Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии
Представлены основные научные направления исследований отдела электромагнитных систем. Изложена суть исследований и приведены основные научные результаты, полученные в 2008 году. Висвітлені основні наукові напрямки досліджень відділу електромагнітних систем. Викладено сутність досліджень та наведено...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Праці Інституту електродинаміки НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63704 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии / И.П. Кондратенко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 23. — С. 56-63. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63704 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кондратенко, И.П. 2014-06-05T13:34:22Z 2014-06-05T13:34:22Z 2009 Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии / И.П. Кондратенко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 23. — С. 56-63. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1727-9895 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63704 621.365: 621.313: 621.355: 537.528 Представлены основные научные направления исследований отдела электромагнитных систем. Изложена суть исследований и приведены основные научные результаты, полученные в 2008 году. Висвітлені основні наукові напрямки досліджень відділу електромагнітних систем. Викладено сутність досліджень та наведено основні наукові результати, отримані в 2008 році. ru Інститут електродинаміки НАН України Праці Інституту електродинаміки НАН України Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии |
| spellingShingle |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии Кондратенко, И.П. |
| title_short |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии |
| title_full |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии |
| title_fullStr |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии |
| title_full_unstemmed |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии |
| title_sort |
электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии |
| author |
Кондратенко, И.П. |
| author_facet |
Кондратенко, И.П. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Праці Інституту електродинаміки НАН України |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| description |
Представлены основные научные направления исследований отдела электромагнитных систем. Изложена суть исследований и приведены основные научные результаты, полученные в 2008 году.
Висвітлені основні наукові напрямки досліджень відділу електромагнітних систем. Викладено сутність досліджень та наведено основні наукові результати, отримані в 2008 році.
|
| issn |
1727-9895 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63704 |
| citation_txt |
Электротехнические системы для преобразования электромагнитной энергии / И.П. Кондратенко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 23. — С. 56-63. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kondratenkoip élektrotehničeskiesistemydlâpreobrazovaniâélektromagnitnoiénergii |
| first_indexed |
2025-11-25T20:39:18Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:39:18Z |
| _version_ |
1850525336104599552 |
| fulltext |
УДК 621.365: 621.313: 621.355: 537.528
И.П. Кондратенко
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ
Висвітлені основні наукові напрямки досліджень відділу електромагнітних систем. Викладено сут-
ність досліджень та наведено основні наукові результати, отримані в 2008 році.
Представлены основные научные направления исследований отдела электромагнитных систем. Из-
ложена суть исследований и приведены основные научные результаты, полученные в 2008 году.
Наиболее яркими проявлениями электромагнитного поля в проводящей среде являют-
ся термические и силовые процессы. Теория и методы анализа электромагнитного поля в
электромагнитных системах для нагрева плоского проката металлов, одного из основных на-
правлений научных исследований отдела электромагнитных систем, в 2008 году получили
развитие в части трехфазных индукционных систем без ферромагнитного сердечника. Разра-
ботанные ранее индукционные системы для нагрева плоского проката металлов на основе
трехфазных линейных индукционных машин успешно применяются в промышленности для
термообработки цветных металлов. Одним из основных достоинств индукционного нагрева
плоского проката металлов в бегущем магнитном поле является отсутствие производствен-
ного шума, обусловленного силовым воздействием магнитного поля на нагреваемую ленту и
магнитным притяжением индукторов. В бегущем поле интегральное значение силы не зави-
сит от времени, поэтому нет вибрации индукторов, а лента находится в состоянии электро-
динамической стабилизации по центру зазора.
При нагреве в таких системах ферромагнитных лент наблюдается одностороннее при-
тяжение ленты к ферромагнитному сердечнику индуктора, что приводит к механическому
повреждению ее поверхности. В связи с этим были рассмотрены и найдены пространствен-
ные конфигурации высокочастотных индукторов без сердечников в виде токовых контуров.
Однако область использования однофазных индукторов ограничивается относительно малы-
ми удельными мощностями, поскольку при термообработке ферромагнитных листов уже при
удельных мощностях 100…150 кВт/м2 уровень шума превышает предельно допустимые нор-
мы на всех применяемых в электротермии частотах от 50 до 2400 Гц.
