WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

«Министерство общего и профессионального образования Российской федерации Московский энергетический институт (Технический университет) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие по курсу ...»

-- [ Страница 3 ] --

Образуется заряженный диск с максимальной плотностью заряда в центре диска. Заряженный диск создает поле, имеющее как нормальную Еос, так и тангенциальную Епов составляющие. Под действием последней составляющей вдоль поверхности барьера начинается поверхностный разряд лавинного типа. В рассматриваемом нами случае отрицательно заряженного диска поверхностный разряд создает круглое пятно отрицательного заряда с диаметром, во много раз превышающим диаметр начального заряда. Одиночный разряд в промежутке может создать пятно диаметром до 1517 мм (рис. 12.4, а).

r r r Eв r r r Eпов Eос Eв Eос Eпов Eпов Um Uпр Um Uпр а) б) Рис. 12.4. Развитие разряда в промежутке озонатора Образовавшееся на барьере после поверхностного разряда пятно отрицательного заряда создает в разрядном промежутке свое поле с нормальной составляющей напряженности Еос, направленной встречно к приложенному внешнему полю. Измерения и расчеты показывают, что напряженность Еос может достигать нескольких кВ/см. В итоге суммарное поле в промежутке Е=Евн-Еос снижается, и ионизационные процессы в этой части промежутка прекращаются. Разряд гаснет. Весь описанный процесс занимает время до десяти наносекунд, за которое приложенное напряжение не успевает измениться. Одновременно начинается развитие стримера в другой части промежутка, где процесс повторяется.

Образование в разных точках искр и их затухание будет продолжаться U до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет максимального значения Um. После этого разряд в промежутке прекращается. Осциллограмма тока через Um промежуток выглядит так, как показано на рис. 12.5, где на кривую тока смещения iсм наложены импульсы тока отдельных искр.

Рассмотрим теперь полупериод, когда электрод с диэлектрическим Uпр t барьером является катодом. При этом вновь рассматривается самый первый а) полупериод, при котором развитие разряда в промежутке начинается при отсутствии заряда на диэлектрике.

i Развитие разряда идет в этом случае в направлении металлического электрода. Вновь образуется стример, но при подходе его головки к аноду все электроны уходят в металл. Накопления заряда на аноде не происходит. Но развитие стримера идет и в сторону катода, к которому перемещаются t положительно заряженные ионы. Подходя к барьеру, они оседают на нем, образуя положительный заряд, являющийся причиной возникновения б) поверхностного разряда. В данном случае поверхностный разряд носит Рис. 12.5. Осциллограммы тока и стримерный характер и на поверхности барьера остается пятно в виде звездочки напряжения а) осциллограмма напряжения на (рис. 12.4,б), максимальная напряженность поля Еос, также составляет несколько электродах;

кВ/см. В результате суммарная напряженность поля в промежутке снижается и б) осциллограмма тока через озонатор.

разрядные процессы в этой части промежутка прекращаются. Диаметр звездочек одиночных разрядов достигает 2025 мм. Когда напряжение на промежутке достигает Um, разряд прекращается.

Иначе обстоит дело, когда разряд развивается в промежутке, в котором на диэлектрическом барьере уже имеется заряд, оставшийся от предыдущего полупериода. Поскольку поверхностное сопротивление материала барьера очень велико, заряд не успевает релаксировать за время одного периода. Распределение зарядов на поверхности к началу разряда в данный полупериод остается практически тем же, как в момент окончания разряда в предыдущий полупериод.

Это означает, что в новый полупериод поле осевших зарядов складывается с внешним полем, усиливая его. Поэтому в местах, где расположены пятна или звездочки осевших зарядов, напряженность поля достигает начальной Eн раньше, чем в остальной части промежутка. Развитие ионизационных процессов и разряд оказываются «привязанными» к местам разряда в предыдущий полупериод.

Картина разряда в промежутке становится еще более сложной после длительного воздействия переменного напряжения. Но есть определенные закономерности, проявляющиеся во всех случаях: в каждый полупериод разряд имеет вид отдельных, быстро затухающих искр. Разряд начинается, когда напряжение, приложенное к электродной системе, меньше разрядного напряжения газового промежутка. В каждый полупериод образуются импульсы тока, число и амплитуда которых являются статистическими величинами.

В процессе развития каждой отдельной искры происходят электрохимические реакции, результатом которых является образование озона и его разложение. Процесс образования озона состоит из нескольких этапов, хотя в общем случае число реакций, связанных с образованием озона и его разложением, превышает 70, существуют основные, без прохождения которых получение озона невозможно. Основной реакцией является процесс диссоциации молекул кислорода при взаимодействии со свободным электроном;

О2 + e O + O + e, (12.3) постоянная времени этого процесса очень мала и составляет единицы наносекунд.

Следующий этап состоит в образовании молекулы озона O + O2 + M O3+ M, (12.4) в которой принимает участие третья частица М: молекула, ион, электрон или атом в нейтральном или возбужденном состоянии. Исследования показывают, что образование озона требует времени до 10 мкс.

Кроме образования озона, при движении частиц газа происходит разложения молекул O3 по реакции O3 + M O2 + O + M. (12.5) Эта реакция идет тем интенсивнее, чем выше температура газа.

Образующийся в зоне разряда озон диффундирует в соседние области. В результате прохождения рабочего газа через разрядную зону озонатора на выходе получается озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь с концентрацией озона (10-110) г/м3, при этом получаемое количество озона зависит от превышения интенсивности образования над интенсивностью разложения.

Рассмотренный механизм развития разряда в однородном поле промежутка с диэлектрическим барьером на электроде позволяет установить те особенности, из-за которых барьерный разряд стал одним из основных источников озона. Главная особенность - дискретность разрядных процессов в пространстве и во времени. В течение части каждого полупериода воздействующего напряжения разряд распределен по всему промежутку. Это позволяет интенсивно охлаждать всю разрядную зону охлаждением электродов, что особенно важно для предотвращения термического разложения уже образовавшегося озона. Барьерный разряд, кроме того, является наиболее рациональной формой разряда и для образования озона. Барьер выступает в роли токоограничивающего сопротивления для каждой отдельной искры, что предотвращает большие токи, т.е. потери энергии на разогрев разрядного канала. Вместе с тем, в таком разряде процессы диссоциации молекул кислорода идут с наибольшей интенсивностью, что обеспечивается имеющим место распределением по энергиям свободных электронов.

Образование искры в каждой области промежутка, где напряженность поля превысит пробивную и затухание этой искры из-за спада напряженности поля, вызванного осевшими зарядами, поддерживает на электродах практически неизменное напряжение на газовом промежутке Uг в течение всего времени горения разряда в данный полупериод.

Поэтому средняя напряженность поля в газовом промежутке в течение всего времени горения разряда лишь незначительно отличается от начальной. Постоянство напряженности обеспечивает при разряде стабильное распределение электронов по энергиям, что важно для прохождения электрохимических реакций образования озона.

С ростом приложенного напряжения время горения разряда в каждый С0, полупериод увеличивается, увеличивается число искр и возрастает выход озона.

мг/л Однако почти пропорциональный рост выхода озона с ростом напряжения продолжается до определенного предела (рис. 12.6). С ростом числа искр увеличивается температура разрядной зоны, усиливается разложение озона. Работа озонатора при перегреве становится неэффективной. Поэтому рабочий режим озонатора должен лежать в области линейной части кривой зависимости концентрации озона CO3 от напряжения.

Приведенное выше описание процессов в озонаторе отражает только физическую картину в газовом промежутке. Для электрической цепи, включающей источник питания и озонатор, последний представляет сложную нагрузку, изменяющуюся при каждом зажигании разряда. Анализ процессов в эквивалентной 4 5 6 U, кВ электрической цепи содержащей озонатор, позволяет связать физические процессы Рис. 12.6. Выход озона в с электрическими величинами, определяющими эти процессы.

зависимости В эквивалентной электрической схеме озонатор может быть представлен от напряжения двумя последовательно включенными емкостями: емкостью газового промежутка и частота f = 1500 Гц;

расход газа vг = 1 л/мин емкостью барьера, как это было определено ранее.

Пусть к озонатору приложено переменное напряжение U = U0 sint, (12.6) До начала разряда в газовом промежутке, т.е. при напряжении Uг < Uпр, приложенное напряжение распределяется по емкостям газового промежутка и барьера: U = Uг + Uб, причем Cг Cб Uб = U ;

Uг = U. (12.7) Cг + Cб Cг + Cб Ток через озонатор равен:

CбCг i = U0 cost, (12.8) Cб + Cг Когда напряжение на газовом промежутке станет достаточным для его пробоя, в промежутке начинается разряд, напряжение на газовом промежутке становится равным напряжению горения разряда Uгор и не меняется пока горит разряд. Тогда напряжение на диэлектрическом барьере может быть определено как Uб = U0 sin t -Uгор. (12.9) Ток через озонатор при разряде d I = (Cб Uб ) = U0 Cб sint. (12.10) dt Так как б > г, то суммарная емкость озонатора меньше емкости барьера, и при возникновении разряда ток скачком возрастает.

Как уже говорилось выше, кривая тока через озонатор при разряде имеет сложную форму, учитывающую импульсы тока отдельных разрядов. Поэтому обычно пользуются понятием среднего тока через озонатор при разряде, соответствующего двухполупериодной схеме выпрямления Iср = (U0 -Uгор) Cб. (12.11) Очень важной характеристикой, определяющей не только интенсивность ионизационных процессов в газовом промежутке, но и эффективность образования озона, является активная мощность разряда Р, с ростом которой выход озона возрастает. Правильная оценка активной мощности при работе озонатора позволяет определить эффективность работы устройства в целом.

Расчет активной мощности в цепи переменного тока проводится по уравнению 1 P = (12.12) iUdt = iUd(t).

t Если этот интеграл разбить на участки, соответствующие интервалам, когда разряд в промежутке есть и когда его нет, и на каждом участке использовать свои уравнения для напряжения и тока, то можно получить уравнение для активной мощности вида 2(U -Uгор )Cб 2UгCг P = Uгор -, (12.13) где первое слагаемое а квадратных скобках соответствует среднему по схеме двухполепериодного выпрямления току через озонатор при горении разряда, а второе слагаемое - среднему току в момент зажигания разряда, когда напряжение на промежутке становится равным пробивному. С небольшой погрешностью это напряжение можно считать равным напряжению горения разряда. Ток, соответствующий этому напряжению, называют критическим.

