Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки

Самитова, Гульнара Торекульевна

Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Самитова, Гульнара Торекульевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки»

Автореферат диссертации на тему "Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки"

На правах рукоЯиси

САМИТОВА ГУЛЬНАРА ТОРЕКУЛЬЕВНА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ДВИЖУЩИХСЯ ПУЗЫРЬКАХ ВОЗДУХА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ВНЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРУБКИ

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013 005543943

Казань 2013

005543943

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук,

профессор Гайсин Фивзат Миннебаевич

Официальные оппоненты: - Суворов Иван Флегонтович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет», зав. секции электроснабжения кафедры электроэнергетики и электротехники

- Садриев Рамиль Шамилевич,

кандидат технических наук, доцент, Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», доцент кафедры электротехники и электроники

Ведущая организация: - ОАО «Специальное конструкторское

техническое бюро «Мединструмент», г. Казань

Защита состоится2013 года в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. Карла Маркса, 68 (зал заседаний ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

«¿Г» С

Автореферат разослан <<г~' » & 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета с Герасимов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы. Неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда (ЭР) с жидкими электродами привлекла внимание исследователей в виду довольно широкого применения ЭР для защиты окружающей среды, медицине и новых технологиях в промышленности.

Электрические разряды с использованием жидких электродов создают УФ излучение, ударные волны и активные радикалы (ОН, атомарный кислород, пероксид водорода и т.д.) и является эффективным средством против биологических и химических загрязнений. В связи с этим электрические разряды с жидкими электродами становятся особенно полезными для целей стерилизации и очистки растворов. Однако существенная сложность плазмы ЭР с жидкими электродами не позволяет полное понимание физических процессов, происходящих в указанных разрядах и это остается не достигнутым. Например, электрический пробой в жидкостях является более сложным явлением, чем в твердых телах и газах. Это связано с формированием микропузырьков воздуха в жидкости. Анализ литературных данных показал, что наряду с изучением ЭР с жидкими электродами большой интерес, как научной точки зрения, так и практической представляют электрические разряды в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки.

В настоящее время электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки практически не изучены. Не исследованы влияния размеров и форм воздушных пузырьков воздуха на развитие электрического пробоя и разряда в диэлектрической трубке с электролитом. Не изучены особенности перехода многоканального разряда (МР) в объемный разряд (ОР) в электролите с движущимися пузырьками воздуха. Практически не исследованы развитие МР внутри длинных пузырьков воздуха, образование плазменной струи вне диэлектрической трубки и горение электрического разряда вихревой формы в электролите при атмосферном давлении.

Все это сдерживает разработку и создание новых плазменных установок и технологий с использованием электрических разрядов постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки. В связи с вышеизложенным, экспериментальное исследование электрического разряда в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазмы вне диэлектрической трубки при атмосферном и пониженных давлениях является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Задачи исследования:

1. Проанализировать известные экспериментальные и теоретические исследования электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также их практические применения.

2. Разработать и создать экспериментальную установку для исследования электрических разрядов постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки.

3. На базе созданной экспериментальной установки проводить исследования электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки в диапазоне Р = ЮМо5 Па, напряжения разряда и = 200-1500 В, тока разряда I = 0,02-2,5 А, расхода электролита б = 1,4-8,3 г/с, и = 0,15-0,98 м/с, длины и диаметра диэлектрической трубки /т = 100-400 мм, с/т = 5-20 мм для насыщенного и 10% раствора ИаС1 в технической воде.

На основе проведенных экспериментальных исследований электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки изучить развитие электрического пробоя между токоподводящим медным проводом и электролитом, развитие многоканального разряда (МР) кольцевой и ¿-образной формы, а также внутри длинных пузырьков и неоднородных структурах электролита с пузырьками, горение МР на поверхности токоподводящего медного провода и объемного разряда внутри диэлектрической трубки в электролите, образование паровоздушной струи плазмы вне диэлектрической трубки, электрических, спектральных, температурных и хроматографических характеристик ЭР.

4. Разработать и создать устройства для получения многоканального, объемного разряда и разряда вихревой формы постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите и с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки; разработать методику обработки электролита для повышения класса шероховатости проволоки марки сталь 3 с объемным разрядом (ОР) внутри диэлектрической трубки в электролите.

Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.

Для изготовления разрядной камеры использованы материалы:

- сосуды для электролита с краном из термостойкого стекла марки «Бгаах»;

- трубка силиконовая ТУ 9436-004-18037666-94;

- провода для подвода отрицательного и положительного потенциала из меди марки М1.

Для экспериментального исследования были использованы материалы медь М1 и сталь 3.

Для исследования электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной

струи вне диэлектрической трубки в процессе очистки и повышения класса шероховатости в широком диапазоне параметров создан измерительный комплекс, состоящий из:

1) цифровой фотокамеры «Sony DSC-H9», «Rower 3.2» и видеокамеры «Sony HOR-SR72E»;

2) универсального двухлучевого осциллографа типа GOS-6030;

3) статического вольтметра, амперметра, мультиметра разного класса точности;

4) спектроанализатор «Сириус»;

5) радиационного пирометра марки «GENTER»;

6) жидкостного хроматографа «ЦветЯуза».

Для определения степени воздействия ЭР в движущихся пузырьках воздуха в электролите на различные материалы использованы электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-химических свойств материалов.

Степень достоверности научных результатов определялась применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов с известными опытными данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ.

Научная новнзна исследований:

В результате экспериментального исследования электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки в диапазоне Р = 101-105 Па установлено:

- горение MP, OP и вихревой формы в диэлектрической трубке с электролитом;

- переход многоканального разряда в объемную форму в электролите с ростом 1 от 800 до 900 мА;

- развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков воздуха;

- образование плазменной струи вне диэлектрической трубки с диаметром отверстия dc ~ 1,5-2,5 мм на поверхности трубки;

- образование низкочастотных и высокочастотных колебаний тока многоканального разряда;

- переход MP в аномальный тлеющий разряд (АТР) при пониженных давлениях (Р < 6-104 Па);

- уменьшение отрицательных ионов хлора (СГ) и наибольшая интенсивность линии Na 5760А после обработки электролита MP.

Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания характеристик и особенностей физических процессов, протекающих

в электролитических разрядах постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки. Разработаны и созданы устройства: для получения электрического разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях; для обработки электролита с использованием многоканального, объемного и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях; для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении. Разработаны методики: обработки электролита многоканальным, объемным и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите; очистки и повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) с использованием МР и ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите.

Работа выполнена при поддержке РФФИ № 04-02-97501 в рамках проекта «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» и в рамках фантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт 1) и (Старт 2) № 6784р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», проект №1/5, а также договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», № 246/Н. Гос. контракт № 02.740.11.0569 «Фундаментальные и прикладные исследования физики, кинематики и гидродинамики низкотемпературной плазмы и разработка плазменных технологий», в рамках грантов программ ФСРМФП в НТС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования особенности развития электрического пробоя и многоканального разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

2. Результаты экспериментального исследования особенности развития многоканального разряда в диэлектрической трубке с электролитом внутри длинных пузырьков воздуха при атмосферном давлении.

3. Результаты экспериментального исследования развития объемного разряда и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении, а также электрические, температурные, спектральные и хроматографические характеристики в диапазоне давлений 103-105 Па.

4. Методика очистки и повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) с использованием многоканального и объемного разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

5. Методика обработки электролита многоканальным, объемным и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-практической конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010 г.); на XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 8-12 февраля 2010 г.); на II Международной научно-технической конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, Ивановская обл., 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2011 г.); на XI Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск, Россия, 2013 г.).

Личный вклад автора в работу. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором разработаны и созданы разрядные камеры в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов, разработаны и созданы методики обработки электролита, очистки и повышения класса шероховатости стали 3 с использованием ОР в движущихся пузырьках воздуха в электролите.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (три статья в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 9 работ в материалах конференций).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунков, 0 таблицы и список литературы из 248 источников отечественных и зарубежных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формируются задачи исследования.

В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований ЭР в электролите, там же обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования многоканального и объемного разряда, разряда вихревой формы постоянного тока в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Изучение ЭР проводилось в диапазоне и = 200-1500 В, 1 = 0,02-2,5 А, Р = 101-105 Па, С = 1,4-8,3 г/с,

и = 0,15-0,98 м/с, di = 5-20 мм и /т = 100-400 мм для насыщенного и 10% раствора NaCl в технической воде.

Функциональная схема (рис. 1) состоит из электрической схемы (I), разрядной камеры (II) и вакуумной системы (III).

Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки

Сетевое напряжение через выключатель SA1.1 и предохранитель F1 поступает на трансформатор типа ТС-180, а затем через многоконтактный переключатель SA3 поступает на выпрямитель для преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот выпрямитель собран на диодах типа КД 410 А по мостовой схеме. Предусмотрено емкостное сглаживание пульсации выходного напряжения трансформатора ТР1. На передней панели имеется выключатели напряжения SA 1.2 и SA2.1. Переключатель SA3 служит для ступенчатого изменения напряжения. Высоковольтное постоянное напряжение подается с клемм «+» и «-». Дополнительные выходы позволяют

наблюдать колебания напряжения и тока разряда на экране универсального двулучевого осциллографа типа GOS-6030. Величину напряжения и тока разряда можно измерить с помощью мультиметра типа MY68. Одновременно на видеокамеру снимаются колебания величины Uni.

ВАХ электрического разряда измерялись с помощью вольтметра М367 класса точности 0,5 и статического вольтметра С50 класса точности 1,0, амперметром Ц-4311 класса точности 0,5 и мультиметром MY68 класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Разрядная камера (II) состоит из двух специальных стеклянных сосудов. Стеклянные сосуды 1 и 2 соединены между собой диэлектрической трубкой 3 с движущимися пузырьками воздуха в электролите. С помощью краников 4 регулируется характер движение электролита. Медными проводами 5 и 6 подводятся положительные и отрицательные потенциалы от источника питания. Вакуумная система (III) установки состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса типа 2НВР-5ДМ. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки, а измеряется вакуумметром модель 1227 класса точности 0,25. В стеклянные сосуды / и 2 наливаются растворы NaCl в технической воде. Измерения температуры на поверхности диэлектрической трубки с электролитом проводились с использованием прибора радиационного пирометра «GENTER».

Регистрация параметров ЭР проводилась не менее 11 раз. Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратом «Sony DSC-H9», «Rower 3.2», а также проводилась видеосъемка на видеокамеру «Sony HDR-SR72E». Анализ получаемых видеороликов проводился в покадровом режиме. Колебания напряжения и тока разряда снимались с экрана универсального двухлучевого осциллографа типа GOS-6030 на видеокамеру «Sony HDR-SR72E». Рельеф и микрорельеф поверхности исследовались на электронном микроскопе «ZEISS (AXIVERT) 200 МАТ», а также на электронном микроскопе «XL-30 ESEM TMP». Металлографические исследования выполнялись с использованием оптического микроскопа ОГМЭ-П2.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭР постоянного тока в диэлектрической трубке в электролите с движущимися пузырьками воздуха в электролите в диапазоне Р = 10 -105 Па, U = 200-1500 В, / = 0,02-2,5 А, I = 100-400 мм и d, = 5-20 мм для насыщенного и 10% раствора NaCl в технической воде.

