Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Б.Л. 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Электротехнологические процессы и оборудование»

 

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ТРУБ

 

Ростов-на-Дону 2007

 

Методические указания содержат сведения о механизме возникновения ударной волны в жидкости при искровом электрическом разряде. Описана конструкция генератора высоковольтных импуль­сов тока и технология электрогидравлической очистки труб от на­кипи и твердых отложений, порядок выполнения лабораторией рабо­ты, а также требования техники безопасности.

Предназначены для студентов специальностей 150202 всех форм обучения.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить технологию и оборудование электрогидравлической обработки (ЭГО) материалов и получить практические навыки по электро­гидравлической очистке внутренних поверхностей труб от накипи и твердых отложении.

 

2. ОБЩИЕ  ПОЛОЖЕНИЯ

 

Физические основы электрогидравлического эффекта

 

Электрогидравлический эффект – это возникновение высокого дав­ления в результате высоковольтного электрического разряда между по­груженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии им­пульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300 МН/м².

По существу, электрический разряд в жидкости – это новый спо­соб преобразования электрической энергии в механическую энергию, которое совершается без промежуточных звеньев и с высоким КПД. Принципиаль­ная схема осуществления электрогидравлического эффекта показана на рис.1.

 

 

Рис. 1. Электрическая схема электрогидравличе­ской обработки

 

Функциональные блоки, составляющие установку для ЭГО, аналогичны блокам установки для магнитоимпульсной обработки, как по назначе­нию, так и по принципу работы [3] . Исключение составляет технологический узел, в установке для ЭГО – это разрядный промежуток РП, а в установке для МИО – это индуктор.

Элементами схемы являются повышающий трансформатор ТР, выпря­митель Д, накопитель энергии С, коммутирующее устройство КУ.

Конденсатор-накопитель С заряжается от сети через автотрансформатор, повышающий трансформатор ТР и выпрямитель Д. Значения импульсов тока в зарядной цепи ограничивается зарядным сопротивле­нием. При пробое коммутирующего устройства КУ конденсатор разряжа­ется на рабочий искровой промежуток РП технологического устройства.

Энергетические возможности электрического разряда в непрово­дящей жидкости (воде) ограничиваются допустимым напряжением заряда и емкостью конденсаторных батарей установки. Подробное описа­ние каждого из перечисленных блоков, принцип работы и требования, предъявляемые к каждому из них, приведены в методических указани­ях [3] .

В образовании и развитии искрового канала в жидкости РП мож­но выделить следующие стадии:

1. При подаче высокого напряжения на РП в жидкости в тече­ние некоторого времени t₁ напряжение на нем остается постоянным (рис.2,а). Затеи в зависимости от параметров контура и начально­го напряжения оно довольно резки падает.

При высоких напряжениях на рабочих электродах механизм обра­зования канала разряда обусловлен появлением лидеров. Они образу­ют потоки электронных лавин, срывавшихся с отрицательного электрода и уст­ремляющихся к положительному электроду. В начальной стадии пробоя образуются несколько лидерных каналов, которые затем сливаются в один общий канал.

Длительность промежутка времени t₁ определяется свойствами жидкости, напряжением, формой и размерами электродов. Чем выше на­пряжение, меньше длина рабочего промежутка и площадь положитель­ного электрода, тем меньше t₁. Время t₁ характеризует так назы­ваемую лидерную стадию разряда. На рис.2,б показаны зависимости тока, напряжения и мощности от времени. Лидерная или стриммерная стадия длится от момента приложения напряжения к разрядному проме­жутку до момента завершения пробоя промежутка, т.е. до образова­ния токопроводящего канала между электродами и составляет около 10^–7 с.

