Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы. Постановка задачи 10
2 Результаты расчетно-теоретического исследования
2.1 Исходные эмпирические зависимости 16
2.2 Результаты расчетов 20
2.3 Обобщение результатов расчетов 25
2.4. Взаимодействие УВ с макро- и микро- преградами в воде
3 Устройство для возбузвдения УВ в воде микросекундными импульсными электрическими разрядами
3.1 Принцип действия и блок-схема 34
3.2 Узел для сброса энергии в воду и формировавния плазменного канала
3.2.1 Особенности формирования плазменного канала при импульсном электрическом разряде в воде и других жидкостях
3.2.2 Электроразрядный узел. Обоснование технического д^ решения
3.2.3 Исходные данные к проектированию опытного элек- ,г троразрядного узла
3.3 Конструкции рабочих гидрокамер 49
3.3.1 Непроточные рабочие гидрокамеры 48
3.3.2 Проточные рабочие гидрокамеры 55
4 Методика и результаты экспериментальных исследований
4.1 Методика измерений при проведении экспериментальных исследований
4.1.1 Обоснование и формирование требований к динамиче- ГА ским средствам измерений
4.1.2 Выбор динамических средств измерения давления и тока
4.1.3 Отработка динамических средств измерений и реги- ^ страции
4.1.4 Определение эффективности воздействия УВ на мик- -~ ро-преграды
4.2 Результаты экспериментальных исследований 72
4.2.1 Воздействие УВ на макро- преграды ... 72
4.2.1.1 Результаты испытаний электроразрядного узла 73
4.2.1.2 Сопоставление экспериментальных и расчетных данных
Исследование воздействия УВ на микро- преграды
Результаты воздействия У В на микро-преграды при мощных разрядах
Результаты воздействия У В на микро-преграды при разрядах средней мощности
Результаты воздействия УВ на микро-преграды при наличии разделительной мембраны
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных
Электроимпульсная технология обеззараживания воды и других жидкостей д ударными - волнами.
Приложение полученных результатов
Влияние формы рабочей гидрокамеры на эффективность воздействия УВ на микроорганизмы
Зависимость эффективности обеззараживания от типа воды
Явление последействия и физико-химические показатели воды после импульсного разряда
Обеззараживающее действие ударных волн при наличии разделительной мембраны
Сопоставление эффективности обеззараживания ударными волнами при разрядах различной мощности
Общие рекомендации по выбору проектных параметров конструкции опытной ЭИ установки обеззараживания воды ударными волнами
Заключение 112
Список использованных источников
- Обобщение результатов расчетов
- Особенности формирования плазменного канала при импульсном электрическом разряде в воде и других жидкостях
- Выбор динамических средств измерения давления и тока
- Результаты воздействия УВ на микро-преграды при наличии разделительной мембраны
Введение к работе
Актуальность темы. Начало всестороннему исследованию электроимпульсной (ЭИ) технологии, основанной на быстром (за время ~10"5-Н0'6 с) сбросе электрической энергии из емкостного накопителя в воду, приводящем к образованию расширяющейся плазмы и формированию ударных волн (УВ), воздействующих на преграды, было положено в начале 50-х годов 20 века. ЭИ технологии нашли широкое применение в технологических процессах. Разработаны и эксплуатируются ЭИ установки по очистке литья в массовом производстве в литейных цехах, передвижные комплексы для разрушения негабарита, мелкого дробления и диспергирования, для электровзрывного уплотнения и т.д. Разработка перечисленных ЭИ устройств стимулировала проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов, лежащих в основе ЭИ технологии. Изучены закономерности возникновения и развития импульсного электрического разряда в воде, свойства плазмы в канале разряда, взаимодействие расширяющегося плазменного образования с окружающей средой (водой), переходные процессы в электроразрядной цепи, гидродинамические и теплофизические характеристики, критерии подобия, получены эмпирические формулы для амплитуды давления УВ на различном удалении от канала разряда.
В связи с прогрессом импульсной энергетики за последние 20-30 лет появилась возможность развития на качественно новом уровне направлений ЭИ технологии, не нашедших до недавнего времени практического применения, и формирования новых направлений. Среди востребованных в настоящее время направлений ЭИ технологий следует выделить:
моделирование импульсных механических нагрузок от потоков высоких энергий на элементы конструкций изделий ракетно-космической техники,
упрочнение металлов и сплавов и нанесение покрытий,
генерирование в жидкостях ударных волн (УВ) с толщиной фронта порядка 102нм и менее при малых энергозатратах для решения различных технологи-
ческих задач, связанных с импульсным механическим воздействием на различные макро- и микро- объекты (дроблением, разрушением, обеззаражива-нием воды и др. жидкостей и т.д.).