Для устранения производственного шума и одностороннего притяжения ферромаг-
нитных лент представляется целесообразным использовать индукторы бегущего магнитного
поля без ферромагнитных магнитопроводов [5].
Анализ электромагнитных процессов в индукционной системе выполнен на основе
решения уравнений Максвелла, которые при введении допущения о постоянстве магнитной
проницаемости μ и электропроводности σ сводится к уравнению индукции:
( )[ ] стjBvBB rotgradtμσΔ =+∂∂− . (1)
Понижение размерности уравнения (1) выполнялось методом интегральных преобра-
зований (преобразование Фурье по продольной координате и интегральное преобразование в
конечных пределах по поперечной оси) с учетом особенностей модели «чередующихся ин-
дукторов». Последнее позволило также свести решение к нахождению лишь одной, нор-
мальной составляющей индукции магнитного поля. Задание сторонних токов выполнено с
использованием обобщенной единичной функции с учетом реального пространственного
расположения трехфазной обмотки индуктора.
На основе найденного решения уравнения (1) получены функциональные зависимости
для полной мощности индукционной системы и определены составляющие электродинами-
ческой силы. Выполнен анализ нормальной составляющей электродинамической силы, дей-
ствующей на ферромагнитную ленту в зависимости от конструктивных и режимных харак-
© Кондратенко И.П., 2009
теристик (частота питания, мощность) индуктора. Показано, что существует соотношение
конструктивных и режимных характеристик, при котором ферромагнитная лента стабилизи-
руется по оси индукционной системы. Кроме того, многовариантные численные эксперимен-
ты свидетельствуют о незначительной величине нормальных к ленте дестабилизирующих
электродинамических сил, которые вполне могут компенсироваться натяжением ленты в
технологических линиях. Установлены соотношения конструктивных размеров индуктора и
нагреваемой ленты, при которых удается получить удовлетворительную (по технологиче-
ским характеристикам) равномерность термообработки по ширине. Дальнейшие исследова-
ния по теме индукционного нагрева плоского проката будут направлены на установления
взаимосвязи и согласования характеристик отдельных элементов электротехнического ком-
плекса – трехфазных преобразователей частоты и собственно линейных индукторов при из-
менении режимов термообработки и типоразмеров нагреваемых лент.
В 2008 году научные исследования отдела электромагнитных систем были также связа-
ны с силовым действием магнитного поля на жидкий металл в процессах непрерывной разлив-
ки стали. В работе [8] исследовано силовое действие высокочастотного электромагнитного по-
ля на мениск жидкого металла в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок
(МНЛЗ). Определены основные режимные и энергетические характеристики электромагнит-
ного устройства для формообразования мениска. Форма свободной поверхности жидкого ме-
талла в кристаллизаторе определялась из уравнения баланса давления в направлении нормали
в каждой точке мениска. Уравнение баланса включало давление поверхностного натяжения,
статическое давление металла, гидродинамический напор движущегося металла, динамиче-
ское давление флюса и магнитное давление и уравнение свободной поверхности мениска с
учетом силового электродинамического воздействия магнитного поля принимало такой вид:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 000
4
1 1,
*
1
322
2
2
=−−++−−+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂ hkPõPHHhyg
x
y
x
y
äättfm γμρργ , (2)
где γ – коэффициент поверхностного натяжения; mρ и fρ – плотности металла и флюса
соответственно; g – ускорение свободного падения; 1h – высота металла от вершины мени-
ска до точки касания со стенкой гильзы; tH – тангенциальная составляющая напряженности
магнитного поля на поверхности мениска; μ – магнитная проницаемость жидкого металла,
равная магнитной постоянной; дP – динамическое давление, возникающее вследствие воз-
вратно-поступательного движения гильзы кристаллизатора; k – кривизна поверхности мени-
ска; x и y – текущие координаты. Далее задача о форме поверхности мениска сводилась к
решению задачи Коши для уравнения (2) при предварительно найденных значениях tH .
Распределение электромагнитного поля в расчетной области, возбуждаемого током
индуктора, охватывающего гильзу, определялось на основе решения уравнений Максвелла в
приближении высокочастотного поля. Для учета конструктивного исполнения гильзы кри-
сталлизатора с прорезями конечной высоты разработана новая математическая модель элек-
тромагнитных процессов гильзы с прорезями, названная магнитно-потоковой моделью. При
разработке этой модели принималось, что величина магнитного поля во внутренней полости
гильзы кристаллизатора, возбуждаемого индуктором, определяется магнитной проводимо-
стью прорезей гильзы и полностью, в высокочастотном приближении, экранируется сплош-
ными участками гильзы. Эквивалентная магнитная проницаемость секционированного уча-
стка гильзы определялась исходя из геометрических размеров сегментов и прорезей в гори-
зонтальном сечении гильзы. Помимо потоков непосредственно в щелях учитывался магнит-
ный поток в скин-слое. В результате была введена эквивалентная магнитная проницаемость,
которая учитывает экранирующие действия сегментов, геометрические размеры прорезей и
их количество. Электрофизические параметры среды при решении задачи о распределении
электромагнитного поля задавались в виде δμμ э= , 0=σ .
В соответствии с введенной магнитно-потоковой моделью разработана оригинальная
методика расчета свободной поверхности жидкого металла под воздействием высокочастот-
ного электромагнитного поля. Методика позволяет кроме формы свободной поверхности
мениска определить электрические потери в элементах конструкции гильзы и оптимизиро-
вать режимные параметры электромагнитного устройства. В перспективе предложенный ме-
тод формирования положительного мениска позволит значительно усовершенствовать про-
цесс непрерывного литья, отказавшись от осцилляций гильзы, а также улучшить качество
поверхности непрерывно литых заготовок. Однако реализация предложенного технического
решения в настоящее время приостановлено из-за отсутствия надежной технологии изготов-
ления секционированных гильз. Тем не менее, результаты исследований приняты Новокра-
маторским машиностроительным заводом (ЗАО «НКМЗ») для перспективного проектирова-
ния новых типов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Другим видом силового воздействия электромагнитного поля на жидкий металл в
процессах литья заготовок является его перемешивание непосредственно в кристаллизаторе.
Перемешивание металла в кристаллизаторе позволяет, прежде всего, интенсифицировать те-
плопередачу через медную стенку гильзы и тем самым, в конечном итоге, увеличить произ-
водительность оборудования. Простая и дешевая (на порядок дешевле иностранных анало-
гов) электромагнитная система для перемешивания металла в кристаллизаторе МНЛЗ была
предложена и разработана совместно с НКМЗ [14]. Эта электромагнитная система реализует
классический тип движения жидкого металла – азимутальное перемешивание. Эта разработ-
ка основывается на том, что вращающееся магнитное поле, в отличие от большинства систем
электромагнитного перемешивания, создается за счет вращения магнитной системы посто-
янных магнитов. Механический вращательный момент создается многополюсной асинхрон-
ной электрической машиной, ротором которой является полый цилиндр, на внутренней по-
верхности которого установлены постоянные магниты. Использование разработанного уст-
ройства намечено в одном из ручьев МНЛЗ на Енакиевском металлургическом заводе.
Наряду с разработкой традиционных типов электромагнитных перемешивателей жид-
кого металла, в отделе электромагнитных систем предложены новые исполнения, отличаю-
щиеся иным, не ротационным движением расплава. Такой тип движения позволяет реализо-
вать применение многообмоточных электромагнитных систем. В [7] в электродинамическом
приближении получено аналитическое выражение для распределения магнитного поля и
плотности тока в цилиндрическом кристаллизаторе многообмоточного электромагнитного
перемешивателя жидкого металла в зависимости от величины и характера распределения то-
ковой нагрузки.
