Исследование многоочагового электрического разряда в жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат технических наук Дрожжин, Алексей Петрович

• Дрожжин, Алексей Петрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дрожжин, Алексей Петрович

Введение

Глава 1. Кинетика электроразрядных процессов

1.1. Экспериментальная установка и методы исследования

1.2. Экспериментальные результаты

1.2.1. Время задержки развития разряда на одном электроде.

1.2.2. Время задержки развития разряда в отверстии диафрагмы

1.3. Анализ результатов экспериментов

1.3.1. Электроразрядные процессы на концентраторах тока

1.3.2. Анализ концентрационной зависимости времени задержки

1.3.3. Зависимость времени задержки от полярности

1.4. Моделирование электродной системы электрической схемой . . 49 Выводы по главе

Глава 2. Развитие разрядов на двух электродах

2.1. Постановка эксперимента.

2.2. Экспериментальные результаты

2.3. Анализ механизма параллельного развития каналов разряда на двух концентраторах тока

2.3.1. Пузырьковая стадия

2.3.2. Стадия распространения пузырька

2.4. Область существования многоочагового разряда

2.5. Зависимость формы разряда от проводимости жидкости . . 92 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование многоочагового электрического разряда в жидкости»

Актуальность работы

В настоящее время в технике широко используются физические процессы, протекающие при высоковольтном электрическом разряде в диэлектрической жидкости в разрядном промежутке, состоящем из двух металлических электродов. Накоплен богатый экспериментальный материал и разработаны такие высоковольтные технологии, как, например, генерация ударных волн в жидкости [1], получение новых материалов [2], дробление горной породы [3]. Экспериментальное моделирование разрядов в электродных системах вида «острие-плоскость», «острие-острие» или «полусфера-полусфера» нацелены в основном на изучение изоляционных свойств жидкостей с применением различных методов исследования [4-6].

Увеличение проводимости жидкости позволяет расширить область применения высоковольтного разряда и улучшить уже известные технологии. Это выражается в том, что с увеличением проводимости воды появляется возможность формировать множество параллельно развивающихся каналов разряда. Такой процесс развития каналов называется многоочаговым электрическим разрядом, который до сих пор является наименее изученным явлением в физике высоковольтного электрического разряда в воде [7].

Вплоть до настоящего времени не проводились детальные исследования механизма одновременного развития параллельных каналов электрического разряда. Однако понимание механизма развития параллельных каналов потребуется для усовершенствования управления параметрами многоочагового разряда, что необходимо для его практических приложений. Отметим, что применение многоочагового разряда, в основном, ограничилось акустическими генераторами волн давления в жидкости.

Главное преимущество многоочагового разряда заключается в возможности дискретного распределения энергии разряда по поверхности электрода или в объёме разрядного промежутка по требуемому закону. Это свойство разряда позволяет, с одной стороны, снизить интенсивность разрушения металлических и диэлектрических поверхностей электродной системы и увеличить срок её работы, а с другой стороны, обрабатывать плазмой разряда сразу большой объём вещества, что увеличивает производительность технических устройств. Это свойство разряда открывает новые возможности для создания устройств, выполненных на основе многоочагового разряда.

Таким образом, исследование механизмов одновременного развития каналов высоковольтного многоочагового разряда в жидкости является актуальной задачей, позволяющей получить новое научное знание, научиться лучше управлять параметрами разряда в воде и расширить область использования данного явления.

Анализ литературных данных

Одно из самых ранних описаний установки, в которой реализуется многоочаговый разряд (MP) в воде, можно найти в работах [1,8]. Многоочаговый электрод (МЭ) состоял либо из металлических стержней, подключённых к одному полюсу конденсаторной батареи, либо из металлической пластины, покрытой слоем твёрдого диэлектрика, в котором были выполнены сквозные отверстия1. Электрод противоположной полярности, а так же МЭ погружались в сосуд, заполненный морской водой. При протекании электрического тока через МЭ на нём развивалась система каналов, формирование которых начиналось на каждом концентраторе тока.

Эта характерная особенность MP нашла своё применение в электрогидроимпульсных преобразователях энергии (ЭГИПЭ), преобразующих электрическую энергию в энергию акустических и ударных волн, так как формирование каждого разряда сопровождается излучением волн сжатия и разрежения в воде [9]. Авторы работ [1,8] также описали возможность использования МЭ сферической формы для генерации сходящихся и расходящихся сферических волн давления.

В работе [9] были систематизированы условия работы MP, обеспечивающие работоспособность ЭГИПЭ, а также отличительные признаки физических процессов, происходящих в них и открывающих новые возможности преобразователей:

1) Условие, заключающееся в обеспечении взрывного вскипания жидкости на концентраторах тока ЭГИПЭ при пиковом значении разрядного тока;

2) Условие одновременности взрывного вскипания жидкости и пробоя парогазовых полостей на всех концентраторах тока преобразователя.