Результаты предварительных экспериментальных исследований показали, что при толщине фронта УВ порядка 102нм и менее существенно возрастает эффективность ряда технологических процессов, что приводит к снижению их удельной энергоемкости. Это позволяет рассматривать данное направление ЭИ технологии как весьма перспективное и актуальное.
Цель диссертационной работы - экспериментальное исследование взаимодействия УВ, возбуждаемых мощными микросекундными импульсными электрическими разрядами в воде со скоростью нарастания тока разря-да в плазменном канале до ~10пА/с, с макро- и микро- преградами в воде, создание научно-технического задела для разработки опытных ЭИ установок для различных технологических процессов, в том числе для обеззараживания ударными волнами воды и др. жидкостей, диспергирования органических жидкостей и т.д.
В ходе выполнения работы решались следующие задачи:
Расчетно-теоретическое исследование параметров процесса возбуждения УВ в воде импульсным электрическим разрядом, определение взаимосвязи между параметрами (давлением в точке наблюдения, характеристиками разрядной цепи и удельными энергозатратами).
Разработка и создание стендового варианта ЭИ установки со скоростью нарастания тока разряда в воде до ~10пА/с, позволяющей формировать УВ с перепадом давления на фронте до 40-50 кбар в области, находящейся в непосредственной близости к плазменному каналу разряда.
Обоснование, формирование требований и выбор динамических средств измерения давления на фронте УВ и тока разряда через плазменный канал. Отработка первичных средств электрических измерений, определение и устранение искажений, вносимых передающими линиями в условиях сильных электромагнитных помех, сопровождающих разряд.
6 - Анализ физических процессов, сопровождающих импульсный электрический разряд в воде и формирование плазменного канала, исследование взаимодействия УВ с макро-преградами в воде при различных энергиях разряда, разработка и отработка устройств для возбуждения УВ в воде мощными импульсными электрическими разрядами.
Разработка методики и проведение экспериментальных исследований взаимодействия УВ с микро-преградами (микроорганизмами) в воде и др. жидкостях в диапазоне энергий разряда ~102+2-104 Дж. Определение зависимости эффективности разрушения микро-преград от энергии разряда, формы рабочей гидрокамеры, типа воды (жидкости).
Обобщение полученных результатов. Разработка рекомендаций по выбору проектных параметров конструкции опытной ЭИ установки для обеззараживания воды и др. жидкостей ударными волнами, диспергирования органических жидкостей и пр.
Научную новизну представляют:
Результаты расчетно-теоретического исследования процесса возбуждения УВ в воде импульсными электрическими разрядами, позволяющие за счет выбора параметров разрядной цепи формировать УВ с требуемым перепадом давления на фронте и минимизировать удельные энергозатраты.
Методика применения известных динамических методов измерения давления на фронте УВ и тока разряда через плазменный канал в условиях воздействия мощных электромагнитных помех, сопровождающих импульсные электрические разряды.
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия УВ с макро-преградами, позволившие обосновать техническое решение и создать работоспособный стендовый вариант узла для сброса энергии в воду и формирования плазменного канала (электроразрядного узла) для возбуждения УВ в воде при энергии разряда до 1.2-103 Дж и скорости нарастания тока в плазменном канале до ~10иА/с.
Результаты экспериментального исследования взаимодействия. УВ с микро-преградами (микроорганизмами) в воде и др. жидкостях в диапазоне энергий разряда ~102+2-104 Дж., полученные зависимости эффективности разрушения микро-преград от энергии разряда, определяющей параметры УВ, формы рабочей гидрокамеры, типа воды (жидкости), данные, подтверждающие возможность эффективного применения мембраны, отделяющей зону разряда от исследуемой жидкости.
Рекомендации по выбору проектных параметров конструкции опытной ЭИ установки обеззараживания воды ударными волнами.
На защиту выносятся:
Результаты расчетно-теоретического исследования процесса возбуждения УВ в воде импульсным электрическим разрядом, позволяющие за счет выбора параметров разрядной цепи ЭИ установки формировать УВ с требуемым перепадом давления на фронте и минимизировать удельные энергозатраты.
Методика применения известных динамических методов измерения давления на фронте УВ и тока разряда через плазменный канал в условиях воздействия мощных электромагнитных помех, сопровождающих импульсные электрические разряды.
