Общие сведения об электрическом разряде в жидкости
Электрический разряд в жидкости— комплекс физико-химических явлений, возникающих в жидкости при проявлении в ней высоковольтного электрического разряда. Основные стадии развития электрического разряда: пробой межэлектродного жидкостного промежутка; формирование в жидкости искрового, токопроводящего канала сквозной проводимости; мгновенный ввод в этот канал накопленной электрической энергии; расширение канала со сверхзвуковой скоростью; послеразрядные процессы в жидкости — пульсации парогазовой полости, микрокавитация.
Для электрического разряда в жидкости характерны высокая концентрация энергии, значительные давления и температура, кратковременность процесса, что определило, широкий интерес к этому явлению. Исследования электрических разрядов были начаты в семидесятых годах XVIII века в США.
Практическое применение электровзрыва в нашей стране начато работами Л.А. Юткина в 1952 г. Наибольшее применение получили электрогидравлические методы при металлообработке в целях формования, штампования, калибрования, прессования, очистки, упрочнения, а также электрогидравлические методы воздействия на твердые и жидкие среды с целью изменения объекта, его избирательного разрушения, структурных изменений среды, регенерации.
Электрическая схема устройства для осуществления электрического разряда в жидкости показана на рис. 27. Электрогидравлическая установка подключается к сети переменного электрического тока напряжением 220/380 В и промышленной частотой 50 Гц.
Высоковольтным трансформатором это начальное электрическое напряжение повышается до 2—60 кВ, а высоковольтным выпрямительным устройством — преобразуется переменный ток в постоянный. Накопление электрической энергии осуществляется в конденсаторной батарее. С достижением заданного уровня или по команде оператора эта энергия может мгновенно выделиться в технологическом узле, что обеспечит осуществление в нем электрического разряда в жидкости.
Рассмотренная схема включает зарядный и разрядный контуры. Зарядный контур (поз. 1, 2, 3 на рис. 27) практически не оказывает влияния на электрический разряд. Параметры разрядного контура (поз. 4—7 рис. 27) определяют характер протекания процесса. К начальным
параметрам электрического разряда в жидкости относят: величину разрядного межэлектродного промежутка lр (мм), индуктивность разрядного контура L (мкГн) , суммарную электрическую емкость батарей конденсаторов С (Ф или мкФ), рабочее напряжение на конденсаторах U (В или кВ); последние два параметра определяют величину накапливаемой энергии (СU2/2).
Электрические мощности, развивающиеся при разрядах, достигают 102 — 106 кВт, скорость нарастания тока зависит от L и С.
Изменение характеристик разряда в течение первого полупериода колебаний тока в контуре показано на рис. 28, а; изменение во времени тока и напряжения в межэлектродном промежутке дано на рис. 28, б. Выделяют две стадии формирования разряда: стадию запаздывания (в период t1 - t2), связанную с появлением тока в разрядном промежутке, и стадию непосредственного формирования разряда (период t2 – t3), в которой ток растет, а напряжение уменьшается, что определяет отбор накопленной энергии, необходимой для формирования канала электрического разряда. Линейные размеры канала в поперечном сечении составляют при этом 10-3 - 10-2 см. Момент t4 соответствует максимальной величине тока и практически нулевому напряжению.
Параметры применяемых электрических систем приведены ниже:
В зависимости от схемы осуществления разряда в технологическом узле различают две основные разновидности электрического разряда в жидкости: электрический разряд при свободном формировании; электрический взрыв проводника.
В первой разновидности электрический разряд осуществляется вследствие пробоя жидкостного промежутка, разделяющего положительный и отрицательный электроды. Во второй разновидности межэлектродный промежуток замкнут металлическим проводником (рис. 29), который выполняет роль инициатора разряда, что уменьшает предразрядные потери энергии и величину требуемых напряжений разрядного контура (до 3—10 кВ), обеспечивает ряд технологических преимуществ.
Электрический разряде жидкости — это импульсный процесс (t < 10-4 с), характеризующийся мгновенным выделением большого количества энергии в первоначальном малом объеме канала электрического разряда. Образование канала происходит под действием высокого электрического потенциала между положительным и отрицательным электродами.
Различают лидерный и тепловой разряды, граница которых определяется из соотношения
. (3.1)
Лидерный пробой характерен при а тепловой — при
где δ - фактическая величина межэлектродного промежутка (для промышленных технологических устройств δ =
).
Нижняя граница теплового пробоя принята в 1 кВ/мм; электрический лидерный разряд в технической воде эффективен при > 3,6 кВ/ мм.
Начальное сопротивление канала разряда
(3.2)
где = 0,3
0,9 — доля энергии, выделившейся в первый полупериод тока.
Канал электрического разряда в жидкости имеет высокотемпературное ядро (T= 63 • 103 К), по которому проходит свыше 90 % всего разрядного тока.
Мгновенный ввод энергии в канал электрического разряда приводит к разогреву вещества и его переходу в плазменное состояние, которое характеризуется высокой концентрацией заряженных частиц (до 1021 см-3). Продолжительность существования плазменного образования менее10-4 с . На преобразование одной частицы технической воды в плазму расходуется энергия равная 8 •10-20 Дж. Условие образования плазмы записывают в следующем виде
электрическое напряжение, необходимое для эффективного пробоя жидкостного промежутка.
Плотность энергии в канале достигает 1012 — 1013 Дж/см3, что повышает его температуру и давление. Давление достигает величины (3-10) 102 МПа, что приводит к сжатию и движению жидкости, к мгновенному расширению канала со скоростью Vк = 280 1410 м/с.
Таким образом, электрическая энергия, введенная в канал, преобразуется в тепловую и внутреннюю энергию вещества канала, расходуется на его расширение, теряется в виде теплового излучения. Примерный баланс энергии при осуществлении электрического разряда в жидкости следующий: энергия ударной волны — 63 %, парогазовой полости — 31 % у световых и звуковых излучений — 6 %.
Электрический разряд в жидкости сопровождается сложными физико-химическими явлениями: ионизацией жидкости и разложением молекул вещества в плазме, образованием ударной волны и волн сжатия, образованием пульсирующей парогазовой полости и микрокавитационными процессами.
Таким образом, электрический разряд в жидкости является средством непосредственного преобразования электрической энергии в механическую, так как образующиеся при разряде фронт ударных волн и волн сжатия, а также пульсирующая парогазовая полость и движущийся за фронтом волн поток жидкости — способны совершать работу по механическому воздействию на окружающую среду.
При электрическом взрыве проводника нарастание тока приводит к разогреву и расплавлению металла, к перегреву (с достижением точки кипения) жидкой фазы и ее переходу через взрыв в газообразное состояние с включением жидкого металла. Эта фаза имеет малую электропроводимость, что резко снижает величину тока в цепи разрядного контура и приводит к паузе тока, для устранения которой параметры разрядного контура должны обеспечить максимальную скорость выделения энергии в разрядном промежутке. По Е.В. Кривицкому, это обеспечивается при следующих условиях:
где W0 — энергия, вводимая в проводник длиной ; Wс - энергия сублимации, необходимая для перехода металлического проводника в парообразное состояние; рм — плотность материала проводника диаметром dк; σ0 — удельная электрическая проводимость материала проводника, См/м;
волновое сопротивление разрядного контура; λп — удельная теплота плавления; λ1 — удельная теплота парообразования.
Чем меньше диаметр проводника данного металла, тем больше величина относительной энергии, выделяемой в нем к моменту разрушения. Так при
.
В общем виде условие эффективного взрыва проводников записывается как
, (3.6)
где к = 2 З- коэффициент, характеризующий нижний предел величины рабочего напряжения разрядного контура, при котором электрический разряд в жидкости происходит с образованием ударной волны (для расчетов к = 3).
Энергия сублимации
(3.7)
где qс — удельная энергия сублимации.
Рациональное по условиям (3.6) и (3.7) поперечное сечение взрывающегося проводника составит
(3.8)
где Wпр - энергия, фактически введенная в данный взрывающийся проводник и обеспечивающая его взрывное испарение с образованием ударной волны.
Исходная величина сопротивления взрывающегося проводника
Максимальная мощность разряда в RLС — контуре достигается
При электрическом взрыве проводника энергия импульса расходуется на ударную волну (62,8 %), на парогазовую полость (31 %), электромагнитные излучения (6,2 %). Большая часть энергии выделяется в первый полупериод, в момент
(3.9)
При электрическом взрыве проводника, в сравнении с электрическим разрядом в жидкости, снижаются пробойные потери энергии, меньше влияние электрической проводимости жидкости, меньше проявляется эрозия поверхностей зоны электрода, больше долговечность изоляции, появляется возможность увеличения межэлектродного промежутка. Но применение проводника удорожает процесс, приводит к его дискретности или конструктивному усложнению узла замены или протяжки проводника.
