НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Бойко Микола Іванович

УДК 621.35.035: 621.365

НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ВИСОКОВОЛЬТНИХ ІМПУЛЬСНИХ ДІЙ

Спеціальність 05.09.13 – Техніка сильних електричних та магнітних полів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті (НДПКІ) “Молнія” і на кафедрі інженерної електрофізики Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Михайлов Валерій Михайлович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри інженерної електрофізики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бржезицький Володимир Олександрович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, м. Київ,

завідувач кафедри техніки та електрофізики високих напруг;

доктор технічних наук, професор

Намітоков Кемаль Кадирович,

Харківська державна академія міського господарства

м. Харків,

професор кафедри світлотехніки;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Чумаков Володимир Іванович,

Харківський Національний університет радіоелектроніки

м. Харків,

завідувач кафедри радіоелектронних пристроїв.

Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 9 ” жовтня 2003 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .050.08 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, Харків-2, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 21 ” серпня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення високовольтних імпульсних установок, що дозволяють одержувати та ефективно використовувати сильні імпульсні електричні поля (СІЕП) з напруженостями близько 100 кВ/см і більше та часом зростання приблизно 1 нс і менше, є актуальною проблемою для багатьох електротехнологій.

Обробка харчових продуктів за допомогою СІЕП дозволяє краще, ніж традиційні теплові технології, зберегти їх біологічну та харчову цінність. Однак технологія обробки продуктів за допомогою СІЕП у світі тільки починає розвиватися (поперед над усе у таких країнах як США, Німеччина, Франція). Обставиною, яка гальмує розвиток цієї перспективної технології, є відсутність ефективних високопродуктивних електротехнологічних установок, що забезпечують одержання в робочих камерах, де ведеться обробка, СІЕП з напруженостями коло 100 кВ/см і більше. Подолання цієї обставини являє собою вельми актуальну задачу.

Розвиток електрофізіотерапії, де використовуються СІЕП, актуальний в усьому світі, оскільки лікування і профілактика широкого кола захворювань за допомогою фізіотерапевтичних апаратів дозволяє запобігти суттєвих регулярних витрат на медикаменти. Однією з найбільш актуальних задач ефективного використання СІЕП стосовно електрофізіотерапії є створення апарату, що дозволяє одержати СІЕП з широким не шумовим спектром частот: від 0 до 10 ГГц та більше у кожному імпульсі. Її розв’язання дозволить об’єднати терапевтичні можливості кількох апаратів в одному і підвищити їх ефективність.

Перспективними є й озонні технології, і технології очистки газів, що відходять, різноманітних виробництв на основі імпульсного коронного розряду. Тут вельми актуальною є задача зменшення енерговитрат на одержання активних часток (наприклад, атомарного кисню, озону). При успішному розв’язанні цієї задачі технології на основі імпульсного коронного розряду можуть стати економічно більш привабливими, ніж технології на основі бар’єрного розряду. Найбільш перспективною тут уявляється обробка води енергетично дешево одержаним озоном, оскільки від якості споживаної людиною води у великій мірі залежить її здоров’я.

Перелічені актуальні проблеми можуть бути успішно вирішені за допомогою нових технологій на основі високовольтних імпульсних дій і відповідних установок як інструмента для одержання СІЕП, які створені при виконанні даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана у НДПКІ "Молнія" згідно з держбюджетною темою під назвою "Дослідження процесів при обробці продуктів і систем за допомогою комплексу високовольтних імпульсних дій (КВІД)" (шифр "П3-9024", номер державної реєстрації № U000383) координаційного плану Міністерства освіти і науки України на протязі 1998 – 2002 років.

Перша повномасштабна експериментальна установка на основі комплексу високовольтних імпульсних дій була розроблена та виготовлена в НДПКІ “Молнія” у 1995 році згідно з договором з Міністерством агропромислового комплексу України (договір № 4.77/251), який склав основу дисертаційної роботи.

В рамках робіт по договору № (16/1538) “Розробка апарату для широкосмугової імпульсної електромагнітної терапії” (Замовник - Державне українське об’єднання “Політехмед”, м. Київ), що також склав основу цієї дисертації, підготовлені та затверджені медико-технічні вимоги на оригінальний апарат для широкосмугової електромагнітної імпульсної терапії (АШЕМІТ).

Крім того, базовим для виконання докторської дисертації послужив міжнародний проект в науково-технологічному центрі в Україні (НТЦУ) № “Розробка високоефективної технології обробки рідких харчових продуктів, в тому числі молока, соків, вина, а також води, біопрепаратів та інших рідин і збільшення строків їх зберігання на базі комплексу високовольтних імпульсних дій (КВІД)”.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є створення установок для нових ефективних технологій на основі високовольтних імпульсних дій, в яких первинним фактором є сильне імпульсне електричне поле з напруженістю приблизно 100 кВ/см і більше, тривалістю фронту імпульсів від 20 нс до 0,1 нс.

Для досягнення мети, що поставлена, повинні бути розв’язані наступні задачі.

1. Сформулювати принципи побудови генераторів СІЕП та ефективних електротехнологічних установок для високовольтних імпульсних дій.

Для цього потрібно вивчити фізичні основи технологій, що підлягають розробці, оцінити стан питання та створити експериментальні пристрої, що здійснюють високовольтні імпульсні дії на різні об’єкти, для проведення досліджень.

