Sergeiva13 Feb 23 at 14:06

Псевдоожижение Часть1

Medium

24 min

1.3K

Псевдоожижение: что это такое и зачем оно, виды псевдоожижения, определения.

Существует три классических агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное [1]. Это агрегатные состояния, которые могут переходить друг в друга в зависимости от соответствующей комбинации температуры и давления. Известно также четвертое состояние вещества: плазма, в которую газы переходят при высокой температуре и фиксированном давлении.

Классические агрегированные состояния материи широко распространены в среде человека, и человек научился обращаться с ними, чтобы перемещать и преобразовывать их для своих нужд.
    Для транспортировки используются закрытые емкости для газов и жидкостей (хотя они не обязательно должны быть герметичными для жидкостей) и различные трубопроводы, которые частично или полностью изолированы от внешней среды. Что же касается материи в твердом состоянии, то люди изобрели большое количество устройств, агрегатов и транспортных средств для ее перемещения.
       Поговорим более подробно - о твердом агрегатном состоянии вещества.
    Сначала нужно добыть природные ресурсы. И делается это разными способами. Некоторые вещества извлекаются в естественной форме, например, в виде обычного песка. Но для многих природных веществ при их извлечении используются различные другие методы (вплоть, до взрывов). И часто, после этого, большие куски породы, все же, приходится уменьшать в размерах, чтобы их можно было транспортировать.
     Затем, эти вещества при необходимости дополнительно измельчаются. Это могут быть частицы размером с гравий, которые используются в качестве основы для автомобильных и железных дорог и в строительстве, как песок, который используется для плавления алюминия, получения чистого кремния для электроники, керамики и т. Д. Измельчение проводят до получения порошка. в котором отдельные частицы больше не видны - невооруженным глазом. И здесь применение твердого вещества действительно безгранично, так как оно применяется практически во всех сферах жизни и деятельности человека.
     Здесь следует отметить, что трудно ожидать, что полученные частицы будут одинаковыми по форме и размеру, так как значительная часть процессов измельчения твердого вещества происходит механически.

И в природе происходят подобные процессы, которые, однако, длятся миллионы лет и доходят, например, до консистенции песка. Но у людей нет такого времени, и поэтому они должны использовать методы для активизации таких процессов.

Конечно, механическое измельчение - не единственный способ получить мелкие твердые частицы. Например, для металлов - существует целая отрасль, называемая порошковой металлургией [2]. Он занимается не только изготовлением порошковых изделий, но и изготовлением металлических порошков и их дальнейшей обработкой. В этом случае помимо механических методов получения металлических порошков используются химические методы измельчения, электролиз, центрифугирование и другие методы. И здесь, также, нельзя гарантировать, что будут получены частицы абсолютно одинаковой формы и размера. Однако такая сложная задача ставится только в определенных, конкретных случаях, которые здесь не рассматриваются.

После завершения этапа измельчения требуются дальнейшие действия с полученным материалом (например разделение на фракции: по размеру частиц).

Но, когда мы говорим о разделении частиц на фракции по размеру, то, фактически, имеем в виду определенный диапазон средних размеров таких частиц, например от 1 до 5 см (мм, мкм ...).

Кроме того, частицы могут подвергаться другим видам воздействия, таким как, например, обезвоживание, дегазация, легирование и т. д. В результате получается твердый материал, состоящий из отдельных гранул (частиц) и применяемый в различных технологических процессах в пищевой и медицинской технике. используется в промышленности, различных областях химии, машиностроения и др.

На пути интенсификации описанных выше процессов, человек сталкивается с большими трудностями. Даже если вещество, состоящее из отдельных твердых частиц (например, песок), просто просеивается через сито, сито «забивается», и процесс просеивания замедляется и, даже, может полностью остановиться.
Однако человека отличает наблюдательность и умение делать выводы. Возможно, кто-то заметил, что вещество, состоящее из мелких твердых частиц, принимает внутреннюю форму сосуда, в котором это вещество находится: точно так же, как жидкость. Также известно, что при определенных условиях ученые получали "капли" песка [3] [4].