Тогда уравнение для мощности приобретает вид P = Uгор (Iср - Iкр), (12.14) Это уравнение используется для определения мощности при построении вольтамперной характеристики. Этот метод использован и в данной работе.

Метод состоит в том, что измеряют выпрямленный по схеме двухполепериодного выпрямления ток через озонатор при изменении напряжения, приложенного к электродам, и строят вольтамперную характеристику I = f(U). До начала разряда эта характеристика имеет вид прямой с наклоном, обусловленным I сопротивлением всего озонатора (рис. 12.7). После зажигания разряда ток определяется в основном емкостью барьера, и наклон прямой меняется. Точка излома соответствует критическому режиму, при котором ток равен Iкр. Если продлить разрядную часть U вольтамперной характеристики до пересечения с осью напряжения, то точка пересечения дает напряжение горения разряда Uгор.

Iкр Зная значения Iкр и Uгор, можно найти мощность для любого значения напряжения по соответствующему значению Iср.

Uгор Основными параметрами, определяющими эффективность работы барьерного Рис. 12.7 Вольт-амперная озонатора, являются: напряжение на электродах U;

газовый зазор l (эта величина характеристика озонатора определяет характер разряда и его интенсивность);

диэлектрическая проницаемость материала барьера б;

частота f воздействующего напряжения и расход газа vг, определяющий концентрацию озона в выходящей из озонатора газовой смеси.

вода воздух + О3 воздух D D Dвн н L вода вода ВН Cизм вода Рис. 12.8 Трубчатый барьерный озонатор 1 - наружный электрод;

2 - барьер из стеклоэмали;

3 - внутренний электрод.

Для выноса образовавшегося озона из разрядного промежутка необходимо создать равномерный поток газа через разрядную зону. Наиболее удобно это осуществляется в коаксиальной системе электродов, так называемого, трубчатого озонатора (рис. 12.8).

От скорости протекания газа через озонатор, или от расхода газа vг (л/мин) зависит время пребывания каждого единичного объема газа в зоне разряда. Это означает, что число разрядов, развивающихся в каждом единичном объеме газа при движении его вдоль озонатора зависит от vг, т.е. концентрация озона на выходе из озонатора зависит от расхода газа.

С расходом газа связана производительность озонатора G = CO vг, (12.15) измеряемая в граммах (или килограммах) озона в час. Наряду с концентрацией озона в воздухе на выходе озонатора CO (г/л) производительность G является важной характеристикой озонатора.

Следующей важной величиной, определяющей эффективность работы озонатора, являются удельные затраты энергии на получение озона P W = кВтч/кг.

G Эта величина имеет особо важное значение для промышленных озонаторов с производительностью до кг/час.

12.2.3. Технологическое применение озона Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 году в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция), который обрабатывал 22500 кубических метров воды из реки Вазюби в сутки для нужд города Ниццы. В 1911 году была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге. В 1916 году действует уже 49 установок по озонированию питьевой воды.

К 1977 году во всем мире действует более 1000 установок. В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и ряде других городах). Приняты программы перевода на озонирование еще нескольких крупных станций водоподготовки.

В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. В таблицу 12.1 сведены и классифицированы основные технологические применения озона. Следует обратить внимание на то, что столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличии от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ, как например при окислении хлором или фтором.

Таблица 12. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА Очистка Очистка Сельское Медицина и Химическая Бытовые природных и газовых хозяйство и ветеринария промышленно применения сточных вод выбросов пищевая сть промышленно сть Централизова Очистка Подготовка Озонотерапия Добыча Кондиционир нные системы газовых воды и и редких ование подготовки выбросов кормов для профилактика металлов и их воздуха питьевой ТЭС от животноводст проф. выделение из помещений воды оксидов азота ва заболеваний сточных вод и серы Автономные Очистка Дезинфекция Применение в Синтез новых Очистка воды системы воздуха тары, хирургии и полимеров в подготовки помещений помещений и послехиругич плавательных питьевой лакокрасочног оборудования еской бассейнах воды о и др. профилактике производств Очистка Санация Хранение и Стерилизация Органический Консервирова промышленн воздуха транспортиро медицинского синтез и ние пищевых ых сточных помещений вка продуктов инструмента и биотехнологи продуктов вод промышленн питания оборудования и ых предприятий Очистка Промышленн Санация Отбеливание Дезодорирвни биологически ое воздуха целлюлозы и е воздуха в загрязненных интенсивное помещений тканей рефрижератор вод рыбоводство для борьбы с ах, пылесосах внутрибольни и т.д.

чными инфекциями 1) Подготовка питьевой воды. Применение озона для подготовки питьевой воды относится к самым ранним использованиям окислительных и дезинфицирующих свойств озона. Первоначально озон использовался только для обеззараживания, затем его стали применять для удаления запаха, изменения цветности воды и устранения примесей.

Обеззараживание - это удаление из воды бактерий, спор, микробов и вирусов (инактивация). Для удаления бактерий в воду вводят дезинфицирующее вещество. Чем больше дезинфицирующего вещества введено, тем эффективнее его воздействие на бактерии. Доза дезинфицирующего вещества (минимальное количество дезинфицирующего вещества в миллиграммах, необходимое для инактивации одного литра обрабатываемой воды) варьируется в зависимости от содержания в воде органических веществ, от температуры воды и от величины активной реакции воды с дезинфицирующим веществом - рН. На рис. 12.9 приведен график зависимости количества бактерий, содержащихся в воде, от величины дозы воздействующего дезинфицирующего вещества (в нашем случае хлора Dcl и озона Dоз).

Из графика видно, что при использовании хлора, чем больше его кол-во озон бактер дозировка в обрабатываемую воду, тем меньшее количество бактерий выживает. Для озона обнаруживается резкое хлор бактерицидное действие при достижении критической дозы озона равной 0,40,5 мг озона в газе на литр обрабатываемой доза воды. Причем, происходит полная инактивация воды.

Механизм воздействия окислителя состоит в разрушении бактерий путем 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, мг/л инактивации бактериальных протеинов, то есть диффузией через мембрану клетки Рис. 12.9. Количество бактерий в воде в в цитоплазму с поражением жизненных центров.

зависимости от дозы дезинфектанта Исследования механизма озонирования бактерий показали, что действие его происходит быстро при условии поддержания нужной концентрации растворенного озона в воде в течение определенного времени. Если озон эффективно воздействует на бактерии, то хлор производит только выборочное отравление жизненных центров бактерий, причем довольно медленное из-за необходимости длительного времени для диффузии в цитоплазме.

Время необходимое для снижения концентрации бактерий до допустимой величины, характеризуемой коли индексом, называется временем инактивации.

Для хлора время инактивации составляет 30 мин при содержании остаточного хлора в воде в пределах СвCl= 0,050,2 мг/л.

Для озона это время составляет 12 мин при содержании растворенного озона в воде СвОз=0,10,3 мг/л.

Во Франции для инактивации воды принято время равное 4 мин при концентрации озона в воде СвОз = 0,4 мг/л.

Учитывая, что время инактивации в сильной степени зависит от концентрации остаточного озона в воде, в США введено в практику использование так называемого СТ - фактора [мг/лмин], который устанавливает связь между необходимым временем инактивации и концентрацией растворенного озона в воде.

Таблица 12. Зависимость СТ-фактора от степени инактивации воды и ее температуры (pH=69) Уровень Температура воды, °С инактивации 0,5 5 10 15 20 0,5 0,53 0,44 0,37 0,27 0,2 0, 1,0 1,13 0,67 0,53 0,47 0,35 0, 2,0 2,2 1,33 1,13 0,87 0,67 0, 3,0 3,0 2,0 1,67 1,3 1,0 0, Из таблицы видно, что чем выше уровень (порядок снижения количества бактерий в воде) инактивации воды, то есть меньшее количество бактерий должно остаться в воде, тем большее должно быть значение СТ-фактора. Кроме того, чем выше температура воды, тем меньше СТ-фактор. Например, при температуре воды + 25°С и остаточной концентрации озона в воде 1 мг/л для инактивации на три порядка необходимо время обработки воды озоном равное 0,67 мин.

Кроме большой способности уничтожения бактерий озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов, например, жгутиковых и корненожек, при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях) и многих других патогенных микробов.

Обесцвечивание - это удаление из воды органических и химических веществ, окрашивающих воду. В зависимости от цветности исходной воды требуется большее или меньшее количество озона для обесцвечивания воды.

В России для поверхностных вод средних и северных районов для доведения цветности воды до нормы в 20° обычно требуется доза озона Dоз = 2,5 мг/л.

Для южных районов, где исходная цветность воды значительно больше, требуется уже доза озона, равная 8 мг/л (см. рис. 12.10).

Физический механизм воздействия озона при обесцвечивании воды град цветность заключается, во-первых, в разложении веществ до простейших Н2О и СО2, во увеличение вторых, в коагуляции (объединении) веществ с дальнейшим выпадением их в исходной осадок.

40 цветности Эффективное обесцвечивание воды озонированием является одним из определяющих критериев в выборе озона в качестве воздействующего доза реагента при подготовке питьевой воды.

озона Удаление железа и марганца. В природных водах наиболее часто 0 2 4 6 8 мг/л встречается железо в двухвалентной форме, находящееся в растворенном Рис. 12.10. Зависимость обесцвечивания состоянии. Марганец в природной воде обычно сопутствует железу. Оба этих Воды от дозировки озона вещества придают воде цветность и характерный привкус. Озон легко окисляет соли железа и марганца с образованием нерастворимых веществ, которые удаляются отстаиванием или фильтрацией. Химические реакции сульфидов железа и марганца с озоном можно записать в виде:

Mn SO4 + O3 + 2H2O = H2 Mn O3(осадок) + O2 + H2 SO 2 Fe SО4 + H2 SO4 + O3 = Fe2(SO4)3(осадок) + H2O + O Если железо и марганец содержатся в форме органических соединений или коллоидальных частиц (с размером 0,10,01 мкм), то обезжелезивание и деманганация воды обычными способами не удается. В этом случае необходимо предварительное окисление этих комплексных органических соединений, приводящее к их расщеплению, после чего становится возможным удаление железа и марганца одним из обычных методов. Окисляя комплексные соединения, озон преобразует растворимые соли в нерастворимые, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения ее от выпадающих осадков.

