Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

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 на электропроводность и выше механический КПД разряда. В то же время ион Н+ (или гидроксоний Н30+) не принимает участия в росте стримеров и с этой точки зрения бесполезен для всего процесса разряда.

Хаким 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! ' 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 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 электрогидравличе - ских 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 (Еж 36 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-

Рис. 2.1. Схемы электрического поля в жидкости: а — при подаче импульса на электроды; б — при прорастании стримера;

1 — 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 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 напряжен­ностей 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. “

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.

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
ионов ОН” уменьшается, оставаясь все же завися­щей от напряженности поля. Все эти явления про­текают за время пред - разрядной стадии общего процесса.

Существенно дополни­ли возможности способа получения сверхдлинных разрядов предложенные методы роста стримеров. Были найдены условия, при которых, располагая по существу любой, но достаточной для начала роста' стримеров напря­женностью поля, можно получать прорастание стримеров на заданные расстояния (рис. 2.3). По­скольку рост стримеров обеспечивается прежде всего наличием необходи­мой для начала этого про­цесса напряженностью по­ля и с падением ее ниже этого предела практиче­ски прекращается, то, осу­ществляя периодическую подпитку растущего стри­мера дополнительной энер­гией, оказалось возмож­ным обеспечить его рост практически на любые рас­стояния. Для осуществления подобной подпитки необходимо в строго определенные ходом разряда промежутки времени пода­вать на стример дополнительное напряжение (например, подклю­чая к нему новую, еще не израсходованную емкость, заряженную, как минимум, до того же напряжения, которое питало стример). Таким образом, осуществляемое автоматически электронной схе­мой подключение позволяет периодически вводить в канал расту­щего стримера дополнительную энергию, обеспечивая этим даль­нейший непрерывный рост стримера [3].

Весьма перспективным методом повышения эффективности искрового разряда, практически устраняющим рост побочных стримеров и делающим разряд одноканальным и строго прямо­линейным, является также метод радиационного поджига [63].

Для его осуществления на одном из электродов (пре­имущественно заземленном) устанавливается защищен­ная капсула с радиоактив­ным препаратом или лазер­ное устройство, создающее в жидкости узкий ионизиро­ванный канал в заданном направлении (рис. 2.4). По­лучив в свое распоряжение ионизированный путь, раз­ряд направляется по нему, не затрачивая свою энергию на создание бесполезных побоч­ных стримеров.' Все это делает разряд более мощным и строго прямолинейным, а значит, и более длинным, что в совокупности повышает его механический КПД.