Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований газовых разрядов с жидкими электролитными электродами 9
1.1. Газовые разряды в парах воды и жидких электролитов 9
1.1.1. Дуговой разряд 9
1.1.2. Коронный разряд 13
1.1.3. Импульсный разряд 15
1.2. Газовые разряды с жидкими электролитными электродами 17
1.3. Газодинамические и электрические явления на границе «жидкий электролит - плазма» 24
1.3.1. Деформация поверхности электролита при электрическом пробое 24
1.3.2. Газодинамическое воздействие электрического разряда на поверхность электролита 25
1.3.3. Массоперенос и перенос зарядов через границу «жидкий электролит - плазма» 26
1.4. Задачи диссертации 28
2. Экспериментальная установка и методика измерений 37
2.1. Общая характеристика экспериментальной установки 37
2.2. Описание составных частей экспериментальной установки 39
2.4. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности результатов 42
3. Результаты экспериментального исследования газового разряда без вдува газа 55
3.1. Общая картина физических явлений в газоразрядном устройстве с проточным электролитным катодом 55
3.2. Возникновение газодинамического воздействия на электролитный катод 56
3.3. Вольтамперные характеристики 59
3.4. Падение напряжения на.проточном электролитном катоде 62
3.5. Плазменный поток, формируемый в газовом разряде с проточным электролитным катодом 65
4. Генераторы плазмы с проточным электролитным катодом и результаты исследования газового разряда со вдувом газа 87
4.1. Генераторы плазмы с проточным электролитным катодом 87
4.1.1. Катодный узел 87
4.1.2. Элементы газоразрядной камеры 89
4.1.3. Методика расчета внутренней геометрии газоразрядной камеры 91
4.1.4. Энергетические характеристики 92
4.2. Газовые компоненты в составе плазменного потока 93
4.2.1. Теоретический расчет 94
4.2.2. Эксперимент 98
4.3. Влияние вдува газа на характеристики газового разряда 100
4.3.1. Плазменный поток при вдуве газа 100
4.3.2. Электрические характеристики 101
4.4. Обобщенные вольтамперные характеристики 103
4.5. Применение плазменного потока для газификации углеродсодержащих веществ 104
Выводы 132
- Газовые разряды с жидкими электролитными электродами
- Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности результатов
- Плазменный поток, формируемый в газовом разряде с проточным электролитным катодом
- Влияние вдува газа на характеристики газового разряда
Введение к работе
Низкотемпературная плазма, генерируемая в газовом разряде с жидкими электролитными электродами обладает целым рядом отличительных особенностей, среди которых наиболее важное значение имеет ее неравновесность, связанная с большим отрывом электронной температуры от газовой. Не менее важным является то, что в плазме газового разряда с жидкими электролитными электродами содержится значительное количество химически активных частиц (радикалов). Такая, химически активная, неравновесная плазма имеет большие потенциальные возможности прикладного характера.
Жидкий катод преимущественно состоит из воды (99% и более), поэтому в газовом разряде с жидким электролитным катодом, плазма образуется в основном из паров воды. Перспективы практического использования пароводяной плазмы несомненны; Возможность ее применения в плазмохимических процессах для переработки углеводородов была экспериментально показана в работах ряда авторов еще в 70-х и 80-х годах прошлого столетия [1-5]. Плазменные процессы с применением пароводяной плазмы разрабатывались и успешно использовались на заводах атомной промышленности СССР для утилизации радиоактивных отходов [6]. Источником плазмы служили электродуговые плазмотроны. Основной проблемой^ возникающей при эксплуатации плазмотронов, является эрозия электродов. Данная проблема отпадает при использовании для создания плазмы газового разряда с жидкими электродами.
Для большинства технологических приложений требуются плазменные потоки с достаточно большой плотностью энергии. При этом генераторы плазмы должны работать в диапазоне средних и-больших мощностей (от десятков до сотни киловатт). В настоящее время в таком диапазоне мощностей газовый разряд с .жидкими электролитными электродами мало
изучен. Практически отсутствуют сведения о газодинамических процессах на границе «плазма — проточный электролит» при больших значениях тока, значительно превышающих 1 А. Не исследован плазменный поток, формируемый из паров электролита в условиях вдува газа в разрядную область. Все это сдерживает разработку плазменных технологий с применением парогазовой плазмы, образуемой из паров жидкого электролита. В этой связи исследование характеристик газового разряда с проточным электролитным катодом является актуальной задачей. Данная диссертация, состоящая из четырех глав, посвящена решению этой актуальной задачи.
В первой главе дан обзор литературы по вопросам, связанным с получением, исследованием и применением пароводяной плазмы. Представлен анализ исследований газовых разрядов с жидким электролитным катодом. В конце главы сформулированы цель и задачи диссертации.
Во второй главе содержится описание экспериментальной установки и приведены методики проведения экспериментов.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении без вдува газа.
В четвертой главе обобщены результаты экспериментальных исследований газового разряда со вдувом и без вдува газа, проанализированы процессы газообразования на катоде и в разрядной области и разработаны генераторы плазмы с проточным электролитным катодом, а также техническая система для газификации углеродсодержащих веществ.
Научная новизна диссертационной работы.
1. Существенно расширены диапазоны тока и мощности газового разряда с проточным электролитным катодом в сторону увеличения и
получены его-электрические и энергетические характеристики при токах (Г-4 25) А, мощности (1-25) кВт в режимах горения со вдувом и без вдува газа;.
2v Экспериментально обоснована; возможность получения; в газовом
разряде с; проточным. электролитным*катодом» (без вдува таза): плазменного , '
потока с: энтальпией (4-6) МДж/кг и массовым: расходом, превышающими 1 >
г/с. ''". .''''''.' ..'"'' '
3. Газовый разряд с проточным- электролитными катодом
экспериментально, исследован при-повышенныхзначениях плотности тока на-
катоде:. Установлено;, что при; плотностях тока; превышающих 0;5; А/см",.
>' определяющую^ роль- в, формировании электрических и: энергетических :
характеристик газового - разряда; играете газодинамическое - воздействие
плазмышаэлектролитныюкатод; -
41 Получены обобщенные: эмпирические; формулы^ для* расчета:
вольтампернош характеристики газового разряда: ш количествам газовых:.'
компонентов в составе: парогазовой?! смеси; образуемой* ві процессе горения.
разряда; '
5. Установлены: закономерности влияния- расхода, проточного
электролита, на тепловые и энергетические характеристики^газового.разряда
и. показано, что варьированием: расхода электролита, протекающего через
зону действия разряда; можно повысить эффективность, преобразования,
электрическошэнергиив.тепловую>энергиюшлазменного. потока:
6. Впервые созданы и исследованы генераторы плазмы с проточным
электролитным катодом(со вдувоми безі вдува, газа) в,: диапазоне-мощности?
от 10:до 25 кВт:
7. Получены. эмпирические формулы,, позволяющие определить
базовые конструктивные размеры, генераторов плазмы исходя; из;.потребной^
мощности: '":,'. < .
8; Впервые экспериментально> показана-возможностьf вдува; летучих: . углеродсодержащих веществ в газовый разряд с проточным электролитным катодом и их конверсии в синтез-газ. .
8 Практическая ценность диссертационной работы. Результаты исследовании позволяют выполнить инженерный' расчет генераторов плазмы с проточным электролитным катодом в диапазоне средних мощностей (10-25 кВт) и могут быть применены при проектировании плазменных устройств, предназначенных для создания потока пароводяной плазмы.
Экспериментальные данные могут быть использованы при разработке установок для плазменной газификации промышленных и бытовых отходов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты экспериментальных исследований характеристик
газового разряда с проточным электролитным катодом в диапазонах
изменения тока от 1 до 25 А и электрической мощности от 1 до 25 кВт.
2. Результаты исследований содержания газовых компонентов' в
парогазовой среде, образуемой в условиях газового разряда с проточным
электролитным катодом.
3. Обобщенные результаты экспериментальных исследований
вольтамперных характеристик газового разряда в режимах горения со вдувом
и без вдува газа.
Новые генераторы неравновесной плазмы на базе газового разряда с. проточным электролитным катодом со вдувом и без вдува газа.
Результаты апробации газового разряда с проточным электролитным катодом (со вдувом газа) для конверсии углеродсодержащих веществ в синтез-газ.
Газовые разряды с жидкими электролитными электродами
История изучения газового разряда с жидкими электродами насчитывает более ста лет. Первые работы о наблюдениях таких газовых разрядов были опубликованы 4еще в конце XIX века [64,65]. Оживление интереса к ним отмечалось в середине XX века в связи с тем, что в промышленности нашло применение электролитный нагрев металлов[66,67]. В некоторых режимах этого технологического процесса происходил разряд в парогазовой оболочке вокруг активного металлического электрода [68-70]. Подобные явления появлялись и в процессах электролитного оксидирования металлов [71-73]. Природа физических процессов в парогазовой оболочке, образуемой вокруг активного электрода в электролите, долгое время оставалось неясной. Наиболее подробное объяснение механизма плазменно-электролитного нагрева было дано в работе [74]. В дальнейшем различные аспекты этого механизма рассматривались в работах других авторов [75-76]. - Вольтамперные характеристики газового разряда в воздухе при атмосферном давлении между металлическим и электролитным электродами изучались в работе [77]. Металлический электрод был выполнен из латуни в виде острия и диска диаметром 20 мм. В качестве электролитного электрода применялись водные растворы H2S04, КОН,. NaCl и КС1 различной концентрации и полярности.-.Опыты проводились в диапазоне токов 50 - 250 мА. ВАХ для системы, состоящей из металлического анода и электролитного катода, при постоянном межэлектродном расстоянии / имели вид горизонтальных прямых линий. В случае раствора H2SO4 в зависимости от концентрации и межэлектродного расстояния они располагались в диапазоне 700 - 1200 В. Снижение концентрации раствора и увеличение / приводили к сдвигу ВАХ вверх. В системе, состоящей из металлического катода и электролитного анода, в воздухе при атмосферном давлении наблюдался тлеющий разряд, который переходил в дуговой разряд при повышении тока. , В вольтамперной характеристике явно выделялись области, соответствующие тлеющему и дуговому разрядам (рис. 1.6). В работе [78] исследовался разряд с жидким катодом при напряжениях 190 - 400 В и токах 10 + 800 мА. В качестве анода использовался заостренный уголь. Катодом служили насыщенный и 13-процентный растворы NaCl. Высота разрядного промежутка равнялась 0,07 мм. Опыты показали, что в разрядном промежутке периодически образуется и исчезает светящийся шаровой слой. Был установлен автоколебательный характер этого явления.
Скоростная съемка с помощью кинокамеры СКС-1 показала, что в результате кипения электролита вблизи анода происходит интенсивное разбрызгивание. Каждый пузырек пара, разрываясь у поверхности, выбрасывает перпендикулярно поверхности каплю, размером примерно вдвое меньше пузырька. Вследствие этого механизма на аноде появляется капля раствора, которая со временем растет и под действием силы тяжести начинает опускаться к острию. Затем наступает момент, когда капля садится на разряд, и разряд между твердым анодом и электролитом переходит в разряд между каплей и электролитом, т.е. образуется разряд между двумя жидкими фазами. При этом у анода появляется шаровой слой, который шипит и непрерывно находится в движении. Со временем этот шаровой слой растет и приходит в соприкосновение с электролитом. В момент касания шарового слоя к электролиту появляется перетяжка, разделяющая шаровой слой на две части. Верхняя часть собирается на аноде и образует зародыш новой капли. Таким образом процесс повторяется периодически. При более высоких напряжениях газовый разряд между твердотельным электродом и жидким электролитом исследовался в работах [79-82]. Разряд горел при атмосферном давлении между электролитным катодом металлическим анодом в виде вертикального стержня с диаметром 6 мм. Рабочий торец стержня был закруглен. Разрядный промежуток / регулировался в диапазоне от 1 до 12 мм, а ток - от 25 до 200 мА. Катодом служили водные растворы поваренной соли и техническая вода. Вольтамперные характеристики определялись с учетом падения напряжения на-электролитном катоде. В случае 1-процетного раствора NaCl напряжение-в разрядном промежутке (2 - 6,5 мм) находилось в пределах 700 - 1350 В и снижалось при повышении .тока. Используя известные упрощающие предпосылки, применяемые для электрических дуг, ВАХ были обобщены критериальным уравнением По измерениям распределения потенциала вычислялась напряженность электрического поля Е в разрядном промежутке. Около катода значение Е превышало 120 В/мм, а.внутри столба разряда находилось в пределах 65 — 90 В/мм. В исследовании энергетического баланса использовалась проточная электролитическая ячейка. Расходы воды через анод; и-ячейку измерялись с помощью ротаметров.тшшРС-З. Потери тепла на аноде Qa и на ячейке Qk определялись калориметрическим методом. Обработкой опытных данных была получена эмпирическая формула где1 А = 4,46-103 Вт-А мм"0 3. В экспериментах электрическое сопротивление ячейки находилось в пределах 1700 - 2000 Ом. Однако, несмотря на такие большие значения электрического сопротивления, доля джоулевого тепла 2С в-тепловых потерях на катоде была сравнительно малой и составила не более 6 - 25 % от значений Qk, вычисленных по« формуле (1.2). В случае использования в качестве катода раствора NaCl доля Qe в Qk оказалась еще меньше. Таким образом, в работе [82] сделан вывод о том, что. Qk в основном определяется потоком из плазмы. При этом на основе оценочных, расчетов.-показано, что роль переноса энергии ионизации в потоке тепла из плазмы в" электролит пренебрежимо мала.
Поэтому утверждается правильным следующий механизм переноса энергии. В-электролит из, плазмы в основном! передаются кинетическая энергия направленного движения ионов и кинетическая энергия хаотического теплового движения нейтральных частиц. Єледует отметить, что в- работе не исследовано- влияние расхода проточного электролита, на вынос энергии из разрядной- зоны, т.е; на; формирование Qk. Поэтому выводы, приведенные в.[82] относительно , не: могут, быть исчерпывающими; Большой» объема исследований1 газового разряда с( жидкими электролитными- электродами при- пониженных давлениях выполнен: в.. работах [83-85]. Разряды зажигались в различных вариантах: между жидким электролитным анодом: и металлическим; катодом; между жидким. электролитным катодом и металлическим, анодом; а также между, двумя , жидкими электродами; Давление: менялось, от 1,33 кПа? до .-10? Па: Исследования проводились. відиапазоне:токові2 — 700!мА..Вїкачестве жидких электродов; использовалисьводные растворьъ NaCF (5; — 20%); GuS4 (5 — 20%);. техническая; водас т дистиллированная вода. Большое внимание; уделено феноменологическому , описанию; разряда. При пониженных давлениях на поверхности жидкого катода в. зоне привязки; разряда. наблюдались, светящиеся пятна;вшиде различных геометрических фигур: от простейших симметричных; до сложных несимметричных.. Проведены измерения потенциала; разрядной; зоне и размеров зоны привязки разряда к жидкому электроду. По полученным данным вычислены, напряженность электрического поля5 в разряде и плотность тока; на жидких электродах. Значения плотности тока на жидких электродах находились в пределах 0;01 —. 0,7 А/см . В варианте с жидким электролитным анодом ВАХ в основном получились возрастающими, а- с жидким электролитным катодом образовались падающие; В АХ.. При: этом значение дифференциальной характеристики 5 /L зависит от давления и состава1 электролита; также- межэлектродного; расстояния. В обоих вариантах имеются такие комбинации указанных параметров; пршкоторых дЧ/іТ — 0, т.е. ВАХ являетсяжесткой: В; . качестве примера на рис. 1.7 приведены некоторые ВАХ газового разряда с жидким электролитным катодом из работы [83]. Следует отметить, что в варианте с жидким электролитным катодом не всегда получаются только падающие и жесткие ВАХ, формируются и возрастающие ВАХ [86, 87]. Такие ВАХ получены при использовании в качестве анода тонкого» медного стержня (d = 5 мм) в диапазоне токов 0,3 — 0,7 А, т.е. при сравнительно больших плотностях тока.
Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности результатов
Напряжение U, приложенное между токоподводом и анодом, измерялось стрелочным прибором типа М 2016 класса точности 0,2 с добавочными резисторами. Ток измерялся сирелочным многопредельным прибором типа М 2015 класса точности 0,2. Одновременно ток и напряжение записывались планшетным двухкоординатным потенциометром ПДП4-002. Падение напряжения на жидком электролитном катоде AUK определялось двумя способами. Первый способ заключался в следующем. Изготавливался специальный электрод-анод, у которого площадь рабочего торца равна площади привязки разряда к жидкому катоду. Рабочий торец такого электрода приводился в соприкосновение с жидким катодом, после чего подавалось небольшое напряжение от источника питания. Затем напряжение наращивалось до тех пор, пока значение1 тока не становилось таким же, как в эксперименте при горении, разряда. Фиксированное таким способом напряжение принималось за искомое падение напряжения на жидком" катоде. В экспериментальной практике этот способ находит применение и в случае, когда оба электрода являются жидкими. Электрод, замыкающий разрядный промежуток, изготавливается с учетом размеров и катодного и анодного привязок разряда [92]. В опытах площадь привязки разряда (к жидкому катоду менялась в зависимости от тока и удельной электрической проводимости электролита а. Поэтому были изготовлены несколько специальных электродов-анодов с , разными рабочими торцами. Опыты по измерению AUK данным способом показали: при токах 8 А и выше в зоне соприкосновения происходит бурное газовыделение и загорается разряд. Увеличение массового расхода проточного электролита позволило расширить диапазон тока, при котором отсутствует разряд. Однако это привело к другой проблеме, связанной с зависимостью а от температуры. Чем больше был массовый расход электролита, тем ниже оставалась его температура, так как он не успевал нагреться. А у холодного электролита электрическое сопротивление значительно выше, чем у нагретого. По этой причине пришовышенных токах получались завышенные значения падения напряжения, поскольку во время горения разряда электролит был нагрет, а измерение АС/К удавалось осуществить только для холодного состояния электролита. Таким образом, описанный, выше способ был пригоден только для малых значений разрядного тока. Второй способ основывался на измерении распределения потенциала внутри электролита.
Для этого использовался электрический зонд. Он представлял собой вольфрамовую проволоку / диаметром dnp = 0,15 мм, вставленную во внутрь трубки 2 из кварцевого стекла (рис. 2.8). Длина рабочего участка /раб составляла 1,0 мм, а наружный диаметр drp был равен 8 мм. Козырек над рабочим участкам проволоки защищал от прямого замыкания на ней разряда, когда зонд находился на поверхности электролита. Зонд располагался внутри проточного электролита в зоне действия газового разряда (рис. 2.9) Он перемещался координатным устройством, снабженным переменным резистором, с помощью которого механическое перемещение преобразовывалось в электрический сигнал. Этот сигнал поступал в "X -вход потенциометра ПДП4-002, а к "У-входу потенциометра присоединялись через ограничительный резистор токоподвод и зонд. Таким образом, потенциометр регистрировал потенциал ср зонда относительно заземленного токоподвода. Значение р, зафиксированное зондом при его выходе из электролита, принималось как падение напряжения на катоде ДС/К. Погрешность измерения ср была меньше внутри электролита и увеличивалась при приближении зонда к поверхности. По-видимому, основной причиной этому явилось наличие парогазовых пузырьков в электролите. Разброс значений р, которые регистрировались при расположении зонда около поверхности электролита, достигал 5 В. Напряжение горения разряда Ur определялось как разность между величинами U и ДС/К: Тепловые потери определялись калориметрическим способом. Температуры охлаждающей воды, на входе в теплообменник tBX и на выходе из него 4ых измерялись хромель-алюмелевыми термопарами. Их выходные концы находились в термостате, который поддерживал температуру 50 С. Теплота, уносимая из теплообменника охлаждающей водой, принималась как тепловые потери на катоде: Относительная погрешность измерения тепловых потерь, оцененная при доверительной вероятности 0,9, составила 15%. Водородный показатель рН электролитов измерялся иономером И-160, а удельная электрическая проводимость - кондуктометром «АНИОН-7020». Результаты измерений обрабатывались по методике обработки прямых измерений [126]. Относительная погрешность измерений данных величин при доверительной вероятности 0,9 не превышала 5 %. За массовую скорость испарения т электролита был принят массовый расход добавляемого в катодный узел электролита. Измерение т производилось поплавковым ротаметром типа РМ-0,63. Относительная погрешность измерения т составила не более 5%. Электрическая мощность разряда и мощность джоулевого тепловыделения на катоде определялись по формулам: Тепловой КПД генератора плазмы вычислялся по формуле Здесь G величина, равная: 1) т при горении разряда без вдува газа; 2) сумме т и Gr в режимах горения разряда со вдувом газа. Статистическая обработка результатов вычислений электрических величин производилась при доверительной вероятности 0,95, а тепловых величин - 0,9 по известной методике обработки косвенных измерений [126]. Относительные погрешности определения величин Р и Qj не превышали 10%, а относительные погрешности QK, TJ И АН составили 15 %. Температура в плазменном потоке измерялась платинородиевой термопарой ПР-30/6 (платинородий 30 - платинородий 6).
Термоэлектродные провода имели диаметр 0,4 мм. Они вставлялись в двухканальную керамическую трубку диаметром 3 мм. В экспериментах, когда разряд горел в открытом воздушном пространстве, термопара перемещалась с помощью координатного устройства в трёх взаимно-перпендикулярных направлениях. Для предотвращения утечки тока термоэлектродвижущая сила измерялась с помощью прибора ПП-63, который не имел гальванической связи с электрической схемой установки. В этих условиях погрешность измерений не превышает 5 С [127]. Измерения температуры в плазменных потоках внутри реакционной камеры производились в специальных опытах следующим образом. Термопара вставлялась вовнутрь камеры через специальный штуцер. После прогрева камеры в течение не менее 15 минут начинались отсчеты показаний платинородиевой термопары, а также хромель-алюмелевой термопары, прикрепленной к стенке камеры. Таким путем устанавливалась зависимость температуры внутри камеры от режимов работы генератора плазмы. В опытах по газификации сырья платинородиевая термопара вынималась из реакционной камеры, отверстие штуцера герметично закрывалась, и в дальнейшем, при проведении экспериментов, температура внутри реакционной камеры контролировалась по показаниям хромель-алюмелевой термопары. Для измерения температуры электролита использовалась хромель-алюмелевая термопара. Она помещалась за зоной действия разряда по ходу течения электролита. Объем газов, образуемых при горении разряда, а также в процессе плазменной газификации, измерялся счетчиком газа. Для проверки показаний счетчика были проведены контрольные опыты. В таких опытах газ после счетчика собирался в накопительную емкость, снабженную мерной шкалой. Разность между показаниями счетчика и результатами контрольных опытов -не превышала 5% от этих результатов. Плотность тока вычислялась как отношение тока к площади той части поверхности электролита, где происходила привязка разряда к жидкому катоду. Размеры такой площади определялись по фото-видеоизображениям газового разряда, которые были получены с помощью цифрового фотоаппарата «Canon» и видеокамеры «Sony». Анализы проб синтез-газа были выполнены на хроматографе «Кристалл-2000М». Концентрации водорода, метана, оксида и диоксида углерода определялись с помощью детектора по теплопроводности -катарометра, а у остальных ингредиентов - пламенно-ионизационного детектора. В качестве газа-носителя использовался аргон. Измерения проводились согласно инструкций, которые регламентируют нормы погрешностей, устанавливаемые по ПНД Ф 13.Г:2.22-98 (для водорода, оксида углерода, диоксида углерода и метана) и ПНД Ф 13.1:2:3.23-98 (для углеводородов).
Плазменный поток, формируемый в газовом разряде с проточным электролитным катодом
При одном и том же токе разряда массовая скорость испарения электролита меняется в достаточно широких пределах (рис. 3.18). Например, при /= 15 ± 0,5 А опытные значения т находятся в диапазоне от 1,3 до 2,3 г/с. Максимальное значение выше минимального на 77%. Однако, несмотря на такой значительный разброс полученных результатов, можно отметить некоторые закономерности. Во-первых, при неизменных условиях с увеличением тока массовая-скорость испарения электролита всегда возрастает. Такая зависимость и от/ объясняется ростом вклада энергии в газовый разряд при увеличении тока. Другая закономерность наблюдается в изменении т в зависимости от интенсивности течения электролита. Чем больше массовый расход т электролита, протекающего через зону действия разряда, тем меньше т. Такая закономерность отчетливо видна из сравнения данных, полученных при разных значениях га, в частности при га = 5 и 40 г/с (графики 2 и 3, рис. 3.18). Главным фактором, влияющим на зависимость т от га, по-видимому, является унос энергии из зоны разряда проточным электролитом. Основанием для такого заключения служит зависимость тепловых потерь на катоде QK от т. Большой массовый расход проточного электролита вызывает резкое возрастание тепловых потерь на катоде. Например; при / = 15±0,5 А увеличение га от 5 до 40 г/с привело к росту QK более чем в два раза (графики 2 и 3, рис. 3.19). Часть тепловых потерь составляет джоулево тепло, выделяемое внутри электролита. Согласно закону Джоуля-Ленца, количествоs этой теплоты пропорционально омическому сопротивлению электролита, т.е. значение Ок должно расти при уменьшении удельной электрической проводимости (Т. Данный параметр электролита зависит от температуры. При токе 15±0,5 А увеличение т от 5 до 40 г/с вызвало снижение температуры от 70 С до 50 С (графики 2 и 3 рис. 3.20). Такое изменение t должно привести к уменьшению а и повышению величин Q} и QK. В указанном диапазоне температур значение а уменьшается на 25 % (приложение, таблица Ш), что явно недостаточно для повышения Q} в два раза. Поэтому изменение джоулевого тепловыделения не может привести к столь значительному возрастанию QK, которое имело место-в экспериментах.
Следовательно, рост QK при увеличении т происходит в основном за счет тепла, идущего от газового разряда. Таким образом, чем больше т, тем значительнее становится отвод энергии от газового разряда проточным электролитом, и электролит испаряется в-меньшем количестве. Еще одна закономерность заключается- в том, что массовая скорость испарения электролита зависит от его удельной электрической проводимости а. При одном и том же массовом расходе {т = const), использование в качестве жидкого катода электролита с меньшим сг приводит к повышению т (график І, рис. 3.18). В этом случае основной причиной роста т является увеличение энерговклада в газовый разряд. При меньшем сг напряжение горения разряда становится больше и вследствие чего генератор плазмы работает при повышенных напряжениях. Соответственно повышается и потребляемая мощность. Становятся больше и тепловые потери (график 1, і рис. 3.19) по сравнению со случаем использования электролита, имеющего большую электрическую проводимость (графики 2 и 3, рис. 3.19). Однако, приращение энергии, вкладываемой в разряд, превышает потери тепла, что и приводит к возрастанию т при уменьшении сг. Одним из основных параметров потока плазмы является его температура. Измерения показали, что температура в плазменном потоке достаточно высока. При максимальных значениях плотности тока ( 1 А/см ) она« была выше предела измерения термопары (1800 С) на значительном удалении от зоны разряда. На расстояниях 50 - 60 мм от поверхности электролита температура в потоке плазмы была в пределах 1750 ± 50 С (рис. 3.21). Выводы. В газовом разряде с жидким электролитным катодом можно формировать плазменный поток с достаточно высокими энергетическими параметрами. Энергия, вкладываемая в поток плазмы, регулируется изменением тока. При повышении тока одновременно увеличиваются и мощность разряда, и количество электролита, расходуемого на создание плазменного потока. Поэтому среднемассовая температура потока плазмы практически не меняется. В зоне, прилегающей к разрядной области, плазменный поток разогревается до 1800 С и несколько выше. При меньших расходах проточного электролита, когда он нагревается в зоне разряда до 70 - 80 С, тепловые потери на катоде существенно снижаются, и тем самым создаются благоприятные условия для более эффективного преобразования электрической энергии в тепловую энергию плазменного потока. На рис: 4.1 приведена! схемам катодного узла: Он содержит электролитическую» ванну 1, . внутри которой смонтированы токоподводящая : пластинам 2 и; вертикальная перегородка З- так,.., что1 её1 объём- разделён1: на две; проточные области: верхнюю 4 и нижнюю 5г. Электролитическая ванна;Г снабжена патрубком& для; подвода и двумя патрубками-: 7 и 8 для -отвода электролита; Вертикальная; перегородка;3} вмонтированашежду патрубками: 7 w.8:. Этим?патрубкам;,7 и- 8i установлены, вентили Р- и 10 для регулирования расхода-, электролита через проточные: области? 4 и 5 по отдельности; Направления течения электролитам указаныстрелками. Работает катодный узел следующим образом; Электролит, подводимый через патрубок 6, внутри электролитической- ванны /.. делится на две части; Одна часть протекает по области 4 выше токоподвода Т.. Толщина» h слоя; электролита в области 4 составляет ГО1: — 15 мм. Чем тоньше слой; электролита, тем меньше его омическое сопротивление,- следовательно;, и меньше: тепловые потери.. Однако,»с уменьшением, h растёт вероятность электрического пробоя слоя? электролита.
Поэтому А должна быть не менее 10 — 15; мм. Через слой- электролита ток замыкается от токоподвода на газовый разряд и внутри этого слоя- выделяется джоулево тепло; Эта теплота." уносится; электролитом и: передаётся через теплообменник в. систему . охлаждения; Так. формируются? тепловые потери Qi. Сверху на электролит оказывает воздействие газовый разряд. Теплота; поступающая от газового разряда; идёт на испарение электролита (из паров электролита образуется плазма) и частично отводится вовнутрь электролита. Таким образом, электролит, текущий по области 4, отводит в систему охлаждения джоулево тепло и теплоту, идущую от газового разряда. Другая часть электролита протекает по области 5 ниже токоподводящей пластины 2. Она снимает теплоту, поступающую в эту область через токоподводящую пластину 2 и перегородку 3 за счёт теплопроводности. Здесь электролит играет роль только охлаждающей жидкости. Вентилями 9 и 10 регулируются расходы электролита через проточные области 4 и 5 и, тем самым, устанавливаются тепловые режимы в этих областях. Положительный эффект заключается в том, что существенно снижаются1 тепловые потери на катодном узле. Достигается это следующим образом. С помощью вентиля 9 устанавливается такой минимальный расход электролита через проточную область 4, при котором электролит в этой1 области под тепловым воздействием разряда, а также за счёт джоулевого тепла нагревается до температуры, близкой к температуре кипения, т.е. до максимально возможной температуры. При этом омическое сопротивление электролита, по сравнению с его значением при комнатной температуре, уменьшается в несколько раз. Во столько же раз меньше выделяется, джоулево тепло и, тем самым, снижаются тепловые потери. Чтобы электролит в проточной области 4 не вскипел, должен быть нагретым до максимальной температуры, равной температуре кипения, лишь тонкий поверхностный слой электролита, т.е. внутри электролита должен быть градиент температуры, направленный от токоповода к верхним слоям. Такой градиент температуры создаётся охлаждением токоподводящей пластины. Для! этой цели служит электролит, протекающей ниже токоподводящей пластины 2 через область 5. В этой области 5 электролит снимает теплоту с нижней» поверхности токоподводящей пластины 2, поступающую туда за счёт теплопроводности, и отводит в систему охлаждения через теплообменник.
Влияние вдува газа на характеристики газового разряда
В опытах вдув газа осуществлялся таким образом, чтобы газодинамическое воздействие на поверхность электролитного катода со стороны вдуваемого газа было минимальным. Для этого был разработан цилиндрический анод 3, который имеет две рабочие поверхности (рис: 4.11). Газ вдувался в радиальный зазор между этими двумя рабочими поверхностями. Ширина зазора составила 4 мм. В качестве вдуваемого газа использовался воздух. Его расход измерялся поплавковым ротаметром типа РС-6,3. Анод устанавливался на высоте Н = 15 мм. Электролитом служил водный раствор глауберовой соли. Онзаполнял катодный-узел до уровня h = 13 ± 0,5 мм. Влияние вдува газа на газовый разряд внешне проявлялся в следующем. При вдуве газа пламя= газового разряда укорачивалось и становилось обрывистым. Появлялся шум и он усиливался при увеличении расхода газа. Вдув газа практически не влиял на массовую скорость, испарения электролита (рис. 4.12). Повышение расхода вдуваемого газа G привело к некоторому увеличеникьразброса значений т Опыты показали, что стабильное горение разряда возможно при таких режимах вдува, при которых расход газа не превышает массовый расход электролита на парообразование. Наиболее стабильное горение разряда наблюдалось при условии, когда массовый расход газа Gr был меньше массовой скорости испарения электролита т в два раза и более. Это условие, определяющее соотношение между Gr и т, может быть записано виде ВАХ исследовались при различных расходах вдуваемого газа, в том числе и при отсутствии вдува, т.е. при G = 0. Во всех случаях ВАХ получились возрастающими (рис. 4.13). Причем вдув газа практически не изменял крутизну графиков зависимости U от /. С увеличением расхода вдуваемого газа напряжение горения разряда повышалось. При этом происходило усиление колебаний тока. В отсутствие вдува газа амплитуда колебаний тока относительно среднего значения составилиг2+-3 %, а при Gr = Оф г/с она возросла практически в.два раза и доходила до 4- -5 %. Дальнейшее увеличение расхода газа привело к снижению стабильности газового разряда. Разряд горел устойчиво без балластного резистора в таких режимах вдува, когда выполнялось; условие На рис. 4.14 - 4.18- представлены распределения потенциала внутри проточного электролитного: катода Из, сравнения результатов, полученных при отсутствии вдува (рис.. 4.14),. с теми, которые получены при; вдуве газа (рис. 4.15 - 4.18), видно, что вдув газа приводит ю значительному усилению пульсаций р-. Амплитуда:пульсаций р, монотонно возрастают при удалении от токоподвода в вертикальном направлении вдоль осиi z к поверхности. электролита.
Причем, с увеличением массового расхода вдуваемого! газа Gr диапазон пульсаций р растет и достигает 20%,катодного падения потенциала; MJ Данное обстоятельство влияет на устойчивость горения разряда. Измерения падения напряжения на электролитном катоде выявили те же закономерности, которые наблюдались в; режимах .без вдуваї газа. В? частности; численное значение д/ оставалось практически неизменным в широком диапазоне разрядного тока и существенно возрастало при; увеличении массового расхода проточного электролита. 1. При / = const вдув газа приводит к увеличению напряжения, в разрядном промежутке и. практически не влияет на массовую скорость испарения электролита, а также на падение напряжения на проточном катоде. 2. Без нарушения стабильности горения в разрядную область газ можно вдувать в- количестве, не1 превышающем массовую скорость испарения электролита. Методы теории подобия находят достаточно обоснованное применение для обобщения результатов исследования газовых разрядов различных видов: дуговых, тлеющих и др. [30, 80, 142-143]. В работе [80] показано, что упрощенная структура критериального уравнения для обобщения характеристик газового разряда с жидким электролитным электродом при атмосферном давлении имеет вид Неизвестные С и а определяются логарифмированием выражения (4.21) и последующим применением, метода наименьших квадратов для среднеквадратичного отклонения искомого функционала от экспериментальных точек. На рис. 4.19 представлена обобщенная В АХ разряда с проточным электролитным катодом (раствор Na2SO в дистиллированной воде) в диапазоне /0 = 1-5-5 мм, /= 9-5-16 А, т = 5-20 г/с, сг=(1,0 -1,5)-10"3(Омхсм)"1. Разряд горит при отсутствии вдува газа. Анод — пластина с рабочей площадью SA = 12,3 см . Критериальное уравнение имеет вид В диапазоне /„= 1-5 мм,/= 15-21 А, а = (2 0-5-2,5)-10"3 (Омхсм)"1, т = 5-20 г/с, .SA = 15,7 см обобщенная ВАХ описывается уравнением Для обобщения характеристик газового разряда в режиме горения со вдувом газа упрощенное критериальное уравнение записывается в виде Здесь GJI является величиной пропорциональной отношению расхода вдуваемого газа к массовой скорости испарения электролита т. Как было выявлено в опытах (п. 3.5), т пропорциональна/. В уравнении коэффициент пропорциональности учитывается размерным комплексом С. Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений U от полученных из уравнений (4.22-4.23, 4.25) составляет, менее 10%. Поэтому полученные критериальные уравнения можно рекомендовать к использованию в инженерных расчетах генераторов плазмы с проточным электролитным катодом. На базе генератора плазмы с проточным электролитным катодом, выполненном в варианте со вдувом газа, была разработана техническая система для газификации углеродсодержащих веществ. Ее принципиальная схема приведена на рис. 4.20. Сырье загружалось в герметично закрываемую камеру предварительной термической деструкции. В качестве сырья использовалась бывшая в употреблении полиэтиленовая пленка. Температура стенки камеры с помощью электрического нагревателя повышалась до 600 — 650 С. При такой температуре происходило термическое разрушение полиэтиленовых отходов. Продукты термического разложения транспортировались потоком воздуха в разрядную камеру генератора плазмы.
Плазменный поток из генератора истекал в реакционную камеру. Схематично узел технической системы, включающий генератор плазмы и Объем газовых компонентов, образуемых в самом газовом разряде (электролизные газы и газообразные продукты термического разложения электролита), рассчитанный по эмпирической формуле (4.19) составляет (1,2 — 1,6)-10" м . Этот объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом синтез- газа. Поэтому можно считать, что синтез-газ полностью образуется из сырья - отходов полиэтилена. Кроме основных компонентов Нг, СО, СОг и СЩ в синтез-газе присутствуют примеси-. Они представляют собой те ингредиенты, которые не были идентифицированы при хроматографическом анализе. К таким ингредиентам относятся: остаток транспортирующего газа - воздуха (азот и др. составляющие), водяной пар (т.к. перед анализом синтез-газ не высушивался)! и газообразные углеводороды, образуемые в процессе газификации. Результат хроматографического анализа одной из проб синтез-газа представлен на рис. 4.23Ї Предельные значения; (максимальные и минимальные)? концентраций основных, компонентов в виде диаграммы изображены нагрис. 4.24. Объемная скорость образования синтез-газа находилась в пределах 65- 84 л/мин (рис. 4.25). При этом объемная скорость образования электролизных газов не превышала 1 л/мин. Объемный расход транспортирующего газа составляла 212,5 л/мин. Поэтому можно считать, что электролизные газы и транспортирующий газ практически не влияют на составсинтез-газа. Удельные энергозатраты с учетом энергии, затрачиваемой на предварительную термическую деструкцию, составили 43-51 МДж/м . По сравнению с электрр дуговым способом, описанным в работе [4], эти затраты получились в 8 - 9 раз больше. Однако они могут быть существенно снижены. Имеются следующие возможныепути снижения энергозатрат: - использование для- предварительной термической деструкции сырья тепловую энергию конечных продуктов; использование тепловой энергии воды, нагреваемой в теплообменнике (закалочной камере), для совершения полезной работы. Следует отметить, что возможности усовершенствования генератора плазмы и оптимизации процесса газификации не исчерпаны полностью. Поэтому не исключены и другие возможности снижения энергозатрат.