1 Ниже, для краткости, будем называть металлические стержни и отверстия МЭ концентраторами тока (КТ), так как в этих элементах МЭ происходит увеличение плотности тока и концентрация выделяющейся энергии тока, что приводит к вскипанию жидкости и образованию газовой фазы, определяющей электротепловой механизм пробоя воды

Выполняется путём применения сильнопроводящих жидкостей вплоть до жидких металлов и формирования электрического поля равной напряжённости у всех концентраторов тока;

3) Дробление энергии разряда между всеми концентраторами тока, способствующее увеличению ресурса электродной системы;

4) Формирование направленного гидроакустического излучения с необходимой геометрией волнового фронта, с выигрышем интенсивности относительно традиционных преобразователей.

Возможности MP также продемонстрировал автор патента [10], который использовал в качестве концентратора тока завесу из пузырьков воздуха, сформированную в водном электролите между двумя плоскими электродами. При этом разряды зажигались между пузырьками в объёме жидкости, а не на поверхности металлических электродов.

Авторы работы [11] предложили конструкцию разрядного промежутка, в которой MP зажигался на поверхности МЭ внешней по отношению к межэлектродному пространству. Разрядный ток протекал как по поверхности, так и сквозь отверстия диэлектрика, покрывающего МЭ. Отношение площади поперечного сечения отверстия к площади металлического концентратора тока равнялось 5. Благодаря этому параметру скользящий разряд формировался только на концентраторе тока, и ток протекал вдоль поверхности диэлектрика по направлению к отверстию.

Использование высоких напряжений при изучении MP обуславливалось тем, что с увеличением скорости ввода электрической энергии в разрядный промежуток увеличивается и доля энергии конденсатора, преобразуемая в гидродинамическую энергию [12].

Следует отметить, что при исследованиях разряда при высоких напряжениях обычно считалось, что разряды на всех концентраторах тока зажигаются одновременно. Такой подход позволил получить обобщённые временные зависимости тока и напряжения для критериев приближённого подобия электрофизических и кинематических характеристик электрического разряда в сильных электролитах [13]. Кроме того, в работах по изучению MP пренебрегали энергией, выделяющейся на отдельном концентраторе тока за время задержки развития разряда (tj).

Однако условие одновременности вскипания жидкости и пробоя парогазовых пузырьков на всех концентраторах тока может не выполниться при использовании менее высоких значений напряжения. В этом случае необходимо проводить электрофизические исследования процессов, происходящих на стадии формирования разряда.

Следует также отметить, что исследование многоочагового разряда проводилось в основном в режиме однополярного импульса. В колебательном режиме значительная часть энергии уходит на нагрев жидкости. При апериодическом разряде конденсатора, доля энергии, преобразуемая в энергию акустической волны, возрастает, достигая максимального значения в случае равенства активного сопротивления канала разряда R удвоенному значению волнового сопротивления контура R = 2(L/С)05 [14]. Иначе говоря, максимальный электрогидродинамический коэффициент полезного действия устройств, выполненных на основе MP, наблюдается при критическом режиме разряда конденсатора.

В связи с вышесказанным, представляется целесообразным дать обзор немногочисленных работ, посвящённых исследованию электрического разряда, развивающегося на одном металлическом электроде в водном электролите. При этом основное внимание будет уделено результатам исследований начальной стадии формирования разряда.

Автор экспериментальной работы [15] исследовал процесс развития разряда в широком диапазоне электропроводности водного раствора поваренной соли (NaCl) в системе «острие-плоскость», главным образом при отрицательной полярности острия. Было показано, что скорость роста кисти разряда с анода на порядок больше той же скорости, полученной для отрицательной полярности острия. Эксперименты с подогревом электрода, с которого начинает развиваться разряд, показали, что при увеличении температуры металлической проволочки разряд протекает так же, как и при исходной температуре, но при увеличенной удельной проводимости жидкости.

Внешний вид кисти разряда определяется проводимостью (а) электролита. Так при а «10'1 Ом"1 •м" наблюдаются «самосветящиеся тонкие нити в толще больших пузыристых ветвей», а при а «1 Om''-м"1 «статические фотографии показывают, что свечение с отрицательного острия имеет инееобразный вид. Можно подозревать, что вокруг острия во все стороны почти в виде полусферы распространяется светящаяся, более проводящая, по сравнению с окружающим электролитом, среда» [15].

Авторы работы [16] полагают, что в «образовании газового пузыря при малых концентрациях (а < 10"1 Ом'^м"1) главную роль играют процессы электролитического газовыделения, пропорциональные токам (незначительным) проводимости электролита, а при средних и сильных концентрациях - процессы парообразования (тепловые), пропорциональные квадратам токов (больших)».

Авторы статьи [17] представили экспериментальные и теоретические результаты исследований начальной стадии формирования электрического пробоя в проводящей жидкости. В экспериментальной части работы было показано, что длительность долидерной стадии разряда на металлическом аноде уменьшается с ростом начального напряжения заряда конденсатора и слабо зависит от электропроводности жидкости. Были обнаружены две качественные закономерности предпробойной стадии разряда: «1) в долидерной стадии разряда при наличии медленно падающего напряжения в ряде случаев наблюдается небольшое увеличение тока и практически никогда не наблюдается его спад; 2) начальное число и ветвистость лидерных каналов возрастают с ростом электропроводности жидкости».

