Электрический взрыв проводника. НИР_Зинчук_Е.Д._Электрический взрыв проводника_гр.Д-238п_отчет. электрический взрыв проводника

• Название: электрический взрыв проводника
• Анкор: Электрический взрыв проводника
• Дата: 31.10.2021
• Размер: 1.82 Mb.
• Имя файла: НИР_Зинчук_Е.Д._Электрический взрыв проводника_гр.Д-238п_отчет.docx
• Тип: Документы; #259898
• страница: 9 из 9

8 Расчет энергии введенной в проводник

Рассмотрим расчет начальной стадии ЭВП, включающий периоды нагрева проводника в твердом состоянии, плавления до последующего нагрева жидкого металла до точки кипения. Предположим, что отсутствуют периферические дуги, потери энергии на взаимодействие проводника с окружающей средой пренебрежимо малы, проводник нагревается однородно – влияние скин-эффекта, теплопроводности, развитие неустойчивости и других факторов, нарушающих пространственную однородность джоулева энерговыделения, являются незначительными.

При сделанных предположениях разряд концентрированной батареи емкостью С_о через взрываемый проводник с сопротивлением R₁ с учетом однородного энерговыделения в проводнике описывается системой уравнений
(14)
где L₀ и R₀ – индуктивность и активное сопротивление электрической цепи; I – ток; U_c и U₀ – напряжение на конденсаторной батареи и ее зарядное значение; L₁ индуктивность системы взрываемый проводник – обратный токопровод; m₀ – масса проводника.

При заданном законе изменения сопротивления взрываемого проводника в зависимости от выделяющейся в нем удельной энергии R_1/ R_{1 0} = f(W_R) система уравнений (14) может быть проигнорирована численно и в ряде и в ряде случаев аналитически. Для дальнейших рассуждений уравнения энерговклада в проводник [третье уравнение в системе (14)]приведем к виду:

(15)
где Ф(R₁) = dR₁/dW_R. В случае линейности зависимости сопротивления проводника от удельного энерговклада имеем: Ф(R₁) = R_{1 0}β. Путем несложных преобразований можно показать, что сопротивление проводника определяется функционалом
R₁(t) = {A(t)} (16)
где (17)

• 
  интеграл действия. В случае линейности зависимости сопротивления проводника от удельного энерговклада:
  

(18)
В ряде случаев нелинейное изменение сопротивления взрываемых проводников более удабно представлять в виде зависимости от интеграла действия A(t), чем от удельной выделившейся энергии w_R. В самом деле, при анализе результатов экспириментов проще определить A(t), чем w_R, так как для этой цепи необходимо измерять ток в электрической цепи, в то время как для определения энергии необходимо измерять еще и напряжение на проводнике.

Значение A_m, соответствующее моменту пика напряжения на взрываемом проводнике, определяется главным образом фактическими свойствами металла и слабо чувствительно к изменению других рабочих условий: размеров проводников, свойств окружающей среды и параметров электрической цепи.

Принимая во внимание, что на начальной стадии ЭВП разрядный ток, как правило, практически совпадает с током разряда в короткозамкнутой цепи: I(t) = I₀sin(ω₀t), и до начала преобразования R₀ + R₁(t) < 2Z₀ [ здесь I₀ = U₀/Z₀, Z₀ = (L/C₀)^1/2 – волновое сопротивление цепи, ω₀ = (L C₀)^1/2 – собственная частота], интеграл действия может быть приблизительно вычислен для любого временного интервала t₁ ≤ t ≤ t₂:
(19)

Формула (19) позволяет проводить приближенные аналитические оценки длительности начальной предвзрывной стадии, используя известные для целого ряда металлов значения интеграла действия.

Период плавления проводника наиболее просто описывается в квазистационарном приближении, в котором уравнение энерговклада в проводник может быть записано в виде:
(20)
где Λ_пл – скрытая теплота плавления; m – масса еще не расплавившейся части проводника.

Принимая модель плавления с поверхности и считая твердую и жидкую части проводника включенным параллельно, получаем зависимость сопротивления проводника от выделившейся в нем энергии:
(21)
где Δv/v – относительное увеличение объема при плавлении (для алюминия Δv/v =6,6%, Λ_пл 0,38 кДж/г, σ_ж/σ_τ = 0,61; для меди Δv/v =4,5%, Λ_пл 0,21 кДж/г, σ_ж/σ_τ = 0,648).

Изменение во времени сопротивления проводника на этапе плавления описывается дифференциальным уравнением:
(22)
В период нагрева расплавленного проводника до температуры кипения теплового расширения металла становится еще более существенным. Если считать, что в этот период увеличение объема проводника происходит преимущественно за счет изменения поперечного сечения, то зависимость сопротивления проводника от выделяющейся в нем удельной энергии имеет вид:
(23)
где γ_v= a_v/C_p, a_v – коэффициент объемного расширения жидкого металла, C_p – удельная теплоемкость (для алюминия β_ж = 0,49 г/кДж, γ_v = 0,111 г/кДж; для меди β_ж = 0,81 г/кДж, γ_v = 0,272 г/кДж).

Изменение сопротивления проводника во времени на этом этапе определяется уравнением:
(24)
Путем совместного решения уравнений электрической цепи и уравнений (22) и (24) [либо (14), (21), (23)] рассчитываются процессы плавления и нагрева расплавленного проводника до начала преобразования. Результаты расчетов длительности периодов нагрева проводника в твердом состоянии, плавления и нагрева проводника в жидком состоянии, иллюстрирующие описанную выше модель начальной стадии ЭВП, приведены на рисунке 5.[2]


Рисунок 5 – Расчетные зависимости предшествующих собственно взрыву стадий от добротности электрической цепи при нескольких значениях параметра Q^*₀ = βw₀ / m₀.

9 Использование электрического взрыва проводника в электрофизических установках

1)В последние годы рост интереса к исследованию ЭВП связан с успешными экспериментами по получению мягкого рентгеновского излучения при сжигании многопроволочных цилиндрических оболочек на установке Ангара-5-1 и на генераторе Z, Сандия, США. В этих экспериментах взрыв проволочек является начальной фазой сжатия плазменных лайнеров, а в финале имплозии возникает высокотемпературная плотная плазма, которая служит мощным источником мягкого рентгеновского излучения (рекордные выходы излучения — около 2 MJ за импульс), перспективного с точки зрения УТС.

2) Получение нанопорошков методом ЭВП. Исследователями разработаны различные варианты конструкций установок для получения нанопорошков. Однако принципиальные различия между ними несущественны и все известные конструкции включают в себя следующие части:

1. Генератор импульсных токов (ГИТ), состоящий из ИП высокого напряженияи батареи конденсаторов С, который формирует высоковольтный импульс (рис. 6).

2. Механическая часть, соединенная с ГИТ через кабельный ввод и предназначенная для организации ЭВП и сбора порошка.


Рисунок 6 - Принципиальная схема установки для получения нанопорошков.
ИП (рис.1) заряжает батарею конденсаторов С до требуемого напряжения, величина которого контролируется киловольтметром kV. С помощью коммутатора Р, С разряжается на взрывающийся проводник ВП, расположенный в реакторе ВК. Предварительно реактор вакуумируется и заполняется рабочим газом (аргон, ксенон, водород и т.д.). Проводник взрывается, импульсы тока I и напряжения U регистрируются при помощи токового шунта R4 и делителя напряжения R2, R3. Продукты взрыва (нанопорошок) удаляются в фильтр через окно 1 потоком рабочего газа, который поступает через окно 2. L и R1 – собственные индуктивность и активное сопротивление контура.

При работе установки (рис. 7) проволока 5 подается из секции 8 в направлении электрода 4. После выдвижения проволоки датчиком на заданную длину, включается привод обратного клапана, который закрывается, отсекая реактор 1 от реактора со стороны охладителя 20. Затем под действием сигнала датчика срабатывает механический разрядник секции 2, на проволоку подается высокое напряжение и происходит взрыв. Под действием энергии взрыва продукты ЭВП, расширяясь, начинают свое движение в сторону секции охладителя 6. Проходя через охладитель, температура продуктов взрыва снижается до 20^оС. Обратный клапан открывается и под действием вентилятора 18 продукты взрыва продолжают свое движение в сепараторе 7, где происходит отделение крупных частиц. Проволока продолжает движение и при включении датчика длины процесс повторяется. Под действием динамических сил, формирующихся при взрыве проволоки, и преимущественной циркуляции газового потока, продукты взрыва продолжают движение по контуру установки и осаждаются в фильтре 10, накапливаются и выпадают в стакан 11. Далее газ, в основном очищенный от продуктов взрыва, попадает в циклон 15, в котором происходит «закатывание» частиц, не осажденных в фильтре, в крупные прочные агломераты и их выпадение в стакан циклона 15. Из циклона газ проходит через тканевый фильтр 16, где и происходит полная очистка газа. После фильтра 16 газ проходит охладитель 20 и возвращается в реактор 1. Вентилятор 13 обеспечивает необходимую скорость газа в циклоне 15. Частота работы установки составляет не менее 1,5 Гц, с производительностью по нанопорошку алюминия не менее 0,2 кг/ч.


Рисунок 7. Принципиальная конструкция установки: 1 – реактор; 2 – секция высоковольтного ввода и механического разрядника; 3 – высоковольтный изолятор; 4 – высоковольтный электрод; 5 – проволока; 6 – охладитель потока газа; 7 – сепаратор; 8 – секция механизма подачи с катушкой проволоки и датчиком длины проволоки; 9 – вентиль, регулирующий скорость газового потока; 10 – фильтр улавливания порошка; 11 – бункер (стакан) для накопления порошка; 12 – вентиль отсечки; 13 – центробежный вентилятор для организации движения газа в циклоне; 14 – электродвигатель привода вентилятора; 15 – циклон; 16 – тканевый фильтр; 17 – вентили для очистки тканевого фильтра внешним потоком газа; 18 – центробежный вентилятор; 19 – электродвигатель привода вентилятора; 20 – охладитель потока газа; 21 – обратный клапан; 22 – заземленный электрод.
Для получения нанопорошков металлов в массовых количествах, обычно используются следующие параметры технологического процесса:

1. Диаметр взрывающегося проводника d₀=0.20·10^-3 - 0,45·10^{-3 м};

2. Относительное энергосодержание взрывающегося проводника (перегрев) Е/Е_c=1,5-2,5(Е – энергия, введенная в проводник, Е_с – энергия сублимации металла), определяется по осциллограммам разрядного тока;

3. Давление газовой атмосферы (аргон), в которой происходит взрыв Р=0,5·10⁵-3,0·10⁵ П;

4. Температуры газовой атмосферы Т=10-60 °С.[7]

Список используемых источников

1. Чейс У. М. Успехи Физических Наук. 1965. Т. 85. Вып. 2. С. 381–386

2. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. 1990. Москва. Энергономиздат. С. 41 – 44.

3. Русских А.Г., Орешкин В.И., Лабецкий А.Ю., Чайковский С.А., Шишлов А.В. Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 5. С. 35-37

4. Азаркевич Е. И. Применение теории подобия к расчету некоторых характеристик электрического взрыва проводников . ЖТФ. – 1973. – Т. 43. – № 1. – С. 141.
5. Орешкин В.И., Бакшт Р.Б., Лабецкий А.Ю., Русских А.Г., Шишлов А.В., Левашов П.Р., Хищенко К.В., Глазырин И.В. Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 7. С. 39-41.

6. Иваненков Г.В., Пикуз С.А., Шелковенко Т.А., Романова В.М., Глазырин И.В., Котова О.Г., Слесарева А.Н. Обзор литературы по моделированию процессов электрического взрыва тонких металлических проволочек. Москва. 2004. Ч.1. С 5-6.

7. Лернер М.И., Cваровская Н.В., Псахье С.Г., Бакина О.В. Технология получения, характеристики и некоторые области применения электровзрывных нанопорошков металлов. Российские нанотехнологии. 2009. Т.4 № 9.