Інтенсифікація теплових і гідродинамічних процесів шляхом керування умовами енергомасообміну (на прикладі потужнострумового плазмового прискорювача)

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного

УДК 536.24:532.5+533.9

Інтенсифікація теплових і гідродинамічних процесів

шляхом керування умовами енергомасообміну

(на прикладі потужнострумового плазмового прискорювача)

Спеціальність - 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Стрелков Ігор Васильович

Харків-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України й у Національному аерокосмічному університеті ім. М.є.Жуковського ,,Харківський авіаційний інститут”, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, академік НАН України Мацевитий Юрій Михайлович, Iнститут проблем машинобудування iм А.М. Пiдгорного НАН України, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ярхо Олександр Абрамович, Українська державна академія залізничного транспорту, професор кафедри теплотехніки та теплових двигунів;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Гаркуша Ігор Євгенійович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру “Харківський Фізико-технічний інститут”, начальник лабораторії плазмових прискорювачів.

Провiдна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, відділ моделювання тепломасообміну, м. Київ.

Захист відбудеться ,, 20 “ січня 2005р. о 14 годинi на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий ,, 7 “ грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О. Е. Ковальський



АНОТАЦІЯ

Стрелков І.В. Інтенсифікація теплових і гідродинамічних процесів шляхом керування умовами енергомасообміну (на прикладі потужнострумового плазмового прискорювача).- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спецiальнiстю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2004р. термодинамічний енергія густина

Дисертація присвячена інтенсифікації теплових і гідродинамічних процесів енергомасообміну. Основним фактором, що визначає поведiнку термодинамічної системи, є параметры та ступiнь залучення її внутрішньої енергії, що проявляється через взаємодію потоків (енергії та (або) частинок): що задається, який визначається зовнішнім впливом на систему і характеризуеться густиною J_з, та наявного (хаотичного), що визначається термодинамічним станом системи і характеризуєься густиною потоку хаотичного руху частинок J_х. Закони термодинаміки приводять до висновку щодо неминучості просторово-часової структуризації термодинамічної системи у разі досягнення граничних параметрiв енергомасообмiну. Обґрунтування зробленого висновку перевiрено шляхом експериментального дослідження термодинамічної системи - потужнострумового плазмового прискорювача (СПП). Шляхом аналізу результатів експерименту отримано вираз зміни ентропії через критерій Морозова. Проведено якісний аналіз граничних режимів газодинамічної течії, шляхом зіставлення параметрів структуризації з параметрами виникнення турбулентності, граничної швидкості потоку. Показано зв'язок умов досягнення граничних режимів течії газодинамічного потоку з умовами його структуризації.

Розробленi механізм виникнення та критерій прив'язки розрядного струму до анода прискорювача внаслідок нейтралізації просторового заряду в прианоднiй зоні СПП пiдтверджено результатами теоретичних та експериментальних досліджень фізичних процесів у розробленому та створеному вакуумному розряднику з електронним пучком. Розроблено методику визначення часу затримки розряду.

Запропонованi нові схеми та створені експериментальні моделі потужнострумового імпульсного плазмового прискорювача та вакуумного розрядника з електронним пучком. Дослiдження дозволили визначити умови досягнення граничних робочих параметрiв прискорювачiв за рахунок iнтенсифiкацiї процесiв енергомасообмiну.

Ключові слова: тепломасообмiн, енергомасообмiн, керування, термодинамічна система, інтенсифікація, критерій Морозова, плазмовий прискорювач, вакуумний розрядник.



АННОТАЦИЯ

Стрелков И.В. Интенсификация тепловых и гидродинамических процессов путём управления условиями энергомассообмена (на примере сильноточного плазменного ускорителя).- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2004г.

Диссертация посвящена интенсификации тепловых и гидродинамических процессов энергомассообмена, определяющих работу и эффективность энергопреобразователей, их экологичность.

Основным фактором, обуславливающим поведение термодинамической системы при энергомассообмене, являются параметры и степень задействования её внутренней энергии, что проявляется через взаимодействие потоков (энергии и (или) частиц): задаваемого, определяемого внешним воздействием на систему и характеризуемого плотностью J_з, и располагаемого (хаотического), определяемого термодинамическим состоянием системы и характеризуемого плотностью потока хаотического движения частиц J_х. При этом основные особенности энергомассообмена можно характеризовать с помощью критерия Морозова (Мо), представляющего собой отношение плотностей энергии задаваемого и располагаемого потоков - Мо = J_з / J_х. Степень задействования пропускной способности системы диктует перераспределение энергии задаваемого потока на обеспечение условий его прохождения и производство работы. Происходит изменение структуры внутренней энергии и соотношения между её частями при одинаковом исходном и конечном состояниях термодинамической системы.

Анализ возможных путей прохождения термодинамического процесса показал, что организация его в нелинейной области позволяет уменьшить значение относительных потерь энергии, увеличить КПД и мощность преобразования. Это происходит вследствие задействования всей пропускной способности термодинамической системы, её структуризации. Установлено существование предельных параметров образующихся структур, определяемых из условия равенства внутренней энергии хаотического движения частиц структуры и потенциальной энергии её поверхностных слоёв. Это накладывает ограничение на реализуемую мощность в единичном энергопреобразователе, что предопределяет необходимость изменения пути преобразования энергии, которое возможно за счёт его структуризации. Таким образом, законы термодинамики предопределяют пространственно-временную структуризацию термодинамической системы при достижении предельных параметров энергомассообмена. Это вызывает необходимость управления путём и условиями преобразования энергии. Обоснование сделанных выводов подтверждено результатами экспериментального исследования термодинамической системы - сильноточного плазменного ускорителя (СПУ).