При известном конструктивном исполнении обмоток электромагнитного перемеши-
вателя и заданных величинах фазных токов на основе выведенных соотношений представля-
ется возможность определить распределение электродинамических усилий в жидком металле
и рассчитать энергетические показатели перемешивателя. Предварительный анализ электро-
динамических усилий показал, что использование трех обмоток позволяет создать такой вид
течения, при котором в движение периодически вовлекаются центральные области жидкой
лунки. Детальный анализ возникающих течений необходимо выполнить с учетом металлур-
гических эффектов.
В 2008 году получили дальнейшее развитие теория и методы расчета силового дейст-
вия магнитного поля на движущуюся проводящую среду. Методы расчета линейных элек-
тромагнитных систем нашли приложение в системах динамического торможения на посто-
янных магнитах [1]. Разработанные системы динамического торможения применяются в раз-
влекательных аттракционах, серийно производимых винницким заводом «Аналог». В 2008
году запущен в эксплуатацию экстремальный аттракцион «башня свободного падения Маг-
нетик ХХL» высотой 50 м, длиной свободного падения 22 м и предельным весом снаряжен-
ного (с пассажирами) экипажа 7500 кг. Скорость «приземления» экипажа составляет 0,3…0,4
м/с. Удельные показатели системы динамического торможения превосходят показатели из-
вестных аналогов российского производства более чем в 1,8 раза.
Тормозные системы, основанные на использовании идеи динамического торможения
линейных магнитных систем с постоянными магнитами, могут быть использованы также в
системах безопасности лифтов. Не исследованными остаются также вопросы термического
воздействия поля магнитных систем постоянных магнитов на движущиеся проводящие сре-
ды. Перспективность этих исследований очевидна из-за ожидаемых высоких энергетических
показателей таких систем.
Электроразрядные процессы. Традиционным направлением научных исследований
отдела электромагнитных систем является изучение электроразрядных процессов в конден-
сированных средах и разработка на их основе электротехнологий.
Среди электротехнологий одной из самых потенциально привлекательных остаётся
электроразрядная очистка воды. Наиболее давней и соответственно наиболее разработанной
является технология, основанная на озонировании воды с производством озона в барьерном
разряде. Однако как этот, так и два другие основные виды обработки, связанные с разрядами
на поверхность воды и разрядами в воде, связаны с большими затратами электроэнергии. В
связи с этим задача сводится к поиску таких видов, форм и организации разрядов, при кото-
рых энергия разряда максимально расходовалась бы на основной процесс – обеззараживание
и/или очистку воды. В свою очередь, среди подводных разрядов есть вид – диафрагменный
разряд, обладающий, как показали изложенные ниже результаты исследований, более широ-
ким диапазоном и более мягким регулированием параметров. Это позволит получить необ-
ходимые для процесса обработки воды химически активные частицы, а не высокоэнергетич-
ные составляющие плазмы линейных подводных разрядов, забирающих основную энергию
разрядов и непродуктивно участвующих в процессе очистки.
Ниже излагаются результаты начального этапа исследований диафрагменного разряда,
направленных на выяснение внешних (факельных) проявлений разряда как явления, его элек-
трических параметров и возможности получения положительного эффекта для очистки воды.
Диафрагменный разряд (ДР) – разряд в небольшом отверстии тонкой диэлектрической
диафрагмы, разделяющей два объема воды, на которые подаётся импульсное напряжение.
Факельные образования (каналы) такого разряда распространяются по обе стороны диафраг-
мы от отверстия в глубину объёмов воды. Это определило и технику исследований. Разряд
осуществлялся в заполненном водой прозрачном сосуде, разделенном стеклотекстолитовой
перегородкой (диафрагмой) толщиной b = 0,48 мм с отверстием диаметром d = 0,5 мм. Элек-
тродами служили медные стержни диаметром 4 мм, установленные параллельно перегородке
на расстоянии друг от друга l = lа + lк + b = 20 мм. Здесь lа, lк − расстояния от анода и катода
до перегородки соответственно. Вид факелов разряда фиксировался цифровым фотоаппара-
том. Влияние электропроводимости жидкости на разряд изучалось на водопроводной воде с
σ = 5,5·10−5 См/см и растворах NaCl: 5-ти миллинормальном (5 мн.) с σ = 6·10−4 См/см и 5-ти
сантинормальном (5 сн.) с σ = 5,5·10−3 См/см. Исследование химической эффективности об-
работки воды разрядом проводилось в 1 %-ном водном растворе метиленового голубого кра-
сителя (метиленовая синь), в сточной воде шламонакопителя и в 1 %-ном водном растворе
йодистого калия KI.
