Исследование электрического разряда в гетерогенной плазме тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Основные обозначения

Введение.

Глава 1. Обзор исследований гетерогенной плазмы

1.1. Гетерогенная плазма и ее применение.

1.2. Взаимодействие твердых частиц с потоком плазмы

1.3. Электрофизические свойства гетерогенной плазмы.

1.4. Термоэммиссионная ионизация в плазменных системах.

1.5. Задачи диссертации.

Глава 2. Экспериментальная установка.

2.1. Экспериментальная установка для исследования разряда в потоке продуктов сгорания пропана в воздухе.

2.2. Экспериментальная установка для исследования разряда в потоке продуктов сгорания пропана в кислороде.

2.3. Анализ погрешностей измерений.

Глава 3. Экспериментальное исследование электрического разряда в гетерогенной плазме.

3.1. Исследование влияния порошка АНБ на вольт-амперные характеристики разряда.

3.2. Исследование влияния состава порошка на характеристики разряда.

3.3. Особенности вольт-амперных характеристик.

Глава 4 Степень ионизации и концентрация электронов в гетерогенной плазме.

4.1. Степень ионизации плазмы в случае ввода частиц, содержащих невырожденный электронный газ.12^

4.2. Степень ионизации плазмы в случае ввода частиц, содержащих вырожденный электронный газ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ x,y,z- декартовы координаты; / - время; к, h - постоянные Больцмана и Планка; с - скорость света; е - абсолютное значение заряда электрона; та, ть mе- массы молекулы, атома, иона и электрона; па, пр, пп, пе - концентрации нейтральных частиц, положительных и отрицательных ионов, электронов; п - общая концентрация частиц;

Та, 1), Те - температуры нейтрального, ионного и электронного газов;

V - скорость теплового движения частиц;

Vv, vz - проекции скорости на оси координат; иа, vh ve - средние скорости теплового движения нейтральных частиц, ионов и электронов;

Ье, Ьр, Ьр - подвижности электронов, положительных и отрицательных ионов;

De, Dp - коэффициенты диффузии электронов и ионов; Da - коэффициент амбиполярной диффузии; Оеа - сечение столкновений электронов с нейтральными частицами;

Оер - сечение столкновения электронов с ионами; Оаа сечение столкновения нейтральных частиц; }.а, /,е - средние длины свободного пробега атомов и электронов;

Ф - потенциал; ф( - потенциал / -кратной ионизации;

Т, р, р - температура, плотность и давление плазмы; а, [I - элекгропроводность и вязкость;

I, IV, 1¥г- энтальпия, внутренняя энергия и излучательная способность; ае - степень ионизации; а - коэффициент ионизации газа электронным ударом; /, V - ток и напряжение разряда; сопротивление плазмы; 11 в - напряжение источника питания; I)с - напряжение положительного столба; Н - напряженность электрического поля; ] ~ плотность тока; 1] - тепловой кпд плазмотрона; О.] - массовый расход пропана; (22 - массовый расход воздуха; Оз - массовый расход кислорода; с] массовый расход порошка;

Н - высота между осью потока и выходным отверстием дозатора;

Ь - расстояние между срезом сопла горелки и осью дозатора; а - межэлектродное расстояние; с расстояние между срезом сопла горелки и осью электродов; радиус электродов; Ие - число Рейнольдса; Тч - температура частицы; Я - газовая постоянная;

О/ - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления частиц; г, ач -радиус и диаметр частиц;

В настоящее время большое внимание уделяется изучению гетерогенной плазмы [1]. Гетерогенные т. е. многофазные смеси возникают в различных природных и производственных процессах. При нанесении покрытии плазменным способом в поток вводятся мелкие частицы различных материалов и образуется гетерогенная плазма. За последние десятилетия возникли целые отрасли промышленности, использующие гетерогенную плазму. Это-плазмохимия, плазменная металлургия, плазменная обработка материалов и т. д. В радиоэлектронной промышленности при изготовлении интегральных микросхем, кинескопов, полупроводниковых приборов используется высокая плазменная технология [2]. В последние годы низкотемпературную гетерогенную плазму начали использовать и в нефтехимии. Оказалось, что такая плазма дает возможность увеличивать нефтеотдачу. Теория этого процесса еще не разработана и в этой области ведутся интенсивные исследования.