Путём анализа результатов эксперимента получено выражение изменения энтропии через критерий Морозова. Проведен качественный анализ предельных режимов газодинамического течения сопоставлением параметров структуризации с параметрами возникновения турбулентности, предельной скорости потока. Показана связь условий достижения предельных режимов течения газодинамического потока с условиями его структуризации.

Разработанные механизм возникновения и критерий привязки разрядного тока к аноду ускорителя вследствие нейтрализации пространственного заряда в прианодной зоне СПУ подтверждены результатами теоретических и экспериментальных исследований физических процессов в разработанном и созданном вакуумном разряднике с электронным пучком. Разработана и подтверждена экспериментом методика определения времени задержки разряда.

Предложены новые схемы и созданы экспериментальные модели сильноточного импульсного плазменного ускорителя и вакуумного разрядника с электронным пучком. Исследования позволили определить условия достижения предельных рабочих параметров ускорителей за счёт интенсификации процессов энергомассообмена.

Ключевые слова: тепломассообмен, энергомассообмен, управление, термодинамическая система, интенсификация, энтропия, критерий Морозова, плазменный ускоритель, вакуумный разрядник.



SUMMARY

Strelkov I. V. Intensification of thermal and hydrodynamical processes by controlling energy-and-mass transfer (by example of intense current plasma accelerator). - Manuscript.

Thesis for a Candidat's degree by speciality 05.14.06 - heat engineering and industrial heat engineering. A.N. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of NАS of Ukraine, Kharkov, 2004.

The dissertation is devoted to intensification of heat and hydrodynamic processes.

The key factors determining the behavior of a thermodynamic system are the parameters and degree of involvement of its internal energy manifested by interaction of flows (energy and/or particles), viz. specified - determined by external action on the system, and characterized by density J₃, - and the available (chaotic) one determined by the thermodynamic state of the system, and characterized by the flux density of chaotic particle motion J_х. The laws of thermodynamics lead to the conclusion of inevitable space-time thermodynamic structurization when achieving ultimate energy-and-mass transfer parameters. Proof of the conclusion drawn has been tested by experimental investigation of a thermodynamic system - an intense current plasma accelerator (ICPA). By analyzing experimental data, the entropy variation based on Morozov's criterion has been obtained. The ultimate regimes of a gas dynamic flow have been analyzed qualitatively by comparing structurization parameters with parameters of occurrence of turbulence and ultimate flow rate. The relation between the conditions of achieving ultimate regimes of gas-dynamic flow and its structurization conditions has been shown.

The mechanisms of emergence, and the criterion of linkage of the discharge current to the accelerator anode, due to neutralizing of the spatial charge in the near-anode zone of the ICPA, have been developed. The results of theoretical and experimental investigations of physical processes in the developed and produced vacuum discharger with an electronic beam have been substantiated. The technique of determining the discharge lag time has been developed.

New schemes of an intense-current impulse plasma accelerator and vacuum discharger with an electron beam have been suggested and experimental models thereof have been developed. Investigations have allowed determining the conditions of achieving ultimate working parameters of accelerators by intensifying the energy and mass transfer processes.

Keywords: heat-and-mass transfer, energy-and-mass transfer, control, thermodynamic system, intensification, Morozov's criterion, plasma accelerator.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси енергомасообміну (ЕМО) визначають роботу та ефективність енергоперетворювачів. В однаковій мірі це стосується різних типів пристроїв, що передають тепло, енергетичних установок, двигунів. Підвищення ефективності енергоперетворювачів є актуальною задачею, тому що воно приводить до економії та раціонального використання матеріальних ресурсів, до поліпшення екології. Рівень розроблюваних технічних пристроїв визначається, у першу чергу, питомою енергетичною потужністю і коефіцієнтом корисної дії (ККД). Необхідність визначення меж і умов реалізації високої питомої потужності при високому ККД перетворення визначає і стимулює нові розробки технічних пристроїв, пошук умов досягнення граничних значень питомих параметрів процесів енергомасообміну. Як показує практика, ці значення питомих параметрів досягаються в критичних областях процесів. Перехід через граничні значення параметрів, що характеризується наявністю критичного стану, приводить до якісної перебудови (біфуркації) системи. При цьому поблизу критичної точки виявляється спільність у поводженні систем, незважаючи на те, що у всіх інших відношеннях, у тому числі за своєю природою, вони можуть бути зовсім різні. Це дозволяє розглядати їх з єдиних позицій. Становить інтерес пошук критерію, який би визначав характер процесів ЕМО в різних системах, методів і засобів керування цими процесами для забезпечення заданих техніко-економічних параметрів енергоперетворювачів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження в обраному напряму проводилися за бюджетними темами:

- 1.7.2.64. “Разработка, термодинамический анализ и оптимизация циклов тепловых двигателей и энергетических установок для водородной энергетики” (распоряжение Президиума АН УССР № 455 от 08.12.77г.), Г.р. №78079779;

- 1.7.2.123. “Дослiдження методiв електроiмпульсної обробки матерiалiв, розробка нових електроiмпульсних технологiчних процесiв, створення апаратури для їх реалiзацiї ” (постанова ВФТПЕ АН УРСР №8, §54 вiд 03.12.90р.), Д.р. №0191001771;

- 1.7.2.9. “Розробка наукових основ електрофiзичних явищ у теплових енергетичних установках” (постанова ВФТПЕ НАН України №3, §17 вiд 23.03.2000р.), Д.р. №0100U004809.

- 1.7.2.16. “Науковi основи застосування водню i активацiйних термохiмiчних технологiй для полiпшення енергоекологiчних характеристик теплотехнiчного обладнання” (постанова ВФТПЕ НАН України протокол №5, п.1 вiд 26.04.01р.), Д.р. №0101U03587.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є інтенсифікація теплових і гідродинамічних процесів шляхом керування умовами енергомасообміну.

У зв'язку з цим виникає необхідність розв'язання таких задач:

– вибір наукового підходу, методів і параметрів для дослідження процесів енергомасообміну;

– обґрунтування застосування критерію Морозова для аналізу фізичних процесів енергомасообміну;

– визначення меж граничних режимів роботи потужнострумового плазмового прискорювача (СПП);

– розробка методики розрахунку багатокаскадних енергоперетворювачів і апробація її на каскадному імпульсному плазмовому прискорювачі;

– аналіз граничних режимів у газодинамічних потоках з використанням критерію Морозова.

– розробка методики розрахунку ЕМО у вакуумному розряднику з електронним пучком.

Об'єкти дослідження - потужнострумовий плазмовий прискорювач, вакуумний розрядник з електронним пучком.

Предмет дослідження - теплові і гідродинамічні процеси.

Методи дослідження - комплексне використання теоретичних і експериментальних методів дослідження процесів енергомасообміну.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Запропоновано новий підхід для оцінки ефективності енергомасообміну.

2. Вперше обґрунтовано застосування критерію Морозова для аналізу процесів енергомасообміну.

3. Показано, що закони термодинаміки визначають просторово-часову структуризацію термодинамічної системи і енергоперетворювачів.

4. Показано можливість керування тепловими і гідродинамічними процесами з використанням критерію Морозова шляхом узгодження величин взаємодіючих потоків.

5. Установлено можливі межі енергомасообміну у потужнострумовому плазмовому прискорювачі та їхні визначальні фактори: перша межа визначається умовами струмопроходження, друга - умовами переносу прискореної маси робочого тіла прискорювача.

6. Удосконалено методику оптимізації параметрів енергоперетворювача, організованого за каскадним принципом, яка апробована на коаксіальному СПП в імпульсному режимі його роботи. Показано ефективність застосування каскадної схеми перетворення енергії, яка дозволяє керувати умовами енергомасообміну.

7. Вперше отримано вираз розрахунку ентропії через критерій Морозова у вигляді

S= k(ln1/Мо+ 0,25 Мо е ).

8. Обґрунтовано і підтверджено експериментом ініціювання розряду у високому вакуумі електронним пучком.

9. Розроблено і підтверджено експериментом методику розрахунку ЕМО у вакуумному розряднику з електронним пучком і часу настання пробою у вакуумному проміжку в залежності від теплофізичних властивостей матеріалу анода, конструктивних і електричних параметрів вакуумного проміжку й електронного джерела.

Розроблено нові схеми плазмових прискорювачів з ініціюванням розряду електронним пучком, що дозволяють інтенсифікувати процеси енергомасообміну і підвищити їхню ефективність.

Практичне значення одержаних результатів

1. Запропоновано методику визначення умов досягнення граничних режимів енергомасообміну.

2. Показано можливість інтенсифікації процесу ЕМО шляхом його організації за каскадною схемою.

3. Запропоновано вираз для розрахунку ентропії через критерій Морозова.

4. Розроблено й експериментально досліджено нові моделі прискорювачів, що дозволили визначити умови досягнення граничних робочих параметрів СПП.

5. Розроблено, створено й експериментально досліджено вакуумні розрядники з електронним пучком, показано можливість ініціювання розряду у високому вакуумі при напругах нижче критичних.

6. Практична цінність отриманих результатів полягає також в ефективності й універсальності розробленого наукового підходу для визначення особливостей і характеристики енергомасообміну, методів і засобів керування ним. Отримані результати можуть використовуватися конструкторськими організаціями і машинобудівними підприємствами.

7. Результати дисертацiйної роботи знайшли практичне застосування на пiдприємствах КБ ”Пiвденне” та “Iнститутi плазменної електронiки та нових методiв прискорення” ННЦ ХФТІ пiд час розробки нової технiки, плазмових прискорювачів та потужнострумової імпульсної техніки (акти від 23.06.2004 р. та від 14.06.2004 р.).

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в роботи, виконані і написані в співавторстві, полягає в такому:

– У роботі [1] реалізував і досліджував схему ініціювання електричного пробою електронним пучком у вакуумному проміжку з тиском ?2• 10^-5мм рт. ст.; одержав експериментальні залежності часу затримки розряду від параметрів електронного пучка.

– У роботі [2] шляхом осцилографування струму і напруги електронної гармати, а також розрядного струму нагромаджувача енергії експериментально досліджував умови пробою у вакуумному розряднику в діапазоні напруг на його електродах 0-5 кВ і тиску в камері 2• 10^-5мм рт. ст. у залежності від густини потоку потужності електронного пучка.

