СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦЫ НАЧАЛА ЗОНЫ НАСЫЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ ПРИ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОДОВ ТИПА "ИГЛА - ИГЛА" В ЗАМКНУТОМ ОБЪЁМЕ В СРЕДЕ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ (ОХЛАДИТЕЛЕЙ)
METHOD FOR DETERMINING THE BORDER OF THE BEGINNING OF THE ZONE OF SATURATION WITH ELECTROSTATIC FIELDS WITH A SYSTEM OF ELECTRODES OF THE "NEEDLE-NEEDLE" TYPE IN A CLOSED VOLUME IN THE ENVIRONMENT OF LIQUID HYDROCARBON FUELS (COOLERS)

Система электродов типа «игла - игла» является самой эффективной для создания электрического ветра в жидких и газообразных средах [1-7, 34-36].
Эффективность электростатических полей в различных жидких, газообразных и дисперсных средах зависит от многих характеристик, например, это: типы электродов, их виды и размеры; расстояние между электродами; конфигурации распространения силовых линий; напряженность; подаваемое высоковольтное напряжение на отдающий электрод; границы начала зоны насыщения электростатическими полями и др.
В настоящее время электрический ветер широко используется в науке и технике [1-19, 34-36]:
для интенсификации теплоотдачи к жидким и газообразным углеводородным горючим и охладителям в различных двигателях, энергоустановках и техносистемах наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования одно- и многоразового использования двойного назначения;
для обеспечения вынужденной конвекции и распыла жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителей и их смесей, а также других жидкостей и газов в земных и космических условиях;
для сдува воздушных пузырей с фильтрующих сеток топливных баков аэрокосмических и космических летательных аппаратов;
для борьбы с термоакустическими автоколебаниями давления в рубашках охлаждения жидкостных ракетных двигателей;
для борьбы с осадкообразованием в двигателях, энергоустановках и техносистемах одно- и многоразового использования на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования одно- и многоразового использования;
для смешения двух и более жидких углеводородных горючих и охладителей с получением нового горючего (охладителя) с новыми характеристиками;
для полной предтопливной подготовки жидких углеводородных горючих и охладителей для поршневых и реактивных двигателей и энергоустановок;
для обеспечения работы тепловых труб и других теплообменных аппаратов в земных и космических условиях;
для технологических процессов по сортировке и перемещению различных сыпучих и других веществ, по сушке древесины, по электростатическому распылу при покраске металлических и неметаллических изделий, по ионизации и очистке воздуха, по обеспечению повышения эффективности нефтеотдачи при воздействии на пласты и др.
для медицинских целей по изготовлению порошковых и жидких препаратов, по различным лечебным процедурам и т.д.
Определение и знание границы начала зоны насыщения электростатическими полями в различных средах - является очень важной задачей, т.к. это связано с созданием новой наземной, воздушной, аэрокосмической и космической техники одно и - многоразового использования, где необходимо знать зоны эффективного применения электрического ветра, а также - границу насыщения, после которой наступает зона его малоэффективного применения, где электрический ветер при данных конкретных условиях и при дальнейшем увеличении подаваемого электростатического напряжения на отдающий электрод (например, на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла») уже не может увеличивать свою силу и скорость.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка нового беззондового способа определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями при системе электродов типа «игла - игла» в замкнутом объеме в среде жидких углеводородных горючих (охладителей) при докритических, критических и сверхкритических давлениях и различных температурах.
Данная техническая задача решается путем:
- проведения экспериментальных исследований по визуализации гидродинамического воздействия электрического ветра при различных подаваемых в постоянном режиме на отдающую иглу в системе электродов «игла - игла» высоковольтных электростатических напряжениях в жидком углеводородном горючем (охладителе) в замкнутом объеме, в условиях естественной конвекции, при различных температурах, при различных докритических, критических и сверхкритических давлениях, без применения каких-либо датчиков или зондов;
- создания эталонной базы данных, необходимых для их дальнейшего сравнения с другими текущими данными, и быстром определении конкретных и точных значений подаваемых в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений, при которых начинается граница зоны насыщения электростатическими полями.
Существуют различные способы и устройства для определения характеристик электростатических полей.
Например, известен теоретический физико-математический способ (Миролюбов Н.Н., Костенко М.В., Левинштейн М.Л., Тиходеев Н.Н. Методы расчета электростатических полей / Учебное пособие. М.: Изд-во «Высшая школа», 1963. 415 с.) [1], в котором нахождение напряженности электростатического поля осуществляется путем математического расчета. Также известны другие способы теоретических расчетов характеристик электростатических полей [1-19, 34-36].
Недостатками данных теоретических расчетных способов являются:
- сложность, трудность расчета, а значит, и неэффективность из-за громоздкости формул и наличия большого количества параметров, неточности расчетов и больших расхождений с экспериментальными данными;
- возможности расчетов только в воздушной и дисперсной средах при нормальных условиях, а также - при наличии полученных опытных данных от датчиков и зондов;
- невозможности расчетов в жидких углеводородных горючих (охладителях) в условиях их естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению;
- отсутствие расчетов подаваемого высоковольтного электростатического напряжения на отдающий электрод в различных средах, в том числе, и в жидких углеводородных, при различных давлениях;
- отсутствие расчетов подаваемых электростатических напряжений на отдающий электрод (в том числе, и на отдающую иглу в системе электродов типа «игла-игла») в различных средах и условиях (в том числе, в жидких углеводородных горючих (и охладителях) в условиях их естественной конвекции в закрытом объеме при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при различных температурах), при которых наступает граница начала зоны насыщения электростатическими полями.
