Исследование характеристик электроимпульсного разряда в водных растворах хлористого натрия
Исследование основных электрофизических и энергетических свойств электроимпульсного разряда в растворах хлорида натрия различной концентрации. Определение и оценка возможности применения эффекта Юткина в технологических процессах пищевой промышленности.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.04.2017 |
Размер файла | 710,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Размещено на http://www.allbest.ru//
Документально установлено, что первые электрические разряды в воде были осуществлены около 240 лет назад. Однако, возникающие при этом мощные гидродинамические импульсы не нашли практического применения в то время. Обнаруженный эффект был надолго забыт.
Позднее, по мере развития электротехники, при создании мощных высоковольтных установок вновь столкнулись с электрическими разрядами в жидкостях, используемых в этих установках в качестве диэлектриков. Разрушающее действие, возникающее при электрическом пробое диэлектрических жидкостей, сформировало устойчивое мнение о бесперспективности электрического разряда в жидкости. Многие десятилетия это мнение сохранялось среди ученых и инженеров электриков [2].
В 1950 г. Л.А. Юткин предложил использовать в технологических процессах электрические разряды в жидкости, а точнее, возникающие при этом гидродинамические импульсы. Так был изобретен способ получения высоких и сверхвысоких давлений, который получил название электрогидравлического эффекта, или эффекта Юткина.
В настоящее время электрогидравлический эффект нашел широкое применение в строительстве, машиностроении, металлургии и даже медицине в России, Швеции, Испании, Венгрии и Японии [4].
Разрядно-импульсная обработка жидких систем и объектов, помещенных в жидкую среду, вызывает интерес и в пищевой промышленности, в т. ч. мясоперерабатывающей. С целью изучения эффекта Юткина и возможности его применения в технологических процессах пищевой промышленности, нами были исследованы характеристики электроимпульсного разряда в растворах хлорида натрия различной концентрации. электроимпульсный эффект юткин раствор хлорид
Для образования электрогидравлического эффекта необходимо формирование импульса высокого давления в передающей среде [1]. Наиболее простой способ реализации данного процесса является использование низкоиндуктивных высоковольтных накопителей энергии с малой емкостью: высокое напряжение обеспечивает требуемое количество энергии, а маленькие индуктивность и емкость электрического контура - быстрый ввод энергии в разрядный промежуток.
Научно-исследовательские работы по изучению электроимпульсного воздействия на растворы хлорида натрия проводились с применением излучателя№63 (межэлектродное расстояние 45 мм.). Излучатель подключался к генератору импульсного тока (ГИТ-6 (9,5 кВ, 120 мкФ)) кабелем КВИМ длиной 7 м. (активное сопротивление кабеля 0,14 Ом, индуктивность 5,1 мкГн).
Данные исследования проводились на базе ЗАО «РИТА» совместно с главным инженером, к.т.н. Лукьянченко П.П..
Опыты были осуществлены в полиэтиленовой емкости диаметром 60 см. и высотой 100 см. Излучатель погружался на глубину 35 см. и его торец находился на расстоянии 50 см. от дна емкости. На этой же отметке находился датчик, фиксирующий степень упругой деформации емкости при каждом разряде. Для измерения давления в воде применялись пьезоэлектрические датчики давления. Использовались диски из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 8мм. и толщиной 1 мм. Полный диаметр датчиков с учетом изоляции и акустической развязки от корпуса бочки составил 20 мм. Датчики размещались на той же глубине, что и рабочая головка, но вблизи стенки бочки. Давление определялось по манометру, класс точности которого 0,5. Датчик при этом подключался к осциллографу через эмиттерный повторитель с входным сопротивлением не менее 1 ГОм.
Все разряды проводились при одном и том же напряжении 9,5 кВ, что соответствует запасаемой энергии 5,4 кДж. Повышение концентрации раствора осуществлялось путем добавлением соли в уже обработанный раствор с меньшей концентрацией. На рисунках 1-3 представлены электрические и энергетические характеристики разрядов в растворах с различной концентрацией соли.
Рисунок 1 - Электрические и энергетические параметры разряда в 1% растворе NaCl
Рисунок 2 - Электрические и энергетические параметры разряда в 1,5% растворе NaCl
Рисунок 3 - Электрические и энергетические параметры разряда в 2,5% растворе NaCl
При пробое рабочего промежутка высоким напряжением всегда имеет место стадия стекания. На этой стадии ток от электроразрядного аппарата течет от положительного электрода к отрицательному, растекаясь по объему электролита. В зависимости от электропроводности раствора и размера высоковольтного электрода величина этого тока может достигать нескольких единиц кА. В результате, при увеличении межэлектродного расстояния выше определенной критической величины, пробоя промежутка не происходит. Это обусловлено тем, что конденсаторная батарея успевает довольно сильно разрядиться и напряжение на промежутке становится слишком маленьким для пробоя последнего [3].
Как видно из рисунков 1-3, разряд в 1% растворе хлорида натрия характеризуется более поздним временем пробоя рабочего промежутка и более низким его сопротивлением. В результате ток стекания значительно больше, и, соответственно, меньше напряжение на батарее к моменту пробоя.
Количество энергии, выпускаемой через рабочий промежуток на стадии пробоя при разряде в исследуемых растворах, увеличивается с повышением концентрации, что, скорее всего, связано с уменьшением потерь энергии на стадии стекания.
Как и следовало ожидать, по мере повышения концентрации хлорида натрия, ток стекания, так же, как и энергия, вкладываемая в разрядный промежуток на этой стадии, увеличивается, при этом сокращается длительность стадии стекания и уменьшается амплитуда тока при пробое. Так, согласно результатам исследования, амплитуда тока при пробое 1% раствора NaCl достигает 34 кА, в 1,5% - 32 кА, а в 2,5% - 28 кА.
Это связано с тем, что повышение концентрации хлорида натрия ведет к увеличению количества ионов в растворе, а чем больше ионов, тем большее количество зарядов способно переноситься через раствор. Т.е. с повышением концентрации хлористого натрия увеличивается электропроводность раствора.
Жидкая среда, в которой происходит высоковольтный электрический разряд, является трансформатором энергии, выделившейся в канале. Импульсное выделение электрической энергии в последнем, благодаря малой сжимаемости жидкости, приводит к росту давления в плазме. Высокое давление формирует и распространяет в окружающей среде интенсивные возмущения. Вблизи канала разряда вследствие высокого давления на формирование возмущения сильно влияют нелинейные эффекты, которые могут привести к увеличению крутизны волны сжатия и образованию ударной волны. Для учета нелинейных эффектов необходимо использование полных уравнений гидродинамики. Однако, при этом возможно лишь математическое решение задачи о возникающих гидравлических давлениях [6].
На следующем этапе исследований нами была исследована природа возникновения интенсивных возмущений в растворах электролитов эмпирическим методом. Физика процесса представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Давление в 10% растворе NaCl вблизи стенки рабочей камеры
На рисунке 4 графически отображены сигналы датчика давления, зарегистрированные осциллографом. На графике изменения силы тока видно, что формирование рабочего промежутка (паро-газовых пузырьков), предшествующему пробою разряда в жидкости потребовалось около 500 мкс. Сам разряд длился около 100 мкс, причем амплитуда тока достигла 90 кА. К 650 мкс процесса разряд практически полностью прекратился. Это означает, что выделение энергии в рабочем промежутке к этому моменту тоже закончилось. Но, тем не менее, импульсы давления в объеме исследуемого раствора были активны гораздо большее время, вплоть до 1мс с момента начала процесса.
Давление на фронте ударной волны в жидкости, по данным осциллографа, достигало 120 атм. или 12,16 МПа. Воздействие давления такой величины на обрабатываемый объект может вызывать структурную перестройку материала объекта (деформацию, диспергирование, разрыхление поверхности и т.д.).
Как видно, полная осциллограмма давления состоит из нескольких импульсов с уменьшающейся амплитудой. Причем, никакой закономерности между величинами временного интервала и отдельными импульсами не наблюдается. С одной стороны, второй и последующие импульсы давления обусловлены законами гидродинамики и представляют собой резонансные колебания жидкости. С другой стороны, появление на осциллограмме импульсных давлений может иметь отношение к схлопыванию парогазовой полости рабочего промежутка, т.е. кавитации. Временной сдвиг между импульсами тока и давлением, равный примерно 100 мкс, соответствует времени распространения звука в воде на расстояние 14,8 см. Расстояние между разрядным промежутком и датчиком давления в рабочей камере составляло 15 см. Следовательно, скорость движения первой ударной волны в рабочем объеме была эквивалентна скорости звука.