– У роботі [3] експериментально досліджував вплив геометричних параметрів вакуумного розрядника, фізичних властивостей речовини його електродів на час запізнювання розряду, ініційованого електронним пучком; одержав експериментальні та відповідні їм розрахункові залежності часу затримки розвитку пробою від міжелектродної відстані (1-4 см) розрядника, від діаметра анодного отвору в електронній гарматі (0,1 -0,5 см), від напруги на міжелектродному зазорі (0-5 кВ).

– У роботі [4] здійснив постановку задачі, брав участь у розробці методики оптимізації багатокаскадних енергоперетворювачів.

– У роботі [5] удосконалив методику визначення умов настання граничного режиму в потужнострумовому плазмовому прискорювачі, визначив наявність двох граничних режимів його роботи.

– У роботі [6] підтвердив експериментом методику розрахунку багатокаскадних енергоперетворювачів на прикладі двокаскадного потужнострумового плазмового прискорювача.

– У роботі [7] показав, що закони термодинаміки визначають просторово-часову структуризацію процесів енергомасообміну; вибрав як критерій аналізу основних особливостей енергомасообміну критерій Морозова, який зображено у вигляді відношения величин густини взаємодіючих потоків енергії - що задається та наявного.

- У роботі [8] провів якісний аналіз граничних режимів газодинамічної течії шляхом зіставлення параметрів структуризації потоку з параметрами, що відповідають виникненню в ньому турбулентності, настанню граничної швидкості течії.

- У роботі [9] показав, що застосування каскадної схеми в процесах горіння дозволяє інтенсифікувати процес горіння за рахунок зменшення часу його проходження.

– У роботі [10] розробив імпульсний плазмовий прискорювач із системою ініціювання розряду електронним пучком, дослідив і одержав експериментальні залежності тривалості імпульсу електронного пучка, що викликає розряд батареї конденсаторів (напруга на електродах 3-5кВ), від густини потоку потужності електронів на поверхні робочого тіла, його теплофізичних властивостей та величини зазору між електродами (1-5 см).

– У роботі [11] запропонував використовувати для аналізу процесів взаємоперетворення енергії та речовини критерій О.І. Морозова; припустив участь процесів структуризації та електродинамічних сил у процесі водневого окрихчування.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень повідомлені на:

- I Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям (8 - 12 февраля 1971г., г.Москва).

- Всесоюзной конференции “Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств” (12-14 октября 1977г., г.Харьков).

- Третьей Международной конференции “Водородная обработка материалов” (,,ВОМ-2001”).- Донецк-Мариуполь: 14-18 мая 2001г.

Публікації. Основні результати пропонованої до захисту роботи відбиті в 9 статтях , 2 доповідях на конференціях.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота включає вступ, шість розділів, висновки, додаток. Повний обсяг роботи складає 161 сторінку , з них 24 ілюстрацій, 6 таблиць, список використаних джерел, що містить 148 найменувань, на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульовано проблему й обґрунтовано актуальність роботи. Показано, що удосконалювання енергоперетворювачів безпосередньо зв'язане з інтенсифікацією процесів енергомасообміну. При цьому актуальним є знаходження критерію, що визначає характер процесів енергомасообміну в різних системах, методів і засобів керування цими процесами, вироблення єдиного підходу до їхньої організації.

У першому розділі розглянута структуризація (самоорганізація) процесів енергомасообміну. Показано, що граничні значення питомих параметрів ЕМО досягаються в критичній області, де відбувається структуризація системи частинок з утворенням стрибка потенціалу на межі структури, а облік корпускулярного аспекту фізичних процесів дозволяє з'ясувати їхні основні особливості. Як головний фактор, що визначає поведiнку термодинамічних систем і характер супровідних фізичних процесів, розглядається взаємодія потоків (енергії та (або) частинок): що задається, який обумовлений зовнішнім впливом на систему і характеризується густиною J_з , і наявного (внутрішнього), що обумовлений термодинамічним станом системи і характеризується густиною потоку хаотичного руху частинок J_х. Максимальне значення густини потоку J_з, що задається і проходить через систему, визначається пропускною здатністю цієї системи, тобто густиною наявного потоку J_х, що відповідно до молекулярно-кінетичної теорії газів може бути зображено у вигляді

J_х=nн_х ? 4 , (1)

де n - густина частинок системи; н_х=(8k?рm)^1/2 - середня арифметична швидкість частинок; Т - термодинамічна температура частинок; m - маса одиничної частинки.

Оскільки наведене співвідношення виконується для різного роду термодинамічних систем, запропоновано використовувати для характеристики процесів енергомасообміну критерій Морозова Мо, який зображено як відношення величини густини потоку J_з, що задається, до величини густини наявного потоку J_х

Мо= J_з / J_х . (2)

Встановлено, що просторово-часова структуризацiя термодинамiчної системи визначається законами термодинамiки. Показано, що забезпечення умов структуризацiї зумовлює необхiднiсть керування шляхом перетворення енергiї.

Як об'єкт дослідження вибрано потужнострумовий плазмовий прискорювач. У заключній частині розділу сформульовано напрям досліджень.

У другому розділі викладена методика визначення можливих меж ЕМО в СПП з використанням критерію Морозова. Перша межа ЕМО визначається умовами струмопроходження, друга - умовами переносу прискореної маси робочого тіла.

