两条类似的二阶响应曲线，其中在没有引发等离子体的情况下(图11中的红色曲线Ho(S))，在谐振频率下产生电压增益的无限渐近线，且在引发等离子体的情况下，根据电阻电荷(图11中的蓝色曲线HI(S))，产生有限增益。
这样，可调节反应室的操作参数，修改谐振器和升压变压器的结构方面。
如图12所示，能量供应***包括以下主要部件：
a.恒定连续电压源(VDC)。
该电源给***提供能量，且在一定范围内，可根据电压来修改***的功率。
其基本操作参数为：
Vo：由源发出的连续电压。
Io(rms)：在源的出口处测量的以RMS值为单位的电流，允许计算***的输入功率以及Vo电压。
b.将交流信号中的连续电压转化成所需的谐振频率的反相步骤。
其基本操作参数为：
Fc：开关频率，其应当调节到***的谐振参数。
在反相步骤中使用***来自调节频率的可能性，利用***的自然谐振频率进行调谐，产生了显著的益处。这是由于所述共振频率主要在等离子体产生之前和之后的时刻之间变化，而且还由于改变反应室的阻抗的其他因素，例如液体的温度和电导率。
c.谐振级，其在等离子体尚未引发时累积能量并逐渐增加电压，以实现其电离。
其基本操作参数为：
Fres：是谐振频率，其应当选择以获得与***的其余部分的最大耦合。
在最佳耦合条件下获得最大的电压增益，这转化成等离子体的稳定性。如果***的频率从谐振频率显著漂移，则***在等离子体产生过程中失去稳定性。
Umax：存储在谐振器中的最大能量。尽管理想谐振器的模型允许能量无限累积，但是实际上电感器和电容器具有最大工作电压和电流，如果超过最大工作电压和电流的话，则可能破坏电感器和电容器。待储存的能量的量将取决于腔室的稳定性要求和所需的最大电压。
使用具有多个彼此电绝缘股线的绞合线缆(利兹线)，允许减少由“集肤效应”产生的损耗，因为在以50kHz的频率工作并具有铜股线的情况下，集肤深度约为292um。
在增加连接到反应室的电压信号的Fres谐振频率的情况下，在电极的介电排放部分中改善等离子体的产生，因为所述部分通过具有电容性行为，其阻抗随着频率的增加而降低，允许更好地将功率传输到反应室内。
d.变压器，具有的匝数比允许等离子体在已经开始时稳定操作。
其基本操作参数为：
N1/N2：匝数比。
在保持相同匝数比的情况下，N1和N2的匝数量的增加改善变压器的初级和次级的磁耦合，这允许更高的功率传输。应当认为，一旦等离子体开始，就需要更高水平的瞬时电流；这就是为什么在变压器耦合的设计中应该考虑这种现象的原因。
较低的匝数比(高仰角)允许调节和限制输送到等离子体反应室的电流，从而将放电保持在辉光放电状态。通过限制电流，还限制要输送到反应室的最大功率量；这就是为什么应该选择合适的匝数比以提供期望的功率，但不影响辉光放电状态的原因。
Lk：漏电感。
Lm：磁化电感。
Vp：变压器初级侧的电压。
Ip：变压器次级侧的电流。
漏电感和磁化电感随着变压器初级侧的匝数而增加，这转化成当产生等离子体时***的谐振频率的较小漂移。
e.具有根据是否引发等离子体而可变化的负载的反应室被建模成RLC***，因为RLC***可由于构造因素而显示电感和电容性行为。
其基本操作参数为：
Rp：是电阻分量，其对应于耗散等离子体以用于其操作的能耗。
Lp：是电感分量，其对应于由等离子体中心通道产生的效应。
Cp：是电容分量，主要与增加电场但不与流体直接恒定的“电容性电极”的效应相关联。
考虑到构成本发明的各方面的结合，根据本发明的优选实施例和所提出的设计考虑，获得一种反应室，该反应室在用于处理连续流中的液体的方法和***下操作，该方法和***不仅在能量方面有效而且例如在污水处理方面也有效。
词汇表
气泡：未溶解在液体中的气体的主体。
双相流的凝聚：双相液体/气体流与排放的液体流之间的过渡，其中双相流体在与液相的非弹性碰撞过程中减慢，改变了将液相驱动到反应室外部的压力的移动量的变化。
气体-液体体积分数：气体部分的体积与液体部分的体积之间的比例。
液相：含有溶解的气体和气泡的液体，其处于液体体积部分远大于气体体积部分的比例下。
双相流：含有溶解的气体、蒸气、气泡和悬浮液滴的流体流，其处于气体体积部分远大于液体体积部分的比例下，且压力低于大气压但大于液体的蒸气压力。
反应室：一种装置，其通过入口开口接收处于液相的高压流体，使流体加速，使流体雾化并通过喷嘴降低流体的压力，将流体转化成双相流，通过电极施加电场而对双相流进行电离，使双相流凝聚成液相并通过出口开口喷射凝聚的双相流。
湍流：以压力和速度的快速时空变化为特征的不规则流。
喷嘴：通过其入口和排出口之间的压力差使流加速的元件，将压力形式的机械能转化成动能。
击穿电压：将双相流中的电场升高到足以破坏介电容量并对双相流进行电离从而开始产生等离子体所需的电压。
部分绝热蒸发：当流暴露于低于其饱和压力的水平的压降时产生的液体的蒸发，迫使液体部分蒸发。由于这是绝热过程，因此蒸发使用液体的内部能量。
非弹性碰撞：一种类型的碰撞，其中不保持动能且主体的速度变得相等，从而保持***的相同量的动量。
非热等离子体：在低于大气压的压力下产生的低电流和高电压的等离子体类型，其激发电流低于10A，包括以下类型的等离子体的形成：辉光放电、异常辉光放电以及向非热电弧放电的转变。
限流器：限制可循环到电荷的最大电流量的装置。该装置可以是稳定自调节***形式的无源装置，或者是反馈控制器形式的有源装置。
Claims (25)
1.一种用于处理连续流中的液体的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.通过至少一个喷嘴，在湍流条件下使液体流朝向反应室加压和加速；
b.通过所述反应室中的至少一个入口开口在所述反应室中接收所述液体流，将所述液体流引导到所述反应室的入口区段；
c.在所述入口区段中将所述液体流转换成双相液体-气体流；
d.通过所述至少一个喷嘴，将所述双相流引导到所述反应室的中心区段，在所述中心区段中施加电场，使得所述双相流在所述反应室的中心区段中接触所述反应室的内壁，其中所述反应室具有介于0.10至0.99之间的轴向动量效率值，其中，所述轴向动量效率对应于由于沿着所述反应室的流的轴向速度的损失而导致的所述双相流的动量的损失，并且所述轴向动量效率使用以下方程来计算：
其中，
ηmomentum是所述轴向动量效率；
A1是在所述反应室的入口区段处约束的喷嘴横截面；
A2是所述反应室的在所述中心区段处的横截面；
Pv是流体的蒸气压力；
p1是入口流体压力；
p2是排放流体压力；
ηnozzle是动能中压力变化的能量转换效率，用以下公式计算：
其中，
是质量流；
ΔP是所述喷嘴的压力差；并且
ρLiq是液体密度；
e.由于所述双相流与所施加的电场之间的相互作用，使得对穿过所述中心区段的所述双相流的气态部分进行电离；
f.维持在所述反应室的整个所述中心区段产生非热等离子体的电离状态，其中通过控制在所述中心区段中施加的所述电场来维持所述状态；
g.将经历所述电离状态的所述双相流引导到所述反应室的除了施加所述电场的所述中心区段之外的排放区段，产生所述气态部分的去离子化并使所述双相流降低其速度，由此使得双相流凝聚；以及
h.通过所述反应室中的至少一个排放开口从所述排放区段移除经处理的流体流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在湍流条件下加速的流体流在所述反应室的入口区段中产生压降，促进所述双相流在形成所述双相流的相之间具有大的接触表面。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过溶解在待处理流体中的气体的部分释放及其部分蒸发，来促进将所述液体流转换成双相流的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中心区段包括至少一对电极，所述至少一对电极产生放电以产生在所述中心区段中施加的所述电场。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述双相流中获得等离子体放电的步骤包括：在所述电极之间施加电场，所述电场的强度超过所述双相流的气相的击穿电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电场通过所述电极之间的电势差而产生，其中所述电势差由至少一个高频电源施加。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，维持产生非热等离子体的电离状态的步骤包括使用限流器，以限制循环通过所述电极的电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述限流器集成在施加所述电势差的所述至少一个电源中。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将经历等离子体状态的所述双相流引导到所述反应室的排放区段包括：将所述双相流重新转换成液体流。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述等离子体具有介于0.144W/mm3至7W/mm3之间的能量密度。
11.一种用于处理液体的反应室，其特征在于，所述反应室包括：
-至少一个入口开口，通过所述至少一个入口开口在所述反应室中接收待处理的液体流，其中所述液体流被加压；
-入口区段，在所述入口区段中，所述待处理的液体流转换成双相液体-气体流；