После включения источника питания постоянного тока из-за электролиза в трубке появляются воздушные пузырьки самых различных размеров с диаметрами от 1 до 10 мм, а в длину вдоль трубки до 20 мм и более. Выявлено, что пузырьки начинают появляться около металлических проводов, которые служат для подвода потенциала (1). Размеры и формы воздушных пузырьков воздуха существенно влияют на возникновение и развитие ЭР в диэлектрической трубке с электролитом. Пузырьки воздуха различных размеров и геометрических форм в электролите двигаются.

Как видно из фотографии рис. 2,а, в объеме диэлектрической трубки 2 образуются движущиеся пузырьки из-за электролиза в электролите при

и = 1240 В, / = 90 мА, ¿т = 10 мм, /т = 400 мм и Р = 105 Па. Фотография осциллограммы тока электролиза показана на рис. 2,а'. Колебания тока электролиза (/ = 250 мА) носят синусоидальный характер, как и напряжение разряда. Объем электролита с пузырьками 2 составляет 1500 мм\ а остальной объем диэлектрической трубки занимает сплошной электролит без пузырьков 3. Как видно из фотографии рис. 2,6, после включения источника питания при ?1 = 0,04 с между медной проволокой 1 и электролитом с пузырьками воздуха 3 горит многоканальный разряд 4 вблизи стенки трубки. Характер пульсации тока МР без пробоя показан на осциллограмме (рис. 2,6'). С ростом тока МР от 250 до 500 мА происходит электрический пробой в электролите. При ?2 = 0,12 с (фотография рис. 2,в) после пробоя (осциллограмма тока фотография рис. 2,в') разряд в электролите горит на границе между электролитом с пузырьками 2 и электролитом без него 3. Ток контрагированного разряда после пробоя составляет 1750 мА. Длительность горения прерывистого МР составляет 17,5 гпБ, а амплитуда колебаний меняется от 150 до 750 мА. При = 0,16 с (фотография рис. 2,г) интенсивность излучения МР значительно возрастает. Как видно из осциллограммы рис. 2/, пробою предшествует МР. Установлено, что после пробоя наблюдаются МР полукольцевой, кольцевой и Б-образной формы вдоль и вокруг внутренней поверхности стенки диэлектрической трубки.

а' б' в' г'

Рис. 2. Фотографии МР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками

воздуха в электролите и осциллограммы колебаний тока разряда при Р = 105 Па, = 10 мм и / = 200 мм. Электролит - насыщенный раствор ЫаС1 в

технической воде

С помощью спектранализатора «Сириус» изучен спектр многоканального разряда кольцевой формы (фотография рис. 2,г) вдоль и вокруг верхней, поверхности стеклянной трубки при Р = 105 Па ¿с = 10 мм, /с = 200 мм,

и = 643 В и / = 700 мА. Электролит -насыщенный раствор ЫаС1 в технической воде. Линия Ыа 5760 А является наиболее интенсивной (рис. 3). Положительные ионы (№+) в многоканальный разряд кольцевой формы попадаю! благодаря интенсивному обмену заряженных частиц между электролитом и плазмой МР. В многоканальном разряде происходят физические процессы - рекомбинация ионов натрия (№+) и возбуждение атомов Иа.

Следующей особенностью является переход МР в ОР с ростом / от 800 до 1000 мА в диэлектрической трубке с электролитом (фотографии рис. 4).

д е ж з

Рис. 4. Фотографии перехода МР в объемный разряд в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при Р= 105 Па, /, = 275 мм и öt, = 10 мм. Электролит - насыщенный раствор NaCl в технической воде

Из сравнения фотографий рис. 4,а, б, в иг следует, что с ростом величины / от 800 до 1000 мА происходит переход МР кольцевой формы внутри диэлектрической трубки (фотография рис. 4,а) в однородный ОР (фотография рис. Л,г). Как видно из фотографии рис. 4,6, в процессе перехода МР в ОР при I = 890 мА наблюдается три области интенсивного свечения в электролите. Если увеличить ток еще больше от 890 до 925 мА, то появляется ОР, который становится более однородным (фотографиярис. 4,в). С увеличением / от 925 до 1000 мА объем, занимаемый разрядом растет в два раза и более, а ОР становится сплошным и однородным (фотография рис. 4,г). Интенсивность

5950 5650 5750 5650 555О Длима волны А

Рис. 3

излучения объемного разряда резко возрастает. Цвет чередуется (белый, желтый и красный), а излучение меняется как вдоль, так и поперек диэлектрической трубки с электролитом. Причиной горения ОР с интенсивным излучением белого цвета (фотография рис. 4,г) в диэлектрической трубке является образование пузырьков с диаметром менее 2 мм.

Если объемный разряд занимает часть диэлектрической трубки (фотография рис. 4,д), то излучение через стенки трубки отсутствует. Установлено направленное и интенсивное излучение света (фотография рис. 4,е) в зависимости от формы ОР. Как видно из фотографии рис. А,ж изо течением времени Аг = 0,04 с локальные однородные области переходят в ОР.

Следующей особенностью является развитие МР с электролитом в диэлектрической трубке внутри длинных пузырьков воздуха (фотографии рис. 4 ,а-г). В данном случае конец медной проволоки для подвода положительного потенциала не входит в диэлектрическую трубку.

