CC BY
13
УДК 677.31:537.528
Ю Г. САРИБЕКОВА, О.Я. СЕМЕШКО, С.А. МЯСНИКОВ
Херсонский национальный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ НЕЛИНЕЙНОЙ ОБЪЕМНОЙ КАВИТАЦИИ В ПРОЦЕССЕ МОДИФИКАЦИИ ШЕРСТЯНОГО ВОЛОКНА
В статье рассмотрено влияние характеристик оборудования на интенсивность электроразрядной нелинейной объемной кавитации. Определены оптимальные значения основных параметров установки для электроразрядной обработки шерстяного волокна с целью его модификации.
Ключевые слова: электроразрядная обработка, интенсивность кавитации, модификация,
шерсть.
YU.G. SARIBEKOVA, O.YA. SEMESHKO, S.A. MIASNIKOV
Kherson National Technical University
EXPERIMENTAL STUDY OF ELECTRO-BIT NONLINEAR VOLUME CAVITATION PARAMETERS IN WOOL FIBER MODIFICATION PROCESS
Abstract
The influence of equipment characteristics on the intensity of the electro-bit non-linear volume cavitation has been reviewed. The optimal values of device basic parameters for wool fiber electro-bit treatment for the purpose to modify it are defined.
Keywords: electro-bit treatment, intensity of cavitation, modification, wool.
Постановка проблемы
В последние годы в текстильной промышленности находят все большее применение новые электрофизические методы обработки материалов, характеризующиеся большой концентрацией энергии, высоким давлением и температурой. Так как обработка текстильных материалов осуществляется в водной среде, то при создании внутри объема жидкости специально сформированного импульсного высоковольтного разрыва, в зоне последнего развивается сверхвысокое давление, которое в процессе модификации шерсти совершает полезную механическую работу, способствующую возникновению комплекса физических и химических явлений.
На основании этого была предложена научная гипотеза, заключающаяся в следующем: уникальные возможности физико-химического воздействия электроразрядной нелинейной объемной кавитации (ЭРНОК) на обрабатываемые материалы обеспечат ее широкое применение в самых различных химико-технологических процессах, в частности для обработки волокнистых материалов.
На сегодняшний день процесс модификации шерстяного волокна проводят химическими, биохимическими или физическими способами. Если раньше наиболее широкое применение в промышленности находили химические способы обработки, то в последние годы больше внимания уделяется биологическим и физическим способам воздействия на волокно. В настоящее время одним из перспективных направлений модификации поверхности шерстяных волокон является применение ЭРНОК, как наиболее эффективного, экономичного и экологически безопасного способа обработки.
Анализ последних исследований и публикаций
В процессе модификации шерстяного волокна с применением ЭРНОК наиболее значимыми факторами являются импульсное гидравлическое давление, возникающее при прохождении электрического разряда сквозь среду, и кавитация, приводящая к возникновению в воде свободных радикалов и пероксида водорода. Эффективность воздействия ЭРНОК зависит как от параметров электрической схемы, так и от свойств подвергающихся электроразрядной обработке среды и объектов, находящихся в ней. Таким образом, для эффективного осуществления процесса модификации шерсти важно определить оптимальные параметры работы электроразрядного оборудования.
В работах [1-3] доказано, что интенсивность электроразрядной обработки возрастает с повышением амплитуды импульса, а также расстояния между электродами, и уменьшается с увеличением длительности импульса. Уменьшение значений индуктивности и сопротивления разрядного контура, а также рост напряжения и емкости, способствуют увеличению КПД электроразрядной обработки. Возрастанию КПД также способствует увеличение плотности рабочей жидкости.
Интенсивность воздействия ЭРНОК на шерстяное волокно зависит не только от параметров электрической схемы и свойств, подвергающихся электроразрядной обработке объектов, но и от
расположения электродов в реакторе, в котором проводится обработка. Поскольку передача энергии от искрового канала в окружающую его среду осуществляется через поверхность этого канала, то пространственные параметры разряда будут в значительной степени определять эффективность этого процесса. При этом напряжение и емкость разрядного контура являются главными факторами, определяющими длину и диаметр искрового канала [4-6].