Помимо гидродинамического удара под действием электрического разряда в жидкости возникают гидродинамические потоки, а также акустическая волна. И одно и другое приводят к возникновению кавитации. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое происходит при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), а так же при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация) [5]. После разряда искровой канал превращается в газовый пузырь, который расширяется до тех пор, пока кинетическая энергия растекающегося потока полностью не перейдет в потенциальную энергию и давление в пузыре станет меньше гидростатического. Вследствие этого происходит обратное движение жидкости, и потенциальная энергия пузыря вновь переходит в кинетическую энергию сходящегося потока [7]. При этом наблюдается захлопывание полости, давление газа резко возрастает, и жидкость отбрасывается назад. Согласно осциллограмме рисунка 4, указанный процесс в ходе эксперимента повторился 3 раза в форме затухающих пульсаций вследствие потерь энергии.
Кавитационные воздействия схлопывающихся пузырьков, возникающие при электрогидравлическом ударе, позволят интенсифицировать многое технологические процессы, протекающие в жидких средах. Прежде всего, это относится к массообменным процессам, когда за счет схлопывания кавитационных пузырьков образуются кумулятивные микро-струйки и микро-вихри с большой плотностью энергии, что позволяет получать высокую однородность смешиваемых частиц в жидкости - эмульгирование. Весьма эффективен при гидродинамической кавитации и механизм диспергирования - измельчение частицы твердой или упругой фазы, находящейся в залитой жидкости [8]. Немаловажно, что в сравнении, например, с ультразвуковой обработкой, необходимые затраты энергии на гидродинамическую кавитацию являются меньшими (не менее, чем в 10-15 раз).
Помимо высоких и сверхвысоких гидравлических давлений, возникающих во время образования ударной волны и захлопывания парогазовых пузырьков, электрогидравлический эффект характеризуется мощным комплексным воздействием на жидкость и помещенные в нее объекты [8]. Электромагнитные поля разрядов, образование плазмы вблизи разрядного канала, интенсивная ионизация и рекомбинация ионов в зоне разряда в совокупности способствуют возникновению в жидкости сложных физико-химических процессов, которыми можно управлять, варьируя параметры разряда.
Таким образом, электроимпульсная обработка жидкости и объектов, помешенных в нее, является мощным высокоэффективным технологическим средством с широким спектром возможного применения. Использование данного вида воздействия позволит усовершенствовать существующие и создавать новые технологии получения различных пищевых продуктов.
Работа выполнена в рамках победы в программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Список используемой литературы
Баранов М.И. Прогрессивные импульсные технологии обработки материалов: история, физические основы и технические возможности//Электротехника и электромеханика. - 2009. - №1. - С.42-54.
Еремин В.Я. Разрядно-импульсные технологии на стройках России//СТРОЙКЛУБ. - 2002. - №2. - С.11-15.
Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. -Киев: Наукова Думка, 1983. - 272 с.
Нагдалян А.А., Оботурова Н.П. Разрядно-импульсные технологии как способ интенсификации процесса посола мясопродуктов/ А.А.Нагдалян, Н.П. Оботурова// Материалы V международной научно-практической конференции "Инновационные направления в пищевых технологиях" г.Пятигорск.- 2012.- с.245-247
Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсным энергетическим воздействием на обрабатываемые вещества: Учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2004. -136с.
Поздеев В.А. Прикладная гидродинамика электрического разряда в жидкости.- Киев: Н.Думка, 1980.
Сытник И.А. Электрогидравлическое действие на микроорганизмы. -К, Здоровья: 1982, -94с.
Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. -Л.: Машиностроение, 1986.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Структура и специфика использования приборов тлеющего разряда. Понятие, а также функциональные возможности стабилитронов. Вентили тлеющего разряда. Конструкции тиратронов. Особенности использования несамостоятельных разрядов в технологических лазерах.
контрольная работа [285,4 K], добавлен 11.08.2014Характеристики тлеющего разряда, процессы, обеспечивающие его существование. Картина свечения. Объяснение явлений тлеющего разряда с точки зрения элементарных процессов. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами. Процессы в атомарных газах.
реферат [2,8 M], добавлен 03.02.2016Электрический разряд в газах. Основные типы газового разряда. Исследование квазистационарных токов и квазистационарных напряжений в аргоне. Элементарные процессы в приэлектродном слое. Спектроскопическое исследование аргона. Принцип работы монохроматора.
реферат [395,2 K], добавлен 13.12.2013Основы статистики линейных полимерных цепей. Особенности полиэлектролитов. Гидродинамика растворов полимеров, взаимодействия в цепи. Диффузия макромолекул в растворах. Оценка равновесной жесткости цепей полистирол сульфонатов при различных ионных силах.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 15.08.2011Понятие и назначение СО2-лазера, его технические характеристики и составляющие части, принцип работы и выполняемые функции. Порядок расчета основных показателей СО2-лазера. Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока, расчет его КПД.
