Электроразряд — источник энергии экологически чистых технологий разрушения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Электроразряд - источник энергии экологически чистых технологий разрушения

А.Р. Ризун, Ю.В. Голень, Т.Д. Денисюк, В.Ю. Кононов, А.Н. Рачков

Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина, e-mail: [email protected]

Представлен краткий анализ разработанных и внедренных за последние годы технологических процессов электроразрядного разрушения прочных донных грунтов, формовочных смесей и нежелательных покрытий.

УДК 537.525:622.73+669.78

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим из приоритетных направлений развития науки и техники при современном истощении сырьевых и энергетических ресурсов, безусловно, является создание энергосберегающих технологий, которые можно отнести к категории критических технологий. Особое место в их ряду занимают импульсные технологии обработки. При импульсном режиме работы может быть достигнута высокая степень концентрации энергии во времени. Так, например, в мощных импульсных генераторах в период между импульсами происходит запасание энергии в накопительных элементах. Затем за отрезок времени, протяжённость которого значительно меньше периода накопления, запасённая энергия выделяется в нагрузочном элементе. В результате удаётся получать электрические импульсы, мощность которых значительно превосходит номинальную мощность источников питания, что имеет существенное значение в энергоемких производственных процессах, требующих создания значительных силовых нагрузок, достижение которых при использовании обычных механических систем затруднительно, а чаще всего просто невозможно. При этом значительно сокращаются производственные площади, габариты оборудования, его материалоемкость.

Электроразрядные источники импульсных давлений, как и взрывные, характеризуются высокой плотностью энергии. Мгновенное расширение канала разряда за счет высоких давлений и образования волны сжатия-разряжения позволяет разрушать материалы высокой прочности подобно взрыву. Мерой полезной работы разрушения, которая может быть произведена ударной волной электроразряда, является энергия положительной фазы волны давления. Поскольку на практике используются разряды с сильно различающимися параметрами, например энергия разряда и его длительность, предполагается, что параметры волны давления также могут изменяться в довольно широких пределах. Скорость расширения канала разряда достигает 2000 м/с, а давление в канале - до 5 109 Па. При таких параметрах следует ожидать больших плотностей энергии в волне давления, генерируемой электроразрядом, и при определенных конструктивных решениях применять ее в различных технологических процессах. Одними из перспективных направлений по использованию электроразряда являются технологические процессы разрушения, дробления и измельчения твердых тел, поскольку эти процессы занимают большой объем, на который тратится от 4,5 до 5% электроэнергии от общего ее производства [1]. Общее количество материалов, ежегодно подвергаемых разрушению, составляет более 3 млрд тонн.

Процессы разрушения традиционными способами являются многостадийными, размещение и установка оборудования требуют тяжелых железобетонных фундаментов, что обусловливает большие затраты на здания и сооружения. Например, в структуре капитальных вложений обогатительного производства на долю дробильно-измельчительных работ приходится более 50% общих затрат. В данной работе представлен краткий анализ двух разработанных и внедренных за последние годы технологических процессов разрушения.

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ДОННЫХ ГРУНТОВ

Процесс нашел применение для разрушения донных грунтов, фундаментов зданий и сооружений, при реконструкции морских, речных портов. Целесообразность использования импульсных электроразрядных технологий обусловлена невозможностью применения других методов, в т.ч. взрывчатых веществ из-за высокой прочности донных грунтов, близости действующих акваторий и инженерных сооружений, необходимости сохранения флоры и фауны.

© Ризун А.Р., Голень Ю.В., Денисюк Т.Д., Кононов В.Ю., Рачков А.Н., Электронная обработка материалов, 2012, 48(5), 109-111.

109

Для определения объема разрушения донных грунтов экспериментально установлена связь радиуса разрушения с параметрами электроразряда, глубиной шпура и прочностью грунта [2]:

R

р

Вэ

CU2

2°сж ■ ^ШП

( 1)

где Вэ - безразмерный коэффициент энергоучета, определяемый экспериментально; Rp - радиус разрушения от одного разряда, м; С - емкость конденсаторов, мкФ; U- напряжение разрядного контура, В; осж - предел прочности грунта на сжатие, Па; h - глубина шпура, определяющая глубину рыхления грунта, м.

