Високовольтні електророзрядні системи з керованим перетворенням енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ВИСОКОВОЛЬТНІ ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНІ СИСТЕМИ З КЕРОВАНИМ ПЕРЕТВОРЕННЯМ ЕНЕРГІЇ

Спеціальність 05.09.03-електротехнічні комплекси та системи

ВОВЧЕНКО Олександр Іванович

Київ-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі фізики плазми Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України, м. Миколаїв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пентегов Ігор Володимирович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник відділу електротермії;

- доктор технічних наук, доцент Кравченко Володимир Іванович, НДПКІ “Молнія” Національного технічного університету “ХПІ”, директор;

- доктор технічних наук, професор Богаєнко Іван Миколайович, НВК “Київський інститут автоматики”, заступник генерального директора.

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти і науки України, м. Київ, кафедра техніки та електрофізики високих напруг.

Захист відбудеться “30” 10 2002р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано “12” 09 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.С. Федій

АНОТАЦІЇ

Вовченко О.І. Високовольтні електророзрядні системи з керованим перетворенням енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03. - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, 2002.

Дисертація присвячена розвитку теорії керування енергетичними, електродинамічними та силовими параметрами високовольтних електророзрядних систем на базі виконаних широкомасштабних експериментальних і теоретичних досліджень процесів перетворення енергії при електророзряді. Розроблено математичну модель перетворення енергії при високовольтному електричному розряді, енергоефективні способи та алгоритми керування режимами роботи електророзрядних систем. Створені та апробувані в промислових умовах електрогідроімпульсні комплекси з керованим перетворенням енергії для підвищення дебіту нафтових свердловин, руйнування неметалічних матеріалів, запресовування труб в трубних гратах, штампування деталей та генерації потужного акустичного випромінювання.

Ключові слова: високовольтний електричний розряд, кероване перетворення енергії, електророзрядні системи та комплекси.

Vovchenko A.I. High-voltage Electric Discharge Systems with Controlled Energy Conversion. - Manuscript.

The dissertation for degree of Doctor of Technical Sciences on the speciality 05.09.03. - Electric Engineering Plants and Systems. - Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2002.

The dissertation is devoted to development of the theory of control for power, electrodynamic and strength parameters of high-voltage electric discharge systems on the base of accomplished wide-range experimental and theoretical investigations of the processes of energy conversion under electric discharges.

A mathematical model of energy conversion under high-voltage electric discharge as well as energy effective ways and algorithms for control of the electric discharge systems operation have been elaborated. Electrohydropulse plants with controlled energy conversion for increasing oil well production, crushing non-metallic materials, press-fitting tubes in tube sheets, pulsed material forming and generation of powerful infrasound acoustic radiation have been created and approbated for industrial conditions.

Key words: high-voltage electric discharge, controlled energy conversion, electric discharge systems and plants.

Вовченко А.И. Высоковольтные электроразрядные системы с управляемым преобразованием энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03. - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, г. Киев, 2002.

Диссертация посвящена развитию теории управления энергетическими, электродинамическими и силовыми параметрами высоковольтных электроразрядных систем (ВЭРС) на основе выполненных широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований процессов преобразования энергии при электроразряде. Эксперименты выполнялись как на лабораторных стендовых устройствах, так и в реальных условиях промышленной эксплуатации ВЭРС.

В работе рассмотрены тенденции совершенствования преобразования электрической энергии при работе ВЭРС, используемых в электрогидроимпульсных технологиях. Проведен сравнительный анализ наиболее известных приемов и способов управления преобразованием энергии в ВЭРС. Показано, что вследствие самосогласованности сопровождающих электрический разряд явлений не удавалось реализовать целенаправленное управление преобразованием энергии в процессе разряда. Выявлены общие недостатки математического моделирования динамических электроразрядных процессов, заключающиеся в использовании при описании состояния вещества в разрядном канале приближения идеальной плазмы, ее радиальной однородности и большого произвола в задании начальных условий. Обоснована целесообразность поиска новых путей совершенствования ВЭРС для целенаправленного управления преобразованием энергии. Созданы методики численного исследования электропроводности и ионизационного состава многокомпонентной неидеальной плазмы канала подводного электрического разряда для широкого диапазона температур T=(2-60)·10³ K и давлений P=(0,1-1000) МПа. Разработана математическая модель преобразования энергии при высоковольтном электрическом разряде (ВЭР) в жидкости, в которой учтены при расчете электропроводности и состава разрядной плазмы столкновительный перенос, обусловленный движением электронов в слабосвязанных электрон-ионных парах, радиальная температурная неоднородность плазмы и ее неидеальность, динамическая индуктивность разрядного канала, параметрическое изменение R, L, C - элементов цепи и взаимообусловленность начальных параметров разряда.

Создана электроразрядная система, на которой выполнены экспериментальные исследования динамики развития ВЭР и ВЭХВ в широком диапазоне изменения энергетических и электродинамических параметров и сформирован банк информационных данных для разработки основ теории и алгоритмов управления преобразованием энергии в ВЭРС с комбинированными накопителями энергии.

С помощью разработанной математической модели теоретически обоснованы и впервые экспериментально реализованы в лабораторных условиях простые для технологического использования алгоритмы управления электродинамическими и силовыми характеристиками ВЭРС путем параметрического изменения в процессе разряда -элементов цепи и использования многоконтурных ГИТ. Показано, что за счет программируемой коммутации R, L, C - элементов разрядной цепи можно усиливать или ослаблять крутизну давления в плазменном канале и рабочей среде как на возрастающей, так и на спадающей ветвях, растягивать или сужать время поддержания повышенных давлений, изменять форму импульсов давления от моноимпульсного профиля до сложных импульсов со многими пульсациями. Получены универсальные обобщенные зависимости параметров первичной волны сжатия от времени коммутации элементов цепи, позволяющие оптимизировать работу ВЭРС по профилю, длительности и интенсивности силовой нагрузки управляемого разряда.