Таким образом, установлено, что в процессе модификации шерстяного волокна на интенсивность электроразрядной обработки наибольшее влияние оказывает расположение электродов, частота и количество импульсов, а также энергия импульса, то есть напряжение и емкость конденсаторов разрядного контура.
Постановка задач исследования
Задачей данного исследования являлось определение таких характеристик разрядного контура, как: расположение электродов в камере, частота и количество импульсов, напряжение и емкость конденсаторов на интенсивность ЭРНОК.
Объекты и методы исследования
Электроразрядная обработка осуществлялась на лабораторной установке. Ее схема и рабочие характеристики оборудования представлены на рис. 1 и табл. 1.
1 - повышающий трансформатор,
2 - диодный мост,
3 - конденсатор,
4 - электроды,
5- обрабатываемая ткань,
6 - цилиндрическая сетка,
7 - корпус реактора,
8 - зона возникновения разряда,
9 - жидкость
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки
Таблица 1
Характеристики оборудования_
Наименование параметра Величина
Род тока питающей сети переменный, однофазный
Частота, Гц 50±0,1
Напряжение питающей сети, В 220±22
Рабочее напряжение, В 15000-22500
Частота следования импульсов, Гц 1-2
Емкость конденсаторной батареи, мкФ 0,1-0,75
Интенсивность кавитации определялась йодометрическим методом, который был изучен в работах Маргулиса М.А. и других исследователей [8-10]. Применение этого метода базируется на окислении водных растворов К до свободного йода под действием основных факторов электрического разряда, трансформированных в ЭРНОК.
При схлопывании кавитационных пузырьков создаются условия (световое излучение, высокое давление и температура), которые вызывают гемолитический разрыв ковалентных связей в молекулах воды и образование радикальных частиц Но, ОНо, Оо, обладающих повышенной окислительной способностью. Эти частицы окисляют йодид-ион до свободного йода. Поэтому, поскольку количество выделившегося йода прямо пропорционально количеству образовавшихся окислителей, то йодометрический метод может являться способом оценки интенсивности кавитации.
Содержание йода определяют титрованием раствором тиосульфата натрия в кислой среде в присутствии крахмала и молибдата аммония. Процесс описывается следующими уравнениями реакций:
И202+2К1+И2804=2И20+12+К2804, 12+2№2820з=2№1+№2840б.
Крахмал выступает в роли индикатора, так как его чувствительность очень высока - заметную синюю окраску с крахмалом йод дает даже при концентрации 2 10-7 М. Молибдат аммония служит катализатором окисления йода.
Электроразрядной обработке подвергали раствор йодида калия концентрацией 0,005М. К 20 мл раствора йодида калия, подвергнутого обработке, добавляют 10 мл серной кислоты (в соотношении с водой 1:3) и три капли 10%-ного молибдата аммония. Выделившийся йод после перемешивания титруют 0,005М раствором тиосульфата натрия до соломенно-желтого окрашивания, затем добавляют несколько капель 1%-ного раствора крахмала и титруют дальше до полного обесцвечивания раствора.
Концентрацию пероксида водорода определяли по формуле:
V ■ C
C _ v^Na2S2O4
Н2О2 V '
где Ужжм - объем тиосульфата натрия, пошедший на титрование, мл;
Ска2э204 - концентрация тиосульфата натрия, СМа23204=5 ммоль/л;
Ук - объем йодида калия, взятый на титрование, УК1=20 мл.
Результаты исследования и их обсуждение
Экспериментальное исследование влияния параметров электроразрядной обработки на интенсивность кавитации было проведено, так как эффективность электроразрядной обработки шерстяного волокна в процессе модификации будет определяться именно интенсивностью ЭРНОК.
