УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА Российский патент 1995 года по МПК H01T9/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для очистки различных поверхностей, получения мелкодисперсных смесей, а также при обработке металлов давлением под действием импульсных нагрузок, возникающих при электрических разрядах в жидкости.

Известен электрический разрядник с искусственным каналом проводимости для электрогидравлической очистки фильтров водозаборных скважин [1] В корпусе разрядника имеется полость, заполняемая компонентами, при взаимодействии которых интенсивно выделяется газ, например ацетилен, если полость заполнена карбидом кальция и водой. Газ под давлением выходит из полого положительного электрода в межэлектродный промежуток. Отрицательным электродом служит труба фильтра. Разрядные явления в пузырьках вызывают электрический пробой промежутка, при этом поверхность трубы фильтра очищается от осадков. Недостатками этого устройства являются большие потери электрической энергии в предпробойной стадии разряда и незначительное снижение порогового напряжения электрического пробоя. Разрядник может использоваться только для очистки металлических поверхностей, цикл его работы ограничен из-за необходимости дозаправки компонентами для образования газовых пузырьков. Кроме того, эксплуатация разрядника должна проводиться с учетом повышенных требований по электробезопасности и техники безопасности при работе с сосудами под давлением.

Известно устройство [2] для инициирования и формирования электрического разряда. Устройство содержит камеру, частично заполненную жидкостью, электроды, привод возвратно-поступательного перемещения и поршень, соединенный с приводом. Межэлектродный промежуток, образованный соосными цилиндрическими электродами, находится ниже уровня жидкости. В нижнем электроде имеется полость, заполненная той же жидкостью, которой заполнена камера. При срабатывании привода поршень вытесняет жидкость из полости нижнего электрода через межэлектродный промежуток в камеру. Когда длина затопленной струи достигает необходимой величины, к электродам прикладывают импульс напряжения. При этом в граничной области по огибающей струи происходит электрический пробой, для развития которого в этой зоне создаются благоприятные условия, связанные с наличием в ней кавитационных пузырьков. Электрический разряд в таких условиях представляет собой тонкую плазменную оболочку, занимающую сектор до 50% площади диска струи. Недостатком этого устройства является то, что положение сектора, занимаемого разрядом, меняется от импульса к импульсу. Область применения устройства ограничена работой в стационарных условиях.

Техническим результатом данного изобретения является расширение области применения, повышение надежности и КПД.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве для инициирования и формирования электрического разряда, содержащего корпус, в котором установлены погруженные в жидкость электроды, подключенные к первому емкостному накопителю энергии через первый коммутатор, и поршень, соединенный с приводом возвратно-поступательного перемещения, предложено к одному из фланцев корпуса пристыковывать указанный привод поршня, а к другому фланцу корпуса днище из диэлектрического материала, выполненное в виде полусферы с отверстием, расположенным на продольной геометрической оси, электроды закреплять на стенках указанного отверстия, а корпус погружать в дополнительно введенный объем, заполненный указанной жидкостью. Привод выполняют в виде индуктора, закрепленного на корпусе со стороны внешнего относительно полости корпуса торца поршня, на штоке которого устанавливают дополнительно введенную возвратную пружину, причем индуктор подключают к дополнительно введенному второму емкостному накопителю энергии через дополнительно введенный второй коммутатор.

На фиг. 1 представлено устройство для инициирования и формирования электрического разряда; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 узел I на фиг. 1.

Устройство содержит корпус 1, к одному фланцу 2 которого пристыкован индукционно-динамический привод 3, а к другому 4 днище 5 из изоляционного материала. Индукционно-динамический привод 3 состоит из индуктора 6, якоря (поршня) 7 и возвратной пружины 8. Параллельно индуктору 6 подсоединена цепь, состоящая из коммутатора 9 и емкостного накопителя энергии 10. В днище 5, выполненном в виде полусферы, имеется отверстие 11, в котором расположены электроды 12 и 13 на расстоянии S друг от друга. С помощью токовводов 14 и 15 параллельно электродам 12 и 13 подсоединена цепь, состоящая из коммутатора 16 и емкостного накопителя энергии 17.