Выполнены систематические экспериментальные исследования развития ВЭР в различных конденсированных средах, способных к экзотермическим химическим превращениям под действием развиваемых в разрядном канале высоких температур и давлений. Разработан и предложен для практического использования комбинированный накопитель на основе объединения энергий ВЭР и конденсированных ВВ, сочетающий преимущества и достоинства каждого источника. Для высоковольтных электроразрядных систем, использующих электрохимический взрыв, установлены основные энергетические, электрофизические и гидродинамические закономерности и на их основе разработан алгоритм расчета исходных параметров таких накопителей для реализации энергоэффективных режимов работы ВЭРС. Показано, что такие системы позволяют создавать в зоне объекта электрогидроимпульсной обработки необходимые пространственно-временные распределения давления и без изменения параметров ГИТ повышать более, чем на порядок энергоемкость источника и в два и более раз - величину импульса и продолжительность давления, чего нельзя добиться при использовании только ВЭР. Установлено, что основными электродинамическими факторами, определяющими эффективность преобразования химической энергии при высоковольтном электрохимическом взрыве, являются начальная напряженность электрического поля в разрядном промежутке и выделяемая в единице массы экзотермической смеси удельная электрическая энергия. Определены в зависимости от величины удельной электрической энергии критические напряженности поля, обеспечивающие максимальную величину удельной энергетической эффективности электрохимического взрыва.

Разработаны и апробированы в промышленных условиях электрогидроимпульсные комплексы с управляемым преобразованием энергии для повышения дебита нефтяных скважин, развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов, штамповки деталей, разрушения бетонных и железобетонных изделий и негабаритов, а также генерирования мощного инфразвукового акустического излучения.

Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре импульсных процессов и технологий Украинского государственного морского технического университета имени адмирала Макарова.

Ключевые слова: высоковольтный электрический разряд, управляемое преобразование энергии, электроразрядные системы и комплексы.

Загальна характеристика роботи

Вступ. Високопродуктивні, екологічно чисті, енергозберігаючі технології - пріоритетний напрямок державної політики України. До таких технологій відносяться й електрогідроімпульсні технології на базі високовольтного електричного розряду (ВЕР) у різних конденсованих середовищах. Вони широко використовуються для обробки матеріалів і виробів, очищення виливків від формувальної і стрижневої суміші, диспергування, штампування, калібрування, запресовування труб у трубних гратах теплообмінних апаратів, руйнування негабаритів, віброімпульсного навантаження конденсованих середовищ, генерування потужного низькочастотного випромінювання тощо. Електророзрядні системи (комплекси) (ЕРК), що вирішують зазначені задачі, експлуатуються більш, ніж на 1000 підприємствах України, СНД і за їх межами. У зв'язку з цим важливого значення набуває розробка й удосконалення таких електророзрядних комплексів з керованим перетворенням енергії і використанням комбінованих енергонакопичувачів, що забезпечують вирішення задач підвищення енергоефективності та енергозбереження.

Основною тенденцією розвитку електрогідроімпульсних технологій і відповідних електророзрядних комплексів є оптимізація режимів роботи таких комплексів залежно від технологічного процесу й об'єкта обробки, постійне підвищення питомих енергетичних показників ЕРК, їх енергоефективності, продуктивності, надійності і керованості. Поліпшення цих показників є складною технічною задачею. Її розв'язання вимагає комплексного підходу, що включає глибокі дослідження процесів перетворення електричної енергії в інші види в ЕРК, пошук, розробку і технічну реалізацію нових способів ефективного динамічного керування процесами перетворення енергії, створення і застосування високоенергетичних, у тому числі і комбінованих імпульсних накопичувачів енергії.

Великий внесок у вивчення і реалізацію цих процесів внесли В.В. Арсентьєв, І.В. Волков, Г.П. Гулий, Ю.П. Ємець, А.І. Йоффе, В.С. Комельков, Є.В. Кривицький, В.Г. Кузнецов, Б.Р. Лазаренко, Г.А. Місяць, К.К. Намітоков, К.О. Наугольних, І.З. Окунь, Л.Л. Пасічник, І.В. Пентегов, В.Ф. Рєзцов, П.Д. Старчик, В.Я. Ушаков, А.К. Шидловський, А.А. Щерба, Л.О. Юткін та ін.

Актуальність теми. Одним з основних шляхів підвищення енергоефективності ЕРК для реалізації електрогідроімпульсних технологій є цілеспрямоване керування процесами перетворення енергії в них. Особливість процесів перетворення енергії в ЕРК полягає в тому, що вони відбуваються у перехідних режимах. Такі, по суті, нестаціонарні і досить часто стохастичні режими характерні як для розрядного кола генератора імпульсних струмів (ГІС), в якому плазмовий канал розряду є нелінійним стохастичним навантаженням, так і для технологічного середовища, де канал виступає у ролі поршня, що розширюється зі змінною швидкістю. Тому перетворення електричної енергії в енергію розрядної плазми складним чином залежить від параметрів енергонакопичувача і середовища, оскільки динаміка розрядного каналу, що визначається законом енерговиділення в ньому та інерційними властивостями середовища, сама впливає на характер притоку енергії в силу нелінійності каналу як елемента електричного кола. У такий спосіб виявляється взаємозумовленість електродинамічних і газодинамічних явищ при ВЕР. Тому ефективне регулювання вихідними (силовими) параметрами ЕРК за допомогою відомих методів, заснованих на зміні початкових умов, варіюванні параметрів ГІС, довжини розрядного проміжку, способу ініціювання пробою, виду робочого середовища тощо, обмежено по своїй фізичній суті і не завжди забезпечує створення в зоні об'єкта обробки необхідних оптимальних (для конкретного об'єкта) просторових і часових розподілів імпульсу тиску, що істотно знижує енергоефективність як ЕРК, так і технологічного процесу у цілому. Крім того, ВЕР становить інтерес і як об'єкт фундаментальних досліджень в електроенергетиці при вивченні пробою рідких конденсованих діелектриків, нестаціонарних течій рідини і т.п. У зв'язку з цим розвиток теорії керування режимами високовольтних електророзрядних систем, у тому числі з комбінованими накопичувачами енергії, розробка математичних моделей ВЕР з урахуванням комплексу взаємообумовлених фізичних явищ, створення нових динамічних способів керування електродинамічними і силовими характеристиками ЕРК є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертація є результатом науково-дослідних робіт, які виконані в Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України у відповідності з постановами директивних органів СРСР (теми “Мотор-УН” (1981 - 1984 рр.), “Метил-УН” (1983 - 1984 рр.), “Марал-УН” (1981 - 1984 рр.), “Мяч-УН” (1990 - 1992 рр.) - спецтематика; постановою ДК НТС СРСР №111 від 21.03.85 (1985 - 1989 рр.) - спецтематика; проектом 41306 фонду фундаментальних досліджень (№ ДР 0193U007149, 1992 - 1994 рр.); проектом 472 “Спостереження - антена” Державної програми “Моніторінг” (1994 р.); постановою Президії АН УРСР № 535 від 25.11.83 р. (1983 - 1987 рр.) - спецтематика; постановами Бюро Відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства НАН України (№ ДР 01910008372, 1991 - 1994 рр.; № 0194U023946, 1994 - 1996 рр.; № ДР 0101U005362, 2001 - 2003 рр.).