Но самый известный и наиболее распространенный метод, в котором среда из мелких твердых частиц ведет себя как жидкость, — это, конечно, метод, известный как «псевдоожижение» или «псевдоожиженный слой» [5].
Суть процесса заключается в том, что в емкость помещается вещество, состоящее из мелких, твёрдых частиц, а снизу под давлением - подается жидкость или газ. При определенном давлении жидкости или газа частицы твердого вещества начинают преодолевать силу тяжести и силы сцепления друг с другом и с поверхностью, на которой они изначально расположены, и начинают интенсивно двигаться. В этом случае вещество приобретает свойства жидкости, а сам процесс, визуально, выглядит как кипящая жидкость. Отсюда - и название процесса.
Здесь вроде бы все ясно: чтобы добиться псевдоожижения, необходимо пропустить жидкость или газ с необходимым давлением через слой твердых частиц. И, получите это!

Однако существует второй известный метод псевдоожижения, работающий без жидких или газообразных веществ: это так называемое вибрационное псевдоожижение [6]. И этот вид псевдоожижения известен давно. В древности, например, его использовали для просеивания песка при строительстве и гончарном производстве (и используют его до сих пор).
В этом процессе псевдоожижения твердые частицы вещества получают восходящее ускорение из-за толчка поверхности, на которой они расположены, и возвращаются обратно под действием силы тяжести. И здесь жидкость или газ не играют никакой роли в движении твердых частиц, поэтому этот процесс в принципе может происходить и в вакууме. Но, конечно, как и первый процесс – в присутствии гравитации. Но, в силу своей специфики, этот вид псевдоожижения используется гораздо реже, чем псевдоожиженный слой.

Здесь важно, что эта псевдоожиженная среда приобретает свойства жидкости в обоих процессах. А это означает, что частицы этой cреды могут легче перемещаться. Собственно говоря, псевдоожижение направлено, в первую очередь, именно на перемещение мелких, твердых частиц вещества, но при этом, также, могут быть реализованы различные технологические процессы.

В Интернете есть масса информации о псевдоожижении (флюидизации). Например, на YouTube есть много видеороликов, демонстрирующих разные типы псевдоожижения: как для использования в различных технологических процессах, так и для развлечения. Например, оба типа псевдоожижения показаны в [7]. Видно, что псевдоожиженная среда (в данном случае песок) ведет себя как жидкость. Тяжелые предметы тонут, а легкие выталкиваются на поверхность и раскачиваются на поверхности этой среды. В другом видеоролике [8] – показано использование псевдоожижения в развлекательных целях.

Конечно, имеется и огромное количество информации об использовании псевдоожижения в различных технологических процессах. Так, фирма немецкая фирма Buss-SMS-Canzler GmbH производит сушилки Combi Fluidization Technology / CFT [9]. В этом устройстве используется метод псевдоожижения (в псевдоожиженном слое), при котором газ проходит через гранулированную среду. Это всего лишь один пример того, как псевдоожижение можно использовать в производстве.
Это может показаться абстрактным, но тогда вспомним устройства для получения так называемой «воздушной кукурузы», которые встречаются в кинотеатрах… Там, в потоках горячего воздуха, подаваемого снизу, «пляшут» зёрна кукурузы, «взрываясь» и увеличиваясь в размерах и это очень похоже на процесс псевдоожижения…

И здесь возникает вопрос, какой фактор (или факторы) вызывает эффект псевдоожижения? Если это возможно, это поможет создать другие типы псевдоожижения, которые могут расширить возможности науки и техники.

Отметим, что в природе - многое поразительно повторяется на разных уровнях. Например, и раковины улиток на Земле, и многие галактики в космосе имеют форму, похожую на спираль Архимеда [10]. Воронки, образующиеся в воде различных водоемов, также вращаются по форме спирали Архимеда. Наконец, вода из ванной точно так же стекает в сливное отверстие (здесь также можно отметить, что с уменьшением радиуса вихря - поток воды ускоряется, что может пригодиться нам - в дальнейшем).

Почему бы, тогда, не попытаться найти и аналогии процесса псевдоожижения?

Мы исходим из предположения, что твердые частицы, участвующие в процессе движения во время псевдоожижения, имеют разные размеры и формы. И, поэтому, независимо от характера сил, вызывающих их движение, они начинают двигаться в разных направлениях (не обязательно строго вертикально) и с разным ускорением. Двигаясь вверх, они сталкиваются с другими частицами, изменяя направление своего движения и далее перемещаются также, случайным образом. Каждая частица достигает своей высоты, когда действие силы, толкающей ее вверх, и гравитации уравновешивается, а затем они движутся вниз, образуя противоток частиц. Также есть столкновения, изменение направлений движения, возможно создание и разрушение временных агломератов частиц. В целом такое движение можно назвать хаотичным, беспорядочным, случайным.
Какие здесь могут быть аналогии? С броуновским движением [11]!

