ЭТУ_Куликова_2014

ГЛАВА 9

УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

9.1. Теоретические основы электрогидравлического эффекта

Электрогидравлический эффект (эффект Юткина) [13] заключается в резком увеличении гидравлического давления при импульсном электрическом разряде в жидкости. При электрическом разряде в жидкости электрическая энергия выделяется на активном сопротивлении контура, близком к критическому, т.е. при 1/С < R /4L, где R, L и С – соответственно активное, индуктивное и емкостное сопротивления контура.

Основными факторами, определяющими высокий КПД, являются амплитуда, крутизна фронта и длительность импульса тока. При длительности импульса в несколько микросекунд, мгновенная мощность импульса выражается в сотнях тысяч киловатт.

Электрический разряд в жидкости создает сверхвысокие импульсы гидравлического давления, ударные волны звуковой и сверхзвуковой скоростей, импульсные перемещения масс жидкости со скоростью до сотен метров в секунду, мощные кавитационные процессы, инфра– и ультразвуковые излучения, мощные резонансные явления с большими амплитудами, магнитные поля в десятки тысяч эрстед, интенсивные световые, тепловые, ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма– и нейтронные излучения. Разряд оказывает заметные воздействия на ионные процессы и их химические реакции в растворах.

В диэлектрических жидкостях разряд возникает при определенном уровне напряженности электрического поля. В жидкостях с ионной проводимостью мощность разряда мала и для создания мощного длинного разряда с крутым передним фронтом требуется создание определенных условий.

Для жидкостей с ионной проводимостью создание короткого импульса тока удается осуществить введением в цепь контура формирующего воздушного искрового промежутка.

Воздушный искровой промежуток позволяет длительно производить зарядку рабочей ёмкости С и при достижении определенной разности потенциалов на воздушном промежутке импульсом подавать энергию на рабочий промежуток, что приводит к сокращению длительности и созданию крутого фронта импульса тока в рабочем промежутке.

Регулирование воздушного искрового промежутка позволяет в широких пределах изменять режимы и параметры разряда в жидкости.

201

Условно весь диапазон режимов подразделяют на три рабочих режима:

Рисунок 9.1 – Электрическая схема для создания электрического разряда

впроводящей жидкости: R – сопротивление; Тр – трансформатор; V – диод; С – ёмкость;ВИП – воздушный искровой промежуток; РП – рабочий промежуток в жидкости

Искровой разряд развивается путем возникновения стримеров в межэлектродном пространстве. Канал стримера заполнен разрядившимися ионами ОН– и нейтральными к процессу роста стримера нонами Н+. Область стримера электрически нейтральна и изолирует канал от среды, т.е. происходит процесс самоизоляции.

Изолирующую оболочку образуют атомарные и монокулярные кислород и водород, газообразная перекись водорода и электрически нейтральные радикалы Н+ и ОН– паров воды. Образование стримера определяет появление кавитационной полости из пузырьков газа вокруг стримера. Давление внутри полости малы. Начало собственного разряда, после того как стример замыкает электроды, приводит к росту кавитационной полости и повышению температуры канала до 400000 С.

Резкое повышение температуры канала, и противодавление окружающей среды определяет взрывной характер повышения давления.

Сообщенное массе жидкости ускорение раздвигает ее в стороны, увеличивая объем полости. Оболочка канала является электрической и тепловой изоляцией канала. Состояние вещества в полости канала неоднородно, переходящее от плазмы к жидкости.

Образование навигационной полости порождает ударную волну, энергия которой сосредоточена в сравнительно небольшом объеме жидкости вблизи зоны разряда. Достигая определенного размера кавитационная полость останавливается в своем движении и за тем захлопывается. Взаимодействие прямой и обратной волны приводит к

202

образованию кавитирующего кольца, состоящего из сотен тысяч пузырьков, располагающихся в виде тороида, плоскость которого перпендикулярна линии разряда.

Рисунок 9.2 – Схема кавитационных явлений. а – кавитирующее кольцо при захлопывании полости; б – деформация полости под воздействием кавитируюшего кольца; 1 – электроды; 2 – кавитационная полость;3 – кавитирующее кольцо; 4, 5 – пузырьки

Совокупность сил искажает сферическую поверхность полости, придавая ей весьма причудливые формы. Перед окончательным захлопыванием полость делает одну или две пульсации.