Науково-дослідні роботи виконані при безпосередній участі автора дисертаційної роботи, який був їх виконавцем або науковим керівником.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії електророзрядних систем з керованим перетворенням енергії на основі узагальненого аналізу енергетичних і динамічних процесів при електричному розряді в конденсованих середовищах, розробка математичних моделей динаміки процесів розвитку високовольтного електричного розряду і дійових способів керування електродинамічними і силовими характеристиками високовольтних електророзрядних систем та створення на цій основі енергоефективних електрогідроімпульсних технологічних комплексів із заданими властивостями.

Досягнення поставленої мети вимагає вирішення таких задач:

- аналіз енергетичних і динамічних процесів при ВЕР у конденсованих середовищах, у тому числі і при використанні комбінованих енергонакопичувачів;

- розробка математичної моделі для комплексного дослідження електрогідродинамічних явищ, що супроводжують високовольтний електричний розряд;

- визначення впливу режимів введення електричної енергії в розрядний канал на процеси перетворення енергії (у тому числі в умовах параметричної зміни елементів розрядного кола ГІС) для управління силовими характеристиками високовольтних електророзрядних систем;

- вивчення електродинамічних і енергетичних характеристик високовольтного електрохімічного вибуху на базі гетерогенних і гомогенних середовищ, здатних до екзотермічних перетворень у каналі розряду, в процесах самопогодженого комплексного перетворення електричної і хімічної енергії в інші види;

- створення нових ефективних способів керування параметрами електророзрядних систем з комбінованими енергонакопичувачами;

- визначення доцільних областей застосування керованого високовольтного електророзряду в імпульсних технологіях обробки металів тиском, руйнування матеріалів, генерування потужного низькочастотного випромінювання і створення електророзрядних комплексів для цих цілей.

Об'єктом дослідження є високовольтні електророзрядні системи на базі електричного розряду в різних конденсованих середовищах.

Предметом дослідження є процес керованого перетворення енергії у високовольтних електророзрядних системах (у тому числі з комбінованими накопичувачами) з метою підвищення енергоефективності електророзрядних комплексів.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач використовувалися: математичне моделювання нелінійних, взаємообумовлених електрогідродинамічних процесів, що протікають у високовольтних електророзрядних системах, з використанням чисельних (метод Кірквуда - Бете, Ньютона) і аналітичних методів; фізичний експеримент у лабораторних і натурних умовах із синхронною реєстрацією електродинамічних характеристик електричного розряду, швидкісною фотореєстрацією кінематичних параметрів розрядного каналу й ударної хвилі, спектрографуванням плазмових явищ і реєстрацією амплітудно-частотних характеристик акустичного випромінювання, що поширюється в конденсованому середовищі; статистична обробка експериментальних даних і одержання на цій основі функціональних зв'язків та емпіричних залежностей.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропоновано нові енергоефективні способи регулювання електродинамічних і енергетичних параметрів високовольтних електророзрядних систем з комбінованими енергонакопичувачами;

- розвинено основи теорії керування енергетичними і силовими параметрами електророзрядних систем для одержання в зоні об'єкта обробки імпульсів тиску з необхідними розподілом у просторі й інтенсивністю;

- розроблено математичну модель динаміки підводного електричного розряду, у якій враховано при розрахунку електропровідності і складу неідеальної розрядної плазми перенесення зіткненням, які обумовлені рухом електронів у слабкозв'язаних електрон-іонних парах, радіальну температурну неоднорідність плазми і її неідеальність, динамічну індуктивність розрядного каналу та параметричну зміну R, L, C елементів кола;

- створено вперше методику розрахунку початкових параметрів розряду з урахуванням їх взаємозумовленості, пов'язаної з особливостями формування розрядного каналу;

вперше доведено можливість шляхом зміни електродинамічних параметрів керування амплітудами випромінюваних при підводних електричних розрядах первинної і вторинної хвиль тиску і встановлено граничну величину питомої (на одиницю довжини каналу розряду) швидкості росту електричної потужності, при якій відбувається рівність їх амплітуд;

теоретично обґрунтовано і реалізовано раніше невідомі алгоритми управління електродинамічними і силовими параметрами високовольтних електророзрядних систем шляхом параметричної зміни в процесі розряду - елементів кола і використання багатоконтурних ГІС;

- вперше виконано дослідження електричного розряду в різних конденсованих середовищах, здатних до екзотермічних хімічних перетворень під дією високих температур і тисків, що дозволило запропонувати для електророзрядних систем новий енергоефективний комбінований енергонакопичувач;

- знайдено основні електродинамічні фактори (початкова напруженість електричного поля в розрядному проміжку та електрична енергія, що виділяється в одиниці маси екзотермічної суміші), які визначають ефективність перетворення енергії при високовольтному електрохімічному вибусі, та визначено критичні напруженості поля, що забезпечують максимальний рівень енергії, яка виділяється комбінованим енергонакопичувачем.