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия УВ с макро-преградами, позволившие обосновать техническое решение и создать работоспособный стендовый вариант узла для сброса энергии в воду и формирования плазменного канала (электроразрядного узла) для возбуждения УВ в воде при энергии разряда до 1.2-103 Дж и скорости нарастания тока в плазменном канале до ~10пА/с, предложенный способ прогнозирования ресурса узла.
Результаты экспериментального исследования взаимодействия УВ с микро-преградами (микроорганизмами) в воде и др. жидкостях в диапазоне энергий разряда ~102-КМ04 Дж., полученные зависимости эффективности разрушения микро-преград от энергии разряда, определяющей параметры
УВ, формы рабочей гидрокамеры, типа воды (жидкости), данные, подтверждающие возможность эффективного применения мембраны, отделяющей зону разряда от исследуемой жидкости.
- Результаты приложения полученных данных к проблеме обеззараживания ударными волнами различных жидкостей, рекомендации по выбору конструкции опытной ЭИ установки обеззараживания воды и параметров ее основных блоков.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты представляют собой научно-технический задел, позволяющий приступить к разработке опытных установок обеззараживания воды и других жидкостей на основе ЭИ технологии, оценить эффективность применения ЭИ технологии при скорости нарастания тока ~10пА/с для решения различных практических задач, связанных с воздействием УВ на преграды (дроблением, разрушением различных макро- и микро- объектов и т.д.), диспергированием органических жидкостей.
Внедрение. Полученные результаты внедрены в Центре Келдыша.
Способ и устройство для генерирования УВ в воде импульсным электрическим разрядом использовались при проведении исследований по обеззараживанию воды и др. жидкостей, диспергированию органических жидкостей, оценке возможности штамповки изделий сложной формы.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и сделанных на их основе выводов базируются на повторяемости экспериментов и надежности измерений, подтвержденной проверкой путем подачи тестовых сигналов и косвенными данными (при электрических измерениях), совпадением данных экспертизы различных специализированных организаций (при определении количества микроорганизмов, подвергнувшихся деструкции ударными волнами).
Апробация. Результаты работы докладывались на конференциях: 1. Third International Conference & Exhibition "Small Satellites: New
Technologies, Miniaturization. Efficient Applications in the 21st Century"
Symposium I "Small Satellite Powwer Supply and Attiude Control Systems", Korolev, Moscow Region, Russia, 2002. 2. 5 Международный конгресс «Экватек-2002» «Разработка опытно-промышленной электроимпульсной установки для обеззараживания воды».
Публикации. Основные результаты работы изложены в 7 научных трудах: в том числе 3 печатных [76, 114, 148], и 4 научно-технических отчетах [81,115,149, 150].
Структура диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения.
В первой главе приведен обзор литературы, описаны результаты исследований процессов, связанных с образованием при импульсных электрических разрядах в воде плазменного канала, его динамикой, формированием и распространением УВ, даны области практического применения ЭИ технологий. Выделены востребованные и актуальные в настоящее время направления ЭИ технологии. Дана постановка диссертационной работы: сформулирована цель работы и перечислены задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.
- Вторая глава посвящена расчетно-теоретическому исследованию при помощи эмпирических зависимостей параметров УВ, возбуждаемых в воде импульсным электрическим разрядом. Результаты представлены в виде зависимости давления на фронте УВ от расстояния от оси плазменного канала для различных параметров разрядной цепи (электрической емкости накопителя, начального напряжения, индуктивности и др.). На основе анализа и обобщения расчетных данных определены параметры ЭИ установки, позволяющие за счет выбора параметров разрядной цепи формировать УВ с требуемым перепадом давления на фронте и минимизировать удельные энергозатраты. Рассмотрены вопросы взаимодействия УВ с макро- и микро- преградами в воде.
В третьей главе описан принцип действия устройства для возбуждения УВ в жидкостях мощными электрическими разрядами, дана блок-схема устройства, обоснован выбор конкретных элементов блок-схемы. Сформулированы требования к наиболее напряженному элементу - узлу для сброса энергии в воду и формирования плазменного канала (электроразрядному узлу). Описаны техническое решение и разработанная конструкция узла, схемы и конструкции использовавшихся модельных рабочих гидрокамер.