Как известно, это движение было обнаружено Робертом Брауном в 1827 году. Броуновское движение - является ярким подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул, которое является основной позицией молекулярно-кинетической теории. Экспериментально подтверждено, что твердые частицы, размером менее 3 микрометров, непрерывно движутся или вращаются по сложным траекториям. В этом случае броуновские частицы обычно не тонут и не плавают, а вместо этого взвешиваются, например, в воздушной среде. И здесь можно увидеть аналогию между броуновским движением - и псевдоожижением.
Попробуем найти хотя бы одно, более наглядное, подтверждение этому предположению.

В книге для радиолюбителей [12] в разделе, посвященном самостоятельному изготовлению высоковольтного электростатического генератора Ван де Граафа [13], рассмотрено несколько примеров практического использования генератора. Одним из таких примеров было создание визуальных эффектов с помощью куска прозрачного пластикового цилиндра, закрытого с обоих концов алюминиевыми колпачками, которые являются электродами. А внутри цилиндра – были кусочки пробки, покрытые графитом. Если эта секция цилиндра стоит вертикально на одном из электродов, и определенная разность потенциалов приложена от генератора высокого напряжения к электродам, то эти покрытые пробкой куски графита начинают беспорядочно перемещаться между электродами в электрическом поле. Было интересно наблюдать за этим, но было непонятно, можно ли это хоть как-то использовать на практике.
И, конечно, это более безопасно, чем то, что часто делают радиолюбители на YouTube, используя высоковольтные трансформаторы и умножители напряжения (от старых телевизоров, с электронно-лучевой трубкой). Всё это: для получения красивой, но жизненно опасной, электрический дуги, в результате электрического пробоя воздуха...
Но, в 1984 году, в бывшем Советском Союзе, на русском языке, была издана монография [14], посвященная новому виду псевдоожижения: электродинамическому псевдоожижению дисперсных систем (так назвал этот явление: автор монографии).
Кратко ознакомимся с этим явлением на примере созданной мной рабочей модели, в которой проводилась электродинамическое псевдоожижение. Модель представляла собой небольшую прямоугольную коробку (примерные размеры: высота 2 см, длина и ширина 5 х 2 см) из тонких листов прозрачного электроизоляционного пластика 2 (оргстекла) без основания и крышки. Вместо дна и крышки были приклеены кусочки медной фольги 3 (размером с коробку), чтобы создать герметичное пространство. Перед приклеиванием второго куска медной фольги, внутрь было засыпано небольшое количество порошка искусственного твердого графита, с размером зёрен: примерно 5–20 мкм.
Конечно, там был и обычный воздух, в котором образовавшийся параллелепипед был герметично «запечатан» (заклеен). По аналогии с устройством из [12] днище и крышка представляли собой параллельно расположенные электроды 3, подключенные к регулируемому источнику высокого напряжения (через выводы 4). Параллелепипед с электродом располагался на горизонтальной поверхности, а порошок, состоящий из электропроводящих твердых частиц 6 графита, лежал на нижнем электроде. Выглядело это, примерно, так:

В качестве источника высокого напряжения – был использован блок питания широко известной «Люстры Чижевского», предназначенной для получения отрицательно заряженных ионов воздуха. Только он был доработан, чтобы получить возможность регулирования выходного высокого напряжения:

