Способ получения электрического разряда в парах электролита и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть применено в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах. Технический результат заключается в увеличении активной рабочей зоны разряда. Это достигается тем, что в способе получения электрического разряда в парах электролита, заключающегося в зажигании разряда между твердотельным анодом и жидким электролитом, пропускаемым в разрядную область через сплошное тело пористого диэлектрического тела, осуществляется подача электролита в разрядную область путем заполнения вертикального сквозного профилированного канала в пористом диэлектрическом теле до уровня уступа в сечении канала. В устройстве для получения электрического разряда в парах электролита, содержащем твердотельный токоподвод, пористое диэлектрическое тело, жидкий электролит в качестве катода, твердотельный анод и гидросистему для циркуляции электролита, в пористом диэлектрическом теле выполнен сквозной цилиндрический канал с уступом, при этом канал ориентирован так, что его участок с меньшим диаметром d расположен со стороны токоподвода, а участок с большим диаметром D - со стороны анода, и диаметры участков канала выбраны в пределах: d=(5÷15) мм - у участка с меньшим диаметром; D=(1,2÷2,0)·d - у участка с большим диаметром. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть применено в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах.

Известны способы получения электрического разряда в парах электролита между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, когда жидкий электролит либо наливается в электролитическую ванну [1], либо подается в виде струи [2].

Известен способ получения электрического разряда в парах электролита, когда оба электрода (и катод, и анод) являются жидкими электролитами и текут по поверхностям твердотельных токоподводов [3].

Недостаток известных способов заключается в том, что с их помощью невозможно получить разряд при больших межэлектродных расстояниях, т.е. невозможно увеличить длину разрядного канала выше определенного предела, который составляет порядка 20 мм и практически не зависит от состава электролита. Поэтому эти способы имеют ограниченные возможности практического применения.

Известен способ получения электрического разряда в парах электролита, заключающийся в зажигании разряда внутри диэлектрической трубки, нижний конец которой касается электролита, налитого в электролитическую ванну, а вблизи открытого верхнего конца устанавливается твердотельный анод [4]. При этом пары электролита поднимаются в вертикальном направлении внутри трубки, и это позволяет поддерживать разряд при значительно больших (больше 20 мм) межэлектродных расстояниях.

Этот известный способ имеет следующие недостатки: отсутствует свободный доступ в разрядную область; отсутствует принудительный отвод теплоты от электролита, вследствие чего при длительной работе электролит нагревается и вскипает. Поэтому этот способ, как и другие известные способы, имеет ограниченные возможности практического применения.

Прототипом устройства для осуществления способа выбрано устройство, содержащее твердотельный токоподвод, пористое диэлектрическое тело, жидкий электролит в качестве катода, твердотельный анод и гидросистему для циркуляции электролита [5]. Благодаря наличию циркуляции электролита прототип обеспечивает горение газового разряда достаточно длительное время. В прототипе длина межэлектродного расстояния может быть значительно увеличена, однако, только до определенного предела. В зависимости от химического состава электролита, используемого в качестве жидкого катода, предельная длина разрядного промежутка может находиться в пределах от 200 до 220 мм.

Изобретение направлено на увеличение активной рабочей зоны разряда.

Это достигается тем, что в способе получения электрического разряда в парах электролита, заключающемся в зажигании разряда между твердотельным анодом и жидким электролитом, пропускаемым в разрядную область через сплошное тело пористого диэлектрического тела, осуществляется подача электролита в разрядную область путем заполнения вертикального сквозного профилированного канала в пористом диэлектрическом теле до уровня уступа в сечении канала.

А в устройстве для получения электрического разряда в парах электролита, содержащем твердотельный токоподвод, пористое диэлектрическое тело, жидкий электролит в качестве катода, твердотельный анод и гидросистему для циркуляции электролита, в пористом диэлектрическом теле выполнен сквозной цилиндрический канал с уступом, при этом канал ориентирован так, что его участок с меньшим диаметром d расположен со стороны токоподвода, а участок с большим диаметром D - со стороны анода, и диаметры участков канала выбраны в пределах: d=(5÷15) мм - у участка с меньшим диаметром; D=(1,2÷2,0)·d - у участка с большим диаметром.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа.

Устройство для реализации способа (фиг.1) состоит из токоподвода 7, электролита 2, выполняющего роль катода, пористого диэлектрического тела 3, твердотельного анода 4, выполненного в виде кольца, изолятора 5, гидросистемы 6, которая обеспечивает циркуляцию электролита. Токоподвод 1 и анод 4 подключены к клеммам источника питания 7 через балластный резистор 8. Токоподвод 1 и пористое диэлектрическое тело 3 образуют единый катодный узел с полостью для протекания электролита 2. В пористом диэлектрическом теле 3 выполнен сквозной канал 9 в виде цилиндрического отверстия с уступом 10. Этот канал соединяет внутреннюю полость катодного узла с областью горения разряда 11. Участок канала с меньшим диаметром d расположен со стороны токоподвода 7, а его участок с большим диаметром D находится со стороны анода 4.