Как видно из фотографии рис. 5,я, вблизи стенки слева наблюдается пузырек с многоканальным разрядом 4. Размеры пузырька составляют в длину ~ 18 мм, а в диаметре ~ 5 мм. С течением времени от = 0,04 до Ь = 0,08 с размер пузырька вдоль трубки возрастает в 1,5 раза. На конце пузырька со стороны катода наблюдается яркосветящаяся область плазмы 4 МР (фотография рис. 5,6). Эта область переходит в электролит без разряда 2, а затем в сплошной электролит 3. С течением времени через г3 = 0,12 с длина пузырька увеличивается почти в 2 раза. При этом от канала до конца пузырька наблюдается прерывистый МР, который состоит из 6 областей МР (фотография рис. 5,в). В момент времени г4 = 0,16 с длина пузырька превышает первоначальную в 2,5 раза. С ростом времени от и = 0,16 до = 0,2 с длина пузырька возрастает в 3 раза от первоначального значения. Диаметр пузырька почти не меняется (~5 мм). На конце трубки со стороны анода наблюдается область пузырька, где уже малозаметно горит МР (фотография рис. 5,г). Постепенно интенсивность излучения плазмы МР уменьшается в направлении катода. Яркосветящаяся плазма со стороны катода исчезает, а со стороны анода на расстоянии А/ = 30 мм многоканальный разряд не наблюдается. С дальнейшим течением времени при и, = 0,24 с внутри пузырька МР перестает гореть.

Рис. 5. Фотографии развития МР внутри пузырька у стенки при и = 1260 В, /= 100 мА, Лт= 10 мм и /т = 400 мм при Р= 105 Па

На фотографиях рис. 6,а-в показано развитие многоканального разряда различной геометрической формы в интервале времени Г = 0,04-0,12 с в электролите. Как видно из фотографии рис. 6,д, многоканальный разряд кольцевой формы состоит из микроразрядов. С течением времени от 0,08 до 0,12 с (фотографии рис. 6,6 и в) формы и интенсивность горения МР в электролите существенно меняется.

Рис. 6. Фотографии развития различной и формы горения МР в структурах при Р = 105 Па, I = 250 мА, и = 400 В, /т = 275 мм и с1т = 10 мм.

Электролит - насыщенный раствор ИаС1 в технической воде

На рис. 7 представлена ВАХ МР и ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками поз духа в электролите при атмосферном давлении. Как видно из рис.7, в интервале тока от 100 до 360 мА величина £/ меняется незначительно. Такое изменение характерно для МР. С дальнейшим ростом величины I от 375 до 650 мА напряжение разряда повышается, как и в случае аномального тлеющего разряда. Это объясняется тем, что при I = 360 мА многоканальный разряд переходит в объемный аномальный тлеющий разряд. В данном случае образуется электролит высоким газосодержанием пузырьков воздуха с диаметром с/п< 2 мм, что приводит к увеличению и с ростом /.

ЦВ 900-

6®

зго-

у /

& /

— мн-

100 200 300 400 500 800 |,»А

Рис. 7. ВАХ электрических разрядов (МР и ОР) при Р = 10* Па, /т = 270 мм, <1, = 10 мм. Электролит -насыщенный раствор ЫаС1 в технической воде

Рис. 8. ВАХ объемного разряда при пониженных давлениях: 1 - 6- Ю4 Па; 2 - 4104 Па; 3 - 103 Па, /т = 270 мм, = 10 мм. Электролит - 10% раствор №С1 в технической воде

С понижением давления от 105 до 10? Па характер ВАХ меняются. Они становятся только возрастающими (рис. 8). Из сравнения кривых 1, 2 и 3

следует, что с ростом давления величина напряжения разряда увеличивается, а тока наоборот уменьшается. Экспериментальные исследования показали, что с понижением давления от 6104 до 5103 Па многоканальный разряд не горит. В данном случае наблюдается переход МР в АТР.

Экспериментальные исследования показали, что наблюдается горение МР и разряда вихревой формы вокруг металлического электрода, погруженного в электролит через диэлектрическую трубку для подвода потенциала (фотографии на рис. 9 и 10).

Рис. 9 Рис. 10

На рис. 11 представлены распределения температуры вдоль диэлектрической трубки. Измерения температуры производились на поверхности и внутри диэлектрической трубки с использованием стальных проволок и радиационного пирометра марки GENTER с точность 1,5%. Стальные проволоки погружены в электролит через диэлектрическую трубку на глубину /г„ = 5 мм и на расстоянии Д/ = 30 мм друг от друга. Характер распределения температуры (кривые 1 и 2 на рис. 11) имеет один и тот же вид.

Рис. 11. Распределение температуры вдоль диэлектрической трубки при Р= 105 Па, U = 850 В, I = 450 мА, /т = 270 мм и = 10 мм. Электролит -насыщенный раствор NaCl в технической воде

В случае горения ОР со стороны положительного потенциала температура внутри стеклянного сосуда 1 резко повышается, а в сосуде 2 (см. рис. 1) останется постоянной. Например, в случае 10% раствора электролита в технической воде температура в первом стеклянном сосуде повышается до 38°С, а во втором сосуде не меняется - 20°С. Цвет электролита становится желтым, а на катоде остается без изменения.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований электрических, спектральных, температурных и хроматографических характеристик ЭР и физических процессов, протекающих в электрическом разряде постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с

с ■ - 1

| а

L— | л

'ММ и Ы \ 2

30 6 0 9 1 0 120 V. 0 li 0 2 0 21 0 270 3( 0 т,мм

образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки являлись базой для разработки разрядных устройств и создания методики повышения класса шероховатости стальной проволоки ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха, а также методики обработки электролита МР, ОР и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с электролитом.

В четвертой главе разработаны и созданы устройства для обработки электролита с использованием МР, ОР и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Разработано устройство для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

Разработаны методики обработки электролита МР, ОР и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке в движущихся пузырьках воздуха в электролите: очистки и повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) с использованием МР и ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха.

Как видно из фотографии рис. 12, под воздействием МР происходит коагуляция электролита. Установлено, что коагуляция электролита происходит со стороны анода, очистка электролита наблюдается со стороны катода.

нСм 77Г-

Рис. 12. Фотография коагулированной структуры в электролите со стороны анода после обработки многоканальным

разрядом при I = 275 мА, U = 380 В, /т = 275 мм и cl, = 10 мм при атмосферном

давлении. Электролит - насыщенный раствор электролита в технической воде

Рис. 13. Изменение отрицательных ионов С1 в электролите до и после

обработки МР электролита при Р = 105 Па, /т = 270 мм, dT = 10 мм, U = 850 В, / = 400 мА. Электролит -насыщенный раствор NaCl в технической воде

На рис. 13 приведены результаты хроматографического исследования раствора насыщенного электролита №С1 в технической воде до (кривая /) и после обработки ОР (кривая 2). Вдоль оси абсцисс отложено время выхода на хроматографии, а вдоль оси ординат электропроводимость.

Концентрация хлорида иона (СГ) определяется площадью под кривой 1 и 2. Из сравнения площадей следует, что концентрация хлорида иона (СГ) в электролите после обработки в течение 500с уменьшается на 20,8%.

Устройство для получения паровоздушной струи плазмы вне диэлектрической трубки приведено на рис. 14.

Фото1рафии рис. 14,а-в, позволяют наблюдать процесс получения паровоздушной струи 5. Объемный разряд 4 позволяет стабилизировать и получить паровоздушную струю плазмы вне диэлектрической трубки через отверстие 1,5-2,5 мм на поверхности диэлектрической трубки. Наличие отверстия приводит к образованию паровоздушной струи плазмы в любом сечении диэлектрической трубки (рис. 14,г).

Рис. 15. Функциональная схема устройства для обработки ОР стальных проводов марки сталь 3 в электролите

Рис. 16. Объемный разряд при Р = 105Па, V = 600 В, / = 500 мА, I, = 270 мм, г/т = 10 мм. Электролит - насыщенный раствор №С1 в технической воде

Рис. 14. Фотографии устройства для получения паровоздушной струи плазмы

при Р = 105Па: а,б,в - V = 800 В, / = 600 мА, /т = 270 мм, d,= 10 мм; г - U = 525 В, / = 450 мА, /т = 270 мм, d, = 15 мм. Электролит - насыщенный раствор электролита в технической воде

Предложена методика повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) ОР внутри диэлектрической трубки с движущимися пузырьками воздуха в электролите.

Стальные провода в количестве 8 штук длиной 10 мм и диаметром 2 мм расположены вдоль диэлектрической трубки на расстоянии 30 мм друг от друга (рис. 15). Объемный разряд 1 на рис. 15 приведен также на фотографии рис. 16.

В данной работе выведено уравнение регрессии с учетом трехфакторного эксперимента. Уравнение регрессии позволяет находить оптимальный режим обработки поверхности стального провода (марки сталь 3) диаметром 3 мм при атмосферном давлении. С целью выявления влияния параметров разряда на класс шероховатости обрабатываемого материала был проведен полный факторный эксперимент. Основными факторами, влияющими на степень шероховатости стального провода являются: t - время обработки, /с - расстояние до обрабатываемой проволоки, U - напряжение разряда. Минимальные и максимальные значения факторов rmin = 10 с, fmax = 30 с, 'min = 30 мм, /гаах = 240 мм, t/min = 751 В, итш = 892 В среднее значения факторов: = 90 мм, /ср = 15 с, t/cp = 821,5 В.

Интервалы выравнивания:

Aj _ ^max ^min AJ _ ^max ^min ¿JJ—^max

Интервалы варьирования факторов: Д? = 10 с, Д/ = 105 мм, Ди = 70,5 В. План многофакторного эксперимента приведен в таблице, где представлены кодированные факторы:

Хл--До —- «ц —-

Д1С ' ' ли ' Аг ■

Изменение класса шероховатости поверхности стальной проволоки (К) было принято в качестве выходного параметра.

/ -ь X^—X]X2 -*7 =X]XiXj ^расч.

1 1 -1 -1 -1 +i +1 +i -I 0 0

2 1 + 1 -1 -1 -l -1 +i +1 0 0

3 1 -1 +1 -1 -l +1 -l +1 2 2

4 1 +1 +1 -1 +i -1 -l -I 3 3

5 1 -1 -1 +1 +1 -1 -l +1 4 4

6 1 +1 -1 +1 -l +1 -l -1 5 5

7 1 -1 +1 +1 -l -1 +i -1 6 6

8 I + 1 +1 +1 +i +1 +i +1 7 7

Z 8 0 0 0 0 0 0 0 27 27

Уравнение регрессии

Y = в0 + в, .г, + в,дг, + вуХу + в4х, + в,*, + вьхь + в,.*,. Коэффициенты регрессии рассчитывались по формуле

«i^ZV,

Полученные значения коэффициентов регрессии: в0 = 3,375; в, = 0,375; в2 = 1,125; в., = 2,125; в4 = в5= 0,125; в6 = в7 = -0,125.

Измерения проводились с помощью микроскопа инвертированной к ней программой 3D - моделирования участка поверхности. Анализ фотографий показал, что после обработки стальной проволоки класс шероховатости повышается до 7 в восьмой позиции. Это объясняется тем, что обрабатываемая проволока находится на самом близком расстоянии к объемному разряду 1 (рис. 15 и фотография рис. 16).

Основные выводы

1. Разработаны и созданы разрядные камеры экспериментальной установки для исследования ЭР постоянного тока в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки при Р = 10 -10' Па, V = 200-1500 В, I = 0,02-2,5 А, О = 1,4-8,3 г/с, и = 0,15-0,98 м/с, /т = 100-400 мм и = 5-20 мм для насыщенного и 10% раствора ЫаС1 в технической воде. Установка позволяет проводить экспериментальные исследования электрического пробоя, структуры и формы МР, ОР и разряда вихревой формы, электрических, температурных, спектральных и хроматографических характеристик, а также колебания напряжения и тока разряда.