Следует отметить, что более точными являются экспериментальные исследования параметров электростатических полей при помощи различных датчиков и приборов зондового типа (см. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Изд-во «Энергия», 1974. 480 с.) [2], в которых приведены способы замера напряженности и других параметров электростатического поля в воздушном пространстве или дисперсной среде при помощи стационарных или подвижных зондов.
Недостатками этого зондового способа являются:
- громоздкость самих зондов;
- неточность, а порой и невозможность измерений из-за ручного управления и манипуляций и малого габарита объекта, например, в объеме экспериментальной бомбы с жидким углеводородным горючим (охладителем) с соосными рабочими иглами, у которых межэлектродное расстояние (расстояние между остриями игл) составляет несколько миллиметров;
- невозможность процесса измерения в жидких углеводородных горючих (охладителях) в условиях их естественной конвекции при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и различных температурах;
- трудности, возникающие при визуализации и натурном изображении реальных силовых линий электростатического поля и других его характеристик.
Все перечисленные недостатки приводят к малой эффективности данного зондового способа, к невозможности его применения в жидких углеводородных жидкостях, особенно в малогабаритных объемах, в том числе - и для определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями.
Зондовые способы также показаны в следующих изобретениях, например, в изобретениях (см. А.с. СССР №№154939, 140495, 118897, 90154, 86672, 77205, 1041962, 1325379, 1718150, 808989, 1041962; см. патенты на изобретение РФ №№2623690, 2672527) [20-28, 31, 32, 38, 39], (см. японский патент на изобретение JP 6711983) [37], которые тоже можно считать аналогами заявляемого изобретения, показаны и раскрыты способы и устройства для определения, в основном, напряженности электростатического поля (Е) на воздухе, путем введения в область действия поля или в межэлектродное пространство различных по устройству и принципам действия датчиков и зондов замера напряженности.
Например, в изобретении (см. патент на изобретение РФ №2623690) [31] показан датчик электростатического поля, который можно применять в земных и космических условиях (внутри и снаружи космического летательного аппарата).
В изобретении (см. патент на изобретение РФ №2672527) [32] разработан способ измерения напряженности электростатического поля при наличии электромагнитных помех на воздухе с использованием различных антенн.
В изобретении (см. А.с. СССР №1718150) [28] показан измеритель напряженности электростатического поля (оптико-электронный датчик), который может работать только на воздухе и в аэродисперсных средах.
В изобретении (см. А.с. СССР №118897) [22] показан способ определения потенциала в данной точке электрического поля на воздухе, где после измерений проводят его вычисления по известным формулам.
В изобретении «Измеритель электростатического потенциала» (см. А.с. СССР №808989) [38] осуществляется замер реального потенциала в батарее - на воздухе.
В изобретении «Устройство для измерения напряженности электростатического поля» (см. А.с. СССР №1041962) [39] - показано новое устройство для измерения напряженности электростатического поля - на воздухе в большом объеме и пространстве.
Японский патент на изобретение (JP 6711983 В2 (YAMANASHI PREFECTURE). 17.06.2022.) [37] раскрывает возможность создания датчика замера напряженности электромагнитных и переменных электрических полей на воздухе путем облучения светом кристаллов или использованием специальных антенн.
По зондовым способам и устройствам можно сделать вывод, что отсутствуют изобретения:
- в которых бы замеры напряженности электростатического поля проводились в жидких средах, в том числе, и в углеводородных;
- где бы непосредственно определялось высоковольтное электростатическое напряжение на отдающей игле в системе электродов типа «игла - игла» в любых средах, включая жидкие углеводородные горючие (охладители);
- в которых бы осуществлялась визуализация динамики воздействия электрического ветра в жидких углеводородных горючих (охладителях);
- в которых бы определялась граница начала зоны насыщения электростатическими полями.
В изобретении «Способ исследования характеристик «Меток», служащих для измерения газовых потоков» (см. А.с. СССР №330390) [40] используется вариант оптической установки Теплера для исследования движения меченных элементов в газовом потоке, данная конструкция оптической установки Теплера очень далека от экспериментальной оптической установки Теплера, которая применялась в экспериментах авторов предлагаемого изобретения, и выполняет совершенно другие задачи в условиях вынужденной конвекции газовой среды.
Визуализация воздействия электростатических полей показана в изобретении (см. А.с. №1603424) [29], которое также может служить аналогом заявляемому изобретению, в нем осуществляется способ демонстрации электрического поля с показом на экране получаемых эквипотенциальных и силовых линий.
Способ определения электрокинетического потенциала пузырьков газа в жидкости показан в изобретении (см. А.с. №1187019) [30], это изобретение может служить аналогом, но оно не определяет границу начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких средах.
Способ моделирования поля электрического заряда и устройство для его реализации с демонстрацией получаемых силовых линий показан в изобретении (см. патент РФ на изобретение РФ №2075109) [33], которое также можно принять за аналог.
Но эти три рассмотренных выше изобретения [29, 30, 33] - аналоги обеспечивают визуализацию воздействия электростатических полей на воздухе и в жидкости, однако их невозможно применять в среде жидких углеводородных горючих (охладителей) в замкнутом объеме при различных докритических, критических и сверхкритических давлениях и различных температурах, тем более - в замкнутом объеме с малыми габаритами и с малыми межэлектродными расстояниями, т.е. эти изобретения не будут способствовать определению границы начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких углеводородных горючих (охладителях).
Материалы данного предлагаемого изобретения являются актуальными, новыми и необходимыми, т.к. они открывают:
- новые возможности по беззондовому определению величины подаваемых на отдающую иглу в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений в замкнутом объеме с жидким углеводородным горючим (охладителем) при различных термодинамических условиях по давлению и температуре, при которых начинается граница зоны насыщения электростатическими полями, в ручном и автоматическом режимах с выводом итоговых данных в бортовой и наземный компьютеры, а также на информационные табло наземного оператора и летчика-космонавта;
- новые возможности по дальнейшему исследованию и изучению особенностей влияния электрического ветра на тепловые и гидродинамические процессы в жидких углеводородных горючих (охладителях) при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при различных температурах, в условиях естественной конвекции, как в зоне возможной эффективной работы электрического ветра (в том числе, по интенсификации теплоотдачи и др. эффектам), так и в зоне насыщения электростатическими полями;
- новые возможности по созданию перспективных датчиков и систем беззондового контроля за тепловыми и гидродинамическими процессами, происходящими в жидких углеводородных горючих и охладителях в двигателях, энергоустановках и техносистемах наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования одно - и многоразового использования;
- новые возможности по расширению областей применения электростатических полей (и электрического ветра - в частности) в науке и технике в земных и космических условиях.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка и создание нового беззондового способа определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких углеводородных горючих (охладителях), находящихся в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с окнами визуализации, в условиях естественной конвекции при различных температурах, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при подаче в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла», находящихся внутри экспериментальной бомбы, без применения каких-либо датчиков или зондов - путем создания эталонной экспериментальной базы данных по визуализации электрического ветра при помощи оптической установки Теплера, необходимых для сравнения с текущими значениями и быстрого определения в земных и космических условиях величин подаваемых в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений, которые являются граничными, т.е. находятся на границе начала зоны насыщения электростатическими полями.
и
1
2
3
Эксперименты проводились на оптической установке Теплера [6, 34-36] с использованием экспериментальной бомбы с окнами визуализации, в которую заливалось жидкое углеводородное горючее (охладитель) (в одной серии экспериментов - марки ТС-1, в другой серии - марки РГ-1), вставлялся рабочий участок с двумя соосными рабочими иглами, а сверху герметично закрывалась крышкой с винтовой резьбой. Температура жидкого углеводородного горючего (охладителя) измерялась перед каждым экспериментом и составляла значения: (273-333) К. Также перед каждым экспериментом в бомбе устанавливалось и поддерживалось конкретное рабочее давление, общий интервал давлений составлял (0,1-5,0) МПа. Эксперименты проводились с рабочими иглами, диаметры которых составляли: d=(1,2-3,0) мм, а углы заточки: (15-85)°. Расстояния между остриями рабочих соосных игл устанавливались в пределах (5-15) мм: h=5 мм; h=10 мм; h=15 мм.
При подаче в постоянном режиме высоковольтного электростатического напряжения на отдающую иглу возникал электрический ветер, гидродинамика которого с помощью оптической экспериментальной установки Теплера демонстрировалась на экране с кино- и фотосъемкой, с замерами высоты возникающего гидравлического факела («кроны дерева»). Замеры гидравлического факела производились в ходе работы оптической установки Теплера при включенных электростатических полях - на экране, а также на теплерограммах (фотографиях) - после работы установки.
Для нахождения реальной высоты гидравлических факелов в объеме экспериментальной бомбы производилось масштабирование, где за основу бралась известная и измеренная толщина рабочих соосных рабочих игл.
Замеры толщины рабочих соосных игл и их межэлектродных расстояний производились непосредственно при сборке рабочего участка, а в целях дальнейшего масштабирования и контроля - в ходе работы экспериментальной оптической установки Теплера, но только до включения электростатических полей (т.к. при их включении производить данные замеры невозможно из-за плохой видимости по причине гидродинамических процессов): или на экране, или на теплерограмме (фотографии) - после работы установки.
Экспериментально было установлено, что [6, 34-36]:
а) при подаче на отдающую иглу в постоянном режиме высоковольтного электростатического напряжения возникал электрический ветер, который турбулизировал приэлектродное пространство в виде гидравлического факела или «кроны дерева» с определенной высотой Н (например, см. фиг. 1, при напряжении U=5 кВ);
б) при повышении подаваемого высоковольтного электростатического напряжения на отдающую иглу высота гидравлического факела Н («кроны дерева») тоже увеличивалась (например, см. фиг. 1, при напряжениях U=10 кВ, U=15 кВ);
в) при дальнейшем повышении подаваемого в постоянном режиме высоковольтного электростатического напряжения на отдающую иглу высота гидравлического факела («кроны дерева») Н не увеличилась (например, см. фиг. 1, при напряжениях U=20 кВ, U=25 кВ), т.е. оставалась постоянной; этот ряд гидравлических факелов («крон деревьев») с наибольшей постоянной высотой Н можно считать зоной насыщения электростатическими полями (Е), а левый факел из этого ряда (при U=15 кВ) - можно считать границей начала зоны насыщения (Е) при межэлектродном расстоянии (h) 5 мм; на основе экспериментальных данных был построен график (см. фиг. 2), по которому можно быстро определить границу начала зоны насыщения (Е) при h=5 мм;
г) при увеличении межэлектродного расстояния (h=10 мм; h=15 мм) эффект появления, роста и фиксации гидравлического факела («кроны дерева») сохранялся, изменялся только параметр Н (наибольшая постоянная высота гидравлического факела, а зона насыщения (Е) наступала при увеличенных значениях подаваемого высоковольтного электростатического напряжения, например, при h=10 мм зона насыщения (Е) наступает при U=20 кВ; при h=15 мм зона насыщения (Е) наступает при U=25 кВ; на основе экспериментальных данных был построен график (см. фиг. 3), по которому возможно быстро определить границу насыщения (Е) при различных h;
д) при вертикальном расположении рабочих соосных рабочих игл: при подаче в постоянном режиме высоковольтного электростатического напряжения на нижнюю иглу (в данном случае ее называют отдающей) - гидравлический факел («крона дерева») появлялся снизу - вверх, как показано на фиг. 1); при подаче высоковольтного электростатического напряжения на верхнюю иглу (в данном случае ее называют отдающей) - гидравлический факел («крона дерева») появлялся сверху-вниз, практически без изменения параметра Н;
е) при горизонтальном расположении рабочих соосных рабочих игл - гидравлический факел («крона дерева») появлялся от острия отдающей иглы - также в горизонтальном направлении; тот же эффект происходил и при любых углах наклона соосных рабочих игл - гидравлический факел появлялся и существовал именно под таким же углом; из результатов экспериментальных исследований можно считать, что влияние силы притяжения на изменение направленности электрического ветра и его гидравлического факела, а также его размеров - практически нулевое;
ж) при импульсном включении высоковольтного электростатического напряжения с интервалом (0,1-0,9) секунды без смены и со сменой полярности на рабочих соосных иглах гидравлического факела или «кроны дерева» не образовывалось, т.к. электрический ветер не успевал выходить на режим релаксации, который наступал лишь при интервалах в 1 секунду и более;
кр
кр
з) давление (докритическое, критическое, сверхкритическое) - не влияет на параметр Н; для жидкого углеводородного горючего (охладителя) марки ТС-1 зона критических давлений: р.=(1,6-2,2) МПа; для жидкого углеводородного горючего (охладителя) марки РГ-1 зона критических давлений: р.=(1,8-2,4) МПа;
и) рабочая температура жидкого углеводородного горючего (охладителя) в пределах (273-333) К - не влияет на изменение параметра Н;
к) диаметры рабочих игл (1,2-3,0) мм и их углы заточки (15-85)° - не влияют на изменение параметра Н;
л) тип, марка и теплофизические свойства жидких углеводородных горючих (охладителей) - не влияют на изменение параметра Н;
м) реальные значения параметра Н возможно замерять:
- в ходе проведения эксперимента (или работы оптической установки Теплера) непосредственно при визуализации динамики воздействия электрического ветра в жидком углеводородном горючем (охладителе) - на экране, с дальнейшим учетом масштаба;
- после проведения экспериментов - по полученным теплерограммам (фотографиям), также - с учетом масштабирования;
и
- при проведении масштабирования главным (или базовым) размером нужно считать известный диаметр рабочих соосных игл (d);
и
и
и
и
- для определения масштаба необходимо увеличенный диаметр рабочих соосных игл, измеренный на экране или на теплерограмме (D), разделить на реальный и известный диаметр d, в результате чего получится какое-то масштабное число N=D/d;
р
р
- для определения реального размера наибольшей постоянной высоты гидравлического факела, который возникает в экспериментальной бомбе (Н), необходимо его наибольшую постоянную высоту (Н), измеренную на экране или на теплерограмме, разделить на масштабное число N: Н=Н/N;
н) при масштабировании открывается возможность и проведения предварительного контроля за рабочими соосными иглами, установленными и закрепленными в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с жидким углеводородным горючим (охладителем):
- за их месторасположением внутри экспериментальной бомбы;
- за их соосностью (расположением игл на одной линии);
- за их или вертикальностью, или горизонтальностью, или нахождением под некоторым заданным углом наклона;
p
p
- за межэлектродным расстоянием (расстоянием между остриями игл) (h), реальные значения которого (h) определяются (и контролируются) по такой же методике масштабирования, как и описанной выше: h=h/N, где h - межэлектродное расстояние, измеренное на экране или на теплерограмме; данный контроль позволяет контролировать не только вертикальное расположение соосных рабочих игл, но и горизонтальное, а также их расположение под любым углом, что очень важно, как в земных, так и в космических условиях.
На основе проведенных экспериментальных исследований была создана экспериментальная база данных в виде таблиц и графиков, которые были приняты за эталонные.
Таким образом, для быстрого определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями в замкнутом объеме с жидким углеводородным горючим (охладителем) в условиях его естественной конвекции при различных температурах, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, и при подаче в постоянном режиме высоковольтного электростатического напряжения на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла», при помощи оптической установки Теплера, необходимо:
и
и
а) используя диаметры рабочих соосных игл D и d, провести масштабирование и найти число N;
р
б) замерить высоту гидравлического факела, который является первым (или любым) из ряда гидравлических факелов с наибольшей постоянной высотой Н при различных подаваемых высоковольтных электростатических напряжениях, с учетом масштабирования и числа N найти его реальную высоту Н;
р
p
в) с реальным значением наибольшей постоянной высоты гидравлического факела Н войти в экспериментальный эталонный график зависимости граничного напряжения от реальной высоты гидравлического факела U=f(H) для конкретного экспериментального межэлектродного расстояния (например, см. см. фиг. 2) и определить искомое значение подаваемого на отдающую иглу высоковольтного электростатического напряжения U, при котором начинается граница насыщения; или использовать второй вариант, описанный ниже;
p
p
p
г) с реальным значением межэлектродного расстояния h войти в обобщенный экспериментальный эталонный график зависимости реальных межэлектродных расстояний h от значений подаваемых на отдающую иглу электростатических напряжений, находящихся на линии насыщения, h=f(U) (например, см. фиг. 3) и определить искомое значение подаваемого на отдающую иглу высоковольтного электростатического напряжения U, при котором начинается граница насыщения; данный способ является наиболее быстрым, простым и универсальным, т.к. не требуется производить замеры высот гидравлических факелов, в том числе и с наибольшей постоянной высотой Н.
р
p
Данные способы определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями (см. выше п.п. а) - г)) в замкнутом объеме с жидким углеводородным горючим (охладителем) в условиях его естественной конвекции, при различных температурах, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, и при подаче в постоянном режиме высоковольтного электростатического напряжения на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла» - также позволяют находить и промежуточные значения U при промежуточных значениях Н, h, где все значения могут быть не только целыми, но и дробными числами.
Для примера:
p
р
p
1) при измерении и масштабировании установили, что h=5 мм, величина Н=20 мм, входим в экспериментальный эталонный график U=f(H) (см. фиг. 2) и находим напряжение, при котором начинается граница начала зоны насыщения (Е), т.е. U=15 кВ;
p
p
2) при измерении и масштабировании установили, что h=5 мм, входим в экспериментальный обобщенный эталонный график h=f(U) (см. фиг. 3) и находим напряжение, при котором начинается граница начала зоны насыщения (Е), т.е. U=15 кВ;
p
p
3) при измерении и масштабировании установили, что h=12,5 мм, входим в экспериментальный обобщенный эталонный график h=f(U) (см. фиг. 3) и находим напряжение, при котором начинается граница начала зоны насыщения (Е), т.е. U=22,5 кВ.
Авторами изобретения предложено:
1) определение границы начала зоны насыщения электростатическими полями в различных жидких углеводородных горючих (охладителях) с различными теплофизическими свойствами, находящихся в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с окнами визуализации, в условиях естественной конвекции, при различных температурах в пределах (273-333) К, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при подаче в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла», находящихся внутри экспериментальной бомбы в вертикальном положении или под любым углом, имеющими диаметры в пределах (1,2-3,0) мм, углы заточки острия - в пределах (15-85)°, межэлектродные расстояния: 5 мм, 10 мм, 15 мм, осуществляется без применения каких-либо датчиков или зондов путем создания эталонной экспериментальной базы данных по визуализации электрического ветра при помощи оптической установки Теплера, необходимых для сравнения с текущими значениями и быстрого определения в земных и космических условиях величин подаваемых в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений, которые являются граничными, т.е. находятся на границе начала зоны насыщения электростатическими полями.
2) в ходе визуализации электрического ветра при конкретных термодинамических условиях жидкого углеводородного горючего (охладителя) по давлению и температуре, при конкретных межэлектродных расстояниях соосных рабочих игл и конкретных подаваемых в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжениях производится замер высоты образующегося гидравлического факела, причем факелы с наибольшей и постоянной высотой будут находиться в зоне насыщения электростатическими полями, где самый первый факел из этой серии факелов с наибольшей и постоянной высотой - будет находиться на границе начала зоны насыщения, а подаваемое при этом высоковольтное электростатическое напряжение - будет граничным.
р
p
3) с реальным значением наибольшей и постоянной высоты гидравлического факела Н, полученным при конкретном межэлектродном расстоянии после масштабирования, входят в экспериментальный эталонный график зависимости граничного напряжения от реальной высоты гидравлического факела U=f(H), созданный ранее при том же конкретном межэлектродном расстоянии, и определяют искомое значение реального подаваемого на отдающую иглу высоковольтного электростатического напряжения U, при котором начинается граница насыщения (см. фиг. 2).
p
p
p
4) с реальным значением межэлектродного расстояния h после масштабирования входят в обобщенный экспериментальный эталонный график зависимости реальных межэлектродных расстояний h от значений подаваемых на отдающую иглу электростатических напряжений, находящихся на линии насыщения h=f(U), и определяют искомое значение подаваемого на отдающую иглу высоковольтного электростатического напряжения U, при котором начинается граница насыщения (см. фиг. 3).
5) за основной (базовый) размер при масштабировании берется известный реальный диаметр соосных рабочих игл, измеренный до начала работы в ходе сборки рабочего участка.
6) замеры увеличенного диаметра соосных рабочих игл осуществляются или на экране (в ходе работы оптической установки Теплера), или на полученной теплерограмме (на фотографии) (после работы оптической установки Теплера) - но только до включения в работу электростатических полей, т.е. до воздействия электрического ветра, а нахождение масштабного числа N осуществляется по формуле:
и
и
N=D/d,
и
и
где d - известный реальный диаметр рабочих соосных игл, мм; D - увеличенный диаметр рабочих соосных игл, измеренный на экране или на теплерограмме (на фотографии), мм.
р
7) замеры увеличенных и наибольших постоянных высот гидравлических факелов осуществляются или на экране (в ходе работы оптической установки Теплера), но только при включенных в работу электростатических полях, т.е. при воздействии электрического ветра и выхода его на режим релаксации, т.е. через одну и более секунд после включения, или на полученной теплерограмме (на фотографии) (после работы установки), а для определения реальных размеров наибольших и постоянных высот гидравлических факелов, которые возникают в экспериментальной бомбе (Н), их увеличенные размеры, измеренные на экране или на теплерограмме (Н), делят на масштабное число N по формуле:
р
Н=Н/N.
8) для определения в ходе эксперимента (до включения в работу электростатических полей) реальных размеров межэлектродных расстояний, установленных и зафиксированных в экспериментальной бомбе до начала работы всей установки, необходимо с учетом масштабирования использовать формулу:
p
h=h/N,
p
где h - реальное расстояние между остриями рабочих соосных игл в экспериментальной бомбе (межэлектродное расстояние), мм; h - межэлектродное расстояние, измеренное на экране в ходе эксперимента или на теплерограмме (фотоснимке), измеренное после проведения эксперимента, мм; N - масштабное число.
9) в ходе масштабирования проводится предварительный контроль (до подачи напряжения на отдающую иглу, т.е. до начала работы электрического ветра) за рабочими соосными иглами, установленными и закрепленными в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с жидким углеводородным горючим (охладителем): за их месторасположением (относительно друг друга, относительно окон визуализации экспериментальной бомбы и др.); за их соосностью (расположением игл на одной линии); за их установленным углом наклона; за установленным до эксперимента межэлектродным расстоянием; данный контроль является бесконтактным; в случае выявления каких-либо отклонений необходимо остановить всю работу установки Теплера и экспериментальной бомбы с их обесточиванием, произвести необходимую корректировку и установку нужного межэлектродного расстояния, углов наклона, соосности рабочих игл и т.д., затем произвести повторный контроль межэлектродного расстояния;
10) данный способ возможно реализовывать в земных и космических условиях не только в ручном, но и в автоматическом режимах, применяя современные видео-компьютерные и лазерные измерительные технологии, электронную эталонную базу, выводя итоговые проверочные, экспериментальные, текущие и сравнительные данные в наземные и космические бортовые компьютеры, а также на информационные табло наземного оператора и летчика-космонавта.
Научной новизной предлагаемого изобретения является то, что [6-9, 18, 19, 34-36]:
1) впервые проведены экспериментальные исследования высоковольтных электростатических полей в углеводородных горючих (охладителях) в замкнутом объеме при использовании системы электродов типа «игла - игла» с визуализацией динамики воздействия электрического ветра - в сложных термодинамических условиях;
2) обнаружено, что в жидких углеводородных горючих (охладителях) электрический ветер образует гидравлический факел в виде «кроны дерева»;
3) установлено, что повышение высоковольтного электростатического напряжения, подаваемого на отдающую иглу, приводит к увеличению высоты гидравлического факела, а также - к его наибольшему постоянному значению при дальнейшем увеличении подаваемого напряжения, что означает зону насыщения электростатическими полями, а напряжение, при котором образовался первый факел с наибольшей постоянной высотой, является граничным, т.е. находится на границе начала зоны насыщения электростатическими полями;
4) выявлено, что сила земного притяжения не влияет на изменение формы и размеров гидравлического факела;
5) обнаружено, что увеличение давления в экспериментальной бомбе (от нормального - до докритического, критического и сверхкритического) - не влияет на процесс формирования, форму и размеры гидравлического факела;
6) установлено, что импульсное включение в работу электростатических полей (без смены полярности на рабочих соосных иглах и с их сменой) с временными задержками (0,1-0,9) с в различных углеводородных жидкостях - не приводит к формированию гидравлического факела, т.к. электрический ветер за такое малое время не успевает выходить на режим релаксации, который реально наступает только через 1 секунду и более, т.е. замеры высоты (и создание теплерограмм) гидравлических факелов необходимо осуществлять не ранее одной секунды (т.е., через одну и более секунд) после включения в работу электростатических полей в постоянном режиме и выхода на режим релаксации электрического ветра;
7) установлено, что рабочая температура жидкого углеводородного горючего (охладителя) в пределах (273-333) К не влияет на изменение размеров и конфигурацию гидравлических факелов;
8) выявлено, что диаметры рабочих игл (1,2-3,0) мм и их углы заточки острия (15-85)° - не влияют на изменение размеров и конфигурации гидравлических факелов;
9) открывается возможность проведения предварительного бесконтактного контроля за рабочими соосными иглами, установленными и закрепленными в закрытом объеме экспериментальной бомбы с жидким углеводородным горючим (охладителем): за их месторасположением внутри экспериментальной бомбы (относительно друг друга, относительно окон визуализации экспериментальной бомбы и др.); за их соосностью (расположением игл на одной линии); за их установленным углом наклона (вертикальным, горизонтальным, под любым углом); за межэлектродным расстоянием (расстоянием между остриями игл); проведение данного бесконтактного контроля является важной и необходимой операцией, как в земных, так и космических условиях;
10) определено, что тип, марка и теплофизические свойства жидких углеводородных горючих (охладителей) не влияют на вид и размеры гидравлического факела;
11) результаты экспериментальных исследований открывают новое направление в области науки об электростатических полях:
- по определению их характеристик;
- по проведению и обеспечению их контроля - без применения датчиков и зондов;
12) разработан новый беззондовый способ определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких углеводородных горючих (охладителях), находящихся в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с окнами визуализации, в условиях естественной конвекции, при различных температурах, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при подаче в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла», находящихся внутри экспериментальной бомбы, без применения каких-либо датчиков или зондов путем создания эталонной экспериментальной базы данных по визуализации электрического ветра при помощи оптической установки Теплера, необходимых для сравнения с текущими значениями и быстрого определения в земных и космических условиях величин подаваемых высоковольтных электростатических напряжений, которые являются граничными, т.е. находятся на границе начала зоны насыщения электростатическими полями;
13) данный новый способ расширяет классификацию беззондовых систем контроля и определения характеристик электростатических полей в жидких средах;
14) данный новый способ возможно применять как в земных, так и в космических условиях.