При подаче напряжения от этого источника, в межэлектродном пространстве формировалось электрическое поле, напряженность которого определялась как разностью потенциалов источника напряжения, так и постоянным расстоянием между электродами. Маленькие, твёрдые, электропроводные частицы 6 порошка, лежащие на нижнем электроде 3 и друг на друге, получали заряд от этого электрода. При этом, между этим электродом и частицами на нем, возникли кулоновские силы отталкивания. Пока напряженность поля была низкой, частицы оставались на нижнем электроде. Однако, по мере увеличения напряженности электрического поля, сначала некоторые частицы, а затем все - преодолевают силы сцепления и силу тяжести и перемещаются к верхнему электроду из-за кулоновсэлектрода и пр, обзауется два встречных потока ких сил притяжения. После того, как эти частицы касаются другого электрода, они передают ему существующий заряд и принимают заряд от верхнего электрода, отталкиваются кулоновскими силами и летят вниз. Однако, из-за различных моментов начала движения частиц, их касания противоположного электрода, образуется два встречных потока частиц с противоположными знаками зарядов. Частицы сталкиваются друг с другом, обмениваются зарядами, слиаются в агломераты, которые разрушаются, менятся траектории полета частиц и так далее.
Таким образом создается автоколебательное, беспорядочное движение частиц в пространстве, между электродами. Их движение обусловлено кулоновскими силами отталкивания и притяжения, но внешне напоминает движение твердых частиц в известных типах псевдоожижения, что, вероятно, и привело автора монографии к выводу, что это явление также является разновидностью псевдоожижения.
Конечно, почти одинаковый вид проявления некоторых процессов не является достаточным основанием для определения их идентичности…

Следует отметить, что, в отличие от, так сказать, двух «классических» видов псевдоожижения, это вид удобен для исследований тем, что их можно проводить: на обычном столе, чем автор статьи и воспользовался 😊.
И, было обнаружено, что иногда (случайным образом), при изменении напряженности постоянного электрического поля, характер процесса внутри замкнутого объема кардинально меняется: вместо автоколебательного, случайного движения частиц, пространство между электродами оказывалось заполненным одинаковыми объемными фигурами, типа пчелиных сот (определённо, я, не первым, наблюдал это явление).
Я стал искать аналогии и обнаружил, что аналогичные структуры, иногда образуются - и при броуновском движении.И это были: фракталы [15].
Из этого источника известно, что термин «фрактал» был введен в 1975 году математиком Бенуа Мандельбротом. В 1977 году вышла его книга «Фрактальная геометрия природы», которая приобрела большую популярность, а развитие компьютерных технологий сделало возможным визуализировать эти структуры. Но, в этом случае, фракталы являются, так сказать, «естественными» (без использования компьютерных технологий).
Слово «фрактал» используется не только, как математический термин. Ведь многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например, облака, снежинки, цветная капуста Романеско и папоротники, а также альвеолы, в легких человека.
Но здесь, однако, важно наличие так называемых стохастических фракталов, типичным проявлением которых является траектория броуновского движения на плоскости и в пространстве [11].
Таким образом, образование фракталов в межэлектродном пространстве доказывает, что псевдоожижение является аналогом броуновского движения. А фактором, определяющим псевдоожижение, является генерация случайного (вероятностного) движения твердых частиц под действием внешних сил, в ограниченном пространстве.
Это касается не только этого вида псевдоожижения, но и вышеуказанных двух видов псевдоожижения.
На основании этого заключения можно дать новое определение способа псевдоожижения:

Псевдоожижение — это процесс, в котором твердые частицы среды, находящейся под действием внешних сил в ограниченном пространстве, совершают случайное (вероятностное) движение, в то время как эти внешние силы определяются размером твердых частиц и свойствами материала, из которых состоят твердые частицы псевдоожиженной среды.
Это определение подходит как для «классических» типов псевдоожижения (гидродинамический «псевдоожиженный слой» и вибрационный слой), так и для рассматриваемого здесь нового - электродинамического.
Также можно сделать вывод, что в будущем можно будет найти другие типы псевдоожижения с использованием других внешних сил или их комбинаций.

Конечно, электродинамический процесс псевдоожижения, несколько, отличается от уже известных типов псевдоожижения, но суть псевдоожижения не меняется:
- Среда состоит из твердых, электропроводящих, заряженных частиц, размер которых составляет от долей микрометра до нескольких десятков микрометров.
- Ограниченное пространство, в котором происходит процесс псевдоожижения, находится в электрическом поле, созданном между двумя соседними электродами, электрически изолированными друг от друга и соединенными проводами, выходящими за пределы этого ограниченного пространства, без потери герметичности (при необходимости) в зоне псевдоожижения.
- Силы, переводящие твердые электропроводящие заряженные частицы среды в состояние псевдоожижения, — это силы кулоновского отталкивания и притяжения в электрическом поле межэлектродного пространства.
- Объем частиц, участвующих в процессе псевдоожижения в любой момент времени, не превышает 1% ограниченного пространства, в котором происходит псевдоожижение. Это связано с тем, что здесь два потока противоположно заряженных частиц движутся навстречу друг другу в межэлектродном пространстве, где частицы взаимодействуют друг с другом, теряют и приобретают заряд, образуют и тут же разрушают кластеры частиц и так далее. Это означает, что имеет место вероятностный процесс, при котором из него просто «выпадает» большее количество частиц [14].