Способ осуществляется следующим образом. Устройство для реализации способа устанавливается в вертикальном положении, как показано на фигуре 1. При этом катодный узел, состоящий из токоподвода 1 и пористого диэлектрического тела 3, располагается внизу, а анод 4 - наверху. Через полость, образованную между токоподводом 7 и пористым диэлектрическим телом 3, пропускается поток электролита 2. Его направление указано на фигуре 1 стрелками. Расход электролита подбирается таким образом, чтобы электролит заполнил канал 9 до уровня уступа 10, как показано на фигуре 1. После этого с помощью известных способов, например взрывом тонкой медной проволоки, зажигается разряд 11 между жидким электролитом 2 и анодом 4. Изолятор 5, закрывающий нижний торец анода 4 и его наружные боковые поверхности, предотвращает блуждание анодных пятен разряда по наружной поверхности анода и тем самым способствует стабилизации разряда.

Под действием потока энергии, поступающего от плазмы разряда, электролит испаряется и поступает в разрядную область 11. Вследствие того, что теплопроводность диэлектрика намного меньше по сравнению с электролитом, пористое диэлектрическое тело нагревается сильнее, и испарение электролита происходит преимущественно внутри пор поверхностного слоя пористого диэлектрического тела. Электролит испаряется с горизонтальной поверхности уступа 10 и со стенок канала 9 на его участке с большим диаметром D. Пары электролита, выходя из пор под давлением, образуют поток, направленный в сторону разрядной области. За счет паров электролита, поступающих с вертикальных стенок канала 9, повышается плотность потока пара, а также возникает кумулятивный эффект. Эти факторы способствуют удлинению активной рабочей зоны электрического разряда в вертикальном направлении, тем самым становится возможным увеличение межэлектродного расстояния l.

В опытах электрический разряд был получен при межэлектродном расстоянии l=410 мм, что практически в два раза больше максимального межэлектродного расстояния у прототипа. Как и в случае прототипа, в качестве жидкого электролита был использован водный раствор поваренной соли (NaCl) с концентрацией по массе 30 кг/м³. Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно увеличить межэлектродное расстояние и, соответственно, активную рабочую зону разряда.

Опыты показали, что наибольший положительный эффект достигается при выполнении сквозного канала в пористом диэлектрическом теле со следующими геометрическими параметрами: d=(5÷15) мм и D=(1,2÷2,0)d. При d более 15 мм и D≥2,0·d плотность потока пара убывает и длина активной рабочей зоны разряда уменьшается, а при d менее 5 мм происходит сжатие и контракция разрядного канала, что приводит к снижению устойчивости горения разряда.

Источники информации

1. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в паро-газовой среде между твердым и жидким электродами. М.: Изд-во ВЗПИ. 1990. Стр.82-85.

2. Гайсин Ф.М., Хакимов Р.Г., Шакиров Ю.И. Разряд в газе между струей жидкости и твердым электродом // Тезисы докладов научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» - Саранск. 18-20 мая 1993. МГПИ. Стр.34.

3. Баринов Ю.А., Блинов И.О., Дюжев Г.А., Школьник С.М. Экспериментальное исследование разряда с жидкими электродами в воздухе при атмосферном давлении // Материалы конференции «Физика и техника плазмы», т.1, Минск. Беларусь. 13-15 сентября 1994. Стр.123-126.

4. AC №1088086 (СССР). Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Даутов Г.Ю. Устройство для получения тлеющего разряда при атмосферном давлении. 1983.

5. Патент РФ №2169443. Тазмеев Б.Х, Тазмеев Х.К. Способ получения электролитного электрического разряда и устройство для его осуществления. 2001.

1. Способ получения электрического разряда в парах электролита, заключающийся в зажигании разряда между твердотельным анодом и жидким электролитом, пропускаемым в разрядную область через пористое диэлектрическое тело, отличающийся тем, что электролит подают в разрядную область путем заполнения вертикального сквозного профилированного канала в пористом диэлектрическом теле до уровня уступа в сечении канала.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее твердотельный токоподвод, пористое диэлектрическое тело, жидкий электролит в качестве катода, твердотельный анод и гидросистему для циркуляции электролита, отличающееся тем, что в пористом диэлектрическом теле выполнен сквозной цилиндрический канал с уступом, при этом канал ориентирован так, что его участок с меньшим диаметром d расположен со стороны токоподвода, а участок с большим диаметром D - со стороны анода, и диаметры участков канала выбраны в пределах: d=(5÷15) мм - у участка с меньшим диаметром; D=(1,2÷2,0)·d - у участка с большим диаметром.