Например, производительность электроразрядного разрушения донных грунтов с прочностью осж — 20 МПа, глубиной шпура до 1 м и напряжением до 10000 В от одного разряда достигает порядка 1,0 м3 с энергозатратами не более 0,05 кВт/м3. Технологический процесс электроразрядного дноуглубления прошел опытно-промышленную проверку на акватории Севастопольского морского порта.

Электроразрядная технология обеспечивает полную автоматизацию и дистанционное управление процессами разрушения и рыхления донных грунтов. Для разрушения надводных объектов разработано серийное оборудование, которое обеспечивает разрушение скальных пород, крупных бетонных и железобетонных изделий, в т.ч. плиты перекрытия, лестничные марши, площадки, колонны, фундаменты и другие изделия.

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ОБОРУДОВАНИЯ

В технологических процессах литейного производства весьма надежное место занимает электроразряд, который обеспечил значительное повышение производительности и улучшение условий труда на финишных операциях разрушения форм, выбивки стержней и очистки поверхностей отливок. Аналогичные возможности электроразряда имеют место в очистке технологического оборудования от вредных загрязнений и покрытий.

Для эффективного применения электроразряда необходимо, чтобы давление волн сжатия Рв.сж., генерируемых электроразрядом, не превышало прочность материала оборудования ом и было достаточным для разрушения нежелательных покрытий оп [3]:

Ом ^ Рв.сж. ^ Од . (2)

При контактном разряде на оборудование учитывается давление в канале разряда Рк.р [4]:

Рк.р = 0,17

PUe

V Чп J

1/ 2

(3)

где Ркр - давление в канале разряда, Па; р - плотность разрядной среды, кг/м3; U0 - напряжение разрядного контура, В; L - индуктивность, Гн; /р.п - разрядный промежуток, м.

А для вариантов неконтактного разряда учитывается давление в волне сжатия [5]:

Рв

U05 / 4 ■ С

1/4

■ L / 8 ■ /5

р.п

r

(4)

где Рв.сж - давление на фронте волны сжатия, Па; r - расстояние обрабатываемого объекта до канала разряда, м.

Для определения производительности электроразрядной очистки поверхностей от нежелательных покрытий экспериментально установлен радиус разрушения от одного разряда [2]:

RP =

Р

■10-

2

О

сж

(5)

где Rp - радиус разрушения, м; Р - давление в канале разряда или на фронте волны сжатия в зависимости от контактного или бесконтактного разряда на объект, Па; осж - прочность на сжатие разрушаемого покрытия, Па.

Производительность электроразрядного разрушения нежелательных покрытий определяется по формуле:

110

П =

S.

общ

п (R/) • I,.

(6)

где So64 - общая площадь покрытия, м2; Rp - радиус разрушения, м.

С помощью контактных или бесконтактных разрядов в зависимости от прочности оборудования производится разрушение покрытий на любой поверхности с любыми габаритами. Так, например, оборудование с общей площадью поверхности 2 м2 и прочностью на сжатие не менее 20 МПа очищается электроразрядом в течение 50 секунд с удельными затратами энергии до 0,07 кВт/м2.

Таким образом, в представленных технологических процессах разрушения электроразряд обеспечивает выполнение всех требований, предъявляемых к современным технологиям, являясь конкурентоспособным и эффективным механизмом разрушения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ревнивцев В.И., Гапонов Г.В., Зарогатский Л.П., Костин И.М., Финкельштейн Г.А., Хопунов Э.А., Яшин В.П. Селективное разрушение материалов. М.: Недра, 1988. 286 с.

2. Ризун А.Р., Голень Ю.В., Денисюк Т.Д., Поздеев В.А. Разработка и внедрение технологического процесса электроразрядного разрушения донных грунтов. Наука та 1новацп. 2007, (3), 50-54.

3. Денисюк Т.Д., Ризун А.Р., Голень Ю.В. Электророзрядная очистка поверхностей технологического оборудования от нежелательных неметаллических отложений. Электронная обработка материалов. 2007, (6), 50-52.

4. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. Киев: Наукова думка, 1986. 208 с.

5. Шамко В.В., Кривицкий Е.В. Исследование некоторых характеристик канала подводной искры в основной стадии развития разряда. Журнал технической физики. 1997, 47(1), 93-101.

Summary

Поступила 28.12.11

A concise analysis is presented of the technological processes of electrodischarge destruction of stable bottom soils, forming mixes and undesirable coverings developed and introduced during the past years.

111