В четвертой главе описана методика и результаты экспериментальных исследований. Дано обоснование выбора динамических средств измерений давления на фронте УВ, тока разряда через плазменный канал, описана методика применения этих средств в условиях электромагнитных помех, создаваемых мощными электрическими разрядами, и устранения искажений, вносимых передающими линиями. Приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия УВ с макро- и микро-преградами (элементами электроразрядного узла и микроорганизмами) в воде при различных энергиях разряда, результаты сопоставления экспериментальных и расчетных данных
Пятая глава посвящена приложению полученных данных к проблеме обеззараживания воды и др. жидкостей. Рассмотрены вопросы, связанные с влиянием формы рабочей камеры, энергии разряда, типа воды на эффективность обеззараживания воды ударными волнами, с возможностью применения мембраны, отделяющей зону разряда от обеззараживаемой жидкости. Даны рекомендации по выбору конструкции опытной ЭИ установки обеззараживания воды и параметров ее основных блоков.
Обобщение результатов расчетов
Результаты обобщения расчетов, выполненных в разделе 2.2, иллюстрируются на рис. 2.13 - 2.18. На рис. 2.13, 2.14 приведены зависимости объёмов V, ограниченный поверхностью 0.43 и 1.25 кбар соответственно (см. рис. 2.2), от начального напряжения зарядки. Параметром является начальная энергия в накопителе Е. Представленные кривые свидетельствуют о существовании при каждом значении Е оптимальной величины напряжения Uopt, при котором величина соответствующего объема воды максимальна. При этом увеличение Е сопровождается ростом Uopt. Так при Е = 500 Дж величина Uopl = 31.5 кВ, а при Е = 1000 Дж - Uopl =38.0 кВ. Очевидно, что при оптимальном значении напряжения будет достигаться минимальная удельная электроемкость процесса q=E/V (см. рис.2.15, 2.16, соответствующие изобарам 0.43 и 1.25 кбар). Зависимости q(E), построенные на рис. 2.17 для объемов, ограниченных изобарами 0.43 и 1.25 кбар, указывают на наличие в последнем случае минимума при Е «1000 Дж. Из-за погрешностей расчетов, возникающих на стыке интервалов применимости формул (2.1) - (2.3) (см., например, рис.2.9) графики функции q(E) представлены в виде области значений, ограниченных сверху и снизу кривыми. В целом, как следует из рис.2.17, изменение величины q в диапазоне энергий 100 10000 Дж - незначительное (2+3-х кратное), однако сохраняется тенденция роста q с увеличением Е. Это объясняется тем, что зависимости Р(Е), где параметром является расстояние от оси разряда г, представляют собой семейство расходящихся кривых (рис. 2.18).
Вопросы прохождения УВ через границу раздела двух сред и взаимодействия с макро- преградами рассматривались в работах [78, 79, 80]. При нормальном падении УВ отношение плотностей потоков энергий подчиняется соотношению:
На рис 2.19 приведена зависимость отношения давления на фронте отраженной УВ (ро) к давлению на фронте прямой УВ (рп) при нормальном падении плоской УВ на абсолютно жесткую стенку, построенная на основании обобщенных в работе [80] экспериментальных данных. Отметим, что для большинства материалов (за исключением высокопрочных сплавов) отношение ро/рп близко к 2, поскольку при давлении 1 кбар уже необходимо учитывать их упругость. При косом падении УВ угол отражения всегда больше угла падения (см. рис 2.20) [80]. Равенство углов имеет место только для волн с бесконечно малой амплитудой, т.е. для акустических волн.
Принцип действия устройства для возбуждения УВ в жидкостях мощными электрическими разрядами, которое для краткости будем называть электроимпульсным (ЭИ) устройством или ЭИ установкой, основан на аккумулировании электрической энергии в накопителе и сбросе ее за малое время в жидкость. Аппаратурное оформление ЭИ установки поясняется на блок-схеме (рис.3.1). Установка состоит из повышающего трансформатора, зарядного устройства, емкостного накопителя электроэнергии, коммутирующего разрядника, электроразрядного узла (который помещается в сосуд с жидкостью) и системы управления и инициирования.
Известны несколько типов накопителей электрической энергии: ударные генераторы, электрохимические, индуктивные и емкостные накопители. Емкостный накопитель имеет самую низкую объемную плотность энергии (0,1-0,5 МДж/м) по сравнению с другими накопителями, следствием чего является более высокий потребный объем для его размещения. Несмотря на это применение емкостного накопителя в ЭИ установках является наиболее целесообразным в силу его ряда специфических характеристик. К их числу относятся [84]: - малое внутреннее сопротивление ( 10"3 Ом); - малая индуктивность ( 10 9Гн); - малое время разряда (10"4-10 8 с); - высокая мощность (до 10 Вт); - высокая скорость нарастания тока (до 10 А/с); - отсутствие движущихся частей; -модульный принцип компоновки; позволяющий отключать поврежденный конденсатор.