2. Розробити електричні схеми та конструкції генераторів високовольтних імпульсів (з наносекундним або більш коротким фронтом) технологічного масштабу, оригінальні конструкції основних високовольтних елементів у генераторах: імпульсних трансформаторів, імпульсних ємнісних нагромаджувачів енергії (конденсаторів), іскрових комутуючих розрядників.

3. Створити (з використанням розроблених генераторів) оригінальні технологічні установки:

установку для мікробіологічно знезаражуючої (інактивуючої) обробки харчових водомістких рідких та текучих продуктів за допомогою комплексу імпульсних дій, для чого має бути розроблена концепція раціональних високовольтних імпульсних дій при обробці водомістких рідин та текучих продуктів з метою інактивації мікроорганізмів, що в них знаходяться;

апарат для широкосмугової електромагнітної імпульсної терапії, для чого треба обґрунтувати можливість створення переносних (масою не більше 6 кг) апаратів з високовольтними генераторами імпульсів, які містять іскрові розрядники, що забезпечують тривалість фронту імпульсів на виході до 0,1 нс і менше, з безперервним не шумовим спектром частот у кожному імпульсі від 0 до приблизно 10 ГГц, перспективних для електротерапії;

експериментальну повномасштабну (споживана потужність – не менше 1 кВт) установку для одержання імпульсного коронного розряду (ІКР) з розширеною зоною іонізації як діючого фактору у складі комплексу високовольтних імпульсних дій, для чого треба обґрунтувати перспективність комплексу імпульсних дій з використанням імпульсного коронного розряду, зона іонізації якого (чохол, що світиться) поширюється практично на всю довжину розрядного проміжку, для енергетично вигідної генерації активних часток: атомарного кисню, озону та ін., що використовуються в озонних технологіях і технологіях очистки газів, що відходять, у різноманітних виробництвах.

4. Розробити ефективні технології на основі комплексу високовольтних імпульсних дій з використанням створених установок:

технологію мікробіологічно інактивуючої обробки харчових продуктів з продуктивністю 1000 кг/год (або л/год) та більше при збільшенні термінів їх зберігання (порівняно з термінами зберігання після традиційної теплової пастеризації) без погіршання початкової біологічної та харчової цінності;

варіанти лікувальної та профілактичної дії полем, низько енергетичними розрядами і т.д. від апарату для широкосмугової електромагнітної імпульсної терапії (спільно з фахівцями - медиками), а також показати лікувальні методики, розроблені фахівцями – медиками, і результати клінічної апробації апарату;

технологію енергетично вигідного, за рахунок використання імпульсного коронного розряду з розширеною зоною іонізації, одержання активних часток (озону, атомарного кисню та ін.) для використання в озонних технологіях та технології очистки газів, що відходять, у різноманітних виробництвах.

5.Розробити засоби вимірювання основних характеристик електромагнітних імпульсів у створених генераторах та установках.

Для досягнення поставленої мети та розв’язання задач, що поставлені, необхідно використати нагромаджений у світі досвід у даній галузі науки і техніки, що представлена такими провідними вченими та фахівцями різних країн як: Г.А. Місяць, Б.М. Ковальчук, Ю.О. Котов, Г.С. Кучинський, І.П. Кужекін, І.П. Верещагін, С.М. Фертик, В.В. Конотоп, Л.Т. Хименко, Р.Х. Аміров, А.І. Божков, Л.Д. Тондій, А.Г. Пахомов, H., K.H., A.К., F.E., J.E., D., V., P.C. Wouters та ін.

Об’єкт дослідження – процес дії на обране навантаження комплексу різних синхронно діючих факторів, первинним з яких є СІЕП, та явища, що виникають в процесі та результаті дії, процес генерування та формування високовольтних імпульсів за допомогою відповідних установок, який забезпечує появу у навантаженні первинного фактора.

Предмет дослідження – варіанти об’єкту, в яких СІЕП має наносекундний, або коротший фронт, навантаженням є рідкі або текучі водомісткі продукти, людський організм або гази, що містять кисень.

Методи дослідження. Для розв’язання задач дисертації та досягнення поставленої мети використано положення теорії електромагнітного поля, методи теорії електричних кіл, у тому числі довгих ліній. Ці методи використовувались як при дослідженні процесу дії на навантаження, так і при генеруванні та формуванні імпульсів в експериментальних і технологічних установках. Для дослідження процесу дії СІЕП на навантаження використовувався математичний апарат інтегро - диференціальних рівнянь, фізичне і математичне моделювання з чисельними розрахунками на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися на високовольтних зразках генераторів та установок з використанням експериментальних високовольтних стендів, оригінальних і традиційних методів вимірювання, методів планування експерименту і статистичної обробки результатів.

В дисертації одержані науково обґрунтовані технічні та технологічні рішення в галузі техніки сильних електричних та магнітних полів, які забезпечують розв’язання актуальної наукової та прикладної проблеми створення установок для нових ефективних технологій на основі комплексу високовольтних імпульсних дій.

