Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

КПД электрогидравлического эффекта

Электрогидравлический эффект был предложен прежде всего как способ трансформации электрической энергии в механическую. В связи с этим КПД этого преобразования является определяю­щим фактором при решении вопросов практического использова­ния электрогидравлических способов и устройств. КПД (т^) элект­рогидравлического эффекта зависит как от параметров электри­ческой схемы, так и от свойств подвергающихся электрогидрав - лической обработке объектов, среды, в которой она происходит, и характера обработки.

Ниже дается качественное изложение факторов, оказывающих влияние на величину КПД электрогидравлического эффекта

Т| = / (а, I, кр, -^, Ь),

Где а = 1 ^С, и, — амплитуда тока импульса; I — расстояние

Между электродами (длина искры); &р — коэффициент, характе­ризующий резонансные свойства материала; т — длительность им­пульса; Ь — крутизна фронта импульса; С — электрическая ем­кость; и — номинальное напряжение; Ь — индуктивность разряд­ного контура; % — сопротивление разрядного контура. ><

Доказано, что КПД возрастает с увеличением значений а и Ь, а также длины искры / и уменьшается с увеличением т. Умень­шение значений 1и/? разрядного контура, а также рост напряже­ния и ив известных пределах емкости С способствуют увеличению механического КПД электрогидравлического эффекта, увели­чению КПД также способствует увеличение плотности рабочей жидкости [3].

Однако следует также иметь в виду сложный характер зави­симости электрических параметров друг от друга. Так, при уве­личении емкости контура линейно возрастают энергия импульса, амплитуда тока, удлиняется искра, но одновременно увеличива­ется и длительность импульса. Возрастание амплитуды тока и рост длины искры способствуют увеличению КПД, но их положительное влияние подавляется быстрым увеличением длительности им­пульса.

Поскольку передача энергии от искрового канала в окружаю­щую его среду осуществляется через поверхность этого канала, то пространственные параметры искры будут в значительной сте­пени определять эффективность этого процесса. Поэтому, говоря далее о напряжении и емкости, следует прежде всего иметь в виду, что они являются главными факторами, определяющими длину (напряжение) и диаметр (емкость) искрового канала. При увели­чении напряжения резко возрастают энергия импульса (Л = — О!2/2) и крутизна фронта импульса тока [3, 4].

Кроме того, с повышением напряжения одновременно увеличи­вается и длина искры. Казалось бы, ясно, что увеличение длины и диаметра искрового канала, увеличивая его поверхность, будет способствовать улучшению условий перехода энергии в окружающую среду. Однако с ростом диаметра канала переход энергии из его центральных частей на периферию будет все более затрудняться и энергия начнет непроизводительно расходоваться на перегрев канала искры. Для ослабления этого отрицательного фактора можно увеличить крутизну фронта и уменьшить длитель­ность импульса, так как увеличение скин-эффекта, возникающее при этом, вызовет интенсивное перекачивание энергии из централь­ных областей канала на его периферию, а увеличение крутизны фронта и уменьшение длительности импульса достигаются повы­шением напряжения.

В конечном счете повышение напряжения вызывает рост КПД и приводит к возрастанию «жесткости» электрогидравлического удара, делая его более коротким,— бризантным. Увеличение ем­кости, наоборот, приводит к «смягчению» электрогидравлического удара, делая его менее «жестким» — более длительным.

Увеличение индуктивности разрядного контура приводит к резкому возрастанию длительности импульса, что даже при посто­янной амплитуде тока ведет к резкому изменению крутизны фронта, который становится более пологим, а поэтому даже ничтожное уменьшение индуктивности разрядного контура приво­дит к увеличению механического КПД разряда.

Увеличение сопротивления разрядного контура снижает энер­гию импульса и уменьшает амплитуду тока, вызывает увеличение длительности импульса и резко влияет на крутизну его фронта, делая его более пологим, что в конечном счете также приводит к снижению КПД. Таким образом, направленное изменение какого - либо параметра разрядного контура одновременно с этим разно­образно влияет и на остальные параметры разряда [6].

Разделив процесс на стадии, как это, мы сделали раньше, проще и удобнее определить возможности повышения КПД для всего про­цесса в целом. При этом большое значение имеют как длитель­ность, так и форма импульсов тока и напряжения каждой стадии.

Так, для повышения КПД выгодно, чтобы предразрядная ста­дия была возможно короче. Однако при обычных условиях умень­шение длительности этой стадии может привести к резкому уменьшению длины искрового разряда, поскольку за короткое время стримеры, если их росту чем-либо не помочь, не смогут прорасти на большое расстояние. Таким образом, укорочение длительности предразрядной стадии связано с необходимостью увеличения скорости роста стримеров или облегчения условий их роста в жидкости. А скорость и условия роста стримеров зависят в большей степени от напряжения и в меньшей степени от характера и степени ионизации жидкости.

На стадии переднего фронта механический КПД разряда будет возрастать с увеличением крутизны фронта и амплитуды импульса тока. КПД также резко возрастает, если стадии, не участвующие в процессе трансформации электрической энергии (примерно с половины стадии заднего фронта вплоть до полного прекращения процесса разряда), упразднить вообще. Для некоторых видов электрогидравлической обработки эти стадии не нужны, на них происходит непроизводительный расход энергии (до 10—30 % всей энергии разряда). В связи с этим повышение электрического, а значит, и механического КПД за счет экономии этой энергии представляет большой практический интерес.

Разработанные электрические схемы позволяют «отсекать» лю­бую из хвостовых частей импульса, оставляя при этом в конденса­торе всю ту энергию, которая ранее'шла на обеспечение существо­вания этих стадий. Сохраненная в конденсаторе энергия ускоряет зарядку конденсатора до заданного пробивного напряжения и этим на 10—20 % повышает КПД всех электрогидравлических устройств, работающих по таким схемам.

Однако в зависимости от поставленных целей (характера обра­ботки) отношение к существованию различных стадий разряда во времени может быть и' противоположным. Так, для осуществле­ния, например, импульсного электролиза оказывается рациональ­ным как можно более удлинить предразрядную стадию процесса. В тех случаях, когда необходимо использовать действие магнитно­го поля для активизации химических реакций, следует увеличить крутизну фронта и амплитуду тока на стадии переднего фронта, что выгодно также и при использовании в тех же целях процессов кавитации в кавитирующем кольце, тем более мощном, чем больше мгновенная мощность разряда.