Исследование характеристик электроимпульсного разряда в водных растворах хлористого натрия

Документально установлено, что первые электрические разряды в воде были осуществлены около 240 лет назад. Однако, возникающие при этом мощные гидродинамические импульсы не нашли практического применения в то время. Обнаруженный эффект был надолго забыт.

Позднее, по мере развития электротехники, при создании мощных высоковольтных установок вновь столкнулись с электрическими разрядами в жидкостях, используемых в этих установках в качестве диэлектриков. Разрушающее действие, возникающее при электрическом пробое диэлектрических жидкостей, сформировало устойчивое мнение о бесперспективности электрического разряда в жидкости. Многие десятилетия это мнение сохранялось среди ученых и инженеров электриков [2].

В 1950 г. Л. А. Юткин предложил использовать в технологических процессах электрические разряды в жидкости, а точнее, возникающие при этом гидродинамические импульсы. Так был изобретен способ получения высоких и сверхвысоких давлений, который получил название электрогидравлического эффекта, или эффекта Юткина.

В настоящее время электрогидравлический эффект нашел широкое применение в строительстве, машиностроении, металлургии и даже медицине в России, Швеции, Испании, Венгрии и Японии [4].

Разрядно-импульсная обработка жидких систем и объектов, помещенных в жидкую среду, вызывает интерес и в пищевой промышленности, в т. ч. мясоперерабатывающей. С целью изучения эффекта Юткина и возможности его применения в технологических процессах пищевой промышленности, нами были исследованы характеристики электроимпульсного разряда в растворах хлорида натрия различной концентрации. электроимпульсный эффект юткин раствор хлорид Для образования электрогидравлического эффекта необходимо формирование импульса высокого давления в передающей среде [1]. Наиболее простой способ реализации данного процесса является использование низкоиндуктивных высоковольтных накопителей энергии с малой емкостью: высокое напряжение обеспечивает требуемое количество энергии, а маленькие индуктивность и емкость электрического контура — быстрый ввод энергии в разрядный промежуток.

Научно-исследовательские работы по изучению электроимпульсного воздействия на растворы хлорида натрия проводились с применением излучателя№ 63 (межэлектродное расстояние 45 мм.). Излучатель подключался к генератору импульсного тока (ГИТ-6 (9,5 кВ, 120 мкФ)) кабелем КВИМ длиной 7 м. (активное сопротивление кабеля 0,14 Ом, индуктивность 5,1 мкГн).

Данные исследования проводились на базе ЗАО «РИТА» совместно с главным инженером, к.т.н. Лукьянченко П.П.

Опыты были осуществлены в полиэтиленовой емкости диаметром 60 см. и высотой 100 см. Излучатель погружался на глубину 35 см. и его торец находился на расстоянии 50 см. от дна емкости. На этой же отметке находился датчик, фиксирующий степень упругой деформации емкости при каждом разряде. Для измерения давления в воде применялись пьезоэлектрические датчики давления. Использовались диски из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 8 мм. и толщиной 1 мм. Полный диаметр датчиков с учетом изоляции и акустической развязки от корпуса бочки составил 20 мм. Датчики размещались на той же глубине, что и рабочая головка, но вблизи стенки бочки. Давление определялось по манометру, класс точности которого 0,5. Датчик при этом подключался к осциллографу через эмиттерный повторитель с входным сопротивлением не менее 1 ГОм.

Все разряды проводились при одном и том же напряжении 9,5 кВ, что соответствует запасаемой энергии 5,4 кДж. Повышение концентрации раствора осуществлялось путем добавлением соли в уже обработанный раствор с меньшей концентрацией. На рисунках 1−3 представлены электрические и энергетические характеристики разрядов в растворах с различной концентрацией соли.

Рисунок 1 — Электрические и энергетические параметры разряда в 1% растворе NaCl.

Рисунок 2 — Электрические и энергетические параметры разряда в 1,5% растворе NaCl.

Рисунок 3 — Электрические и энергетические параметры разряда в 2,5% растворе NaCl.

При пробое рабочего промежутка высоким напряжением всегда имеет место стадия стекания. На этой стадии ток от электроразрядного аппарата течет от положительного электрода к отрицательному, растекаясь по объему электролита. В зависимости от электропроводности раствора и размера высоковольтного электрода величина этого тока может достигать нескольких единиц кА. В результате, при увеличении межэлектродного расстояния выше определенной критической величины, пробоя промежутка не происходит. Это обусловлено тем, что конденсаторная батарея успевает довольно сильно разрядиться и напряжение на промежутке становится слишком маленьким для пробоя последнего [3].

Как видно из рисунков 1−3, разряд в 1% растворе хлорида натрия характеризуется более поздним временем пробоя рабочего промежутка и более низким его сопротивлением. В результате ток стекания значительно больше, и, соответственно, меньше напряжение на батарее к моменту пробоя.

Количество энергии, выпускаемой через рабочий промежуток на стадии пробоя при разряде в исследуемых растворах, увеличивается с повышением концентрации, что, скорее всего, связано с уменьшением потерь энергии на стадии стекания.

Как и следовало ожидать, по мере повышения концентрации хлорида натрия, ток стекания, так же, как и энергия, вкладываемая в разрядный промежуток на этой стадии, увеличивается, при этом сокращается длительность стадии стекания и уменьшается амплитуда тока при пробое. Так, согласно результатам исследования, амплитуда тока при пробое 1% раствора NaCl достигает 34 кА, в 1,5% - 32 кА, а в 2,5% - 28 кА.

Это связано с тем, что повышение концентрации хлорида натрия ведет к увеличению количества ионов в растворе, а чем больше ионов, тем большее количество зарядов способно переноситься через раствор. Т. е. с повышением концентрации хлористого натрия увеличивается электропроводность раствора.

Жидкая среда, в которой происходит высоковольтный электрический разряд, является трансформатором энергии, выделившейся в канале. Импульсное выделение электрической энергии в последнем, благодаря малой сжимаемости жидкости, приводит к росту давления в плазме. Высокое давление формирует и распространяет в окружающей среде интенсивные возмущения. Вблизи канала разряда вследствие высокого давления на формирование возмущения сильно влияют нелинейные эффекты, которые могут привести к увеличению крутизны волны сжатия и образованию ударной волны. Для учета нелинейных эффектов необходимо использование полных уравнений гидродинамики. Однако, при этом возможно лишь математическое решение задачи о возникающих гидравлических давлениях [6].

На следующем этапе исследований нами была исследована природа возникновения интенсивных возмущений в растворах электролитов эмпирическим методом. Физика процесса представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Давление в 10% растворе NaCl вблизи стенки рабочей камеры На рисунке 4 графически отображены сигналы датчика давления, зарегистрированные осциллографом. На графике изменения силы тока видно, что формирование рабочего промежутка (паро-газовых пузырьков), предшествующему пробою разряда в жидкости потребовалось около 500 мкс. Сам разряд длился около 100 мкс, причем амплитуда тока достигла 90 кА. К 650 мкс процесса разряд практически полностью прекратился. Это означает, что выделение энергии в рабочем промежутке к этому моменту тоже закончилось. Но, тем не менее, импульсы давления в объеме исследуемого раствора были активны гораздо большее время, вплоть до 1мс с момента начала процесса.

Давление на фронте ударной волны в жидкости, по данным осциллографа, достигало 120 атм. или 12,16 МПа. Воздействие давления такой величины на обрабатываемый объект может вызывать структурную перестройку материала объекта (деформацию, диспергирование, разрыхление поверхности и т. д.).

Как видно, полная осциллограмма давления состоит из нескольких импульсов с уменьшающейся амплитудой. Причем, никакой закономерности между величинами временного интервала и отдельными импульсами не наблюдается. С одной стороны, второй и последующие импульсы давления обусловлены законами гидродинамики и представляют собой резонансные колебания жидкости. С другой стороны, появление на осциллограмме импульсных давлений может иметь отношение к схлопыванию парогазовой полости рабочего промежутка, т. е. кавитации. Временной сдвиг между импульсами тока и давлением, равный примерно 100 мкс, соответствует времени распространения звука в воде на расстояние 14,8 см. Расстояние между разрядным промежутком и датчиком давления в рабочей камере составляло 15 см. Следовательно, скорость движения первой ударной волны в рабочем объеме была эквивалентна скорости звука.

Помимо гидродинамического удара под действием электрического разряда в жидкости возникают гидродинамические потоки, а также акустическая волна. И одно и другое приводят к возникновению кавитации. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое происходит при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), а так же при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация) [5]. После разряда искровой канал превращается в газовый пузырь, который расширяется до тех пор, пока кинетическая энергия растекающегося потока полностью не перейдет в потенциальную энергию и давление в пузыре станет меньше гидростатического. Вследствие этого происходит обратное движение жидкости, и потенциальная энергия пузыря вновь переходит в кинетическую энергию сходящегося потока [7]. При этом наблюдается захлопывание полости, давление газа резко возрастает, и жидкость отбрасывается назад. Согласно осциллограмме рисунка 4, указанный процесс в ходе эксперимента повторился 3 раза в форме затухающих пульсаций вследствие потерь энергии.

Кавитационные воздействия схлопывающихся пузырьков, возникающие при электрогидравлическом ударе, позволят интенсифицировать многое технологические процессы, протекающие в жидких средах. Прежде всего, это относится к массообменным процессам, когда за счет схлопывания кавитационных пузырьков образуются кумулятивные микро-струйки и микро-вихри с большой плотностью энергии, что позволяет получать высокую однородность смешиваемых частиц в жидкости — эмульгирование. Весьма эффективен при гидродинамической кавитации и механизм диспергирования — измельчение частицы твердой или упругой фазы, находящейся в залитой жидкости [8]. Немаловажно, что в сравнении, например, с ультразвуковой обработкой, необходимые затраты энергии на гидродинамическую кавитацию являются меньшими (не менее, чем в 10−15 раз).

Помимо высоких и сверхвысоких гидравлических давлений, возникающих во время образования ударной волны и захлопывания парогазовых пузырьков, электрогидравлический эффект характеризуется мощным комплексным воздействием на жидкость и помещенные в нее объекты [8]. Электромагнитные поля разрядов, образование плазмы вблизи разрядного канала, интенсивная ионизация и рекомбинация ионов в зоне разряда в совокупности способствуют возникновению в жидкости сложных физико-химических процессов, которыми можно управлять, варьируя параметры разряда.

Таким образом, электроимпульсная обработка жидкости и объектов, помешенных в нее, является мощным высокоэффективным технологическим средством с широким спектром возможного применения. Использование данного вида воздействия позволит усовершенствовать существующие и создавать новые технологии получения различных пищевых продуктов.

Работа выполнена в рамках победы в программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Список используемой литературы

Баранов М. И. Прогрессивные импульсные технологии обработки материалов: история, физические основы и технические возможности//Электротехника и электромеханика. — 2009. — № 1. — С.42−54.

Еремин В.Я. Разрядно-импульсные технологии на стройках России//СТРОЙКЛУБ. — 2002. — № 2. — С.11−15.

Малюшевский П. П. Основы разрядно-импульсной технологии. -Киев: Наукова Думка, 1983. — 272 с.

Нагдалян А.А., Оботурова Н. П. Разрядно-импульсные технологии как способ интенсификации процесса посола мясопродуктов/ А. А. Нагдалян, Н.П. Оботурова// Материалы V международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» г. Пятигорск.- 2012. с.245−247.

Промтов М. А. Машины и аппараты с импульсным энергетическим воздействием на обрабатываемые вещества: Учебное пособие. — М.: Машиностроение, 2004. -136с.

Поздеев В. А. Прикладная гидродинамика электрического разряда в жидкости.- Киев: Н. Думка, 1980.

Сытник И. А. Электрогидравлическое действие на микроорганизмы. -К, Здоровья: 1982, -94с.

Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. -Л.: Машиностроение, 1986.