Авторы полагают, что эти закономерности легко можно объяснить при помощи электротепловой неустойчивости, которая развивается под действием электрического поля в течении начальной стадии разряда в жидкости, являющейся проводящей средой. «Нетрудно показать, что в случае растущей температурной зависимости электропроводности перегревная неустойчивость приводит к образованию вытянутых вдоль поля нитевидных областей с повышенной проводимостью и плотностью тока. При этом полный ток возрастает, но эффект этот в случае сильно неоднородного поля выражен слабо - неустойчивость локализуется в области с максимальной напряжённостью поля, то есть вблизи стержня».

В результате авторы сформулировали гипотезу о механизме формирования разряда в жидкости, в основе которой лежит представление о развитии в ней перегревной неустойчивости. Хорошее совпадение теоретических расчётов с экспериментальными данными получилось для ср=10'1 Om''-м"1 и ст=10"2 Om''-м'1.

Л ||

Однако для ст=10" Ом" -м" наблюдается расхождение более чем на порядок величины, что не позволило авторам работы применить теоретическое описание для более широкого диапазона проводимостей электролита.

Позже теми же авторами были выполнены теоретические оценки критического размера пузырька газа, формирующегося в проводящей жидкости вблизи поверхности электрода, и напряжения, при котором обеспечивается самостоятельность разряда в парогазовой каверне [18]. Расчёт был выполнен для сферического приближения электродной системы с использованием закона Пашена для паров воды при постоянном атмосферном давлении. Максимальное расхождение расчётных значений потенциала зажигания разряда в пузырьке с экспериментальными значениями, полученными в работе [17], составило 19%, что рассматривается как «серьёзный довод в пользу тех представлений, в которых зажигание разряда в жидкости связывают с предварительным газообразованием».

По данным работы [18] нами был построен график закона Пашена для паров воды. График (рис. В.1.) построен по средним значениям напряжения и параметра pd. Разброс данных по напряжению составлял ±10% на правой ветви кривой, и до 50% на левой ветви кривой Пашена. Здесь же приведен график кривой Пашена для воздуха, рассчитанный по известному выражению: и=

Bpd

C + ln(pd)

1.1)

В отличие от закона Пашена для воздуха пробой паров воды происходит при более высоких напряжениях и минимум кривой Пашена сдвинут в сторону более высоких значений произведения pd.

1000900800700600

CQ

50040030020010000123456789 10 pd, мм рт. ст. м Рис. В.1. Закон Пашена для паров воды и воздуха.

В работе [19] была сформулирована качественная модель, в основе которой лежит сходство механизмов разрыва конденсированной среды и твёрдого тела при достаточно большой скорости нагружения жидкости. В рамках электромеханической модели были определены «основные характеристики пробоя жидкости в терминах макроскопических параметров диэлектрика и нагружающего электрического поля». Согласно предложенной модели, пузырьки газа, сформированные импульсным электрическим полем и рассматриваемые как микродефекты, приводят к «образованию и скоплению элементов процесса разрушения». Далее была произведена оценка инкремента неустойчивости Релея, которая возникает вследствие возбуждённого состояния микродефектов (пузырьков), обусловленного действием электрострикционного давления. Постоянная времени развития электромеханических неустойчивостей соизмерялась с длительностью долидерной стадии разряда. Всё вышесказанное относится к случаю электропроводностей жидкости а < 10'1 Ом^-м'1. В случае более высоких проводимостей жидкости, в модели учитывалось представление о развитие перегревной неустойчивости и производилась оценка инкремента её нарастания. В результате была получена формула, учитывающая оба механизма образования свободной поверхности, а постоянная времени развития газовой фазы отождествлялась со временем зажигания разряда в жидкости. Было получено удовлетворительное совпадение теоретических расчётов с экспериментальными результатами в диапазоне проводимости электролита от 10"3 до 10'1 Om'V.

Феномен MP в электролите заключается в возможности параллельного развития множества каналов разряда на всех концентраторах тока МЭ. Автором диссертации найдена только одна работа [11], в которой была предпринята попытка объяснения динамики взаимодействия между всеми разрядами, развивающимися на поверхности МЭ. Предложенная качественная модель учитывала реально существующий разброс размеров металлических концентраторов тока. Для упрощения качественного описания концентраторы тока заменялись полусферами с различными радиусами, распределёнными дискретно в некотором интервале размеров. При подаче напряжения U напряжённость поля у поверхности каждого концентратора тока «с радиусом Rn будет пропорциональна отношению U/Rn, плотность тока - U(j/Rn, а удельная

14 л объёмная мощность тепловыделения Рп=и ст/Rn ». При достижении определённого перегрева происходит взрывообразное вскипание жидкости над поверхностью концентратора тока с образованием паро-капельной прослойки и разрывом контакта электролит-металл. Одновременно в жидкость излучается волна сжатия, а в цепи концентратор тока - электролит «наступает пауза тока. Последующий рост напряжения вызывает искровой пробой через парокапельную прослойку. Первоначально эти процессы протекают около концентраторов тока с минимальным радиусом Rj, поскольку удельное тепловыделение здесь максимально. Далее с разбросом по времени аналогичные последовательности процессов происходят вокруг других концентраторов тока с радиусами Rn > Rj». В течение первой четверти колебаний общего тока MP были обнаружены высокочастотные пульсации, которые, по мнению авторов работы, являются результатом пауз местного тока и электрических пробоев паро-капельных прослоек. Высказано предположение о том, что ударные волны, распространяющиеся от местного разряда, могут вызывать разрушение паро-капельных прослоек на соседних концентраторах тока. В результате может восстанавливаться электрический контакт между жидкостью и поверхностью металлического концентратора и последовательность процессов повторяется. Авторы полагают, что «режимы пауз тока . имеют определяющее значение в обеспечении саморегулируемого зажигания плазменного разряда на всей открытой поверхности» МЭ.