Расширение канала разрядов происходит со скоростью большей, чем длительность фронта первой полуволны импульса тока. За это время чрезвычайно быстро нарастает магнитное поле вокруг канала разряда и резко проявляется скин–эффект, сопровождающийся перекачкой энергии на периферию канала. Давление в материально–энергетической оболочке во много раз превышает давление в жидкости.

От оболочки к центру разряда давление быстро надает, а в центре канала может образоваться разряжение (вакуум).

Парогазовая оболочка, окружающая оболочку канала, не велика, но значительно смягчает ударное воздействие волны и тем самым значительно снижает механический КПД разряда. Схема разрядки и график распределения давления показаны на рисунке 8.3.

В предразрядной стадии при пробое воздушного искрового промежутка напряжение на рабочем промежутке повышается до максимального. В момент роста стримера падение напряжения на рабочем промежутке составляет 2...3 %. Рост стримера сопровождается плавным увеличением тока в цепи.

На стадии переднего фронта вся энергия, накопленная в конденсаторе, передается в канал стримера, ток достигает максимального значения, диаметр канала увеличивается, давление и температура в канале достигает максимума. Напряжение падает, начинается движение жидкости,

203

кавитация в этот момент еще не наблюдается, возрастают магнитное поле, звуковой эффект и световое излучение.

Рисунок 9.3 – Принципиальная схема структуры канала разряда и

распределения давления в нем: (P1 – P5 – давления в соответствующих зонах: Р1=0...2·106 Па; Р2=до2·108 Па; Р3=до5·109 Па; Р4=до 1·1010 Па;

Р5=до 2·1010 Па; а – толщина парогазовой оболочки, а=0,001...0,1мм; б – толщина скиповой оболочки, δ=105...103 мм; с – радиус канала разряда, с= 0,5...5,0 мм): 1 – центральная часть канала разряда; 2 – скиновая рубашка – оболочка канала; 3 – парогазовая оболочка

На стадии заднего фронта напряжение и ток снижаются, переходя через ноль, процесс становится колебательным. Давление резко падает, скорость перемещения жидкости достигает максимума, образуется кавитирующее кольцо, растут навигационные процессы, электрическое поле меняет полярность, магнитное поле сворачивается.

Рисунок 9.4 – Графики изменения тока и напряжения в процессе разряда в жидкости: а – предразрядная стадия; b – стадия переднего фронта; с – стадия заднего фронта; d – стадия последующих волн; е – стадия затухания

На стадии полуволн наблюдаются быстро затухающие колебания. Давление продолжает падать, скорость перемещения жидкости

достигает максимума. Процессы кавитации, достигнув максимума,

204

начинают убывать. Электрические и магнитные поля пульсируют, периодически изменяя свой знак. На стадии затухания все процессы постепенно затухают, электрические и магнитные поля исчезают.

Преобразование электрической энергии в механическою происходит в основном на стадии переднего и заднего фронтов импульса.

На стадии переднего и заднего фронтов импульса магнитное поле в значительной степени влияет на разряд. При перемещении зарядов в канале созданное ими магнитное поле перемешает отрицательные заряды на периферию канала, а положительные – от канала.

Нарастающее магнитное поле образует тонкую оболочку с высокой плотностью энергии в ней, так называемый скин–эффект. Скин–эффект определяет все процессы трансформации энергии, стягивая к каналу отрицательные заряды и отталкивая положительные.

Убывающее магнитное поле стягивает к центру канала отрицательные заряды и отталкивает на периферию канала положительные заряды. Это явление называется пинч–эффектом. Пинч–эффект разрушает скиновую оболочку, уменьшает давление в ней и снижает КПД процесса. Однако в целом превалирует скин–эффект, так как крутизна переднего фронта волны значительно больше крутизны фронтов обратной волны. К. п.д. преобразования энергии является определяющим фактором практического использования электрогидравлического эффекта процессов и является функцией.

f (a,l , k ,1/ ,b),

где – f (C ,U ,1/ L,1/ R), амплитуда тока импульса; l – расстояние между электродами (длина искры);

k – коэффициент, характеризующий резонансные свойства материала; τ – длительность импульса; b – крутизна фронта импульса;

С – электрическая емкость; U – номинальное напряжение; L, R – индуктивность, сопротивление разрядного контура

КПД возрастает с увеличением амплитуды тока импульса и крутизны фронта импульса при уменьшении L и R. Увеличение U и С в определенных пределах повышает КПД

Но электрические параметры разряда находятся в весьма сложной зависимости друг от друга. Увеличение емкости приводит к увеличению энергии импульса, амплитуды тока, удлиняется искра, но при этом возрастает длительность разряда.

Геометрические параметры канала определяют передачу энергии в жидкость. Длина канала определяется напряжением, диаметр канала – емкостью. Но с ростом диаметра канала затрудняется передача энергии от центра разряда к оболочке канала и резко повышается его температура. Повышение напряжения делает разряд более коротким, т.е. более жестким (бризантным), увеличение емкости смягчает разряд. Снижение индуктивности и активного сопротивления контура значительно повышает КПД разряда. Уменьшение времени предзарядной стадии повышает КПД,

205

но при этом стример проходит меньшее расстояние и, следовательно, уменьшается длина разряда. Устранение стадии последующих волн и затухания повышает КПД, а оставшаяся энергия конденсатора позволяет ускорить его зарядку [1]..

9.2. Способы повышения эффективности разряда

Использование электрогидравлического эффекта в технологических условиях определяется мощностью, т.е. значительной длиной разряда и крутизной переднего фронта волны. Основные разработки сделаны автором электрогидравлического эффекта [83]. Наиболее часто жидкостью, в которой производится разряд, является вода, в которой существует только два вида ионов: положительные Н+ и отрицательные ОН–. Существование разряда, его длину определяют отрицательные ионы ОН–. Положительные ионы Н+ практически не участвуют в росте стримеров, т.е. не оказывают прямого влияния на процесс разряда. Для длинного разряда следует создать условия образования большого количества ионов ОН– и сократить число ионов Н+. Такие условия возникают при сокращении до минимума активной, соприкасающейся с водой, поверхности положительного электрода за счет изоляции его по всей длине, кроме переднего конца, и значительном увеличении активной поверхности отрицательного электрода. Такая асимметрия способствует прорастанию стримера. Ионы Н+ свободно разряжаются на обширный отрицательный электрод, а ионы ОН– генерируются отрицательным электродом и разряжаются не на положительный электрод, а на стример.

Разряды в воде становятся в десятки раз длиннее при выполнении описанных условий. Высокая напряженность электрического поля образуется на острие положительного электрода и при росте стримера перемещается, совпадая с его растущим передним концом.

Для получения разрядов больше длины используются схемы подпитки стримера по мере его прорастания, т.е. через определенные интервалы времени подключают заряженные емкости, обеспечивая непрерывный рост стримера. Введением ионизирующего луча, получаемого с помощью лазера или радиоактивного элемента, можно сформировать длинный единичный, прямолинейный стример.

206

Широко распространен метод теплового взрыва, когда электроды предварительно замыкаются тонкой проволокой, лентой или трубкой, т.е. взрывающимся тепловым элементом (ВТЭ).

2 3

1

Рисунок 9.5 – Схема движения ионов и межэлектродном промежутке; 1 – растущий стример; 2 – силовые линии поля; 3 – направление движения ионов

Искровой разряд в этом случае заменяется тепловым взрывом проводящего ток элемента.

Применение ВТЭ позволяет создать направленный удар по заданному контуру заданной конфигурации, осуществить разряд в растворах сильных электролитов и вблизи токопроводящих поверхностей. Сечение и длина ВТЭ подбираются из условия мгновенного их испарения. Взрывающие тепловые элементы разового использования изготавливаются из алюминия, меди, нихрома, фольги, металлизированной бумаги и имеют самую разнообразную форму (рисунок 9.6.).

Одноразовый ВТЭ может быть изогнут по любому сложному контуру, что позволяет получить направленную волну для воздействия на объект сложной формы. Сверхвысокие давления в малом объеме можно получить с помощью объемных ВТЭ, выполненных в виде объемных контуров. Заданное распределение и концентрации энергии на отдельных участках и в большом объеме жидкости можно осуществить путем устройства спиралей, зигов и других элементов на ВТЭ при условии равенства их сечения на всем протяжении

207

Рисунок 9.6 – Схема устройства для осуществления теплового взрыва: а – с вогнутым ленточным ВТЭ; б – с плоским ВТЭ; в – с объемным ВТЭ; г – устройство из двух спаренных конусов; д – устройство из двух спаренных конусов со вставкой; е – с проволочным ВТЭ и отражателем

В качестве ВТЭ возможно применение электропроводящих паст, металлизированной бумаги.