Наукова новизна одержаних результатів._ 

Експериментально установлено і теоретично обґрунтовано скорочення часу відновлення електричної міцності, поліпшення стабільності роботи, зменшення ерозії електродів сильнострумових іскрових розрядників при скороченні фронту падаючих на них високовольтних імпульсів, що призводять до пробою розрядників. На основі цього ефекту досягнута частота проходження імпульсів в електротехнологічних установках така, що перевищує 2000 імпульсів за секунду._ 

Запропоновано і експериментально підтверджено принцип формування високовольтних імпульсів із крутим фронтом (нано_ і субнаносекундного діапазону) на навантаженні за рахунок використання імпульсного трансформатора (за схемою Тесла), що забезпечує максимальний коефіцієнт трансформації при мінімальних габаритах, і повного використання властивостей іскрового розряду щодо загострення фронту імпульсів._ 

Теоретично передбачений і експериментально отриманий імпульсний коронний розряд, зона іонізації якого (чохол, що світиться) займає практично весь розрядний проміжок між коронуючим електродом позитивної полярності і низьковольтним електродом. _ 

На основі теоретичних оцінок експериментально отримано режим покаскадного загострення фронту імпульсів до 1 нс і менше при розряді генераторів за схемою Аркадьєва _Маркса. _ 

На основі експериментальних досліджень запропонована концепція раціональної дії сильного імпульсного електричного поля (СІЕП) при інактивації мікроорганізмів у рідких і текучих водомістких середовищах, що забезпечує мінімальні питомі енерговитрати на необоротну інактивацію за рахунок дії СІЕП як на внутрішній вміст клітини, внаслідок крутого фронту імпульсів (не більше 20 нс), так і на клітинну мембрану, внаслідок достатньої тривалості імпульсів (не менше 100 нс). Розроблена й обґрунтована нова концепція механізму інактивації мікроорганізмів за рахунок дії сильного імпульсного електричного поля, що діє на рідке середовище, у якому знаходяться мікроорганізми напруженістю до 100 кВ/см і більше при наносекундних тривалостях фронтів імпульсів без розрядів за рахунок дії поля на внутрішній вміст клітин. _ 

Експериментально доведено можливість одержання робочих напруженостей електричного поля, що перевищують 100 кВ/см в продуктах, які заповнюють робочі камери, в технологічних режимах їх обробки при напругах більше 100 кВ і обмежених лише імпульсною електричною міцністю самих продуктів.

Практичне значення одержаних результатів. _ 

Створені реально діючі зразки установок для обробки рідин комплексом високовольтних імпульсних дій із середньою потужністю до 50 кВт, у тому числі установка, цілком підготовлена для технологічного використання при робочих напруженостях в оброблюваних рідинах 100 кВ/см і більше. Установки містять ряд елементів оригінальної конструкції: робочі камери, іскрові розрядники, імпульсний трансформатор, ємнісні нагромаджувачі енергії. _

Розроблено технологію обробки рідких та текучих харчових продуктів і води за допомогою високовольтних імпульсних дій, що при більшому ступені інактивації мікроорганізмів і кращому, у порівнянні з традиційною тепловою пастеризацією, збереженні вихідної біологічної і харчової цінності харчових продуктів є енергозберігаючою. Способи і пристрої, що здійснюють дану технологію, захищені сімома двадцятирічними патентами на винаходи.  

Створена конструкція генератора за схемою Аркадьєва-Маркса, що дозволила одержати режим покаскадного загострення фронту імпульсів до 1 нс і менше одночасно з наростанням амплітуди напруги. Спосіб і пристрій – генератор для одержання покаскадного загострення фронту імпульсів захищені двома двадцятирічними патентами на винаходи. _ 

Практично перевірено і підтверджено теоретично знайдені умови мінімізації тривалості фронту імпульсів у мікрозазорах іскрових комутаторів – розрядників, завдяки чому вдалося досягти тривалості фронту імпульсів 0,1 нс у повітряному розрядному проміжку довжиною 50 мкм при пробивній напрузі 5 кВ та частоті проходження імпульсів до 300 с-1 і більше. Спектр частот одержаних імпульсів є безперервним і містить частоти від 0 до 10 ГГц. _ 

Розроблено методики і рекомендації щодо створення та використання основних елементів в установках для технологій на основі комплексу високовольтних імпульсних дій: багатозазорних і багатоканальних іскрових розрядників, імпульсних трансформаторів, ємнісних нагромаджувачів енергії, робочих камер, аплікаторів, випромінювачів, систем полестворення. _ 

Запропоновано емпіричну математичну модель опису результату мікробіологічного знезараження продуктів за допомогою імпульсних дій у залежності від низки факторів, найбільш значущими з яких є: напруженість імпульсного електричного поля, температура середовища з оброблюваними мікроорганізмами, тривалість імпульсів напруженості сильного електричного поля. _ 

Запропоновано апарат для широкосмугової електромагнітної імпульсної терапії (АШЕМІТ), що успішно пройшов тривалу (більше 7 років) клінічну апробацію, у ході якої показано, що один такий апарат може замінити цілий ряд відомих фізіотерапевтичних апаратів і збільшити ефективність лікувальної і профілактичної дії. Апарат (як пристрій) захищений двома двадцятирічними патентами на винахід. Протягом декількох років апробації АШЕМІТ накопичено фактичний матеріал по лікуванню і профілактиці з його допомогою серцево _судинних захворювань і хвороб опорно-рухової системи на показних вибірках пацієнтів, що свідчить про високу ефективність лікування. _ 

Створена високовольтна установка для одержання нового виду імпульсного коронного розряду (ІКР), в електродній системі якої загальною довжиною 3 м отриманий однорідний по світінню ІКР. Цей новий варіант коронного розряду, зона іонізації якого займає практично увесь розрядний проміжок, являє собою інструмент для енергетично вигідного генерування таких активних часток як атомарний кисень і озон і є фундаментом для широкого кола нових високоефективних технологій, у тому числі озонних. _ 

Протягом декількох років накопичено досвід обробки різних харчових рідин комплексом високовольтних імпульсних дій. Цей досвід підтверджує не тільки інактивуючу дію на мікроорганізми такої обробки, але й її сприятливий вплив на органолептичні показники, на харчову та біологічну цінність оброблюваних рідин.

