Электроимпульсные технологии

Электроимпульсные технологии в настоящее время находят все большее применение в различных отраслях промышленного производства. Перспективными направлениями использования электроимпульсных технологий являются, например:

• очистка от накипи и отложений теплообменных  поверхностей котлов, бойлеров и другого энергетического оборудования;
• разрушение различного минерального сырья и горных пород;
• очистка запорной арматуры, отверстий форсунок, змеевиков холодильников;
• дезинтеграция геологических проб, различных руд;
• очистка питьевой и технической воды от физико-химических и бактериологических загрязнений.

Основополагающим принципом в электроимпульсных технологиях является использование всего спектра физических явлений, возникающих при импульсном электрическом разряде в жидкой среде, когда на обрабатываемый материал воздействует мощное электромагнитное и световое излучение, а развитие парогазовой полости и дальнейшее ее схлопывание сопровождается возникновением ударных волн высокого давления, кавитационными явлениями и скоростным гидропотоком, генерирующими колебания высокой интенсивности в широком спектре частот. Воздействие перечисленных факторов на  обрабатываемые  материалы могут привести к значительным изменениям их физико-химических свойств, а степень изменения свойств зависит от параметров импульсного электрического разряда, частоты следования и количества воздействующих импульсов.

Исследование установки «ЗЕВС -25» совместно с электрогидравлическим реактором

Одним из перспективных направлений применения электрогидроимпульсной технологии является процесс измельчения различных материалов. При импульсном электрическом разряде в воде расширение разрядной полости приводит к возникновению ударных волн, под воздействие которых, в твердых частицах, находящихся в водном объеме, происходит возникновение и раскрытие микротрещин. Кроме того, колебания разрядной полости приводит в движение жидкость, в результате чего находящиеся в ней частицы могут истираться. Тонкому и сверхтонкому измельчению частиц способствует также возникновение кавитационных процессов. В поле волны сжатия на границе кристалл - жидкость ввиду различия между сжимаемостью твердого материала, могут возникать разрывы с образованием кавитационных полостей. Кавитация может возникать и  в следствии наличия свободных кавитационных зародышей  при обтекании частиц жидкостью, приведенной в движение пульсациями разрядной полости. При схлопывании кавитационных полостей возникают высокие давления и высокоскоростные микроструи, приводящие к разрушению частиц. Высокая степень измельчения обрабатываемого материала обусловлена еще и тем, что в процессе электрогидроимпульсной обработки, на материал воздействует большой спектр физических полей, таких как мощное электромагнитное и световое излучение, рентгеновское излучение, тепловое волны.

В большой степени эффективность процесса измельчения зависит от правильно выбранных параметров источника электромагнитных импульсов, а также расстояния между электродами в рабочей зоне.

В ООО «ЗЕВС-ТРУБОПРОВОД» проводились эксперименты по обработке материала в составе воды, диатомита и NaOH для получения высококачественного жидкого стекла. Для производства работ был спроектирован специальный электрогидравлический реактор, внутрь которого помещался рабочий орган, имеющий возможность регулировки величины разрядного промежутка. В качестве генератора импульсов использовалась модернизированная установка «ЗЕВС–25». Процесс обработки материала показан на рис. 1.

Рис. 1. Процесс обработки материала

Установка «ЗЕВС-25» представляет собой генератор высоковольтных импульсов. Схематически схема работы установки показана на рис. 2

Рис. 2. Схема установки «ЗЕВС-25»

Алгоритм работы установки «Зевс -25» следующий: при подаче команды «Пуск» начинается заряд конденсаторной батареи (С) от зарядного устройства (ЗУ). Одновременно начинает работать задающий генератор (ЗГ), который вырабатывает высоковольтные импульсы, подаваемые на поджигающий электрод воздушного искрового разрядника (ВУР). При приходе импульса поджига разрядник срабатывает и подключает заряженную батарею к нагрузке (Zн).