Следует отметить, что хотя озонирование и не является наиболее экономичным методом обезжелезивания и деманганации, но применение озона с этими целями оправдано в двух случаях: во-первых, когда обычные способы удаления из воды железа и марганца не дают результатов или ведут к недостаточным результатам, во-вторых, когда необходимо одновременное устранение запахов, привкусов и цветности воды.

Устранение привкусов и запахов воды. Неприятные привкусы и запахи в некоторых природных водах вызываются присутствием соединений минерального и органического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Эти привкусы по своему происхождению могут быть:

а) минерального происхождения, т.е. вызываемые наличием железа, марганца, сероводорода и общей повышенной минерализацией;

б) природного органического происхождения - гуминовые кислоты, органические вещества, поступающие со стоками, водоросли и чаще всего планктон;

в) городского происхождения - продукты распада органических веществ в городских отбросах;

г) промышленного происхождения - различные химические стоки, моющие средства, углеводороды, гудрон и др.

смолы;

д) сельскохозяйственного происхождения - пестициды, гербициды, минеральные удобрения.

Озон окисляет названные выше соединения, приводя к их расщеплению, сопровождающемуся исчезновением привкусов и запахов. Таким образом происходит нейтрализация веществ путем своего рода «холодного сжигания».

Например, при окислении сероводорода наблюдается выделение серы:

H2S + O3 = H2O + S + O2.

Благодаря более высокой окислительной способности, озон в состоянии действовать на такие соединения, которые не подвергаются воздействию других химических реагентов. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой никаких нежелательных явлений: избыточный озон, будучи нестойким, снова превращается в кислород в течение нескольких минут. Озонирование не создает дополнительных или замещающих соединений, тогда как хлор дает с некоторыми веществами сложные соединения, вызывающие появление весьма резких запахов. Например, при обработке хлоров воды, содержащей примесь фенолов, образуется хлорфенол, имеющий весьма неприятные привкус и запах. Наконец, при обработке озоном вода насыщается кислородом, что приводит к эффекту родниковой воды.

Рассмотрим принципиальную технологическую схему установки для комплексной очистки питьевой воды. В данной установке реализована традиционная схема очистки воды озонированием и фильтрованием. Схема установки показана на рис.

12.11.

1 6 потребитель Рис. 12.11. Схема подготовки питьевой воды 1 - отстойник 6 - удаление отстоя 2 - контактный аппарат 7 - эжектор 3 - генератор озона 8 - фильтр 4 - коагулянт 9 - консервант 5 - камера смешения 10 - деструктор озона Перед поступлением в установку из воды, забираемой в водоеме, сначала входным фильтром грубой очистки, а затем в отстойнике 1 удаляются механические примеси. Далее вода поступает на обработку реагентами. Обычно используется схема с пред- и постозонированием. Предозонирование воды осуществляется после удаления механических примесей и производится в контактном аппарате 2. Озон в контактный аппарат поступает от генератора озона 3.

Предозонирование имеет целью проведения первичного обеззараживания воды, удаления цветности, окисления и переведения в коллоидное состояние растворенных металлов. Одновременно озонирование воды способствует реализации процесса флокуляции (явление слабого хлопьеобразования - коллоидальной мутности вод). Образовавшиеся нерастворимые вещества удаляются из воды отстаиванием в специальных аппаратах - отстойниках 1. Часто для усиления процесса флокуляции после предозонирования в воду добавляют специальные вещества - коагулянты 4, способствующие процессу слияния частиц в крупные агломераты и более быстрому выпадению их в осадок. К таким веществам относятся сульфат алюминия и хлорное железо. Для улучшения смешивания коагулянтов с водой в камерах смешения 5 осуществляют интенсивное перемешивание воды и коагулянта. После отстойника вода с оставшимися в ней загрязнителями подвергается повторному озонированию, целью которого является проведение промежуточной дезинфекции и окисления органических веществ.

В нашем примере введение озона в воду осуществляется с помощью эжектора 7. Вода с расщепленными органическими веществами поступает в фильтр 8, который может быть или комбинированным с песчаной и угольной загрузкой, или состоящим из двух фильтров, загруженных соответственно песком и активированным углем.

Установлено, что комбинированная очистка «озонирование-фильтрация на активированных углях» позволяет эффективнее использовать сорбционную загрузку фильтров. Причиной является насыщение воды кислородом при ее озонировании, что создает благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий в толще угольной загрузки, обеспечивающих биологическое окисление загрязнений в порах загрузки и таким образом увеличивающих срок использования активированного угля до его регенерации. После фильтрации вода подвергается озонированию для окончательной дезинфекции и придания необходимых вкусовых качеств. В качестве смешивающих устройств здесь используются контактная камера или комбинация из эжектора и турбулизатора (на рис. 12.11 не показаны). На выходе к потребителю вода консервируется хлором 9, не позволяющим развитию бактерий в воде при ее транспортировке по трубопроводу.

2) Подготовка воды в плавательных бассейнах. Требования, предъявляемые к воде в плавательных бассейнах, аналогичны требованиям к питьевой воде. В связи с этим идентичны и основные стадии обработки воды: удаление примесей фильтром грубой очистке (волосоловкой), озонирование воды в контактной камере, удаление взвесей, образующихся в воде, песчаными и сорбционными фильтрами, консервация воды хлором с дозировкой Сcl = 0,050,1 мг/л. Однако в отличие от предыдущего случая вода движется по замкнутому циклу с добавлением лишь 10 % свежей воды.

3) Обработка сточных вод. Механизм воздействия озона на загрязнения природных и сточных вод идентичен:

это - молекулярное окисление и атака активными радикалами. В значительной степени механизм окисления обусловлен дипольностью молекулы озона, которая фиксируется на заряженных частицах и разрывает двойные связи с образованием окисленных форм. Полярный характер молекулы позволяет также использовать озон в процессе каталитического окисления совместно с Al2O3, Fe2O3, ультразвуком, ультрафиолетовым излучением.

Степень загрязнения сточных вод часто характеризуют показателями «химического поглощения кислорода (ХПК)» и «биологического поглощения кислорода (БПК)», которые показывают какое количество кислорода в мг идет на окисление примесей в 1 л воды.

При высоких концентрациях загрязнителей, приводящих к значительному потреблению озона, для снижения концентрации удаляемых веществ с помощью озона, в начало цикла (рис. 12.12) после аэрации ставится система биологической очистки воды с использованием микроорганизмов: бактерий, простейших червей, плесневых грибов, дрожжей и др. В этом случае если на входе БПК и ХПК ~1000, после аэротена ~500, после биофильтра ~3050, то после озонирования ~5. Таким образом, озон используется на выходе очистной системы для доведения воды до требуемой кондиции.

вход выход 1 3 воздух озон Рис. 12.12. Биологическая очистка сточных вод с использованием озона 1 - отстойник;

2 - аэротен;

3 - биофильтр;

4 - контактный аппарат 4) Медицинские технологии. Применение озона для профилактики и лечения заболеваний основано на широком спектре терапевтического воздействия различных доз озона на организм. Озон действует как иммуномодулирующее, противовоспалительное, бактерицидное, противовирусное, фунгицидное, цитостатическое, антистрессовое, аналгезирующее средство.

Озонотерапия эффективно используется в следующих случаях: болезни верхних дыхательных путей и легочные заболевания, инфекционные болезни (для инактивации вирусов, бактерий, лечения гепатитов), в хирургии (язвы, пролежни, свищи, гангрены, ожоги), в кожно-венерологической практике (экземы, дерматиты), в онкологии, в физиотерапии и курортологии, зубоврачебной практике, а также в гигиене и санитарии. Во многих случаях терапевтическое воздействие озона основано на более легком его проникновении в больные клетки, чем в здоровые.

Озон применяется как при низких концентрациях в газе (на уровне ПДК), например, при лечении легких и верхних дыхательных путей, так и при высоких концентрациях, например, для растворения озона в физиологическом растворе и в дистиллированной воде, или при осуществлении обработки озоном крови больных (аутогемотерапия).

Для стерилизации медицинского инструмента также применяется вода с растворенным в ней озоном.

В медицинских установках имеет важное значение высокая концентрация озона в газе для ускорения процесса насыщения жидкости. В качестве смесителя используется барботажная камера.

5) Очистка отходящих газов. Воздушные выбросы не столь разнообразны по составу как сточные воды. Они содержат почти всегда окись азота и серы, сероводород, летучую органику. В ряде случаев наблюдаются выбросы фтора, окиси ванадия и синильной кислоты.

В связи с тем, что озон реагирует в жидкой среде гораздо быстрее, чем в газовой и, кроме того, в этом случае легче управлять процессом окисления, то практически всегда очистку воздушных выбросов производят пропусканием последних через специальные поглотительные растворы, используя для этой цели поглотительные колонны или другие аналогичные устройства.

6) Применение озона в сельском хозяйстве. Широкие спектр областей применения озона в сельском хозяйстве:

растениеводство, животноводство, рыбоводство, кормопроизводство и хранение продуктов, обуславливает множество озонных технологий, которые условно можно разделить на два больших направления. Первое имеет целью стимулировать жизнедеятельность живых организмов. С этой целью применяются концентрации озона на уровне ПДК, например санация помещений с животными и растениями для улучшения комфортности их пребывания. Второе направление связано с подавлением жизнедеятельности вредных организмов или с устранением вредных загрязнений из окружающей атмосферы и гидросферы. Концентрации озона в этом случае намного превышают значения ПДК. К таким технологиям относятся дезинфекция тары и помещений, очистка газовых выбросов птицеферм, свинарников, обезвреживание сточных вод сельскохозяйственных предприятий и т.д.

