Електрофізичний вплив потужного підводного іскрового розряду на процеси обробки речовин

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.13 – техніка сильних електричних та магнітних полів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2017. Дисертація присвячена вдосконаленню електророзрядного обладнання, що використовується для обробки речовин сильно струмовим підводним іскровим розрядом. Проведено аналіз здобутих властивостей матеріалів та рідин в залежності від електричних параметрів розрядного кола, розмірів міжелектродного проміжку, конструкцій електрогідравлічних реакторів і тиску у реакторі. Запропоновані технологічні рекомендації щодо вдосконалення обладнання та процесів електрофізичного впливу на матеріали і рідкі середовища. В дисертації вдосконалено математичну модель щодо дослідження ранньої стадії розвитку іскрового каналу потужного іскрового розряду в парі води та у парогазовій оболонці. Вперше виявлено можливість швидкої (5–20 с) зміни окислювально-відновного потенціалу рідин в бік від'ємних значень з помірним підвищенням водневого показника. Проведено діагностику зміни фізико-хімічних властивостей води. Визначено склад та розміри частинок, що утворюються під час електричної ерозії електродів, запропоновано хімічну схему їх впливу на властивості води. Виявлено можливість подрібнення матеріалів, що моделюють відпрацьоване ядерне паливо, з метою вдосконалення методів його переробки. Оптимізовано параметри розрядного кола та реактора для подрібнення гумовотехнічних виробів у середовищі рідкого азоту. Доведено можливість обробки та зменшення розмірів зерен металів, що переплавляються в вакуумно-дугових пічках під впливом механіко-акустичних імпульсів, які утворюються високовольтними потужними підводними іскровими розрядами.Thesis for the scientific degree of the candidate of engineering sciences by specialty 05.09.13 – Technology of Strong Electric and Magnetic Fields. – National Science Center "Kharkiv Institute of Physics and Technology", Ministry of education and science of Ukraine National Technical University "Kharkiv Politechnic University" Kharkiv, 2017. This thesis is devoted to the improvement of the electric discharge equipment that is used for the substance treatment by heavy-current underwater spark discharges. The properties of materials and liquids were analyzed as a function of the electric parameters of discharge circuit, in particular, the charging voltage, the capacitance and the spark gap size. The structures of electrohydraulic reactors that are used for the treatment of general mechanical rubber goods and materials that simulate in the first approximation the spent solid nuclear fuel were developed and modernized to improve the methods of fuel recycling. The liquid degassing intensification method was suggested to initiate underwater spark discharges in the electrohydraulic reactor under the evacuation. The electrode system was created to provide the ordered motion of a pulsating steam and gas cavity in the water space at a reduced pressure in the reactor. A structure of the electric discharge generator of elastic vibrations that allows us to have an influence on the metal melts in vacuum-arc furnaces has been developed. It has been proved that mechanical acoustic vibrations generated by spark discharges in the liquid have a positive effect on the distribution of admixtures in treated metals and a decrease in the size of crystal grains. Technological recommendations on the improvement of the processes of electrophysical impact on the materials and liquid media were given. A mathematical model used for the investigation of the progress of current conducting channel that short-closes the spark gap at an early stage of its development, in particular a process of the expansion of current conducting channel and steam-gas cavity was improved. An opportunity for a fast (5–20 s) change in the redox potential of the liquid to the side of negative values with a moderate increase in the pH value was revealed for the first time. It has been shown that a change in the redox potential depends on the input of total energy into the treated volume. We established that a change in the redox potential is related to the processes that occur inside the steam-gas cavity, in particular chemical transformations that occur in its volume and the formation of electric erosion products of the electrodes that result in the chemical changes in the composition of treated medium. The size and dimensions of the particles that are formed during the electric erosion of electrodes have been defined. The chemical diagram of their influence on water properties has been suggested. A degree of the change in the redox potential is related to a number of formed polydisperse particles. Nanosize particles (37 % of the total volume of particles) with an increased physical and chemical activity were revealed.