Технічна розробка, виготовлення й випробування технологічних установок і генераторів високовольтних імпульсів (тобто реалізація роботи) були здійснені в НДПКІ "Молнія" НТУ "ХПІ", що, відповідно до постанови Кабінету Міністрів № від 01.04.1999, входить до складу об'єктів, що складають Національне надбання України. Тут же відпрацьовувалися КВІД-технології. Розробки автора знайшли використання й отримали позитивні відгуки (у виді затверджених технічних умов, висновків, протоколів і т.д.) у таких організаціях: НТУ “ХПІ” (Харків), Українська академія аграрних наук (Київ), Харківський завод шампанських вин, Харківський молочний комбінат (“Ромол”), Харківська обласна санітарно-епідеміологічна станція, сертифікований випробувальний центр Харківського державного медичного університету, поліклініка генерального штабу збройних сил СРСР, кафедра фізіотерапії і курортології Харківського інституту удосконалення лікарів (нині Медична академія післядипломної освіти) і її базові санаторій "Гай" (Харківська область) і центральна клінічна лікарня № (Харків), Державне Українське об'єднання "Політехмед" та інших.

Терапевтичний апарат АШЕМІТ пройшов успішну клінічну апробацію, що тривала кілька років, у базових медичних установах кафедри фізіотерапії і курортології Медичної академії післядипломної освіти (Харків). Апарат АШЕМІТ нагороджений дипломом другого ступеня на регіональній виставці – ярмарку наукових ідей і розробок учених Харківської області "Наука Харківщини – 2000".

Результати дисертаційної роботи використані при створенні і налагодженні раціональних режимів роботи повномасштабних установок, призначених для обробки рідин у потоці комплексом високовольтних імпульсних дій і розташованих у великому високовольтному залі лабораторного корпусу НДПКІ "Молнія".

Дисертаційні розробки автора реалізовані також у рамках міжнародного проекту № НТЦУ.

Матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі НТУ "ХПІ" по спеціальності "Техніка і електрофізика високих напруг" у лекціях і лабораторних заняттях для студентів у рамках спеціальної навчальної дисципліни "Сильні електричні поля в техніці".

Достовірність результатів. Достовірність одержаних результатів підтверджується задовільною кореляцією теоретичних обґрунтувань та експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в розробці наукового напрямку, основ створення електротехнологічних установок для високовольтних імпульсних дій, в науковому керівництві і безпосередній особистій участі у всіх дослідженнях, розробках (у тому числі нових технологій), монтажі, налагодженні, проведенні випробувань всіх установок, генераторів, апаратів, створених підрозділом електрофізичних технологій у НДПКІ "Молнія" НТУ "ХПІ" з 1990 по 2003 рік. Всі основні результати дисертаційної роботи одержані здобувачем особисто.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що входять у дисертаційну роботу, обнародувані, повідомлені: на Всесоюзній науково-технічній конференції "Питання забезпечення стійкості радіоелектронних засобів до впливу електромагнітних випромінювань природного і штучного походження", Харків, Україна, 1991; на Х Міжнародній конференції по розрядах у газах і їхньому застосуванні, Суонси, Великобританія (at X International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Swansea, UK), 1992; на VI Міжнародній науковій школі "Фізика імпульсних дій на конденсовані середовища", Миколаїв, Україна, 1993; на ХХІІ Міжнародній конференції по явищах в іонізованих газах, Хоубокен, Нью Джерсі, США (at XXII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Hoboken, New Jersey, USA), 1995; у сільськогосподарському університеті міста Нансі під час стажування у Франції, 1995; на VI конференції АСІНКОМ, Київ, Україна, 1996; у Берлінському технічному університеті під час роботи там по темі дисертації, Берлін, Німеччина, 1998; на Х Міжнародній науково-практичній конференції "Застосування лазерів у медицині і біології", Харків, Україна, 1998; на I міжнародному симпозіумі по нетермальним медико-біологічним діям, що використовують електромагнітні поля і іонізовані гази, Норфолк, Вірджинія, США (at I International Symposium on Nonthermal Medical/Biological Treatments Using Electromagnetic Fields and Ionized Gases, Norfolk, Virginia, USA), 1999; на Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми і шляхи реалізації науково-технічного потенціалу військово-промислового комплексу", Київ, Україна, 2000; на VI Міжнародній конференції "Проблеми сучасної електротехніки – 2000", Київ, Україна, 2000; на Міжнародному симпозіумі "Проблеми удосконалювання електричних машин і апаратів. Теорія і практика (SIEMA'2000)", Харків, Україна, 2000; у Берлінському технічному університеті під час робочої зустрічі в рамках виконання міжнародного проекту №1120 НТЦУ, Берлін, Німеччина, 2000; на 12 Міжнародному симпозіумі по високовольтній інженерії, Бангалор, Індія (at 12_th International Symposium on High Voltage Engineering, Bangalore, India), 2001; на Х Міжнародній школі_семінарі "Фізика імпульсних розрядів у конденсованих середовищах", Миколаїв, Україна, 2001; на Міжнародному симпозіумі "Проблеми удосконалювання електричних машин і апаратів. Теорія і практика (SIEMA'2001)", Харків, Україна, 2001; на VII Міжнародній конференції "Проблеми сучасної електротехніки – 2002", Київ, Україна, 2002.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 23 статтях у наукових журналах та збірниках наукових праць, у 5 винаходах, захищених чотирма двадцятирічними патентами на винаходи України і п’ятьма двадцятирічними патентами на винаходи Російської федерації з конвенційним пріоритетом України, у 12 матеріалах і тезах доповідей міжнародних і національних науково _ технічних конференцій, в 1 науковому проекті, зареєстрованому у Державному агентстві України з авторських і суміжних прав.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків та 8 додатків. Повний обсяг дисертації складає 567 сторінок, з них 81 (52) ілюстрація до тексту, 72 (63) ілюстрації на 47 (41) сторінках, 26 (8) таблиць до тексту, 11 (5) таблиць на 20 (4) сторінках, 1 (1) ілюстрація та 1 (1) таблиця на 1 (1) сторінці, 8 додатків на 181 сторінці, список використаних літературних джерел із 254 найменувань на 30 сторінках. У дужках указані дані щодо основної частини дисертації. Обсяг основного тексту дисертації складає 310 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми створення електротехнологічних установок для високовольтних імпульсних дій, сформульовано мету і задачі роботи, викладено наукову новизну одержаних результатів, основні положення, що виносяться на захист, відзначено практичну цінність результатів, особистий внесок здобувача, вказані відомості щодо апробації результатів дисертації та їх публікації.