На основании представленного обзора можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментально не исследовано, каким образом развивается система каналов MP, и каким образом они влияют друг на друга;

2. Модель развития многоочагового разряда является неполной и для её создания необходимо проведение дополнительных исследований;

3. Преимущества многоочагового разряда в жидкости требуют поиска возможности его использования в новых технических приложениях.

Постановка задачи исследования

Как было отмечено выше, основным применением многоочагового разряда являются генераторы акустических волн в жидкости [9,11]. Преимуществом многоочагового генератора является возможность получать волны большей интенсивности по сравнению с традиционными излучателями, а так же создавать излучающие поверхности практически любой формы, с требуемыми пространственно-временными параметрами акустических волн. Для экспериментальных исследований в области сонолюминесценции и кавитации необходимо создать цилиндрический акустический излучатель. Такой генератор позволяет фокусировать энергию волны вдоль оси симметрии устройства, тем самым, увеличивая область обработки вещества. Цилиндрический излучатель может быть выполнен, например, в виде электромагнитного генератора [20]. Однако увеличение излучающей поверхности электромагнитного генератора приводит к увеличению индуктивности разрядной цепи, а, следовательно, и к увеличению длительности акустического импульса. Во многих случаях применения MP нежелательно использование импульсов длительностью более 1 мкс. Чем короче импульс давления, тем меньше размер фокальной области концентрации акустической энергии и выше её плотность. В работе [11] предполагается, что возможность уменьшения длительности акустического импульса в случае MP происходит за счёт уменьшения активного сопротивления системы каналов многоочагового разряда, при увеличении числа концентраторов тока. Возможность концентрировать энергию в жидкости наилучшим способом является ещё одним преимуществом многоочаговых генераторов по сравнению с другими устройствами генерации и фокусировки волн давления [9].

Электрическая прочность жидких диэлектриков снижается при наличии в них газовых пузырьков. Под воздействием сильного электрического поля они деформируются и вытягиваются вдоль силовых линий, делятся и слипаются друг с другом. В итоге либо образуется «цепочка» пузырьков, соединяющая два противоположных электрода, по которой впоследствии развивается пробой [21], либо отдельный пузырёк является «слабым» местом на поверхности электрода, с которого начинает развиваться стример [22]. В первом случае развитие пробоя вдоль «цепочки» пузырьков является неуправляемым и нежелательным явлением, с которым, в частности, борются путём дегазирования диэлектрической жидкости. В работе [22] парогазовый пузырёк искусственно формировался в дистиллированной воде на поверхности металлической проволочки, одновременно являющейся электродом разрядного промежутка. Такое инициирование разряда можно назвать управляемым.

Автором диссертации не обнаружены работы, посвященные исследованию инициирования разряда пузырьками, образованными вследствие кавитационного разрыва жидкого диэлектрика, а не вследствие нагрева, разложения жидкости или адсорбцией растворённого газа на твёрдых частичках. Создать «цепочку» кавитационных пузырьков можно при фокусировке цилиндрической волны разрежения в область разрядного промежутка, а выше описанные преимущества многоочагового разряда делают его перспективным при изготовлении цилиндрического генератора фокусируемых волн давления.

В последние десятилетия стало прогрессирующим ухудшение качества добываемых руд черных и цветных металлов, горно-химического сырья, что привело к снижению объемов добычи полезных ископаемых, к вовлечению в добычу и переработку труднообогатимого сырья, к росту стоимости обогащения полезных ископаемых. Увеличивается так же энергопотребление процессов переработки руд [23].

Отличительная черта большинства перспективных месторождений полиметаллических руд - это тонкозернистая структура и сложная текстура, субмикроскопические формы взаимосвязи слагающих их минералов, что не позволяет достаточно эффективно раскрыть их методами дробления и истирания из состояния срастания. Степень извлечения ценных компонентов при обогащении таких руд не превышает 50%.

В связи с этим становится необходимой разработка научных основ новых технологий подготовки руды и переработки труднообогатимого минерального сырья с более полным раскрытием сложных минеральных комплексов при помощи высокоэнергетических воздействий. Использование в качестве такого воздействия энергии многоочагового разряда в двухфазной среде «жидкость-частички руды», представляется одним из перспективных, так как позволяет произвести объёмное распределение энергии в среде и подвергнуть обработке сразу большое количество руды.

