Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Реверсивный разряд

При работе электрогидравлического устройства в режиме «обратной полярности» (т. е. когда положительным является электрод с максимально активной поверхностью, а отрицатель­ным — электрод, изолированный по всей его длине) конфигурация электрического поля в жидкости, определяющая характер движе­ния в ней ионов, резко изменяется и наблюдается явление, назван­ное нами реверсивным разрядом [3, 4, 7]. При этом стримеры разряда вместо того чтобы расти от положительного электрода к отрицательному, как это происходит при осуществлении сверх - длинного разряда, начинаю'т расти от конца отрицательного, изолированного теперь электрода, в сторону, противоположную неизолированной пластине положительного электрода.

Визуально это выглядит так, что стримеры растут не к противо­лежащему электроду, а словно пятясь от него, развиваются, направляясь в объем жидкости, лежащей против этого электрода [36]. Принципиальная схема устройства для осуществления реверсивных разрядов приведена на рис. 2.18. Для пояснения сущности явления приведем описание одного из наших опытов. В ванну с окнами из органического стекла вместимостью около 1,5 м3 технической воды, допускающую осуществление в. ней раз­рядов длиной более 1 м, опускались электроды. Один из них стерж­
невой, выполненный из бериллиевой брон­зы (диаметром 4 мм), был изолирован по всей длине трубкой из вакуумной ре­зины (толщина стенки 6 мм). Конец электрода был заточен в виде полусферы и выступал из резиновой трубки на 2 мм. Второй электрод, выполненный из алюми­ниевого листа (толщиной 6 мм), распо­лагался на изоляторах на дне металли­ческой ванны, заполненной технической водой, и имел размеры 800X600 мм. Вначале импульсы от. ГИТ, собранного по обычной схеме электрогидравлических силовых установок (при {7=100 кВ и С = 0,5 мкФ), подавались на стержневой электрод, имеющий положительную поляр­ность. Электрические искровые пробои водопроводной воды наблюдались на рас­стоянии между электродами до 100 см. При дальнейшем увеличении расстояния между электродами пробои прекраща­лись и все разряды были только кисте­выми. В случае полного удаления рези­новой изоляции с положительного элек­трода получить разряд длиннее 10 см при тех же параметрах разрядного контура не удалось. Постепенное надвигание резиновой изоляции на стержень положительного электрода также постепенно увеличивало длину искрового разряда до 100 см при минимальной поверхности электрода, соприка­сающейся с водой. При уменьшении поверхности отрицатель­ного электрода до 400X300 мм с максимально изолирован­ной поверхностью положительного электрода длина искро­вого разряда при тех же параметрах импульса уменьша­лась до 50 см. Таким образом, с уменьшением активной (соприкасающейся с водой) поверхности положительного элект­рода и одновременным увеличением активной поверхности отри­цательного электрода электрический разряд между электродами осуществлялся при градиентах менее 1 кВ/см.

Затем (при прочих одинаковых условиях) изменилась поляр­ность электродов. Теперь искровой пробой наступал только в тех случаях, когда расстояние между электродами не превышало 8 см, а градиент пробоя составлял при этом более 12 кВ/см. Увеличение расстояния между электродами более чем на 8 см совершенно изменяло характер разряда. При подаче импульса тока возникал кистевой разряд в виде одного-двух стримеров, стелющихся по поверхности резиновой изоляции отрицательного1 электрода в сторону, обратную расположению положительного /

Электрода. Длина усов стримера, всегда направленных в противо­положную положительному электроду сторону, возрастала по мере сближения электродов, достигая 80 см при максимальном их сближении (но не ближе 8 см).

Опыт показал, что при реверсивном разряде напряженность поля, необходимая для пробоя длинных (в несколько десятков сантиметров) промежутков, в 10—15 раз превышает напряжен­ность поля, пробоя при прямой полярности (в условиях сверх - длинного разряда) и только для очень коротких (менее 3—5 см) промежутков возвращается к обычной норме 1 кВ/см).

По нашим представлениям, эти явления могут быть обусловле­ны резкой асимметрией поля, вызванной применением сильно различающихся по величине активных поверхностей обоих электродов. В этом случае в жидкости между электродами возни­кает особая «ионная атмосфера» преимущественно одного знака, либо облегчающая (сверхдлинный разряд), либо затрудняющая (реверсивный разряд) прорастание стримеров. Поэтому если по­менять местами полюсы в том же устройстве с развитым отрица­тельным и изолированным положительным электродами, то это приводит к изменению всех процессов в межэлектродном пространстве. В самом деле, если раньше развитая поверхность отрицательного электрода позволяла зарядам легко пополнять содержание в ней ионов ОН-, то теперь развитая поверхность положительного электрода, наоборот, будет благоприятствовать увеличению количества положительных ионов Н+ и выводить из обращения отрицательные ионы ОН-, которым теперь будет не­куда разряжаться, ибо из такой огромной поверхности стримеры расти не станут, так как градиент напряжения у этой поверхности слишком мал.