12.3. Технологии конверсии газов в плазме газового разряда Вопрос конверсии газов в плазме газового разряда необходимо рассматривать как с точки зрения преобразования токсичных соединений в нетоксичные, так и с точки зрения изменения физико-химических свойств обрабатываемых плазмой веществ для их использования в реакциях последующего синтеза или в специальных технологических процессах.

Основными источниками токсичных газообразных загрязнений являются:

— Тепловые электрические станции, при этом главными загрязняющими компонентами являются оксиды серы (SO2) и оксиды азота (NOx). Например, для тепловой электростанции мощностью Р = 800 МВт, использующей низкокалорийный бурый уголь с расходом 6 млн. тонн в год и с содержанием серы S = 1,5 %, выбрасывается в год в атмосферу до 170 тыс. тонн диоксида серы SO2.

— Черная и цветная металлургия. Наиболее серьезным газовым выбросом также является диоксид серы.

— Химическая промышленность. Наиболее важными газообразными загрязняющими веществами, с учетом объемов их производства и токсичности, являются хлор, оксиды азота и серы, фтор и его соединения, углеводороды и их хлорпроизводные.

Традиционными методами очистки газов от вредных газообразных примесей являются:

1. Химико-каталитические методы (каталитическое окисление - химические превращения токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердого катализатора).

2. Адсорбционные методы (абсорбция в объеме жидкости - физическая и химическая - хемосорбция;

абсорбция на поверхности пористых тел).

3. Термические методы (метод прямого сжигания в пламени).

В последние годы интенсивно развиваются технологии очистки газообразных загрязняющих выбросов с использованием новых нетрадиционных методов:

4. На основе радиационного облучения.

5. Путем бомбардировки газа элементарными частицами высокой энергии, полученными в ускорителях (например, пучком ускоренных электронов).

6. С использованием плазмы газового разряда (наносекундной импульсной короны).

Достоинством последнего метода являются технологичность, возможность одновременного удаления целого ряда вредных примесей, относительно малая энергоемкость и стоимость.

Процесс конверсии газов под действием импульсного коронного разряда заключается в следующем. На стадии развития стримеров в газовой среде в резко неоднородном поле под действием сильного поля в головках стримеров (Е~150кВ/см) электроны приобретают энергию порядка 515 эВ, достаточную для возбуждения, диссоциации и ионизации молекул газа и образования радикалов и химически активных частиц (например, О, ОН-,Н2О2 и др.). На втором этапе радикалы и активные частицы взаимодействуют с оксидами азота и серы, органическими газообразными примесями, окисляя, разлагая или преобразуя их в продукты, более просто удаляемые из газа.

Оценим энергии связей между атомами, энергии метастабильных состояний молекул и атомов, энергии ионизации наиболее часто встречающихся атомов и молекул.

Таблица 12. Энергии связи (диссоциации) Связь С = С C = N С -С С - Н С - N Энергия 3,61 6,35 4,3 3,17 9, диссоциации, эВ 2,74(-связь) Таблица 12. Энергии диссоциации, метастабильных состояний и ионизации газов Энергия Энергия метастабильного Энергия ионизации, Газ диссоциации, состояния, эВ эВ эВ He 19,8 24, - Ne 16,6 21, - A2 11,5 15, - K2 9,9 14, - Xe 8,32 12, - H2 4,2 8,4 15, N2 9,8 6,2 15, O2 5,1 0,98 12, Из таблиц видно, что энергия связей меньше энергии ионизации, поэтому в плазме газового разряда концентрация свободных радикалов будет на несколько порядков больше, чем концентрация ионов.

Саму же эффективность такого плазмо-химического реактора принято выражать путем введения G-фактора - числа наработанных активных частиц, отнесенного к энерговкладу в разряд (выраженному в 100 эВ).

В импульсном разряде зависящий от времени G-фактор для сорта частиц j дается выражением:

N (t) j G (t)=, j t (UI)(t)dt где Nj - полное число частиц сорта j (интеграл по объему разряда), наработанное к моменту времени t;

U и I - зависящие от времени напряжение и ток разряда.

Радикалы (в общем виде они обозначаются буквой R) образовываются в результате следующих процессов.

1. Диссоциации возбужденных молекул:

а) через распад молекулы (R - R ) R•'+R•" б) через отрыв атома водорода • (RH ) R• + H 2. Диссоциации ионов:

(R - B ) R• '+B+ 3. Нейтрализации ионов:

B+ + e B• 4. Ионно-молекулярных реакций:

+ + RH + RH R•H2 + R• 5. Прямого электронного удара:

e+ (R - R ) e+ R•'+R•" Рассмотрим теперь очистку топочных газов от оксидов азота и серы. Топочный газ обычно состоит из азота N2, кислорода O2, углекислого газа CO2, воды H2O, оксидов азота NOх и оксида серы SO2.

Требования к плазме газового разряда:

- плазма должна быть резко неравновесной Te>>Ti, чтобы на вещества воздействовали электроны, а газ не нагревался, то есть тепловые потери были минимальны, - равномерное заполнение объема с обрабатываемым газом плазмой газового разряда, - возможность регулирования энергии воздействующего разряда.

Данным требованиям удовлетворяет плазма импульсного газового разряда.

Одновременная очистка топочных газов от окислов азота и серы при применении наносекундной импульсной короны основывается на процессах окисления NO и SO2, вызванного активными частицами (ОН, Н2О2, О и др.). Эти активные частицы инициируют химическую конверсию NO и SO2 в присутствии кислорода и водяного пара в NO2, НNO2, НNO3, …, и, соответственно, в SO3, Н2SO3, Н2SO4, … Активные частицы нарабатываются в головках стримера при столкновении электронов с молекулами газов, входящих в состав топочного:

О2 + е O- + O О2 + е O + O + e О2 + е O + O(D) + e О2 + е O+ + O + e + e N2 + е N + N + е H2O + е H + OH + e H2O + е OH + H- H2O + е H2 + O- CО2 + е CО + O + е CО2 + е CО + O- Другим источником активных частиц являются реакции электрон-ионной рекомбинации:

е + O2+ О + O е + N2+ N + N е + NО+ N + О Константы скоростей реакций являются функциями приведенной напряженности электрического поля Е/N и зависят от состава топочного газа.

Наработанные активные частицы вступают в реакцию с оксидами азота и серы:

О + NО NO О + NО + М NO2 + М NО + О3 NO2 + O NО + N N2 + O NO + OH + М HNO2 + М NO2 + OH + М HNO3 + М SO2 + O3- SO3- + O SO2 + O + М SO3 + М SO2 + OН + М НSO3 + М НSO3 + H2O H2SO SO3- + H2O H2SO4 + е Сначала все эти реакции проходят в газовой фазе. Так как давление насыщения азотных и серных кислот низкое, то они взаимодействуют с водяным паром, образуя капельный аэрозоль. Для нейтрализации кислот добавляется аммиак.

Капли аэрозоля хорошо абсорбируют и оксиды, и аммиак. Аммиак в присутствии кислорода и паров воды окисляет часть диоксида серы и взаимодействует с кислотами с образованием нитратов и сульфатов аммония в твердом состоянии.

Схематично диаграмму очистки топочного газа можно представить в следующем виде (рис. 12.13).

ТОПОЧНЫЙ ГАЗ Обработка импульсной короной Наработка:

+ - e, A, A, A, R i j k e Химическая конверсия NO, HNO, HNO 2 2 NO SO, H SO, H SO 2 3 2 4 2 SO формирование аэрозоля H O + H SO 2 2 конденсация нейтрализация кислот очистка: NO, SO капля NO, SO 2 NH ЭЛЕКТРОФИЛЬТР Рис. 12.13. Схема стадий очистки топочных газов Сам технологический цикл очистки топочных газов от окислов азота и серы, например, на тепловой электростанции, выглядит следующим образом (рис. 12.14).

топочный газ ВН = питание SO ЭЛЕКТРОФИЛЬТР система дымовая охлаждения труба насос H2O рукавный NH фильтр импульсный генератор РЕАКТОР Рис. 12.14. Технологическая схема очистки топочных газов свободная и вынужденная конвекция Диффузия ;

Газ, при температуре 150°С, проходит через электрофильтр, где извлекаются твердые примеси, а затем охлаждается до 65°С в градирне. Испаряющаяся вода не только отбирает тепло от топочного газа, но и увеличивает его влажность, которая необходима для процессов удаления оксидов серы и азота в плазменном реакторе.

В реакторе охлажденный топочный газ подвергается воздействию импульсного коронного разряда.

Системы электродов, используемые для получения плазмы, представлены на рис. 12.15.:

ВН ВН rвн = 1 мм Rвнеш = 200 мм а) б) Рис. 12.15. Системы электродов устройств для создания плазмы импульсного газового разряда а) коаксиальные цилиндры;

б) ряд проводов между плоскостями Форма импульса питающего U напряжения представлена на рис. 12.16.:

100 кВ Питающее напряжение имеет такую форму, чтобы разряд не переходил в свою завершающую стадию. Поэтому разряд носит форму стримеров, которые пересекают весь t газовый промежуток, а перерастание их в имп=100 нс лидерную стадию не происходит, так как питающее напряжение резко обрезают.

Рис.12.16. Форма импульса напряжения Импульсные источники питания U Rз =Uпит Rз Uпит t а) 50 50 нс U nUпит Uпит t б) U =Uпит 2Uпит Rз t в) Рис. 12.17. а) Схема Фитча;

б) кабельный трансформатор;

в) схема Блюмляйна Перед реактором к газу добавляется аммиак, чтобы нейтрализовать кислоты, получающиеся при реакциях оксидов с радикалами, образованными в разряде.

Затем поток газа проходит через коллектор продукта, где соли аммония (порошок) собираются как удобрение.

12.4. Модификация поверхности материалов в плазме газового разряда В широком смысле под модификацией поверхности материалов в плазме газового разряда понимается изменение свойств поверхности при участии низкотемпературной газоразрядной плазмы. Свойства поверхности обрабатываемого материала изменяются в результате физико-химических процессов, происходящих на границе раздела газ (газовая среда)-твердое тело:

- за счет разрыва старых и образования новых связей исходного материала, - за счет нанесения и привития к поверхности материалов других веществ.