Розглянуто механізми, що супроводжують досягнення граничних параметрів роботи СПП. Показано, що каскадний режим роботи плазмового прискорювача дозволяє перейти першу межу і реалізувати в одиничному прискорювачі більш високі енергетичні та економічні показники.

У режимі роботи плазмового прискорювача, коли Мо=1, густина j розрядного струму прискорювача забезпечується густиною j_xо хаотичного потоку електронів плазми. У разі перевищення густини потоку, що задається, густиною наявного потоку (Мо>1) виникає прианодний стрибок потенціалу ц. Тоді густина j розрядного струму може бути записана як

j =· Мо, (3)

а вираз для розрахунку стрибка потенціалу матиме вигляд

ц =, (4)

де k - постійна Больцмана; Т_е - температура електронів; - температура електронів при Мо=1; е - заряд електрона; ?U - різниця потенціалів між границею анодної області і місцем останнього ефективного зіткнення електронів з іонами до потрапляння електронів на границю анодної області; В - стала в законі ,,трьох других“; m_e - маса електрона.

Густину потоку q, що підводиться до поверхні анода електронним пучком, можна зобразити як

q = (1- о ) j ( + Ф + ц +ДU) , (5)

де о - коефіцієнт, що враховує втрати енергії первинного пучка електронів на рентгенівське випромінювання, а також на його пружне і непружне відбиття від анода; Ф - величина роботи виходу матеріалу анода.

В результаті дії енергетичного імпульсу густиною q за час ф відбувається нагрівання поверхні анода до температури випарювання Т. У цьому випадку утворення іонів з густиною n_i може відбуватися за рахунок механізмів ударної, термічної і ступеневої іонізації парiв анода. Для визначення умови нейтралізації (n_е=n_i) прианодного стрибка потенціалу, що відповідає моменту “прив'язки” розрядного струму на анод прискорювача, отримано формулу, яка має вигляд

_, (6)

де j_e - густина електронного струму в прианодному стрибку потенціалу; М_i - маса іона матеріалу анода; Q_i - питома іонізація, що визначена для енергії електронів

W_e=2кТ_е + ец + eДU

d_a - розмір прианодного стрибка потенціалу; Р_кр - критичний тиск парiв анода в зоні випарювания в момент нейтралізації; б - коефіцієнт термічної іонізації, що розраховується за формулою Саха; к_iон. - константа ступеневої іонізації; t - час.

Наведений вираз дозволяє простежити (з моменту виникнення позитивного анодного стрибка потенціалу) за зміною значень Р и Р_кр у залежності від інтегральних параметрів прискорювача (витрати і струму через прискорювач), його геометрії й індивідуальних властивостей робочого тіла і матеріалу анода, а також для моменту Р/Р_кр ? 1 визначити критичні значення параметрів прискорювача (наприклад

Мо_кр і

де I - струм розряду, m - витрата робочого тіла) і порівняти їх з відповідними експериментальними значеннями.

Параметри ефективної роботи СПП обумовленi граничними режимами ЕМО. Максимальна витрата m_max робочого тіла, що відповідає максимальній граничній потужності прискорювача в однокаскадному режимі роботи (Мо_кр=1),

, (7)

де V_i - потенціал іонізації робочого тіла; M - молярна маса робочого тіла; N_A - число Авогадро; b - геометрична характеристика прискорювача.

Гранична швидкість плазмового згустку залишається постійною при всіх граничних режимах роботи однокаскадного прискорювача (при зміні критичного значення Мо_кр у межах від 1 до 3).

Отримано якісний і кількісний збіг розрахункових даних з експериментальними, отриманими рядом авторів.

Подолання вищерозглянутої межі ЕМО і збільшення граничної швидкості плазмового згустку і ККД прискорювача можливе шляхом керування процесом ЕМО за рахунок організації роботи прискорювача за каскадною схемою.

У цьому випадку значення критерію Морозова для процесу струмопроходження в каскадному плазмовому прискорювачі Мо_каск , у першому наближенні, можна записати як суму значень Мо_і кожного з каскадів

, (8)

де к- кількість каскадів.

Під час роботи прискорювача за каскадною схемою, у свою чергу, виникає новий критичний режим роботи через обмеження пропускної здатності прискорювача внаслідок досягнення рівності густини потоків енергії спрямованого руху плазмового згустку і хаотичного руху його частинок.

Третiй розділ присвячено розробцi та створенню вакуумного розрядника з електронним пучком, а також теоретичному й експериментальному дослiдженню фiзичних процесiв, що в ньому вiдбуваються. У результаті цих досліджень підтверджено механізм виникнення і критерій ,,прив'язки" розрядного струму до анода прискорювача внаслідок нейтралізації просторового заряду в прианоднiй зоні іонами анода.

Аналіз процесів взаємодії пучка електронів з матеріалом анода протягом тривалості ф струмового імпульсу показав, що на початку імпульсу густина струму емісії з катода електронної гармати обмежується негативним просторовим зарядом електронів. При цьому напруженість поля біля катода дорівнює нулю. З появою парiв матеріалу анода в міжелектродному проміжку розрядника та в області електронної гармати виникають іони, які створюють позитивний просторовий заряд і збільшують напруженість поля біля катода. Це приводить до росту емісії з катода, а значить, до подальшого збільшення випарювання й іонного заряду. За деяких умов цей процес наростає як лавина і призводить до пробою. Вираз для розрахунку густини струму із катода електронного джерела j_e через напруженість поля Е_к біля катода має вигляд

j_e = , (9)

де U_o - напруга в міжелектродному проміжку; U - напруга на електронному джерелі; d - відстань анод-катод електронного джерела; д - коефіцієнт, що враховує геометрію електродів; Т₀ - температура катода;

- густина

катодного струму за відсутності поля; а₃ - емісійна стала; е_о - електрична стала;

г - комплексний параметр, що характеризує геометрію розрядника та умови іонізації.

