Библиографическое описание:

Юшков Ю. Г., Климов А. С., Гричневский Е. А., Юшков А. Ю. Исследование инициирования электрического разряда в воде при разработке электрогидравлической технологии [Текст] // Технические науки: теория и практика: материалы Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2012. — С. 139-141. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/7/2189/ (дата обращения: 18.12.2017).

В последние годы растет интерес к использованию электрогидравлических технологий в различных областях промышленности. Например, в строительстве при создании фундаментов, утилизации железобетонных изделий и уплотнении грунтов.

В основе электрогидравлических технологий лежит «электрогидравлический эффект» [1], заключающийся в преобразовании электрической энергии в механическую за счет мощного электрического разряда, возбужденного в жидкости. Для получения такого разряда требуется импульс тока с крутизной фронта до 2&#;1011 А/с и абсолютными значениями токов до 250 кА, мощностью до 100 МВт и энергией 106 Дж [2]. Такие большие значения энергии и быстрое ее выделение за единицы или десятки микросекунд в малом объеме вызывают процесс, аналогичный взрыву химических взрывчатых веществ. В канале разряда осуществляется преобразование электрической энергии в тепловую, в результате чего осуществляется нагрев вещества в разряда канале до температур (10…40)&#;103 К и, как следствие, рост в нем давления до (1…1,5)&#;103 МПа, что приводит к расширению канала с высокой скоростью и передаче импульсного давления через жидкость к объекту обработки.

Различают несколько стадий развития процесса: формирование токопроводящего канала разряда между электродами; выделения в канале разряда энергии накопителя; завершающая стадия, когда все электрические процессы в канале разряда завершены, газовые продукты под действием остаточных температур расширяются и пульсируют до полного восстановления свойств среды в рабочем промежутке. На рис. 1. показана схема электрогидравлического процесса.


Рис. 1. Схема электрогидравлического процесса (а) и зависимость изменения давления от расстояния до канала разряда (б)

Для практической реализации электрогидравлического эффекта используются высоковольтные электрические установки, состоящие из узлов, функционально относящихся к зарядному контуру, разрядному контуру, контуру заземления, схеме управления и сигнализации. Структурная схема установки показана на рис. 2.


Рис. 2. Структурная схема установки: 1) пульт управления; 2) зарядное устройство; 3) устройство защитного заземления; 4) генератор импульсных токов; 5) коммутатор; 6) передающая линия; 7) электродная система

Основные энергетические параметры установок: разрядное напряжение 5…50 кВ; максимальная энергия в импульсе 100 кДж; частота следование импульсов 0,1…2 Гц.

Основной проблемой препятствующей внедрению электрогидравлической технологии в производство связано с получением стабильного электрического разряда в проводящих средах, таких как техническая вода и цементный раствор [3].

Используемые в настоящее время электрогидравлические установки в основном обеспечивают электротепловой механизм пробоя рабочего промежутка. В этом случае за счет токов ионной проводимости происходит разогрев значительной области раствора между электродами. Затем образуется парогазовая среда, в которой формируется канал разряда. При этом большая часть энергии импульса затрачивается на ее образование. Наличие потерь энергии на стадии формирования канала разряда оказывать отрицательное влияние на эффективность процесса в целом. Для компенсации этих потерь приходится увеличивать энергию импульса, что приводит к сокращению срока службы электродных систем, в частности к разрушению изоляции электродов. Поэтому важной задачей является снижение потерь энергии на стадии формирования канала разряда, что позволяет уменьшить непроизводительные потери энергии импульса и, соответственно, снизить запасаемую в генераторе энергию. Для уменьшения этого типа потерь энергии используются различные методы инициирования [4]. Но большинство из них усложняют электрическую или технологическую схемы установок и не всегда их можно применить в скважинах, бетонных растворах и установках разрушения железобетона.

Известно [5], что разряд в жидкости начинает формироваться как с острия потенциального электрода, так и из «тройной точки», которая находится в месте контакта металла потенциального электрода, изоляции электрода и воды. На рис. 3 приведена фотография развитие разряда с тройной точки.