Факельные образования и осциллограммы напряжений и токов диафрагменного разря-
да имеют существенные особенности по сравнению с таковыми других видов разрядов под во-
дой, таких как линейные и коронные разряды на металлических электродах [6, 9, 10, 12]. Эти
данные позволили установить ряд свойств ДР как физического явления. В частности, совмест-
но с приводимыми ниже расчётами можно сделать выводы о природе его возникновения.
Согласно существующим физическим представлениям, начало ДР связано с образова-
нием паров воды в отверстии диафрагмы и последующим их электрическим пробоем. Одна-
ко результаты экспериментов в настоящей работе позволяют сделать качественные выводы о
другом механизме формирования ДР.
Начальный ток между электродами соответствует геометрическим параметрам раз-
рядного промежутка и электропроводимости среды. Электрическое сопротивление отверстия
в диафрагме диаметром d и длиной b составляет Rотв = 4b/(πd2σ). Сопротивление воды (как
полупространства с одной стороны диафрагмы) относительно среза этого отверстия будет
Rв= 1/(2dσ). Сопротивление цилиндрического электрода радиусом a и длиной l относительно
воды составляет Rэ = [ln(2l /a − 1)]/(2πlσ). Таким образом, суммарное сопротивление между
электродами Rмэ = Rотв. +2Rв + 2Rэ. Начальный ток в отверстии Iн = U/Rмэ, где U − прило-
женное к электродам импульсное напряжение. Плотность начального тока в отверстии диа-
фрагмы Jн = 4Iн/πd2. Мощность разряда в отверстии Pотв. = Iн2Rотв. Начальная напряженность
электрического поля в отверстии Eн = Jн/σ. Время испарения воды в отверстии составляет tи
= =Qи/Pотв., где Qи = qиm − энергия испарения воды в отверстии; qи − удельная энергия испа-
рения воды, имеющей начальную температуру 20 °С; m − масса воды в отверстии.
Расчеты по этим зависимостям показали, что для водопроводной воды 5 мн. и 5 сн.
растворов значения времени испарения воды в отверстии tи равны соответственно 1200, 105
и 12 мкс. Реальное время формирования разряда, судя по осциллограммам тока [10, 12], для
водопроводной воды составляет ~ 40 мкс. Столь значительное отличие tи от реального вре-
мени поджига разряда указывает на то, что предположения о ведущей роли испарения жид-
кости в инициировании ДР в водопроводной воде не соответствуют действительности. Об-
ращает на себя внимание и то, что напряженность электрического поля на начальной стадии
разряда достигает значения ~ 160 кВ/см, которое в несколько раз превышает напряженность
начала ионизации воды. Поэтому наиболее вероятно, что пробой начинается из образования
нитеобразного канала на краю отверстия, где электрическая прочность имеет меньшее зна-
чение, чем в центре. На это косвенно также указывает малая величина всплеска тока и на-
пряжения на осциллограммах при поджиге разряда [10, 12]. О нитеобразном стримерном ха-
рактере канала пробоя свидетельствуют и снимки разряда. На перпендикулярных к диафраг-
ме снимках видно, что при больших диаметрах отверстия (d = 1,5…2 мм) разряд привязан к
краю отверстия, и продукты разряда даже на более поздних стадиях разряда не заполняют
всего сечения отверстия [9, 11]. Литературные данные подтверждают, что разряд начинается
одновременно во многих точках по периметру отверстия. Заполнение отверстия плазмой
происходит в процессе развития разряда, и при энергии разряда ~ 7 Дж оно полностью за-
полняется при диаметре d ≤ 1 мм.