Розв'язок розглянутої вище задачі виникнення розряду під час імпульсного випарювання речовини електрода під впливом електронного пучка й аналіз впливу параметрів електронної гармати та прискорювача на затримку розряду проведені

для ряду матеріалів (Cu, Al, Fe, Sn, Li, Pb, Zn, Bi, Cd) у широкому діапазоні зміни електричних і геометричних параметрів електронного джерела та вакуумного проміжку розрядника (г=(0,001ч2)/133,322· 1/(н/м²) , або (0,001ч2 )·1/мм рт. ст.; q= 10⁷ч10⁹ Вт/м²).

Експериментальна перевірка умов вакуумного пробою та виділення маси у вакуумному розряднику з електронним пучком проводилася у вакуумній камері при тиску менш 5·10^-5мм рт.ст., міжелектродному проміжку (1-5) ·10^-2 м і прикладенiй до електродів напрузi U_о=(0-5)·10³ В. Як електроннi джерела застосовувалися двох- та трьохелектродні системи, а також джерела із магнітним фокусуванням. Розподіл густини струму по перерiзу пучка визначався методом рухомого коліматора з отвором. Експериментальні значення часу затримки виникнення основного розряду для різних матеріалів анода розрядника (Cd, Bi, Zn, Pb, Fe, Al, Cu) від густини потоку енергії, що надходить на поверхню анода, отримані осцилографуванням (суцільні криві - розрахунок). Експеримент підтвердив дієвість обраного критерію пробою вакуумного проміжку, що і був покладений в основу розрахунку часу запізнювання розряду під час ініціювання його електронним пучком. Відповідальним за пробій є процес перекомпенсації просторового заряду біля електронного джерела, що призводить до розвитку нестійкості в електронній гарматі та лавинного наростання струму. До моменту пробою струм емісії I_п перевищує початковий у 7-10 разів (рис.2, верхня лінія на осцилограмі). В експериментах знайшло своє підтвердження припущення щодо можливості використання електронного променя в СПП в імпульсному режимі його роботи для ініціювання розряду і подачі робочого тіла.

Задовільний збіг розрахункових даних з експериментальними у широкій області зміни параметрів розрядника дозволяє використовувати запропоновану методику визначення часу затримки розряду й оцінки величини маси робочого тіла, що випаровується, і для СПП з електронним пучком.

Порівняння фізичних процесів у прианодному шарі СПП (у разі виникнення граничного режиму його роботи) і вакуумному проміжку розрядника з електронним пучком дозволяє зробити висновок щодо фізичної аналогії між ними. Це дозволяє поширити закономірності, виявлені у разі пробою вакуумного проміжку розрядника, на процеси в прианодному шарі СПП під час досягнення критичного режиму його роботи.

У четвертому розділі показана можливість узгодження взаємодіючих потоків і підвищення ефективності енергомасообміну шляхом організації його за каскадною схемою. Проведено аналіз і синтез багатокаскадних систем перетворення енергії на основі їхньої формалізації. За критерій порівняння взято ККД.

Кожний елемент багатокаскадної системи перетворення енергії формально зображено за допомогою математичного перетворення

W=f(,W?), (10)

де W - вихідна (корисна) енергія робочого тіла після перетворення; W? - енергія, що підводиться до перетворювача; - вектор параметрів, які характеризують робоче тіло, що надходить на вхід перетворювача.

ККД перетворювача визначався як

з=, (11)

де W₀ (Щ) - енергія робочого тіла на вході в перетворювач.

Для розрахунку ККД системи, що складаєтья із паралельно з'єднаних перетворювачів, отримано вираз у вигляді

= з_i в_Уi , (12)

де з_i - ККД одного із паралельних перетворювачів; в_Уi - коефіцієнти, що характеризують розподіл наявної енергії, яка підводиться до системи, по паралельних перетворювачах.

Для оптимізації перетворювальної системи, що складається із паралельно з'єднаних перетворювачів, розглянута така задача:

= _i ( в_{R i} , в_Уi, W ^?, Щ ) в_Уi, (13)

за умови в_Ri =1, в_Уi =1 і W ^?= const, Щ= const,

де - в_Ri коефіцієнти, що характеризують розподілення початкової енергії робочого тіла системи по паралельних перетворювачах.

ККД системи, що складається із послідовно з'єднаних перетворювачів, визначається за допомогою виразу



з = , (14)

де з_k - ККД к-го послідовно з'єднаного енергоперетворювача; в_k - коефіцієнти, що характеризують розподіл енергії, яка підводиться до системи за допомогою послідовно з'єднаних перетворювачів.

Задача оптимізації ККД системи послідовних перетворювачів енергії в загальному випадку може бути сформульована таким чином:

рівняння процесу;

функція, що оптимізується; (15)

обмеження процесу.

