CC BY
87
УДК 537.525
Ал. Ф. Гайсин, Г. Т. Самитова, И. Ш. Абдуллин,
Ф. М. Гайсин
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ТРУБКЕ С ПОРИСТЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Ключевые слова: многоканальный разряд, тлеющий разряд, давление, пористый электролит, пробой,
осциллограмма.
Представлены результаты экспериментального исследования электрического разряда в трубке с пористым электролитом в широком диапазоне давления. Изучено развитие разряда в пористом электролите. Приведены ВАХ для различных давлений.
Keywords: multichannel discharge, glowing discharge, pressure, porous electrolyte, breakdown, waveform,
oscillogram.
Presented are the results of experimental investigation of the electric discharge in a tube with porous electrolyte with various concentrations in a wide range of pressures. The discharge development in a porous electrolyte is studied. The voltage-current characteristics at various pressures are presented.
1. Введение
Неравновесная плазма электрического разряда при атмосферном давлении с жидкими электродами привлекла внимание исследователей в виду их довольно широких применений для защиты окружающей среды, медицины и новых технологий в промышленности [1-4 и др.]. Например, генерирование интенсивного УФ излучения, ударных волн и активных радикалов делает многоканальный разряд (МР) пригодным для стерилизации и очистки поверхностей. Результаты исследования электрических разрядов в пузырьках приведены в обзорной работе [2]. Электрический пробой воздушных пузырьков (три пузырька) в импульсном режиме изучали Акишев Ю.С. и др. В настоящее время созданы экспериментальные установки для получения электрических разрядов в пузырьках: раствор с коронным разрядом в пузырьках, реактор с пузырьками, образованными газовым потоком в капилляре, объемный и импульсные разряды в пузырьках, реактор с поверхностным разрядом в пузыре, реактор с глубинной струей в жидкости и др. [2].
Отличительной особенностью данной работы является то, что электрический разряд исследуется в U-образной диэлектрической трубке с электролитом в широком диапазоне давления. В настоящее время исследование многоканального разряда в трубке с электролитом при атмосферном и пониженных давлениях имеет важное значение для изучения физических процессов в пористых электролитах и создания на этой основе плазмохимических реакторов.
2. Экспериментальная установка и методика измерений
Изучение электрического разряда проводились в U-образной диэлектрической трубке с электролитом в диапазоне напряжения U = 250^1500 В, тока разряда I = 0.025^2.5 А и давления Р = 10 -^5-10 Па при диаметре диэлектрической трубки d = 10 мм и длине трубки lT = 400 мм.
Экспериментальная установка состоит из двух специальных стеклянных сосудов (рис. 1). Стеклянные сосуды 1 и 2 соединены между собой диэлектрической трубкой с электролитом 3. С помощью краников 4 регулируется характер движения электролита. Медными проводами подводятся положительные 5 и отрицательные 6 потенциалы от источника питания. В стеклянные сосуды наливаются 10% или насыщенные растворы NaCl в технической воде. В экспериментах были использованы цифровые фотокамеры «Panasonic» БМС-Р220 и видеокамеры «Sony» HDR-SR72E, а также универсальный двух лучевой осциллограф типа G0S-6030 для измерения колебаний тока разряда. Измерения температуры Т внутри стеклянных сосудов 1 и 2 и на поверхности диэлектрической трубки с электролитом 3 проводилось с использованием прибора CENTER 350.
Рис. 1 - Разрядная камера экспериментальной установки
3. Обсуждение результатов исследований
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 появляются около стенок диэлектрической трубки. Размеры и формы воздушных пузырьков существенно влияют на возникновение и развитие электрического разряда в трубке с электролитом. В данном случае пузырьки различных размеров и геометрических форм в электролите двигаются взаимообратных направлениях.
Анализ экспериментальных данных фотографии рис. 2 показал, что наблюдаются различные формы электрического пробоя с многоканальным разрядом. Так, например, осциллограмме рис. 2 пробою предшествует МР. В данном случае ток электрической дуги достигает до 2500 мА. Установлено, что после электрического пробоя между медной проволокой и пористым электролитом наблюдаются МР полукольцевой, кольцевой и Б-образной формы вдоль и вокруг внутренней поверхности стенки диэлектрической трубки с электролитом. Амплитуда колебаний тока разряда меняется от 150 до 750 мА.
Рис. 2 - Фотография МР в трубке с пористым электролитом при Р = 105 Па, dт = 10мм и 1т = 400 мм. Электролит, насыщенный раствор N80! в технической воде
На рис. 3 и 4 представлены ВАХ электрического разряда для различных давлений соответственно. В интервале тока от 75 до 375 мА при Р = 105 Па горит МР (рис. 3). С дальнейшим ростом величины I от 375 до 650 мА напряжение разряда повышается как и в случае аномального тлеющего разряда [1]. Этот диапазон I соответствует объемному МР. С
5 3
понижением давления от 10 до 5-10 Па характер ВАХ меняется. Они становятся только
233
возрастающими (рис. 4). Сравнение кривых 1, 2 и 3 показывает, что при Р = 5-10 Па величина тока значительно уменьшается. В диапазоне давлений от 5-103 до 5-104 Па наблюдается разряд многоканальный.
цв
900-
600-
300
100 200 300 400 500 600 1,тА
Рис. 3 - ВАХ электрического разряда при Р = 105 Па, dт = 10мм и 1т = 400 мм. Электролит, насыщенный раствор N80! в технической воде
и, в
450 400 350 300
250 200
0 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 I, А
Рис. 4 - ВАХ электрического разряда при пониженных давлениях: ▲- 6 • 104 Па; ♦ - 4 *104 Па; ■ - 5 • 103 Па. Электролит 10% раствор NaCl в технической воде
Обнаружено, что сосуд с положительным потенциалом стал желтоватым, а на катоде цвет не меняется. Температура электролита на катоде была равна 18°С, а на аноде 38°С.
4. Заключение
Таким образом, изучены особенности развития электрического разряда в диэлектрической трубке с электролитом NaCl в технической воде в широком диапазоне давления. Изучено развитие электрического пробоя между медной проволокой и пористым электролитом. Установлено, что после пробоя в диэлектрической трубке с электролитом происходит переход к МР полукольцевой, кольцевой и S-образной формы. Выявлено горение МР в пористом электролите без специального генератора пузырьков. Значительный нагрев пористого электролита за счет МР приводит к тому, что размеры пузырьков существенно уменьшаются. Обнаружено изменение цвета и температуры электролита в сосуде с положительным потенциалом.
Литература
1. Гайсин, Ф.М. Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами / Ф.М.Гайсин, Э.Е. Сон // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. Фортова В. Е. М.: Наука, 2000. - 241 с.
2. P. Mezei and T. Ceserfalvi. Electrolyte cathode atmospherie glow dischartsyges for direct solution analysis Appl. Spectrosc. Rev42 (2007), S. 573 - 604.
3. Гайсин, А.Ф. Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / Ф.М.Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур.- М., 2005. Т.43. №1. С.5-10.
4. Гайсин, А.Ф.Паровоздушный разряд между электролитным анодом и металлическим катодом при атмосферном давлении / Ф.М.Гайсин // Теплофизика высоких температур. - 2005. - Т.43. - №5. -С.684-690.
© Ал. Ф. Гайсин - асп. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева, almaz87@mail.ru; Г. Т. Самитова - асп. той же кафедры, zfkstu@yandex.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Ф. М. Гайсин - д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева, techph@techph.kstu-kai.ru.
