Электрогидравлическая очистка

/, Среди разнообразных областей применения электрогидравли­ческого эффекта в настоящее время наибольшее применение полу­чила электрогидравлическая очистка и особенно очистка литья [6, 19, 40, 46, 54, 64, 65]. Метод электрогидравлической очистки как черного, так и цветного литья позволил решить множество проблем, связанных с этой наиболее трудоемкой, немеханизиро­ванной и вредной для здоровья технологической операцией современного машиностроения^Трудоемкость традиционных спо­собов очистки составляет 25—30 % трудоемкости всего процесса литейного производства.

Применение электрогидравлического способа для очистки отли­вок от стержней и формовочных смесей полностью устраняет ручной труд и пылеобразование на участках очистки литья, улуч­шает условия труда в литейных цехах, позволяет высвободить от тяжелого и вредного труда многие тысячи рабочих. Ежегодный экономический эффект от внедрения электрогидравлических уста­новок очистки литья превышает 10 млн. руб.

Первые опыты по электрогидравлической очистке металличе­ских поверхностей были поставлены автором в 1953 г., а первая опытно-промышленная установка для электрогидравлической очистки литья была построена в 1959 г. на станкостроительном заводе им. Я. М. Свердлова в Ленинграде (ныне ЛПСО им. Я. М. Свердлова). Сейчас в СССР успешно работают сотни установок, выпускаемых серийно.

Все действующие электрогидравлические установки для очист­ки литья принципиально однотипны и отличаются друг от друга лишь по способу загрузки, выгрузки и перемещения отливок: тупиковые — при загрузке и выгрузке с одной и той же стороны; проходные — при загрузке и выгрузке с разных сторон (исполь­зуются в основном для очистки мелких изделий, изготовляемых по выплавляемым моделям) и конвейерные установки.

В настоящее время Опытным заводом ПКБ электрогидравлики АН УССР и заводом Амурлитмаш серийно выпускаются установ­ки «тупиковые» — моделей 36111, 36121-А, 36131-А, 36141-А; 107

Иное дело — степень ионизации. Хотя повышение ее значения, казалось бы, и желательно, ибо число ионов в единице объема жид­кости при этом растет, но тем не менее, учитывая большие потери энергии, возникающие по этой причине в предразрядный период, следует с осторожностью рекомендовать ее увеличение выше некоторого предела определяемого упомянутыми выше условиями.

Состояние взаимоторможения ионов сохраняется стабильным, а ионы остаются практически неподвижными все время, пока сохраняется неизменность крутизны фронта нарастания или спада импульса напряженности поля. Малейшие изменения нарастания или спада крутизны фронта импульса будут изменять условия процесса взаимоторможения и неподвижности ионов,, изменять ту стабильность, которая установилась, и вызывать перемещение ионов относительно друг друга. Следовательно, стабильность нарастания или спада крутизны фронта импульса напряженности поля является определяющим фактором в сохранении данной жидкостью свойств импульсного 'Диэлектрика, приобретенных ею при импульсном приложении поля.

Если ток — это фактор, определяющий количество ионов, уча­ствующих в процессе взаимного перемещения, то напряжен­ность поля — фактор, определяющий энергию и скорость переме­щения этих ионов. Крутизна фронта импульса тока определяется скоростью вступления в процесс общего перемещения все новых и новых ионов. Крутизна фронта импульса напряженности поля определяет скорость сообщения этим ионам дополнительной энер­гии, определяет изменение скорости их взаимного перемещения. Поэтому можно сделать вывод, что если крутизну фронта импуль­сов тока и напряжения согласовать, то средняя энергия, приходя­щаяся на один заряд — ион, может остаться постоянной. Другими словами, по мере увеличения количества вступающих в процесс движения ионов одновременно и равномерно может увеличивать­ся (или даже уменьшаться) энергия, приходящаяся на один заряд — ион. Таким образом, условия, вызывающие явление само­торможения, превратившие данную жидкость в импульсный диэлектрик, могут оставаться стабильными сколь угодно долго, стоит лишь обеспечить условия этой стабильности.

Под термином «самоторможение» следует понимать длительный относительный покой двух или нескольких ионов, тесно контакти­рующих своими силовыми электрическими полями с другими ионами и пребывающих в состоянии относительного покоя строго определенное некоторыми условиями время. Этими условиями являются броуновское движение, конвекция и энергия электри­ческого поля, действующего на ионы (ибо можно допустить существование и таких полей, под влиянием сил которых ионы просто «раздавят» друг друга, а жидкость превратится при этом в какое-то новое вещество). Этот случай представляет интерес при изучении явлений сверхмощного импульсного электролиза, осуществляемого при сверхвысоких напряженностях поля.