Задача (15) належить до класу багатоетапних задач прийняття оптимальних розв'язкiв з адитивним критерієм і обмеженням на загальний ресурс керування.

ККД двокаскадного прискорювача плазми розглядається у вигляді

=₁(W?,) + ₂(W?,,)(1-) ,

де у відповідність вектору стану поставлена деяка скалярна функція (), яку можна назвати якістю носіїв енергії. Задача синтезу двокаскадного перетворювача математично зводиться до задачі пошуку екстремуму функції =() в області 0 1. При фіксованій енергії W?=const, яка підводиться, зазначена функція набуде вигляду



=₁() +₂ (,)(1-). (16)

Перевірка основних положень розглянутої методики організації багатокаскадних систем перетворення енергії проведена на двокаскадному плазмовому потужнострумовому прискорювачі з використанням виразу (16) шляхом зіставлення отриманих для нього дослідних і розрахункових даних. Результати порівняння, які наведені в п'ятому розділі, свідчать про застосовність запропонованої методики аналізу каскадних енергоперетворювачів.

П'ятий роздiл присвячено розробцi та створенню експериментальних моделей сильнострумових iмпульсних плазмових прискорювачiв з електронним пучком, а також їхньому експериментальному дослiдженню. Наведено результати дослiдження розроблених моделей прискорювачів одно - та двокаскадного СПП в iмпульсному режимі роботи (в діапазоні енергії, що реалізується за імпульс до 1000Дж). Підтверджено ефективність використання критерію Морозова у разі оцінки умов роботи СПП, доцільність застосування каскадної схеми прискорення, адекватність запропонованої методики розрахунку багатокаскадних енергоперетворювачів. Отримано вираз для ентропії через критерій Морозова.

На підставі результатів апробації на СПП запропонованого наукового підходу, методу і критерію аналізу режимів ЕМО проведений якісний аналіз граничних режимів газогідродинамічної течії шляхом зіставлення параметрів структуризації потоку з параметрами, що відповідають виникненню в ньому турбулентності, граничній швидкості течії. Встановлено зв'язок умов досягнення граничних режимів потоку з умовами його структуризації.

Для досліджуваних моделей наведені залежності тягового ККД, витрати робочого тіла фторопласт-4 і витрати матеріалу електродів за рахунок процесу ерозії від усередненого значення критерію Морозова Мо_сер.. Криві 1 і 1' належать до однокаскадного режиму роботи, 2 і 2? - двокаскадного, штрих - до кривих, що характеризують ерозію електродів. Значення критерію Морозова визначалося як

Мо_сер = ,

де Q = СU_о- заряд, накопичений у конденсаторній батареї ємністю С; U_о - напруга на конденсаторній батареї; M_i - маса іона робочого тіла; m - витрата робочого тіла через прискорювач за імпульс.

Експериментальні дані підтверджують, що оптимальні значення критерію Морозова для однокаскадного режиму роботи близькi до одиниці, а для двокаскадного - збільшуються більш ніж у два рази. При цьому ККД перетворювача значно зростає. Таким чином, двокаскадний режим роботи прискорювача дозволяє інтенсифікувати процес енергомасообміну за рахунок збільшення пропускної здатності системи більш ніж у два рази у порівнянні з однокаскадним режимом роботи.

Проведено перевірку адекватності розрахункової моделі двокаскадного СПП. Оптимізовану функцію ₁=f(W?) було взято або з експерименту безпосередньо, або у вигляді апроксимуючої залежності. Для оптимізованої функції коаксіального СПП, який утворює другий каскад двокаскадного прискорювача, було взято апроксимуючу функцію першого каскаду, у якій враховувалася зміна параметрів робочого тіла, що надходить у другий каскад, пропорційна підведенiй до нього енергії в першому каскаді прискорювача.

Порівняння експериментальних (суцільна крива) і розрахункових (штрихова крива) залежностей з(в) для двокаскадних СПП показує, що вони задові-льно збігаються, а це свідчить про застосовність запропонованої методики аналізу каскадних енергоперетворювачів. Зображенi на рис. 4 залежності відповідають енергії, що підводиться до прискорювача W?=430 Дж. При цьому криві характеризують роботу СПП: 1 - з одним електронним джерелом; 2 - із двома; 3 - з карборундовою системою ініціювання розряду.

Розробленi новi експериментальнi моделi плазмових прискорювачiв та їхнi дослiдження дозволили підтвердити обгрунтування основних положень обраного підходу і критерію аналізу процесів енергомасообміну, методів їхньої інтенсифікації, визначити умови досягнення граничних параметрiв новостворюваних прискорювачiв.

Аналіз експериментальних даних характеру втрат у СПП дозволив одержати вираз для зміни ентропії S у вигляді

S = Sе + Si = k(ln1/Мо+ 0,25 Мо е),

де S_е - зміна ентропії, обумовлена обміном енергією з зовнішнім середовищем; S_i - зміна ентропії, обумовлена необоротними процесами усередині системи; k - стала Больцмана.

У результаті якісного аналізу режимів газодинамічної течії встановлено, що настання турбулентності відповідає умовам виникнення структур у потоці робочого тіла; вирівнювання профілю швидкостей у разі наближення до швидкості звуку пояснюється залученням хаотичної швидкості молекул у напрямку руху потоку; граничні електродинамічні сили, що виникають внаслідок утворення структур і стрибка потенціалу на їхній поверхні, порівнянні із силами спрямованого руху потоку.