Из возможных режимов работы накопителя, определяемых соотношением Ти и ти , где Ти - длительность паузы между импульсами , ти - длительность импульса тока разряда, был выбран импульсный режим с Ти » ти, причем Ти 5-г10 с, ти 1 -20 мкс. При современном уровне развития импульсной энергетики импульсный режим представляется наиболее рациональным с точки зрения формирования УВ при низких энергозатратах и приемлемого ресурса работы электротехнических элементов (емкостного накопителя, разрядника). Основная трудность при реализации этого режима - высокий уровень импульсных механических нагрузок на электроды и стенки камеры или канала. Имеющийся в промышленности опыт электрогидравлической обработки мате 38 риалов и изделий указывает на возможность преодоления этой трудности за счет выбора конструкции и материалов электроразрядного узла, усиления стенок камеры [85]. Частотно-импульсный режим (Ти 0,1-г0,01), предлагаемый в ряде работ [86-90], неэффективен с точки зрения генерирования УВ и практически его реализовать сложнее по причине повышенных эксплуатационных нагрузок на емкостный накопитель, имеющий ограниченный ресурс по числу циклов "заряд-разряд" [8 7]. При разработке и изготовлении емкостных накопителей использовались малоиндуктивные импульсные конденсаторы типа КВИК, изготовитель - ЗАО "Элконд", г.С-Петербург (для малогабаритной мобильной ЭИ установки), типа ИМ-50-3, з-д "Конденсатор", г.Серпухов (для стендового варианта) и типа КПИ-80-0,9, ЗАО "Русская технологическая группа 2", г. Москва (для опытно-промышленной установки). В накопителе конденсаторы подсоединялись к общей плоской малоиндуктивной ошиновке, конструкция которой позволяла отсоединить от накопителя любой конденсатор.
Зарядные устройства представляют собой обширный класс электротехнических цепей и различаются характером потребления электроэнергии из сети (потребляемая мощность неизменна в течение всего интервала времени зарядки, снижается или, наоборот, возрастает в процессе зарядки и т.д.), схемными решениями и используемой элементной базой, характером зарядки (импульсная, резонансно-импульсная, регулируемая, многополупериодная) [91]. В разработанных ЭИ установках использовались два типа зарядных устройств: с резистивными или реактивными токоограничительными элементами (см. табл. 3.1).
Особенности формирования плазменного канала при импульсном электрическом разряде в воде и других жидкостях
При испытаниях и отработке электроразря дного узла помимо разрушений изолятора и пленки были выявлены также такие отказы как появление люфтов между электродом (п.З на рис.3.5) и обоймой (4), между обоймой и втулкой (5), разрушение винта (6), ослабление резьбовых соединений. На основании полученных результатов были разработаны исходные данные к проектированию опытного электроразрядного узла, в которых были отмечены следующие моменты.
При выборе материала изолятора и пленки предпочтение следует отдавать материалам с максимальной ударной вязкостью. Эта рекомендация основана на сопоставлении результатов сравнительных испытаний материалов (см. разд.4, табл. 4.2), и результатов испытаний материалов типа ПММА, фторо-пласт-4 и полиамид-6 (которые показали их низкую стойкость к ударным нагрузкам) с некоторыми физическим свойствами испытанных материалов (см. табл. 3.4). Основанные на этом предположении результаты направленного выбора перспективных материалов изолятора отражены в табл. 3.5. При формировании таблицы учитывались также необходимые при проектировании электрофизические характеристики материалов.
При модернизации обратного токовода (п.1 на рис. 3.5) предусмотреть установку дополнительных съемных спиц. Общее количество - до 12 шт. равномерно расположенных по окружности. Конструкция должна позволять симметричную установку 4, 6 и 12 спиц. Спицы должны иметь по всей длине изоляцию толщиной 1 мм (трубка), плотно прилегающую к поверхности. При выборе материала изоляции следует руководствоваться соображениями, приведенными выше.
При доработке конструкции узла крепления электрода и внутреннего токовода (п.З-6, 8, 14) руководствоваться соображениями экономии исполь зуемого для изготовления электрода материала ВНДС (за счет уменьшения длины электрода), создания «теневой» защиты изолятора от прямого воздействия импульсных механических нагрузок и предотвращения относительного смещения втулки и обоймы, усиление конструкции винта с целью предотвращения поломок в месте соединения его со втулкой, увеличение внутреннего диаметра внешнего токовода (п.8) на 2 мм для увеличения числа изолирующих слоев на внутреннем тоководе (п. 14).