Практичне значення одержаних результатів. На основі виконаних досліджень розроблено та створено нові електророзрядні комплекси з керованим перетворенням енергії, які використовуються в електрогідроімпульсних технологіях з обробки матеріалів і середовищ і мають значно менщі масогабаритні показники, а їх новизна підтверджена авторськими свідоцтвами та патентами. В тому числі:

- при створенні та модернізації електрогідроімпульсного устаткування типу “Базальт” для руйнування неметалевих негабаритних споруд, бетонних та залізобетонних конструкцій; типу “СКІФ” для обробки нафтових свердловин з метою підвищення їх дебіту (ВАТ “Український нафтогазовий інститут”, трест “Укрметалургремонт”);

- при розробці нових високоефективних електрогідроімпульсних технологічних процесів обробки металів тиском, наприклад, запресовування труб у трубних гратах теплообмінних апаратів, що дозволило суттєво підвищити механічні властивості з'єднання труба - трубні грати, і, як наслідок, термін служби теплообмінних апаратів (АООТ “Миколаївенергомаш”, м. Миколаїв);

- при створенні потужних низькочастотних електрогідроімпульсних випромінювачів звуку з малими хвильовими розмірами антен для спецтематики;

- при розробці і створенні високовольтних джерел живлення протонно-електронного інжектора на напругу 200 кВ (СКТБ ФТІНТ НАН України, м. Харків).

Результати дисертаційної роботи використовуються також у навчальних планах підготовки бакалаврів, спеціалістів та магістрів за спеціальністю “Техніка та електрофізика високих напруг” кафедри “Імпульсні процеси і технології” Українського державного морського технічного університету ім. адм. О. Макарова.

Особистий внесок здобувача. У монографії [1] виконано постановку проблеми та задач досліджень способів керування електророзрядними процесами перетворення енергії шляхом параметричної зміни елементів розрядного кола і використання різних гомогенних і гетерогенних середовищ, а також виконано розрахунки енерговузла електророзрядних систем на базі комбінованих енергонакопичувачів та проведено апробацію результатів в електрогідроімпульсних установках. У монографії [2] виконано постановку проблеми та задач досліджень, розроблено математичну модель підводного високовольтного електророзряду та методів керування, проведено дослідження електродинамічних, гідродинамічних та енергетичних характеристик високовольтного електрохімічного вибуху. Другий, третій та п'ятий розділи монографії написано особисто. У статтях [9 - 11, 15, 17 - 19, 23] виконано постановку задач досліджень, вибір моделі рівняння стану густої багатокомпонентної низькотемпературної плазми, обгрунтування наявності у плазмі двох механізмів електропровідності, розробку методу розрахунку складу плазми; [5 - 8, 21, 22, 24] - здобувачеві належить спосіб керування електричними та гідродинамічними характеристиками підводного електричного розряду шляхом включення в розрядний контур - елементів, які змінюються параметрично, обґрунтування та висновки з чисельного та фізичного експериментів; [12 - 14, 25, 26] - здійснено постановку задач, розроблено метод експериментального визначення питомої ефективності екзотермічних перетворень при високовольтному електрохімічному вибусі та установлено основні фактори для керування ефективністю; [20] - розроблено концепцію розвитку силового електротехнічного обладнання для розрядноімпульсних технологій.

В авторських свідоцтвах: [28] - обґрунтовано діапазон співвідношень інгредієнтів, визначено оптимальні енергетичні співвідношення; [27] - запропоновано дозування суміші у відповідності з напруженістю електричного поля та параметрами генератора імпульсних струмів; [29] - пропозиція вводити енергію в патрон двома порціями з метою виключення удару труби по трубці грат для поліпшення якості з'єднання; [30] - запропоновано інгредієнтний склад екзотермічної суміші; [31] - запропоновано використання провідника з різним по довжині діаметром (різним електроопором); [32] - запропоновано конструкцію гільзи патрона.

Статті [3, 4] опубліковані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на трьох міжнародних, десяти всесоюзних, чотирьох республіканських та одній міській наукових конференціях, наукових школах, нарадах, конгресах і симпозіумах, у тому числі: на 5-й Всесоюзній, 6-й, 7-й, 8-й Наукових та 10-й Міжнародній науковій школах “Фізика імпульсного розряду у конденсованих середовищах” (м. Миколаїв, 1991, 1993, 1995, 1997, 2001 роки); 3-й та 4-й Всесоюзних конференціях “Електричний розряд у рідині та його використання у промисловості” (м. Миколаїв, 1984, 1988 роки); Всесоюзній науково-технічній конференції “Використання імпульсних джерел енергії у промисловості” (м.Харків, 1985 р.); Науковій конференції “Удосконалення розрахункових та експериментальних методів дослідження фізичних процесів” (м. Миколаїв, 1985 р.); Міжнародному симпозіумі з теоретичної та прикладної плазмохімії (м. Рига, 1991 р.); Всесоюзній конференції “Фізика низькотемпературної плазми” (м. Мінськ, 1991 р.); розширеному засіданні наукової ради АН СРСР “Електрофізичні властивості діелектриків при дії електромагнітних та акустичних полів” (м.Іваново, 1990 р.); Всесоюзному симпозіумі “Газодинаміка вибухових та ударних хвиль детонаційного та надзвукового горіння” (м. Алма-Ата - Новосибірськ, 1991 р.); Десятому симпозіумі з горіння та вибуху (м. Чорноголовка, 1992 р.); Четвертій Міжнародній конференції “Сучасні проблеми електрогідродинаміки та електрофізики рідких діелектриків” (м.Петродворець, 1996 р.); Другій науковій школі “Імпульсні процеси у механіці суцільних середовищ” (м.Миколаїв, 1997 р.); 3-rd Intern. Conf. Of Properties and Applications of Dielectric Materials (Tokyo, 1991); 28-th IEEE International Conference on Plasma Science and 13-th IEEE International Pulsed Power Conference (Las Vegas, Nevada, 2001).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 73 друковані наукові праці: 2 монографії (у співавторстві), 28 статей (24 - у фахових наукових виданнях), 6 авторських свідоцтв СРСР, 2 препринти, 29 праць і тез міжнародних, всесоюзних наукових конференцій, 6 н. т. звітів, що мають номери держреєстрації.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг роботи складає 383 сторінки, у тому числі 256 сторінок основного тексту, 88 рисунків, 17 таблиць, список використаної літератури з 444 найменувань та один додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано основні напрямки, мету і задачі наукових досліджень, викладено сутність і стан розв'язуваної наукової проблеми, наукову новизну, практичну значимість і реалізацію результатів роботи, приведено відомості про апробацію і публікації.