Цели исследования

1. Экспериментально исследовать начальную стадию формирования разряда, режимы и области параметров его реализации на одном концентраторе тока;

2. Выполнить экспериментальное моделирование и теоретический анализ механизма развития многоочагового разряда на двух концентраторах тока;

3. Разработать, изготовить и испытать высоковольтные импульсные устройства для генерации цилиндрических фокусируемых волн давления в диэлектрической жидкости, инициирования пробоя жидких диэлектриков при помощи кавитационных пузырьков и дробления твёрдых тел.

Объект и предмет исследования

Объект исследования: многоочаговый электрический разряд в водном растворе электролита.

Предмет исследования: а) механизм развития многоочагового разряда на металлических концентраторах тока и в отверстиях диафрагмы; б) новые технические приложения многоочагового разряда.

Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту

Впервые экспериментально обнаружено следующее:

1. Время задержки развития разряда на аноде совпадает в пределах погрешности эксперимента со временем задержки развития диафрагменного разряда;

2. При увеличении проводимости электролита время задержки разряда на аноде увеличивается, а на катоде - уменьшается;

3. Нижний предел существования многоочагового разряда, определяется как верхняя граница области возбуждения автоколебаний тока, и пульсаций пузырька на концентраторах тока;

4. Возможно инициирование пробоя в перфторхлоруглеводородной жидкости в электродной системе «острие-острие» с помощью кавитационных пузырьков при напряжении в пять раз меньшем по сравнению с инициированием пробоя в отсутствие кавитационных пузырьков;

5. Время задержки развития разряда является случайной величиной, статистический разброс которой определяется двумя возможными режимами вскипания жидкости на поверхности концентратора тока: а) ударным кипением и б) кипением на готовых центрах парообразования. В режиме ударного кипения жидкости среднеквадратическое отклонение времени задержки разряда имеет наименьшую величину;

6. Энергия, выделяющаяся на концентраторе тока за время задержки зажигания разряда при гомогенном кипении жидкости, слабо зависит от начального напряжения, проводимости жидкости и временных параметров разряда при неизменных геометрических характеристиках разрядного промежутка;

7. Диспергирование частичек медно-никелевой руды при помощи многоочагового разряда происходит без изменения химического состава руды.

Апробация работы

Результаты научных исследований были представлены на обсуждение на научных сессиях "Дни науки НГТУ" (Новосибирск, 2004, 2005 гг.), на 7-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ, 2001 г.), на 10-ой и 11-ой международной научной школе-семинаре "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах"

Николаев, Украина, 2001 г.), на Европейском симпозиуме по мощной импульсной технике (Сен-Луи, Франция, 2002 г.), на 14-ой международной конференции по диэлектрическим жидкостям (Грац, Австрия, 2002 г.), на 8-ой международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.), на 5-ой международной конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (Новосибирск, 2000 г.), на 7-ой международной конференции "Забабахинские научные чтения" (Снежинск, 2003 г.), на 10-ой и 11-ой сессиях Российского акустического общества (Москва, 2000, 2001 гг.), на 16-ом международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002 г.).

В 2001 г. на 11-ой сессии Российского акустического общества А.П.Дрожжину был выдан диплом за лучший доклад молодого специалиста.

Финансовая поддержка

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 96-02-19329, 00-02-17992, 01-02-06443-мас, 02-02-06836-мас, 03-02-06210-мас, 03-02-16214, 03-02-17682, 05-08-18145, 06-02-17453), Министерства образования (грант №Е02-3.2-163), Международной организации Интас (INTAS, грант № YSF 01/02-42), Американского акустического общества (CRDF, грант № RX0-1210(1)-ХХ-01).

Внедрение результатов работы

На основе многоочагового разряда были разработаны, изготовлены и испытаны генераторы цилиндрических фокусируемых волн давления в жидкости. Данные устройства использовались в Лаборатории динамики гетерогенных систем института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН при исследовании процессов развития кавитации и сонолюминесценции в воде при фокусировке ударных волн, как в объёме жидкости, так и вблизи свободной поверхности.

В результате применения многоочаговых генераторов были получены новые научные результаты, которые были представлены на международных научных конференциях.

Публикации

Всего опубликовано 27 печатных работ, в том числе 11 по теме диссертации, из них: 5 научных статей в ведущих изданиях входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, 6 докладов в трудах всероссийских и зарубежных научных конференций.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 125 страницах основного текста, включая 57 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 81 источника.

Заключение диссертации по теме «Техника высоких напряжений», Дрожжин, Алексей Петрович

Выводы по главе 3

1. На основе многоочагового разряда в жидкости разработан генератор цилиндрических волн давления, способный создавать протяжённую кавитационную область в жидкости;

2. Конструкция генератора позволяет фокусировать волны в любой жидкости (диэлектрической и проводящей) без использования дополнительных мембран, разделяющих электролит и рабочую среду;

3. Измерены амплитудно-временные параметры цилиндрического генератора и исследована форма, плотность и динамика движения кавитационных пузырьков;

4. Обнаружено, что после разряда на концентраторе тока происходит формирование цепочки пузырьков газа, время существования которой снижает частотные характеристики устройств, выполненных на основе многоочагового разряда;

5. Показано, что при инициировании пробоя в системе «острие-острие» в трансформаторном масле и ПВХУ при фокусировке цилиндрических волн в разрядном промежутке, генерируемых многоочаговым генератором, вероятность пробоя трансформаторного масла превышает вероятность пробоя ПВХУ на порядок величины.