При движении в жидкости происходит торможение ионов за счет сопротивления движению, аналогичного трению, за счет упру­гих столкновений, приводящих к потере скорости ионов, и неупру­гих столкновений (явление «взаимоудержания»), приводящих к временной остановке движения ионов, а также за счет инерци­онных потер^ь скорости при изменениях направления движения ионов. Можно предположить также, что тяжелые, малоподвижные ионы при своем движении в электрическом поле перемещаются относительно прямолинейно, тогда как легкие, подвижные ионы движутся по криволинейным траекториям, «огибая» тяжелые ионы. При прямом столкновении тяжелого и легкого ионов из-за большой разницы их линейных размеров возможность «огибания» легким ионом более тяжелого становится затруднительной, в силу , чего явление взаимоторможения облегчается.

Специфические свойства геля, которые позволяют не только резко уменьшать скорости движения ионов, но и полностью их затормаживать (например, при повышении объемного содержания или изменении структуры или свойств геля), представляют боль­шой интерес для практического использования импульсных диэлектриков. Большое многообразие видов, свойств и структур гелей позволяет использовать их очень широко.

Ионы в гелях движутся подобно ионам, проходящим через сетку сверхтонких капилляров. При этом их скорости уменьшаются с уменьшением диаметра и под влиянием свойств поверхности капилляров. Допустимо предположение о возможности полной «закупорки» отверстия капилляра ионным «тромбом», состоящим из одного или нескольких однотипных ионов, и поэтому о полном прекращении перемещения по капилляру всех других ионов.

Таким образом, использование гелей наилучшим образом будет способствовать торможению ионов, поскольку поры гелей практи­чески соответствуют отверстиям капилляров минимально воз­можного диаметра.

Способность гелей тормозить движение ионов хорошо ил-- люстрирует следующий опыт. На электроды, выполненные в со­ответствии с принципом получения сверхдлинного разряда и раз­мещенные в ванне, заполненной водным гелем желатина, подава­лось импульсное напряжение (47 = 50 кВ, С = 0,1 мкФ). При рас­стоянии между электродами, равном 5,0 см, на прямой поляр­ности (положительный электрод изолирован по всей длине, кроме переднего края) искрового разряда не возникало. Были заметны слабые стримеры длиной около 0,5—0,8 см у положительного электрода. Искровой пробой наступил только при сближении электродов на расстояние до 1,0 см и градиенте около 50 кВ/см. После того как гель полностью распался, искровой пробой насту­пал уже при расстоянии между электродами до 25 см и градиенте около 2 кВ/см.

При перемене полярности искровой пробой не наступал при расстоянии между электродами 0,5 см, стример реверсивного

Зак. 1

разряда развивался от конца отрицательного электрода в проти­воположную положительному электроду сторону на расстояние до 5,0 см. В полностью распавшемся геле пробой наступал при расстоянии между электродами, равном 1 см, или одновременном реверсивном разряде длиной до 20 см. Очевидно, что при достаточ­ном содержании геля любой ион, начиная с самого тяжелого, может быть полностью заторможен в порах геля и проводимость геля в соответствии с законом Кольрауша станет обеспечиваться уже другими ионами. Кроме того, необходимо отметить, что ха­рактер движения ионов в порах геля и вблизи них имеет много общего с характером движения ионов около острия электрода, и это дает возможность по нашему желанию повышать содержа­ние ионов одного знака в заданном участке объема геля. В част­ности, имея дело с водной основой геля и затормозив, например, ион ОН , можно либо резко повысить в каком-то определенном объеме концентрацию этих ионов в порах геля и вблизи них, либо, наоборот, резко повысить в другом объеме концентрацию ионов Н⁺ и, буквально «забив» ими все поры геля, создать около пор изолирующую эти поры атмосферу положительных ионов. В результате можно получить относительно устойчивые «скопле­ния» ионов одного знака в локальных объемах геля.

