Характеристики парогазового разряда между металлическим и жидким (непроточные и проточные электролиты) электродами

2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Принятые обозначения................................................. 5
Введение............................................................. 6
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРОГАЗОВОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ.................................................................... 10
1.1. Зажигание парогазового разряда между металлическим и электролитическим электродами........................................... 10
1.2. Парогазовый разряд с непроточными электролитами.................. 12
1.2.1. Парогазовый разряд между металлическим анодом и электролитическим катодом....................................... 12
1.2.2. Парогазовый разряд между металлическим катодом и электролитическим анодом............................. 15
1.3. Парогазовый разряд с проточными электролитами.................... 16
1.3.1. Парогазовый разряд между металлическим анодом и пористым электролитным катодом........................................... 16
1.3.2. Генераторы плазмы с пористыми электролитными
катодами................................................... 17
1.4. Практическое использование парогазовых разрядов с электролитическими электродами................................................ 18
1.5. Постановка задачи диссертации................................. 30
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
ИЗМЕРЕНИЙ.................................................... 40
2.1. Функциональная схема экспериментальной установки................. 40
2.2. Системы электрического питания парогазового разряда.............. 40
2.3. Вакуумная система установки...................................... 43
з
2.4. Устройства для подачи струи электролита и электролитические
ячейки............................................................ 43
2.5. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений......................................... 45
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРОГАЗОВОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ..................................... 58
3.1. Парогазовый разряд, его вольтамперные характеристики и падение напряжения в электролите.......................................... 58
3.2. Плотности тока на электролитическом катоде и металлическом
аноде............................................................. 61
3.3. Распределение потенциала и напряженности электрического поля.
Катодное и анодное падения потенциала.............................. 62
3.4. Характеристики разряда в системе: "струя электролита - металлический электрод"......................................................... 64
3.5. Обобщенные характеристики парогазового разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом....................... 68
3.6. Качественный механизм парогазового разряда между жидким неметаллическим катодом и металлическим анодом........................... 72
ГЛАВА 4. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРОГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ МЕЖДУ ЖИДКИМ (1ІЕ11РОТОЧНЫЕ И ПРОТОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ) И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ...................................................... 106
4.1. Устройство для получения тлеющего разряда с жидким анодом и выпрямления тока за счет управления процессами, протекающими в катодной области парогазового разряда переменного тока между электролитическим и металлическим электродами.......................... 106
4
4.2. Устройство для получения тлеющего разряда сплошным пятном на электролитическом катоде и металлическом аноде при атмосферном давлении................................................... 108
4.3. Устройство для обработки внутренней поверхности цилиндрических каналов металлических изделий...................................... 109
4.4. Устройство для очистки воды и стерилизации инструментов.......... 113
Выводы................................................................ 124
Список использованной литературы...................................... 127
Примечание............................................................ 137
Приложение............................................................ 138
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
и3 - напряжение зажигания;
и - напряжение разряда постоянного тока;
ип- мгновенное значение напряжения разряда переменного тока;
ие- действующее значение напряжения разряда переменного тока;
1 - сила постоянного тока;
1ЖК - мгновенное значение переменного тока разряда с жидким катодом [жа - мгновенное значение переменного тока разряда с жидким анодом;
ф - потенциал;
ик - катодное падение потенциала; иа - анодное падение потенциала;
Е - напряженность электрического поля; и, - падение напряжения в электролите;
]к- плотность тока на металлическом катоде;
(а - плотность тока на металлическом аноде;
)жк - плотность тока на жидком катоде;
Кчз - балластное сопротивление;
Т, р. р-температура, плотность и давление газа;
С- концентрация электролита;
/ - межэлектродное расстояние;
// - длина струи электролита; с! - диаметр твёрдого электрода; б; - диаметр струи;
СОКРАЩЕНИЯ
ГР - тлеющий разряд;
ВАХ - вольт-аммерная характеристика;
ПС - положительный столб.
6
ВВЕДЕНИЕ.
Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо [1, 2 и др.]. В последние годы большое внимание уделяется исследованию газовых разрядов между металлическим и электролитическим, а также между электролитическими электродами. Интерес к таким источникам низкотемпературной плазмы объясняется тем, что они используются в технологических целях и обладают рядом достоинств. Режимами горения разряда можно легко управлять изменением концентрации и состава электролита [3, 4 и др.]. Обработка изделий с помощью плазмы разряда между металлическим и электролитическим электродами возможна, когда другие методы более трудоемки, более дороги или их невозможно применять по другим причинам (например, экологическим). Благоприятное сочетание высокой температуры нагрева и элементов электролита в возбужденном и ионизованном состояниях позволяет осуществлять нагрев металла и сплавов в электролите, электротермическую обработку материалов [5, 6 и др.]. Парогазовые разряды с электролитическими электродами может использоваться в плазменной технологии нанесения теплозащитных, противокорозийных, антифрикционных, и диэлектрических покрытий [7, 8 и др.].
Парогазовые разряды между металлическим и электролитическим электродами, а также между электролитическим электродами представляют практический интерес как генераторы неравновесной плазмы с большим отрывом электронной температуры от температуры тяжёлых частиц. Низкотемпературная плазма с указанными свойствами имеег множество эффектов полезных с точки зрения технологических применений: очистка и полировка металлических поверхностей; одностадийность получения мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении; синтез органических соединений в растворах электролитов и др. Область приме!тения разряда между металлическим и электролит ическим электродами расширяется. В
7
последние годы определились новые перспективные направления применения парогазового разряда между металлическим и жидким электродами в плазмохимии, электронике и машиностроении.
І Іарогазовьіе разряды между металлическим и электролитическим электродами, являются полезными не только с точки зрения технологических применений, но и имеют важное значение для изучения физических явлений. Парогазовые разряды между металлическим и электролитическим катодом отличаются особой устойчивостью. Они имеют стабильную диффузную структуру даже при атмосферном давлении. Несмотря на все вышеуказанные достоинства, физика парогазового разряда между металлическим и электролитическим электродами изучена слабо: до сих пор неустановлены основные виды парогазовых разрядов с нетрадиционными электродами
(непроточные и проточные электролиты), нет также единого мнения о природе такого разряда, неустановлен механизм парогазового разряда между
металлическим анодом и электролитическим катодом. Далеко не исчерпаны различные способы и варианты получения источников низкотемпературной плазмы парогазовых разрядов с электролитическими электродами, ікс это задерживает разработку плазменных установок и новых технологических процессов с использованием парогазовых разрядов с нетрадиционными
электродами и их внедрение в производство.
Поэтому исследования характеристик парогазового разряда между металлическим и жидким (непроточные и проточные электролизы) электродами представляют собой актуальную задачу. Данная диссертация, состоящая из четырёх глав, посвящена решению этих задач.
В первой главе приведён анализ известных экспериментальных
исследований парогазовых разрядов горящих между электролитическим (непроточные и проточные) и металлическими электродами, а также обсуждаются области их некоторых практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
8
Во второй главе приведены описания экспериментальной установки. Представлена функциональная схема экспериментального комплекса для получения исследования парогазового разряда между электролитическим и металлическим электродами.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований парогазового разряда между мегаллически м и жидким (непроточные и проточные электролиты) электродами при атмосферном и пониженных давлениях: структуры ВАХ парогазового разряда и падение напряжения в электролитах; плотности тока на злекіролитическом и металлическом электродах; распределение потенциала и напряженности электрического поля; катодное и анодное падения потенциала; обобщённые вольт амперные характеристики разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом; характеристики парогазового разряда в системе: струя электролита - металлический электрод"; механизм парогазового разряда между жидким неметаллическим катодом и металлическим анодом; основные виды парогазовых разрядов и установлен их взаимный переход.
В четвёртой главе приведены устройства для получения парогазовых разрядов между металлическим и жидким (проточные и непроточные электролиты) электродами и их практическое применение: устройство для получения тлеющего разряда за счёт управления процессами, протекающими в катодной области парогазового разряда переменного тока между электролитическим и металлическим элекфодами; устройство для получения тлеющего разряда со сплошным пятном на электролитическом катоде и металлическом аноде при атмосферном давлении; устройство для обработки внутренней поверхности цилиндрических каналов металлических изделий; устройство для очистки воды и стерилизации инструментов.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
1. Результаты экспериментального исследования структуры, ВАХ, плотности тока на электролитическом катоде и металлическом аноде,
9
распределения потенциала и напряженности электрического поля, катодное и анодное падения потенциала тлеющего разряда со сплошными пятнами на электролитическом катоде (непроточные) и металлическом аноде для различной геометрической формы в парогазовой среде при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях.
2. Результаты экспериментального исследования структуры, ВАХ парогазового разряда в системе: «струя электролита - металлический электрод» и влияния на характеристики парогазового разряда величин тока, диаметра и длины струи, расхода, состава, концентрации и полярности электролитов.
3. Результаты обобщения ВАХ парогазового разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных и атмосферном давлениях.
4. Основные виды парогазовых разрядов между жидким катодом (непроточные и проточные) и металлическим анодом при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях и их взаимный переход и физические процессы, которые определяют механизм поддержания парогазового разряда.
5. Устройства для получения парогазового разряда, выпрямления переменного тока, обработки внутренней поверхности цилиндрических каналов металлических изделий и очистки воды и инструментов.
10
ГЛАВА 1
Обзор исследований парогазового разряда между металлическими и электролитическими электродами.
1.1. Зажигание парогазового разряда между электролитическим и металлическими электродами.