 

 

Рис.2. Зависимость напряжения, тока и мощности канала разряда от времени

 

2. Стадия яркой вспышки начинается после пробоя межэлектрод­ного промежутка. Во время вспышки выделяется большая часть энергии, запасенной в накопителе энергии С.  Эта стадия характеризу­ется, небольшим временем протекания и значительным световым излучением. После пробоя межэлектродного промежутка его сопротивление на несколько порядков падает, ток – возрастает (превышая токи лидерной стадии). Плот­ность тока в канале разряда достигает значений до 10⁶ А/см² и вы­ше. Плотность энергии, выделяемой в канале также очень высока, что приводит к разогреву окружающей среды, ее диссоциации и иони­зации. В результате этого в канале разряда образуется плазма с температурой порядка 15…20 тыс. градусов по шкале Кельвина. Интен­сивный разогрев плазмы разрядным током приводит к повышению давле­ния в канале и его расширению. Во время быстрого расширения кана­ла разряда, (скорость увеличения диаметра канала 10⁶ см/с) в прилегающей жидкости  возникает ударная волна, распространяющаяся от канала разряда в виде зоны сжатия с очень крутым передним фронтом удар­ной волны. Сначала неотделимый от стенки канала, спустя некоторое время отделяется от нее, поскольку скорость распространения удар­ной волны в среде гораздо выше скорости расширения канала разряда. Когда ударная волна подходит к некоторой точке среды давле­ние, плотность и другие, характеризующие среду параметры, скачкообразно возрастают. По мере удаления фронта волны от канала скорость ее распространения приближается к звуковой, а давление на фронте волны падает в результате рассеивания энергии.

3. С уменьшением тока в разрядном контуре при достаточной мощности источника электрической энергии искровой разряд может пе­рейти в стадию дугового. При этом уменьшается плотность тока в ка­нале и температура плазмы в нем. При дуговом разряде ток поддержи­вается в основном за счет термоэлектронов катода. В канале проис­ходит образование пара за счет превращения остывающей плазмы в пар и испарение некоторой части жидкости из окружающих канал разряда слоев. Канал разряда превращается в парогазовую сферу. По мере расширения сферы давление в ней понижается и становится меньше гидростатического. Окружающие газовую сферу слои воды при этом про­должают двигаться по инерции. После достижения максимального разме­ра сфера начинает сжиматься. Таких циклов расширение – сжатие мо­жет быть несколько.

Носителем энергии при искровом высоковольтном разряде в жид­кости являются ударная волна я парогазовая сфера. В импульсной ме­ханической работе большинства технологических процессов, таких, как разрушение, дробление, формообразование основное значение име­ет энергия ударной волны, выделяющаяся в разрядном промежутке РП за первый полупериод колебания тока.

В соответствии с этим режимы работы электрогидравлической ус­тановки подбирают такими, чтобы большая часть запасенной в конден­саторах-накопителях энергии выделилась в разрядном промежутке за первый период колебания тока.

Частота колебаний разрядного тока определяется из формулы Томсона (Кельвина) для колебательного контура:

 

f₀ = 1/(2p (LС)^0,5)

 

Основные технические характеристики генераторов импульсов то­ка, используемых для ЭГО:

·        запасенная энергия W, Дж (не более)               2,5

·        ток, разряда (амплитудное значение) ί, кА       I...I000

·        напряжение на накопителе U_раб, кВ                            6...15

·        частота разрядного тока f₀, кГц                        20...100

 

Технология очистки труб с использованием  высоковольтного разряда в жидкости

В промышленности широко используются различные теплообменные аппараты, в которых теплоносителем являет­ся вода. Под действием высокой температуры, растворенные в воде со­ли, определяющие ее временную жесткость, оседают на стенках трубок теплообменник аппаратов в виде накипи или твердых отложений. Эти отложения резко снижают эффективность теплообменных процессов, что приводит к непроизводительным потерям энергоресурсов. Поэтому вопрос  очистки труб от накипи и твердых отложений является актуальной задачей, однако процедура очистки с использованием традиционных ме­тодов (механическим иди химическим) малоэффективна, а в ряде случа­ев - практически невозможна. В этом случае проблему решают путем замены дорогостоящего теплообменника новым.

Применение электрогидравлической импульсной обработки решает и проблемы очистки труб теплообменников практически любой конфигура­ции. Этот процесс очистки отличают: простота, надежность, высокое качество, малое энергопотребление и экологическая чистота. На рис.3 показана функциональная схема очистки труб теплообменного аппарата.

