CC BY
38
УДК 537.525
Р. Ш. Садриев, Л. Н. Багаутдинова, Ф. М. Гайсин, Р. И. Булатов
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ
Ключевые слова: импульсный электрический разряд, техническая вода, частота, озон, стример, многоканальный разряд.
Представлены результаты исследования зависимости выхода озона от геометрической формы электрода. Установлено, что производительность озона значительно повышается для пластинчатых медных электродов.
Keywords: pulsed electric discharge, liquid electrode, frequency, streamer, ozone, multichannel discharge.
The results of the study of ozone output depending on the geometry of the electrode. It is found that the productivity of ozone is considerably increased to plate copper electrodes.
Введение
Разработано большое количество конфигураций разрядов в жидкости: разряды непосредственно в жидкости, разряды в газовой фазе с жидким электродом, разряды в пузырьках жидкости [1]. Для каждого случая могут быть разные способы возбуждения: генераторы ВЧ, СВЧ [2], постоянного тока, переменного тока. Большинство разрядов с жидкими электродами имеют дело с водой или электролитическими растворами. Существует множество применений этих разрядов, описываемых в [3-6], которые достаточно детально освещают эту область. В некоторых видах разрядов с жидкими электродами в газовой фазе при использовании высоковольтных источников питания регистрируется выделение озона, а в жидкой фазе идет образование атомарного кислорода и гидроксильных групп [7]. Применение озона можно найти во многих областях: в медицине, сельском хозяйстве для целей стерилизации и очистки от биологических и химических загрязнений.
В данной работе проводятся экспериментальные исследования количества выделенного озона в зависимости от геометрической формы металлических электродов.
Описание экспериментальной установки и методики исследований
Экспериментальная установка состоит из импульсного высоковольтного источника питания, электролитической ванны, пластины для подвода потенциала в электролит, а также пластинчатый медный и лепестковый стальной электроды. Фотографирование импульсного высоковольтного разряда осуществлялось с помощью цифровой зеркальной фотокамеры Canon-400D. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) измерялись с использованием вольтметра М 367 класса точности 0,5, амперметра Ц4311 класса точности 0,5 и мультиметром MY68 класса точности 0,5. Выход озона определялся с помощью оптического анализатора озона «Циклон 5.11». Используемый электролит- техническая вода.
Обсуждение результатов экспериментальных исследований
На рисунке 1 представлена одна из форм металлических электродов, использовавшихся в экспери-
менте. Как видно из рисунка 1, между лепестковым стальным электродом и технической водой зажигается многоканальный разряд стримерной формы, который состоит из микроканалов. Эти микроканалы представляют собой стримерные разряды. В данном случае они генерируются с помощью импульсного напряжения пилообразной формы. Каждый пик формирует отдельный стримерный канал.
Рис. 1 - Форма лепесткового стального электрода
В межэлектродном промежутке между лепестковым электродом и электролитом создается область, в которой формируется ультрафиолетовое излучение и активные радикалы (озон, атомарный кислород, гидроксильные группы, пероксид водорода и т.д.), их образование идет в газовой фазе межэлектродного промежутка и в жидкой фазе электролита. С ростом напряжения многоканальный разряд стри-мерной формы переходит в многоканальный искровой разряд.
На рисунке 2 приведена зависимость напряжения от величины тока разряда для различных давлений. Из анализа кривых рис.2 следует, что с понижением давления уменьшается величина напряжения разряда. Так, например, сравнение кривых 1 и 4 показывает, что при 1=10 мА величина напряжения разряда уменьшается в 2 раза. Вид зависимости и=1(!) носит экспоненциальный характер. В диапазоне давления от 105 до 40 кПа при 1=120 мА наступает насыщение. С понижением давления от 40 до 8 кПа экспонента достигает максимума при токах более 120 мА.
í/.KB
О 20 « 60 SO 100 120
Рис. 2 - ВАХ разряда между пластинчатым медным электродом и технической водой при частоте Т=40 МГц, межэлектродное расстояние !=8 мм, ширина электрода 25 мм, толщина электрода 0,7 мм, материал - медь: 1 - Р=105 Па, 2 - Р= 80 кПа, 3 - Р=40 кПа, 4 - Р=8 кПа)
20 40 60 80 100
Рис. 3 - Производительность озона при частоте Т=40 МГц, межэлектродное расстояние 1=20 мм в разряде с различными электродами: 1 - пакет пластинчатых медных электродов (ширина электродов 25 мм, толщина электродов 0,2 мм, длина пакета 50 мм, количество пластин 40 шт., материал - медь); 2 - лепестковый стальной электрод (ширина лепестков 11 мм, толщина лепестков 0,5 мм, количество лепестков 8 шт., материал -сталь)
На рис.3 представлены графики, описывающие выход озона при Р=105 Па, частоте 40 МГц, межэлектродном расстоянии 1=20 мм. Для пластинчатых медных электродов (кривая 1) выход озона увеличивается с ростом I от 40 до 120 мА в 1,4 раза.
Для стального лепесткового электрода (кривая 2) увеличение выхода озона при тех же токах происходит в 1,46 раза. При токах около 100 мА выход озона больше у пакета пластинчатых электродов, чем у лепесткового в 1,1 раза.
Заключение
1. Установлено, что разряд имеет многоканальную стримерную форму.
2. Установлена зависимость выхода озона от геометрической формы, размеров и взаимного расположения лепестков электродов.
3. Обнаружено, что распределенная форма твердого электрода и электролит с распределенными параметрами сдвигает границу перехода стри-мерного разряда в искровой и расширяет диапазон производительности выхода озона
4. Выявлено, что ВАХ импульсного высоковольтного разряда имеют экспоненциальный характер.
Литература
1. P.Bruggman, Cr. Leys, Non -Thermal Plasma in Liquids and in Contact with Liquids, J. Phys. D: Appl.Phys. 2009. V. 42. 053001.
2. Р.Ш. Садриев, Э. Е. Сон, Ал. Ф. Гайсин, Л. Н. Багаут-динова, Ф. М. Гайсин, Э. Ф. Шакирова, М. Ф. Ахатов, Аз. Ф. Гайсин, Р. Р. Каюмов, Особенности сверхвысокочастотного разряда между медным штыревым электродом и технической водой, Теплофизика высоких температур.- 2014, том 52, № 6, с. 1-4.
3. K.R. Stalder, D.F. Mcmillen, Electrosurgical plasmas, J. Phys. D: Appl.Phys. 2005. V. 38. 1728-38
4. Р. Sunka, Pulse electrical discharges in water and their applications, Phys. Plasmas. 2001. V. 8. 2587-94.
5. K.W. Jo, М. Kim, S.N. Shin, Microplasma generation in a sealed microfluidic glass chip using a water electrode, Appl.Phys.Lett.V92. 011503.
6. Р.М. Хазиев, Ф.М. Гайсин, Р.К. Галимова, Исследование паровоздушного разряда с электролитическими электродами для применения в экологических целях, Энергосбережение и водоподготовка, 2006, № 2, с.73-74.
7. Э. Е. Сон, И. Ф. Суворов, С. В. Какуров, Ал. Ф. Гайсин, Г. Т. Самитова, Т. Л. Соловьева, А. С. Юдин, Т. В. Рахлецова, Электрические разряды с жидкими электродами и их применение для обеззараживания вод, Теплофизика высоких температур.- 2014, том 52, № 4, с. 512519.
© Р. Ш. Садриев, к.т.н., доц. каф. электротехники и электроники К(П)ФУ, srsh@list.ru; Л. Н. Багаутдинова, к.т.н., доц. каф. технической физики КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева, lilup@bk.ru; Ф. М. Гайсин, д.ф.-м.н., профессор, зав. каф. технической физики КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева, FMGaisin@kai.ru; Р. И. Булатов, студ. той же кафедры.
© R. Sh. Sadriev, c.t.s., assistant professor of electrical engineering and electronics, KFU, srsh@list.ru; L. N. Bagautdinova, C.t.s., Associate Professor of Technical Physics, KNRTU-KAI named after A.N.Tupolev, lilup@bk.ru; F. M. Gaisin, D.p-m.s., Professor, of Technical Physics, KNRTU-KAI named after A.N.Tupolev, FMGaisin@kai.ru; R. I. Bulatov, Bachelor, KNRTU-KAI named after A.N.Tupolev.