После разделения этих временно связанных объемов в них окажется сосредоточенным объемный заряд какого-либо одного знака, а это при соединении разноименных объемов проводником приведет к последующему выравниванию зарядов, т. е. к появле­нию тока в проводнике, соединяющем эти объемы. Таким обра­зом, устройство для реализации подобной задачи приобретет все свойства гальванического элемента и позволит получить новый вид аккумуляторов — гелевый аккумулятор, а также даст в руки ис­следователей метод разделения ионов в жидкостях-гелях. Отме­тим, что хотя все гели обладают способностью более или менее быстро распадаться и терять свои первоначальные свойства, тем не менее подбором гелей и стабилизацией их свойств можно сохранить гели от распада в течение заданного времени.

Именно поэтому использование диэлектрических свойств, воз­никающих в импульсных полях, особенно интересно и перспективно применительно к гелям. Используя особенности гелей, представля­ется возможным управлять движением ионов^у обоих электродов, добиваясь нужного эффекта.

Так, для создания импульсного конденсатора следует обеспе­чить высокую концентрацию положительных ионов Н⁺ у его рабочих поверхностей, затормозив движение отрицательных ионов ОН или удалив их как можно дальше от этих поверхностей [36]. При этом «облако» положительных ионов Н⁺, плотно окру­жившее заданный электрод (рабочую поверхность конденсатора), создаст вокруг нее идеальную непробиваемую «самоизоляцию».

Следует указать, что если торможением ионов в геле можно не допустить тот или иной ион к определенному электроду и тем

самым создать возле него избыток или недостаток других ионов, то на этом возможности этого явления по существу и заканчи­ваются. Однако при специальном формировании конфигурации силовых линий электрического поля можно также добиться ряда положительных результатов, например, не допустить роста стри­меров в заданном направлении, исключить возможность опасной концентрации ионов любого знака в заданном объеме рабочей камеры и т. д'. Все эти возможности следует использовать при проектировании различных типов электрогидравлических уст­ройств.

Поскольку условием возникновения и существования импульс­ных диэлектриков является наличие ионов, то не только жидкости, но при определенных условиях и „газы, и твердые тела (и даже плазма) могут становиться импульсными диэлектриками. Это об­стоятельство значительно расширяет возможности их применения. Так, возможно создание как высоко-, так и низкотемпературных вакуумных и жидкостных устройств, работающих при обычных температурах. Кроме этого, используя указанные свойства гелей, можно создать устройства типа диодов, триодов и других много­электродных устройств с управляемыми электродами для исполь­зования их в радиотехнике и электронике. Однако наиболее пер­спективными, по нашему мнению, будут устройства, работающие на переходных или смешанных средах: твердо-жидких (типа геля, глины), жидкостно-газовых (типа пены) или твердо-газовых (типа пыли).

По нашим представлениям, электрические процессы, происхо­дящие ъ нервных клетках живых организмов, протекают с исполь­зованием принципов импульсной электрохимии и особенно прин­ципов работы импульсных диэлектриков. Для практического -использования импульсных диэлектриков необходимо также учитывать, что электрические потери в импульсных, диэлектриках определяют практическую ценность их как диэлектриков, обуслов­ливаются прежде всего электропроводностью их среды и умень­шаются вместе с уменьшением электропроводности.

Роль каждого вида ионов в импульсных диэлектриках строго определена и локальна. Одни из них, например ионы ОН~, опреде­ляют рост стримеров, например, при реализации сверхдлинного или реверсивного разряда. Другие, например ионы Н⁺, полезны для целей создания надежной изоляции от пробоя. В то же время ион Н⁺ определяет потери на проводимость в силу его высокой подвижности, и для уменьшения этих потерь необходимо всемерно уменьшать активную поверхность положительного электрода., сохраняя, однако, ионы и ионную проводимость, т. е. сохраняя потери, ибо без ионов, а следовательно, и без какой-то минималь­но необходимой ионной проводимости импульсные диэлектрики невозможны. Но, заменяя электропроводность одних- ионов электропроводностью других, можно свести эти потери к минимуму и получить необходимый результат.

Таким образом, уменьшение проводимости среды импульсного диэлектрика и ее сохранение на необходимом уровне может осуществляться различными способами: полным или частичным торможением содержащихся в среде ионов; исключением одного или нескольких ионов из общего процесса проводимости; созда­нием необходимой концентрации опеределенных ионов в заданной части рабочего объема. Наиболее рационально одновременное использование всех указанных способов.

