Физические основы электрогидравлического эффекта

Электрогидравлический эффект — это возникновение высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счёт энергии импульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300МН/м².

По существу, электрический разряд в жидкости — это новый способ преобразования электрической энергии в механическую, который совершается без промежуточных звеньев и с высоким КПД. Принципиальная схема осуществления электрогидравлического эффекта показана на рис. 16.1. Элементами схемы являются повышающий трансформатор Тр, выпрямитель Д, накопитель энергии С, формирующий промежуток ФП и разрядный

промежуток РП.

Искровой высоковольтный разряд в жидкости характеризуется очень быстрым преобразованием запасенной в накопителе электрической энергии в тепловую, световую, механическую и т.д.

электрогидравлический удар, что ещё больше усиливает действие электрического взрыва.

В образовании и развитии искрового канала в жидкости можно выделить следующие стадии.

1. При подаче высокого напряжения на разрядный промежуток в жидкости в течение некоторого времени τ₁ напряжение на нем остаётся постоянным или незначительно уменьшается. Затем в зависимости от параметров контура и начального напряжения оно довольно резко падает.

При высоких напряжениях на рабочих электродах механизм образования канала разряда обусловлен появлением лидеров. Они образуют потоки электронных лавин, срывающихся с отрицательного и устремляющихся к положительному электроду. В начальной стадии пробоя образуется несколько лидерных каналов, которые затем сливаются в один общий канал.

Длительность промежутка времени τ₁ определяется свойством жидкости, напряжением, формой и размерами электродов. Чем выше напряжение, меньше длина рабочего промежутка и площадь положительного

электрода, тем меньше τ₁. Время τ₁ характеризует так называемую лидерную стадию разряда. На рис. 16.2 показаны зависимости тока, напряжения, мощности и сопротивления канала разряда от времени. Лидерная, или стриммерная, стадия длится от момента приложения на­пряжения к разрядному промежут­ку до момента завершения пробоя промежутка, т. е. до образования токопроводящего канала между электродами, и составляет около 10^-7 с.

2. Стадия яркой вспышки начи­нается после пробоя межэлектрод­ного промежутка. Во время ее про­хождения выделяется большая часть запасенной в накопителе энергии. Эта стадия характеризует­ся небольшим временем протека­ния и значительным световым из­лучением. После пробоя сопротив­ление межэлектродного промежут­ка падает на несколько порядков, ток при этом резко возрастает (максимум тока на несколько по­рядков

в канале энергии так­же очень велика, что приводит к разогреву окружающей среды, её диссоциации и ионизации. В результате этого в канале разряда об­разуется плазма с температурой порядка 15—20 тыс К.

Интенсивный нагрев плазмы разрядным током приводит к по­вышению давления в канале и его расширению. Во время быстрого расширения канала (скорость увеличения диаметра канала 10⁶см/с) в прилегающей жидкости возникает ударная волна, распространяющаяся от канала разряда в виде зоны сжатия с очень крутым передним фронтом. Фронт ударной волны, сначала неотделимый от стенки канала, спустя некоторое время отделяется от нее, поскольку скорость распространения ударной волны в среде гораздо выше скорости расширения канала разряда.

Когда ударная волна подходит к некоторой точке среды, давление, плотность и другие характеризующие среду параметры скачкообразно возрастают. По мере удаления фронта волны от канала скорость ее распространения приближается к звуковой, а давление на фронте волны падает в результате рассеивания энергии.

3. С уменьшением тока в разрядном контуре при достаточной мощности источника электрической энергии искровой разряд может перейти в стадию дугового. При этом уменьшается плотность тока в канале и температура плазмы в нем. При дуговом разряде ток поддерживается в основном за счет термоэлектронов катода. В канале происходит образование пара за счет превращения остывающей плазмы в пар и испарения некоторой части жидкости из окружающих канал разряда слоев. Канал разряда превращается в парогазовую сферу. По мере расширения сферы давление в ней понижается и становится меньше гидростатического. Окружающие газовую сферу слои воды при этом продолжают двигаться по инерции. После достижения максимального размера сфера начинает сжиматься. Таких циклов расширение — сжатие может быть несколько.

Начальная форма канала разряда, образовавшегося в результа­те высоковольтного пробоя жидкости, определяется формой лидера, замыкающего электроды. Поэтому такой канал почти всегда искривлен. Возбуждение же разряда с помощью взрывающейся проволочки образует канал, имеющий геометрически правильную форму в виде прямого цилиндра со сферическими торцами. Начальный диаметр канала при высоковольтном пробое воды состав­ляет несколько десятых долей миллиметра. При возбуждении же проволочкой начальный диаметр канала разряда определяется диаметром проволочки.

Материал взрывающихся проволочек и их размеры существенно влияют на значение и характер выделяемой энергии при высоковольтном разряде в жидкости. Так, время от начала протекания тока до взрыва зависит от сечения взрывающейся проволочки:

τ_в= kS(U_o/L)^-2/3, (16.1)

где k - постоянная , зависящая от свойств материала проволочки;

S – площадь поперечного сечения проволочки, см²; L — индуктивность разрядного контура, Гн.

С увеличением диаметра проволочки максимум мощности электрического разряда растет, достигая некоторого оптимального значения, а затем убывает.

Материал и размеры взрывающихся проволочек влияют и на гидродинамические параметры электрического разряда, в частности на давление и скорость образующейся при разряде ударной волны.

Выбор размера проволочек обусловлен соблюдением оптимальных параметров разряда как по электрическим, так и по гидродинамическим показателям.

Оптимальный диаметр медной проволочки при разряде в воде определяют по эмпирической формуле

d_oпт = 1,6- 10^-5C^1/3U^1/2L^-1/6, (16.2)

где С — емкость конденсаторов, Ф; U—напряжение, В; L — ин­дуктивность разрядного контура, Гн.

Носителями энергии при искровом высоковольтном разряде в жидкости являются ударная волна и парогазовая сфера. В им­пульсной механической работе большинства технологических про­цессов, таких, как разрушение, дробление, формообразование, ос­новное значение имеет энергия ударной волны, выделяющаяся в разрядном промежутке за первый полупериод колебания тока. В соответствии с этим режимы работы электрогидравлической ус­тановки подбирают так, чтобы большая часть запасенной в конден­саторах— накопителях энергии выделилась в разрядном проме­жутке за первый полупериод колебания тока. Для питания им­пульсной энергией установок обработки различных материалов электрогидравлическим методом применяются специальные генера­торы, принципиальные схемы которых аналогичны схеме на рис. 16.1.

Конденсатор-накопитель С заряжается от сети через автотранс­форматор, повышающий трансформатор и выпрямитель. Значения импульсов тока в зарядной цепи ограничиваются зарядным сопро­тивлением. При пробое формирующего промежутка ФП конденса­тор разряжается на рабочий искровой промежуток РП технологи­ческого устройства.

Энергетические возможности электрического разряда в непро­водящей жидкости (воде) ограничиваются допустимым напряже­нием зарядки и емкостью конденсаторных батарей установок.