У першому розділі розглянуто тенденції розвитку теорії управління перетворенням енергії комбінованих накопичувачів у високовольтних електророзрядних системах (ВЕРС) і шляхів підвищення енергоефективності електророзрядних технологічних комплексів. Характерною рисою таких систем є швидке імпульсне виділення попередньо накопиченої з ємнісного чи будь-якого іншого, у тому числі і комбінованого, накопичувача електричної енергії W_ЕН, у результаті чого в зоні об'єкта обробки здійснюється концентрація енергії в часі і просторі за рахунок формування її високої густини в робочому середовищі.

Проаналізовано різні прийоми і способи керування перетворенням енергії у ВЕРС. Показано, що внаслідок самопогодженості супровідних ВЕР явищ традиційно використовувані підходи з варіацією вихідних параметрів ВЕРС не дозволяють реалізувати динамічне керування перетворенням енергії в процесі розряду, необхідне для імпульсних технологій, що вимагають перебудови профілю силового навантаження в процесі впливу на об'єкт обробки.

Проведений аналіз різних підходів до математичного моделювання процесів перетворення енергії при ВЕР показав, що їхнім загальним недоліком є використання при опису стану речовини в розрядному каналі наближення ідеальної плазми, хоча параметри кулонівської неідеальності плазми підводного ВЕР можуть перевищувати одиницю. Практично у всіх математичних моделях апріорі покладається радіальна однорідність параметрів стану плазми і допускається велике свавілля у заданні початкових умов задачі. Тому детально було розглянуто сучасний стан основних підходів і методів дослідження термодинамічних і кінематичних властивостей низькотемпературної неідеальної плазми.

На базі критичного аналізу різних підходів, стосовно до опису властивостей електророзрядної плазми, в основу математичного моделювання її кулонівської підсистеми запропоновано використовувати розкладання по ступенях активності у великому канонічному ансамблі. Дана модель поряд з урахуванням неідеальності та багатокомпонентності дає найкращу згоду з наявними експериментальними даними серед усіх відомих дотепер підходів. Обґрунтовано доцільність подальшого розвитку теорії керування перетворенням енергії комбінованих накопичувачів у високовольтних електророзрядних системах і сформульовано основні напрямки наукових досліджень по роботі у цілому.

У другому розділі досліджувався стан речовини в каналі підводного ВЕР при характерних температурах K та тиску ГПа. Модель керування станом і методика розрахунку порціального складу розрядної плазми створювались з урахуванням її неідеальності на основі методу розкладання термодинамічних функцій в ряд за ступенями активності у великому канонічному ансамблі.

Розрахунок складу воднево-кисневої плазми показав, що у всьому діапазоні характерних для розрядної плазми значень тиску і температур спостерігається відмінність у концентраціях нейтральних частинок кисню та водню, особливо помітних при К. Ця особливість розрядної плазми обумовлена відмінністю статистичних сум атомів і іонів водню і кисню. Через утворення корельованих електрон-іонних пар спостерігається зменшення вільних електронів в неідеальній плазмі порівняно з ідеальною. В області К концентрації і близькі між собою, але при подальшому зростанні температури відмінності між ними збільшуються.

При розрахунку питомої електропровідності плазми, що характеризує її електрофізичні властивості, зв'язані електрон-іонні пари через відмінності їхніх транспортних перерізів від аналогічних величин для вільних електронів і іонів, а також внаслідок відмінності у механізмах переносу ними заряду, повинні суттєво впливати як на амплітуду , так і на характер її змін в часі. Тому при розробці методу розрахунку електропровідності розрядної плазми враховувалось, що в плазмі ВЕР існує два механізми електропровідності. По-перше, звичайний механізм, обумовлений вільними електронами, зі складовою

, (6)

і, по-друге, перенос через зіткнення, обумовлений рухом електронів у слабко зв'язаних електрон-іонних парах, зі складовою

, (7)

де - спітцерівська електропровідність;

.

Як видно, при низьких температурах основний внесок в загальну електропровідність дає перенос зіткненням, вклад якого зі збільшенням тиску і зменшенням температури зростає. Причому, для водневої компоненти роль переносу зіткненням більш суттєва, ніж для кисневої (рис. 3), а величина електропровідності кисневої компоненти більша від водневої. Тут для порівняння нанесено криву електропровідності ідеальної плазми з урахуванням електрон-атомних зіткнень. Таким чином, в каналі підводного ВЕР можуть реалізовуватись такі умови, коли обидва механізми електропровідності є рівнозначними, а в окремих випадках перенос зіткненням має переважаюче значення. Окрім того, при обчисленні електропровідності розрядної плазми необхідно враховувати також різну поведінку кисневої і водневої компонент. Підкресленні особливості дотепер не враховувались, незважаючи на те, що вони мають принципове значення як при дослідженні електродинамічних, так і силових характеристик електророзрядних обладнань.