В то же время у отрицательного электрода, почти полностью изолированного, будет весьма затруднено образование отрица­тельных ионов ОН~, а множество быстрых положительных ионов Н+ почти полностью преградят путь ионам ОН к положитель­ному электроду. 'Таким образом, «ионная атмосфера» из ионов Н + , препятствуя прорастанию стримеров к противоположному по знаку электроду, определяет появление своеобразного явления реверсивного или «пятящегося» разряда. Реверсивный разряд раз­вивается в виде одно-, двухканальной кисти, сильноразветвленной на конце, и движется в обратную от острия электрода сторону, по границе раздела изоляция—жидкость. Он не зависит от электромагнитного поля электрода, связа’н только с поверхностью его изоляции, следует любым ее изгибам и очень легко переходит с ее поверхности на поверхность любого другого изолятора, прижатого сбоку к изоляции электрода.

По нашим представлениям, развитие разряда в этом направ­лении вызвано тем, что граница раздела изоляция—жидкость (как и всякий пограничный слой) имеет отличную от окружающей жидкости ионную структуру (в данном случае состоящую в основ-

Ном из ионов ОН“). Тогда в полном соответствии с ранее высказанными положениями из объема жидкости, расположен­ного за электродами и имеющего «ионную атмосферу», состоящую в основном также из ионов ОН-, к концу электрода, по жидко­сти (в пограничном слое его изоляции) начинают расти лавины стримеров, достигающие затем его острия и визуально создающие впечатление выхода кисти из острия электрода.

Объяснение этого явления действием лавины электронов, выходящих из острия и нейтрализующих ионы Н + , кажется нам малоубедительным, поскольку подобная лавина с большей вероят­ностью могла бы развиваться между электродами, где для этого % существуют, казалось бы, более благоприятные условия. Однако выход электронов, нейтрализующих ионы Н + , вполне допустим на небольших расстояниях не только от острия, но и от канала стримера, когда он достигает острия.

Таким образом, в начальный период лавина стримеров, обус­ловленная срывом электронов с ионов ОН-, растет из жидкости к острию электрода, причем электроны, как обычно, движутся в обратном направлении, а после смыкания стримера с острием электроны с острия заполняют и насыщают канал и частично расходуются в его зоне на нейтрализацию ионов Н + . Этот стример имеет максимальную «толщину» там, где градиент поля и концент­рация ионов ОН“ выше, т. е. у переднего конца отрицательного электрода, и многократно ветвится на другом конце, в жидкости. Стример постепенно отходит от изоляции по мере удаления его от переднего конца отрицательного электрода. Исходя из харак­тера протекания этого явления, можно утверждать, что концентра­ция ионов ОН- в пограничном слое раздела изоляция — жидкость достаточно велика и обусловлена особыми свойствами этого пограничного слоя.

По мере сближения электродов между собой длина реверсив­ного разряда увеличивается, доходя при 100 кВ до 50—80 см. Это объясняется тем, что при сближении электродов изолирован­ный отрицательный электрод как бы все глубже погружается в область «ионной атмосферы», обусловленной ионами Н + , а область, заполненная ионами ОН“, удаляется от острия электро - да. При дальнейшем сближении электродов на расстояние, мень­шее 1/10 первоначального, реверсивный разряд сменяется нор­мальным искровым пробоем через жидкость между электродами, при этом градиент пробоя резко возрастает и составляет около 10—15 кВ/см. Это явление может быть объяснено тем, что приме­ненная асимметрия поля не создает «ионной атмосферы» из одних только ионов Н + или ОН, а создает смешанную, лишь в опреде­ленной степени «обогащенную» одним из ионов. В соответствии со степенью этого обогащения, располагая, например, только ионами ОН“, можно получить лишь небольшой стример при очень больших градиентах (из-за влияния «ионной атмосферы» проти­воположного знака, что и имеет место в действительности).

Из этого следует, что примененная асимметрия поля позволяет примерно в 10 раз изменять относительную насыщенность ионами Н+ или ОН объема жидкости между электродами. За пределами этого объема вероятно «обогащение» ионами другого знака, что и подтверждается опытом.

С дальнейшим' уменьшением расстояния между электродами градиент пробоя очень быстро падает и для очень коротких (до 3 см) промежутков составляет величину, характерную для сверхдлинного разряда. Реверсивный разряд становится интенсив­нее с увеличением энергии импульса и резко ослабевает с увеличе­нием концентрации ионов, Интенсивность разряда возрастает и при сближении электродов до указанного выше предела, за которым он переходит в обычный искровой пробой.

В зависимости от рода жидкости и концентрации в ней ионов зачастую возникают такие условия, когда длина прямого и ревер­сивного разрядов (имеется в виду только чисто искровой пробой) одинакова. Это свидетельствует о том, что количественный сдвиг концентрации благоприятствующих сверхдлинному разряду ионов при помощи указанной выше асимметрии поля не всегда удается осуществить. Иногда реверсивный разряд бывает даже длиннее прямого. Этот случай, видимо, следует объяснить соответствую­щим влиянием ионов других веществ, находящихся в данной жидкости.