В связи с энергетическим кризисом особый интерес представляет создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов) для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Электростанции с МГД-генераторами будут иметь более высокий КПД по сравнению с современными электростанциями [3]. Рабочим телом в МГД-генераторах является гетерогенная плазма.

В связи с вышеизложенным, представляет интерес поиск новых способов получения гетерогенной плазмы, а также экспериментальное исследование свойств такой плазмы с целью расширения возможностей её технологического применения. Данная диссертация, состоящая из четырех глав посвящена решению этой актуальной задачи.

В первой главе дан обзор и анализ опубликованных работ по исследованию и практическому применению гетерогенной плазмы, рассмотрены особенности взаимодействия твердых частиц с потоком, электрофизические свойства гетерогенной плазмы и сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава содержит описание экспериментальной установки для исследования разряда в потоке смеси продуктов сгорания пропана в воздухе, в кислороде и порошков, анализ погрешностей измерений.

В третьей главе описаны результаты исследования влияния порошка АНБ и состава порошка на вольт-амперные характеристики разряда, анализ и обобщение результатов исследований.

В четвёртой главе представлены результаты теоретических исследований влияния макрочастиц на концентрацию электронов.

На защиту выносятся следующие положения. Вольт-амперные характеристики разряда в потоке продуктов сгорания пропана в воздухе при добавке порошке АНБ в диапазоне силы тока О -0,5 мА, напряжения 0-1500 В, температуры 700-1500 К при атмосферном давлении.

Вольт-амперные характеристики разряда в потоке продуктов сгорания пропана в кислороде при добавке порошков АНБ, К2С03, ЫагСОз, КВг, №С1, КС1 в диапазоне силы тока 0-480 мА, напряжения 0-600 В, температуры 953-2073 К при атмосферном давлении.

Критическое значение силы тока и напряжения, определяющие границу перехода разряда в электрическую дугу для смесей продуктов сгорания пропана в воздухе и в кислороде и порошков поташа, корбаната натрия, бромида калия, хлорида калия.

Теоретические формулы для концентрации электронов и степени ионизации учитывающие их зависимости от концентрации и размеров порошка, температуры, свойств электронов в твердых частицах.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа результатов опубликованных работ по изучению электрического разряда в гетерогенной плазме выявлено современное состояние исследований в этом направлении.

2. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования электрического разряда в потоках продуктов сгорания пропана в воздухе и кислороде при атмосферном давлении в диапазоне изменения температуры 953-2073 К, силы тока 0-500 мА и напряжения 0-1500 В.

3. Экспериментально определены и исследованы характеристики электрического разряда в потоках смеси продуктов сгорания пропана в воздухе и кислороде и порошка АНБ при атмосферном давлении в диапазоне изменения температуры 953-2043 К, силы тока 0-900 мкА и напряжения 0-1500 В и порошков К2СОз, Ыа2С03, КВг, №С1, КС1 при атмосферном давлении в диапазоне изменения температуры 953-2073 К, силы тока 0-500 мА и напряжения 600 В.

4. Получены теоретические формулы для расчета концентрации электронов в гетерогенной плазме, учитывающие ее зависимость от концентрации - радиуса макрочастиц, температуры и концентрации электронов в зоне проводимости макрочастиц. Показано существенное влияние радиуса макрочастиц на концентрации электронов в плазме.

5. Получена теоретическая формула для степени ионизации гетерогенной плазмы, обобщающая известную формулу Саха.

1. Дзюба В.Л., Даутов Г.Ю., Абдуллин И.Ш. Электродуговые и высокочастотные плазмотроны в химико-металлургических процессах. Киев: Выща шк., 1991. 170 е.: ил.

2. Донской A.B., Клубникин B.C. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л. Машиностроение, 1979. - 221 с.

3. Материалы для канала МГД генератора / Под ред. А.И. Рекова. -М.: Наука, 1969.-232 с.

4. Жуков М.В., Коротеев A.C., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука, 1975. - 298 с.

5. Ясько О.И. Электрическая дуга в плазмотроне. Минск: Наука и техника, 1977. - 151 с.

6. Даутов Г.Ю., Дзюба В.Л., Карп И.Н. Плазмотроны со стабилизированными электрическими дугами. Киев: Наук, думка, 1984. - 168 с.

7. Физика и техника низкотемпературной плазмы / Под ред. C.B. Дрес-вина. М.: Атомиздат, 1972. - 352 с.

8. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрические процессы в разрядах с твердыми и жидкими электродами. Свердловск: изд-во Уральск, ун-та, 1989. 432 с.

9. Даутов Г.Ю., Тимеркаев Б.А. Генераторы неравновесной газоразрядной плазмы. Казань: изд.ФЭН, 1966. 200 с.

10. Фиалков Б.С., Захаров А.Г., Мельничук А.Ю., Хван J1.A. Ионизация продуктов сгорания графита с добавками легкоионизируемых примесей,- Физика горения и взрыва .- 1983,- № 5,- С.119-121.

11. Гречихин Л.И., Пушкин Н. М. Влияние сажевых частиц на термодинамическое состояние нагретых газов при различных температурах.-Изв.вузов. Авиационная техника. 1983. - № 1. - С.84-88.

12. Потапов Г.П. Двигательная электризация летательных аппаратов. Казань: Казан, гос. техн. ун-т, 1995. 168 с.

13. Мусин А.К. Термоэмиссионная ионизация в дисперсных плазменных системах. В кн.: Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы. Алма-Ата: КИИ. 1970. С. 3 - 7.

14. Иванов В.М., Кудинов В.В., Морозов М.Е., Суров Н.С. Повышение эффективности нагрева порошков при нанесении покрытий с помощью генераторов плазмы небольшой мощности,- Физ. и хим. обработки материалов, 1973, № 2.

15. Кудинов В.В., Иванов В. М. Эффективность использования энергии плазменной струи при нанесении покрытий порошком. Порошковая металлургия, 1972, № 12.

16. Панфилов С.А., Цветков Ю.В. К расчету нагрева конденсированных части плазменной струе. Теплофизика высоких температур, 1967, ,№ 2.22.

17. Суров Н.С., Полак Л.С. Исследование взаимодействия частиц порошка с потоком плазмы в сопле. Физ. и хим. обраб. материалов, 1969, №2.

18. Стельмах Г.П., Сахиев A.C., Чесноков H.A. О теплообмене дисперсных тел в плазменном потоке. Сб. «Тепло- и массоперенос», 5, 1968.

19. Johnston P.D. The Rate of Decomposition of Silica Particles in an Augmented Flame. Combustion and Flame, 1972. 18, N. 3.

20. Дресвин C.B., Донской A.B., Гольфарб В.M., Клубникин B.C. Физика и техника низкотемпературной плазмы. Атомиздат. 1972, 342.

21. Лохов Ю.Н., Петруничев В.А., Углов A.A., Швыркова И.И. Нагрев и испари частиц в струе низкотемпературной плазмы. Физ. и хим. обраб. материалов. 1974, № 6.

22. Пустовойтенко А.И. К вопросу о расчете нагрева мелкодисперсных частичек в высокотемпературном потоке газа. Физ. и хим. обраб. материалов, 1976, N 3

23. Дорфман Г.А., Жахов В.В. Процесс нагрева, ускорения и испарения силикатных частиц в высокотемпературном потоке газа. Физ. и хим. обраб. материалов. 1976, № 1.

24. Хрусталева Т.Р., Панфилов С.А., Друговский А.И. Расчет температуры и траектории частиц в неизотермической струе газа. Физ. и хим. обраб. материалов. 1979, № 2.

25. Нигматуллин Р.И. Основы механики гетерогенных сред,- М.: Наука.-1978. 336 с.

26. Семенченко В.К. Избранные главы теоретической физики. М.: Просвещение, 1966. 395 с.

27. Коулсон Ч. Валентность,- М.: Мир, 1965. 426 с.

28. M:.S. Sodha, S.Guha. Ad Y. Plasma Phus., 4, 219,- 1971.

29. Васюткин A.M. Неравновесная проводимость в приэлектродном слое в плазме продуктов сгорания с ионизируемой присадкой У/ V-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,- Тезисы докладов. Киев, 1979. 4.1.