Воднево-киснева плазма розглядається як така, що складається із зарядженої (H⁺, O⁺, H₂⁺, O₂⁺, e) і нейтральної (H₂O, H₂, O_2, OH, H, O) підсистем, всього 11 компонент. При розрахунку властивостей плазми з домішками металів враховувалась можливість їхньої п'ятикратної іонізації, а саме: при розгляді воднево-кисневої плазми з домішками Al враховувались 27 компонент (OH, H, O, H⁺, O⁺, H₂⁺, O₂⁺, e, Al, Al⁺,…, Al⁺⁵, AlO, AlO₂, Al₂O, Al₂O₂, Al₂O₃, AlH, AlH₂, AlH₃, AlOH). Для розрахунку складу плазми система рівнянь (1)-(5) доповнювалась рівняннями хімічної рівноваги і законами збереження. Константи рівноваги розраховувались по формулі Саха з урахуванням зниження потенціалу іонізації. Задача розв'язувалась числовим методом Ньютона. Результати розрахунку показали, що для воднево-кисневої плазми ВЕР необхідно враховувати присутність у плазмі молекул, молекулярних іонів і радикалів, в крайньому разі до температури К. Такі рівні температур характерні для перехідного прошарку плазма-вода, а також для пульсуючої порожнини після припинення виділення електричної енергії в розрядному каналі. При підвищенні температури до К в плазмі починають переважати нейтральні компоненти Н і О, а для К її склад визначається , в основному, зарядженими частинками Н⁺, О⁺ , е. Окрім того, на всіх перелічених температурних інтервалах необхідно враховувати квазізв'язані електрон-іонні пари. Для розрядної плазми з домішками Al найбільш чутливою до наявності домішків металу виявляється область температур К (рис. 4), де невеликі добавки металу призводять до суттєвого (на порядок) збільшення концентрації електронів, а також електропровідності плазми (рис. 5). При порівняно низьких температурах ( К) електропровідність плазми з домішками металу в багато разів перевищує електропровідність водяної плазми за рахунок більш високого ступеня іонізації атомів металів. При зростанні температури ця відмінність зменшується і вже при К їх значення вирівнюються. При неоднорідному радіальному розподілі температури в каналі найбільш чутливою до домішків металу буде периферійна область каналу.

В третьому розділі здійснено математичне моделювання динаміки перетворення енергії в ВЕРС. При аналізі електричних перехідних процесів розрядний контур розглядався як коло з послідовно ввімкненими зосередженими параметрами (рис. 1): ємністю С конденсаторної батареї, індуктивністю і активним електричним опором (індексом “к” позначені параметри розрядного каналу, а індексом “с” - постійні значення цих величин для зовнішньої по відношенню до каналу ділянки електричного кола).

Задовільне якісне погодження розрахункових і експериментальних залежностей свідчить про фізичну коректність побудованої математичної моделі. Але суттєві кількісні розходження по величині активного опору каналу змусили автора відмовитись від припущення про температурну однорідність каналу розряду. Тому в подальшому з урахуванням виконаних в розділі 2 оцінних розрахунків припускається, що температура в середині каналу в 1,5 рази вище поверхневої і на межі плазма-вода змінюється стрибком. Результати розрахунку з урахуванням цього припущення приведено на рисунку 6 кривими 3. Як видно, в даному випадку спостерігається значно кращий збіг обчислень і вимірів з усіх електродинамічних характеристик, ніж при умові температурної однорідності каналу.

З урахуванням цієї обставини було вивчено вплив індуктивності розрядного каналу на динамічні характеристики ВЕР. В числовому експерименті було розглянуто два варіанти. В першому варіанті в рівнянні кола (9) зберігались всі члени, в другому - були пропущені члени, що містять функцію та її перші і другі похідні. Результати відповідних розрахунків для режиму розряду з В, Ф, Гн, м представлені в таблиці 1 (індексом “1” помічено результати першого варіанту).

Таблиця 1. Результати числового експерименту з визначення впливу динамічної індуктивності розрядного каналу

Таким чином, основний вплив індуктивності плазмового каналу на динамічні характеристики розряду відчувається на початковій стадії розряду. Максимальна похибка використання спрощеного рівняння розрядного кола не перевищує 20 % і в процесі розвитку розряду вона досить швидко зменшується. Тому в наступних розрахунках динамічних характеристик ВЕРС прийнято, що і .

Розрахунок в одновимірній постановці є певною мірою наближеним, оскільки ігнорується просторовий характер акустичних і гідродинамічних процесів. Тому було проведено розрахунок в двовимірній постановці (для симетричного варіанту) і на його основі визначено області (за часовими та просторовими координатами) допустимого використання результатів одномірних розв'язків.

В четвертому розділі розглянуто основні методи, що використовуються в роботі для експериментального вивчення енергетичних, електродинамічних, гідродинамічних і кінематичних характеристик розрядного каналу і об'єкта обробки, а також обладнання і системи реєстрації експериментального стенда, спеціально створеного з цією метою. Як і в промислових електрогідроімпульсних установках, в експериментальному стенді використовувався ГІС на основі ємнісного накопичувача енергії. Як технологічний вузол застосовувалась металева камера об'ємом 1м³ з ілюмінаторами і коаксіальною електродною системою. Електродна система дозволяла змінювати довжину розрядного проміжку залежно від умов експерименту та виконувати подачу екзотермічних сумішей в цей проміжок через один з електродів. Для реєстрації електродинамічних характеристик (розрядний струм, напруга на активному опорі розрядного каналу) використовувались малоіндуктивні коаксіальні шунти, що дозволяють реєструвати струми крутістю 10⁹-10¹⁰ А/с, та ємнісний дільник напруги з котушкою компенсації індуктивної складової напруги на вимірюваній ділянці кола (розрядний проміжок). Сигнали з шунта і дільника напруги з метою підвищення точності вимірів подавались безпосередньо на пластини осцилографа С8-17 повз його підсилювальні каскади. Особливість масштабування розрядного струму і напруги полягала в тому, що калібрувалися не датчики струму і напруги окремо, а весь вимірювальний тракт струму і напруги разом з осцилографом. При цьому масштаб струму, величина індуктивності L_c і опору втрат R_c розрядного кола обчислювались по осцилограмі струму, отриманій при роботі ГІС в короткозамкненому режимі. Масштаб напруги визначався при розряді ГІС на водний проміжок без утворення каналу наскрізної провідності. При цьому сигнал з дільника відповідав напрузі заряду конденсаторної батареї ГІС. Точність визначення електричних характеристик контролювалась по балансу енергії в розрядному колі, розбаланс не перевищував 8 %. Отримані експериментально миттєві значення струму і напруги на активному опорі каналу розряду дозволили розрахувати опір каналу розряду , електричну потужність і енергію, яка виділилась в каналі розряду на момент часу

високовольтний електророзрядний енергія перетворення

- .