-中心区段，所述中心区段被配置成在所述反应室内施加电场，对穿过所述中心区段的所述双相流的气态部分进行电离，并维持电离状态，通过控制所施加的电场而在整个所述中心区段中产生非热等离子体；
-排放区段，所述排放区段与具有电场的所述中心区段相邻，在所述排放区段中产生所述气态部分的去离子化，并使所述双相流的速度降低，由此使得所述双相流凝聚；以及
-排放开口，通过所述排放开口移除经处理的液体流，
其中，所述反应室的所述入口区段包括至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴布置成在湍流条件下使所述液体流加速，促进所述双相流在构成所述双相流的相之间具有更大的接触表面，
其中，所述喷嘴以湍流的方式将所述双相流的一部分朝向所述反应室的内壁引导，主要是朝向位于所述反应室的中心区段中的内壁引导，
其中，所述反应室具有介于0.10至0.99之间的轴向动量效率值，其中，所述轴向动量效率对应于由于沿着所述反应室的流的轴向速度的损失而导致的所述双相流的动量的损失，并且所述轴向动量效率使用以下方程来计算：
其中，
ηmomentum是所述轴向动量效率；
A1是在所述反应室的入口区段处约束的喷嘴横截面；
A2是所述反应室的在所述中心区段处的横截面；
Pv是流体的蒸气压力；
p1是入口流体压力；
p2是排放流体压力；
ηnozzle是动能中压力变化的能量转换效率，用以下公式计算：
其中，
是质量流；
ΔP是所述喷嘴的压力差；并且
ρLiq是液体密度。
12.根据权利要求11所述的反应室，其特征在于，所述喷嘴包括排放区段，所述排放区段通过增加所述喷嘴的所述排放区段的横截面而扩展到所述反应室中，在所述反应室的入口区段中产生压降。
13.根据权利要求11或12所述的反应室，其特征在于，所述喷嘴使所述流体流加速，以达到介于15m/s和60m/s之间的速度。
14.根据权利要求11或12所述的反应室，其特征在于，所述中心区段包括至少一对电极，所述至少一对电极产生放电以产生在所述中心区段中施加的所述电场。
15.根据权利要求14所述的反应室，其特征在于，所述电极之间的电场的强度超过所述双相流的所述气态部分的击穿电压。
16.一种用于处理连续流中的液体的***，其特征在于，所述***包括：
-至少一个根据权利要求11至14中任一项所述的反应室，所述反应室被布置成接收用于处理的流体流；以及
-至少一个限流器，所述至少一个限流器能够控制在所述反应室的所述中心区段中施加的电场，限制循环通过所述电极的电流。
17.根据权利要求16所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述反应室上游的至少一个高压泵，以在所述待处理流体进入所述反应室之前对所述待处理流体进行加压，并使流体压力增加到在2至70巴的范围内。
18.根据权利要求17所述的***，其特征在于，所述***还包括压力计，所述压力计放置在所述至少一个高压泵和所述反应室的所述至少一个入口开口之间，用于控制所述反应室的供给压力。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括在所述反应室下游的至少一个真空泵，以朝向所述反应室的所述至少一个排放开口产生真空。
20.根据权利要求19所述的***，其特征在于，所述***还包括真空计，所述真空计放置在所述反应室的所述至少一个排放开口与所述至少一个真空泵之间，用于控制所述反应室的所述排放区段中的真空水平。
21.根据权利要求16至18中任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括流量计，所述流量计在所述反应室的下游，用于控制经处理的液体的流速。
22.根据权利要求16至18中任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括至少一个高频电源，其中所述电场通过所述反应室的所述中心区段中的至少一对电极之间的电势差而产生，其中所述电势差由所述至少一个电源施加。
23.根据权利要求22所述的***，其特征在于，所述至少一个限流器集成到施加所述电势差的所述至少一个电源。
24.根据权利要求16至18中任一项所述的***，其特征在于，所述反应室的所述排放区段中的所述至少一个排放开口连接到其横截面大于所述排放开口的至少一个管道，从而促进所述双相流重新转换成液相。
25.根据权利要求16至18中任一项所述的***，其特征在于，所述***包括彼此串联连接或并联连接的两个或更多个反应室。
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