С увеличением удельной проводимости жидкости сдвиг ионной концентрации в объеме жидкости между электродами чрезвычайно затрудняется. Взаимодействие большого числа ионов между собой исключает возможность достаточного обогащения этой зоны иона­ми одного знака, и поэтому концентрация ионов другого знака оказывается по-прежнему столь большой, что характерные при­знаки, присущие сверхдлинному и реверсивному разрядам, ослабе­вают или даже не возникают. Кроме того, с повышением кон­центрации ионов в жидкости резко возрастают потери на проводи­мость, а это оказывает существенное влияние на градиенты напряженности поля вблизи электродов и в объеме жидкости между ними, делая невозможным прорастание стримеров на доста­точно большие расстояния, в то время как вся энергия импуль­са поглощается вблизи электродов. В зависимости от знака иона, определяющего основную проводимость данного электролита, реверсивный разряд может возникать и при другой полярности электродов.

На практике реверсивный разряд может быть использован при создании принципиально нового оборудования для силовых электрогидравлических установок, как например: высоковольтных выключателей постоянного тока большой мощности; высоко­частотных выпрямляющих устройств с водяным вакуумом; импульсных «непробиваемых» высоковольтных (высокочастот­ных) конденсаторных устройств с водяной изоляцией; устройств для электрохимического синтеза и катализа и т. д.

Реверсивный разряд также используют при бурении электро- гидравлическим буром «грязного забоя», где конфигурация полей и направление движения стримеров, возникающих при реверсив­ном разряде, благоприятствуют процессу бурения, как бы «отжи­мая» разряд ко дну забоя [41]. В ряде случаев (особенно когда заданная конструктивными условиями длина искрового разряда мала и не превышает 10—30 мм), например, для по­вышения стойкости изоляции электрода также целесообразно

Работать в режиме обрат­ной полярности [4].

Реверсивный разряд, создающий в объеме меж­ду электродами (напри­мер, в воде) преобладание положительных ионов Н + и резко выраженную кис­лотную реакцию, может иметь большое практиче­ское значение при осу­ществлении направленных химических реакций.

Метод управления по­терями. Этот метод осно­ван на использовании об-

Наруженных закономерностей воз­никновения и развития реверсивных разрядов. Известно, что электриче­ские потери, неизбежные в электро­технических устройствах, можно уменьшить, если учесть специфику их возникновения.

Опытным путем было установлено [56] влияние положения металли­ческой пластины, помещенной на стержневой / положительный элек­трод, на длину и форму разрядов, развивающихся с этого электрода.

Оказалось, что приближение пла­стины к концу положительного электрода уменьшает длину искры или стримеров кисти при кистевом разряде, а удаление ее увеличивает их. Еще более значительно влияет на параметры искры поворот пла­стины относительно вертикальной оси без изменения ее положения относительно стержня положитель­ного электрода. При этом сущест­венное значение имеет угол поворота пластины относительно плоскости отрицательного электрода. Электрические потери становились * максимальными в том случае, когда плоскости обеих пластин были параллельны друг другу, и минимальными, когда они были перпендикулярны. Поэтому для уменьшения электри­ческих потерь при конструировании различных электрогидрав - лических устройств, элементы конструкций которых должны быть выполнены с большой активной поверхностью положитель­ного электрода следует максимально уменьшать активную поверх­ность положительного электрода; располагать эту поверхность перпендикулярно к поверхности отрицательного электрода; при заданном напряжении работать только на оптимальной для дан­ного случая длине рабочего искрового промежутка.

На рис. 2.19, а показано направление силовых линий электри­ческого поля для положительного электрода, снабженного пласти­ной, параллельной плоскости отрицательного электрода, при отри­цательном электроде с большой активной поверхностью, а на рис. 2.19,6 — для положительного электрода, снабженного пластиной, размещенной перпендикулярно к плоскости отрица­тельного электрода. Из сопоставления этих двух рисунков видно, что взаимное расположение пластин электродов во втором слу­чае действительно приводит к уменьшению потерь. На рис. 2.20 показано направление силовых линий электрического поля

При экранировании положительного электрода диэлектрической пластиной.

Выбор с помощью предложенного метода оптимального ва­рианта расположения электродов обеспечивает уменьшение потерь в электрогидравлических устройствах, что приводит при задан­ной мощности источника энергии к увеличению длины искрового разряда, повышению производительности этих устройств. Так, в конструкциях буров кольцевого забоя, имеющих развитую поверх­ность положительного электрода, необходимо предусматривать выполнение этого электрода в виде узкого кольца, отделенного от основной трубы кольцом диэлектрика. Уменьшить потери можно и при электрическом подсоединении к стержневому положитель­ному электроду дополнительной металлической пластины, повора­чивающейся вокруг параллельной электроду подвижной оси [4, 6, 56].