Реєстрація амплітуди і профілю хвиль стиснення, що розповсюджуються в середовищі, і періоду пульсації післярозрядної парогазової порожнини при електричному розряді проводилась за допомогою датчика тиску (гідрофона) зі сферичним п'єзоелементом з кераміки ЦТС-19. Датчик тиску розміщувався в екваторіальній відносно розрядного проміжку площині. Сигнали з гідрофона реєструвалися електронними осцилографами типу С8-13. Калібрування датчика тиску виконувалось двома незалежними методами з використанням тарованого гідрофона фірми “Брюль и Къер” і вибуху в воді електродетонатора типу ЭД-8-Э (ГОСТ 9089-63). Розбіжність коефіцієнтів чутливості датчика тиску, отриманих методом порівняння і методом вибуху електродетонатора, не перевищувала 15 %, що і приймалось за похибку вимірювання амплітуди тиску. Отримані в експерименті осцилограми дозволяли визначати амплітуду, тривалість, величину і форму імпульсу тиску в залежності від параметрів енергоблоку.

При вивченні просторово-часових (кінематичних) характеристик каналу розряду і об'єкта дії електричного розряду використано метод фотошвидкісної реєстрації, як в неперервному, так і в покадровому режимах. При цьому для реєстрації процесів з тривалістю менше 2,510^-3 с застосовувалась стандартна надшвидкісна фотореєструюча камера СФР-2М, а для вивчення явищ тривалістю 10^-1 - 10^-2 с - модернізована автором камера СФР -2М.

Важливим методичним моментом є визначення енергії при використанні комбінованих накопичувачів, що виділилася при високовольтному електрохімічному вибусі (ВЕХВ) за рахунок хімічних екзотермічних перетворень. Внаслідок різноманітних причин повного згоряння екзотермічної суміші (ЕС) не відбувається, тому сумарна енергія, яка виділиться в каналі ВЕХВ, буде меншою, ніж сума потенціальних енергій, накопичених в конденсаторній батареї і дозі ЕС. Враховуючи, що енергія за рахунок хімічних реакцій при ВЕХВ, в основному, виділяється на післярозрядній стадії, її величина розраховувалась з використанням тієї обставини, що енергія парогазової порожнини (ПГП) практично не залежить від закону виділення енергії в каналі ВЕХВ, а визначається тільки її величиною.

У п'ятому розділі представлені результати числового і фізичного експериментів з дослідження можливостей керування характеристиками ВЕРС за допомогою програмованого введення енергії.

Постановка фізичного експерименту виконувалась відповідно до методичних положень, викладених в розділі 4. Як контрольний варіант використовувався ВЕР з 17,3 кВ, 3 мкФ, 3 мкГн, 4 см . Величини елементів, які додатково включаються в коло, становлять 5 Ом, 20 мкГн. Відповідно до отриманих в числовому експерименті результатів перекомутація елементів виконувалась впродовж першого півперіоду розрядного струму контрольного варіанту. Показано, що за допомогою параметричної зміни активного опору можна отримати складні імпульси тиску (рис. 10: W₀=450 Дж, 5 мкс/поділ., 5,8 Мпа/поділ.) з декількома піками різної амплітуди і з різними часовими інтервалами між ними. Отримано універсальні узагальнені експериментальні залежності параметрів первинної хвилі стиску (амплітуд пульсацій , тривалості додатної фази і величини імпульсу тиску ) від моменту комутації (рис. 11), що дозволяє оптимізувати роботу ВЕРС по профілю, тривалості і інтенсивності навантаження. Нормування наведених на рис. 11 величин проводилось до відповідних параметрів контрольного варіанту. У випадку параметричної зміни індуктивності якісна картина розвитку розряду практично не відрізнялась від розглянутого варіанту з параметричною зміною активного опору. Але спектр раціонального часу комутації індуктивного елемента набагато вужчий, ніж для активного опору.

В роботі експериментально показано, що динамічне управління характеристиками ВЕРС при використанні багатоконтурних ємнісних ГІС дозволяє в більш широких межах, ніж при параметричній зміні -елементів кола, змінювати силові характеристики системи. Це обумовлено як скороченням непродуктивних втрат енергії на елементах кола, так і реалізацією якісно нового закону виділення електричної енергії в розрядному каналі (рис.12: крива 1 - 3,4 мкс; 2 - 9; 3 - 11,3; 4 - 17,5; 5 - 21; 6 - 39,9 7 - 0). Вперше в експериментальній практиці отримано закон введення потужності в розрядний канал з наростаючою в наступних пульсаціях амплітудою (див. криві 4 - 6 на рис. 12). Встановлено, що найбільш сприятливим часовим інтервалом комутації додаткової секції конденсаторної батареї є перший півперіод струму розряду, так як при цьому поряд зі зміною профілю і перерозподілу інтенсивності тиску спостерігається зростання величини імпульсу первинної хвилі тиску порівняно з варіантом одночасної роботи обох секцій (рис. 13: ). Як випливає з рис. 12 і 13, залежність величини другого піку тиску від моменту комутації другої секції більш значна, ніж від максимальної потужності. При цьому показано, що амплітуда другого піку тиску на кривій зростає квазіпропорційно енергії, що вводиться в канал від додаткового накопичувача. Тому у випадку технологічної необхідності підключення другої секції конденсаторної батареї пізніше, необхідну амплітуду другого піку тиску можна забезпечити збільшенням енергоємності цієї секції.

