В работе рассмотрен применения пик-трансформатора для получения тепловой энергии с помощью эффекта Юткина. Когда, используется обычный однофазный повышающий трансформатор, для получения разряда в жидкости эрозия электродов ощутима. Такое положения сильно понижает эффективность получения тепловой энергии с помощью эффекта Юткина. Для понижения эрозии электродов в данной работе рекомендуется использовать пик-трансформатор, дающий пиковые импульсы разной полярности.
Ключевые слова. пик-трансформатор, эрозия, эффект Юткина, полярность, энергия, импульс.
Введение. Эффект Л. А. Юткина представляет собой высоковольтный электрический разряд в жидкой среде [1]. При формировании электрического разряда в жидкости выделение энергии происходит в течение достаточно короткого промежутка времени. Мощный высоковольтный электрический импульс вызывает различные физические явления. Такие, как появление сверхвысоких импульсных гидравлических давлений, электромагнитное излучение в широком спектре частот вплоть, при определенных условиях, до рентгеновского, кавитационные явления. Указанные факторы оказывают на жидкость и помещенные в нее тела различные физико-химические воздействия. В работах [2,3,4] предлагается технология получения тепловой энергии с помощью эффекта Юткина. При такой технологии получения тепловой энергии с помощью эффекта Юткина возникает трудности, связанные с эрозией электродов, осуществляющих высоковольтный разряд в жидкости. В свою очередь, для получения тепловой энергии нужно минимум 15–20 мин., чтобы установка давала высоковольтный разряд. При ощутимой эрозии электродов эффективность установки чувствительно понижается. В принципе эрозия электродов зависеть от поступающих к нему формы импульсов.
Целью работы является построить такое устройство, в котором при получении эффекта Юткина эрозия электродов существенно сократится.
Метод решения. Электрогидравлический разряд возникает при приложении к жидкости импульсного напряжения, достаточной амплитуды и длительности, в результате чего развивается электрический пробой. Характерное время переднего фронта импульса тока разряда от долей микросекунды, до нескольких микросекунд. Крутой передний фронт напряжения, прикладываемого к разрядному промежутку в жидкости, является отличительной чертой и непременным условием эффекта Юткина. При этом необходимо отметить, что процесс формирования разряда и его поведение зависит от того, какую полярность имеет «инициирующий» электрод. Например, величина пробивного напряжения на разрядном промежутке в воде, в зависимости от полярности, может отличаться в несколько раз. Такой импульс может дать пик-трансформатор.
Пик-трансформаторы применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы. Такие импульсы напряжения с крутым фронтом необходимы для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми или электронными устройствам [5].
Принцип работы пик-трансформатора основан на явлении магнитного насыщения ферримагнитного материала. Существует несколько конструктивных исполнений пик-трансформаторов. Рассмотрим работу пик трансформатора, в котором на входе большое сопротивление.
Такой пик-трансформатор представляет собой обычный двухобмоточный трансформатор с сильно насыщенным сердечником. Первичную обмотку его подключают к сети переменного тока через большое активное R огр (рис.1) линейное индуктивное сопротивление. При достаточно большом активном сопротивлении по первичной обмотке пик-трансформатора протекает синусоидальный ток i 1 , при этом магнитный поток Ф не изменяется по синусоиде, так как он возрастает пропорционально току только при малых его значениях, когда сердечник не насыщен. В результате кривая изменения потока имеет плоскую форму, а во вторичной обмотке индуцируется пикообразное напряжение U 2 . Пик напряжения U 2 возникает тогда, когда магнитный поток Ф и ток i 1 проходят через нулевое значение и скорость их изменения максимальна. При включении трансформатора через активное сопротивление пик напряжения U 2 образуется в момент, когда напряжение U 1 проходит через нулевое значение (ток i 1 и напряжение U 1 совпадают по фазе). Если же требуется, чтобы этот пик возникал при прохождении напряжения U 1 через максимум, то в цепь первичной обмотки включают индуктивное сопротивление. Для повышения крутизны и фронта пика U 2 сердечники трансформаторов изготовляют из пермаллоя, имеющего высокую начальную магнитную проницаемость и кривую намагничивания с резко выраженным насыщением. Уравнение получения такого импульса выглядит следующим образом.