Для проведения экспериментов по определению наиболее эффективных режимов работы электрогидравлического реактора была проведена доработка установки «Зевс – 25» с целью обеспечения возможности плавной регулировки частоты следования высоковольтных импульсов. В результате многочисленных экспериментов при различных электрических режимах установки и расстояния между электродами в рабочем органе реактора определены оптимальные параметры установки:

- емкость конденсаторов – 8 мкФ;

- напряжение заряда  - 6кВ;

- межэлектродный промежуток  - 3,5мм

- частота следования импульсов – 2,5Гц

Рис.3. Внешний вид электрогидроимпульсного реактора

Назначение и цели создания изделия

Назначение

Электрогидроимпульсный модуль (ЭГИМ) разрабатывается для обработки (дезинтеграции) исходного материала в качестве которого могут выступать различные минеральные породы (бентонитовые глины, различные руды и прочие твердые материалы). ЭГИМ должен иметь возможность работать как в режиме порционной обработки исходного материала - «загрузка-обработка-выгрузка», так и в режиме непрерывного протока материала вдоль зоны обработки с постоянным сливом  его в приемный сборник.

Цели создания

Множество проведенных опытов и экспериментов показали, что для увеличения производительности ЭГИМ одного электрогидроимпульсного канала недостаточно. Компания ООО «ЗЕВС-ТРУБОПРОВОД» готова по техническим требованиям заказчика разработать и изготовить опытно промышленный образец  двухканального варианта ЭГИМ для дезинтеграции твердых веществ, на котором будут проведены основополагающие испытания, что даст значительный материал для дальнейшего проектирования многоканального (например, 6 или более каналов) опытно-промышленного образца модуля с последующим его тиражированием для получения необходимой производительности  технологической линии. Кроме того, испытания двухканального модуля должны позволить (что не возможно в одноканальном исполнении, а более, чем двухканальное исполнение, потребует значительных финансовых издержек и времени) сформулировать основные технические требования к многоканальному образцу, а также провести технико-экономический анализ по определению оптимального количества каналов для электрогидроимпульсного реактора, для блока формирования электрических импульсов и для всего модуля в целом.

Технические характеристики

Предлагаемый электрогидроимпульсный модуль состоит из электрогидроимпульсного реактора (ЭГИР), блока формирования электрических импульсов (БФИ), блока загрузки исходного продукта (БЗИП), приемной емкости готового продукт (ПЕГП), миксера перемешивания обрабатываемого продукта (МП), трубопроводной и запорной арматуры, передающих кабельных линий (рис.4).

ЭГИР рассчитан на одновременную обработку электрогидроимпульсным воздействием не менее 200 литров исходного продукта. При этом в режиме порционной обработки при времени обработки одной порции в течение 1 часа, включая загрузку и выгрузку продукта, производительность ЭГИМ составляет не менее 4 800 литров в сутки при трехсменном режиме работы. Исходным материалом является раздробленная руда или другой какой-либо материал с размером частиц диаметром от нескольких миллиметров до 100-200 мм.

Рис. 4. Схема электрогидроимпульсного реактора

Производительность модуля в режиме непрерывного протока обрабатываемого продукта  через ЭГИР уточняется при испытании модуля.

Электрогидроимпульсный реактор может представлять собой расположенную вертикально цилиндрическую емкость, основания которой закрыты съемными фланцами. Электродная система, в количестве не менее двух комплектов, разрядным промежутком должна быть обращена во внутреннюю полость реактора. Снаружи электродной системы необходимо предусмотреть подключение двух коаксиальных кабелей, по которым от БФИ приходят на электроды электрические импульсы, формирующие в промежутке между электродами импульсный электрический разряд. Конструкция ЭГИР должна предусматривать такое формирование ударных волн и гидропотоков при электроразряде, при котором становится минимально возможным образование «теневых» областей во внутренней полости, где может оседать, не подвергаясь интенсивной обработке, твердая фракция обрабатываемого продукта.

В качестве основы для источника электрических импульсов в ЭГИМ можно использовать две серийно выпускаемые ООО «ЗЕВС-ТРУБОПРОВОД» установки ЗЕВС-251 с доработкой в блоке управления и в узле подключения нагрузки. Каждая установка ЗЕВС должна работать на свою электродную систему и управляться с единого пульта управления.