6. Показана возможность диспергирования частичек медно-никелевой руды двумя методами: а) При помощи цилиндрических волн давления, генерируемых многоочаговым излучателем и фокусируемых на поверхности руды; б) Непосредственным воздействием системой разветвлённых каналов многоочагового разряда на двухфазную среду «жидкость-руда». При воздействии плазмы разряда на двухфазную среду, дезинтеграция происходит без изменения химического состава руды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы было обнаружено, что параллельное развитие каналов многоочагового разряда является независимым событием. Формирование системы плазменных каналов на поверхности многоочагового электрода определяется индивидуальными для каждого концентратора тока, динамически изменяющимися физическими параметрами: удельной мощностью выделения энергии, ёмкостью концентратора тока, режимом кипения жидкости, электролитическим выделением газа.

Параллельное развитие многоочагового разряда состоит из двух стадий: а) развитие парогазовых пузырьков с самостоятельными электрическими разрядами в них. В этом случае определяющим параметром является удельная мощность разряда, выделяющаяся на поверхности пузырька. Развитие происходит как в режиме ударного кипения, так и при кипении на готовых центрах парообразования; б) параллельное развития отдельных каналов, развивающихся с поверхности пузырьков. Определяющими параметрами в данном случае является ёмкость и сопротивление каждого концентратора тока, имеющего свою систему каналов, которая зависит от их длин.

Экспериментально показано, что энергия, выделяющаяся за время задержки формирования разряда, слабо зависит от напряжения, проводимости воды и значения времени задержки и определяется только геометрией разрядного промежутка.

Нижняя граница области существования многоочагового разряда определяется началом формирования автоколебаний тока и пузырька, в результате возникновения которых на концентраторах тока прекращается первая стадия инициирования многоочагового разряда: параллельное развитие парогазовых пузырьков.

Показано, что многоочаговый разряд может быть использован не только для генерации волн давления в жидкости, но и для управляемого инициирования пробоя жидкого диэлектрика при помощии пузырьков, дезинтеграции твёрдых тел. Последняя осуществляется либо вторичным процессом (кавитацией), возникающим при фокусировке цилиндрической волны, генерируемой многоочаговым разрядом, либо непосредственным воздействием системой плазменных очагов, прорастающих в двухфазной среде «жидкость-руда». При этом не происходит изменения химического состава руды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дрожжин, Алексей Петрович, 2006 год

1. Вовк И.Т., Друмирецкий В.Б., Кривицкий Е.В., Овчинникова Л.Е. Управление электрогидроимпульсными процессами. Киев: Наукова думка, 1984.- 186 с.

2. Богуславский Л.З., Гук И.П., Кускова Н.И., Хайнацкий С.А., Щербак А.Н. Электровзрывной метод получения фуллеренов // Электронная обработка материалов. 2002. - № 4. - С.30-34.

3. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. СПб.: Наука, 1993. - 276 с.

4. Овчинников И.Т., Яншин К.В., Яншин Э.В. Исследование распределения предпробивных электрических полей в воде с помощью эффекта Керра // Журнал Технической Физики. 1974. - Т.44. - Вып.2. - С. 452-454.

5. Овчинников И.Т., Яншин К.В., Яншин Э.В. Экспериментальные исследования импульсных электрических полей в воде вблизи острийного электрода с помощью эффекта Керра // Журнал Технической Физики. 1978. - Т.748. - Вып.12. - С. 2595-2698.

6. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - 488 с.

7. Фрюнгель Ф. Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов. М.: Энергия, 1965. - 230 с.

8. F. Frungel. High speed pulse technology. 1965. - V.l, PP. 486-498.

9. Теляшов Л.Л. Особенности развития «беспробойного» разряда в жидкости // Электронная обработка материалов. 1989. - № 2. - С. 38-41.

10. Пат. 3 458 858 США. МКИ G 01 V. Акустический генератор, использующий искровой разряд. Хьюберт Э. Райт // ВПТБ, 1969.

11. П.Тесленко B.C., Жуков А.И., Митрофанов В.В. Многоочаговый электроискровой разряд в жидкости // Письма в ЖТФ. 1995. - Т. 21. - Вып. 18.-С. 20-26.

12. Воротникова М.И. Влияние скорости тепловыделения при электровзрыве в воде на распределение энергии взрыва // Прикладная механика и техническая физика. 1962. - №2. - С. 110-112.

13. Шамко В.В., Кривицкий Е.В., Кучеренко В.В. Приближённое подобие электрофизических и кинематических процессов при импульсном коронном разряде в сильных электролитах // Журнал технической физики. 1999. - Т. 69.-Вып. 5.-С. 30-34.

14. Наугольных К.А., Рой Н.А. Электрические разряды в воде. М.: Наука, 1971.- 155 с.

15. Стояк М.Ю. Экспериментальное исследование процесса развития электрического разряда в электролитах // Электронная обработка материалов. 1966. - № 4 (10). - С. 6-13.

16. Мельников Н.П., Остроумов Г. А., Стояк М.Ю. Формирование электрического пробоя в водных растворах хлористого натрия // Журнал технической физики. 1964. - Т. 34. - Вып. 5. - С. 949-951.