Определение химической эффективности диафрагменного разряда производилось в
камере, корпусом которой служил цилиндр из нержавеющей стали диаметром 60 мм. На оси
цилиндра располагался электроизолированный стержень диаметром 10 мм, покрытый стек-
лотекстолитовой или фторопластовой изоляцией толщиной 2 мм. В изоляции были сделаны
восемь отверстий диаметром 1,2 мм. Корпус камеры был заземлен, а на стержень подавалось
импульсное напряжение положительной полярности от высоковольтного источника. Общая
импульсная энергия, вводимая в камеру при амплитуде напряжения ~ 13 кВ, составляла ~ 8
Дж при частоте следования импульсов 1…10 Гц. Эффективность воздействия ДР на метиле-
новую синь и сточные воды выявлялась по изменению показателя pH, химического потреб-
ления кислорода (ХПК) и относительной прозрачности жидкости A, определяемых по стан-
дартным методикам. Показателем эффективности обработки раствора KI служила масса вы-
деленного йода, измеряемая путем титрования раствора тиосульфатом натрия.
Результаты опытов (см. таблицу) показали, что заметные изменения параметров рас-
творов наступают при превышении некоторого уровня удельной объемной энергии w, вкла-
дываемой в жидкость. Для раствора № 1 w ~ 10 Дж/см3. При такой удельной энергии значе-
ния pH и A остаются почти неизменными, а ХПК снижается на 10 %. Увеличение энерго-
вклада до w = 286 Дж/см3 снижает ХПК более чем на 50 %, повышает почти вдвое прозрач-
ность A и увеличивает pH на 10 %. Удельные энергозатраты для очистки сточной воды (рас-
твор № 2, табл.) должны быть еще выше, так как при w = 280 Дж/см3 ХПК уменьшается
только на 35 %, а pH и A изменяются мало.
Полученные результаты по обработке диафрагменным разрядом раствора № 1 можно
сопоставить с литературными данными по обесцвечиванию подводным коронным разрядом
0,01 %-ных растворов родамина, оранжевого метила и др. Сравнение показало, что двукрат-
ное увеличение прозрачности растворов требует примерно такого же энерговклада w ~ 280
Дж/см3. Однако если учесть, что в наших исследованиях исходная концентрация раствора №
1 была на два порядка выше, то можно утверждать, что эффективность обесцвечивания диа-
фрагменным разрядом если и не на два порядка, то, по крайней мере, существенно больше,
чем у подводного коронного. Известно, что подача в зону подводного коронного разряда ки-
слородсодержащего газа увеличивает химическую эффективность разряда, в частности, со-
держание растворенного в воде озона. Исследования в данной работе показали, что это свой-
ство присуще и ДР. Эксперименты проводились на установке с диафрагмой, в которой было
одно отверстие диаметром 1,2 мм. Через это отверстие осуществлялась прокачка воздуха (~ 1
л/мин). Обрабатываемой жидкостью служил 1 %-ный раствор KI. Химическая эффектив-
ность ДР определялась по массе йода mI, выделившегося при разряде в результате протека-
ния совокупности всех возможных окислительных реакций. Из таблицы видно, что при поч-
ти одинаковых энерговкладах (w ~ 90 Дж/см3) подача воздуха на порядок снижает удельные
энергозатраты на выделение йода wI. Это указывает на целесообразность использования про-
дувки воздуха через зону ДР.
Можно также отметить следующее. Если предположить, что выделение йода проис-
ходит в результате только одной реакции O3 + 2·KI + H2O → I2 + 2·KOH + O2 вследствие об-
разования при разряде озона, то по результатам титрования можно определить некую "экви-
валентную" концентрацию растворенного в воде озона Cэ. При разряде с продувкой воздуха
она достигает внушительных значений Cэ = 80 мг/л (таблица).
Таким образом, начальный этап исследований ДР показывает, что диафрагменный
разряд обладает способностью положительно влиять на электроразрядную обработку воды и
как электроразрядное явление в целом обладает особенностями, которые необходимо учиты-
вать при использовании его в электротехнологических процессах.