Большинство разрядно-импульсных технологий осуществляется в ограниченном пространстве разрядных камер и реакторов. При этом эффективность электроразрядной обработки сильно зависит от пространственного расположения границ реактора, его объема и наличия свободных поверхностей. Картина развития гидродинамических процессов в этих условиях значительно сложнее, чем процессы, происходящие при электрическом взрыве в безграничной жидкости.
Волновое поле в воде, кроме прямой волны образует волны отражения от дна, стенок и свободной поверхности, а также продольные и поперечные волны, вызванные их преломлением от дна и стенок. Движение воды над центром электрического разряда приводит к выбросам струи и образованию гравитационных волн.
Исследованиями [11-13] выявлено, что наиболее эффективно осуществлять кавитационную обработку в реакторе прямоугольного поперечного сечения. При этом наличие свободной поверхности жидкости в разрядной камере и расположение электродов в разрядной среде оказывают существенное влияние на процессы возбуждения и генезиса ЭРНОК. Несмотря на большой объем проведенных исследований, вопрос о конструкции оборудования для осуществления электроразрядной обработки шерстяного волокна с целью его модификации требует дополнительных исследований.
В связи с этим, в первую очередь были выполнены экспериментальные исследования влияния на интенсивность кавитации соотношения слоев воды над и под электродной системой, емкости конденсаторов, частоты и количества импульсов.
Электроразрядная обработка осуществлялась в вертикально расположенной камере прямоугольного сечения [12, 13]. Электроразрядной обработке подвергался раствор Ю в концентрации 1 г/л при следующих параметрах:
- начальное напряжение: и0=22,5 кВ;
- емкость конденсаторов: С:=0,1 мкФ, С2=0,25 мкФ, С3=0,5 мкФ, С4=0,75 мкФ;
- частота следования импульсов: £=1 Гц;
- объем рабочей жидкости: V=7,1 дм3.
Для определения оптимального расположения электродов было изучено влияние слоев воды над и под электродной системой на интенсивность кавитации. При этом учитывался тот факт, что когда в реакторе увеличивается площадь свободной поверхности, то интенсивность кавитации также увеличивается. Исследования интенсивности ЭРНОК при соотношении слоев воды над и под электродами 1:2,5 и 1:5 представлены на рис. 2.
Анализ данных, представленных на рис. 2, показал, что с увеличением емкости конденсаторов и количества импульсов интенсивность кавитации возрастает линейно независимо от расположения электродов. Однако, следует отметить, что концентрация выделившегося йода при соотношении слоев воды над и под электродами 1:5 меньше, чем при соотношении 1:2,5. Это можно объяснить тем, что в большом объеме воды происходит затухание ударных волн, а в относительно малом объеме (при соотношении слоя воды над и под электродами 1:2,5), наоборот, происходит многократное возникновение ударных волн, отраженных от дна и стенок реактора. Схлопывание послеразрядной полости на глубине большей, чем ее диаметр, сопровождается образованием кумулятивной струи, направленной от свободной поверхности вглубь жидкости. При меньшей глубине полость разгерметизируется, и ЭРНОК резко уменьшается.
Можно сделать выводы, что при соотношении слоев воды над и под электродами 1:2,5, повышение емкости конденсаторов с 0,5 мкФ до 0,75 мкФ (кривые 3 и 4 на рис. 2а) незначительно влияет на интенсивность ЭРНОК. Поэтому дальнейшие исследования проводились при следующих параметрах, которые обеспечивают максимальное кавитационное воздействие:
- начальное напряжение: и0=22,5 кВ;
- емкость конденсаторов: С=0,5 мкФ;
- объем рабочей жидкости: V=7,1 дм3;
- соотношении слоя воды над и под электродами: 1:2,5.
а) б)
Рис. 2. Зависимость интенсивности ЭРНОК от расположения электродов: а) при соотношении слоев воды над и под электродами 1:2,5; б) при соотношении слоев воды над и под электродами 1:5. 1 - С1=0,1 мкФ; 2 - С2=0,25 мкФ; 3 - С3=0,5 мкФ; 4 - С4=0,75 мкФ.