 

 

Рис.3. Функциональная схема очистки труб теплообменного аппарата

 

В трубу 1 теплообменного аппарата вводится двухэлектродный рабочий инструмент 2. Последний соединяется с источником электри­ческих импульсов 3 высоковольтным коаксиальным кабелем 4. Вторым электродом разрядного промежутка является обрабатываемая труба 1. Рабочей жидкостью является проточная вода 5, направление пото­ка которой встречно перемещению рабочего электрода. Электричес­кая схема установки для ЭГО выполнена аналогично схеме представленной на рис.1. Импуль­сы высокого напряжения подаются на электроды разрядного промежут­ка с определенной частотой, рабочий электрод перемещает  вдоль трубы навстречу потоку воды.

За счет электрогидравлического эффекта, обусловленного высо­ковольтным электрическим разрядом между рабочим электродом и стенкой обрабатываемой трубы, происходит разрушение накипи 6. Отделив­шиеся частицы накипи и твердых отложений вымываются из зоны разря­да потоком воды.

 

Основные параметры режимов ЭГО

·        емкость накопительного блока С,           MФ;

·        частота разрядного тока f₀,                     кГц;

·        напряжение на накопителе U_раб,               кВ;

·        энергия разряда W_р = СU,                   кДж

 

3. РАБОЧЕЕ  ЗАДАНИЕ

 

3.1. Изучить принцип электрогидравлической обработки металлов и параметры режимов ЭГО:

3.2. Изучить технологию ЭГО труб от накипи и твердых отложе­ний.

3.3. Изучить функциональное назначение основных узлов устано­вки для ЭГО.

3.4. Выполнить процедуру очистки реальной трубы от накипи под руководством преподавателя.

3.5. Изучить реальную конструкцию установки для ЭГО, исполь­зуя технический паспорт к описание ее.

 

4. ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИЯ

 

4.1. Изучить технику безопасности при работе на установке для ЭГО.

4.2. Изучив технологию и оборудование для ЭГО, начертить функ­циональную блок-схему установки и дать краткое описание функцио­нальных узлов.

4.3. Начертить схему процесса очистки труб от накипи.

4.4. Выполнить ЭГО труб от накипи под руководством преподавателя и зафиксировать параметры режимов обработки.

4.5. Выполнить качественную оценку внешним осмотром состояния внутренней поверхности трубы после ЭГО.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

 

5.1. Содержание рабочего задания.

5.2. Функциональная блок-схема установки для ЭГО металлов и краткое описание функциональных блоков.

5.3. Схема процесса электрогидравлической очистки внутренней поверхности трубы от накипи. Параметры режимов ЭГО.

5.4. Оценка качества ЭГО внутренней поверхности трубы.

 

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА УСТАНОВКЕ ЭТО

 

1. Технологический процесс ЭГО выполняется как демонстрационный только сотрудниками или преподавателями университета.

В процессе работы установки студенты должны находиться вне рабочей зоны за специальным ограждением на расстоянии не менее 1,5 м от рабочей зоны.

2. В установках ЭГО имеется опасное для жизни напряжение порядка 15 кВ.

3. В целях безопасной работы необходимо надежно зазем­лять корпус установки и обрабатываемый объект.

4. К работе допускаются лица, изучившие паспорт на обору­дование и имеющие квалификационную группу не менее II с правом работы на электроустановках с напряжением свыше 1000 В.

5. На установках ЭГО разрешается работать бригаде числен­ностью не менее 2-х человек.

6. При работе необходимо пользоваться индивидуальными средствами защиты: диэлектрическими перчатками и ботами.

7. Запрещается работать на установках ЭТО при открытых частях оборудования.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.     Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учеб. для вузов по спец. «Электроснабжение промышленных предприятий». М.: Высш. шк., 1988.

2.     Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов /Бе­лый И.В., Фертик СМ., Химевко Л.Г. – Харьков: Вища школа, 1977.

3.     Стрижаков Е.Л. и др. Магнито-импульсная опрессовка тонко­стенных конструкций //Методические указания по выполнению лабо­раторной работы по дисциплине «Электротехнологические про­цессы и оборудование», – Ростов-на-Дону: ДГТУ, 1995.

 

 

Составители:

доктор техн. наук                  Вячеслав Андреевич Ленивкин

канд. техн. наук                     Владимир Михайлович Евченко

доктор техн. наук                  Евгений Львович Стрижаков