Рассмотреть возможность нанесения медного покрытия на внешние металлические поверхности токопроводящих элементов: тоководов (п.8, 14), обратного токовода. Принять меры для предотвращения ослабления резьбовых соединений и изменения зазора между электродами.
Для проведения исследований взаимодействия УВ с микро-преградами в жидкостях были разработаны и изготовлены несколько типов сосудов (рабочих камер). Поскольку рабочие камеры должны удовлетворять ряду специальных требований (стойкость к циклическим импульсным механическим нагрузкам, запас прочности, обеспечивающий необходимый ресурс, минимальные "мертвые" зоны, недоступные действию УВ и т.д.), требовалась соответствующая проработка вопросов, связанных с созданием рабочих камер.
Схемы цилиндрической и сферической рабочих гидрокамер (далее - рабочих камер или камер) приведены на рис. 3.6. Корпус цилиндрической рабочей камеры был выполнен в виде стального толстостенного сосуда объемом 10 л, имеющего верхнюю и нижнюю крышки и окна с соединительными фланцами, позволяющими пристыковать к корпусу (в том числе через разделительную мембрану) каналы с углом между их осями 90 и 180. Каналы состояли из отдельных секций конической формы, стыковавшихся с камерой и между собой посредством соединительных фланцев с уплотнениями, в секци ях имелись штуцера для слива жидкости. Наборно-секционная конструкция позволяла варьировать продольный размер рабочей камеры от 0,24 до 2 м и использовать в исследованиях сравнительно небольшое количество воды от 10 до 50 л. Электроразрядный узел опускался в камеру через верхнюю крышку и жестко крепился в ней через изоляционную втулку. Корпус сферической рабочей камеры, выполненный из титанового сплава, имел объем около 25 л. В корпусе имелось два окна для пристыковки конических каналов (общим объемом около 2,5 л).
Характер распространения УВ по коническим каналам в описываемых моделях будет отличаться от случая сферической симметрии. Это связано с тем, что место соединения конических каналов с рабочей камерой является по сути диафрагмой для УВ. Согласно [98] при прохождении УВ через диафрагму имеет место повышение давления перед ней и снижение давления за диафрагмой. Зона повышенного давления имеет протяженность 0,5 г0 г 1,4 г0, где г0 -расстояние диафрагмы от источника УВ. Этот факт учитывался при
При использовании рабочей камеры для проведения экспериментов на различных жидкостях корпус камеры, заполненный водой, отделялся от конического канала с исследуемой жидкостью разделительной мембраной. Материал последней подбирался таким, что его акустическая жесткость была близка к акустической жесткости исследуемой жидкости (под акустической жесткостью понимается произведение плотности на скорость звука). В этом случае затухание УВ в мембране было минимальным.
К недостаткам цилиндрической и сферической рабочих камер относится наличие больших "мертвых" зон, недоступных действию УВ (см. рис. 3.7). Их влияние на эффективность разрушения микро- преград (см. раз. 2.4) можно проиллюстрировать следующими расчетами для двух крайних случаев: равномерного перемешивания всей массы воды и обмена малыми объемами AV между зоной воздействия и "мертвой" зоной после каждого разряда. (Первый случай соответствует рабочей камере с интенсивным протоком и перемешиванием, второй - камере без протока.) Пусть V- объем зоны воздействия, V0 общий объем воды, \W0= - относительный объем зоны воздействия, No - начальное общее число микро- преград, Nj - текущее общее число микро- преград, }u=N IV - начальная объемная концентрация микро-преград, П; -текущее значение концентрации микро- преград. Тогда в первом случае после первого разряда N, =(V0 V)-n0+vVn0, где v - снижение концентрации микро- преград при одном разряде или
Выбор динамических средств измерения давления и тока
В соответствии со сформулированными выше требованиями рассматривались следующие методы измерения [99-109]: - импульсов давления посредством пьезоэлектрических и электрорезе-стивных элементов, а так же оптических систем, - импульсов тока при помощи низкоомных шунтов и воздушных трансформаторов тока (поясов Роговского).
Низкоомные шунты включаются последовательно с нагрузкой. Вследствие влияния реактивных сопротивлений (емкостного 1/соС и индуктивного coL) необходимая погрешность измерения обеспечивается в узкой полосе частот Асо. Пояс Роговского является частным случаем измерительных устройств, принцип действия которых основан на регистрации характеристик магнитного поля вблизи провода с током.