Еще одной из важнейших характеристик электроразрядного контура, влияющей на эффективность ЭРНОК, является частота следования импульсов. В связи с этим, было изучено влияние частоты следования разрядов для различных диапазонов количества импульсов, вводимых в разрядную камеру. Результаты исследований в виде графических зависимостей представлены на рис. 3.
Рис. 3. Влияние частоты импульсов на интенсивность электроразрядной обработки:
1 - f=1 Гц; 2 - f=1,5 Гц; 3 - f=2 Гц.
Анализируя полученные данные (рис. 3), можно отметить, что частота следования разрядов оказывает влияние на интенсивность кавитации практически во всех диапазонах количества импульсов, вводимых в разрядную камеру. Это связано с тем, что при повышении частоты следования разрядов все большая часть кавитационных пузырьков в послеразрядной стадии захлопывается под действием первичной волны давления следующего за тем электрического разряда, послеразрядная стадия которого
еще активно кавитирует. Следует отметить, что количество выделившегося йода, а, следовательно, интенсивность кавитации при частоте импульсов £=1 Гц минимальна, а при частоте импульсов f=1,5 Гц и £=2 Гц увеличивается, но при этом отличается незначительно. Поэтому повышение частоты следования разрядов с 1,5 Гц до 2 Гц нецелесообразно.
Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что ЭРНОК эффективно развивается при соотношении слоев воды над и под электродной системой 1:2,5, емкости конденсаторов С=0,5 мкФ и частоте следования разряда £=1,5 Гц.
Ранее проведенные исследования свидетельствуют о том, что интенсивность ЭРНОК в значительной степени зависит от общей суммы энергии, введенной в разрядную камеру, но слабо зависит от отдельных энергетических характеристик разряда [14, 15]. При найденных оптимальных энергетических параметрах электроразрядного контура (емкость конденсатора С=0,5 мкФ, частота следования разряда £=1,5 Гц) энергия в импульсе будет составлять 126,6 мДж.
Далее исследование было направлено на снижение общей энергии, вводимой в электроразрядную камеру. На рис. 4 представлены результаты изучения влияния энергии в импульсе на интенсивность кавитации. Исследования проводили при значениях энергии в импульсе "^=25 мДж, W2=56,26 мДж, "3=100 мДж и "4=126,56 мДж, которые соответствуют следующим значениям напряжения: ^=10 кВ, и2=15 кВ, и3=20 кВ и и4=22,5 кВ.
о «
я я
я я
о «
161412108-6Х
4 2
0
50 100 150 200 250
Количество импульсов, п
300
125 мДж
0 56,25 мДж
100 мДж
126,56 мДж
Рис. 4. Влияния энергии в импульсе на количество выделившегося йода
Экспериментальные данные, представленные на рис. 4, свидетельствуют о том, что на интенсивность ЭРНОК значительное влияние оказывает количество импульсов. Повышение энергии импульса в диапазоне 56,26-126,56 мДж оказывает незначительное влияние на интенсивность ЭРНОК. Можно заключить, что снижение рабочего напряжения электроразрядного контура с 22,5 кВ до 15 кВ целесообразно не только с точки зрения снижения „жесткости" электрогидравлического удара, но экономии электроэнергии.
Таким образом, в ходе экспериментальных исследований определены способы регулирования процесса электроразрядной обработки путем изменения параметров разрядного контура, количества импульсов, размера разрядного промежутка, соотношения слоев воды над и под электродами. Определены оптимальные параметры эффективного кавитационного влияния на обрабатываемый материал. Подбор основных параметров осуществлялся согласно принятому „среднему" режиму обработки, который является оптимальным при воздействии на текстильные материалы и обладает свойствами как „жесткого" (разрушение твердых и хрупких материалов), так и „мягкого" (пластическое деформирование, перетирание мягких или вязких материалов) режимов [14, 15].