17. Жекул В.Г., Раковский Г.Б. К теории формирования электрического разряда в проводящей жидкости // Журнал технической физики. 1983. - Т. 53. -Вып. 1.-С. 8-13.

18. Раковский Г.Б., Хайнацкий С.А., Жекул В.Г. К расчёту напряжения зажигания разряда в проводящей жидкости // Журнал технической физики. -1984. Т. 54. - Вып. 2. - С. 368-370.

19. Кривицкий Е.В. К вопросу нарушения фазовой однородности в жидких диэлектриках под действием импульсного напряжения // Журнал технической физики. 1991.-Т. 61.-Вып. 1,-С. 9-13.

20. Пат. SU 1761124 А1 // Андриянов Ю.В., Андриянов О.Н. и Герасимов JI.H. Устройство для разрушения конкрементов в теле биообъекта, 1985.

21. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. Под. ред. В.П. Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 555 с.

22. Коробейников С.М., Мелехов А.В., Бесов А.С. Зажигание разряда в воде с помощью пузырьков // Теплофизика высоких температур. 2002. - № 5. - С.706.713.

23. Кондратьев С.А., Ростовцев В.И. Современные проблемы комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья. Хроника // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2005. -№5.

24. Тесленко B.C., Дрожжин А.П., Жуков А.И., Митрофанов В.В. Генерация и фокусировка ударно-акустических волн в жидкости многоочаговым электрическим разрядом // Журнал технической физики. 1999. - Т. 69. -Вып. 4.-С. 138-140.

25. Баковец В.В., Поляков О.В., Долговесова И.П. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 168 с.

26. Таблицы физических величин. Справочник. / под ред. акад. И.К. Кикоина / М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

27. Попель П.С., Павлов П.А., Скрипов В.П. Экспериментальное определение температуры достижимого перегрева электролитов // Гидродинамика и теплообмен. 1974. - С. 86-91.

28. Советников В.П., Теляшов J1.J1. О возможности взрывного вскипания на достримерной стадии электрического разряда в воде // Электронная обработка материалов. 1979. - № 4. - С. 46-49.

29. Техника высоких напряжений / под ред. М.В.Костенко, М.: Высшая школа, 1973.-С.528.

30. Котельников Д.И. Сюрпризы плазмы. К.: Техника, 1990. 158 с.

31. Лазаренко Б.Р., Дураджи В.Н., Факторович А.А., Брянцев И.В. Исследование пробоя между металлическим и электролитным электродами // Электронная обработка материалов. 1970. - № 4. - С. 23-27.

32. Лазаренко Б.Р., Дураджи В.Н., Факторович А.А. Вольт-амперная характеристика разряда между металлическим и электролитным электродами // Электронная обработка материалов. 1972. - № 3. - С. 55-59.

33. Shternberg Z. High current glow discharge with electrolyte as cathode // Gasdischarges. Internat. Conf. L.: Inst.Elect.Eng., 1970. - PP. 68-71. Сильноточный тлеющий разряд с электролитным катодом.

34. Аброян И.А., Еремеев М.А., Петров Н.Н. Возбуждение электронов в твёрдых телах сравнительно медленными атомными частицами // Успехи физических наук. 1967. - Т.92. - №1. - С. 105-157.

35. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1991. - 224 с.

36. Фрумкин А.Н. Кинетика электродных процессов. М.: Наука, 1987. - 319 с.

37. Атанасов П.А., Зарослов Д.Ю., Карлов Н.В., Ковалёв И.О., Кузьмин Г.П., Прохоров A.M. СОг лазер с плазменными электродами // Письма в ЖТФ. -1983.-Т.9.- В. 15.-С. 928-932.

38. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. - 312 с.

39. Импульсные системы большой мощности / под. ред. Э.И. Асиновского, М.: Мир, 1981.-248 с.

40. Андреев С.И., Зобов Е.А., Сидоров А.Н. Метод управления развитием и формированием системы параллельных каналов скользящих искр в воздухе при атмосферном давлении // Прикладная механика и техническая физика. -1976. -№3.- С. 12-17.

41. Дашук П.Н. Характеристики незавершённого скользящего разряда в воздухе при Р=105 Па // Письма в ЖТФ. 1993. - Т. 19. - Вып. 18. - С. 21-26.

42. Карлов Н.В., Кузьмин Г.П., Прохоров A.M. Газоразрядные лазеры с плазменными катодами // Письма в ЖТФ. 1984. - Т.48. - №7. С. 1430-1436.

43. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск: изд-во ТГУ, 1975.-258 с.

44. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчёт электрической ёмкости.1. Л., 1981,260 с.

45. Saker A., Atten P. Properties of streamers in transformer oil // IEEE Trans. DEI. -1996. V.3. - No.6. - P. 784-791. Характеристики стримеров в трансформаторном масле.

46. Atten P., Saker A. Streamer propagation over a liquid solid interface // IEEE Trans. EI. 1993. - V.28. - P. 230-242. Распространение стримера по границе жидкость-твёрдое тело.