Принцип действия пьезоэлектрических элементов основан на пьезо-эффекте. При определенной ориентации направления действующей нагрузки относительно осей кристалла генерируемая эдс пропорциональна величине нагрузки. Характерным для пьезоэлектрических элементов является высокое выходное сопротивление и, как следствие, малая величина тока сигнала (доли мкА). В качестве материалов чувствительных элементов используются полимеры (лавсан, люсит, органическое стекло, поликарбонатная или эфиро-целлюлозная пленки), пьезокерамика, кварц, сегнетоэлектрики и т.п. Подобные элементы использовались при определении энергии подземных взрывов и исследовании вызванных ими УВ, амплитуда давления которых лежит в области от 50 до 300 кбар. Принцип действия электрорезестивных элементов основан на высокой чувствительности удельного электросопротивления некоторых сплавов (например, манганина) к давлению окружающей среды при слабой зависимости от температуры. Разрешающая способность их по величине давления составляет не более 1 кбар. При регистрации давлений в плоских УВ чувствительный элемент датчика изготавливается в виде зигзагооб-разной ленты толщиной 10—30 мкм, занимающей площадь 0,1 — 1 см . Во время измерений через датчик пропускается ток (5-10 А и более) и регистрируется падение напряжения. При ориентации плоскости датчика параллельно фронту УВ действующее на датчик давление равно осевому напряжению. Оптические (лазерные) системы основаны на использовании эффекта Доплера при определении скорости тыльной поверхности образца при выходе на нее фронта УВ. Если известны динамические характеристики материала образца, то, зная скорость, давление во фронте УВ можно определить расчетом. Сравнительный анализ характеристик рассмотренных методов измерений с учетом сформулированных выше требований проводится в табл. 4.1.
На основании приведенных в таблице данных для измерения импульсов давления была выбрана электрорезистивная система, имеющая ряд преимуществ по сравнению с пьезоэлектрической (большими помехозащищенностью и механической прочностью, меньшими габаритами датчика) и оптической (большей информативностью и существенно меньшей стоимостью), а для измеренения импульсов тока - пояс Роговского (при прочих равных условиях являющегося более широкополосным по частоте по сравнению с шунтом).
В качестве контрольного средства измерения, которое позволило бы косвенно оценить погрешность выбранного средства измерения импульсов тока, была выбрана глубина разрядки, определяемая по начальному и остаточному напряжениям на клеммах накопителя (см. формулу в разделе 4.1.1).
В соответствии с изложенным в разделе 4.1.2 в качестве первичных средств (датчиков) электрических измерений использовались пояса Роговского и электрорезистивный датчик давления.
Измерение импульса тока I(t) поясом Роговского основано на использовании соотношения, следуемого из уравнения электродинамики Максвелла [ПО] В - магнитная индукция, JU0 - магнитная постоянная, интегрирование ведется по замкнутому контуру S, охватывающему проводник с током I(t). Индуктированное в поясе напряжение и v у / fy , а при использовании интегрирующей RH L- цепочки, где L -собственная индуктивность пояса, RH - нагрузочное сопротивление(см. схему на рис 4.1) напряжение на выходе
Параметры пояса Роговского с бифилярной намоткой (число витков п и длина катушки, нагрузочное сопротивление на выводах катушки RH и площадь витка S) рассчитывались по методике (см. [99, 111-113]) при предположении, что амплитуда и длительность измеряемых импульсов тока \{t) будут находиться соответственно в диапазонах -10 -10 кА и -10" - 10" с. При изготовлении поясов Роговского использовался кабель РК-50 с диаметром изоляции 10 мм. Кабель освобождался от оплетки и на его поверхность плотно наматывался первый слой обмотки из медной проволоки диаметром 0.6 мм. Поверхность первого слоя изолировалась полиэтиленовой пленкой и на неё наматывался второй слой обмотки. Общее число витков выбиралось из соображения малости шага намотки (п = 980-1100), что позволяло в преде лах требуемой точности заменить J суммой - v , где
Bv - составляющая магнитной индукции поля, перпендикулярная плоскости витка. Нагрузочное сопротивление, которое должно быть много меньше волнового сопротивления кабеля, изготавливалось из константановой проволоки и равнялось 0.1-0.2 Ом. Согласующее сопротивление Rc выбиралось равным волновому сопротивлению измерительного кабеля.