У першому розділі наведено огляд високовольтних імпульсних генераторів, установок, процесів у сильних електричних полях і обґрунтовано вибір напрямків досліджень. Огляд показав актуальність та перспективність створення генераторів високовольтних імпульсів і електроімпульсних установок для обраних технологій, об’єднаних спільним первинним діючим фактором – сильним імпульсним електричним полем, тривалість фронту напруженості якого складає наносекунди (не більше 20 нс) і менше. Обрані технології, для яких призначені у першу чергу установки, що створені при виконанні дисертації, - це: ефективна технологія знезаражуючої обробки харчових продуктів на основі сильних імпульсних електричних полів, широкосмугова електромагнітна імпульсна терапія, технології на основі імпульсного коронного розряду. Показано, що розробка нових електротехнологічних установок потребує дослідження процесів в сильних імпульсних електричних полях як при генеруванні, формуванні імпульсів у самих генераторах, так і при дії імпульсів на об’єкти навантаження: водомісткі середовища з мікроорганізмами; біологічну клітину; електродні системи для одержання ІКР.

У другому розділі досліджено фізичні основи високовольтних імпульсних дій. Матеріали розділу направлені на вироблення вимог до генераторів та електротехнологічних установок для здійснення комплексу високовольтних імпульсних дій. Об'єктами, що піддаються комплексу високовольтних імпульсних дій у даній роботі, є водомісткі рідини і текучі продукти, що містять мікроорганізми, людський організм, кисневмісний газ, у якому можлива наявність вологи, мікроорганізмів, пилу та ін. Кожний з цих об'єктів з електричної точки зору характеризується діелектричною проникністю і питомою електропровідністю, що залежать від просторових координат і часу.

При виборі частоти, форми імпульсу й амплітуди електричного поля, що діє на мікроорганізми, з метою їхньої інактивації, слід враховувати, які елементи клітини повинні бути піддані дії поля. Для більшої дії на внутрішній уміст клітини необхідне поле високої частоти. У низькочастотному полі електричний пробій мембрани слід очікувати при істотно меншій амплітуді зовнішнього поля, однак при цьому потрібне джерело значно більшої потужності. Відповідним вибором частотного спектра імпульсу зовнішнього електричного поля можна забезпечити одночасний ефективний вплив на всі елементи клітини.

Ступінь інактивації мікроорганізмів представляє собою відношення початкової кількості живих мікроорганізмів до їх кількості після обробки, тому в початково слабко засіяних мікроорганізмами продуктах принципово не може бути досягнутий більш великий ступінь інактивації, ніж у початково сильно засіяних таких же продуктах при тому самому комплексі високовольтних імпульсних дій.

На рис. . представлені схеми розподілу електричного поля в мікробній клітині при обробці середовищ з мікроорганізмами імпульсами поля, що забезпечують проникнення імпульсного електричного поля усередину клітин. |

(2)

напруженість поля в цитоплазмі клітини

стає зневажливо малою.

На основі одержаних експериментальних результатів запропоновано емпіричну залежність від ряду факторів відносної кількості S неінактивованих мікроорганізмів після обробки комплексом високовольтних імпульсних дій, яка відрізняється від відомої формули Хюльшегера (H. Hulsheger). Відмінність полягає у тому, що залежність S від напруженості поля менш сильна, а також у тому, що в запропонованій залежності враховано температурний фактор, вплив тривалості фронту імпульсів, частоти проходження імпульсів:

| (3)

| (4)

| (5)

де k1 – безрозмірний коефіцієнт – константа, величина якого залежить від типу і концентрації мікроорганізмів, що інактивуються, від форми, частоти проходження і полярності імпульсів, k1=15; Е – напруженість зовнішнього електричного поля в середовищі, що містить мікроорганізми; ti – характерна тривалість одного з імпульсів поля, якими здійснена КВІД_обробка; t _сумарний час обробки з урахуванням пауз між імпульсами; s – питомий об'ємний опір середовища; W – енергія, виділена в одиниці об'єму оброблюваного середовища з мікроорганізмами; Wс – енергія, виділена в одиниці об'єму, при перевищенні якої починається процес інактивації мікроорганізмів; (Е2tі)с – добуток квадрата напруженості електричного поля на характерну тривалість одного імпульсу, що відповідає енергії Wc; tf – тривалість фронту імпульсів поля; tf.с – тривалість фронту імпульсу, при якій напруженість, індуковану зовнішнім електричним полем усередині клітки в її цитоплазмі можна ще вважати несуттєвої для інактивації, а при більш коротких фронтах – уже неможна; Т – кінцева температура середовища після КВІД_обробки в градусах Кельвіна; Тс – критична температура середовища після КВІД_обробки, при перевищенні якої інактивація стає необоротної гарантовано; k2 – коефіцієнт – константа, що має розмірність у градусах Кельвіна, який залежить від типу мікроорганізму, що інактивується, k2~(0,050,2)Tc; tp – характерна тривалість паузи між двома сусідніми імпульсами; tr – час релаксації – характерний мінімальний по тривалості відрізок часу між початками сусідніх імпульсів, починаючи з якого (і при більш тривалих відрізках) інактивиуюча дія всієї сукупності імпульсів приблизно відповідає дії одиночного імпульсу; S – відношення кількості мікроорганізмів у середовищі після обробки до їхньої кількості до КВІД_обробки.

Доведено, що критерієм необоротності микробіальної інактивації при КВІД- обробці є перевищення миттєвої (без витримки при ній) критичної температури, що при Е100 кВ/см для більшості мікроорганізмів складає tс=50_65С:

t>tс при S0,01. | (6)

Запропонована концепція раціональної дії СІЕП при знезаражуючій обробці.

Якщо під раціональною дією СІЕП розуміти мінімальні питомі енерговитрати при даному ступені інактивації мікроорганізмів, то обробка комплексом високовольтних імпульсних дій повинна вестися імпульсами, що забезпечують найбільше проникнення поля усередину клітини, тобто імпульсами з коротким фронтом (tf20 нс, де tf – тривалість фронту імпульсу для типових діелектричної проникності і питомої електропровідності цитоплазми і зовнішньої мембрани живої клітини) чи з частотним спектром, що містить частоти Крім того, ці імпульси повинні здійснювати інактивуючу дію на цитоплазматичну мембрану клітин. Для цього тривалість імпульсів ti повинна бути ti10-7 с. Оптимальна тривалість ti імпульсів зв'язана з розмірами клітин, що підлягають інактивації. Вона тим більше, чим більше характерний розмір клітин. При цьому амплітуда напруженості зовнішнього імпульсного електричного поля обмежена зверху пробивною напруженістю суспензії, у якій знаходяться мікроорганізми, що підлягають інактивації. Занадто довгі імпульси приводять до збільшення питомих енерговитрат при тому ж інактивуючому ефекті. Імпульси поля з тривалим фронтом (tf>20 нс) гірше проникають або зовсім не проникають усередину клітини, що приводить до зменшення або відсутності дії СІЕП на внутрішній уміст клітини.

Сформульовано вимоги до установок і генераторів цих установок, що дозволяють одержувати сильні поля і комплекс факторів, породжуваний ними, у рідких і текучих водомістких середовищах з мікроорганізмами. Генератори повинні забезпечувати одержання на низькоомному (10_100 Ом) навантаженні імпульсів високої (100 кВ) напруги з крутим (20 нс) фронтом, частотою проходження імпульсів 100 Гц, середню потужність, виділювану в навантаженні, до 50 кВт і більш. При цьому генератори повинні бути технологічними: забезпечувати високу продуктивність – 1000 кг/год і більш у проточному чи порціонному режимі; мати низькі питомі енерговитрати 10 кВт/м3 (10 кВт/т); мати просту, надійну і ремонтно-придатну конструкцію; мати прийнятну ціну; бути безпечними в роботі; бути електромагнітно стійкими і сумісними з іншими пристроями; мати високий ресурс – 1010_1011 імпульсів; мати можливо менші габарити і масу при даній потужності. Установка для здійснення комплексу високовольтних імпульсних дій крім генератора повинна містити цілий ряд пристроїв і систем, але найбільш критичним з них є робоча камера (система робочих камер, або система полестворення й енерговиділення).

Показані принципові відмінності упорядкованих електромагнітних імпульсів (УЕМІ) від шумових сигналів, які полягають у наступному. УЕМІ передаються за допомогою поперечних електромагнітних хвиль (Т- хвиль, або ТЕМ- хвиль), і тому мають набагато більш широкий безперервний спектр частот убік низьких частот (аж до =0) при приблизно однаковій із гіпервисокочастотними (ГВЧ) шумовими сигналами верхній границі ~2,21012 Гц; забезпечують однаковість або упорядкованість дії (дія за алгоритмом, законом, що відомий заздалегідь,) на даній частоті суцільного спектра УЕМІ від імпульсу до імпульсу.

УЕМІ при лікувальній і профілактичній дії можуть бути не тільки імпульсами поля, але також імпульсами струму, напруги, можуть являти собою слабко енергетичні коронний і іскровий розряди з відповідним набором факторів комплексу високовольтних імпульсних дій. Такі імпульси забезпечують можливість різноманітної лікувальної дії від одного апарату АШЕМІТ, а саме: дія може бути точковою, локальною чи глобальною в залежності від того – на точку, ділянку поверхні тіла, чи на весь організм (групу пацієнтів) вона здійснюється. Дія може бути контактною, безконтактною чи через плазму слабко енергетичного розряду (іскрового або коронного). Вона може здійснюватися на шкірні покриви, чи слизові оболонки. УЕМІ не мають резонансних частот, їхня потужність розподілена по всьому спектру частот 02,2/tf, де - кругова частота, tf – тривалість фронту імпульсів, безперервно. Це означає, що щільність електромагнітної потужності на кожній частоті нижче, ніж для відомих факторів і може бути дуже малою ("гомеопатичною"). При цьому миттєва (пікова) потужність в імпульсі може бути дуже великою і досягати Рі=500 кВт, тоді як середня потужність при цьому може складати Рср1 Вт.

Головна вимога до АШЕМІТ – забезпечення на виході апарату імпульсів з тривалістю фронту 10-10 10-9 с при амплітуді імпульсів ~5 кВ і більш і безперервному спектрі імпульсу. Амплітуда потрібна досить висока (5 кВ) із_за широкого безперервного спектру частот, по якому повинна бути досить рівномірно розподілена потужність імпульсу. АШЕМІТ повинний працювати на навантаження з будь-яким імпедансом (повним опором) 0z< Ом.

Крім того, показано, що для одержання ІКР з розширеною зоною іонізації ключовим є правильний вибір системи електродів з різко неоднорідним полем. Ця система електродів не повинна уступати системам типу "голка_площина" і "осьовий дріт у трубі" по досяжним напруженостям біля коронуючого електроду. При цьому вона повинна забезпечувати більш повільний спад напруженості при наближенні до не коронуючого електроду. У такій системі електродів виростає середня (ефективна) напруженість по всьому розрядному проміжку. Саме це збільшує інтенсивність іонізуючих процесів і розміри області, де вони відбуваються.

Запропоновано коронуючу систему електродів у вигляді ряду тонких паралельних електропровідних пластин круглої форми, розташованих друг від друга на деякій відстані усередині провідної труби на металевому стрижні. При цьому осі труби, стрижню, та кожної пластини (що проходять через центр кожної пластини перпендикулярно її площині) співпадають.

Для досягнення можливо більшого наробітку активних часток за одиницю часу в плазмі ІКР з розширеною зоною іонізації генератор установки повинний забезпечувати частоту проходження імпульсів у навантаження до 2000 с-1.

Установка повинна дозволяти передавати енергію в електродну систему – навантаження порціями, що гарантують неможливість переходу ІКР у стійкий іскровий розряд, а потім у дуговий.

У третьому розділі викладені результати розробки високовольтних імпульсних генераторів для електротехнологічних установок.

Розроблено компактний генератор з низькоіндуктивним конденсатором, що вигідно відрізняється від генераторів з коаксіальними кабелями як нагромаджувачами енергії набагато більш низьким внутрішнім опором. Генератор дозволяє на навантаженні 10 _30 Ом формувати імпульси напруги з амплітудою, близькою до амплітуди зарядної напруги U. На рис. приведені осцилограми імпульсу напруги на навантаженні 50 Ом при зарядній напрузі 1200 В.

а б

Рис. . Осцилограми: а _фронту імпульсу, б _імпульсу.

У винаході, захищеному патентами, запропонований спосіб обробки продуктів, при якому напруженість у середовищі з мікроорганізмами Е>107В/м, а tі<10-7c (tі – тривалість імпульсу, при якій Е>107В/м). Для реалізації цього способу створена дослідно-експериментальна установка, генератор якої (на основі ємнісних накопичувачів та іскрових розрядників) із середньою потужністю до 50 кВт має ресурс 1010_1011імпульсів і дозволяє вести обробку як порціонно, так і в проточних режимах з продуктивностями до 1000 кг/год. На рис. наведено імпульси, що їх формує генератор на навантаженні –робочій камері з оброблюваними продуктами.

Цього можна досягти в сильному електричному полі, напруженість якого можна тим сильніше збільшити, чим коротше тривалість фронту імпульсу (у наносекундному діапазоні). Показано експериментально, що застосування декількох послідовних коротких РП дозволяє досягти частоти проходження понад 100 Гц для імпульсів амплітудою більш 100 кВ із фронтом у десяток наносекунд і тривалістю в сотні наносекунд без продувки повітряних РП. Зібрано і успішно випробувано схему генератора, що у спрощеному виді представлена на рис. .

Рис. . Спрощена схема високовольтної частини генератора з іскровими розрядниками: Р1, Р2, Р3 _іскрові розрядники; L1, L2, L3 _паразитні індуктивності; С1 _стартовий конденсатор; С2, С3 _конденсатори, що загострюють; Zн _навантаження.