При модификации поверхности материала протекают две конкурирующие реакции (процесса):

- образование пленки вещества путем осаждения из газовой фазы, - травление, которое приводит к удалению веществ с поверхности материала.

На рис. 12.18 приведена схема модификации поверхности твердого тела в плазме газового разряда.

При наличии процессов модификации можно выделить три случая:

а) плазма является одновременно средой проведения, источником участвующих в процессе частиц и стимулятором (активатором) процесса;

б) плазма служит только для активации участвующих в процессе частиц;

в) плазма используется только для активации участвующих в процессе частиц поверхностей или для стимуляции самого процесса.

Газ, Исходное Выходящий из не образующий вещество реактора газ новое вещество Процесс образования вещества в плазме Индуцирова нный Травление Промежуточные плазмой Граница соединения, процесс плазмы образующиеся в образова-ния плазме нового вещества Новое вещество Твердая фаза Рис.12.18. Схема модификации поверхности в плазме газового разряда В первом случае обрабатываемая поверхность твердого тела находится в контакте с плазмой, во втором - вне плазмы, в третьем - возможны оба варианта.

Различные процессы обработки можно объединить в три большие группы:

1. Собственно сама модификация поверхностных слоев материалов (окисление, нитридизация, анодизация и др.).

2. Удаление материала с поверхности твердого тела (все виды распыления, травления и очистки).

3. Нанесение пленки материала на поверхность твердого тела.

Как пример, рассмотрим модификацию поверхности полимерных материалов, в которых она имеет наиболее широкую гамму технологических приложений.

Все изменения физических и химических свойств тонкого поверхностного слоя полимера начинаются с изменения его химического состава и структуры. Причем, любые химические превращения в этом слое под действием неравномерной плазмы могут инициироваться только генерируемыми ею активными частицами, к которым относятся кванты УФ-излучения, электронно- и колебательно-возбужденные молекулы, свободные атомы и радикалы, а также заряженные частицы, бомбардирующие поверхность обрабатываемого материала.

При всем многообразии генерируемых в плазме активных частиц их действие на материалы ограничивается очень небольшим поверхностным слоем. В случае полимерных материалов его толщина, как правило, меньше 1 мкм.

Таким образом, все технологические эффекты плазменной обработки полимерных материалов определяются набором физико-химических процессов, инициируемых активными частицами плазмы в тонком поверхностном слое.

Физико-химические и технологические эффекты плазменной обработки полимеров могут быть представлены в виде таблицы 12.2.

Таблица 12. Химические и физические изменения Технологические эффекты 1. Химические изменения поверхностного слоя. Изменение смачиваемости, 1А. Образование двойных связей и новых капиллярности, общего влагопоглощения.

функциональных групп, например -OH;

-CN;

=NH;

Возрастание насыщенности окраски, -C=O;

-NH2;

-COOH;

сшивка полимерных цепей.

уменьшение времени окраски, 1В. Процессы деструкции:

улучшение печатных свойств.

• разрывы цепей макромолекул;

Модификация антиресорбционных • разрушение функциональных групп;

свойств, уменьшение • образование газообразных продуктов травления.

загрязняемости.

1С. Другие изменения:

Улучшение адгезионных свойств для • изменение эффективной степени полимеризации и нанесения покрытий и изготовления средней молекулярной массы;

композитных материалов.

• изменение степени окисления отдельных атомов в Изменение растворимости макромолекулах, например, атомов кислорода, поверхностного слоя в органических изменение окислительно-восстановительных свойств и неорганических растворителях.

поверхности.

2. Изменение структуры поверхностного слоя. Улучшение погодостойкости полимеров.

• Изменение степени кристалличности.

Замедление миграции • Изменение температуры фазовых переходов.

пластификатора к поверхности • Фазовые переходы, инициируемые плазмой.

материала.

• Образование микродоменных структур.

Модифицирование свойств ион • Увеличение эффективной площади поверхности.

обменных смол и ион-селективных • Изменение поверхностной пористости и мембран.

проницаемости.

Дезинфекция поверхности полимера.

• Изменение коэффициентов диффузии газов и Придание полимерам жидкостей в полимерах.

биосовместимости.

3. Изменение физических свойств поверхностного Возрастание прочности, слоя. эластичности и сопротивления трению.

• Изменение поверхностной энергии.

Уменьшение усадки и • Изменение коэффициента поверхностного трения.

свойлачиваемости шерсти.

• Изменение механических свойств.

Придание несминаемости тканям.

• Изменение спектров поглощения в ИК-, УФ- и Изменение окраски и блеска видимой областях.

поверхности полимера.

• Изменение поверхностной проводимости, Сглаживание поверхности и диэлектрической постоянной и тангенса угла уменьшение поверхностного трения.

диэлектрических потерь.

Придание требуемых электрических • Накопление поверхностного заряда.

свойств, включая антистатические.

Травление - это операция повсеместного или локального удаления поверхностных слоев материала с целью очистки его от загрязнений или придания рельефа его поверхности.

По физико-химическому механизму воздействия частиц низкотемпературной газоразрядной плазмы на поверхность процессы травления можно разделить на три группы:

1. Ионное травление, при котором поверхностные слои материалов удаляются только в результате физического распыления. Травление осуществляется энергетическими ионами газов (0,15,0 кэВ), химически не реагирующими с обрабатываемым материалом (обычно ионами инертных газов).

2. Плазмо-химическое травление, при котором поверхностные слои материалов удаляются в результате химических реакций. Химические реакции происходят между химически активными частицами и поверхностными атомами с образованием летучих продуктов.

3. Ионно-химическое травление, при котором поверхностные слои материалов удаляются в результате как физического распыления энергетическими ионами, так и химических реакций между химически активными частицами и атомами материалов.

Наиболее широкое применение процесс травления нашел при изготовлении изделий электроники, когда необходимо в тонких пленках или в поверхностном слое полупроводниковой подложки сформировать топологический рисунок элементов схемы, существенно уменьшить размеры элементов структур с одновременным увеличением точности, надежности и автоматизации их производства.

Плазмохимические методы осаждения таких пленок дают возможность наносить тугоплавкие и многокомпонентные сплавы, диэлектрики, полупроводники, т.е. практически все материалы, изменяя структурные, механические, электрические, ферромагнитные и другие свойства твердой поверхности.

При ионном напылении пленочное покрытие получается распылением в плазме инертных газов материала мишени при подаче на нее отрицательного потенциала и бомбардировке ионами плазмы.

При ионно-плазменном напылении происходит нанесение сложных по составу пленочных покрытий распылением мишени в плазме, содержащей химически активный газ. В этом случае пленки на подложке формируются в результате химического взаимодействия распыленного материала и активного газа (метана, кислорода, азота).

13. ТЕХНОЛОГИИ ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАТЕРИАЛ 13.1. Введение Технологии с использованием импульсных сильных токов относятся наряду со взрывными (использование взрывчатки) к высокоскоростным, при которых реализуется интенсивное силовое воздействие на обрабатываемый объект. Часто объекту при этом сообщается большая скорость, что открывает новые технологические возможности.

Например, появление пластических свойств у хрупких материалов (сплавы молибдена).

К ТЕХНОЛОГИЯМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМ СИЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ТОКИ, ПРИНАДЛЕЖАТ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ (СИЛЬНОТОЧНЫЙ РАЗРЯД В ВОДЕ), ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ И МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ (СОЗДАНИЕ СИЛЬНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СИЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ ЭТОГО ПОЛЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЙ ОБЪЕКТ).

Рассмотрим электрофизические основы технологии.

13.2. Электрогидравлическая технология 13.2.1. Основные сведения При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое выделение энергии в канале разряда. В результате давление в канале разряда значительно превышает внешнее, канал быстро расширяется, что приводит к возникновению ударной волны и потоков жидкости.

Ударная волна представляет собой скачек плотности среды, распространяющейся от канала со скоростью, превышающей звуковую. Давление на фронте ударной волны в жидкости может достигать десятков килобар.

Воздействие этого давления на обрабатываемый объект может вызывать структурную перестройку материала объекта (дробление хрупких материалов, деформацию, упрочнение поверхности и т.д.). Потоки жидкости, распространяющиеся со скоростью 102 103 м/с, передают кинетическую энергию обрабатываемому объекту, вызывая, как и ударная волна, его механические изменения.

Механические проявления импульсного разряда в жидкости принято называть электрогидравлическим эффектом, а установки с использованием этого эффекта - электрогидравлическими. В качестве рабочей среды в таких установках используется, как правило, техническая вода.

Обычно электрогидравлическая установка состоит из накопителя энергии НЭ (рис. 13.1), зарядного устройства ЗУ и технологического блока ТБ, содержащего некоторый объем жидкости, систему электродов, между которыми создается импульсный разряд, и обрабатываемый объект, располагаемый вблизи канала разряда К.

К НЭ ТБ Р ЗУ с х Рис.13.1. Принципиальная схема электрогидравлической установки Накопитель энергии, как правило, представляет собой батарею импульсных конденсаторов высокого напряжения емкостью С. Конденсаторная батарея соединяется с электродной системой в технологическом блоке через разрядник Р, наличие которого позволяет зарядить емкость С до требуемого напряжения от зарядного устройства ЗУ со сравнительно небольшим током. Соединение накопителя энергии с технологическим блокам выполняется малоиндуктивным, для чего используются специальные коаксиальные кабели высокого напряжения. Применение коаксиальных кабелей помимо уменьшения индуктивности разрядной цепи ослабляет электромагнитные поля вблизи работающей установки.

Разрядник Р может быть управляемым или неуправляемым. Он представляет собой, как правило, двухэлектродный или трехэлектродный (тригатрон) воздушный искровой промежуток, в некоторых случаях помещаемый в звукоизолирующем корпусе. В установках с большой частотой следования разрядов промежуток разрядника продувается сжатым воздухом, а электроды охлаждаются водой.