На основании второго закона Кирхгофа имеем:
Активное падение напряжения ir относительно мало и для анализа общего характера процесса им можно пренебречь:
w
отсюда
Ф= -
Здесь А — постоянная величина магнитного потока, которая при питании синусоидальным напряжением (в установившемся режиме) равна нулю.
Поэтому
Ф=
где
Будем считать, что начальная фаза потока равна 0, т.еФ=
Тогда е=- w
е=
E=
В основе работы пик-трансформатора лежит уравнение, показанное на (2) и явление магнитного насыщения ферримагнитного материала его сердечника. Суть в том, что величина магнитной индукции B в намагничиваемом ферримагнитном сердечнике трансформатора нелинейно зависит от напряженности намагничивающего данный ферромагнетик поля Н .
Для обеспечения удовлетворительных энергетических показателей пик-трансформаторов их магнитопроводы изготавливают, как уже отметили из сплава типа пермаллой.
Крутой передний фронт напряжения, прикладываемого к разрядному промежутку в жидкости, является отличительной чертой и непременным условием эффекта Юткина. Если фронт нарастания напряжения на разрядном промежутке в жидкости пологий, то возникающий импульс тока не приводит к желаемому эффекту. Почему так важна длительность переднего фронта? Все дело в том, что энергия, которая выделится за время нарастания импульса тока, и будет определять развитие всех эффектов, сопровождающих электрогидравлический разряд. Чем меньше будет длительность переднего фронта импульса, тем больше будет импульсный ток и пиковая мощность импульса.
Рис. 2. Схема замещение получения крутого переднего фронта напряжения
На рис.2 показан схема получения крутого переднего фронта напряжения с помощью пик-трансформатора. Необходимо отметить, что процесс формирования разряда и его поведение зависит от того, какую полярность имеет «инициирующий» электрод. Например, величина пробивного напряжения на разрядном промежутке в воде, в зависимости от полярности, может отличаться в несколько раз. Работа электрогидроимпульсной установки предполагает относительно медленный заряд накопительного конденсатора от источника питания высокого напряжения, затем, при достижении напряжения пробоя разрядника, происходит быстрый разряд конденсатора на разрядный промежуток в жидкости.
На базе этой схемы собрано устройство получение тепловой энергии с помощью эффекта Юткина (рис.3).
Рис. 3. Установка получения тепла с помощью эффекта Юткина работающий на пик-трансформаторе: 1- емкость герметичная с жидкостью; 2,3 воздушная полость; 4,5-электроды; 6,7-электрические изоляторы; 8,9- герметические емкости для получения тепловой энергии; 11-пик-трансформатор; 12-первичный источник электроэнергии; 13- система управления частотой и амплитудой электрических импульсов; 14 — датчики температуры, давления; 15- зона электрического разряда; 16- зона испарения жидкости; 17-получение тепловой энергии.
Принцип работы установки . Сущность генерации тепла данным устройством заключается в следующем. В результате электрических разрядов в жидкости и следующих за ним электрогидравлических ударов возникает кавитация, и жидкость нагревается. Дело в том, что вследствие циклических электрических разрядов в жидкости между электродами образуется плазменная зона Е (рис.1), затем в этой зоне практически мгновенно возникает парогазовая полость высокого давления, с энергией в десятки раз больше, чем потраченная на электрический разряд. Выделенная в процессе электрической молнии и ЭГЭ — удара энергия давления пара и химическая энергия Н 2 — паратопливного газа из жидкости приводит к волнам высокого давления в жидкости и ее интенсивному нагреву через кавитацию сгорание Н 2 — парагаза. В результате, поскольку после каждого импульсного электрического разряда в жидкости образуется новая Н 2 — паровая полость, то следует новый взрыв после поджига Н 2 и последующая волна давления жидкости. При движении этой волны образуется мощная кавитация на герметических емкостях 8,9. Вследствие интенсивного схлопывания кавитационных пузырьков и сгорания Н 2 — парогаза в жидкости выделяется значительная тепловая энергия. Это энергия, через подается 17 получателю. Интенсивность тепловыделение в жидкости регулируется частотой, амплитудой и длительностью импульсов напряжения.
Расчет эффективности установки.
Как известно, электролиты эффективно преобразуют электроэнергию в тепло с КПД близким в 100 %. Однако есть возможность получить аномально высокую тепловую энергию из воды с применением эффекта Юткина и кавитации. По нашим измерениям и расчетам его эффективность(коэффициент эксергии) выше единицы. Допустим, вычислим тепловую энергию воды за 30 мин нагрева. В нашем случае эрозия электродов не наблюдалась .
- Опыты состояли в нагреве 5 литров воды установкой СГЭД разрядником и блоком высокого напряжения (ВН) с исходной температурой 10 0 С до 60 0 С за 30 мин. Проблемная мощность из сети на блок электроники ВН составляет порядка 200ватт, входной электрический ток примерно 0.9А, при напряжении 220 В, 50Гц. Входная электрическая мощность составляет 200Вт. Значит за 30 мин из электросети взято электроэнергии:
W= 200·30·60 = 360 кДж
Далее, рассчитаем примерно тепловую энергию, выделяемую в воде
(5 литров) в процессе ее нагрева за 30 мин от ЭГД ударов и кавитации. Расчет тепловой энергии производится по формуле
Q= c 1 m 1 (t — t 1 )
В воде массой 5 кг за полчаса нагрева выделенная тепловая энергия составила 1000 кДж.
Q= c 1 m 1 (t — t 1 ) = 4200·5·50= 1050 кДж
Здесь:
Q — тепловая энергия (Дж)
с — теплоемкость воды 4200(Дж/кг·Град)_
t — t 1 - разность температур воды до и после нагрева = 60–10=50
m 1 - масса воды = 5кг.
Сравним энергию, затраченную на нагрев воды и выделенную тепловую энергии в воде с помощью ЭГД эффекта Юткина.
Потраченная энергия за 30 мин -360кДж.
Выделенная энергия 1050кДж. Значит коэффициент эксергии = 1050 кДж:360=360=2.9 или 290 %.
Выходная тепловая мощность ЭГД теплогенератора 1050000: 1800 сек.(30 мин) = 583 Вт. А входная электрическая мощность =200Вт. Коэффициент эксергии= 583: 200= 2.915 или 290 %.
Выводы. Пик-трансформаторы предназначены для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсы напряжения пикообразной формы различной полярности и крутым передним фронтом. Такие импульсы напряжения, создавая крутой фронт импульса существенно уменьшает эрозию электродов порождающий высоковольтные разряды в жидкости. Принцип работы пик-трансформатора основан на явлении магнитного насыщения ферримагнитного материала. В основу функционирования пик-трансформаторов положен эффект насыщения сердечника, сделанного из ферримагнитного материала. Индукционные параметры, определяющие величину ЭДС на вторичной обмотке, напрямую зависят от магнитного потока. Причём эта зависимость нелинейная. Из-за этого увеличивается крутизна и широта фронта импульса. Быстрое нарастание индукции происходит в тот момент, когда синусоида, характеризующая намагничивающее поле, проходит через нулевое значение. А при пике этого показателя величина индукции остаётся практически неизменной.
Литература:
- Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности ' Л., Машиностроение, 1986 г.
- Бабахан Ш. А., Жапаров Е. О., Шотбаев З. Г. К вопросу получения тепловой энергии с помощью электрогидравлического эффекта.- М, «Молодой учёный». № 47 (389) Технические науки. с. 11–13.
- Дудышев В. Д. Способ преобразования энергии электрогидравлического удара. Пат. РФ № 2157893, 1997 г.
- Дудышев В. Д. Новый метод преобразования энергии электрогидравлического удара — эффект Юткина в тепло и иные виды энергии. Новая Энергетика. 2005. № 1.
- Р.Севернс, Г. Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1988г.