Другим перспективным способом очистки воды является использование для этих
целей импульсного коронного разряда на поверхность воды. За счет использования этого
вида разряда можно достичь существенного снижения удельных энергозатрат по сравнению
с другими видами разрядов, в частности, с коронным разрядом постоянного тока [2].
Достоинствами такой технологии обработки воды также является ее упрощение, обуслов-
ленное возможностью исключения из технологической линии устройств осушки воздуха и
растворения озона в обрабатываемой жидкости, как это требуется в устройствах озониро-
вания воды. К достоинствам обработки воды импульсным коронным разрядом относится и
то, что при нем поверхность жидкости подвергается воздействию сильного электрического
поля и высокоэнергетичных заряженных частиц. При этом энергетическая эффективность и
степень очистки воды увеличиваются, в частности, за счет генерации очень активных частиц
ОН, а также перекиси водорода Н2О2, служащей катализатором многих окислительных
До обработки После обработки №
раст-
вора
Тип раствора
w,
Дж/см3 pH ХПК,
мг/л
A,
% pH ХПК,
мг/л
A,
%
wI,
Дж/мг
Cэ,
мг/л
10,8 3,75 670 35 3,7
5 613 33 - - 1 1%-ный раствор
метиленовой сини 286 4,35 670 35 8,2 291 58 - -
187 8,35 2524 6 9 1738 5 - - 2 Сточные воды 280 8,35 2524 6 9,1 1640 4,5 - -
1%-ный раствор KI 85 - - - - - - 1,25·104 7,2
3 1%-ный раствор KI с
продувкой воздухом 90 - - - - - - 1,2·103 80
реакций. Помимо этого использование надводного разряда позволяет получить дополни-
тельный положительный эффект, связанный с отсутствием при таком разряде загрязнения
обрабатываемой жидкости продуктами эрозии электродов. Не менее важным аргументом в
обосновании применения надводных электрических разрядов для очистки воды является и
то, что электродные системы для их осуществления проще, надежней и обладают намного
большим ресурсом использования, чем подводные.
Для практической реализации преимуществ обработки воды импульсным коронным
разрядом на ее поверхность нами были начаты исследования электрофизических характерис-
тик импульсного коронного разряда на поверхность электропроводящей жидкости, а также
химической эффективности такого разряда по очистке воды. С этой целью был разработан
экспериментальный стенд, включающий в себя высоковольтный импульсный источник
питания, разрядную камеру и устройства для диагностики электрических, оптических и
спектральных параметров разряда.
Источник питания обеспечивает импульсы с амплитудой до 40 кВ, длительностью 10-7
– 10-5с и частотой следования до 3 кГц. Разрядная камера позволяет вести исследования
импульсной короны на неподвижную и движущуюся жидкость, а также создавать на ее
поверхности «псевдокипящий» слой, который на порядок увеличивает поверхность жидкос-
ти, что способствует увеличению эффективности ее обработки.
Выполнены первые исследования импульсного коронного разряда на поверхность
различных видов водных растворов (дистиллированная, водопроводная, сточная и др. воды),
показавшие существенные изменения их химического состава под действием разряда.
В настоящее время все более широкое распространение получают энергоустановки на
основе возобновляемых источников энергии. Среди них наиболее распространены ветро-
энергетические и фотоэлектрические установки. Мощность этих источников энергии непо-
стоянна: в течение суток она может изменяться от максимального значения до нуля. Нужная
стабильность работы устройств возобновляемой энергетики может быть достигнута путем
использования сверхпроводящих индуктивных накопителей электроэнергии (СПИН), обла-
дающих рядом преимуществ перед другими устройствами аккумулирования энергии. Однако
СПИН обладают низкой удельной энергией (~ 10 кДж/кг и ~ 1 − 10 МДж/м3), что делает не-
приемлемо высокой для многих потребителей стоимость единицы установленной мощности
СПИН и единицы запасаемой в нем энергии. В связи с этим возникает актуальная задача раз-
работки СПИН с повышенными технико-экономическими показателями.
Поисковые научные исследования в указанном направлении в 2008 г. выполнялись в
рамках темы “Энергоэффективность” совместно с отделом теоретической электротехники.