Устройство работает следующим образом. После погружения его в жидкость, например, в водозаборную скважину производят известным способом зарядку емкостных накопителей энергии 10 и 17, затем подключают с помощью коммутатора 9 емкостной накопитель энергии 10 к индуктору 6. При разряде емкостного накопителя энергии 10 на индуктор 6 якорь 7 начинает ускоренно перемещаться, сжимая возвратную пружину 8. Это происходит из-за взаимодействия импульсного магнитного поля индуктора 6 и токов Фуко в якоре 7. Когда пружина 8 возвращает якорь 5 в исходное положение, полость 18 заполняется жидкостью. Емкостной накопитель энергии 10 вновь заряжают и подключает с помощью коммутатора 9 к индуктору 6. Якорь 7 вытесняет жидкость из полости 18 через межэлектродный промежуток. Происходит формирование затопленной струи жидкости, для которой можно записать уравнение Бернулли
gH+ + const
Из уравнения Бернулли выделим безразмерный параметр число кавитации
σ где Р давление газа над поверхностью жидкости, Па;
ρ плотность жидкости, кг/м³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
Н расстояние межэлектродного промежутка от свободной поверхности жидкости, м;
P_к давление, при котором возникает кавитация, в данном случае его можно принять равным давлению насыщенных паров жидкости Р_н.п., Па;
V скорость течения струи жидкости, м/с.

Согласно экспериментальным данным, значение σ ≅ 0,2 можно считать соответствующим кавитационному pежиму. Когда длина l струи достигает необходимой величины, ключом 16 замыкают емкостной накопитель энергии 17 на электроды 12 и 13. Наличие микропузырьков кавитационного происхождения в пограничной зоне струи, их поляризация в электрическом поле, и разрядные процессы в пузырьках активизируют зажигание электрического разряда, поддерживая его распространение в область низкой напряженности электрического поля. Пробой развивается не по кратчайшему расстоянию между электродами, а в граничной области по огибающей струи, которая становится зоной инициирования разряда. Напряженность электрического поля Е по длине разряда устанавливают больше порогового значения Е_пор.

E где U амплитуда импульса электрического напряжения, В;
L длина разряда, м;
L kl при k 2-2,5 коэффициенте, учитывающем форму струи.

Электрический разряд в жидкости сопровождается образованием ударной волны и гидродинамического потока, действие которых можно использовать в различных технологических целях, например для удаления отложений солей с поверхности деталей. Форма фронта ударной волны зависит в предлагаемом устройстве от геометрии струи жидкости, которая в свою очередь определяется конфигурацией отверстия 11 и электродов 12, 13, а также взаимным расположением электродов 12 и 13. Параметры разрядного контура с емкостным накопителем энергии 17 выбирают такими, что длительность электрического разряда оказывается намного меньше времени истечения затопленной струи жидкости. Когда усилие возвратной пружины 8 становится больше силы действующей на якорь 7, он возвращается в исходное положение. При этом полость 18 заполняется новой порцией жидкости. После того, как емкостные накопители энергии 10 и 17 заряжаются, устройство готово к следующему рабочему циклу.

Используя предлагаемое устройство, можно генерировать импульсы с амплитудой давления, достигающей 10⁹ Па и частотой 0,1-1 Гц. Для повышения частоты следует за время истечения струи осуществлять с небольшими интервалами несколько электрических разрядов от дополнительных разрядных контуров, включенных параллельно контуру емкостного накопителя энергии 17. Амплитуду импульса электрического напряжения (напряжение заряда дополнительных емкостных накопителей энергии) в этом случае необходимо повышать пропорционально увеличению длины затопленной струи жидкости, так чтобы напряженность электрического поля по длине разряда оставалось больше порогового значения.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом в 1,3 раза увеличен КПД за счет более стабильного положения электрического разряда, а также использования полусферического днища 5 в качестве отражателя ударных волн, возникающих при электрических разрядах в жидкости. Кроме того, форма днища 5 и токовводов 14, 15 исключает локальную концентрацию электрического поля, предотвращая случайные пробои, что повышает надежность устройства.

Существо: в корпусе на стенках сквозного отверстия закреплены электроды. Корпус погружен в диэлектрическую жидкость. В корпусе установлен поршень, связанный с приводом возвратно-поступательного перемещения, с помощью которого через отверстие формируют затопленную струю жидкости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА, содержащее корпус, в котором установлены погруженные в жидкость электроды, подключенные к первому емкостному накопителю энергии через первый коммутатор и поршень, соединенный с приводом возвратно-поступательного перемещения, отличающееся тем, что к одному из фланцев корпуса пристыкован указанный привод поршня, а к другому фланцу корпуса пристыковано днище из диэлектрического материала, выполненное в виде полусферы с отверстием, расположенным на продольной геометрической оси корпуса, электроды закреплены на стенках указанного отверстия, а корпус погружен в дополнительно введенный объем, заполненный указанной жидкостью. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что привод выполнен в виде индуктора, закрепленного на корпусе со стороны внешнего относительно полости корпус торца поршня, на штоке которого установлена дополнительно введенная возвратная пружина, причем индуктор подключен к дополнительно введенному второму емкостному накопителю энергии через дополнительно введенный второй коммутатор.