контрольная работа [627,3 K], добавлен 11.05.2010Понятие плазмы тлеющего разряда. Определение концентрации и зависимости температуры электронов от давления газа и радиуса разрядной трубки. Баланс образования и рекомбинации зарядов. Сущность зондового метода определения зависимости параметров плазмы.
реферат [109,9 K], добавлен 30.11.2011Методы и средства изучения свойств наноструктур. Экспериментальное исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов. Проведение оценочных расчетов теоретического предела минимального размера изображения, получаемого при литографии.
дипломная работа [810,6 K], добавлен 28.03.2016Изоляция электротехнических установок. Составляющие времени разряда при воздействии короткого импульса. Стандартный грозовой импульс и его параметры. Время запаздывания разряда. Измерения с помощью шаровых разрядников. Характеристики изоляции.
лабораторная работа [1,1 M], добавлен 27.01.2009Особенности распределения примесных молекул в замороженных н.-парафиновых растворах при 77К. Тушение люминесценции органических молекул в растворах различного рода ассоциатами. Влияние отжига на параметры фосфоресценции дибромдифенилоксида.
дипломная работа [341,5 K], добавлен 03.04.2007Самостоятельный и несамостоятельный разряды в газах. Описание установки для измерения тока ионного тока тлеющего разряда. Модель физического процесса. Построение графиков, отображающих зависимость ионного тока тлеющего разряда от расстояния до коллектора.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.09.2012Емкостной высокочастотный разряд: общие сведения, типы, способы возбуждения, построение простейшей модели, формы существования. Краткая теория метода зондов Ленгмюра. Система уравнений для определения параметров разряда. Измерение разрядного тока.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 30.04.2011Проверка эффекта Мпембы. Исследование температуры замерзания воды в зависимости от концентрации соли в ней. Зависимость температуры кипения от ее продолжительности, концентрации соляного раствора, атмосферного давления, высоты столба жидкости в сосуде.
творческая работа [80,5 K], добавлен 24.03.2015Изучение тлеющего газового разряда как одного из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Создание квантовых источников света в люминесцентных лампах. Формирование тлеющего газового разряда при низком давлении газа, малом токе.
презентация [437,2 K], добавлен 13.04.2015- Моделирование на ПЭВМ электрического поля и пробивного напряжения шарового измерительного разрядника
Изучение основных форм самостоятельного разряда в газе, влияние на электрическую прочность и электрическое поле разрядного промежутка основных свойств газа и геометрических характеристик. Использование данных закономерностей в электроэнергетике.
лабораторная работа [274,1 K], добавлен 22.04.2014 Исследование импеданса водной суспензии нанопорошка железа посредством емкостной ячейки. Анализ частотной зависимости импеданса суспензии нанопорошка. Применение плазменного разряда для синтеза наноматериалов и создания технологии стерилизации воды.
дипломная работа [888,8 K], добавлен 18.07.2014Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов. Основные причины большого потребления топливно-энергетических ресурсов на предприятиях пищевой промышленности, пути сбережения тепловой энергии. Использование вторичных энергоресурсов.
реферат [98,2 K], добавлен 11.02.2013Применение косвенных методов рентгеновской диагностики плазмы индуцированных вакуумных разрядов при лазерном инициировании. Применение камеры-обскуры для исследования пространственных характеристик сильноточного вакуумного разряда на парах металла.
отчет по практике [1,6 M], добавлен 08.07.2015Методики экспериментального определения коэффициента ионизации газа. Напряжение возникновения разряда. Вольт-амперные характеристики слаботочного газового разряда в аргоне с молибденовым катодом. Распределение потенциала в газоразрядном промежутке.
контрольная работа [122,5 K], добавлен 28.11.2011Разработка конструкции имитатора и составных элементов, электрическая схема его питания и управления. Оборудование для СВЧ-диагностики и определения спектрально-энергетических, электротехнических и газодинамических характеристик одноканального имитатора.
дипломная работа [4,7 M], добавлен 13.10.2013Механизмы возникновения электрического разряда в газах, условия их электропроводности. Ионная электропроводимость газов. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение. Искровой, коронный и дуговой разряды. "Огни святого Эльма".
презентация [2,9 M], добавлен 07.02.2011