Также необходимо учитывать, что потери на проводимость ока­зываются минимальными при импульсном приложении электриче­ского поля и, казалось бы, должны уменьшаться и далее — с умень­шением длительности импульса и увеличением его крутизны. Однако это не совсем так. Специфические свойства ионов за­ставляют предполагать, что, хотя потери и уменьшаются с увеличе­нием крутизны и уменьшением длительности импульса, но основ­ным фактором, определяющим потери в импульсных диэлектриках, будет параметр, характеризующий стабильность нарастания или спада крутизны фронта импульса, создавшего поле.

В частности, именно по этой причине проводимость жидкости для постоянного тока меньше, чем для переменного, так как потери на проводимость будут в нем меньше по сравнению с пе­ременным, где спад и нарастание поля крайне нестабильны. Подобно тому, как вибрация способствует быстрому уплотнению гравия в бетоне или быстрому прохождению любого материала сквозь сито при просеивании, так и отсутствие «монотонности» (стабильности) крутизны спада и нарастания переменного тока подобно вибратору способствует тому, что ионы значительно быст­рее «просеиваются» друг через друга при движении к электродам. Отсюда следует, что потери будут оставаться стабильными до тех пор, пока будет,сохраняться стабильность нарастания или спада переменного тока, пока будет оставаться неизменной крутиз­на нарастания или спада фронта импульса, создавшего поле. Это вовсе не означает, что импульсный диэлектрик должен исполь­зоваться все это время. Напротив, стабильность состояния им­пульсного диэлектрика, обеспечивающая его идеальную работу в течение длительного времени, может сохраниться и также успешно использоваться в любой период этого времени.

Все изложенное позволяет рекомендовать обычную воду для практического использования ее в качестве материала импульсно­го диэлектрика в устройствах, ,питаемых импульсами длитель­ностью 10~⁴—10~³ с и короче [36, 41]. При этом потери будут уменьшаться с увеличением крутизны фронта импульса. Потери будут максимальными с приближением крутизны фронта к импуль­су практически нулевой амплитуды, а минимальными — с прибли­жением крутизны к импульсу бесконечно крутой амплитуды. Отсюда следует, что потери будут минимальными и на тех участ­ках кривой импульса, где нарастание или спад происходят линейно, без флуктуации, и что в целях сохранения высоких качеств

Рис. 2.21. Схема участков потерь для импульса напряжения при работе

на прямой полярности (а) и на обратной полярности (б):

1 — участки наименьших потерь; 2—участок несколько больших потерь; 3 —

участок максимальных потерь

импульсного диэлектрика следует обеспечивать, кроме прочих, и это условие.

На рис. 2.21, а приведена схема импульса напряжения при работе на прямой полярности, на которой показаны те участки, где потери могут быть минимальными и где они вынужденно максимальны, а на рис. 2.21,6 — аналогичная схема для случая работы на обратной полярности для тех же параметров длины искры, напряжения и емкости. Из сопоставления этих двух схем следует, что при работе на одинаковых параметрах импульса, но на обратной полярности жидкость, как импульсный диэлектрик, «работает» более эффективно и экономично и оказывается способ­ной во много раз дольше сохранять свойства импульсного диэлект­рика, чем в случае работы устройств на прямой полярности.

Магнитное поле при реверсивном разряде имеет свои особен­ности. Из сравнения рис. 2.21, а и 2.21, б следует, что зависимости тока и напряжения реверсивного разряда и разряда при работе на прямой полярности совершенно различны и по форме кривых и по характеру нарастания и спада. Однако зависимости на рис. 2.21,6 соответствуют реверсивному разряду «в чистом виде», т. е. когда разряд возникает при максимально изолиро­ванном отрицательном электроде и очень сильно развитой актив­ной поверхности пластины положительного электрода. По мере увеличения площади отрицательного и ум&ньшения площади по^ ложительного электрода кривые тока и напряжения реверсивного разряда будут все более походить на кривые тока и напряжения разряда при работе на прямой полярности, приведенные на рис. 2.21, а.

Таким образом, и на реверсивном разряде работа всех уст­ройств, использующих импульсные диэлектрики, будет происхо­дить в условиях, когда вид и форма кривых тока и напряжения будут очень близки к их канонической форме при обычном разряде на прямой полярности.

Все вышеизложенное послужило основой для создания импульсных конденсаторов, кабелей, выпрямителей, вентилей, диодов, выключателей импульсных токов, принципиальные схемы которых были предложены еще в начале 50-х годов.

где со — частота вынуждающей ЭДС; С — емкость контура.

Глава 3