Существенным фактором является то, что образуемый фронт ударной волны имеет цилиндрическую форму; это предопределяет направленность в его распространении и воздействии на окружающую среду.
Одним из основных начальных параметров электрического разряда в жидкости является величина разрядного промежутка (Lр = δ). Максимальная электрическая и механическая мощность достигается при
(3.10)
При за счет повышения температуры плазмы ускоряется момент начала расширения канала электрического разряда и резко возрастает давление в нем. Рациональная величина / должна устанавливаться с учетом других начальных параметров разряда (U, L, С) и электрической проводимости рабочей жидкости.
В ряде технологических процессов электрический разряд в жидкости осуществляется в разрядной камере замкнутого ограниченного объема. В этом случае между каналом разряда и стенками разрядной камеры проявляется действие усиленного волнового поля, что приводит (в сравнении со свободным разрядом) к повышенной пульсации давления, увеличению амплитудного значения давления первого импульса сжатия.
При электрическом разряде в жидкости на окружающую горную среду воздействуют: волновое поле; высокоскоростные жидкостные струи; акустические и термические излучения; электромагнитное поле. Скорость выделения энергии на единицу длины межэлектродного промежутка составляет 1014 - 1017 Вт/с. Примерное распределение энергии при электрическом взрыве проводника составляет: энергия ударной волны Еу в = (0,57 ÷ 0,59) Е0; энергия волны сжатия, образуемой при охлопывании пузыря, составит Ес = 0,28 Е0, где Е0 — начальная энергия в зоне импульсного источника. Различное распределение энергии установлено при электрическом разряде в жидкости и взрыве заряда ВВ, что иллюстрирует отношение Rм/R0 = 30 при ВВ и Rм/R0 = 10,4 — при разряде в жидкости, где Rм, R0 — максимальный и начальный радиус парогазовой полости.
В зоне цилиндрической симметрии давление во фронте ударной волны определяют по формуле :
(3.11)
где
Подводный электрический разряд в жидкости характеризуется гидродинамическим коэффициентом полезного действия
(3.12)
(3.13)
где Еа, Еув, — соответственно энергия парогазовой полости, ударной волны и подводимая энергия.
Акустический к л.д. ( ) увеличивается с повышением напряжения
и уменьшением параметров разрядного контура L и С.
Акустический к.п.д. определяется по формуле
(3.14)
Акустический к.п.д. возрастает с уменьшением продолжительности разряда и с увеличением межэлектродного промежутка до критической величины δ*.
Гидравлический к.п.д. увеличивается при возрастании параметров С и L. Для оценки коэффициента применяют два обобщенных параметра |
(3.15)
По данным проф. А.Г. Рябинина, для воды коэффициент > 0,3 при условии
. Для лидерного пробоя
Подобие разрядов характеризуется как: при цилиндрическом источнике
(3 .16)
при точечном источнике
(3.17)
где индексы 1 и 2 относятся к двум сопоставляемым разрядам в данной жидкости; соотношение (3.16) действительно при .
Величина электрической энергии, накапливаемой в батарее конденсаторов, определяется по формуле
(3.18)
Продолжительность накопления энергии зависит от особенностей электрической схемы установки и колеблется в пределах 5—75 с, а электрического разряда 10"6 — 10"4 с. Такое различие в продолжительности процессов заряд — разряд, исходя из закона сохранения энергии, определяет значительную мощность, выделяемую при электрическом разряде в жидкости. Так, коэффициент Кt , характеризующий соотношение продолжительности заряда (t3) и разряда (tр), для вышеприведенных диапазонов составит
(3.19)
Соответственно коэффициент Кt характеризует возрастание величины электрической мощности , выделяемой при разряде. Имеем
(3.20)
где - мощность, получаемая из электрической сети. Таким образом, из выражений (3.19) и (3.20) следует, что выделяемая в технологическом узле мощность в 105 — 107 раза превышает мощность, получаемую установкой из электрической сети.
В общем виде к.п. д. зарядного устройства определяется по уравнению
(3.21)
где — энергия, теряемая в активном сопротивлении зарядного контура.
(3.22)
Основные параметры электрического разряда в жидкости, характеризующие технологические возможности процессов, приведены ниже.
Амплитуда давления во фронте ударной волны, Па...................108 - 109
Продолжительность процесса, мкс.................................10 — 100
Температура в зоне разряда, К....................................104