На основании вышеизложенного, можно определить и способ электродинамического псевдоожижения:
Электродинамическое псевдоожижение - это процесс, в котором твердые, проводящие, заряженные частицы микро- и нано- размеров, которые расположены в ограниченном пространстве между по крайней мере одной парой электродов, к которым приложено электрическое напряжение, которое создает электрическое поле в этом межэлектродном пространстве, где частицы 6 беспорядочно (вероятностно) движутся под действием кулоновских сил, а общий объем частиц 6 не превышает 1% от объема замкнутого пространства, в котором происходит электродинамическое псевдоожижение.

Следует отметить, что автор монографии [14] использовал материалы своих предшественников, а также сам провел многочисленные эксперименты, исследования и расчеты, в результате чего пришел к выводу, что метод (способ) электродинамического псевдоожижения может быть использован для различных технологических целей, таких, как восстановление и окисление твердых электропроводящих частиц, гетерогенных и каталитических процессов, введения легирующих примесей на частицы и очистки их поверхности.
К сожалению, эта монография никогда не публиковалась на других языках, кроме русского, и поэтому не стала известна большому количеству специалистов в других странах.

В упомянутой работе, также, упоминается возможность реализации различных инструментальных решений, но именно этот аспект практически не рассматривался, так как на момент написания статьи у автора монографии было только одно изобретение по данной теме [18]. Кроме того, автор сам отводил техническим решениям, даже связанным напрямую с технологиями обработки самого порошка, - второстепенное значение ([14], с. 120, 121).

Кратко рассмотрим наиболее важные достоинства и недостатки метода электродинамического псевдоожижения с точки зрения реализации, как в технологиях, так и в устройствах.

1. Основным недостатком этого метода является то, что твердые частицы должны обладать определенной электропроводностью согласно принципу такого псевдоожижения. Однако экспериментальные исследования [14] показали, что псевдоожижению подвергаются твердые частицы, материал которых относится к проводникам, полупроводникам и даже плохим диэлектрикам. Следовательно, этот процесс псевдоожижения может применяться к довольно широкому спектру материалов.
2. Электродинамический процесс псевдоожижения требует высокого постоянного напряжения, что увеличивает профессиональный риск для людей. Однако тенденция развития технологий состоит в том, что современные технологии все чаще используют электрические поля высокой интенсивности. Иногда, как говорится, просто «незаметно». Например, в [19] приведен пример устройства для измерения числа оборотов, в котором используется жидкокристаллический индикатор, в котором слой жидкокристаллической среды, который расположен между электродами, имеет толщину менее 10 микрометров. Если напряжение питания этого небольшого портативного устройства составляет от 5 до 9 вольт, легко вычислить напряженность электрического поля [20] в межэлектродном пространстве:

E = U: h = (5 – 9):10 ·10-6 = (5 -9) ·105 = 500.000 – 900.000 (V·m-1).

Именно, при такой напряженности электрического поля, жидкокристаллическая среда меняет свои оптические свойства. Конечно, при использовании жидкокристаллической среды, важную роль играет очень низкое энергопотребление.