Рис. 3. Развитие разряда с тройной точки: 1) изолятор высоковольтного электрода; 2) высоковольтный электрод; 3) заземленный электрод

Эффект тройной точки можно использовать как инициирующий фактор, организуя ее у острия потенциального электрода. Результаты исследований [6] показали, что разряд начинает развиваться из тройной точки, вынесенной в рабочий промежуток. Использование диэлектрических вставок из полиэтилена высокого и низкого давления, увеличивает вероятность пробоя промежутка по сравнению с пробоем таких же промежутков без вставки на 20…22 %. Однако, был установлен экспериментальный факт, что после 30…50 разрядов влияние диэлектрической вставки на вероятность пробоя промежутка прекращается.

Решения этой проблемы является использование керамической вставки, но из-за неплотного соединения вставки с электродом ударные воздействия при наличии концентратов напряжений в виде щелей вызывают ее быстрое разрушение. Поэтому было предложено использовать электронно-лучевую сварку керамики с металлом [7]. Сварка керамики с металлами проводилась на установке, подробно описанной в работе [8]. В качестве свариваемых материалов были выбраны алюмооксидная керамика и сталь.

Для определения влияния керамической вставки была проведены исследования с пробоя различных промежутков в технической воде.

В качестве источника импульсов в работе применялся генератор импульсных токов с параметрами: U0 = 25…35 кВ, L = 5…7 мкГн, С0 = 0,25…0,5 мкФ. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.


Рис. 4. Схема установки: 1) высоковольтный трансформатор; 2) высоковольтный выпрямитель; 3) шаровой разрядник; 4) конденсаторная батарея; 5) рабочая камера; 6) высоковольтный электрод; 7) изолятор; 8) керамическая вставка; 9) заземленный электрод

Использовалась система электродов «острие – плоскость». Высоковольтный электрод металлический стержень диаметром 10 мм, который через проходной изолятор вводился в рабочую камеру. Длина изолятора позволяла варьировать длину оголенной части потенциального электрода (оголенная часть составляла 10 мм). Длина рабочего промежутка между электродами варьировалась от 10…50 мм. Располагалась электродная система в рабочей камере, которая заполнялась технической водой с удельным электрическим сопротивлением &#;&#;1·103 Ом·см.

В результаты предварительных исследований установлено, что использование керамики, расположенных в торце потенциального электрода, увеличивает вероятность пробоя промежутка по сравнению с пробоем таких же промежутков без вставки до 27 %, а также вставка меньше поддается ударному и эрозионному разрушению.

Проведенные эксперименты показали возможность использования металлокерамических соединений для инициирования разряда в электрогидравлических установках. Предложенный метод инициирования разряда позволяет создать надежную электродную систему для электрогидравлических установок.


Литература:

1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. – Л.: «Машиностроение», 1986. – 253 с.

2. Гулый Г.А. Научные основы разрядноимпульсных технологий.  – Киев.: Наукова думка, 1990. – 208 с.

3. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости.  – Киев: Наукова думка, 1986. – 206 с.

4. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. – Киев: Наукова думка, 1983. – 272 с.

5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. – Томск: Изд. ТПИ, 1975. – 256 с.

6. Курец В.И., Филатов Г.П., Юшков А.Ю. Влияние методов инициирования импульсного разряда на вероятность пробоя жидких проводящих сред // Электронная обработка материалов, 2004. - №1. с.54-57.

7. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений // Письма в ЖТФ. 2009 – Т. 35, Вып. 11. – С. 61–66.

8. Бурдовицин В.А., Жирков И.С., Окс Е.М. и др. Источник электронов с плазменным катодом для генерации сфокусированного пучка в форвакуумном диапазоне давлений // ПТЭ. 2005 – № 6. – С. 66–68.

Основные термины (генерируются автоматически): канала разряда, электрического разряда, потенциального электрода, канале разряда, вероятность пробоя, вероятность пробоя промежутка, формирования канала разряда, инициирования разряда, инициирования электрического разряда, острия потенциального электрода, канале разряда энергии, мощного электрического разряда, токопроводящего канала разряда, разряда канале, инициирования импульсного разряда, стабильного электрического разряда, метод инициирования разряда, канал разряда, фотография развитие разряда, влияния высоковольтного разряда.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос