RU2043681C1

RU2043681C1 - Device to initiate and form electric discharge

Info

Publication number: RU2043681C1
Authority: RU
Inventors: Энглен Атакузиевич Азизов; Виктор Алексеевич Годонюк; Алексей Иванович Емельянов; Анатолий Федорович Настоящий
Original assignee: Энглен Атакузиевич Азизов; Виктор Алексеевич Годонюк; Алексей Иванович Емельянов; Анатолий Федорович Настоящий
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1995-09-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: electrodes are mounted in case in walls of through hole. Case is submerged into dielectric fluid. Case carries piston coupled to drive of reciprocating motion with which aid submerged jet of fluid through hole is formed. EFFECT: simplified design, improved reliability of device. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для очистки различных поверхностей, получения мелкодисперсных смесей, а также при обработке металлов давлением под действием импульсных нагрузок, возникающих при электрических разрядах в жидкости. The invention relates to electrical engineering and can be used for cleaning various surfaces, obtaining finely dispersed mixtures, as well as in the processing of metals by pressure under the action of impulse loads arising from electrical discharges in a liquid.

Известен электрический разрядник с искусственным каналом проводимости для электрогидравлической очистки фильтров водозаборных скважин [1] В корпусе разрядника имеется полость, заполняемая компонентами, при взаимодействии которых интенсивно выделяется газ, например ацетилен, если полость заполнена карбидом кальция и водой. Газ под давлением выходит из полого положительного электрода в межэлектродный промежуток. Отрицательным электродом служит труба фильтра. Разрядные явления в пузырьках вызывают электрический пробой промежутка, при этом поверхность трубы фильтра очищается от осадков. Недостатками этого устройства являются большие потери электрической энергии в предпробойной стадии разряда и незначительное снижение порогового напряжения электрического пробоя. Разрядник может использоваться только для очистки металлических поверхностей, цикл его работы ограничен из-за необходимости дозаправки компонентами для образования газовых пузырьков. Кроме того, эксплуатация разрядника должна проводиться с учетом повышенных требований по электробезопасности и техники безопасности при работе с сосудами под давлением. Known electric spark gap with an artificial conduction channel for electro-hydraulic cleaning of water well filters [1] In the spark gap housing there is a cavity filled with components, during the interaction of which gas is intensively released, for example acetylene, if the cavity is filled with calcium carbide and water. Gas under pressure leaves the hollow positive electrode in the interelectrode gap. The negative electrode is the filter pipe. Discharge phenomena in the bubbles cause an electrical breakdown of the gap, while the surface of the filter pipe is cleaned of precipitation. The disadvantages of this device are large losses of electrical energy in the pre-breakdown stage of the discharge and a slight decrease in the threshold voltage of electrical breakdown. The arrester can only be used to clean metal surfaces, its cycle is limited due to the need to refuel components to form gas bubbles. In addition, the operation of the spark gap must be carried out taking into account the increased requirements for electrical safety and safety when working with pressure vessels.

Известно устройство [2] для инициирования и формирования электрического разряда. Устройство содержит камеру, частично заполненную жидкостью, электроды, привод возвратно-поступательного перемещения и поршень, соединенный с приводом. Межэлектродный промежуток, образованный соосными цилиндрическими электродами, находится ниже уровня жидкости. В нижнем электроде имеется полость, заполненная той же жидкостью, которой заполнена камера. При срабатывании привода поршень вытесняет жидкость из полости нижнего электрода через межэлектродный промежуток в камеру. Когда длина затопленной струи достигает необходимой величины, к электродам прикладывают импульс напряжения. При этом в граничной области по огибающей струи происходит электрический пробой, для развития которого в этой зоне создаются благоприятные условия, связанные с наличием в ней кавитационных пузырьков. Электрический разряд в таких условиях представляет собой тонкую плазменную оболочку, занимающую сектор до 50% площади диска струи. Недостатком этого устройства является то, что положение сектора, занимаемого разрядом, меняется от импульса к импульсу. Область применения устройства ограничена работой в стационарных условиях. A device [2] is known for initiating and generating an electric discharge. The device comprises a chamber partially filled with liquid, electrodes, a reciprocating drive, and a piston connected to the drive. The interelectrode gap formed by coaxial cylindrical electrodes is below the liquid level. In the lower electrode there is a cavity filled with the same liquid with which the chamber is filled. When the actuator actuates, the piston displaces the liquid from the cavity of the lower electrode through the interelectrode gap into the chamber. When the length of the flooded stream reaches the required value, a voltage pulse is applied to the electrodes. In this case, an electric breakdown occurs in the boundary region along the jet envelope, for the development of which favorable conditions are created in this zone associated with the presence of cavitation bubbles in it. An electric discharge under such conditions is a thin plasma shell occupying a sector of up to 50% of the area of the jet disk. The disadvantage of this device is that the position of the sector occupied by the discharge varies from pulse to pulse. The scope of the device is limited to work in stationary conditions.

Техническим результатом данного изобретения является расширение области применения, повышение надежности и КПД. The technical result of this invention is to expand the scope, increasing reliability and efficiency.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве для инициирования и формирования электрического разряда, содержащего корпус, в котором установлены погруженные в жидкость электроды, подключенные к первому емкостному накопителю энергии через первый коммутатор, и поршень, соединенный с приводом возвратно-поступательного перемещения, предложено к одному из фланцев корпуса пристыковывать указанный привод поршня, а к другому фланцу корпуса днище из диэлектрического материала, выполненное в виде полусферы с отверстием, расположенным на продольной геометрической оси, электроды закреплять на стенках указанного отверстия, а корпус погружать в дополнительно введенный объем, заполненный указанной жидкостью. Привод выполняют в виде индуктора, закрепленного на корпусе со стороны внешнего относительно полости корпуса торца поршня, на штоке которого устанавливают дополнительно введенную возвратную пружину, причем индуктор подключают к дополнительно введенному второму емкостному накопителю энергии через дополнительно введенный второй коммутатор. To achieve the indicated technical result, in a known device for initiating and generating an electric discharge containing a housing in which electrodes immersed in liquid are connected to the first capacitive energy storage device through the first switch and a piston connected to the reciprocating drive is proposed to one From the flanges of the housing, attach the indicated piston drive, and to the other flange of the housing the bottom is made of dielectric material, made in the form of a hemisphere with a hole With a spacer located on the longitudinal geometric axis, fix the electrodes on the walls of the indicated hole, and immerse the body in the additionally introduced volume filled with the indicated liquid. The drive is made in the form of an inductor, mounted on the side of the piston end face external to the body cavity, on the rod of which an additionally introduced return spring is installed, the inductor being connected to an additionally introduced second capacitive energy storage device via an additionally introduced second commutator.

На фиг. 1 представлено устройство для инициирования и формирования электрического разряда; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 узел I на фиг. 1. In FIG. 1 shows a device for initiating and generating an electric discharge; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. 1; in FIG. 3 node I in FIG. 1.

Устройство содержит корпус 1, к одному фланцу 2 которого пристыкован индукционно-динамический привод 3, а к другому 4 днище 5 из изоляционного материала. Индукционно-динамический привод 3 состоит из индуктора 6, якоря (поршня) 7 и возвратной пружины 8. Параллельно индуктору 6 подсоединена цепь, состоящая из коммутатора 9 и емкостного накопителя энергии 10. В днище 5, выполненном в виде полусферы, имеется отверстие 11, в котором расположены электроды 12 и 13 на расстоянии S друг от друга. С помощью токовводов 14 и 15 параллельно электродам 12 и 13 подсоединена цепь, состоящая из коммутатора 16 и емкостного накопителя энергии 17. The device comprises a housing 1, to one flange 2 of which the induction-dynamic drive 3 is docked, and to the other 4, the bottom 5 of insulating material. The induction-dynamic drive 3 consists of an inductor 6, an armature (piston) 7 and a return spring 8. A circuit consisting of a switch 9 and a capacitive energy storage 10 is connected in parallel with the inductor 6. The bottom 5, made in the form of a hemisphere, has an opening 11, in which are the electrodes 12 and 13 at a distance S from each other. Using current leads 14 and 15, a circuit consisting of a switch 16 and a capacitive energy storage 17 is connected in parallel with the electrodes 12 and 13.

Устройство работает следующим образом. После погружения его в жидкость, например, в водозаборную скважину производят известным способом зарядку емкостных накопителей энергии 10 и 17, затем подключают с помощью коммутатора 9 емкостной накопитель энергии 10 к индуктору 6. При разряде емкостного накопителя энергии 10 на индуктор 6 якорь 7 начинает ускоренно перемещаться, сжимая возвратную пружину 8. Это происходит из-за взаимодействия импульсного магнитного поля индуктора 6 и токов Фуко в якоре 7. Когда пружина 8 возвращает якорь 5 в исходное положение, полость 18 заполняется жидкостью. Емкостной накопитель энергии 10 вновь заряжают и подключает с помощью коммутатора 9 к индуктору 6. Якорь 7 вытесняет жидкость из полости 18 через межэлектродный промежуток. Происходит формирование затопленной струи жидкости, для которой можно записать уравнение Бернулли
gH+

+

const
Из уравнения Бернулли выделим безразмерный параметр число кавитации
σ

где Р давление газа над поверхностью жидкости, Па;
ρ плотность жидкости, кг/м³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
Н расстояние межэлектродного промежутка от свободной поверхности жидкости, м;
P_к давление, при котором возникает кавитация, в данном случае его можно принять равным давлению насыщенных паров жидкости Р_н.п., Па;
V скорость течения струи жидкости, м/с.The device operates as follows. After immersing it in a liquid, for example, in a water well, capacitive

energy storage devices

10 and 17 are charged in a known manner, then capacitive energy storage 10 is connected to inductor 6 using a switch 9. When the capacitive energy storage 10 is discharged to inductor 6, the armature 7 begins to move rapidly compressing the return spring 8. This is due to the interaction of the pulsed magnetic field of the inductor 6 and the Foucault currents in the armature 7. When the spring 8 returns the armature 5 to its original position, the cavity 18 is filled with liquid. The capacitive energy storage 10 is recharged and connected via a switch 9 to the inductor 6. An armature 7 displaces the liquid from the cavity 18 through the interelectrode gap. The formation of a flooded jet of liquid, for which you can write the Bernoulli equation
gH +

+

const
From the Bernoulli equation we select the dimensionless parameter cavitation number
σ

where P is the gas pressure above the surface of the liquid, Pa;
ρ fluid density, kg / m ³ ;
g acceleration of gravity, m / s ² ;
N is the distance of the interelectrode gap from the free surface of the liquid, m;
P _{to the} pressure at which cavitation occurs, in this case it can be taken equal to the pressure of saturated vapor of the liquid P _n.p. , Pa;
V is the velocity of the fluid stream, m / s.

Согласно экспериментальным данным, значение σ ≅ 0,2 можно считать соответствующим кавитационному pежиму. Когда длина l струи достигает необходимой величины, ключом 16 замыкают емкостной накопитель энергии 17 на электроды 12 и 13. Наличие микропузырьков кавитационного происхождения в пограничной зоне струи, их поляризация в электрическом поле, и разрядные процессы в пузырьках активизируют зажигание электрического разряда, поддерживая его распространение в область низкой напряженности электрического поля. Пробой развивается не по кратчайшему расстоянию между электродами, а в граничной области по огибающей струи, которая становится зоной инициирования разряда. Напряженность электрического поля Е по длине разряда устанавливают больше порогового значения Е_пор.According to experimental data, the value of σ ≅ 0.2 can be considered as corresponding to the cavitation mode. When the jet length l reaches the required value, a capacitive energy storage device 17 is closed with a key 16 to the electrodes 12 and 13. The presence of cavitation microbubbles in the boundary zone of the jet, their polarization in the electric field, and discharge processes in the bubbles activate the ignition of the electric discharge, supporting its propagation in region of low electric field strength. Breakdown does not develop along the shortest distance between the electrodes, but in the boundary region along the envelope of the jet, which becomes the zone of discharge initiation. The electric field E along the length of the discharge is set greater than the threshold value E _then .

E

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

where U is the amplitude of the voltage pulse, V;
L discharge length, m;
L kl at k 2-2.5 coefficient taking into account the shape of the jet.