Таким чином, урахування процесів структуризації в процесах енергомасообміну допомагає наблизитися до розуміння багатьох явищ, що не знайшли остаточного пояснення, дозволяє розробити методи і засоби керування процесами енергомасообміну з метою удосконалювання енергоперетворювачів і забезпечення їхніх необхідних параметрів.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Проведені розрахунково-експериментальні дослідження дозволили одержати такi основні результати.

Запропоновано новий підхід для оцінки ефективності енергомасообміну.

Обрано та обґрунтовано критерій аналізу і метод дослідження процесів енергомасообміну.

2. Встановлено необхідність використання критерію Морозова під час аналізу режимів енергомасообміну.

3. Показано, що закони термодинаміки визначають просторово-часову структуризацію термодинамічної системи і енергоперетворювачів.

4. Показано, що для забезпечення оптимальних параметрів енергомасообміну необхідні виявлення та аналіз усіх можливих енергетичних потоків, що проходять через термодинамічну систему, визначення меж енергомасообміну для кожного з них і встановлення умов оптимальності.

5. Показано можливість керування енергомасообміном з використанням критерію Морозова шляхом узгодження величин потоків, що задається, та наявного. Одним з таких методів є організація роботи енергоперетворювача за каскадною схемою.

6. Удосконалено методику оптимізації параметрів енергоперетворювача, робота якого грунтується на каскадному принципі, що апробована на коаксіальному СПП в імпульсному режимі його роботи.

7. Встановлено можливі межі енергомасообміну в потужнострумовому плазмовому прискорювачі та їхні визначальні фактори: перша межа визначається умовами струмопроходження, друга - умовами переносу прискореної маси робочого тіла прискорювача.

8. Вперше отримано вираз ентропії через критерій Морозова у вигляді



S = k(ln1/Мо+ 0,25 Мо е) .

9. Обґрунтовано і підтверджено експериментом ініціювання розряду у високому вакуумі електронним пучком за напруг нижче критичних.

10. Розроблено й експериментально апробовано методику розрахунку енергомасообміну у вакуумному розряднику з електронним пучком, методику визначення моменту пробою у вакуумному проміжку з урахуванням теплофізичних властивостей матеріалу анода, конструктивних і електричних параметрів вакуумного проміжку й електронного джерела.

Розроблено нові схеми плазмових прискорювачів з ініціюванням розряду електронним пучком, що дозволяють інтенсифікувати процеси енергомасообміну і підвищити їхню ефективність.

Положення та результати досліджень дисертаційної роботи можуть бути використані для встановлення меж енергомасообміну конкретних термодинамічних систем та ефективності енергоперетворювачів.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ

1. Белан Н.В., Островский Е.К., Гайдуков В.Ф., Стрелков И.В., КалашниковЛ.Н. Электрический пробой в вакууме, инициированный электронным пучком // Журн. техн. физики. - 1971. - 41, №3. - С.563 - 567.

2. Белан Н.В., Гайдуков В.Ф., Костюк Г.И., Островский Е.К., Стрелков И.В. Об условиях пробоя в вакуумном разряднике с электронным пучком // Журн. техн. физики.- 1972. - 42, №2. - С.382 - 385.

3. Белан Н.В., Островский Е.К., Стрелков И.В. Влияние параметров разрядника с электронным пучком на развитие пробоя // Журн. техн. физики.- 1973.- 43, №5.- С.1074-1076.

4. Варшавский И.Л., Куценко А.С., Стрелков И.В. Об организации многокаскадных систем преобразования энергии //Самолётостроение. Техника воздуш. флота. -Харьков. -1978. -Вып.44. - С.37-41.

5. Мацевитый Ю.М., Стрелков И.В. Определение предельных тепломассообменных режимов работы сильноточного плазменного ускорителя // Пробл. машиностроения. - 2003. - 6 , № 1 . - С.65-73.

6. Мацевитый Ю.М., Стрелков И.В. Интенсификация тепломассообменных процессов в сильноточном плазменном ускорителе // Пробл. машиностроения. - 2003. - 6 , № 3 . - С.39-52.

7. Мацевитый Ю.М., Стрелков И.В. Анализ тепломассообмена с использованием критерия Морозова // Пробл. машиностроения. - 2003. - 6, №4.- С.16-21.

8. Мацевитый Ю.М., Стрелков И.В. Анализ предельных режимов тепломассообмена в газогидродинамическом потоке // Пробл. машиностроения. - 2004. - 7, №1.- С.41-50.

Мацевитый Ю.М., Стрелков И.В. Интенсификация тепломассообмена в процессах горения // Пробл. машиностроения. - 2004. - 7, №2.- С.21-27.

10. Белан Н.В., Гайдуков В.Ф., Костюк Г.И., Островский Е.К., Стрелков И.В. Инициирование разряда электронным пучком в импульсном ускорителе плазмы // Тр. Всесоюз. конф. “I Всесоюз. конф. по плазменным ускорителям”. - М., 8-12 февр. 1971г.- С.44.

11. Стрелков И.В., Сурду Н.В. Структуризация во взаимопревращениях энергии и вещества // Тр. Третьей Междунар. конф. “Водородная обработка материалов” (”ВОМ-2001”). -Донецк-Мариуполь, 14-18 мая 2001г. - С.368-370.

Размещено на Allbest.ru