Специалисты UST Inc. разработали уникальный программно-аппаратный комплекс (ПАК) для мониторинга высоковольтных импульсов, вызывающих электрогидравлический эффект в жидкостях различной проводимости. Это сложная система, которая включает датчики тока, напряжения, скоростную камеру, синхронизаторы и программное обеспечение, анализирующее сотни импульсов.
Пример электрического разряда в различное время его жизни / © Unitsky String Technologies Inc
Электрогидравлический эффект — физическое явление, при котором электрический разряд вызывает образование ударной волны, которая, в свою очередь, выполняет полезную работу, например дробление стекла, угля, торфа, растительных отходов, нерудных и других материалов, обогащение руд, извлечение остаточных полезных ископаемых из отвалов, обеззараживание воды, механоактивацию строительных материалов и так далее.
Этот эффект используется в разработанной белорусскими инженерами UST Inc. электрогидроударной установке UniThorr, которая применяется компанией для тонкого измельчения природных ископаемых (бурый уголь, торф, горючие сланцы), извлечения редких химических элементов, получения водоугольного топлива, очистки и обеззараживания жидкостей и так далее.
При каждом электрическом разряде необходимо получать информацию о множестве параметров: от величины пикового тока до формы разрядного канала. Чтобы управлять электрическим разрядом, нужно не просто научиться измерять электрические параметры импульса, но и в реальном времени отслеживать поведение разряда внутри рабочей среды.
Во-первых, процесс образования и распространения разряда в жидкости очень быстротечный – разряд длится доли микросекунды, а амплитуда тока может достигать десятков килоампер и вносит помехи в электромагнитные каналы. Во-вторых, во время электрогидравлического разряда возникают ударные волны со сверхзвуковыми скоростями и давлением до 65 МПа – они деформируют среду, создают кавитацию.
А специализированных приборов, способных работать одновременно, снимая все необходимые параметры процесса, и выдерживать электромагнитные помехи, не выходя из строя, не существует.
Для надежной фиксации процесса разработчики использовали специально созданные электромагнитные датчики, датчики давления, тока и напряжения, а также на первых этапах исследования применяли скоростную видеосъемку, позволяющую увидеть процесс возникновения стримера (канала разряда) в жидкости и сопоставить его с данными, полученными с датчиков.
Сделать это было непросто из-за скоротечности процессов, работы с высоким напряжением и при значительном уровне электромагнитных помех.
На первый взгляд, разряд в жидкости – это просто «вспышка и хлопок». Но если заглянуть внутрь этой вспышки с помощью скоростной камеры и различных датчиков, открывается целый микромир. Ученые UST Inc. обнаружили, что на процесс возникновения и дальнейшего развития электрического разряда в жидкости напрямую оказывают воздействие множество факторов — от формы электродов до степени минерализации воды.
Результатом подготовительной работы по созданию ПАК стала визуальная фиксация разрядов и их классификация.
● Пузырьковый стример. Разряд начинается в микроскопических пузырьках газа, которые уже есть в жидкости. Под действием высокого напряжения внутри пузырьков возникает ионизация, после чего они раздуваются и становятся стартовой точкой для канала. Этот тип характерен для недегазированной воды и относительно долгих импульсов.
● Микровзрывной. Вода у поверхности электрода вскипает от локального нагрева, образуется пар, и в этом пару происходит разряд. Возникает мощная ударная волна – словно мини-взрыв. Такой механизм часто работает в установках с острыми электродами и очень высоким напряжением.
● Ионизационный. Здесь нет пузырьков или пара – разряд происходит прямо в жидкости благодаря гигантскому перенапряжению и сверхкороткому фронту импульса. Канал распространяется со скоростью до 200 км/с (!) и напоминает фрактальное дерево.
● Электротепловой. Разряд развивается медленно, от постепенного нагрева жидкости. Разрядный канал получается более толстым и стабильным, но требует высоких энергозатрат.
Вид разряда определяет не только значение электрических параметров, но и эффективность работы всей установки. Например, ионизационный стример дает резкий, мощный импульс с короткой продолжительностью, а микровзрывной сопровождается сильной ударной волной и резким скачком давления. Пузырьковый стример наиболее непредсказуем, но может обеспечивать мягкое разрушение структуры обрабатываемого материала.
Благодаря высокой точности регистрации данных, синхронизации всех датчиков и скоростной видеосъемке, инженеры смогли установить зависимость между типом разряда, характеристиками импульса и конечным результатом воздействия. Это открыло путь к следующему шагу – созданию алгоритмов мониторинга и анализа эффективности работы импульса с возможностью дальнейшей корректировки работы установки в реальном времени.
Фактически речь идет о возможности управления процессом, то есть оператор может создавать условия для требуемого эффекта и формировать цифровой отпечаток разряда – сигнал, по которому система определяет, что именно будет происходить в рабочей камере установки: мощный удар, некачественный разряд или идеальный по форме и энергии импульс. ПАК не только фиксирует это, но и предлагает оператору возможные варианты корректировки режима дальнейшей работы установки в реальном времени.
Таким образом, из хаоса и случайности электрогидравлический эффект превращается в управляемый инструмент – точный, надежный и адаптивный. То, что раньше было «ударом наугад», стало высокотехнологичным процессом с предсказуемым результатом.
Теперь оператор установки UniThorr с помощью алгоритмов, предлагаемых комплексом, может настраивать систему на режимы с максимальной эффективностью и безопасностью. Это повышает производительность, снижает износ оборудования, уменьшает энергозатраты и делает сам процесс более предсказуемым и управляемым.
У разработки большие перспективы. Такой подход может найти применение в энергетике, сельском хозяйстве, медицине, добыче полезных ископаемых и в области охраны окружающей среды. Все, что требует мощного, точечного, но контролируемого электрогидравлического воздействия, становится зоной применения UniThorr под контролем ПАК.