Повышение КПД и увеличение энергии взрыва возможно при использовании комбинированного взрывающею элемента ВТЭ, в котором в качестве энергонесущего элемента используется керосин, бензин, угольный порошок или алюминиевая пудра. Окислителями могут служить: хромник, марганцево–кислый калий, бертолетовая соль, сильные кислоты. При температуре в десятки тысяч градусов создаются условия для цепных взрывных реакций. Взрывные химические реакции значительно увеличивают длительность и энергию механического действия электрогидравлического удара.

Рисунок 9.7 – Проволочный ВТЭ для концентрации энергии на отдельных участках

208

При электрогидравлическом ударе в большом объеме жидкости кавитационная полость обычно имеет правильную форму. При необходимости создать направленную волну, используются разнообразные отражатели из упругих материалов, стойких к разрушающему действию гидроудара: рента, полиэтилен, капрон, нейлон и др.

Рисунок 9.8 – Схемы размещения отражателей и границы кавитационных полостей с помощью отражателей: а – разряд в большом объеме жидкости; б – разряд, параллельный отдаленной плоскости отражателя; в – разряд параллельной плоскости близлежащего отражателя; г – разряд с конусным отражателем; д – разряд перпендикулярный отражателю; е – разряд вблизи от поверхности жидкости

Ориентированный определенным образом отражатель производит искажения анионной полости, что проявляется в отражении ударной волны или ее фокусировке. На рисунке 9.8 представлены схемы размещения отражателей и границы искаженных отражателями кавитационных полостей.

Особый интерес представляет разряд под небольшим слоем жидкости, так называемый метод воздушной кавитации.

Объем жидкости над разрядом отрывается от основной массы жидкости в виде крупных брызг и устремляется вверх. Такой же объем жидкости над разрядом устремляется вниз и увлекает за собой воздух.

Таким образом, в зависимости от цели и вида электрогидравлической обработки материала, от типа обрабатываемого материала можно различными способами управлять энергией электрогидравлического эффекта, повышать КПД, рационально и более полно использовать всё многообразие этого явления [1]..

209

9.3. Устройства для обработки почвы

Л.А.Юткин заметил [13], что при электрогидравлическом дроблении горных пород и других материалов многие химические элементы и их соединения, входящие в состав этих пород, переходят в воду в виде растворимых соединений в количествах, достигающих 90...95 % от массового содержания их в исходном материале.

Переход химических элементов и их соединений в водный раствор объясняется тем, что при электрогидравлической обработке одновременное влияние и сложный механизм всех действующих факторов электрогидравлическою эффекта приводят к разрыву сорбционных и периферических химических связей и даже к образованию новых соединений. Почвы являются бедными «рудами», и поэтому выделение в раствор содержащихся в почве элементов должно происходить весьма эффективно. Уже первые опыты по электрогидравлической обработке почвы полностью подтвердили это предположение.

Обработка почвы электрогидравлическим ударом показала, что из почвы в растворимое в воде состояние переходит более 30 химических элементов в виде различных соединений, а всего из 1 тонны почвы могут быть получены десятки килограммов этих элементов в растворимых соединениях вместо около 250 граммов при естественном растворении.

В условиях электрогидравлической обработки все процессы разрушения сложных почвенных солей, протекающие в естественных условиях чрезвычайно медленно, осуществляются мгновенно. Не менее важно и то, что изменение параметров разряда позволяет сделать эти процессы управляемыми, избирательно влиять на их протекание.

Почва является полидисперсной системой, в которой высокодисперсная её часть играет главную роль в питании растений. Чем выше процент высокодисперсной части почвы относительно всей ее массы, тем более плодородной оказывается почва. При электрогидравлической обработке происходит измельчение большей части почвы до частиц, имеющих диаметр 0,002 мм. Размер образующейся поверхности становится большим, чем даже у наиболее высокодисперсных илистых фракций обычной почвы.

Образовавшиеся высокодисперсные частицы активно взаимодействуют с соединениями, перешедшими в раствор, в силу чего такие процессы, как растворение и сорбция, количественно возрастают.

210