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 l_р (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 V_к = 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 ; W_с - энергия суб­лимации, необходимая для перехода металлического проводника в па­рообразное состояние; р_м — плотность материала проводника диамет­ром d_к; σ₀ — удельная электрическая проводимость материала про­водника, См/м; волновое сопротивление разрядного контура; λ_п — 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 q_с — удельная энергия сублимации.

Рациональное по условиям (3.6) и (3.7) поперечное сечение взры­вающегося проводника составит

(3.8)

где W_пр - 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 (L_р = 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 Е_{у в} = (0,57 ÷ 0,59) Е₀; энергия волны сжатия, образуемой при охлопывании пузыря, составит Е_с = 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 R_м/R₀ = 30 при ВВ и R_м/R₀ = 10,4 — при разряде в жидкости, где R_м, 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 Е_а, Е_ув, — 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 К_t , характеризующий соотношение продолжительности заряда (t₃) и разряда (t_р), для вышеприведенных диапазонов составит

(3.19)

Соответственно коэффициент К_t 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