К. К. Хренов и д-р техн наук, проф


НазваниеК. К. Хренов и д-р техн наук, проф
страница5/12
Дата публикации26.03.2013
Размер2.13 Mb.
ТипКнига
userdocs.ru > Физика > Книга
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Глава 2

^ Методы обеспечения практического использования электрогидравлического эффекта

2.1. Сверхдлинный разряд

Основой, обеспечивающей многообразные технологические возможности электрогидравлического эффекта, является предложенный в 1950 г. способ получения сверхдлинных разрядов в проводящих жидкостях, осуществляемый путем предельного уменьшения активной (т. е. соприкасающейся с жидкостью) площади положительного электрода при одновременном увеличении активной площади отрицательного электрода [4, 7]. Способ позволяет получать в проводящих жидкостях прорастание стримеров на значительные расстояния, в силу чего возникают разряды с большой длиной и поверхностью канала, способной интенсивно отдавать свою энергию в окружающее пространство. К выводу о возможности получения таких разрядов автор первоначально пришел в результате логических рассуждений.

Усилить эффект гидравлического удара можно, лишь создав все условия для максимально эффективного преобразования электрической энергии в механическую, имея в виду, что искра есть то орудие, которое передает энергию в окружающую жидкость. А поскольку энергия передается жидкости через поверхность канала искрового разряда, то очевидно, что энергия будет тем больше, чем больше будет поверхность. Наиболее существенным при решении этой задачи оказалось то, что искровой разряд развивается в жидкости, а именно в воде, и то, что химические процессы, возникающие при этом, являются фактором, определяющим характер всего процесса преобразования энергии. Оказалось также, что при этом весьма существенную роль играет закон Кольрауша, или закон аддитивности электропроводности различных ионов в растворах.

В воде, где практически существуют только два вида ионов: положительные Н+ и отрицательные ОН~, основная, определяющая весь процесс разряда роль принадлежит иону ОН". В самом деле, электроны, срывающиеся с ионов'ОН~ и вливающиеся затем в канал стримера, определяют не только самое его существование, но и его длину, ибо чем их будет больше, тем дальше прорастет стример, тем длиннее будет разряд, меньше потери

44

на электропроводность и выше механический КПД разряда. В то же время ион Н+ (или гидроксоний Н3О+) не принимает участия в росте стримеров и с этой точки зрения бесполезен для всего процесса разряда.

Таким образом, задача состояла в том, чтобы создать противоположные для ионов разных знаков условия: всемерно затруднять условия образования новых ионов Н+, и одновременно с этим всячески облегчать условия их разрядки; возможно более облегчать условия образования новых ионов ОН" с одновременным обеспечением их преимущественной разрядки не на электрод, а на растущий стример с тем, чтобы всячески стимулировать этим его рост в длину.

Создать такие условия оказалось возможным без сложных и дорогостоящих устройств и изменения химического состава воды благодаря изменению формы электродов.

Действительно, при резком уменьшении активной, соприкасающейся с водой поверхности положительного электрода (путем максимальной его изоляции по всей длине, кроме переднего конца) и одновременном резком увеличении активной поверхности отрицательного электрода в воде между электродами возникает значительная асимметрия поля и, как следствие этого,— особая ионная атмосфера (преимущественно одного знака), способствующая интенсивному прорастанию стримера в жидкости.

Такая асимметрия поля создает 'в области между электродами благоприятные условия для быстрой нейтрализации ионов Н + и обогащения жидкости ионами ОН". Ионы Н+ легко разряжаются на обширный отрицательный электрод, тогда как образование новых ионов Н+ при минимальной поверхности положительного электрода очень затруднено. В результате происходит резкое уменьшение общего числа ионов Н+ в объеме между электродами. Реакция жидкости в этом объеме становится щелочной. В то же время ионы ОН~, легко получая новые заряды от обширного отрицательного электрода, насыщают межэлектродное пространство и активно разряжаются, но не на сам, почти весь изолированный положительный электрод, а преимущественно на растущий от положительного электрода стример. Между электродами возникает отрицательный объемный заряд из ионов ОН^, легко отдающий свои электроны в растущий канал стримера, вследствие чего он и прорастает на значительные расстояния, определяя сверхдлинный канал искрового разряда при данных параметрах импульса.

Количественный сдвиг ионного равновесия в сторону преобладания ионов ОН допустим действием закона Кольрауша, тем более, что этот закон справедлив не только для межэлектродного промежутка, но и в остальном объеме жидкости, где заряд ионов преимущественно противоположен (Н + ).