Наличие технологического блока характерно для установок, предназначенных для обработки транспортабельных деталей или материалов (например, деталей в машиностроении и металлообработке, сырья в горнорудной промышленности и промышленности строительных материалов и т.д.) В таких электрогидравлических установках, как установки для бурения, разрушения негабаритных кусков горных пород, для эхолокации водоемов, технологический блок отсутствует и вместо него используется перемещаемая электродная система, погружаемая в скважину, заполненную жидкостью, или в водоем.

Принцип работы типичной гидравлической установки поясняют графики изменения во времени основных электрических параметров, приведенные на рис. 13.2.

U,i,P Uc Uk P i Uпр t t t Рис. 13.2. Изменение напряжения на конденсаторе Uc, на канале разряда Uk, разрядного тока i и мощности Р во времени t До момента t1 происходит зарядка накопителя: напряжение на конденсаторе С растет до U1= 103 105 B. В момент t1 накопитель подключается к искровому промежутку в жидкости и начинается процесс электрического пробоя промежутка. По завершении пробоя в момент t2 наступает канальная стадия разряда. Напряжение Uс за время t2 - t несколько падает (до Uпр) из-за стекания заряда с конденсатора С вследствие электропроводности среды в промежутке.

Если при пробое ток i, протекающий через промежуток, растет незначительно, то по завершении пробоя он резко возрастает. Обычно ток в течение канальной стадии имеет форму, близкую к синусоидальной с большим затуханием.

Форма напряжения на промежутке Uk отражает нелинейность сопротивления канала разряда. Импульс мощности P, развиваемой в канале, имеет форму, близкую к треугольной.

В тех случаях, когда потери энергии за время пробоя t2 - t1 в промежутке недопустимо велики или при рабочем напряжении не обеспечивается стабильный пробой промежутка при требуемом расстоянии между электродами, перед каждым разрядом электроды закорачиваются тонкой проволочкой, которая взрывается под действием тока.

При разряде или электрическом взрыве проволочки в жидкости возникают ударная волна давления и пульсирующая по размерам газовая полость, изменение положения которых относительно оси канала во времени показано на рис. 13.3,а соответственно кривыми 1 и 2.

Канал разряда в начале процесса расширяется с максимальной скоростью. После прекращения протекания тока полость канала разряда вследствие инерционности окружающей среды продолжает расширяться, достигает предельных размеров и затем начинает сжиматься. При расширении полости температура и давление в ней падают, а при сжатии повышаются, что приводит к затухающим пульсациям полости. Обычно период колебаний полости на несколько порядков превышает длительность разряда. Максимальные размеры полости в зависимости от выделившейся энергии при разряде и от условий протекания гидродинамических процессов в технологическом блоке составляют от нескольких сантиметров до десятков сантиметров.

В случае применения взрывающейся проволочки картина механических проявлений несколько изменяется (рис.13.3,б). С момента подключения накопителя t1 начинается разогрев проволочки и происходит сравнительно медленное увеличение ее диаметра. К моменту начала электрического взрыва t3 от отдельных участков проволочки отделяются слабые ударные волны, распространяющиеся со скоростью, близкой к скорости звука. В момент завершения взрыва t4 возникает мощная ударная волна, обгоняющая ранее возникшие, и далее процесс протекает также, как и при разряде вследствие пробоя промежутка.

х t2 t а) х t1 t3 t4 t б) Рис.13.3. Изменение положения ударной волны (кривые 1) и границы газовой полости (кривые 2) при разряде в жидкости, вызванном пробоем (а) и взрывом проводника (б) Из-за потерь энергии в соединительных проводах и элементах накопителя, в канале разряда и в газовой полости только незначительная часть накопленной энергии подводится при пробое промежутка или взрыве проволочки к объекту обработки. Однако при разряде в жидкости достигаются высокие концентрации энергии и скорости обработки, что и определяет области применения электрогидравлических установок. Это прежде всего высокоскоростное деформирование металлов, разрушение и дробление хрупких материалов, очистка металлических деталей от формовочных смесей, окалины, эхолокация водоемов и т.п.

13.2.2.Технологические применения разряда в жидкости Как уже отмечалось, технологии с применением электрического разряда в жидкости относятся к высокоскоростным. Этим и определяется их преимущество.

Можно назвать ряд технологических процессов, которые либо нашли применение, либо перспективны. Среди них отметим следующие:

электродная система заготовка вода матрица откачка а) воздуха б) в) г) Рис. 13.4. Типичные электрогидравлические технологические процессы:

а) штамповка;

б) дробление хрупких материалов (щебень, гранит и т.д.);

в) разрушение некондиционных железобетонных изделий;

г) разрушение камней в почках человека • Штамповка деталей из труднодеформируемых материалов или сложной конфигурции. Штамповка осуществляется в устройстве, схематично показанном на рис. 13.4,а. Листовая заготовка вместе с матрицей помещается в бак с водой. Над заготовкой размещается электродная система. В результате разряда в жидкости механическое воздействие ударной волны и потоков жидкости на заготовку приводит к ее деформации. Перемещаясь при каждом разряде к матрице на некоторое расстояние, в конце обработки заготовка принимает форму матрицы. Для того, чтобы в процессе обработки заготовка плотно прилегала к матрице, образуя изделие, воздух из пространства между заготовкой и матрицей откачивается.

Как видно из рисунка, при электрогидравлической штамповке реализуется экономия на оснастке: для приготовления детали требуется только матрица. Пуансон, необходимый при традиционной штамповке отсутствует.

• Дробление хрупких материалов (строительных материалов, геологических проб, некондиционного бетона, негабаритов и т.д.) (рис. 13.4,б,в). При этом порция обрабатываемого материала помещается в сосуд, заполняемый водой. В сосуде имеется один (рис. 13.4,б) или несколько (рис. 13.4,в) электродов, с которых развивается разряд на дно камеры или на арматуру разрушаемого железобетона. После серии разрядов бетон разрушается, извлекаются продукты обработки и цикл повторяется.

• Очистка литья от формовочной земли. При этом удается проводить очистку в формах сложной формы и существенно улучшить условия труда.

• Очистка поверхностей от окалины, минеральных отложений и т.д.

• Разрушение камней в почках человека без хирургического вмешательства, путем концентрации ударных волн в требуемом месте. При этом пациент помещается в ванне в водой (рис. 13.4,г). Следящая ка правило рентгеновская система обеспечивает излучение разряда в момент, когда разрушаемый камень оказывается в фокусе концентрирующей системы.

Раздробленный камень выводится из организма естественным путем.

• Активизация нефтяных скважин.

• Эхолокация водоемов и многие другие.

13.3. Электроэрозионная обработка материалов 13.3.1. Основные сведения Под электроэрозионной обработкой понимают обработку металлов с использованием электрической эрозии, возникающей при организации импульсного разряда между обрабатываемой деталью и специальным электродом инструментом. Электроэрозионная обработка производится с целью придания детали требуемой формы (размерная обработка), упрочнения поверхности или нанесения на нее защитного покрытия.

Принципиальная схема обработки детали на электроэрозионном станке показана на рис.13.5. При обработке используется собственно станок 1 с рабочей ванной 2, в которой находится стол 3 для установки электрода-изделия 4 с перемещением по двум координатам;

5 - регулятор подачи электрода-инструмента;

6 - источник питания - генератор импульсов;

7 - система снабжения рабочей жидкостью, состоящая из насосов, фильтров, бака и т.п.;

8 - электрод инструмент.

Рис.13.5. Электроэрозионный станок со вспомогательными устройствами энергопитания и снабжения рабочей жидкостью Источник питания 6 преобразует переменный ток промышленной частоты в импульсный с регулируемыми частотой следования импульсов от сотен до сотен тысяч герц, амплитудой от долей до тысяч ампер, скважностью от 1, до 510, длительностью импульса от долей до нескольких тысяч микросекунд. Изменением указанных параметров устанавливается технологический режим обработки.

Регулятор 5 подачи осуществляет автоматическое изменение положения одного из электродов с целью поддержания заданного межэлектродного зазора, изменяющегося благодаря эрозии материала электродов.

Система снабжения 7 служит для урегулирования расхода и очистки рабочей жидкости, подаваемой с целью облегчения удаления продуктов процесса и охлаждения непосредственно в межэлектродный промежуток (рабочую зону) и в ванну 2 станка.

Различают два вида электроэрозионной обработки: электроискровую и электроимпульсную.

Электроискровая обработка производится короткими импульсами тока (менее 100 мкс). Условно такие разряды называют искровыми, из чего следует и название обработки.

Электроимпульсная обработка характеризуется более длительными импульсами тока (более 100 мкс), при которых разряд по своим характеристикам приближается к дуговому: с характерными зонами и столбом канала, для которого характерны малые градиенты напряжения.

Принцип реализации электроэрозионной обработки основан на тепловом действии канала разряда на обрабатываемую деталь. В канале разряда, включая приэлектродную зону, за короткое время выделяется энергия, нагревая газовую среду канала (в основном пары металла) до температуры в несколько тысяч градусов. За счет теплопроводности из зоны разряда формируется тепловой поток, который быстро нагревает непосредственно примыкающий к месту разряда металл заготовки, плавит и частично испаряет некоторое количество металла, образуя эрозионную лунку. Для организации разряда с нужными параметрами и эвакуации продуктов эрозии (пара и частиц расплавленного металла) разряд производится в технологической жидкости (керосин, масло, вода).

На рис.13.6 показаны открытая (а) и закрытая (б) рабочие зоны электроэрозионного станка.

5 4 3 6 б) а) Рис.13.6. Схема открытой (а) и закрытой (б) рабочей зоны при единичном разряде:

1 - анод;

2 - катод;

3 - канал разряда;

4 - рабочая среда;

5 - газовый пузырь;

6 - пузырьки пара или газа;

7 - твердые частицы;

8 - продукты пиролиза Напряжение источника питания электроэрозионных установок составляет обычно несколько десятков вольт (в некоторых случаях - сотни вольт), поэтому расстояние между обрабатываемой деталью 2 и электродом-инструментом составляет микроны. Электрод-инструмент выполняется подвижным. Разряды возникают в тех местах, где расстояние между электродом и деталью минимально. Образовавшаяся лунка приводит к увеличению расстояния, и разряд при следующем импульсе происходит в другом месте. Таким образом, постепенно обрабатывается вся поверхность между электродом и деталью, электрод 1 медленно вводится в отверстие, образующееся в детали 2. Продукты эрозии 7 (мелкие затвердевшие частицы материала, как детали, так и электрода), продукты пиролиза 8 выносятся жидкостью 4 из отверстия.

Главными преимуществами электроэрозионной обработки являются возможность обработки металлов с любой прочностью, включая высокопрочные сплавы, а также возможность изготовления отверстий, линий разреза сложной конфигурации. Например, используя электрод в форме спирали, возможно изготовить отверстие повторяющее форму электрода в заготовке, обладающей любой прочностью. Никакими другими технологическими приемами аналогичную операцию выполнить невозможно.

Важной особенностью электроэрозионной обработки является простота регулирования выделяемой в разряде энергии путем изменения емкости источника питания. Тем самым обеспечивается желаемый режим: грубый (обдирочный) или более мягкий, с более гладкой поверхностью обрабатываемой детали (финишные режимы).

Электроэрозионная обработка как технологический процесс впервые была изобретена в СССР в 1943 г.

Изобретателями этого вида обработки являются Б.Р. и Н.И. Лазаренко. Приоритет СССР был признан в 1946 г. во Франции, Англии, США, Швеции, Швейцарии, что последовало после постановления Совнаркома СССР в 1945 г. о патентовании за рубежом этого изобретения (были такие порядки!).

В течение десятилетий ведущие организации СССР (АН Молдовы, Кишинев;

ЭНИМС, Москва и др.) занимали передовые позиции, как в области разработки технологии, изучении процессов, так и по производству серийного оборудования, электроэрозионных станков, машин. В основном для отражения проблем электроэрозионной обработки был основан издающийся в Кишиневе академический журнал “Электронная обработка материалов”.

В настоящее время электроэрозионная технология широко распространена. Без электроэрозионных станков невозможно современное производство многих приборов, инструмента, изделий из твердых сплавов, фильер, матриц, пуансонов и многого другого.

13.3.2. Физические основы электроэрозионной обработки металлов Не вдаваясь в подробности электрического пробоя коротких промежутков в жидкости и динамики перехода к искровой или дуговой формам разряда, можно представить следующую картину разряда qA (рис.13.7).

Между катодом 1 и анодом 2 в течение некоторого времени, равного длительности импульса тока существует канал разряда. При этом в нем выделяются зоны прианодного 3 и прикатодного 5 падений напряжений, а также пламенный столб 4.

В прикатодной области протяженностью порядка 10-510-4 см создается высокая напряженность электрического поля, достаточная для термоавтоэлектронной эмиссии из катода. Она равна ~106 В/см. В прикатодной области электроны на 2-3 длинах свободного пробега должны набрать энергию, достаточную для ударной ионизации молекул газа (пара) на qK границе плазменного столба, где необходимая концентрация носителей заряда для Рис.13.7. Разряд между обеспечения тока поддерживается термической ионизацией.

электродами 1 и В прикатодной области ток в основном сосредоточен в катодных пятнах (ток на одно пятно 1-5 А), беспорядочно двигающихся по опорной зоне на катоде. Поперечные размеры опорной зоны зависят от тока: при большом токе опорная зона разряда велика, с уменьшением тока она сужается.

На поверхность катода воздействует поток положительных ионов, излучение. Поступает энергия и за счет теплопроводности из канала разряда. Прикатодное падение напряжения Uк зависит от материала катода, и для большинства металлов оно составляет 1520 В. Примерно половина мощности, равной Uкi, всеми механизмами передачи энергии (бомбардировка ионами, теплопроводностью и т.д.), поступает в виде теплового потока qк на поверхность катода в опорной зоне канала разряда qа.

Прианодная область также состоит из анодных пятен. В ней падение напряжения составляет 35 В. Анод подвергается бомбардировке злектронами и отрицательными ионами, а также воздействию теплового потока.

Сопоставляя тепловые потоки на анод и катод, можно отметить, что при коротких импульсах поток на катод выше, и эрозия катода более существенна, чем анода. Поэтому электроискровая обработка обычно проводится при отрицательной полярности обрабатываемой детали. При больших длительностях соотношение обратное, и при электроимпульсной обработке деталь имеет, как правило, положительную полярность.

Тепловая мощность, подводимая к электродам из канала, составляет 103104 Вт, что при малых размерах опорной зоны дает плотность теплового потока 1091010 Вт/м2.

При воздействии такого мощного теплового потока тепловые процессы на электроде следующие (рис.13.8).

- твердый металл -расплавленный металл t - испаренный металл - примерный профиль эрозионной лунки.

Рис.13.8. Развитие тепловых процессов во времени при электроэрозионной обработке материалов Энергия, поступающая в электрод, нагревает материал. Поскольку тепловые процессы инерционны, то за счет теплопроводности сравнительно медленно повышается температура на некоторой глубине от поверхности материала.

Если проследить во времени динамику повышения температуры по глубине электрода, то можно установить следующие закономерности.

В начале процесса нагревается по мере поступления энергии поверхностный тонкий слой. Температура его повышается, достигая температуры плавления;

начинается фазовый переход, требующий сравнительно блдьшей энергии.

Граница между твердым и жидким металлом удаляется от поверхности электрода.

Так как тепло поступает с поверхности и к границе плавления транслируется через жидкий металл, то жидкий металл нагревается вплоть до температуры испарения. С поверхности жидкого металла начинается испарение, и верхняя граница жидкого металла также смещается вглубь электрода.

Следует отметить, что такая картина тепловых процессов довольно условна, она близка к наблюдаемым при сравнительно медленных процессах (при электроимпульсной обработке). При быстрых процессах наблюдаются перегревы как твердой, так и жидкой фаз. Чем короче процесс, тем большая роль испарения в эрозии материала.

После окончания импульса тока (прекращения действия теплового потока) процесс продвижения границ плавления и испарения может некоторое время продолжаться за счет тепловой энергии, содержащейся в жидкой фазе, которая может иметь температуру, большую температуры плавления (а поверхностные слои - большую, чем температура кипения).

Как уже отмечалось, электроэрозионная обработка проводится в жидкой среде. Возникновение канала разряда и его существование вызывает разложение и испарение среды, сопровождающееся механическими эффектами, в частности, движением массы жидкости, окружающей возникший газовый пузырь.

Обычно газовый пузырь, образованный при разряде, совершает пульсирующие движения, пока полностью не захлопнется.

Потоки жидкости, а также взрывное расширение нагретого материала приводит к тому, что большая часть расплавленного металла выбрасывается в окружающую жидкость в виде мелких по форме близких к сферическим частицам. Естественно, часть расплавленного металла кристаллизуется. В результате на электроде образуется лунка с валообразным наростом по краям за счет кристаллизации и с плоским дном. На дне имеется некоторый слой перекристаллизованного материала, который по своей структуре отличается от исходного материала. На этом эффекте основан такой вид электроэрозионной обработки, как упрочнение поверхности.

13.4. Магнитно-импульсная обработка материалов 13.4.1. Основные сведения Магнитно-импульсная обработка материалов основана на использовании электродинамических сил, которые в импульсных режимах могут достигать гигантских значений. Если давления, создаваемые электродинамическими силами, превышают предел прочности, то происходит деформация заготовки Этот процесс часто называют магнитной штамповкой.

При магнитно-импульсной обработке происходит преобразование электрической энергии, накопленной в конденсаторной батарее, при разряде на индуктор или непосредственно на заготовку в энергию импульсного магнитного поля, совершающего работу деформирования электропроводной заготовки.

Известно, что на единицу длины проводника с током I, помещенном в магнитное поле с напряженностью Н, действует сила F = µµ0[I H], (13.1) где µ0 = 410-7 Гн/м - магнитная постоянная;

µ - магнитная проницаемость окружающей среды.

Магнитное поле, воздействующее на проводник с током, может быть создано током, протекающим в другом проводнике. Величина напряженности магнитного поля в пространстве вокруг проводника с током может быть определена из закона полного тока Hdl =, (13.2) I l где l - контур интегрирования.

На расстоянии r от уединенного проводника I H =, (13.3) 2r В случае бесконечно тонких прямых проводников, расположенных на расстоянии r друг от друга, электродинамическая сила, действующая на единицу длины проводников, µµ0I1I F =. (13.4) 2r Направление силы зависит от направления токов I1 и I2 в проводниках: при одинаково направленных токах проводники притягиваются друг к другу, при противоположно направленных - отталкиваются.

Для двух бесконечно тонких шин шириной a, расположенных на небольшом расстоянии (r<

Поэтому при расчете распределения силы или давления по толщине обрабатываемой заготовки и для определения индуктивности системы следует использовать не геометрическое расстояние r, а некоторое эквивалентное расстояние экв = r + 2, (13.7) где = 2 (µµ0) - глубина проникновения электромагнитного поля в материал шин;

- удельное электрическое сопротивление материала шин;

- круговая частота тока.

Известно, что в проводящем теле, расположенном вблизи проводника с переменным током, возникают вихревые токи. Взаимодействие тока в проводнике с наведенным в теле (заготовке) током сопровождается появлением отталкивающей силы 1 dL F = I, (13.8) 2 dx где dL/dx - изменение индуктивности системы проводник-заготовка в направлении х, перпендикулярном поверхности проводника.

Среднее давление на проводник и заготовку равно силе F, деленной на площадь проводника S.

Величина давления на заготовку толщиной может быть определена по формуле (13.6), если электромагнитное поле не проникает сквозь заготовку (<<). В случае проникновения поля () давление определяется разностью удельных плотностей энергии на поверхностях заготовки.

2 H1 - H p = µµ0. (13.9) 13.5. Разновидности магнитно-импульсной обработки На рис.13.9 приведены наиболее типичные схемы разрядных контуров установок для магнитно-импульсной обработки материалов.

З Р С Р З С а) б) И И Р Р С С З З в) г) З К З И Р И Р С С д) е) Рис. 13.9. Разновидности магнитно-импульсной обработки Наиболее простые из них - первые две, в которых обрабатываемая заготовка 3 включается последовательно в цепь разряда, состоящую из заряженного конденсатора С и разрядника Р. В установке, схема которой показана на рис.13.9,а электродинамические силы создаются за счет взаимодействия тока в 3 с магнитным полем, созданным током в обратном проводе, проложенном в непосредственной близости от 3. Заготовка или отдельные ее участки движутся в направлении действия электродинамических сил, показанных стрелками. В зависимости от задачи обработки за размещается матрица той или иной формы. Аналогично осуществляются и другие операции магнитно-импульсной обработки. В этом случае вместо 3 включается подвижная мембрана, передающая импульсное давление на предмет обработки или в упругую среду.

Операции обжима заготовок из проводящего материала (формообразование, сборка, прессование материалов внутри заготовки и т.д.) наиболее просто осуществляются на установках, схема которых соответствует показанной на рис.13.9,б. Обратный токопровод выполняется обычно в виде трубки и вместе с 3 образует коаксиальную малоиндуктивную систему. Основным недостатком этого способа обработки являются трудности получения требуемых больших разрядных токов, что связано со сложностями конструктивного выполнения источника тока, и обеспечения контакта токопроводящих проводников с заготовкой.

В установках с индукторами И (рис.13.9,в) в значительной степени облегчается решение этих проблем. Так, многовитковый индуктор И вместе с 3 образует понижающий трансформатор, и суммарный ток, протекающий по 3, может во много раз превышать ток первичной цепи.

С помощью индукторов И осуществляются операции обжима и раздачи (формообразование, сборка, вырубка отверстий, сварка и т.д.) в соответствии со схемами рис.13.9,в-е (последняя служит для обработки плоских заготовок).

При обработке заготовок с малыми размерами используются концентраторы К магнитного потока (рис.13.9,д), представляющие собой массивные детали сложной формы из хорошо проводящего и механически прочного материала.

Концентратор имеет не показанную на рис.13.9,д узкую аксиальную щель и представляет собой незамкнутый виток.

Вместе с многовитковым намотанным на него индуктором концентратор образует понижающий трансформатор, а вместе с заготовкой - трансформатор с коэффициентом трансформации, близким к единице. Металл стенок щели концентратора выполняет функции проводов, соединяющих оба трансформатора.

Электрические схемы замещения разрядных установок, используемые для расчетов переходных процессов, приведены на рис. 13.10.

R R у L у L у у R з R и М и,з С С L з L и L з R з а) б) L R у у R и R к М М к,з и,к С L и L L и,к к,з L R з з L к в) Рис. 13.10. Схемы замещения разрядных цепей установок с пропусканием тока через заготовку (а) с индуктором (б) и концентратором (в) В них входят внутренние индуктивность и активное сопротивление установок Lу и Rу, индуктивности и активные сопротивления заготовок Lз и Rз. При использовании индукторов необходимо учитывать их индуктивности Lи и активные сопротивления Rи, а также взаимную индуктивность Mи,з (рис.13.10,б). Наиболее сложной является схема замещения разрядной цепи с концентратором (рис.13.10,в). В нее кроме упомянутых элементов входят взаимные индуктивности индуктор-концентратор Mи,к и концентратор-заготовка Мк,з, а также активное сопротивление концентратора Rк, индуктивности участков концентратора, граничащих с обмоткой Lи,к, с заготовкой Lк,з и в щели Lк.

Все эти схемы приводятся к одной, состоящей из последовательно соединенных конденсатора С, заряженного до напряжения U, суммарных индуктивности L и активного сопротивления R.

Разрядный ток в магнитно-импульсных установках имеет колебательный характер. Нелинейности элементов R и L обычно слабо сказываются на форме тока, поэтому он может быть найден из решения переходного процесса для линейной цепи:

U -Rt R2C 2L i = e sin(t 1- ), 4L R2C L 1 4L где = 1 LC.

Электродинамические силы в простейших случаях (например, для установок, показанных на рис.13.10,а,б и имеющих схему замещения, приведенную на рис.13.10,а) находятся по уравнению U C -Rt R2C L L F = e sin2 (t 1- ).

4L x R2C 2L(1- ) 4L Аналогично можно рассчитать электродинамические силы, действующие на заготовку, при использовании индукторов или концентраторов. Для этого необходимо определить ток в заготовке, что нетрудно сделать при заданном токе разряда i и известных параметрах схем рис.13.10,б,в.

13.5.3. Генераторы токов для магнитно-импульсной обработки Генераторами импульсных токов в магнитно-импульсных установках являются малоиндуктивные емкостные накопители энергии. Зарядное напряжение накопителей обычно составляет 520 кВ.

Накопители комплектуются из импульсных конденсаторов. В установках с большой накапливаемой энергией конденсаторы объединяются в блоки, имеющие собственные коммутаторы разрядного тока. Блочный принцип построения накопителя позволяет достичь малых значений индуктивности и активного сопротивления разрядной цепи Lу и Rу, избежать опасности взрыва конденсаторов в случае их повреждения в процессе зарядки. Внутренняя индуктивность разрядной цепи установки может быть сведена до 10-8 Гн.

В установках используют импульсные конденсаторы с бумажно-масляной изоляцией с пропиткой конденсаторным либо касторовым маслом или соволом. При небольшом числе параллельно соединенных конденсаторов для достижения высокой частоты разрядного тока выбирают конденсаторы с малой внутренней индуктивностью.

Конденсаторы в установке или в пределах блока объединяются параллельно малоиндуктивной ошиновкой.

Применяют два типа ошиновки: кабельную и плоскую, выполняемую широкими шинами, накладываемыми непосредственно на выводы конденсаторов.

В качестве коммутаторов разрядного тока используют воздушные или вакуумные разрядники и игнитроны. В простейших установках применяют механические коммутаторы - двухэлектродные разрядники, срабатывающие при сближении электродов. Если требуется точно синхронизировать разряд с работой остального, например, измерительного оборудования или обеспечить одновременную работу отдельных разрядников, используют управляемые разрядники - тригатроны или игнитроны.

Накопитель заряжается от источника высокого постоянного напряжения, включающего в себя повышающий трансформатор, выпрямитель, защитные резисторы и устройства для регулирования зарядного напряжения и его измерения.

Необходимым элементом установки является заземляющее устройство, разряжающее конденсаторы через резистор с малым сопротивлением и закорачивающее выводы конденсаторов после окончания работы. Зарядное устройство и накопитель энергии размещаются, как правило, в металлическом заземленном корпусе, дверцы которого снабжаются блокировкой.

Разрядный контур соединяется с заземленным корпусом установки в одной точке - обычно в месте присоединения индуктора.

Ответственным элементом установки является индуктор или концентратор. Он рассчитывается и изготовляется для каждого типа заготовки или технологической операции и заменяется при переходе на обработку другой детали. Индуктор при разрядах подвергается воздействию таких же электродинамических сил, что и заготовка. Кроме того, его изоляция испытывает электрические нагрузки. Поэтому обеспечение термической, механической и электрической стойкости индуктора является сложной технической задачей.

13.5.4. Технологические особенности При магнитно-импульсной обработке достигаются скорости перемещения заготовки до нескольких сотен метров в секунду, что открывает широкие технологические возможности этого способа при штамповке труднообрабатываемых обычными способами материалов, импульсной сварке и т.д.

Отсутствие инерционной среды, через которую обычно передается давление на обрабатываемую деталь, а также распределение электродинамических сил по объему заготовки, возможность осуществления технологических операций в контролируемой газовой среде или в вакууме через изоляционные стенки - уникальные особенности магнитно-импульсной обработки.

К преимуществам магнитной штамповки относятся также возможность точного регулирования электродинамических сил путем изменения электрических параметров установки, простота технологической оснастки, возможность полной автоматизации изготовления деталей и т.д.

Список литературы 1. Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учеб. для вузов / Бортник И.М., Верещагин И.П., Вершинин Ю.Н. и др.;

Под ред. Верещагина И.П., Ларионова В.П. —М.: Энергоатомиздат, 1993. - 543с.

2. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. —М.: Энергоатомиздат, 1985.

3. Технология и оборудование для нанесения полимерных покрытий в электрическом поле / Верещагин И.П., Котлярский Л.Б., Морозов В.С. и др. —М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Дымовые электрфильтры / Левитов В.И., Ремизов И.К., Верещагин И.П. и др.: Под общ. ред. Левитова В.И. —М.:

Энергия, 1980.

5. Основы электрогазодинамики дисперсных систем / Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабикян Г.З. и др. —М.:

Энергия, 1974.

6. Физические основы электрической сепарации / Ангелов А.И., Верещагин И.П., Ершов В.С. и др.;

Под ред.

Ревнивцева В.И. —М.: Недра,1983.

7. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Харьков, Вища школа, 1977.

8. Электротехнический справочник, раздел 54, Т.3, кн.2 —М.: Энергоатомиздат, 1988.

9. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электроискровая обработка токопроводящих материалов. Из-во АН СССР, —М.:

1958.

10. Лившиц П.Л., Отто М.Ш. Импульсная электротехника. —М.: Энергоатомиздат, 1983.

Аношин Олег Анатольевич Белогловский Андрей Анатольевич Верещагин Игорь Петрович Калинин Алексей Владимирович Кривов Сергей Анатольевич Кужекин Иван Прохорович Орлов Александр Васильевич Панюшкин Владимир Валерьевич Соколова Марина Владимировна Темников Александр Георгиевич ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие по курсу «Основы электротехнологии» УДК УДК 621.319.7.001.

Утверждено учебным управлением МЭИ Рекомендовано Минобразования РФ в качестве учебного пособия для студентов вузов электроэнергетических и электротехнических специальностей Подготовлено на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений Аношин О.А., Белогловский А.А., Верещагин И.П., Калинин А.В., Кривов С.А., Кужекин И.П., Орлов А.В., Панюшкин В.В., Соколова М.В., Темников А.Г.

Компьютерная верстка Орлова А.Л.

Высоковольтные электротехнологии. - М.: из-во МЭИ, 1999. - 204 с.

Содержит основные сведения по технологическим процессам, основанным на использовании сильных электрических и магнитных полей в сочетании с использованием заряженных аэрозолей.

Предназначено для студентов электроэнергетических и электротехнических специальностей.

Pages:     | 1 | 2 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.