На навантаженні – робочій камері, що має ємність ~10-10 Ф і активний опір 470 Ом, отриманий фронт імпульсу 10 нс при зазорах повітряних розрядників: Р1 – 8 зазорів по 5 мм, Р2 –29 мм, Р3 – 17 мм і частоті проходження ~400 Гц.

Експериментально визначена резистивна фаза 5 нс часу комутації найбільш швидкодіючого розрядника Р3 в умовах, коли напруга в момент початку комутації Р3 досягала на ньому 120 кВ. Середовищем, що заповнює міжелектродні проміжки цього багатоканального (можливо одержати до 10 каналів) розрядника, є повітря при атмосферному тиску. Частота проходження імпульсів - 400 Гц, а резистивне навантаження - 50 Ом.

У генераторі з імпульсним підвищувальним трансформатором (рис. ) вдалося знизити габарити, підвищити коефіцієнт корисної дії (к.к.д.), зменшити собівартість.

Рис. . Схема електрична принципова генератора з підвищувальним імпульсним трансформатором: ІТ – імпульсний трансформатор; С1, Р1 – стартова ємність (конденсатор) і стартовий багатозазорний іскровий розрядник відповідно; С2, Р2 – ємність (три конденсатори), що загострює, і багатозазорний іскровий розрядник, що загострює, відповідно; Zн – імпеданс навантаження - робочої камери.

Виконання високовольтної обмотки ІТ з низьковольтною середньою точкою дозволяє мати на навантаженні напругу 150 кВ при найбільших по модулю потенціалах щодо землі на ній 75 кВ.

Розроблено генератор Аркадьєва – Маркса, що працює в режимі покаскадного загострення фронту імпульсів (ГПЗ) і відрізняється від традиційного своїм розрядним колом. У найбільш простому варіанті ГПЗ розрядне коло представлене широкосмуговою однорідною довгою лінією, у прямому струмопроводі якої виконані розриви, куди по черзі включені ємнісні нагромаджувачі і розрядники каскадів. На початку цієї лінії розташований пристрій запуску ГПЗ через стартовий комутатор, що розміщений перед першим каскадом. На кінці цієї лінії розташоване навантаження генератора. Розрядне коло ГПЗ приведене на рис. .

Рис. . Розрядне коло ГПЗ.

На рис. заштриховані попередньо заряджені до напруги Uосн ділянки енергопровода і ємнісні нагромаджувачі; N – кількість каскадів; 1 – ємнісний нагромаджувач каскаду з ємністю Ск, що може являти собою довгу лінію з розподіленими параметрами; 2 – енергопровід – широкосмугова однорідна довга лінія з розподіленими параметрами з відстанню hЕ між прямим і зворотним струмопроводами з хвильовим опором zэ; 3 – розрядник каскаду; 4 – ємність між електродами розрядника 3; 5 – стартовий розрядник; 6 – ємність між електродами розрядника 5; 7 – пристрій запуску; 8 – довга лінія передачі з хвильовим опором zп=zэ між пристроєм 7 і стартовим розрядником 5; 9 – навантаження з імпедансом zн; tпроб. і tпроб. відповідно час пробігу електромагнітної хвилі по лінії 8 і між двома сусідніми розрядниками каскадів; k – номер каскаду (k=1, 2,…, N); hc–довжина розриву в прямому струмопроводі, у який (розрив) включений ємнісний нагромаджувач k_го каскаду.

Величина перенапруги при відсутності передімпульсів на кожному наступному розряднику, крім останнього (N_го) каскаду, на Uосн більше, ніж на даному. Тому час комутації розрядника першого каскаду менше, ніж стартового. Час комутації tком (k+1) кожного наступного розрядника менше, ніж попереднього.

. (7)

Процес покаскадного загострення імпульсів у генераторі Аркадьєва _Маркса істотно відрізняється від такого в довгих лініях покаскадним збільшенням амплітуди імпульсів, що формуються, за рахунок “напруги, що чергує” на кожному каскаді. Спосіб генерування і ГІН з покаскадним загостренням фронту імпульсів запатентований як винахід в Україні і Росії. На навантаженні генератора 50 Ом отримані наносекундні імпульси з тривалістю фронту не більш 1 нс.

Електрична схема генератора широкосмугових упорядкованих імпульсів з напругою на вході UНВ 1 кВ, амплітудою напруги на виході до 10 кВ і фронтом імпульсів 0,1 нс приведена на рис. . Найбільш швидкодіючий розрядник F3 розташований на стику лінії W3 з низьким хвильовим опором Z і коаксіального кабелю W4 із хвильовим опором ZW4, що задовольняють співвідношенню

ZF3 = ZW4>3Z. (8)

Це забезпечує додаткове укорочення фронту імпульсів і підвищення напруги

Рис. 7. Електрична схема генератора упорядкованих імпульсів. Тр – автотранс-форматор; W1, W2, W3 – низькоомні коаксіальні лінії; Z - хвильовий опір ліній; F1, F2, F3 - розрядники; WF1, WF2, WF3 – коаксіальні вузли розрядників F1, F2 і F3 відповідно; ZF1, ZF2, ZF3 – хвильові опори вузлів розрядників; L1, L2, L3 – індуктивності розрядників; С1, С2, С3 – еквівалентні ємності вузлів розрядників; W4 –