Но электродинамическое псевдоожижение также происходит с очень малым потреблением энергии, то есть с малыми токами. Однако известно, что опасно не высокое напряжение, а величина тока, протекающего по телу человека. В прошлом веке учителя физики в школах часто демонстрировали «фокус», когда ученик стоял на одном из электродов (в виде плоской пластины на изолирующем основании) электрофоретической машины [21]. И когда эта машина вырабатывает высокое напряжение, волосы на голове ученика, становятся дыбом. Но опасности для здоровья не было, потому что ток был - безопасно малый.
Здесь следует отметить тот факт, что высокие напряжения здесь обусловлены как большим расстоянием между электродами [20], так и малым размером частиц, так как твердые, электропроводные частицы такого размера имеют высокую силу адгезии к материалу электродов, которая существенно превышает силу гравитации для таких частиц [14]. По этой причине, к примеру, трудно разъединить листы стекла, лежащие друг на друге, a, чтобы их разъединить, стекла сдвигают (параллельно, jотносительно друг – друга).
3.      В [5] было отмечено, что для варианта циркуляционного кипящего слоя, доля твердых веществ в свободном пространстве в среднем на современных мусоросжигательных установках составляет менее 1%.
Для электродинамического псевдоожижения также характерна низкая концентрация твердой фазы в области псевдоожижения: типичное количество псевдоожиженного вещества в каждое мгновение процесса не превышает 1% объема псевдоожиженной области.
Однако, учитывая размеры твердых электропроводных частиц, можно получить высокую скорость процесса, что будет в значительной степени компенсировать этот недостаток [14]. 4.      В [5] сделана ссылка на [22], где насыпные материалы для газовых / твердых псевдоожиженных слоев разделены на четыре так называемые «группы Гелдарта» (A - C). Наиболее сложной группой для процесса псевдоожижения признана группа C с частицами размером менее 20–30 мкм. Но именно этот диапазон размеров частиц хорошо подходит для электродинамического псевдоожижения.
5.      Как вибрационный, так и электродинамический типы псевдоожижения, в принципе, не требуют для своей работы каких-либо потоков жидкости или газа. Однако при электродинамическом псевдоожижении процесс может происходить в газовой среде, при условии, что этот газ обеспечивает электрическую прочность в области между электродами. Пассивная газовая среда будет сопротивляться движению твердых электропроводящих частиц, которые участвуют в электродинамическом псевдоожижении. Однако, если есть вакуум в области между электродами, скорость движения этих частиц увеличится, потому что теперь нет явления вязкости газовой среды.
6.      При высокой влажности в замкнутом объеме межэлектродной зоны, мелкие частицы, которые смешиваются с влагой, образуют влажное вещество (иными словами - «грязь») и оставляют токопроводящие следы (пусть, даже и не непрерывные) на изолирующих стенках в этой зоне, что, в итоге, приводит к короткому замыканию между электродами. А это, в свою очередь, может нарушить процесс псевдоожижения и, даже повредить источник высокого напряжения, что вообще приведет к прекращению процесса псевдоожижения.
            Но этого не произойдет, если внутренние поверхности зоны электродинамического псевдоожижения (за исключением электродов) будут покрыты антиадгезионнным покрытием.

Антиадгезионные покрытия в технике – хорошо известны. Так, например, финская фирма Alu-Releco Oy [23] выпускает покрытия типа Teflon® и другие фторопластовые покрытия, которые обладают антиадгезионными свойствами.
        Кроме того, изменение агрегатного состояния жидкости из-за изменения температуры и / или давления также может влиять на процесс электродинамического псевдоожижения, поскольку жидкость может либо закипеть, либо замерзнуть. И это, тоже, нужно учитывать.
            В то же время использование «сухого» (без жидкостей) процесса электродинамического псевдоожижения позволяет реализовать его в очень широком диапазоне рабочих температур, например, от минус 100 до плюс несколько сотен градусов Цельсия - при использовании подходящих строительных материалов для создания замкнутых объемов для электродинамического псевдоожижения.
           Наконец, электродинамическое псевдоожижение может происходить, не только в вакууме, но и в отсутствии гравитации, поскольку, в отличие от двух «классических» видов псевдоожижения, здесь эта сила, (по крайней мере, напрямую) – не используется.

Перечисленные особенности электродинамического псевдоожижения позволяют не только использовать его в технологических процессах ([9], [14]), но и создавать эффективные устройства в различных областях техники. Примером устройств, в которых используется электродинамическое псевдоожижение, являются устройства, описанные в моих немецких патентах [24] и [25]. Они используют явление автоколебательного движения маленьких твердых проводящих заряженных частиц в электрическом поле между параллельными электродами - в герметично закрытом объеме. Электродинамическое псевдоожижение там даже не упоминалось, хотя, теперь ясно, что это было его проявлением.

