microbik.ru
1

УДК 537.523.9



РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПРОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО КАТОДА ГЕНЕРАТОРА ПЛАЗМЫ С ДИФФУЗНЫМ РАЗРЯДОМ
Р.М. Габдрахимов, Р.Н. Тазмеева, Х.К. Тазмеев
Введение. Генераторы плазмы с диффузным разрядом между жидкими неметаллическими электродами представляют практический интерес как источники неравновесной плазмы атмосферного давления. Они перспективны для обработки материалов в различных агрегатных состояниях [1,2]. Их использование на практике задерживается тем, что в настоящее время они мало изучены. Данная работа посвящена исследованию процессов теплообмена на жидком катоде.

Эксперимент. Схематично генератор плазмы изображён на рис. 1. Катодный узел выполнен так, что электролит течёт через него, разделяясь на два изолированных потока. Верхний поток 1 проходит через зону действия разряда 2. Этот поток является токопроводящим элементом генератора плазмы. Через него электрическая цепь замыкается от газового разряда 2 на токоподвод 3 катодного узла и в нём выделяется джоулево тепло. Нижний поток 4 омывает токоподвод 3 снизу и охлаждает его. Расстояние H от токоподвода 3 до металлического водоохлаждаемого анода 5 равно 15 мм. Под тепловым воздействием газового разряда электролит испаряется. Реактивная сила потока пара деформирует поверхность электролита. Разряд 2 горит в углублении. Вне зоны действия разряда толщина h слоя электролита постоянна и равна 13 мм. Такая толщина выбрана, чтобы предотвратить электрический пробой слоя электролита. В качестве электролита использовался раствор NaCl в дистиллированной воде с массовой концентрацией ~ 0,01%. Температура электролита измерялась хромель-алюмелевыми термопарами с диаметром термоэлектродов 0,2 мм. Они были установлены в различных участках верхнего и нижнего потоков электролита. На рис. 1 указаны места расположения двух из них. Термопара 6 с помощью координатника перемещалась по вертикали вдоль оси z, а термопара 7 находилась в стационарном положении. Во избежание замыкания электрического разряда горячий спай термопары 6 изолировался тонким слоем диэлектрика. Холодные спаи всех термопар были термостатированы.

Для стабильной работы генератора плазмы необходимо, чтобы электролит в зоне действия разряда не кипел. Если электролит кипит, то брызги попадают в разрядную область. Там происходит их испарение, и температура газа в разряде резко понижается. К тому же расстояние между поверхностью кипящего электролита и анодом непрерывно меняется. Всё это приводит к крупномасштабным пульсациям тока и напряжения. Поэтому желательно, чтобы электролит меньше прогревался в зоне привязки разряда к жидкому катоду. С другой стороны, если электролит остаётся в холодном состоянии, то в нём выделяется значительное джоулево тепло, т.к. у холодного электролита омическое сопротивление существенно больше, чем у нагретого. Таким образом, оптимальным является такой режим работы генератора плазмы, при котором электролит нагревается, но не кипит. В оптимальном режиме генератор плазмы работает стабильно, а тепловые потери на катоде будут минимальны, т.к. меньше будет омическое сопротивление электролита и, соответственно, меньше будет выделяться джоулево тепло.

Повышение температуры электролита в опытах обеспечивалась уменьшением скорости течения верхнего потока. Однако, при малых скоростях электролит не успевал отводить теплоту из зоны действия разряда. Электролит быстро прогревался, и начиналось кипение. Такая картина наблюдалась при нулевой скорости нижнего потока. Когда к процессу охлаждения подключался нижний поток, т.е. когда электролит частично прокачивался через катодный узел ниже токоподвода, режим работы генератора плазмы стабилизировался.

На рис. 2 представлены распределения температуры по толщине электролита в верхнем потоке. Скорость его течения составляла 0,1 см/с. В нижнем потоке температура по показаниям термопары 7 была 38-40С. Как видно из рисунков, температура поверхностных слоёв электролита в верхнем потоке близка к 100С, т.е. практически равна температуре кипения электролита, а нижние слои являются более холодными. С увеличением тока I температура слоёв повышалась. Это накладывало ограничение на дальнейшее повышение I.

При скоростях 5 см/с верхний поток прогревался по слоям более равномерно. Разница температур поверхностных и нижних слоёв не превышал двух градусов. При максимальных значениях тока (10-11 А) температура верхнего потока составляла 48 - 50 С. Дальнейшее увеличение скорости течения электролита приводило к ещё более резкому снижению температуры. При этом теплота из зоны действия газового разряда полностью отводилась верхним потоком, а нижний поток практически не нагревался. Однако, тепловые потери на катоде возросли более чем в два раза, т.к. увеличилось джоулево тепловыделение.

Заключение. Тепловой режим жидкого электролитного катода зависит в основном от двух факторов: 1) нагрев за счёт джоулевого тепла; 2) охлаждение проточным электролитом. Разделение потока электролита на две части даёт возможность влиять на эти два фактора автономно. Уменьшение скорости течения потока, протекающего через зону действия разряда, позволяет снизить джоулево тепловыделение. Часть теплоты отводится от катода вторым потоком электролита. При этом в первом потоке создаётся градиент температуры, направленный от токоподвода к газовому разряду. Благодаря этому, до максимально высоких температур, близких к температуре кипения электролита, нагреваются лишь поверхностные слои, и устойчивость работы генератора плазмы не нарушается.

Литература


1. Максимов А.И. Физика и химия взаимодействия плазмы с растворами. В кн.: Материалы 9 Школы по плазмохимии для молодых учёных России и стран СНГ. Иваново, 1999. С. 46-53.

2. Гайсин Ф.М., Сон Э.А. Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами (электролиты). В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 2 / Под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2000. С. 241-246.