Исследованию пробоя газов при нормальной температуре между металлическими электродами посвящено большое число экспериментальных и теоретических работ [1,3,6,8,11 и др.]. Зажигание же разряда между электролитическим и металлическим электродами до последнего времени оставалось практически не изученными.
Зажигание разряда между металлическим и электролитным электродами характеризуется действием электрического поля на жидкость, влиянием поверхностного натяжения и сизы тяжести жидкости. Эти особенности исследовались экспериментально в [10]. Принципиальная схема устройства для зажигания разряда между медным электродом и электролитом показана на рис. 1: 1- ванна, из оргстекла; 2 - металлическая пластина, соединенная с одной из клемм источника питания; 3 -вертикально перемещающийся медный электрод, соединенный с другой клеммой источника; 4 - раствор определенной концентрации. Для исследований при пониженных давлениях устройство помещалось иод вакуумный колпак. Требуемое давление устанавливалось с помощью вакуумною насоса. При наложение электрического поля возникает сила, которая действует на поверхностные заряды, распределенные по поверхности элекфолига. Эта сила направлена по внешней нормали к поверхности и равна 1'с = б| • Е, где б| поверхностная плотность зарядов. Сила Гр = р • g препятствуют ее подъему и искривлению поверхности. В результате возникает показанная на рисунке геометрия поверхности жидкости. При повышении приложенного напряжения между электролитом и электродом 3
II
возникает пробой. Рост диаметра верхнего электрода при малых с! ведет к уменьшению напряжения зажигания. Увеличение с! приводит к увеличению деформированной поверхности, поэтому сила поверхностного натяжения уменьшается, а высота подъема жидкости увеличивается. Снижение напряжения пробоя с ростом с! объясняется уменьшением межэлектродного расстояния в момент пробоя. При больших значениях диаметра верхнего электрода с ростом с! величины I и и стремятся к своим предельным значениям. При малых с! и больших 1] возникает коронный разряд, и напряжение зажигания имеет большие флуктуации. При больших (1 в указанном диапазоне изменения Ь напряжения пробоя не зависит от того, является электролит анодом или катодом. По-видимому, эго объясняется тем, что пробой при атмосферном давлении определяе тся фотоионизацией газа, а процессы на катоде не играют сущес твенной роли. Данный результат согласуется с выводом из 112] искровой пробой происходит при полном отсутствии у - процессов на катоде. В рассматриваемых экспериментах при атмосферном давлении и межэлектродных расстояниях (1-4)
л
10* м механизм пробоя, основанный на размножении лавин через вторичную катодную эмиссию, не действует. При Р • 1 < 200 мм. рт. ст. применима таунсендовская теория, при Р • I < 4000 мм. рт. ст. работает стримерный механизм. В промежуточном диапазоне, к которому относятся описанные опыты, ионизация может определяться резонансным излучением с последующей ассоциативной ионизацией [20]. В условиях работы [12] экспериментальные данные свидетельствуют о том, что развитие электронных лавин поддерживается фотоионизацией, которая создает вторичные электроны.
В [14] приведено сравнение напряжения зажигания постоянного тока в атмосферном воздухе для жидких различных неметаллических катодов и твёрдых анодов с обобщённой кривой Пашена (кривая 1), построенной в соответствии с [6]. В диапазоне
12
PJ_= 0.025 - 0.25 Па м'1 к'1. Т
при малых межэлекгродных расстояниях экспериментальные данные удовлетворительно описываются обобщённым законом Пашна. При больших межэлекгродных расстояниях наблюдается отклонение данных от кривой Пашена. В [14] также представлено сравнение экспериментальных данных с обобщенной кривой Пашена. При пониженных давлениях и малых межэлекгродных расстояниях для напряжения зажигания НЧ разряда выполняется закон Пашена. а при больших межэлекгродных расстояниях наблюдается значительное отклонение от кривой 1. Напряжение зажигания ВЧЕ разряда существенно снижается от кривой 1 Іашена.
1.2. Парогазовый разряде непроточными электролитами.
1.2.1. 1 Іарогазовьій разряд между металлическим анодом и электролитическим катодом.
Впервые разряд между твердым анодом (заостренный уголь) и электролитным катодом (раствор хлористого натрия) был реализован Г. І Ілаїгге в 1875 году |21]. С тех пор проводились некоторые исследования характеристик электрических разрядов в газовом промежутке между металлическим анодом и электролитным катодом. Тем не менее, теоретическое описание указанных типов разрядов, позволяющее объяснить всю совокупность явлений в положительном столбе, в приэлектродных областях, до сих пор отсутствует. В последнее время большинство авторов [14 и др.] склоняется к тому, что для разряда с электролитным катодом харакгерен тлеющий режим. Между тем, в ряде работ применялись термины: "присосавшаяся искра", "тлеющая дуга", "дуга" и т. д. Причиной путаницы в классификации таких разрядов послужила, вероятно,