Экспериментальные исследования позволили создать полупромышленную электрогидроимпульсную установку для обработки шерстяного волокна „Вега-6". Основным энергетическим узлом данной установки является высоковольтное электрооборудование - генератор импульсных токов, который преобразует электрическую энергию питающей сети, накапливает ее в электрическом поле высоковольтного конденсатора и затем коммутирует энергию в нагрузку. Нагрузкой является канал разряда между рабочим электродом и отрицательным электродом. Электроразрядная
обработка шерстяного волокна на установке осуществлялась при постоянных величинах напряжения и частоты импульсов.
Выводы
В результате проведенных экспериментальных исследований определены основные параметры электроразрядного контура, при которых эффективность кавитации максимальна:
- начальное напряжение и=15 кВ;
- емкость конденсаторов С=0,5 мкФ;
- частота следования разряда £=1,5 Гц;
- объем рабочей жидкости V=7,1 дм3;
- соотношении слоя воды над и под электродами 1:2,5.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования влияния факторов на интенсивность электроразрядной обработки позволили создать полупромышленную электрогидроимпульсную установку для обработки шерстяного волокна „Вега-6".
Список использованной литературы
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.
2. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. - М.: Химия, 1990. - 208 с
3. Дрожжин А.П. Формирование многоочагового разряда в воде / А.П. Дрожжин, Д.И. Карпов,
B.С. Тесленко. - Режим доступа: http//www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/114/322.htm.
4. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 136 с.
5. Вггенько Т.М. Пдродинамiчна кавггащя у масообмшних, хiмiчних i бюлопчних процесах: Монографiя. / - Тернотль: видавництво Тернотльського державного техшчного ушверситету iм. 1вана Пулюя, 2009. - 224 с.
6. Малюшевская А.П. О факторах, влияющих за электроразрядную кавитацию / А.П. Малюшевская, А.А. Смалько, С.М. Тихоненко // Электронная обработка материалов. - 2003. - №4. - С. 41-47.
7. Аристова Н.А. Особенности осуществления реакций под действием вспышечного коронного электрического разряда / Н.А. Аристова, И.М. Пискарева // Журнал технической физики. 2002. -Том 72, вып. 10. - С. 41-44.
8. Домрачеев Г.А. Эффективность образования пероксида водорода и радикалов воды в природе / Г.А. Домрачеев, Д.А. Селивановский, П.А. Стунжас, И.Н. Диденкулов, Ю.Л. Родыгин, В.Л. Вакс. -Нижний Новгород, 2000. - 39 с. - (Препринт ИПФ РАН № 537).
9. Ющишина А.Н. Йодометрическое определение электроразрядной объёмной кавитации / А.Н. Ющишина, П.П. Малюшевский, А.А. Смалько, Л.А. Петриченко, С.М. Тихоненко // Электронная обработка материалов. - 2002. - № 2. - С. 76-79.
10. Маргулис М.А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях). - М.: Высшая школа, 1984. - 272 с.
11. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. - К.: Наукова думка, 1983. -272 с.
12. Гельфанд Б.Е. Отражение плоских ударных волн от твердой стенки в системе пузырьки газа-жидкость / Б.Е. Гельфанд, С.А. Губин, Е.И. Тимофеев // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. - 1978. - № 2. - С. 174-178.
13. Шамко В.В. Влияние граничных поверхностей на развитие парогазовой полости приподводном искровом разряде / В.В. Шамко, А.И. Вовченко // Гидромеханика. - 1976. - Вып. 34. - С. 52-60.
14. Малюшевский П.П. Электрический взрыв в химико-технологических процессах (часть 1) / П.П. Малюшевский, А.Н. Ющишина // Электронная обработка материалов. - 2001. - №4. -
C. 58-72.
15. Малюшевский П.П. Электрический взрыв в химико-технологических процессах (часть 2) / П.П. Малюшевский, А.Н. Ющишина // Электронная обработка материалов. - 2001. - №5. -С. 51-70.