Электрический разряд в жидкости сопровождается образованием ударной волны и гидродинамического потока, действие которых можно использовать в различных технологических целях, например для удаления отложений солей с поверхности деталей. Форма фронта ударной волны зависит в предлагаемом устройстве от геометрии струи жидкости, которая в свою очередь определяется конфигурацией отверстия 11 и электродов 12, 13, а также взаимным расположением электродов 12 и 13. Параметры разрядного контура с емкостным накопителем энергии 17 выбирают такими, что длительность электрического разряда оказывается намного меньше времени истечения затопленной струи жидкости. Когда усилие возвратной пружины 8 становится больше силы действующей на якорь 7, он возвращается в исходное положение. При этом полость 18 заполняется новой порцией жидкости. После того, как емкостные накопители энергии 10 и 17 заряжаются, устройство готово к следующему рабочему циклу. An electric discharge in a liquid is accompanied by the formation of a shock wave and a hydrodynamic flow, the action of which can be used for various technological purposes, for example, to remove salt deposits from the surface of parts. The shape of the shock wave front in the proposed device depends on the geometry of the liquid jet, which in turn is determined by the configuration of the hole 11 and the electrodes 12, 13, as well as the relative position of the electrodes 12 and 13. The parameters of the discharge circuit with a capacitive energy storage 17 are chosen such that the duration of the electric the discharge is much less than the time of expiration of the flooded liquid stream. When the force of the return spring 8 becomes greater than the force acting on the armature 7, it returns to its original position. In this case, the cavity 18 is filled with a new portion of liquid. After the capacitive energy storage devices 10 and 17 are charged, the device is ready for the next duty cycle.

Используя предлагаемое устройство, можно генерировать импульсы с амплитудой давления, достигающей 10⁹ Па и частотой 0,1-1 Гц. Для повышения частоты следует за время истечения струи осуществлять с небольшими интервалами несколько электрических разрядов от дополнительных разрядных контуров, включенных параллельно контуру емкостного накопителя энергии 17. Амплитуду импульса электрического напряжения (напряжение заряда дополнительных емкостных накопителей энергии) в этом случае необходимо повышать пропорционально увеличению длины затопленной струи жидкости, так чтобы напряженность электрического поля по длине разряда оставалось больше порогового значения.Using the proposed device, it is possible to generate pulses with a pressure amplitude reaching 10 ⁹ Pa and a frequency of 0.1-1 Hz. To increase the frequency, during the jet expiration time, several electrical discharges from additional discharge circuits connected in parallel with the capacitive energy storage circuit 17 should be carried out at small intervals. In this case, the amplitude of the voltage pulse (charge voltage of additional capacitive energy storage) should be increased in proportion to the increase in the length of the flooded jet liquid, so that the electric field along the length of the discharge remains greater than the threshold value.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом в 1,3 раза увеличен КПД за счет более стабильного положения электрического разряда, а также использования полусферического днища 5 в качестве отражателя ударных волн, возникающих при электрических разрядах в жидкости. Кроме того, форма днища 5 и токовводов 14, 15 исключает локальную концентрацию электрического поля, предотвращая случайные пробои, что повышает надежность устройства. In the proposed device, compared with the prototype, the efficiency is increased by a factor of 1.3 due to a more stable position of the electric discharge, as well as the use of a hemispherical bottom 5 as a reflector of shock waves arising from electric discharges in a liquid. In addition, the shape of the bottom 5 and current leads 14, 15 eliminates the local concentration of the electric field, preventing accidental breakdowns, which increases the reliability of the device.

Claims

1. DEVICE FOR INITIATING AND FORMING ELECTRIC DISCHARGE, comprising a housing in which electrodes immersed in liquid are connected to the first capacitive energy storage device through a first switch and a piston connected to a reciprocating drive, characterized in that to one of the housing flanges the specified piston drive is docked, and a bottom made of a dielectric material is docked to another flange of the housing, made in the form of a hemisphere with a hole located on a longitudinal geometer the main axis of the housing, the electrodes are mounted on the walls of the indicated holes, and the housing is immersed in an additionally introduced volume filled with the specified liquid.

2. The device according to claim 1, characterized in that the drive is made in the form of an inductor mounted on the housing from the side of the piston end face external to the cavity, on the rod of which an additionally introduced return spring is installed, the inductor being connected to an additionally introduced second capacitive energy storage device through optionally introduced a second switch.