47. Wehnelt А. Немецкий патент № 120340 юно 21g8, 1899.

48. Simon H.Th. Wied. Ann., 68, 1899, 860.

49. Лазаренко Б.Р., Фурсов С.П., Факторович А.А., Галанина Е.К., Дураджи В.Н. Коммутация тока на границе металл-электролит. Кишинёв, 1971. - 731. С.

50. Тесленко B.C., Дрожжин А.П., Карташов A.M. Генерация автоколебательных процессов при диафрагменном разряде в электролите // Письма в ЖТФ. 2001. - Т. 27. - Вып. 20. - С. 83-85.

51. Тесленко B.C., Дрожжин А.П., Санкин Г.Н. Автоцикличный кольцевой пробой в электролите с вынужденным коллапсом пузырьков // Письма в ЖТФ. 2006. - Т. 32. - Вып. 4. - С. 24-31.

52. Наугольных К.А., Рой Н.А. Акуст. ж., 1967. - Т. 8. - Вып. 3. С. 417-426.

53. Дрожжин А.П., Санкин Г.Н., Тесленко B.C. Цилиндрический генератор акустических волн в жидкости на основе электрических разрядов // Динамика сплошной среды. 2004. - Вып. 123. - С. 150-155.

54. Богач А.А., Уткин А.В. Прочность воды при импульсном растяжении // Прикладная механика и техническая физика. 2000. - № 4. - С. 198-205.

55. Физика и техника мощного ультразвука. Источники мощного ультразвука / Под ред. Л.Д.Розенберга. М.: Наука, 1967. 372 с.

56. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностранной литературы, 1957. 726 с.

57. Санкин Г.Н., Дрожжин А.П., Ломанович К.А., Тесленко B.C. Многоочаговый диафрагменный электроразрядный генератор ударных волн в жидкости // Приборы и техника эксперимента. 2004. - №4. - С. 114-118.

58. Овсянников А.Г. Разработка методов диагностики изоляции высоковольтного энергетического оборудования под рабочим напряжением на основе регистрации частичных разрядов. Диссертация на соискание учёной степени докт. техн. наук. Новосибирск, 2001. - 108 с.

59. Дрожжин А.П., Коробейников С.М., Тесленко B.C. Инициирование пробоя в жидкости с помощью кавитационных пузырьков // Научный вестник НГТУ.- 2003. Вып. 2(15). - С. 101-112.

60. Нестерихин Ю.Е., Солоухин Р.И. Методы скоростных измерений в газодинамике и физике плазмы. М.: Наука, 1967. - 172 с.

61. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. -М.: ГИФМЛ., 1958, 907 с.

62. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. - 592 с.

63. Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрической прочности жидкостей. 1. Предпробивные процессы // Теплофизика высоких температур.- 1998.-N3.-С. 362-367.

64. Торза С., Кокс Р., Мейсон С. Электрогидродинамическая деформация и разрыв капель. В кн.: Реология суспензий. -М.: Мир, 1975, С.285-333.

65. Коробейников С.М. Деформация пузырьков в электрическом поле // Инженерно-физический журнал. 1979. - Т. 36. - №5. - С. 882-884.

66. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. 3-е изд.,перераб и доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 296 с.

67. Агошков М.И., Кравченко B.C., Образцов А.П., Воронюк А.С. Вторичное дробление магнитных руд с помощью высокочастотного нагрева: Науч. сообщ. ИГД АН СССР. М.: Гостоптехиздат. 1960.

68. Полуянский С.А., Галяс А.А., Ларкина А.П. Оптические генераторы и их применение в горном деле. Киев: Наукова думка, 1971. - 102 с.

69. Удельное сопротивление водного раствора хлорида натрия при 18°С приразличных концентрациях соли.

70. Рис. П. 1.1. График зависимости удельного сопротивления электролита от концентрации.

71. Формулы для вычисления сопротивления реакции Rp, ёмкости двойного слоя С и активного сопротивления слоя электролита R.

72. Вычисление сопротивления R R = Uab(0)Rg/(Ug-Uab{0))

73. Вычисление сопротивления Rc w = Rg + R f = Rg + R + Rp с = wUg/ / d = UgR I w-с

74. Rp- это корень уравнения: c + d- fT2 /{wRp(-fT\ /(wRp ln(Uab(250) I d-d d))))где Tl=250 мкс, T2=1000 мкс.1. Вычисление ёмкости С-С = fT2/(wRp ln(Uab(\ ООО) / d-с/d))

75. Акт об использовании результатов кандидатской диссертации1. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

76. Сибирское отделение Ордена Трудового Красного Знамени ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ имени М.А.Лаврентьева

77. Данные устройства использовались в Лаборатории динамики гетерогенных систем института при исследовании процессов развития кавитации и сонолюминесцен-ции в воде при фокусировке ударных волн как в объёме жидкости, так и вблизи свободной поверхности.

78. В результате применения многоочаговых генераторов были получены новые научные результаты, которые были представлены на международных конференциях:

79. P.Drozhzhin, V.S.Teslenko. Multi-spark shock-acoustic wave generators // Proceedings of the I6th International Symposium on Nonlinear Acoustics (ISNA-16), 19-23 August 2002, Moscow, Russia, pp. 1139-1142.