15) данный способ возможно реализовывать не только в ручном, но и в автоматическом режимах, применяя современные видео - компьютерные и лазерные измерительные технологии, электронную эталонную базу, выводя итоговые проверочные данные в наземные и космические бортовые компьютеры, а также на информационные табло наземного оператора и летчика-космонавта.
Наиболее близким аналогом, т.е. прототипом подаваемого изобретения, может служить материал, изложенный в автореферате  диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Алтунина В.А. - «Влияние электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования» (Казань: 2011).
Предлагаемое изобретение отличается от материалов [19] тем, что:
1) путем визуализации электрического ветра в жидком углеводородном горючем (охладителе) определяются характеристики (размеры) не гидравлических завихрений, находящихся внутри гидравлического факела, а высота самого гидравлического факела;
2) если в материалах [19] по изменению размеров гидравлических завихрений определяется величина подаваемого на отдающую иглу высоковольтного электростатического напряжения, то в данном предлагаемом изобретении - по величине высоты гидравлического факела определяют границу начала зоны насыщения электростатическими полями в жидком углеводородном горючем (охладителе).
Однако, с учетом анализа всей информации (см. текст данного описания предлагаемого изобретения - выше; см. Список используемых источников информации [1-40] - в конце описания предлагаемого изобретения; см. материалы [19]), независимый пункт предлагаемого изобретения можно и необходимо составить и написать следующим образом:
p
р
p
способ определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями при системе электродов типа «игла - игла» в замкнутом объеме в среде жидких углеводородных горючих, включающий определение границы начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких углеводородных горючих, находящихся в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с окнами визуализации, в условиях естественной конвекции, при различных температурах в пределах 273-333 К, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при подаче в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла», находящихся внутри экспериментальной бомбы в вертикальном положении или под любым углом, имеющих диаметры в пределах 1,2-3,0 мм, межэлектродные расстояния: 5 мм, 10 мм, 15 мм, углы заточки острия - в пределах 15-85°, причем для определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких углеводородных горючих создают эталонную экспериментальную базу данных по визуализации электрического ветра при помощи оптической установки Теплера, при этом в ходе визуализации электрического ветра при конкретных термодинамических условиях жидкого углеводородного горючего по давлению и температуре, при конкретных межэлектродных расстояниях соосных рабочих игл и конкретных, подаваемых в постоянном режиме, высоковольтных электростатических напряжениях, производят замер высоты образующегося гидравлического факела, который является первым из ряда гидравлических факелов с наибольшей постоянной высотой Н при различных подаваемых высоковольтных электростатических напряжениях, с учетом масштабирования и масштабного числа N находят реальную высоту гидравлического факела H, с учетом реального значения высоты гидравлического факела Н и экспериментального эталонного графика U=f(H) для конкретного межэлектродного расстояния определяют искомое значение подаваемого на отдающую иглу высоковольтного электростатического напряжения, при котором начинается граница насыщения, причем нахождение масштабного числа N осуществляется по формуле:
и
и
N=D/d,
и
и
где d - известный реальный диаметр рабочих соосных игл, мм; D - увеличенный диаметр рабочих соосных игл, измеренный на экране или на теплерограмме, мм, а для определения реальной высоты гидравлического факела его значение (Н), измеренное при помощи оптической установки Теплера, делят на масштабное число N по формуле:
р
Н=Н/N.
Предлагаемое изобретение отличается от независимого пункта тем, что:
1) за базовый размер при масштабировании берется известный реальный диаметр соосных рабочих игл, измеренный до начала работы в ходе сборки рабочего участка;
2) замеры диаметра соосных рабочих игл осуществляются или на экране в ходе работы оптической установки Теплера или на полученной теплерограмме после работы оптической установки Теплера до воздействия электрического ветра;
3) замеры наибольших постоянных высот гидравлических факелов осуществляется или на экране в ходе работы оптической установки Теплера при включенных в работу электростатических полях или на полученной теплерограмме после работы установки;
4) для определения в ходе эксперимента до включения в работу электростатических полей реальных размеров межэлектродных расстояний, установленных и зафиксированных в экспериментальной бомбе до начала работы всей установки, необходимо с учетом масштабирования использовать формулу:
p
h=h/N,
p
где h - реальное расстояние между остриями рабочих соосных игл в экспериментальной бомбе, мм; h - межэлектродное расстояние, измеренное на экране в ходе эксперимента или на теплерограмме, измеренное после проведения эксперимента, мм; N - масштабное число;
p
p
p
5) созданная экспериментальная база данных позволяет построить обобщенный экспериментальный эталонный график зависимости реальных межэлектродных расстояний h от значений подаваемых на отдающую иглу электростатических напряжений, находящихся на линии насыщения, h=f(U), что открывает возможность быстрого и упрощенного определения граничного электростатического напряжения лишь по одному параметру h, без проведения каких-либо замеров высоты гидравлического факела;
6) в ходе масштабирования проводят предварительный контроль до подачи напряжения на отдающую иглу за месторасположением относительно друг друга рабочих соосных игл, месторасположением их относительно окон визуализации экспериментальной бомбы, за их соосностью, за их установленным углом наклона;
7) данный способ возможно реализовывать в земных и космических условиях не только в ручном, но и в автоматическом режимах, применяя современные видео-компьютерные и лазерные измерительные технологии, электронную эталонную базу, выводя итоговые проверочные, экспериментальные, текущие и сравнительные данные в наземные и космические бортовые компьютеры, а также на информационные табло наземного оператора и летчика-космонавта.
Применение данного способа будет способствовать наиболее качественному проектированию, расчету и созданию новой отечественной техники двойного назначения, наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования одно- и многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях, повышенных характеристик по ресурсу, надежности, эффективности, экономичности и экологичности.
Список используемых источников информации
1. Миролюбов Н.Н., Костенко М.В., Левинштейн М.Л., Тиходеев Н.Н. Методы расчета электростатических полей. М.: Изд-во «Высшая школа», 1963. 415 с.
2. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Изд-во «Энергия», 1974. 480 с.
3. Гросу Ф.П., Болога М.К. Об условиях возникновения электрической конвекции // ЭОМ. 1968. №6. С. 58-63.
4. Литовский Е.И., Апфельбаум М.С. О силе, действующей от игольчатого электрода и вызываемых ею течениях // Магнитная гидродинамика. 1977. 3 4. С. 73-80.
5. Остроумов Г.А. Электрическая конвекция // ИФЖ. Т. 10. 3 5. 1991. С. 683-695.
6. Алтунин В.А. Исследование влияния электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям. Книга вторая. Казань: Изд-во «Казанский гос. ун-т им. В.И. Ульянова-Ленина», 2006, 230 с.
7. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Алиев И.Н., Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Обухова Л.А., Тарасевич С.Э., Яновская М.Л. Анализ исследований электрических полей в различных средах и условиях (Обзор) // ИФЖ. Т. 85, №4, 2012. С. 881-896.
8. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Алиев И.Н., Абдуллин М.Р., Давлатов Н.Б., Платонов Е.Н., Яновская М.Л. Некоторые пути повышения эффективности жидких и газообразных углеводородных и азотосодержащих горючих для двигателей летательных аппаратов // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11. №10. С. 453-479.
9. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Алиев И.Н., Платонов Е.Н., Коханова С.Я., Яновская М.Л. Разработка способов борьбы с термоакустическими автоколебаниями давления в топливно-охлаждающих каналах двигателей и энергоустановок летательных аппаратов наземного, воздушного, аэрокосмического и космического применения // Изв. вузов. Машиностроение. 2017. №10 (691). С. 77-90.
10. Алиев И.Н. О возможности использования электромагнитного поля для очистки от газовых пузырей сеток в топливных системах ракет // Магнитная гидродинамика. 1996. №3. С. 376-378.
11. Алиев И.Н., Юрченко C.O., Назарова Е.В. Особенности комбинированной неустойчивости заряженной границы раздела движущихся сред // ИФЖ. 2007. Т. 80. №5. С. 64-69.
12. Алиев И.Н. Термодинамика и электродинамика сплошных сред: уч. пос. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 406 с.
13. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Изд-во «Энергия», 1968. 488 с.
14. Ворожцов С.Б. Расчет трехмерных электростатических полей методом сеток. Дубна, 1972, 12 с.
15. Бейер М.В. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. М.: Энергоатомиздат, 1989. 555 с.
16. Бердников А.С. Расчет трехмерных электростатических полей методом граничных элементов с выделением сингулярностей ядра около поверхностей электродов // Научное приборостроение, 2004. Т. 4. 3 4. С. 20-38.
17. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей. М.: Изд-во «Иностранная литература». 1961. 712 с.
18. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Обухова Л.А., Платонов Е.Н., Тарасевич С.Э., Яновская М.Л. Способ определения конфигурации распространения силовых линий электростатических полей в жидких углеводородных средах // Патент на изобретение РФ №2504843. Бюл. №2 от 20.01.2014 г.
19. Алтунин В.А., «Влияние электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования», Автореферат  диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Казань: 2011.
20. А.с. СССР №154939.
21. А.с. СССР №140495.
22. А.с. СССР №118897.
23. А.с. СССР №90154.
24. А.с. СССР №86672.
25. А.с. СССР №77205.
26. А.с. СССР №1041962.
27. А.с. СССР №1325379.
28. А.с. СССР №1718150.
29. А.с. СССР №1603424.
30. А.с. СССР №1187019.
31. Патент на изобретение РФ №2623690.
32. Патент на изобретение РФ №2672527.
33. Патент на изобретение РФ №2075109.
34. Алтунин В.А. Влияние электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Казань, 2011, с. 1-48.
35. Алтунин К.В. Процессы теплоотдачи при осадкообразовании в условиях естественной и электрической конвекции жидких углеводородных горючих и охладителей // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Казань, 2012, с. 8-12.
36. Алтунин К.В. Разработка критериального уравнения влияния электростатических полей на теплообмен и осадкообразование в среде керосина при естественной конвекции // Инженерный журнал: наука и инновации. №1. 2021. С. 1-14.
37. JP 6711983 В2 (YAMANASHI PREFECTURE). 17.06.2022.
38. SU 808989 А1 (ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я А-7690). 28.02.1981, формула.
39. SU 1041962 А1 (БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. 40-ЛЕТИЯ ОКТЯБРЯ). 15.09.1983, формула.
40. SU 330390 А1 (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. Г.М. КРЖИЖАНОВСКОГО. 24.02.1972, формула.