Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Характеристики газового разряда между жидким неметаллическим и твёрдым электродами 12
1.2. Практическое использование газовых разрядов с жидкими электродами 29
1.3. Использование пористых элементов в газоразрядных устройствах 38
1.4. Постановка задачи 41
Глава 2. Экспериментальная установка и методика измерений 50
2.1. Составные части экспериментальной установки и принцип их действия 50
2.2. Электролитическая ванна 52
2.3. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений 53
Глава 3. Электрические характеристики генераторов плазмы газового разряда с жидкими электродами 64
3.1. Генераторы плазмы и их элементы 64
3.1.1. Пористый электролитный катод 64
3.1.2. Способы получения газового разряда с пористым электролитным катодом 65
3.1.3. Коаксиальный генератор плазмы 65
3.1.4. Линейный генератор плазмы 66
3.2. Особенности газового разряда между электролитным катодом и металлическим анодом (объёмный разряд) 67
3.3. Вольтамперные характеристики разряда 72
3.3.1. Разряд между жидким электролитным катодом и металлическим анодом 72
3.3.2. Разряд между пористым электролитным катодом и металлическим анодом 74
3.3.3. Разряд между пористым электролитным катодом и жидким электролитным анодом 79
3.4. Влияние состава электролита на электрические характеристики разряда 81
3.4.1. Разряд между жидким электролитным катодом и металлическим анодом 81
3.4.2. Разряд между пористым электролитным катодом и металлическим анодом 82
3.4.3. Разряд между пористым электролитным катодом и жидким электролитным анодом 86
3.5. Обобщённые электрические характеристики разряда 88
Глава 4. Тепловые характеристики генераторов плазмы и практические применения плазмы газового разряда с пористым электролитным катодом 112
4.1. Тепловой баланс на жидком катоде 112
4.2. Тепловые свойства потока плазмы 115
4.3. Характеристики положительного столба разряда 118
4.3.1. Уравнения, описывающие свойства положительного столба разряда, и их анализ
4.3.2. Решение уравнений положительного столба в приближении каналовой модели 121
4.3.3. Основные параметры отдельного разрядного канала 123
4.4. Получение порошка оксидов железа 127
4.5. Сварка металлов 129
Выводы 150
Список использованной литературы 153
Приложения 171
- Практическое использование газовых разрядов с жидкими электродами
- Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений
- Способы получения газового разряда с пористым электролитным катодом
- Характеристики положительного столба разряда
Введение к работе
Газовые разряды с жидкими электродами представляют практический интерес как источники неравновесной плазмы с большим отрывом электронной температуры от температуры тяжёлых частиц. Газоразрядная плазма с такими свойствами даёт возможность получать недостижимые другими путями технологические эффекты, к числу которых относятся: полировка металлических поверхностей с одновременным уменьшением параметра шероховатости Ra от 0,40 до 0,20 мкм и менее; одностадийность получения мелкодисперсного порошка металлов; синтез органических соединений в растворах электролитов и др. Перспективность использования генераторов неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами в этих целях подтверждается результатами многих экспериментальных исследований [ 1 - 5 и др.].
Однако возможности технологических применений генераторов неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами ещё мало изучены. Актуальность исследований в этом направлении обусловливается целым рядом причин: дешевизной жидких электродов, высокой степенью экологической чистоты технологических процессов с применением неравновесной плазмы газового разряда с жидкими электродами и др.
В настоящее время нет теории газового разряда с жидкими электродами. Отсутствуют систематические экспериментальные исследования неравновесной плазмы газового разряда с жидкими электродами при повышенных токах и мощностях. Существующие способы получения газового разряда с жидкими электродами имеют ограниченные возможности создания потоков неравновесной плазмы. Всё это задерживает разработку генераторов неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами для практических применений.
В связи с вышеизложенным, представляет интерес поиск новых способов получения плазмы газового разряда с жидкими электродами, а также экспериментальное исследование свойств такой плазмы с целью расширения возможностей её технологического применения. Данная диссертация, состоящая из четырёх глав посвящена решению этой актуальной задачи.
В первой главе дан обзор и анализ опубликованных работ по исследованию и практическому применению газовых разрядов с жидкими электродами, рассмотрены примеры использования пористых элементов в конструкции генераторов газоразрядной плазмы и сформулированы задачи диссертационной работы.
Вторая глава содержит описание экспериментальной установки для исследования неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами и методики измерений.
В третьей главе содержится описание разработанных генераторов плазмы и способов получения газового разряда с пористым электролитным катодом, рассмотрены особенности горения разряда с жидким катодом и приведены вольтамперные и обобщённые электрические характеристики газового разряда с жидкими электродами.
В четвёртой главе изложены результаты экспериментального исследования теплового баланса на жидком катоде, приведены экспериментальные и расчётные характеристики положительного столба и рассмотрены практические применения плазмы газового разряда с пористым электролитным катодом.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1) впервые экспериментально определены электрические и тепловые характеристики газового разряда атмосферного давления между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом в диапазоне токов от 1 до 4 А, мощности от 1 до 6 кВт и межэлектродного расстояния от 1 до 13 мм;
2) разработан новый тип электрода - пористый электролитный катод, который впервые позволил создать стабильный газовый разряд в системах «жидкий катод - твердотельный анод» и «жидкий катод - жидкий анод» со всевозможными ориентациями плазменного столба в пространстве;
3) разработан способ получения неравновесной плазмы газового разряда между пористым электролитным катодом и твердотельным анодом, который впервые позволил увеличить межэлектродное расстояние до 200 мм при атмосферном давлении;
4) впервые создан и исследован газовый разряд атмосферного давления между пористым электролитным катодом и твердотельным анодом в диапазоне токов от 0,5 до 8 А при различных химических составах электролита в вертикальном и горизонтальном ориентациях плазменного столба в пространстве;
5) впервые создан и исследован газовый разряд атмосферного давления между пористым электролитным катодом и жидким анодом в диапазоне токов 0,5 до 3,5 А при различных химических составах катода и анода в вертикальном и горизонтальном ориентациях плазменного столба в пространстве;
6) впервые экспериментально исследованы расходные характеристики газового разряда с жидким катодом; установлено, что с пористого электролитного катода испарение электролита происходит значительно интенсивнее, чем с поверхности жидкого электролитного катода;
7) разработаны и созданы новые генераторы неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами.
Практическую ценность представляют: 1) электрод нового типа -пористый электролитный катод; 2) новые генераторы неравновесной плазмы, разработанные с применением жидких электродов и пористых конструктивных элементов; 3) эмпирические формулы для расчёта электрических и тепловых характеристик газового разряда с жидкими электродами; 4) экспериментально апробированные рекомендации по применению газового разряда с пористым электролитным катодом для получения порошка оксидов железа и сварки тонкостенных заготовок и деталей стальных изделий.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Способы получения газового разряда между пористым электролитным катодом и жидким анодом при атмосферном давлении.
2. Способы получения газового разряда между пористым электролитным катодом и твердотельным анодом при атмосферном давлении и больших межэлектродных расстояниях (до 200 мм).
3. Новые генераторы неравновесной плазмы, разработанные с применением жидких электродов и пористых конструктивных элементов.
4. Результаты экспериментального исследования неравновесной плазмы газового разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом в диапазоне токов от 1 до 4 А, мощности от 1 до 6 кВт и межэлектродного расстояния от 1 до 13 мм при атмосферном давлении.
5. Результаты экспериментального исследования неравновесной плазмы газового разряда между пористым электролитным катодом и твердотельным анодом в диапазоне токов от 0,5 до 8 А, мощности от 1 до кВт и межэлектродного расстояния от 5 до 200 мм при атмосферном давлении.
6. Результаты экспериментального исследования неравновесной плазмы газового разряда между пористым электролитным катодом и жидким анодом в диапазоне токов от 0,5 до 3,5 А, мощности от 1 до 6 кВт и межэлектродного расстояния от 5 до 25 мм при атмосферном давлении.
Практическое использование газовых разрядов с жидкими электродами
Газовые разряды с одним или двумя жидкими электродами представляют большой интерес для использования в технологических целях, так как обладают рядом преимуществ. Например, существует возможность легко управлять режимом горения изменением концентрации и состава электролита [39, 81]. Плазменная обработка различных изделий с помощью разряда между твёрдым и жидким электродами целесообразна в тех случаях, когда другие методы более трудоёмки или их применение невозможно по экологическим причинам.
В [78] рассматривается окисление красителей в водном растворе под действием газового разряда с жидкими электродами. Использованы «тлеющий» разряд атмосферного давления с электролитным катодом и так называемый диафрагменный разряд (рис. 1.9). Металлические детали электродных узлов были изготовлены из нержавеющей стали. В случае «тлеющего» разряда металлический катод погружался в электролит. При обратной полярности электродов металлический анод находился над поверхностью электролита на расстоянии нескольких миллиметров. В этом случае напряжённость поля в положительном столбе «тлеющего» разряда составляла около 10 В/см, а катодное падение потенциала у поверхности раствора в зависимости от свойств раствора и тока разряда изменялся в пределах 400 - 900 В.
Для установления эффективности газоразрядной активации растворов электролитов в зависимости от вида и параметров используемого разряда авторами [78] были проведены исследования кинетики гомогенного процесса окисления водного раствора окислителя. С целью изучения этого процесса была использована ячейка, позволяющая зажигать как «тлеющий», так и диафрагменный разряд с электролитными электродами. Ток «тлеющего» разряда варьировался в пределах 20 - 50 мА, ток диафрагменного разряда составлял 70 - 250 мА. В ячейку объёмом 300 мл добавляли 1 мл 2 % раствора серной кислоты для обеспечения необходимой проводимости. Оптическая плотность раствора в процессе обработки контролировалась фотометрически. Опыты показали, что в обоих случаях процесс окисления красителя протекает через стадию образования коллоидной фазы. На изменение интенсивности проходящего через раствор потока света оказывают влияние два фактора. Во-первых, прозрачность раствора растёт вследствие уменьшения концентрации молекул красителя; во-вторых, рассеяние света возрастает из-за образования коллоидных частиц. Максимальная скорость диструкции красителя наблюдалась при воздействии на раствор диафрагменным разрядом. Такой вид газоразрядной активации растворов по мнению авторов [78] может быть использован для очистки воды и водных растворов от органических и неорганических загрязнений, стерилизации растворов и помещаемых в раствор объектов, обработки природных и синтетических полимерных материалов.
В [55] приведён способ модифицирования (отбеливания) льняных волокон в плазменно-растворном реакторе при инициировании процесса контактным разрядом. Экспериментально доказывается инициирование окислительных процессов в растворах плазмой атмосферного давления на примере окисления галогенид ионов (J , Вг ) и окислительной диструкции водного раствора красителя. Целью экспериментов являлась оценка возможностей различных типов разряда (контактного, коронного и «тлеющей» дуги) и сравнение их с другими способами окисления. Исследования показали наличие двух основных стадий процесса в растворе - накопление генерируемого плазмой окислителя и непосредственно окисления молекул красителя. Механизм окисления зависит от кислотности раствора и наличия в нём ионов металлов. Как и в [78] отмечается образование в качестве промежуточных продуктов положительно заряженных коллоидных частиц. При длительной газоразрядной обработке окисление приводит к образованию низкомолекулярных продуктов с очисткой воды. Автором [55] отмечается, что достаточно сложно создать плазменно - инициированные процессы, обладающие высокой селективностью воздействия на материалы, так как имеет место сильная обратная связь между химическими процессами, инициируемыми плазмой, и её физическими свойствами. Тем не менее плазменная обработка водных растворов позволяет инициировать гетерогенные окислительные процессы и может быть использована в технических целях. Эти возможности были проверены автором [55] в экспериментах по отбеливанию льняной ровницы и пряжи. Таким образом, показана перспективность технологического применения активируемых плазмой процессов в растворах.
В [21, 50] детально исследуется явление электролиза в разрядах с электролитным катодом. Авторами была предпринята попытка разработки общего механизма процесса, в котором определялась зависимость процесса окисления от экспериментальных условий и его отдача в количественном отношении. Было установлено, что кроме электролиза реакции имеют место и химические реакции между элементами, присутствующими в электролите. В [50] отмечается, что в первую очередь на электролиз оказывает влияние: концентрация электролита, количество пропущенного электричества и давление. Вторичное значение имеют: расстояние от электрода, ток и природа газа. Установлено, что ионы при вхождении в электролит имеют энергию, достаточную для диссоциации воды. Образующийся при этом активный радикал ОН окисляет любое вещество.
В настоящее время получение анодных оксидных покрытий, используемых в микроэлектронике и радиотехнике, возможно не только в электролите, но и в плазменной среде [82, 83]. Оксидируемая деталь помещается чуть ниже поверхности электролита, а катод находится над поверхностью электролита. Полярность может быть обратной, но при этом толщина анодного слоя будет меньше. В результате анодирования изделия обладают достаточно высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью. Достоинствами плазменно-электролитического метода нанесения оксидных покрытий являются: высокая скорость нанесения и достаточно большая толщина (сотни нм) слоя. Диэлектрические оксидные плёнки обладают высоким пробивным напряжением (до 9300 В) и могут быть использованы при изготовлении высоковольтных прецезионных конденсаторов.
Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений
Напряжение на газоразрядном устройстве измерялось стрелочным прибором типа М 2016 класса точности 0,2 с добавочными резисторами. Ток измерялся стрелочным многопредельным прибором типа М 2015 класса точности 0,2. Одновременно ток и напряжение записывались двухкоординатным потенциометром ПДП4-002.
Падение напряжения на пористом электролитном катоде измерялось при соприкосновении с ним металлического анода. Для тех режимов, когда разряд занимал не всю поверхность катода, диаметр металлического анода подбирался так, чтобы площадь торцевой поверхности анода была равна суммарной площади катодных пятен. Падения напряжений на жидком электролитном катоде и на жидком электролитном аноде в ванне также измерялись при соприкосновении с ними металлических электродов. Площадь соприкосновения была равна площади, занимаемой разрядом на поверхности электролита в ванне. При этом во время измерений электролит в ванне перемешивался, чтобы предотвратить его кипение в области контакта с металлическим электродом. А чтобы электролит не кипел при измерении падения напряжения на пористом электролитном катоде в случае больших токов и чтобы не высыхало при этом пористое тело катода, расход электролита через катод при измерении падения напряжения устанавливался больше, чем в режиме горения разряда. Для определения падения напряжения на жидких электродах коаксиального генератора плазмы использовались специальные металлические электроды в виде тонкостенных цилиндров. Напряжение горения разряда определялось как разность между напряжением на клеммах газоразрядного устройства и падением напряжения на электролитном катоде (либо суммарным падением напряжения на электролитных электродах - на катоде и на аноде). В каждом режиме работы газоразрядного устройства для данного значения тока напряжение горения определялось не менее 5-6 раз, а затем строилась ВАХ разряда. Статистическая обработка тока и напряжения с учётом погрешностей приборов производилась по известной методике обработки результатов измерений [126] при доверительной вероятности а = 0,95. При этом относительная погрешность измерения тока не превышала 1,5 %, а относительная погрешность для напряжения составляла 2 - 5 %. Следует отметить, что точность измерения напряжения снижается при больших токах в случае горения разряда с пористым электролитным катодом при верхнем расположении катода. Это вызвано появлением пульсаций тока и напряжения вследствие частичного высыхания пористого тела катода.
Амплитуда и частота пульсаций напряжения и тока измерялись с помощью запоминающего осциллографа С8-12, полоса пропускания которого составляет 0-50 МГц. Осциллограф подключался к клеммам газоразрядного устройства через резисторы с сопротивлениями 2 кОм.
Тепловые потери Qn на пористом электролитном катоде определялись калориметрическим способом. Расход электролита через катод измерялся ротаметром. Данные ротаметра дополнительно контролировались путём измерения времени заполнения водой ёмкости с известным объёмом. Температуры электролита на входе и выходе катода измерялись ртутными термометрами с ценой деления 0,1 С, а температура непосредственно на выходном патрубке дополнительно контролировалась хромель-алюмелевой термопарой. Зависимость термо-э.д.с. термопары от тока разряда записывалась двухкоординатным потенциометром ПДП4-002. Таким же способом определялись тепловые потери на аноде коаксиального генератора плазмы.
При экспериментах по определению тепловых потерь на жидких электродах одни и те же значения имели: температура электролита на входе в газоразрядное устройство, давление напора электролитов на входе в электроразрядное устройство и разрежение на выходе из пористого электролитного катода. В экспериментах давление напора потока электролита было в пределах (1,0 - 1,5)-105 Па в зависимости от режима работы газоразрядного устройства, а разрежение на выходе пористого электролитного катода составляло (0,95 - 0,8) -105 Па.
Методика измерения теплового потока на электролитный катод и массовой скорости испарения электролита с поверхности электролитного катода была следующая.
Во время горения разряда электролит перемешивался внутри ванны с помощью гидронасоса. За это время чугун нагревался и при повторном запуске на нём пары электролита не конденсировались, что обеспечивало стабильность разряда с момента запуска. Предварительный запуск газоразрядного устройства необходим был ещё для того, чтобы электролит «прирабатывался». Как было установлено в этих экспериментах, а также в работах [44, 71], в начальный момент при работе со свежим электролитом, особенно при использовании в качестве электролита технической воды, происходит наиболее быстрое изменение кислотности (показателя рН), следовательно, и электропроводности жидкого электролита. После 10 мин. работы газоразрядного устройства показатель рН электролита меняется незначительно. В экспериментах показатель рН контролировался универсальной индикаторной бумагой рН 0-12.
После предварительного запуска газоразрядного устройства в электролитическую ванну добавлялся холодный «приработанный» электролит и он смешивался с нагретым электролитом в ванне в таком количестве, чтобы результирующая температура была равна заданной. Затем вновь устанавливался заданный уровень электролита в ванне. После этого чугунный анод смещался в сторону и с помощью другого металлического электрода измерялось падение напряжения в ванне, при этом торцевые размеры металлического электрода были такие же как у чугунного анода.
Чугунный анод заново возвращался на своё место. Повторно контролировалось межэлектродное расстояние и записывалось начальное значение температуры электролита. После этого зажигался разряд и поддерживался при заданном токе в течении 5-15 мин. Меньшее время разряд горел при больших токах порядка 3 - 4 А, а большее время -при малых токах. Во время горения разряда электролит перемешивался. Значения напряжения записывались по показаниям стрелочного прибора М 2016 и дополнительно контролировалось двухкоординатным самописцем. Межэлектродное расстояние і контролировалось визуально по уровню электролита в ванне и корректировались перемещением анода в вертикальном направлении с помощью координатного устройства. После выключения разряда измерялась температура электролита в ванне и уровень электролита. Анод снова смещался в сторону и снова измерялось падение напряжения в ванне. По разнице первоначального и конечного уровней электролита определялся расход электролита. Дополнительно расход электролита контролировался путём добавления электролита в ванну из мерной ёмкости с ценой деления шкалы 1 мл.
Способы получения газового разряда с пористым электролитным катодом
Конструкция коаксиального генератора плазмы представлена на рис. 3.6. Генератор содержит внутренний цилиндрический токоподвод 1, наружный цилиндрический токоподвод 2, цилиндрическую пористую вставку 5, узлы 6 и 7 для формирования тонких плёнок 3 и 4 электролитов, узлы 8 и 9 для слива электролитов, узел подвода газа 10 и корпус 11. Внутренний токоподвод 1, узел 6 для формирования тонкой плёнки 3 электролита и корпус 11 являются металлическими. Наружный цилиндрический токоподвод 2 изготовлен из технического графита, а все остальные узлы изготовлены из диэлектрических материалов. Разрядная область обозначена через V.
Генератор устанавливается вертикально, как показано на рис. 3.6. На поверхности наружного цилиндрического токоподвода 2 тонкая плёнка 4 электролита формируется путём тангенциальной подачи электролита под напором. На поверхность внутреннего цилиндрического токоподвода 1 электролит вытекает через малые отверстия (0 1 мм) на верхнем конце узла 6. Этот электролит смачивает пористую диэлектрическую вставку 5, изготовленную из шамотного кирпича. Расходы электролитов устанавливаются таким образом, чтобы они могли удаляться из генератора через узлы слива 8 и 9, не смешиваясь друг с другом. Наружный токоподвод 2 подключается к положительному полюсу, а внутренний токоподвод 1 к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Разряд горит в горизонтальном направлении в радиальном зазоре шириной 5 мм. Фото генератора в рабочем режиме приведено на рис. 3.7а. Линейный генератор плазмы электролита предназначен для работы с электролитами, приготовленными из водных растворов солей щелочных металлов и щелочей с концентрацией по массе от 0,1 до 3%. Он имеет торцевой пористый электролитный катод и кольцевой анод, ось которого совпадает с осью катода. Анод изготовлен из серого чугуна. Он может располагаться на различных расстояниях от катода. Расстояние L между катодом и анодом (рис. 3.86) может меняться в пределах от 20 до 150 мм.
Конструкция катода подобна конструкции торцевых водоохлаждаемых катодов дуговых плазмотронов. Однако здесь охлаждающей жидкостью является электролит и он просачивается через пористое тело катода в область разряда.
Генератор может располагаться в любом пространственном положении. Как видно из фотографий, представленных на рис. 3.8а и 3.9, наибольший объём плазменного столба получается в случае вертикального расположения генератора, когда струя плазмы направлена вверх.
Одним из основных преимуществ разработанных генераторов плазмы с пористым электролитным катодом является то, что для изготовления электродов таких генераторов плазмы не требуются дорогостоящие тугоплавкие металлы. Длительность непрерывной работы пористого электролитного катода зависит от степени предварительной очистки воды, используемой для приготовления электролита. В случае использования технической воды из городского водопровода, на внутренних каналах пористого тела появляются отложения твёрдых примесей, содержащихся в воде, а также накипь. Поэтому требуется периодическая очистка пористого тела катода. Очистка осуществляется известными способами, применяемыми против накипи, а различные отложения легко смываются кислотными растворами, так что катодный узел генератора имеет значительно большой срок службы по сравнению с электродами, применяемыми в дуговых генераторах плазмы.
Разряд между жидким электролитным катодом в виде электролитической ванны и металлическим анодом. Внешне особенности газового разряда проявляются в его излучении, геометрической форме, объёмной структуре и структуре катодных и анодных пятен. В исследованном диапазоне параметров наблюдаются две различные формы привязки разряда к электродам, т.е. две различные формы электродных пятен. Привязка разряда к жидкому электролитному катоду всегда имеет распределённый характер. Характер привязки разряда к металлическому аноду зависит от ряда факторов, в том числе и от геометрической формы анода. В случае анода с плоским торцом наблюдаются следующие виды анодных пятен, которые схематично представлены на рисунке 3.10. Последовательность рисунков соответствует развитию разряда при повышении тока, когда межэлектродное расстояние является неизменным. При малых токах анодное пятно одноточечное (рис. 3.10а). Конкретное значение тока, при котором наблюдается этот вид разряда, зависит от межэлектродного расстояния , а также от концентрации и химического состава электролита. В случае использования технической воды в качестве электролита, для t = 5 мм этот вид разряда наблюдается при токах порядка несколько десятков миллиампер. При повышении тока привязка разряда к аноду становится распределённой (рис. 3.106) и разряд занимает значительную часть межэлектродного пространства. При дальнейшем повышении тока объём разряда растёт и анодное пятно полностью покрывает торцевую поверхность анода (рис. З.ІОв). В этом случае разрядная область имеет устойчивую геометрическую форму. Именно в этом виде разряд наиболее полно соответствует названию «объёмный разряд». В дальнейшем, при описании разряда под объёмным разрядом подразумевается только этот вид разряда.
Следует отметить, что при повышении тока катодное пятно увеличивается и в случае объёмного разряда его диаметр получается больше диаметра металлического анода. При дальнейшем повышении тока увеличение катодного пятна прекращается и одновременно меняется структура разряда. В отличие от предыдущего вида разряда, т.е. в отличие от объёмного разряда, здесь появляются контрагированные каналы с интенсивным ярко-белым излучением (рис. З.Юг, жирные линии). Длина каналов и их количество зависит от тока. С ростом тока каналы удлиняются и их число растёт. Они непрерывно меняются по длине и хаотично перемещаются внутри разрядной области. При меньших значениях тока эти каналы со стороны электролитного катода имеют распределённую привязку к поверхности катода. При больших токах, а также при повышении концентрации электролита каналы достигают до поверхности катода и привязка каналов к катоду становится контрагированной. Появление контрагированных каналов сопровождается изменением шума и резким увеличением амплитуды колебаний тока и напряжения. Шум разряда становится характерным шуму искрового разряда, т.е. как и при искровом разряде, здесь издаётся треск.
Таким образом, наиболее стабильные геометрические, электрические и другие параметры разряда реализуются при его форме, показанной на рис. ЗЛОв. Поэтому именно этот разряд (объёмный разряд) представляет наибольший практический интерес.
Исследования показали, что диапазоны изменения тока и межэлектродного расстояния, при которых реализуется объёмный разряд, зависят от состава электролита и размеров анода. В наиболее широких диапазонах изменения тока и межэлектродного расстояния этот вид разряда формируется в случае использования в качестве электролита технической воды. Когда катодом служит техническая вода, максимальное межэлектродное расстояние, при котором ещё формируется объёмный разряд, составляет 11-13 мм в зависимости от материала анода и состояния его поверхности (при наличии неровностей в виде выступов это расстояние сокращается). Объёмный разряд с малым диаметром анода
Характеристики положительного столба разряда
В общем случае свойства газоразрядной плазмы описываются уравнениями газовой динамики, которые представляют собой законы сохранения массы, импульса и энергии, а также системой уравнений Максвелла для классической электродинамики. Закон сохранения массы может быть представлен уравнениями неразрывности для отдельных сортов частиц. Если основным механизмом ионизации нейтральных частиц является ионизация прямым электронным ударом, то в гидродинамическом приближении уравнения неразрывности заряженных частиц имеют вид [144].
Закон сохранения полной энергии, учитывающий джоулево тепловыделение в объёме, работу сил давления, вязкостное тепловыделение, перенос энергии конвекцией и теплопроводностью, тепловыделение за счёт колебательно-поступательной и колебательно-колебательной релаксаций, записывается в виде [ 144].
Как следует из экспериментальных исследований, представленных в главе 3, разряд с жидким электролитным катодом является многоканальным, а свойства разряда практически не меняются при изменении межэлектродного расстояния в достаточно широких пределах, в частности, не изменяется напряжённость электрического поля. Следовательно, в разрядных каналах формируются предельные участки с постоянными характеристиками.
Как известно, диффузия заряженных частиц в разрядах повышенного давления является амбиполярной. При больших плотностях частиц, что имеет место в разрядах атмосферного давления, можно пренебречь диффузией заряженных частиц. В условиях разряда атмосферного давления, когда имеется высокая плотность частиц, можно считать, что энергия возбуждённых атомов и молекул полностью переходит в энергию их теплового движения. Степень ионизации газа невелика, поэтому можно пренебречь переносом энергии ионизации по сравнению с переносом энергии за счёт теплопроводности. А также можно пренебречь вязкой диссипацией энергии, переносом энергии излучением, изменением кинетической энергии газа, переносом энергии в направлении оси канала по сравнению джоулевои диссипацией энергии электрического поля и переносом тепла за счёт теплопроводности. Следует отметить, что справедливость этих последних упрощающих предположений подтверждается с большой степенью точности и в условиях тлеющего, и в условиях дугового разрядов [144,145].
Тепловые свойства потока плазмы можно определить исходя из энергетических характеристик генератора плазмы. Мощность генератора Nr прямо пропорциональна току (рис. 4.8). Некоторую часть мощности Nr представляет собой джоулево тепловыделение QR на пористом электролитном катоде. В диапазоне токов от 2,5 до 5 А для катода, пористое тело которого имеет 0 40 мм, в случае использования электролита NaCl 0,5 % джоулево тепловыделение составляет в среднем около 6 % общей мощности генератора, причём некоторое увеличение QR наблюдается при повышении тока (рис. 4.8, линия 3).
Следует отметить, что джоулево тепловыделение зависит от размеров пористого тела катода и концентрации электролита. При увеличении диаметра пористого тела катода и концентрации электролита электрическое сопротивление катода уменьшается и QR снижается. Теплота, отводимая от генератора электролитом, представляет собой тепловые потери Qn на пористом катоде. Как видно из рис. 4.8 (линия 2), тепловые потери Qn и составляют в среднем 20-25 % мощности генератора. Поскольку тепловые потери на аноде ещё меньше чем на катоде, термический к.п.д. генератора получается достаточно высоким. Таким образом, значительная часть мощности генератора идёт на нагрев плазмы. При сохранении условий эксперимента неизменными, а именно, при поддержании постоянного напора потока электролита, прокачиваемого через катод, и при одинаковой температуре электролита на входе катода массовая скорость испарения электролита получается практически прямо пропорциональной току (рис. 4.9). Среднемассовая энтальпия плазмы, рассчитанная без учёта потерь на аноде, получается порядка 10-15 кДж/кг. Этим значениям среднемассовой энтальпии в случае чисто водяной плазмы соответствует интервал температуры 3200 -3500 К [142]. При таких значениях температуры происходит диссоциация молекул НгО. Следовательно, можно предположить что электрический разряд происходит в частично атомарной среде.
То, что в плазме разряда пары электролита нагреваются до сравнительно высоких температур, подтверждают результаты измерений температуры струи плазмы с помощью термопар. Как видно из рисунка 4.10, температура плазмы на удалении от анода на расстояние в несколько калибров (здесь калибр представляет собой расстояние, равное диаметру пористого тела катода, что примерно равно диаметру поперечного сечения разрядной области) остаётся сравнительно высокой (1000 К и выше).