Особая роль иона ОН" и ионов вообще и определяет тот факт, что в жидкостях со слабой ионной проводимостью (типа воды) за

45
счет ионов ОН сверхдлинные разряды возникают легко и поэтому коэффициент преобразования энергии в них особенно высок. Таким образом, резкая асимметрия поля, возникающая при реализации описанного способа получения сверхдлинных разрядов, есть необходимое условие, обеспечивающее более высокий механический КПД и тем самым определяющее смысл электрогидравлического преобразования энергии.

С применением данного способа разряды в проводящей жидкости типа воды становятся при равных параметрах импульса в десятки раз длиннее и осуществляются при напряжении в 100 кВ с градиентом около 1 кВ/см длины рабочего искрового промежутка. С повышением напряжения градиент нелинейно падает, что позволяет при напряжениях в несколько сотен киловольт получать в воде многометровые разряды.

Таким образом, простое уменьшение активной поверхности положительного электрода с одновременным резким увеличением активной поверхности отрицательного электрода позволило полностью решить все поставленные задачи, в результате чего обычный, наблюдавшийся Т. Лейном, Д. Пристли, Ф. Фрюнгелем и другими исследователями маленький и слабый искровой разряд в воде превратился в сверхдлинный искровой разряд, способный легко передавать энергию наружу, обеспечивая этим высокий механический КПД нового способа промышленной трансформации электрической энергии в механическую [14, 19].

Существенный интерес представляет рассмотрение условий движения ионов в непосредственной близости от острия изолированного положительного электрода различных электрогидравлических устройств. На рис. 2.1,а показана конфигурация электрического поля в момент подачи импульса на электроды, а на рис. 2.1,6 — в момент уже проросшего стримера. Из анализа динамики развития процесса следует, что в начальный момент около острия электрода образуется область высокой напряженности поля (ЕязЗб кВ/см), в силу чего происходят вытеснение из этой области положительных ионов Н+ и обогащение ее объема отрицательными ионами ОН". В указанной области возникает значительный объемный заряд противоположного электроду знака, что в высшей степени облегчает возникновение, а главное, быстрое прорастание мощных стримеров и, как следствие, «замыкание» электродов.

Из рассмотрения рис. 2.1,а, б также можно заключить, что по мере роста стримера область высокой напряженности оказывается связанной с его передним концом, т. е. перемещается вместе с ним. Стример выступает здесь как своеобразный «выдвижной электрод», площадь которого возрастает по мере его удаления от конца положительного электрода, что должно увеличивать'и величину возникающих потерь. Однако конфигурация поля вокруг поверхности стримера по всей его длине оказывается крайне благоприятной для возникновения и существования окру-

46





Рис. 2.1. Схемы электрического поля в жидкости; а — при подаче

импульса на электроды; б — при прорастании стримера;

/ — эквипотенциальные поверхности поля; ^ 2—силовые линии поля;

3 — стример; 4 — оболочка канала стримера

жающего его «облака» отрицательных ионов ОН", а значит, и газовой оболочки от разрядившихся ионов, надежно изолирующей канал стримера от непроизводительных потерь. Стример, почти проросший до второго электрода, даже в момент замыкания им обоих электродов по-прежнему имеет максимальную напряженность поля на своем переднем конце. И здесь поле вдоль стримера также равномерно и также способствует существованию облака

' 47
отрицательных ионов ОН . Из сопоставления этапов развития поля следует, что по мере роста стримера об часть, за'нятая отрицательным объемным зарядом, как бы расплывается вдоль всей поверхности стримера, имея максимум концентрации на его переднем конце.

По мере роста стримера рост усов стримера назад и в направлении, перпендикулярном к оси основного канала стримера, затрудняется. Именно на этом основана предложенная конструкция электрода с выдвижным от торца изоляции острием стержня. При этом торец изоляции удаляется из области высоких напряжен-ностей поля, что делает его наименее уязвимым для разрушения стримерами.

На приведенных схемах показан случай, когда стример имеет только один канал, без ветвей, развивающийся прямолинейно вдоль продолжения оси электрода, что на практике случается редко. Как правило, стример; даже одноканальный, имеет практически много небольших усов — ветвей, отходящих в стороны от главного канала 'вдоль силовых линий поля. Главный канал стримера, как правило, также не прямолинеен. В подобном случае конфигурация линий поля, конечно, будет сильно искажена взаимным влиянием полей усов, кривизной ветвей и главного канала, но принципиальная картина поля будет совершенно аналогична приведенной.