2. Изучено развитие электрического пробоя между медной проволокой, для подвода положительного потенциала и электролитом с пузырьками. Выявлено возникновение ударной волны после пробоя. Установлено, что до и после электрического пробоя наблюдаются многоканальные разряды полукольцевой, кольцевой и Б-образной формы в электролите. Показано образование низкочастотных и высокочастотных колебаний тока МР.

3. Изучен переход многоканального разряда полукольцевой, кольцевой и Б-образной формы в объемный разряд в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении. Показано, что цвет в ОР меняется как вдоль, так и поперек диэлектрической трубки от белого до красного. Установлен спектр многоканального разряда кольцевой формы внутри стеклянной трубки. Обнаружено, что линии N3 5760 А является наиболее интенсивной. Установлено уменьшение отрицательных ионов (СГ) в электролите из насыщенного раствора ИаС1 после обработки МР в течение времени 500 с на 20,8%. Вьивлено образование коагулированных структур в электролите после воздействия МР, ОР разрядом вихревой формы.

4. Изучено развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков воздуха. Установлено, что с ростом времени от 0,04 до 0,2 с длина пузырька воздуха в электролите увеличивается под воздействием МР в три раза от первоначального, а диаметр пузырька почти не меняется. Выявлены особенности развития МР внутри длинных пузырьков воздуха.

5. Обнаружено, что вокруг металлического провода, погруженного в электролит через диэлектрическую трубку для подвода положительного потенциала горит многоканальный разряд и разряд вихревой формы. Выявлены особенности горения МР и разряда вихревой формы на поверхности металлического провода. Представлены ВАХ и температурные характеристики многоканального и объемного разряда при атмосферном и пониженных давлениях. Показано, что ВАХ становятся возрастающими. Установлено, что с понижением давления от 6104 до 10'1 Па многоканальный разряд переходит в аномальный тлеющий разряд. Выявлено неоднородное распределение температуры вдоль диэлектрической трубки.

6. Разработаны и созданы устройства:

- для получения электрического разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях.

- для обработки электролита с использованием многоканального, объемного и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях.

- для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

7. Разработаны методики:

- обработки электролита многоканальным, объемным и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите;

- очистки и повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) с использованием МР и ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите.

8. Выведено уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК 1. Самитова Г.Т. Некоторые особенности многоканального разряда в трубке при атмосферном давлении / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон, Т.Б. Мустафин, Аз.Ф. Гайсин, Д.А. Весельев, Ф.М. Гайсин // Теплофизика высоких температур. -2011. - Т. 49, № 5. - С. 788-792.

2. Самитова Г.Т. Характеристики электрического разряда в трубке с пористым электролитом / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, Ф.М. Гайсин // Вестник Казан, технологич. ун-та. -2011. - Т. 14, № 18.

- С. 232-235.

3. Самитова Г.Т Особенности электрического разряда в трубке при атмосферном давлении / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. -2011. -№ 1. -С.123-126.

Работы опубликованные в других изданиях

4. Самитова Г.Т. Некоторые особенности струйного многоканального разряда при атмосферном давлении в трубке / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин // Высокие технологии, прикладные исследования, промышленность: сборник трудов Восьмой Междунар. научно-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 27-28 октября 2009 г., Санкт-Петербург, Россия / под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 103-105.

5. Самитова Г.Т. Особенности развития многоканального разряда в трубке при атмосферном давлении / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин // XXXVII Междунар. (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 8-12 февраля 2010 г. - Звенигород, 2010. - С. 232.

6. Самитова Г.Т. Очистка и стерилизация воды с использованием многоканального разряда в диэлектрической трубке / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, Т.Б. Мустафин // II Междунар. научно-техн. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии». Плес, Ивановская обл., Россия. - Плес. - 2010. - С. 223.

7. Самитова Г.Т. Колебания разряда в трубке с электролитом / Г.Т. Самитова, М.В. Муллинов // Междунар. конф. «Физика высокочастотных разрядов», посвященная 100-летию со дня рождения Г.И. Бабата. - Казань. Изд-во Казан, гос. технол. ун-та, 2011. - С. 250-251.

8. Самитова Г.Т. Экспериментальное исследование электрического разряда в трубке с электролитом при атмосферном давлении / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин IIVI Междунар молодежная научная конф. «Тинчуринские чтения» / под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко.

- В 4 т. - Казань: Казан.гос. энерг.ун-т, 2011. - Т. 1. -С. 284.

9. Самитова Г.Т. Аномальный электрический разряд в трубке с электролитом / Г.Т. Самитова // XIX Туполевские чтения: междунар. молодёжная научная конф. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2011. -Т. 1.-С. 371.

10.Самитова Г.Т. Электрический разряд в пузырьках внутри трубки / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, Р.Р. Каюмов // XXXVIII Междунар. (Звенигородская) конф. по физике плазмы и УТС, 14-18 февраля 2011 г.

- Звенигород, 2011. - С. 245.

\\.Самитова Г.Т. Турбулентное смещение электролита в диэлектрической рубке под воздействием плазмы многоканального разряда / Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, Т.Б. Мустафин // Всерос. научно-практич.

конф. «Качество профессионального образования: проблемы, развитие, перспективы». - Казань, 2012. - С. 213-214.

12.Самитова Г.Т. Некоторые особенности многоканального разряда в постоянном и переменном токе в проницаемой трубке со струей электролита при атмосферном давлении/ Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, Т.Б. Мустафин, А.Ф. Гайсин // Всерос. научно-практнч. конф. с междунар. участием «Наука и профессиональное образование: современные и теоретические проблемы и практический опыт» Зеленодольский ин-т машиностроения и информационных технологий (филиала) КНИТУ-КАИ, 2013 г. - Зеленодольск, 2013. - С. 144-146.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ.л. 1,25. Усл. печл. 1,16. Тираж 100. Заказ Б 134.

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Самитова, Гульнара Торекульевна, Казань

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»

04501455333

САМИТОВА ГУЛЬНАРА ТОРЕКУЛЬЕВНА

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Гайсин Ф. М.

Казань 2013

Содержание

Принятые обозначения. Введение.........................

Глава 1

1.1.

1.2.

1.3.

1.4.

1.5.

1.6.

Глава 2 2.1.

2.2.

2.3.

2.4.

Глава 3

Анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также практических

применений ........................................................................

Электрические разряды между твердыми электродами в

электролите .................................................................................

Электрические разряды в пузырьках и парах жидкости........

Стримерные разряды в жидкости.............................................

Разряды в газах с одним или двумя жидкими электродами .. Перспективы применения электрического разряда с

электролитическими электродами.............................................

Постановка задачи диссертации................................................

Экспериментальная установка и методика измерений...........

Высоковольтная экспериментальная установка (выходное

напряжение до 1500 В и при токе 2 А).....................................

Вакуумная система экспериментальной установки.................

Разрядное устройство.................................................................

Измерительная аппаратура и методика проведения экспериментов, и оценка точности измерений.........................

Результаты экспериментальных исследований экспериментального разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки ....................................................................

3.1. Электрический пробой и колебания тока разряда.............. 64

3.2. Формы многоканального разряда и переход в объемный

разряд..................................................................... 70

3.3. Развитие многоканального разряда внутри длинных

пузырьков воздуха в электролите.................................. 75

3.4. Вольтамперные характеристики МР и ОР........................ 79

3.5. Электрический разряд вокруг металлического электрода

погруженного в электролит через диэлектрическую трубку . 81

3.6. Распределение температуры вдоль диэлектрической трубки 84

Глава 4. Устройства для получения МР, ОР и вихревого разряда в

диэлектрической трубке с движущимися пузырьками

воздуха в электролите при атмосферном и пониженных

давлениях, а также паровоздушной струи плазмы и

методика обработки электролита и повышение класса

шероховатости стальной проволоки .............................. 86

4.1. Устройство для получения многоканального и объемного

разряда в диэлектрической трубке с движущимися

пузырьками воздуха в электролите................................ 86

4.2. Устройство и методика обработки электролита МР, ОР и

вихревым разрядом в движущихся пузырьках воздуха....... 87

4.3. Устройство для получения паровоздушной струи плазмы

вне диэлектрической трубки........................................ 92

4.4. Устройство повышения класса шероховатости стальной

проволоки марки сталь 3 объемного разряда внутри

диэлектрической трубки с движущимися пузырьками

воздуха в электролите................................................ 94

4.5. Получение уравнения регрессии для нахождения

оптимальных режимов обработки поверхности стальной

Выводы.....................................

Список использованной литературы. Примечание................................

98 101 124

Принятые обозначения

I- сила тока разряда;

и - напряжение разряда;

(7 - расход электролита;

¿/т - диаметр диэлектрической трубки;

с!п - диаметр пузырьков;

/т - длина струи;

/п - длина пузырьков;

Ип- расстояние на которое погружены стальные проволоки в электролит через диэлектрическую трубку; V - скорость движения пузырьков; Р - давление;

Т- температура электролита в трубке.

Сокращения

ВАХ - вольтамперная характеристика;

ЭР - электрический разряд;

МР - многоканальный разряд;

ОР - объемный разряд;

АТР - аномальный тлеющий разряд.

ВВЕДЕНИЕ

Неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда (ЭР) с жидкими электродами привлекла внимание исследователей в виду их довольно широких применений для защиты окружающей среды, медицины и новых технологий в промышленности [1-17 и др.].

Электрические разряды с использованием жидких электродов создают УФ излучение, ударные волны и активные радикалы (ОН, атомарный кислород, пероксид водорода и т.д.) каждый из них является эффективным средством против биологических и химических загрязнений. В связи с этим электрические разряды с жидкими электродами становятся особенно полезными для целей стерилизации и очистки растворов. Однако существенная сложность плазмы ЭР с жидкими электродами не позволяет полное понимание физических процессов, происходящих в указанных разрядах и это остается не достигнутым. Например, электрический пробой в жидкостях является более сложным явлением, чем в твердых телах и газах. Это связано с формированием микропузырьков воздуха в жидкости. Анализ литературных данных показал, что наряду с изучением ЭР с жидкими электродами большой интерес, как научной точки зрения, так и практической представляют электрические разряды в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки.

горение электрического разряда вихревой формы в электролите при атмосферном давлении.

Данная диссертационная работа, состоящая из четырех глав, посвящена решению этих задач.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования многоканального и объемного разряда, разряда вихревой формы постоянного тока в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Представлена функциональная схема установки для получения электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки. Здесь же приводится измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов и оценка точности измерений.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭР постоянного тока в диэлектрической трубке в электролите с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Приведены результаты исследования; электрического пробоя и колебания тока разряда; формы многоканального разряда; переход многоканального разряда в ОР; развитие

многоканального разряда внутри длинных пузырьков в электролите; вольтамперные характеристики МР и ОР; спектральные характеристики МР кольцевой формы; электрического разряда вокруг металлического электрода, погруженного в электролит через диэлектрическую трубку; распределения температуры на поверхности диэлектрической трубки.

В четвертой главе разработаны и созданы устройства для обработки электролита с использованием МР, ОР и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Устройство для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

Научная новизна исследований:

- горение МР, ОР и вихревой формы в диэлектрической трубке с электролитом;

- переход многоканального разряда в объемный форме в электролите с ростом / от 800 до 900 мА;

- развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков воздуха;

- образование плазменной струи вне диэлектрической трубки с диаметром отверстия ¿/с ~ 1,5-2,5 мм на поверхности трубки;

- образование низкочастотных и высокочастотных колебаний тока многоканального разряда;

- переход МР в аномальный тлеющий разряд (АТР) при пониженных давлениях (Р < 6-104 Па);

- уменьшение отрицательных ионов хлора (СГ) и наибольшая интенсивность линии Ыа 5760Л после обработки электролита МР.

На защиту выносятся следующие положения:

Глава 1

Анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также практических применений

1.1. Электрические разряды между твердыми электродами в

электролите

Разряды атмосферного давления в жидкостях и контактирующих с жидкостями могут быть разделены на три основные группы:

(1) разряды непосредственно в жидкой фазе,

(2) разряды в газовой фазе с жидким электродом(дами),

(3) разряды в пузырьках в жидкости.

Первая группа - это разряды непосредственно в жидкости: линейный стример или коронный разряд в жидкости (для неравновесного случая), подводный дуговой разряд, применяемый для сварки (для равновесного случая). Неравновесные разряды в жидкости почти всегда генерируются импульсным возбуждением в конфигурациях остриё-пластина (рис. 1.1 ,а) или пластина-пластина [18, 19-22]. Наиболее часто используемый метод инициации - разрядка конденсатора с помощью искрового промежутка или другого триггерного устройства. Другой метод импульсного возбуждения -использование линий, формирующих импульс, как в мощных водяных переключателях [23].

Разряды в газах с жидкими электродами, по сути, являются газовыми разрядами. Свойства таких разрядов отличаются от свойств разрядов с металлическими электродами, т.к. в данном случае разрядный ток переносится через водный электрод ионами, которые имеют намного меньшую подвижность, чем электроны в металлах. К тому же вода имеет намного меньший коэффициент вторичной эмиссии, чем большинство металлов, что приводит к значительному отличию свойств электродов.

Хорошо известно, что тлеющий разряд постоянного тока при атмосферном давлении (в воздухе) между металлическими электродами подвержен неустойчивости - радиальной контракции приводящей к дуге или искре. С водными электродами возможно получить диффузный тлеющий разряд атмосферного давления в воздухе. Конфигурации, которые используются для получения таких типов разрядов, обычно состоят из металлического стержня, расположенного над водным электродом (см. рис. 1.1,6). Такие разряды могут возбуждаться постоянным, импульсным или переменным напряжением. Разряды в пузырьках и полостях в воде рассматриваются как отдельная группа, т.к. они полностью окружены жидкостью, которая служит как электрод. Такие плазмы зачастую являются поверхностными разрядами (они обсуждаются ниже). Использовалось много различных конфигураций: пузырьковые системы, капиллярные или диафрагмовые и т.д. Когда пузырьки свободно перемещаются в жидкости необходимо использовать импульсное возбуждение, т.к. ток смещения должен быть больше тока проводимости. Без этого жидкость в реакторе будет действовать как простой резистор. Так как время электрической релаксации жидкости равна е/о, где 8 - диэлектрическая проницаемость, а - проводимость жидкости, это становится затруднительным для жидкостей с большой проводимостью. Когда пузырьки образуются в капиллярах или контактируют с соплообразным электродом, можно использовать постоянное напряжение. Пример реактора с импульсным пузырьковым разрядом показан на рис. 1.1,е.

................. I ..........................

1%° и

п I

_ НУ _

pul.sc

Рисунок 1.1. Типичные конфигурации электродов для трех различных типов разрядов в жидкостях и контактирующих с жидкостью: а - разряд внутри жидкости; 6 - разряд в газовой фазе с жидким электродом; в - пример реактора с разрядами в пузырьках

1.2. Электрические разряды в пузырьках и парах жидкости

Электрические разряды в пузырьках и в парах жидкости исследовались во многих различных установках. Большинство исследований имеют прикладное направление и в литературе сообщается очень мало физических характеристик, таких как температура плазмы, концентрация электронов.

В установке для получения стримеров в жидкости с электродной геометрией остриё-пластина штыревой электрод имеет игольчатую форму и используется для ввода пузырьков в реактор для усиления образования радикалов [24], например, для образования озона, когда в качестве газа используется кислород (см. рис. 1.2,а). Шин и др. [25] изучали схожую конструкцию, но с капиллярным электродом внутри керамической трубки (см. рис. 1.2,6). В этой конфигурации для создания разряда в газе, который подается через капилляр, используется постоянное напряжение. Авторы относят этот разряд к коронному. В качестве вводимого газа использовали кислород. Схожую геометрию исследовали Костюк и др. [26], хотя они применяли импульсное возбуждение.

Миичи и др. [27] пускали пузырьки газа между двумя металлическими электродами (см. рис. 1.2,в). Из-за того, что вода имеет конечную проводимость, нужно использовать импульсное возбуждение, т.к. ток смещения должен быть больше тока проводимости. Если этого нет, жидкость в реакторе будет служить, лишь как резистор. Благодаря большой разности плотностей газа и жидкости внутри пузырьков можно создать разряды даже тогда, когда пузырьки не соприкасаются с металлическими электродами. Акишев и др. [28] изучали подобную установку, отличающуюся тем, что один из плоских электродов был заменен на многоштыревой. При превышении порогового напряжения на штыревых электродах наблюдались разряды в пузырьках совместно с малыми стримерами. При повышении напряжения возникают искры, причем напряжение искрообразования уменьшается с увеличением интенсивности подвода пузырьков. Анпилов и

др. [29] исследовали установку меньшего масштаба с множеством пузырькообразующих сопел. В их случае исходная точка возникновения �