В [24] описано, что на основе плоского экрана могут изготавливаться и электронные жалюзи. Для этого отдельные ячейки объединяются так, что, например, в ряду ячейки имеют общие электроды (или отдельные электроды электрически соединены друг с другом). Возникает вопрос: почему на всю ширину электронных жалюзи используются отдельные ячейки, а не одна длинная? Дело в том, что каждая ячейка является модулятором света и для равномерного пропускания света по всему объему ячейки необходимо наличие однородного электрического поля, для чего электроды необходимо достаточно точно разместить параллельно, что довольно сложно обеспечить - при большой длине ячейки. Что касается реальности такого устройства, то после получения патента, автор принял участие в работе ежегодной, международной выставки изобретений в Нюрнберге (IENA-2005), где продемонстрировал работу макета электронных жалюзи, на таком принципе (в размерах формата Ф4), который он сделал дома, как говорится: «на коленке». И, получил за этот патент: золотую медаль …

Определенные неудобства в использовании таких жалюзи могут возникнуть из-за приложенного высокого напряжения. Это напряжение можно уменьшить при сохранении необходимой напряженности электрического поля в ячейках, уменьшив расстояние между параллельными электродами ячеек, но это не всегда целесообразно. Однако, применение высокого напряжения, можно будет использовать, для получение отрицательных ионов (то есть, получать, при работе таких жалюзи - еще и пользу для здоровья 😊).

И здесь предлагается новый вариант электродов для устройств с электродинамическим псевдоожижением с пониженным верхним значением электрического напряжения. Как упоминалось выше, высокая напряженность электрического поля определяется высокой адгезией мелких твердых электропроводящих частиц к электродам. И здесь предлагается использовать электроды с токопроводящим антиадгезионнным покрытием на их поверхности, что позволяет значительно снизить значения напряжения, необходимые для электродинамического псевдоожижения.

Ранее здесь упоминалось антиадгезионное покрытие Teflon® [23]. Но это покрытие является хорошим диэлектриком и, конечно, не может использоваться в качестве покрытия для электродов.

В изобретении [26] описан способ, в котором слой фторопласта наносится на металлическую подложку, при этом формируются микроскопические незащищенные области подложки с последующим заполнением образовавшихся микропор электроосажденным металлом. Это покрытие является электропроводным и имеет плохую адгезию, что делает его пригодным для использования в качестве покрытия для электродов.

В последнее время, широкое распространение получили полимеры, проводящие электричество без использования наполнителей [27]. За свое открытие в 1977 году исследователи Алан Дж. Хигер, Алан Дж. МакДиармид и Хидеки Ширакава получили Нобелевскую премию по химии в 2000 году. Этим электропроводящим полимерам можно придать множество свойств, что также дает надежду на создание антиадгезионных покрытий для электродов.

Помимо этих конструкций ячеек для реализации процесса электродинамического псевдоожижения, также использовались конструкции ячеек, показанные на рисунках 5 и 6 [24].

Очевидно, что во всех устройствах, использующих принцип электродинамического псевдоожижения, лучше иметь проводящее антиадгезионное покрытие на электродах.

Конечно, использование герметичного пространства для выполнения процесса электродинамического псевдоожижения сильно ограничивает возможности создания различных устройств. Было бы более эффективно создать пространство, в части которого - явление электродинамического псевдоожижения может быть сохранено, а при необходимости - открыть его, чтобы эти частицы могли перемещаться дальше.

На самом деле вовсе не обязательно понимать замкнутый объем как герметично закрытое пространство, в котором твердые электропроводящие частицы остаются только за счет наличия твердых стенок герметичной полости в межэлектродном пространстве. Можно ограничить движение псевдоожиженной среды по краям электродов, создав градиент электрического поля. В [14] предложены два варианта создания градиента электрического поля, которые ограничивают движение твердых проводящих частиц только областью, в которой электроды параллельны друг другу.

Это удобнее рассматривать для области с прямоугольным сечением.

В первом варианте градиент электрического поля создается за счет того, что концы плоских электродов 3 изогнуты под определенным углом, чтобы приближаться друг к другу все больше и больше. А в области сближения электродов напряженность электрического поля выше [20] (здесь и далее буквой «E» обозначается область с более высокой напряженностью электрического поля). По этой причине движение заряженных частиц 6 ограничено, поскольку они всегда стремятся перемещаться туда, где напряженность электрического поля ниже, то есть туда, где электроды 3 параллельны друг другу.

Во втором варианте вблизи концов плоских параллельных электродов 3 области электродинамического псевдоожижения имеются дополнительные электроды 7, которые электрически изолированы от параллельных (основных) электродов 3 и к которым приложено напряжение большей величины, чем напряжение основных электродов 3. Здесь также создается электрическое поле повышенной напряженности, которое препятствует выходу твердых, электропроводящих заряженных частиц 6 из зоны псевдоожижения. В этом случае выход (перенос) твердых электропроводящих заряженных частиц 6 из зоны основных электродов 3 обеспечивается отключением или понижением напряжения на дополнительных электродах 7. Однако наличие дополнительного источника высокого напряжения усложняет устройства с электродинамическим псевдоожижением.