Зная конфигурацию поля в каждый из моментов роста стримера, можно представить и поведение ионов. На рис. 2.2 схематично показано поведение ионов вблизи острия положительного электрода. Отрицательные ионы ОН~ отдают свои электроны в канал стримера, определяя этим его постепенное удлинение — «прорастание» в объем жидкости между электродами. При движении в канал эти электроны следуют по силовым линиям поля. Положительные ионы Н+ выталкиваются из зоны концентрации ионов ОН™ действием сил поля, при этом их движение совершается также по силовым линиям поля. Это имеет существенное значение для объяснения еще одного явления — так называемого «ионного противопотока». Кроме того, подобное представление, о характере их перемещения служит еще одним подтверждением положения о самоперемещающейся газово-ионной «самоизоляции» стримера при его росте и развитии в жидкости, -г

В самом деле, если картина движения ионов по схеме на рис. 2.2 сохраняется в основном до полного замыкания стримером обоих электродов, то, следовательно, истинная конфигурация поля в этот момент в точности совпадает с той, которая была приведена на рис. 2.1, б. Тогда многие ионы Н + , двигаясь ко второму электроду только по силовым линиям поля (вдоль них), будут вынуждены двигаться в совершенно, казалось бы, противоположном направлении — вдоль канала стримера, образуя в непосредственной близости от него окружающий его поток положительных ионов Н + , направленный к положительному электроду.



Рис. 2.2. Схема движения ионов в межэлектродном промежутке:

/ — растущий стример; 2 — силовые линии поля; 3 — направление
> , движения ионов

Опыт показывает, что такого рода поток действительно существует. Для обнаружения его достаточно на пути стримера в жидкости поставить лист бумаги и пробить ее стримером или разрядом. При этом края образовавшегося отверстия оказываются вывернутыми в сторону, обратную направлению кажущегося движения стримера, т. е: они выворачиваются в ту сторону, в которую двигались электроны в канале — в сторону положительного электрода.

Согласно нашим представлениям о происходящем процессе, это сделали не электроны. Края бумаги были загнуты в эту сторону потоком положительных ионов, как рубашкой окружавших область повышенной концентрации отрицательных ионов и вывернувших края бумаги, которые продолжали движение по инерции уже после,того, как разряд пробил бумагу и прекратился. Таким образом, около выступающего из изоляции острия положительного электрода при импульсном наложении поля создаются условия, когда тяжелые малоподвижные ионы ОН~, мешая друг другу разрядиться на острие положительного электрода, получат лучшие условия для этого, разряжаясь на быстро растущий стример. Быстрые, легкоподвижные ионы Н+, интенсивно выталкиваясь из зоны, окружающей острие электрода, тем самым создают около него зону повышенной концентрации отрицательных ионов — зону повышенной щелочности, зону окислительных реакций. По мере перемещения к отрицательному электроду концентрация



4 Зак. 1

49

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 потерь 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


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Похожие:

К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconМагистральные трубопроводы
Южниигипрогаза (И. И. Панков и Н. Н. Желудков), Государственного газового надзора СССР р. Г. Торопова), вниигаза Мингазпрома (кандидаты...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconТиражування та розповсюдження без офіційного дозволу Держпожбезпеки заборонено
Укрндіпб) мвс україни (канд техн наук Откідач М. Я.,  Нехаєв В. В. – керівник розробки,        Сокол В. Г. – відповідальний виконавець...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconЕ. М. Перепонова ), ниипг гугк (канд техн наук
Работаны цнииомтп госстроя СССР (кандидаты техн наук В. С. Сытник, С. Е. Чакулаев) с участием нииосп им. Н. М. Герсеванова Госстроя...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconАвтомобильные дороги
Минавтодора рсфср (д-р техн наук А. П. Васильев; кандидаты техн наук В. Д. Белов, Е. М. Окороков), Гипроавтотранса Минавтотранса...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconАлюминиевые конструкции
Разработаны цнииск им. Кучеренко (д-р техн наук В. И. Трофимов, канд техн наук Б. Г. Бажанов) при участии цниипроектстальконструкции...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconУчебное пособие рекомендовано умо по образованию в области социальной...
Д-р соц наук, проф. А. В. Миронов; д-р полит, наук, проф. М. В. Савва; д-р полит, наук, проф. С. В. Передерий
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconБезопасность технологических процессов и производств
«Промышленная безопасность и охрана окружающей среды» Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина (зав...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconД. А. Леонтьев психология смысла
Рао б. С. Братусь д-р психол наук, проф., чл кор. Рао в. А. Иванников д-р психол наук, проф., чл кор. Ран в. Ф. Петренко д-р психол...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconИстория экономики учебник
О. Д. Кузнецова; канд экон наук, доц. Л. И. Пермякова; канд экон наук, доц. Е. Г. Лисовская; д-р экон наук, проф. И. Н. Шапкин; канд...
К. К. Хренов и д-р техн наук, проф iconПод общей редакцией
Кононов К. А., канд юрид наук — гл. 7 (в со­авт.); Кряжкова О. Н., канд юрид наук, доцент — гл. 7 (в со­авт.), 18, 27; Марокко II....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница