Смешать воду и растительное масло в стойкую эмульсию можно и венчиком на кухне. Но как сделать это для 10 тонн отработанного машинного масла, чтобы получить дешёвое топливо для дизельной горелки? Или уничтожить бактерии в 50 кубах свиных стоков так, чтобы не платить огромные штрафы за сбросы? Этого можно добиться с помощью мощного разряда в жидкости, который известен как эффект Юткина, или электрогидроударный эффект. На Хабре очень мало информации об этом интересном эффекте, что я и попытаюсь исправить. Поехали!
Почему удар и как это устроить?
Электрогидроудар по Юткину всегда происходит в воде. По сути это электрический взрыв между двумя электродами, погруженными в воду. Вода при этом используется самая обычная, к примеру, водопроводная или из любого водоема. Вода должна иметь небольшую проводимость, ведь чистая дистиллированная вода вовсе диэлектрик и электричество не проводит. В этом первая прелесть эффекта Юткина. Использование простой воды с примесями солей для обеспечения малой проводимости обязательное условие. Затем собираем простейшую схему:
Заряжаем конденсатор до рабочего напряжения, замыкаем разрядник, происходит пробой разрядного промежутка, взрыв и в жидкости возникают мощные ударные волны, кавитационная каверна и поток жесткого ультрафиолета. Все эти эффекты позволяют применить электрогидроудар для различных прикладных задач. Каких?
Это может быть штамповка металлов, где в момент гидроудара возникают мощные скачки давления, которые мгновенно переводят материал за порог пластической деформации, превращая его на подобие резины. Металл заполняет все рельефы формы без разрывов и замятий, что обеспечивает высочайшее качество итоговой детали.
Еще одно замечательное применение эффекта - скоростное бурение. Центральный электрод вращается с небольшой частотой и на него подаются высоковольтные импульсы. Вся конструкция работает в воде, которую неприрывно подают в скважину. Особенностью такого бура является то, что он бурет тем быстрее, чем тверже порода. При этом укрепляется стенка будущей скважины, так как электрогидроудар буквально впечатывает породу в стенку. Скорость бурения может достигать 50 см в минуту.
Наиболее эффективно электрогидроудар используется для дробления твердых и сверхтвердых материалов. Порода для дробления подается вместе с водой в дробилку с калибрированными ситами. Материал необходимого размера после электрогидроудара отводится под действием силы тяжести. Материал для дробления не должен взаимодействовать с водой. Известняк дробить не получится, а вот гранит - без проблем. При этом процесс чрезвычайно энергоэффективный и чем тверже материал, тем более эффективно работают дробилки на этом принципе.
Ну а что рисунки, да рисунки. Из книжек. Пора уже конкретные примеры привести, а то читатель скучает. Пожалуйста!
Здесь показана установка для утилизации столбов электрических опор (на переднем плане). Эта установка была сделана для нужд РЖД для решения задачи утилизации отслуживших свой срок железобетонных конструкций. Не смотря на то, что их уже списали, они остаются очень сложной для утилизации проблемой. В первую очередь из-за бетона, который здесь специальный, особо крепкий. Внутри также мощный металлический остов из арматуры, сваренной на заводе при изготовлении столбов. Но есть плюс. Столбы внутри полые. Это дает возможность применить электрогидроударную технологию наиболее эффективно. Столб с помощью крана помещают в установку (ванну), наполненную водой. Во внутрь столба вводят электрогидроударную головку, которую медленно протягивают внутри столба и производят мощные электрогидроудары. В результате обработки, которая длится 15-20 минут, от столба остается основ из арматуры и бетонный бой - осколки 4-8 см.
Остов сдается в металлолом, бетонный бой - отправляется на отсыпку ЖД путей. Красота! И опять же процесс чрезвычайно энергоэффективный. Затраты на разрушение единичного столба (по электроэнергии) всего несколько десятков рублей. Конечно, есть и другие значительные и внушительные затраты, но я говорю в статье об эффекте со стороны энергоэффективности, т.е. прямых затрат на электроэнергию, отнесенную к итоговому результату.
Возвращаясь к анонсу статьи, электрогидроудар очень эффективен для смешивания принципиально не смешиваемых веществ. То есть он хорош для получения прямых и обратных стойких эмульсий. Прямая - масло в воде, обратная - вода в масле. Классический пример прямой эмульсии - молоко. В основе вода, а жиры и белки равномерно распределены по всему объему. При этом эмульсии бывают стойкие и нестойкие. Ну это понятно. Если с течением времени эмульсия не расслаивается - это стойкая эмульсия. И да. Молоко также пример относительно стойкой эмульсии. Со временем на настоящем молоке (не, не из Шестерочки) появляется сверху слой жировых сливок, но легкое перемешивание вновь возвращает эмульсию в первоначальный вид.
Чтобы проверить эффект смешивания масла и воды провели эксперимент по смешиванию 10 процентов растительного масла в воде с целью получения прямой эмульсии (в ней 90% воды).
Масло не растворяется в воде и как водится всплывает, образуя масляную пленку. Эксперимент по правилам! Все взвешиваем, записываем и фиксируем!
Как вы уже догадались, дорогие Хабровцы, у нас есть собственная опытная электрогидроударная установка и экспериментальная камера, где можно проводить различные эксперименты с гидроударом. Камера небольшая, вмещает 500-700 мл. жидкости, но этого достаточно для большинства экспериментов с этой технологией.
В камеру заливаем масло с водой, а точнее воду с маслом, проводим электрогидроудар при напряжении 25 кВ (делаем пять импульсов). Почему так? Объясню попозже)
Вскрываем камеру, сливаем результирующий "продукт". Это стойкая эмульсия, густая, как кисель. Позже мы повторили эксперимент, но добавили лишь 5 процентов масла. В этом случае получается прям "молоко". Белая, ровная и уже не такая густая консистенция. На фото не очень передается баланс белого, а пузырьки - это пена, так как все активно перемешивается и бурлит.
Через сутки наблюдается некоторое расслоение, но оно незначительное и эмульсия сохраняет стойкость. Только нужно слегка перемешивать.
Смешивать растительное масло с водой не так интересно! Интересно другое. С помощью электрогидроудара можно создать различные стойкие эмульсии и СОЖ, смешивать трудносмешиваемые вещества, делать кремы, краски, экстрактировать различные вещества в водный раствор. В текущем топливном кризисе эта технология позволяет делать топливные эмульсии на основе отработанных машинных масел или создавать топливные эмульсии с дизельным топливом (соляркой) с содержанием воды до 30 процентов. Конечно, современные дизельные моторы для работы с таким типом топлива вряд ли подойдут, но старые корабельные дизели, сваизабивающие машины (типа СП-49 с дизельным молотом) или дизельные горелки будут работать отлично и даже более эффективно. И здесь есть существенная экономика. Переработка отработанных масел тоже стоит денег, а изготовление топливной эмульсии будет обходиться примерно в 5-7 тыс.руб. за тонну. При цене за солярку в 90 и более тыс. руб. за тонну получить практически полных топливный аналог на цену на порядок ниже - отличная перспектива. Мы крепко задумались и сейчас ищем партнеров, чтобы это "поднять на крыло".
Завершить рассказ о преимуществах метода хочу ещё одним направлением его использования - стерилизацией сильно загрязненных биологических стоков. Это канализационные стоки, стоки свиноферм, КРС отходы. Всё это - бич современных сельскохозяйственных производств. При электрогидроударе возникают мощные потоки жесткого ультрафиолета и кавитационные эффекты, которые буквально "сжигают" любые микроорганизмы, при этом с высокой энергоэффективностью и скоростью.
Отходы СХ предприятий чрезвычайно загрязнены патогенными бактериями, спорами грибов и требуют нейтрализации, к примеру, для использования в биогазовых установках, о которых я тоже рассказывал в своих статьях на Хабре (одна, вторая). Даже если нет биогазовых станций, что для России большая редкость, стоки тех же свинокомплексов сливаются в лагуны, где они перерабатываются естественным образом, что тоже требует нейтрализации от чрезмерного биологического загрязнения. Электрогидроудар подходящая для этого технология.
Показан результат единичного разряда и сток буквально практически стерилизован. Общее микробное число подает на 5-6 порядков, сток становится пригодным для работы естественными аэробными бактериями в открытых лагунах и быстро перерабатываются без тлетворного запаха. Это направление использования электрогидроудара весьма перспективное, ведь экологическое законодательство неприрывно ужесточается и собственникам крупных животноводческих предприятий уже приходится серьезно задумываться над этим вопросом.
Здесь я хочу остановиться в описании преимуществ данного эффекта, хотя направлений его использования много больше, чем я рассказал сегодня. Поговорим теперь о проблемах и технологических вызовах при его внедрении в практику.
Преимущества понятны, что с недостатками?
Любая технология имеет преимущества и недостатки. Электрогидроударная технология - не исключение. Сам эффект был открыт в середине прошлого века, первые серьезные работы появились уже в 1953 году. Прошло много времени, но почему этот мощный эффект не развился до по-настоящему массовых применений. Здесь несколько важных моментов, о которых поговорим сейчас.
Технология реально опасная
Для осуществления эффективного электрогидроудара необходимо "вкачивать" мощные потоки энергии, при этом ускоряющее напряжение здесь от 20 до 60 кВ, а токи - десятки кА. Требования к электробезопасности и оборудованию - повышенные. Необходимы качественные контуры заземления и квалифицированный и соображающий персонал
Сильные электромагнитные помехи
На заре развития эффекта единственным способом коммутации запасенной энергии от высоковольтных конденсаторов были открытые воздушные разрядники, которые вызывают сильнейшие электромагнитные помехи и шум от коммутации.
Вопросы с качественными комплектующими
Для осуществления долгой и надежной работы оборудования необходимы качественные и долговечные конденсаторы, силовые сильноточные ключи, разрядники, качественные изоляционные материалы
Материаловедческие ограничения
Материал анода при гидроударе постепенно уносится в зону разряда, необходимы сплавы с повышенными характеристиками и устойчивостью к разрушению. Химический состав материала анода также важен, если гидроудар будет использоваться для пищевых применений.
Общие технологические ограничения
Создание качественного и долговечного электрогидроударного оборудования требует высококвалифицированных специалистов по сильноточной электронике, контролингу и системам управления.
Указанные ограничения были наиболее острыми на заре развития технологии, сейчас же ситуация кардинально изменилась и в лучшую сторону.
Все эти проблемы — инженерные, а не фундаментальные. Их уже научились решать.
Опасность никуда не делась, но конструкция современных "электрогидроударных машин" значительно защищена от дурака, использование современных псевдоискровых разрядников и сильноточных коммутирующих ключей значительно улучшило ситуацию. С помехами тоже научились работать, ведь в современных установках используются для управления оптические линии управления и гальванические и оптоволоконные развязки. Особое место контроллерам управления. Они в схемотехнике ориентированы на использование в условиях возникновения сильных электромагнитных помех и чрезвычайно надежны. Материаловедческие ограничения также существенно расшиты. Многообразие композитных материалов и материалов с высокой электрической прочностью сейчас вполне доступны и не так дороги. Развитие сильноточной электроники и всяких ускорителей (колайдеров, СКИФов) привело к появлению качественных и очень ресурстных высоковольтных конденсаторов, которые имеют большую ёмкость и миллионы циклов "заряд-разряд". И технологии продолжают развиваться, поэтому эра развития электрогидроударного эффекта только наступает и все его преимущества можно и нужно реализовывать в реальных технологических задачах.
В конструкции электрогидроударных установок, конечно, есть масса технологических фишек и даже НОУ-ХАУ, без которых сделать качественное оборудование сложно. Для примера. Главная задача при реализации электрогидроудара - максимально быстро (в идеале мгновенно) передать запасенную энергию конденсатора в нагрузку - электрогидроударную камеру, где происходит пробой разрядного промежутка. При этом чем "круче" фронт импульса, тем более качественно происходит весь процесс. Это в теории. На практике всё иначе.
Передать запасенную энергию из конденсатора надо хитро! Линия связи должна иметь минимальную индуктивность и быть полностью согласованной с нагрузкой, при этом эффект переполяривания должен быть минимальным, ведь он разрушает кавитационную каверну. Для этого рассчитывается и монтируется специализированная линия связи с нагрузкой - электрогидроударной головкой. Линия связи состоит из пяти кабелей РК-50 определенной длины, а схема управления умеет в нужный момент "срезать" хвост переполяривания.
Именно в таких (и в многих других) моментах проявляется квалификации специалистов, которые занимаются подобными технологиями. И здесь хочется без лишней скромности сказать, что в Томске имеется очень квалифицированная команда таких специалистов, которые выросли и впитали в себя компетенции научных школ Института сильноточной электроники и Томского научного центра. И они не теоретики. Команда успешно реализовала множество проектов по созданию высоковольтных и пучковых установок, о некоторых я тоже писал в своих статьях на Хабре (одна, вторая). Теперь наступила пора активно поработать над электрогидроударной технологией, поэтому наша команда ищет серьезных и амбициозных партнеров по её развитию, инвесторов и/или заказчиков, которые имеют задачи, которые нужно решить с использованием потенциала эффекта и компетенций команды разработчиков из Томска, в которую вхожу и я - ваш покорный слуга.
Пишите о ваших идеях и задачах на am@umium.com или в личку! Обсудим без обязательств.
И еще. Сегодня моя юбилейная статья на Хабре. Сороковая. Не то, чтобы я веду статистику, но все-же приятно. Более 10 лет в сообществе сторонников и людей, которые вдохновляют! Хабр, ты супер! И все его хабражители! Со многими уже и лично сдружился. Всем добра и мирного неба!
PS Желающие почитать классические работы по электрогидроудару - вам сюда.