Основные технические характеристики БФИ представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики БФИ.

Требования к ЭГИМ

Режимы работы

Электрогидроимпульсный модуль должен предусматривать два режима работы:

I режим.  Исходный продукт через входную задвижку подается в ЭГИР, при этом выходная задвижка закрыта. После полного заполнения реактора исходным продуктом, включается БФИ и производится обработка продукта электрическими разрядами. После завершения стадии обработки открывается выходная задвижка и обработанный материал полностью сливается из ЭГИР. Далее выходная задвижка закрывается и цикл обработки продукта повторяется.

II режим. Непрерывная обработка приготовленного исходного продукта, при которой при открытых входной и выходной задвижках и при включенном БФИ подлежащий обработке продукт перетекает через внутреннюю полость ЭГИР из емкости для исходного продукта в емкость для обработанного продукта.

Перспективы развития и модернизации системы

• Конструкция ЭРМ должна позволять дальнейшую его модернизацию.

Требования по безопасности

• Оборудование должно обеспечивать безопасность работающих при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации, как в случае автономного использования, так и в составе технологических комплексов при соблюдении требований (условий, правил), предусмотренных эксплуатационной документацией.
• Применяемое оборудование, его расположение и условия эксплуатации должны отвечать действующим санитарным и гигиеническим нормам.

Требования по эргономике и технической эстетике

• Стационарные аппаратно-технические средства ЭГИМ, их монтаж и размещение в помещениях должны обеспечивать удобство их эксплуатации, обслуживания и ремонта персоналом, с учетом специфики помещений, в которых они размещаются.
• Места размещения аппаратно-технических средств ЭГИМ определяет Исполнитель по согласованию с Заказчиком.
• Требования по эргономике и технической эстетике могут быть уточнены по согласованию Заказчика и Исполнителя в процессе создания системы.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению

• Должна быть предусмотрена возможность ремонта путем замены элементов ЭГИМ на аналогичные, без дополнительной настройки или с минимальной настройкой.

Требования к стандартизации и унификации

• При разработке ЭГИМ необходимо использовать преимущественно элементную базу отечественного производства.

Требования к персоналу

Создаваемая система должна требовать для поддержки и управления минимальное количество эксплуатационного персонала. Эксплуатация ЭРМ должна осуществляться квалифицированным персоналом.

Требования к документации

 Эксплуатационная документация должна содержать всю необходимую информацию для поддержки и управления ЭГИМ подготовленным персоналом.

Стадии проведения работ

При разработке и изготовлении опытного образца ЭГИМ предполагаются следующие этапы проведения работ (Таблица 2).

Таблица 2. Этапы проведения работ.

Выводы

Опыты по измельчению и органомодификации суспензии бентонита в условиях проявления электрогидроимпульсного эффекта показали принципиальную возможность и полезность использования этого метода в практических задачах. Органоглина, полученная под влиянием ЭГИ эффекта, имеет несколько другие физико-химические характеристики нежели органоглина, синтезированная по общепринятой методике. Кроме того, проведенные опыты позволяют утверждать, что в качестве исходного сырья могут выступать не только бентониты, но любые другие руды и материалы, которые требуют дезинтеграции для дальнейшей обработки. Технология получения порошков, состоящих из наночастиц, при помощи электрогидроимпульсного метода может быть применена во всех отраслях промышленности.

Ожидаемые технико-экономические показатели использования ЭГИМ определяются сравнительно невысокой стоимостью изделия, невысоким энергопотреблением, возможностью автоматизировать технологический процесс, простотой обслуживания, получением продукции уникального качества.

Полученные результаты экспериментов с использованием электрогидроимпульсной установки являются предварительными и ограничены не большими размерами используемого ЭГИ реактора. Для продолжения опытно-промышленно-экспериментальных работ необходимо не только изготовление опытно-промышленной установки, но и встраивание ее в технологический процесс производства, что предлагается осуществить совместно в Вашей компанией в случае Вашей заинтересованности.