Поставлено і аналітичним методом нелінійного перетворення розв'язано зовнішню гідродинамічну задачу акустичного випромінювання ВЕР в рідині при програмованому введенні енергії. Отримано аналітичні вирази для тиску на стінках каналу і в рідині.

В роботі експериментально на лабораторному стенді досліджено можливість керування співвідношенням амплітуд первинної та вторинної випромінюваних хвиль тиску шляхом зміни режиму розряду на стадії підготовки ЕРК до робочого циклу. Встановлено граничне значення характерної питомої (на одиницю довжини каналу) крутості потужності , при якому це співвідношення дорівнює одиниці. При підводний ВЕР як акустичний випромінювач вибухового типу ближче до конденсованих ВВ, при - до вибуху газових сумішей.

У шостому розділі представлено результати цілеспрямованих систематичних експериментальних досліджень з метою виявлення можливості керування перетворенням енергії в ВЕРС, які використовують ВЕР в хімічно активних конденсованих середовищах, здатних до екзотермічних перетворень в режимі вибухового горіння лише під дією високих температур і тиску, що виникають в електророзрядній плазмі. Таке комплексне фізико-хімічне явище прийнято називати високовольтним електрохімічним вибухом.

Експериментально апробувана реалізація ВЕХВ на основі гетерогенних ЕС, які включають горючий метал (Al) і різні окислювачі (KMnO₄, NaNO₂, KClO₃, KclO₄) в твердій фазі. Розглянуто вплив процентного співвідношення інгредієнтів, маси ЕС, виду окислювача і режиму розряду на сумарну енергію та питому енергетичну ефективність ВЕХВ (). Експериментально показано можливість збільшення енерговіддачі ВЕХВ в порівнянні зі звичайним розрядом у рідині у 8 разів без зміни енергії ємнісного накопичувача. Але такі ЕС мають високу чутливість до механічних впливів і низьку водостійкість, що ускладнює реалізацію їх механічної подачі в міжелектродний проміжок. Тому в подальшому експериментально досліджувалась можливість подачі гетерогенних ЕС в міжелектродний проміжок магнітним полем одночасно з феромагнітними частинками. Як ЕС використовувались сплави алюмінію з феромагнетиками, механічні суміші алюмінію і заліза, плаковані алюміній-нікелеві порошки. Показано, що із розглянутих сполук найбільш перспективними як з точки зору ініціювання розряду і збереження своїх початкових властивостей у воді, так і збільшення енергоємності системи та подачі суміші магнітним полем, є плаковані алюміній-нікелеві порошки. Причому, системи, що використовують ГІС з підвищеною ємністю та зниженою напругою, мають більш високу енергетичну ефективність та ресурс.

Подальші експериментальні дослідження було направлено на розробку і випробування промислових із вмістом алюмінію гетерогенних водонаповнених екзотермічних сумішей (ВЕС), що мають досить високу теплоту згоряння і низьку чутливість до механічних впливів та вибухових імпульсів. Поряд з відносною дешевизною виробництва ВЕС при їх використанні досить просто здійснити автоматизоване дозування суміші і її подачу в зону розряду завдяки водостійкості і відносної легкості регулювання в досить широкому діапазоні реологічних властивостей сумішей. Спочатку були задіяні ВЕС, що містять 20% Al у вигляді пігментної пудри марки ПАП-2 в електророзрядній системі з постійним рівнем накопиченої конденсаторною батареєю енергії 1,2кДж. При цьому варіація параметрів розрядного контуру (U_з =2,9 - 28,5кВ, C = 280 - 3мкФ, L = 2,9мкГн, l=4см ) дозволяла в широкому діапазоні змінювати час виділення електричної енергії ( = 20 - 200мкс) і потужність в розрядному каналі (N₀ = 0,01 - 8 ГВт). Маса ВЕС, яка вводилась в міжелектродний проміжок, змінювалась в межах М=0,05 - 1,0 Г, а теплотворна здатність ЕС складала 4,8 МДж/кг. Характер виділення хімічної енергії ВЕХВ на основі досліджуваного типу ВЕС залежно від маси ЕС і режиму розряду (U_з =20кВ, C = 6мкФ - крива 1; U_з =28,5кВ, C = 3мкФ - крива 2) представлено на рис.14. Як видно, збільшення додаткової енергії в системі складає приблизно 6% від потенціальної енергії ЕС, причому, величина енергії збільшується з ростом напруги заряду. Зі збільшенням маси ЕС спостерігається насичення кривих W(М). Однією з основних причин малої енергетичної ефективності ВЕХВ на основі використовуваних ВЕС є їх досить мала питома електропровідність. Внаслідок цього розрядний струм, протікаючи по вузькому каналу, утвореному в результаті високовольтного пробою ВЕС, розігріває і втягує в хімічну реакцію малу частину суміші, тому збільшення хімічної енергії незначне. Цей висновок підтверджено спеціально поставленим експериментом, в якому при збільшенні зони розігріву ЕС шляхом розміщення в ній спірального провідника, спостерігалось збільшення додаткової енергії в два і більше разів. Але використання спірального провідника з цією метою є не технологічним у зв'язку з труднощами його механізованої подачі в зону розряду. Тому було вибрано більш прийнятний варіант розробки ВЕС з більшою питомою електропровідністю. З цією метою в ВЕС, що містять пігментну алюмінієву пудру, вводився порошкоподібний алюміній марок ПА-1 - ПА-4. Запропоновані суміші мають більш високу провідність, оскільки порошки алюмінію, на відміну від пігментної пудри, вільні від покриття стеариновою кислотою; і більш низьку чутливість до механічних впливів та вибухових імпульсів. Ці властивості ВЕС є досить важливим позитивним фактором при їх практичному використанні.