И здесь, автор предложил объединить эти два варианта, что избавляет от необходимости использовать дополнительный источник высокого напряжения (Фиг.2):

Здесь пространство параллельных электродов 3 ограничено, с одной стороны, механической преградой (стенкой, как на Рис.1). С другой стороны, корпус 2 открыт и имеются дополнительные электроды 7, которые также электрически изолированы от электродов 3, но расположены под углом друг к другу и сближаются, как и в первом варианте создания градиента электрического поля. При включении одно и то же высокое напряжение подается от единственного источника высокого напряжения, как на основные электроды 3, так и на дополнительные электроды 7. И здесь также образуется зона с повышенной напряженностью электрического поля, что связано с соответствующим положением (формой) дополнительных электродов 7.
А, при необходимости перенос заряженных частиц 6 из зоны параллельных основных электродов 3 наружу обеспечивается выключением (понижением) напряжения на дополнительных электродах 7 (здесь и далее буквой «Е» обозначена зона с большей напряженностью электрического поля).

Рассмотрим еще один момент, когда мы используем явление электродинамического псевдоожижения. Максимальная напряженность электрического поля наблюдается в межэлектродном пространстве и падает за его пределами. Следовательно, если хотя бы один из двух электродов немного короче, чем расстояние между соответствующими стенками замкнутого пространства (или оба электрода заканчиваются, а пространство за ними – еще имеется), эти частицы перемещаются в том направлении, в котором напряженность электрического поля ниже. То же произойдет и при малейшем нарушении замкнутого пространства: возникнет, так сказать, «электронный ветер», который «выдувает» эти частицы наружу.
Именно этот эффект был использован в моём патенте [25]: «Ракетный электродвигатель с порошкообразным рабочим телом».
В этом случае, конечно, рабочий материал постоянно уходит и его нужно пополнять, для чего требуется так называемый «питатель». В условиях земной гравитации это может быть бункер, в котором находятся мелкие твердые электропроводящие частицы, оседающие под действием силы тяжести, а в условиях микрогравитации (в космосе) можно использовать, например, шнековый питатель или поршневой вытеснитель. В [14] - показан питатель, работающий по принципу электродинамического псевдоожижения, но рассчитанный на постоянную подачу порошка, что не всегда необходимо устройствам, использующим этот способ. Но главное здесь, чтобы эти частицы попадали в межэлектродное пространство - через отверстие одного из электродов, чтобы получать заряд - от этого электрода.

Наконец, можно намеренно создать градиент электрического поля, в котором твердые проводящие частицы продолжают колебаться между электродами, но перемещаются одновременно и вдоль электродов. А для этого нужно, чтобы плоские электроды не были параллельны друг другу. В этом случае твердые электропроводящие частицы движутся от края электродов, где электроды находятся ближе всего друг к другу и напряженность электрического поля выше, к краю, где электроды находятся дальше всего друг от друга и где напряженность электрического поля - ниже. Это явление также широко использовалось в [14] применительно к технологическим процессам: электропроводящие частицы перемещаются между электродами и с ними можно проводить различные операции.

Электродинамическое псевдоожижение предполагает, что электрически проводящие заряженные частицы порошка ведут себя как жидкость. Поэтому для ускорения частиц порошка можно использовать конфигурацию электродов 3, аналогичную соплу Лаваля [28] в продольном сечении (рис. 3). Эта конфигурация пар электродов 3 будет использоваться и далее, и для простоты мы будем называть ее, также, «соплом Лаваля» (это условное название, заключенное в кавычки).

В/о второй части статьи «Псевдоожижение» будут представлены четыре устройства из различных областей техники, работающие на основе электродинамического псевдоожижения.

Список источников, использованных автором

1.      https://de.wikipedia.org/wiki/Aggregatzustand
2.      https://de.wikipedia.org/wiki/Pulvermetallurgie
3.      http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=114907&org=NSF&from=news.   http://www.nsf.gov/news/news_videos.jsp?cntn_id=114907&media_id=65311&org=NSF

Hubs: