Исследование разрушения бетона электрическим взрывом проводников с целью его утилизации

Введенная в проводник энергия является одной из важнейших характеристик взрыва, определяющих величину и скорость изменения сопротивления, термодинамическое состояние проводника, скорость расширения продуктов взрыва, размеры образующихся частиц и др. При анализе ЭВП пользуются также такими понятиями как объемная плотность энергии е, равная отношению величины введенной в проводник энергии к начал

ьному объему проводника, и достигаемый перегрев или энергосодержание е/ес – отношение объемной плотности энергии к энергии сублимации материала проводника ес.

Определение энергетических характеристик ЭВП обычно производят из совместной обработки осциллограмм тока и напряжения. Для RLC-контура выражение для расчета энергии W имеет следующий вид:

,

где – уменьшение заряда конденсатора, определяемое графическим интегрированием осциллограммы тока; U0 – начальное напряжение на конденсаторе; С – емкость конденсатора. Индуктивность L и активное сопротивление контура Rк находятся из осциллограмм тока короткого замыкания по формулам:

,

где Т – период затухающих колебаний контура, lnΔ – логарифмический декремент затухания колебаний тока в контуре, Δ – отношение соседних амплитудных значений тока одной полярности.

Выражение представляет собой разность между запасаемой энергией и оставшейся в накопителе, в магнитном поле контура и энергией, рассеиваемой на RK.

Удельное энергосодержание определяется по формуле

,

где l и S – длина и сечение взрываемого проводника.

Ударные волны при ЭВП

Явление ЭВП сопровождается генерацией ударных волн в окружающей среде. Ударные волны, инициируемые электрически взрываемым проводником в газах и особенно в конденсированных средах, находят все более широкое применение в технике и технологии благодаря возможности целенаправленно изменять их характеристики в широких диапазонах путем изменения размеров и материала проводника.

На начальной стадии ЭВП джоулев нагрев проводника сопровождается его линейным расширением, происходящим с относительно малой скоростью ~ (1–3)102 см/с. На стадии собственно взрыва, в процессе интенсивного испарения с внешней поверхности проводника после достижения темепратуры кипения, расширение вещества проводника происходит со скоростью (1–5)103 м/с и вызывает в окружающей среде возмущения, формирующие первичную ударную волну. Вторичные ударные волны обусловлены развитием сильноточного разряда в продуктах ЭВП или окружающей среде вследствие резкого возрастания вводимой в разрядный канал энергии и быстрого расширения образующейся плазмы. В характерных условиях на фронте ударных волн температура достигает 104 К, а давление – нескольких сот мегапаскалей (тысяч атмосфер).

Рисунок 17 - Осциллограмма потока (a), напряжение (b), и ударная волна (c) при электрическом взрыве медного проводника в воздухе, d = 0,15 мм

Возникающий при разлете образующихся в процессе ЭВП паров реактивный импульс отдачи может возбудить в неиспарившейся части проводника внутреннюю сходящуюся ударную волну. За фронтом этой ударной волны и в центральной части образуется область с пониженной плотностью, в которой может произойти пробой, приводящий к формированию периферийного дугового разряда.

При ЭВП в жидких средах ударные волны возбуждаются в момент, близкий к моменту прекращения тока, и при возникновении плазменного канала разряда. Энергия первичных ударных волн при взрыве тонких проводников обычно мала по сравнению с энергией вторичных ударных волн. Однако с увеличением диаметра (площади поперечного сечения) взрываемых проводников происходит перераспределение энергии между этими группами ударных волн.

Еще одна особенность ударных волн в жидкостях – это достижение высоких значений температуры и давления в канале разряда и образование пульсирующей во времени газовой полости. К моменту максимального расширения этой полости выделившаяся в процессе ЭВП энергия распределяется примерно следующим образом:

· энергия ударных волн ~ 60 %,

· энергия теплового излучения ~ 10 %,

· энергия, затрачиваемая на образование полости ~ 30 %.

При этом КПД преобразования энергии, запасаемой в первичном накопителе, в энергию гидромеханического импульса, составляет ~ 30÷40 %.

Для достижения высокой эффективности передачи энергии из накопителя в проводник на стадии собственно взрыва и получения ударных волн с максимальными параметрами необходимо согласование параметров электрической цепи, размеров и физических свойств материала проводника. Как было отмечено ранее, при увеличении площади поперечного сечения проводников S (или диаметра) выделяющаяся в них энергия возрастает, а энергия дуговой стадии уменьшается. При этом возрастает и скорость головной ударной волны, что имеет место до некоторого оптимального сечения Sопт, которое смещается в область больших значений при увеличении зарядного напряжения. Анализ соответствующих осциллограмм показал, что Sопт соответствует токам, близким к максимальным в данной разрядной цепи. При S > Sопт скорость ударной волны уменьшается даже при увеличении энергии, приходящейся на единицу длины. Это свидетельствует о том, что преимущественное влияние на гидродинамические характеристики ударных волн при ЭВП имеет объемная плотность выделяющейся в проводнике энергии, более высокие значения которой можно получить на стадии собственно взрыва проводников, параметры которых должны быть согласованы с параметрами накопителя энергии.

Технологическое применение ЭВП

Разрядно - импульсные технологии

При импульсном электрическом разряде в жидкости вокруг зоны его образования возникают ударные волны и потоки жидкости, способные совершать полезную работу. Высокие концентрации энергии и скорости обработки определяют области применения электрогидравлических установок: высокоскоростное деформирование металлов, разрушение и дробление хрупких материалов, очистка металлических деталей от формовочных смесей и окалины, эхолокация водоемов и т.п.

Электрогидравлическая штамповка листовых материалов. Схема процесса электрогидравлической штамповки с применением взрывающейся проволочки приведена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Схема электрогидравлической штамповки листовых материалов.

Заготовка 1 установлена над матрицей 2. Рабочая полость в матрице, как правило, вакуумируется. Отражатель 4 с электродной системой 3 заполнен водой. После пробоя рабочего промежутка в жидкости формируется волна давления. Взаимодействуя с заготовкой, волна передает ей свою энергию и производит работу деформации.

 Скачать реферат