Цель исследования − снижение расхода обмоточного провода и объема материала механиче-
ской удерживающей системы путем уменьшения электродинамических сил, воздействую-
щих на обмотку, и оптимизации их распределения. В 2008 г. изучалась магнитная система в
виде тороидального соленоида с наклонными катушками [3, 4, 13].
Дальнейшие исследования в области магнитных систем СПИН с повышенными тех-
нико-экономическими показателями предполагается вести в следующих направлениях.
1. Разработка математической модели, исследование и оптимизация параметров тора с
наклонными катушками при соизмеримых значениях большого и малого радиусов торои-
дальной магнитной системы.
2. Создание математических моделей и исследование новых конфигураций интегрально
разгруженных тороидальных магнитных систем с пониженным уровнем полей рассеяния.
1. Архипов А.В., Кондратенко И.П., Ращепкин А.П. Динамическое торможение односторонней линейной ма-
шины с постоянными магнитами // Техн. електродинамiка. – 2008. – №1. – С. 36–41.
2. Божко И.В., Фальковский Н.И. Влияние движения воздуха на генерацию озона положительной стримерной
короной // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. – К.: ІЕД НАНУ. – 2008. – Вип. 20. – С.92–93.
3. Васецкий Ю.М., Аристов Ю.В. Магнитная система в виде тонкого тора с наклонными катушками: аналити-
ческая модель, магнитные поля // Техн. електродинаміка. − 2008. − № 3. − С. 9−15.
4. Васецкий Ю.М., Мазуренко И.Л., Аристов Ю.В. Параметры сверхпроводящих тороидальных магнитных сис-
тем малого поперечного сечения с наклонными катушками // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми
сучасної електротехніки”. − 2008. – Ч. 4. – С. 3–6.
5. Виштак Т.В., Карлов А.Н., Кондратенко И.П., Ращепкин А.П. Индуктор бегущего магнитного поля для на-
грева ферромагнитных лент // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. – К.: ІЕД НАНУ. –
2009. – Вип. 22. – С. 66–73.
6. Гончарук В.В., Божко И.В., Фальковский Н.И. и др. Диафрагменный разряд и его использование для очистки
воды // Химия и технология воды. – 2008. – Т.30. – №5. – С. 463–477.
7. Карлов А.Н., Кондратенко И.П., Ращепкин А.П. Расчет электромагнитного поля в цилиндрическом кристал-
лизаторе многообмоточного электромагнитного перемешивателя жидкого металла // Техн. електродинамiка.
– 2009. – № 4.
8. Кондратенко И.П., Петухов И.С., Ращепкин А.П. Моделирование электромагнитного воздействия на мениск
жидкого металла в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок // Техн. електродинамiка. –
2008. – № 5. – С. 62–67.
9. Фальковский Н.И. Феноменологические особенности диафрагменного разряда // Теплофизика высоких тем-
ператур. – 2009. –Т. 47. – № 1.
10. Фальковский Н.И., Божко И.В. Плазменные факелы и электрофизические параметры диафрагменного раз-
ряда в воде // ЖТФ. – 2008. – Т. 78. – Вып.7. – С. 127–131.
11. Fal’kovskii N.I. Phenomenological Features of Diaphragm Discharge // High Temperature. – 2009. – Vol. 47. – №1.
– P. 22–26.
12. Falkovsky N.I., Bozhko I.V. Plasma Torches and Elecrophysical Parameters of the Discharge in Water // Technical
Physics. – 2008. – Vol. 53. – № 7. – P. 943–947.
13. Vasetsky Y., Mazurenko I., Aristov Y. Thin Toroidal Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) with Tilted
Coils: Dimension and Mass Parameters, Stray Magnetic Fields // IEEE 9th International Workshop “Computational
Problems of Electrical Engineering”. Alushta (Crimea), Ukraine, September 16−20, 2008. − P. 30−32.
14. Пат. № 81579. Пристрій для електромагнітного перемішування / І.П. Кондратенко, А.П. Ращепкін, Ю.М.
Белобров та інш.
|