CC BY
12Таким образом, из приведенного расчета вытекает, что при высокотемпературном теплообмене учет функциональной зависимости теплофи-зических свойств теплопередающих сред от температуры теплоносителей является необходимым для уточнения температурных профилей нагреваемого и охлаждаемого потоков. Такое уточнение может существенным образом повлиять на достоверность принятия решений об источнике неисправности высокотемпературного теплооб-менного оборудования по данным расчета температурных профилей и сопоставления расчетных и измеренных температур потоков [1, 8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Цыганков М.П., Кручинин Д.С. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 11. С. 106-108; Tsygankov M.P., Kruchinin D.S. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 5. P. 106-108 (in Russian).
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Энергия. 1975. 488 с.;
Кафедра кибернетики
Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer. M.: Energiya. 1975. 488 p. (in Russian).
3. Вукалович М.П., Новиков И.И Техническая термодинамика. М.: Энергия. 1968. 496 с.;
Vukalovich M.P., Novikov I.I. Technical thermodynam-ics.M.: Energiya. 1968. 496 p. (in Russian).
4. http://www.chem.asu.rU/wiki/images/c/cc/Gl4.doc
5. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия. 1966. 536 с.;
Bretshnaiyder S. The properties of gases and fluids. М.: Khimiya. 1966. 536 р. (in Russian).
6. Ивановский В.И Технический углерод. Процессы и аппараты. Омск: ОАО «Техуглерод». 2004. 228 с.; Ivanovskyi V.I. Carbon black. Processes and devices. Omsk: Tehuglerod. 2004. 228 p.(in Russian).
7. Орлов В.Ю., Комаров А.М., Ляпина Л.А. Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль: А. Рутман. 2002. 512 с.;
Orlov V.Yu., Komarov A.M., Lyapina L.A. Production and use of carbon black for rubber. Yaroslavl: A. Rutman. 2002. 512 p. (in Russian).
8. Цыганков М.П., Бойков С.Ю. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 12. С. 42-45;
9. Tsygankov M.P., Boiykov S.Yu. // Pribory i sistemy. Upravlenie, control, diagnostika. 2006. N 12. P. 42-45 (in Russian).
УДК 537.525
С.В. Силкин, А.И. Максимов
ОЦЕНКА КИНЕТИКИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ГРАФИТОВОГО ЭЛЕКТРОДА В ПОДВОДНОМ ТОРЦЕВОМ РАЗРЯДЕ
(Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН) e-mail: SSV-bunker@rambler.ru
Изучена кинетика диспергирования графитового электрода при горении подводного торцевого разряда на переменном токе, а также при его использовании в качестве катода. Найдено, что скорость диспергирования катода линейно растет с током разряда. При горении разряда на переменном токе соответствующая зависимость нелинейная. Изучено распределение по размерам микронеровностей поверхности электрода. Найдена его зависимость от тока разряда и времени обработки.
Ключевые слова: подводный разряд, диспергирование, эрозия, кинетика, микронеровности
Изучение плазменно-растворных систем атмосферного давления является актуальной задачей в связи с возможностями их применения для очистки и стерилизации воды, водных растворов, а также модифицирования поверхности различных материалов, включая полимеры [1-4]. Процесс разрушения электродов в подводных разрядах может быть использован для нанесения покрытий на поверхности различных материалов [5]. Однако этот процесс может играть негативную роль, приводя к загрязнению раствора и обрабатываемых изделий. Ранее нами была изучена ки-
нетика диспергирования графитового анода в подводном торцевом разряде [6]. В данной работе рассматривается процесс диспергирования графитового электрода при горении разряда на переменном токе, а также при его использовании в качестве катода.
Установка, схема которой приведена в [6], позволяла поддерживать разряд как на переменном, так и постоянном токе. Ток разряда составлял 45 - 100 мА, время эксперимента - от 10 до 60 мин.
Поскольку скорость эрозии была слишком мала для использования гравиметрического или
нефелометрического метода исследования, изучалось состояние поверхности электрода, изменявшейся под действием эрозии.
Перед началом эксперимента графитовый электрод шлифовали и делали фотоснимки в специальной камере (рис. 1) с помощью фотоаппарата «Canon 450A», а также под микроскопом «ЛОМО Микмед-1» при увеличении 80. После плазменной обработки снова проводили фотосъемку графитового стержня в тех же условиях. Таким образом, в экспериментах получали набор макро- и микрофотографий графитового электрода, до и после горения разряда.
Кинетические кривые диспергирования графитового катода в подводном торцевом разряде имеют линейный вид и показаны на рис. 2.
Рис. 2. Кинетические кривые диспергирования графитового катода при различных токах: 1 - 45 мА; 2 - 55 мА; 3 - 65 мА;
4 -90 мА; 5 -100 мА Fig. 2. Kinetic curves of graphite cathode dispersion at different currents: 1 - 45 mA; 2 - 55 mA; 3 - 65 mA; 4 - 90 mA; 5 - 100 mA
Аналогичные кинетические кривые диспергирования графитового электрода были получены при горении подводного торцевого разряда на переменном токе (рис. 3).
Рис. 1. Камера для фотосъемки графитовых электродов: 1 - фторопластовая подложка с отверстием для фиксирования электродов, 2 - торцевая светодиодная лента, 3 - графитовый электрод
Fig. 1. The cell for photography of graphite electrodes: 1 - teflon substrate with the hole for electrode fixation, 2 - edge LED tape, 3 - graphite electrode
По макрофотографиям с помощью программы Photoshop CS4 (Extended) определяли общее число микронеровностей, а также суммарную площадь «выгоревших» участков электрода. Линейные размеры микровпадин и их среднюю глубину изучали с помощью измерительного микроскопа ИМЦ 50x100. Гистограммы распределения микровпадин по размерам получали путем анализа микрофотографий в программе Photoshop CS4 (Extended). Результаты экспериментов позволили оценить изменение массы электрода при горении разряда. Оценка изменения массы электрода осуществлялась по выражению
Ат = p(Sh — S0h0), где S0, S - суммарная площадь исходных микровпадин и эродировавших участков электрода при горении разряда, h0, h - средняя глубина микровпадин электрода до и после горения разряда, р - плотность графита.
Рис. 3. Кинетические кривые диспергирования графитового электрода при горении разряда на переменном токе при различных токах: 1 - 45 мА; 2 - 60 мА; 3 - 70 мА; 4 -85 мА;
5 -100 мА
Fig. 3. Kinetic curves of graphite electrode dispersion at the action of discharge on alternating current at different currents: 1 -45 mA; 2 - 60 mA; 3 - 70 mA; 4 - 85 mA; 5 - 100 mA
Скорость катодного распыления линейно растет с ростом тока разряда и нелинейно растет при горении разряда на переменном токе (рис. 4).
Следует отметить, что подобный излом мы наблюдали при использовании электрода в качестве анода, что связывали с переходом от тихого режима горения к активному [6].
Кривые распределения по размерам микронеровностей поверхности электрода после горения разряда в течение 60 мин показывают, что после воздействия плазмы поверхность электрода становится более развитой.
V, мг/мин
0.0010-
0.0008
0.0002-
I, мА
V, мг/мин
0.0016-, 0.0014 0.00120.00100.00080.00060.00040.0002
0.0000
20
40
60
80
100
I, мА
Рис. 4. Скорость диспергирования графитового электрода в зависимости от тока разряда: а - при горении на пульсирующем токе, б - при горении на переменном токе Fig. 4. The rate of the graphite electrode dispersion as a function of discharge current: a - at the discharge on pulsed current, б - at the discharge on alternating current
С ростом тока происходит не только увеличение размеров уже имеющихся микровпадин до сотен микрон, но и образование новых мелких микровпадин с размерами до 5 мкм.
Следует отметить, что глубина микровпадин в пределах погрешности измерений не зависит от времени обработки, но возрастает с увеличением тока разряда. Глубина микровпадин после обработки достигает значений 10-20 мкм при начальной глубине (шлифованный электрод) 4-6 мкм.
Действие ионной бомбардировки на поверхностный слой электролита приводит к образованию активных частиц, основными из которых являются сильные окислители - радикалы OH [7]. Мы предположили, что их действие могло при-
вести к химическому окислению. При этом в растворе должны появиться продукты окисления материала электрода - CO и CO2.
Для проверки данного предположения брали пробы электролита после горения разряда в течение 60 минут и проводили качественную реакцию на растворенный CO2 c хлоридом бария: HCO3- + Ba2+ = BaCÜ3 + H+ Отсутствие помутнения проб, соответствующих изучаемому диапазону токов, свидетельствует о том, что химическое взаимодействие материала электрода с окислительными частицами, образующимися при горении разряда, можно исключить из процесса эрозии электрода.
При горении подводного торцевого разряда протекают электрохимические процессы. Для выяснения роли последних в диспергировании электрода были проведены эксперименты, в которых в аналогичных условиях протекал электролиз при тех же токах, но без зажигания разряда. Анализ макро- и микрофотографий поверхности электрода показал, что электрохимические процессы не принимают участие в диспергировании электрода.
Таким образом, при использовании электрода в качестве катода или на переменном токе его эрозия происходит гораздо медленнее, чем анода, при этом окисление графита активными частицами не наблюдается. В качестве механизмов диспергирования можно предположить действие ионной бомбардировки и звуковой волны.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №12-03-31297-мол-а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Захаров А.Г., Максимов А.И., Титова Ю.В. // Успехи химии. 2007. Т. 76. № 3. C. 260-278;
Zakharov A.G., Maksimov A.I., Titova Yu.V. // Russian Chemical Reviews. 2007. V. 76. N 3. P. 235-251.
2. Бобкова Е.С., Исакина А.А., Гриневич В.И., Рыбкин В.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 6. С. 3-17;
Bobkova E.S., Grinevich V.I., Isakina A.A., Rybkin V.V.
// Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 6. P. 3-17 (in Russian).
3. Maximov A! // Contr. Plasma Phys. 2007. V. 46. N 1-2. P. 1-8.
4. Titova Yu.V., Strokozenko V.G., Maximov A.I. // IEEET ransactions Plasma Science. 2010. V. 38. N 4. P. 933-937.
5. Максимов А.И., Никифоров А.Ю. // Химия высоких энергий. 2007. Т. 41. № 6. С. 1-7;
Maximov A.I., Nikiforov A.Yu. // Khimiya Vysokykh Energiy. 2007. V. 41. N 6. P. 1-7 (in Russian).
6. Силкин С.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. Вып. 1. С. 59-61;
Silkin S.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 1. P. 59-61 (in Russian).
7. Кутепов А.М., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуум-но-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов. М.: Наука. 2004. 496с.; Kutepov A.M., Zakharov A.G., Maximov A.I Vacuum-plasma and plasma-solution modification of polymer materials. M.: Nauka. 2004. 496 p. (in Russian).
б