Результаты воздействия УВ на микро-преграды при наличии разделительной мембраны
При постановке экспериментальных работ по исследованию взаимодействия УВ, генерируемых импульсными электрическими разрядами в воде, с микро-преградами полагалось, что целью, конечным результатом является решение следующих основных вопросов.
Оценка предельных, достижимых в перспективе характеристик (эффективности разрушения микро-преград, удельного энерговклада и др.), ограничен ных физическими процессами при импульсных разрядах, а не инженерными и технологическими решениями. В этом случае применялись мощные разряды (условимся под ними понимать разряды с энергией Е 1000Дж), при которых ресурс используемого электроразрядного узла заведомо оказывается неприемлемым для практики.
Определение характеристик импульсных разрядов средней мощности (1000 Е 100 Дж), при которых в современных условиях может быть обеспечен приемлемый для практических целей ресурс электроразрядного узла, зависимости характеристик от формы и типа рабочей камеры.
Оценка возможности применения импульсных разрядов в случае воздействия на микро-преграды при наличии разделительной мембраны.
Исследования проводились на цилиндрической камере (рис.3.6). Объектами исследований являлись: модельные растворы №№ 1-3 (1 - физиологический раствор, искусственно зараженный кишечной палочкой 1257, 2 -дехлорированная водопроводная вода, содержащая свежевыделенную из сточной воды кишечную палочку, 3 - кипяченая водопроводная вода, искусственно зараженная кишечной палочкой 1257 и колифагом MS-2), природная вода, взятая из р. Сходни, доочищенная и биологически очищенная сточные воды. Санитарно-бактериологический анализ проводился специалистами ОАО "НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды" (к.м.н. Русанова Н.А. и др.) и МосводоканалНИИПроект (к.б.н. Филимонова Е.В.). Полученные результаты приведены в табл. 4.3. Напряжение зарядки накопителя задавалось в пределах 20-24 кВ, энергия в накопителе варьировалось за счет изменения емкости, суммарная сброшенная энергия составляла: 21500 Дж, число импульсов разряда 1 (строки 1-3, 7-11 в табл. 5.1), 43000 Дж, число разрядов 2 (строка 4, 12), 64500 Дж, число разрядов 3 (строка 5), 22700 Дж, число разрядов 5 (строка 6). В табл. 4. 3 приведены также данные, полученные в цилиндрической трубе с внутренним диаметром 155 мм (строки 11, 12).
Исследования проводились на сферической и изобарической рабочих камерах (рис.3.6, ЗЛО, 3.11). Объект исследований - модельный раствор № 4 (кипяченая водопроводная вода, искусственно зараженная кишечной палочкой E.coli В-125 и 675). Санитарно-бактериологический анализ проводился специалистом Всероссийского института молочной промышленности к.б.н. Фильчаковой С.А. Полученные результаты приведены в табл. 4.4.
Для сопоставления полученных экспериментальных данных с теоретическими воспользуемся формулой (2.11) в разд.2 и примем во внимание следующие моменты.
Постоянство формы микроорганизма обеспечивается клеточной стенкой толщиной 10-25 нм. Основной компонент стенки - полимерная структура пентидогликан [122].
Напряжение разрыва для жидкости Ра связано с поверхностным натяжением приближенным соотношением [123] Рв»2а/г0, (4.9) где г0 - среднее расстояние между двумя молекулами ( 2-10"10 м). Из соотношения (4.9) следует, что напряжение разрыва единицы длины пленки жидкости толщиной 8 равно Pa-S&2a(S/r0), т.е. в 8/г0 раз больше молекулярной пленки толщиной r0. Это соображение позволяет формально применить неравенство (2.11) для оценки уровня нагружения, вызывающего дробление микроорганизма, если заменить реальную клеточную стенку конечной толщиной 8 эквивалентной мономолекулярной пленкой с поверхностным натяжением а, = а 8 , где т - "макроскопическая " прочность на разрыв. Учитывая, что типичные значения а для полимеров 20 МПа [124], условие дробления можем записать (0,6-1,35)103 бар, (4.10)
Результаты измерения амплитуда импульса давления в экспериментах, в которых разрушалась подавляющая часть микро-преград, удовлетворительно согласуются с расчетными данными (4.10). Так, например, в эксперименте 4 при однократном воздействии разряда (см. табл. 4.3), в котором относительное число разрушенных микро-преград равнялось 99,9997%, в точке отбора (поз. 3 на рис. 4.13) амплитуда импульса давления составила 0.75 кбар (см. рис. 4. 15).