30. Е.В.Самуйлов, А.В.Горбатов. В сб. Теплофизические свойства химических реагирующих гетерогенных смесей, вып. 7 /У ЭНИН. 3. С.75.

31. Д.Хелфриг, У.Густафсок. Энергетические машины и установки, -3, 113, 1974.

32. С.П.Баканов , Б.В.Дерягин // ДАН СССР, 121 , -4 377 1959.

33. H.A. Фукс, А.Г.Сутугин. Высоко дисперсные аэрозоли /У ВИНИТИ. 1969.

34. Е.В.Самуйлов /У ДАН СССР , 166, -6 1397, 1966.

35. Е.В. Самуилов. В сб. Физическая газодинамика ионизированных и химически реагирующих газов. М.: Наука. 1968.-С.3.

36. Р.Магреблиак, Д.Холмс. Теория реакторов. Госкомиздат, 1962.

37. Е.В. Самуилов, A.B. Горбатов. Теплофизические свойства химически реагирующих гетерогенных систем. ЭНИН, 1975. Вып.38. С.71.

38. Милликен Р.К. Размеры, оптические свойства и температура частиц сажи. В сб. Измерение температур в объектах новой техники. М.:Мир, 1965.С. 152.

39. StohLcliam J.,JBets H. SAE Prepring; №710428. Военная авиация и ракетная техника,- 1973. №4. С.28.

40. Симмонс Ф.С., Белл А.Г. Спектральная двухканальная пирометрия излучения газовых струй на выходе ракетного двигателя У/ Измерение температур в объектах новой техники. М.: Мир. 1965. С. 120.

41. S moot JL.D., Undeyood D. L., J. Spac. Roc., 1966, 3- p.20.

42. Edelman R., Economos C. A., AIAA Paper, 1971, № 714.-p.20.

43. Waliefield R.M:, Peteson D. L. AIAA Paper 1972,№ 88,-p.l.

44. Бенсон С. Основы химической кинетики. М.: Мир, 1964. С.603.

45. Гомбаш П. Проблема многих частиц в квантовой механике.-М.:ИЛ, 1952,- С.279.

46. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных.-М.: Физматгиз, 1962.-С.274.

47. Ehrhard е. а. ш. Phys. Rey., 1968, 173, р.222.

48. Потапов Г.П. Образование ионов за счет физической адсорбции нейтральных молекул на поверхности твердых тел,- Изв. Вузов. Авиационная техника. 1985,- № 4,- С.60-63.

49. Копцов H.A. Электрические явления в газах и вакууме М.-.:ГИТТЛ, 1950.836с.

50. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Справочник Издательство 'Наукова думка', 1981

51. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя М.: Наука, 1969,- 742 с.

52. Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения. М.: Атомиздат, 1973. - 447 с.

53. Кэвено. Теплообмен сфер в потоке разряженного газа дозвуковой скорости,- В кн.: Механика, ИИЛ, 1956, № 6, с. 27-38.

54. Бабий В.И., Иванова И.П. Аэродинамическое сопротивление частицы в неизотермических условиях. Теплофизика, 1965, № 9, с. 19-23.

55. Басина И.П., Максимов И. А. Влияние неизотермичности на аэроди-намиче ское сопротивление сферической частицы. В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Алма-ата, 1970, вып. 6, с. 112-118.

56. Silberberg S.G. Radial particle displacements in poiseuille flow of suspensions. Nature, 1961, v. 189, p. 209.

57. Hettner G. Zur théorie der Photophorese.- Z. Physik, 1926, Bd. 37, S. 179.

58. Epstein P.S. Zur théorie des Radiometers.- Z. Physik, 1929, Bd. 54, S. т 537.

59. Сивухин Д.В. Общий курс физики , т.З , М., 1977,- 688 с.

60. Дж. Саттон, А. Шерман Основы технической магнитной газодинамики , из-во МИР, М„ 1968,- 492 с.

61. Лобанов Н.Ф., Козлов A.A., Герман М.Ф. Современные тенденции вобласти формирования газотермичеекких покрытий. // Химическая промышленность. 6. 1991.

62. Кудриков В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М., Машиностроение. 1981.

63. Лобанов Н.Ф. Металло-полимерное покрытие с повышенной адгезионной прочностью. /У Сб. " Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования вып. № 2. Новомосковск. 1998.

64. Максимов А.И. Физика и химия взаимодействия плазмы с растворами // Материалы 9 Школы по плазмохимии для молодых учёных России и стран СНГ. Иваново. Изд-во ИГХТУ. 1999. С. 46-53.

65. Морозова Н.К., Галимова Р.К., Гайсин Ф.М., Хазиев P.M. ЯМР-исследование жидкостей, обработанных парогазовым разрядом /У Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань. 1997. № 1. С. 224-228.

66. Слугинов Н.П. Разряд гальванического тока через тонкий слой электролита У/ Журн. Русск. Физ.-хим. Общества. 1878. Т. 10. Вып.8, физ. Часть 2.С. 241-243.

67. Лазаренко Б.Р., Факторович A.A., Дураджи В.Н. Некоторые особенности низковольтного разряда в электролитах /У Электронная обработка материалов, 1968. № 2 (20). С. 3-10.

68. Лазаренко Б.Р., Белкин П.Н., Факторович A.A. Оброзование парогазовой оболочки при нагреве анода электронной плазмой /7 Электронная обработка материалов, 1970. № 5. С. 16-20.

69. Шакиров Ю.И. Характеристики плазменной электротермической установки с жидким катодом. Дисс. на соискание уч. степени к.т.н Ленинград. 1990. 132 с.

70. Валеев P.A., Гайсин Ф.М., Шакиров Ю.И. и др. Свойства мелкодисперсного порошка окислов железа, получаемого плазмохимическим методом /7 Тезисы докладов научно-технической конференции «Прикладная мессбауэровская спектроскопия»

71. Shukla Р.К., Mamun A.A., Introduction to Dusty Plasma Physics, IoP Publishing, London, 2002

72. Молотков В.И., Пустыльник М.Ю., Торчинский В.М., Фортов В.Е. Сборник материалов 3-го международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. 16-21 сентября 2002 г. Плёс, Россия, Т. 1,С. 51.

73. Владимиров В.И., Депутатова JI.B., Крутов Д.В., Рыков В.А., Рыков К.В., Худяков A.B. Сборник материалов 3-го международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. 16-21 сентября 2002 г. Плёс, Россия, Т. 2. С.233.

74. Владимиров В.И. и др.// Изв.Академий наук, серия физ.2000.Т64.В.8.

75. Thomas Н, Morfíll G et al // Phys. Rev. Lett. 1994. V.73.P.652

76. A.V.Khudyakov, V.A.Rykov. Phisics Letters A. 2001.284. P.l 18-123.

77. В.Е. Фортов, В.И.Владимиров, JI.B.Депутатова, А.П.Нефедов, В.А.Рыков, А.В.Худяков. ДАН 2001. Т.384. № 2. С.610-613.

78. Budnik А.Р., Sokolov Yu.V., Vakulovskiy A.S. /7 Hyperfine Interaktion. V.88.P.185.1994.

79. Баранов В.Ю. и др.// Препринт ИАЭ-6105/6, 1998г.

80. Аршинов A.A., Мусин А.К., ДАН СССР, 118, №3,461 (1958).1. М П С РФ

81. Горьковская железная дорога

82. Мостопоезд №-33 Юдинский завод по прозводству1. Конструкции и изделийг. Казань-79, ул.Новостройки, 1 Р/сч. 405028102000002020003

83. Волга-Окский комерческий Региональный банк Внешторгбанкакор.сч. 30101810700000000722 БИК 042202722 ИНН 5200000230 КодпоОКОНХ 51111, ОКПО 01066886 Тел.: 49-23-82 факс, 49-21-47 Исх. № от2002 г

84. Результаты диссертационной работы использованы при разработке технологии нанесения защитных и декоративных покрытий на бетонные и строительные изделия на заводе жепечп^етпнных констт/таши Гг Кязянь).1. ЖБК-2г. Н. Новгород1. Справка о внедрении.

85. В.В. Султанов Д. Р. Хусаинов М.А. Назарова