Введение к работе
Актуальность работы. Неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда (ЭР) с жидкими электродами привлекла внимание исследователей в виду довольно широкого применения ЭР для защиты окружающей среды, медицине и новых технологиях в промышленности.
Электрические разряды с использованием жидких электродов создают УФ излучение, ударные волны и активные радикалы (ОН, атомарный кислород, пероксид водорода и т.д.) и является эффективным средством против биологических и химических загрязнений. В связи с этим электрические разряды с жидкими электродами становятся особенно полезными для целей стерилизации и очистки растворов. Однако существенная сложность плазмы ЭР с жидкими электродами не позволяет полное понимание физических процессов, происходящих в указанных разрядах и это остается не достигнутым. Например, электрический пробой в жидкостях является более сложным явлением, чем в твердых телах и газах. Это связано с формированием микропузырьков воздуха в жидкости. Анализ литературных данных показал, что наряду с изучением ЭР с жидкими электродами большой интерес, как научной точки зрения, так и практической представляют электрические разряды в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки.
В настоящее время электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки практически не изучены. Не исследованы влияния размеров и форм воздушных пузырьков воздуха на развитие электрического пробоя и разряда в диэлектрической трубке с электролитом. Не изучены особенности перехода многоканального разряда (МР) в объемный разряд (ОР) в электролите с движущимися пузырьками воздуха. Практически не исследованы развитие МР внутри длинных пузырьков воздуха, образование плазменной струи вне диэлектрической трубки и горение электрического разряда вихревой формы в электролите при атмосферном давлении.
Все это сдерживает разработку и создание новых плазменных установок и технологий с использованием электрических разрядов постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки. В связи с вышеизложенным, экспериментальное исследование электрического разряда в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазмы вне диэлектрической трубки при атмосферном и пониженных давлениях является актуальной задачей.
Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
Задачи исследования:
-
Проанализировать известные экспериментальные и теоретические исследования электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также их практические применения.
-
Разработать и создать экспериментальную установку для исследования электрических разрядов постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки.
-
На базе созданной экспериментальной установки проводить исследования электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки в диапазоне Р = 103-105 Па, напряжения разряда
U = 200-1500 В, тока разряда I = 0,02-2,5 А, расхода электролита
G = 1,4-8,3 г/с, = 0,15-0,98 м/с, длины и диаметра диэлектрической трубки
lт = 100-400 мм, dт = 5-20 мм для насыщенного и 10% раствора NaCl в технической воде.
На основе проведенных экспериментальных исследований электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием струи плазмы вне диэлектрической трубки изучить развитие электрического пробоя между токоподводящим медным проводом и электролитом, развитие многоканального разряда (МР) кольцевой и S-образной формы, а также внутри длинных пузырьков и неоднородных структурах электролита с пузырьками, горение МР на поверхности токоподводящего медного провода и объемного разряда внутри диэлектрической трубки в электролите, образование паровоздушной струи плазмы вне диэлектрической трубки, электрических, спектральных, температурных и хроматографических характеристик ЭР.
-
Разработать и создать устройства для получения многоканального, объемного разряда и разряда вихревой формы постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите и с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки; разработать методику обработки электролита для повышения класса шероховатости проволоки марки сталь 3 с объемным разрядом (ОР) внутри диэлектрической трубки в электролите.
Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.
Для изготовления разрядной камеры использованы материалы:
сосуды для электролита с краном из термостойкого стекла марки «Simax»;
трубка силиконовая ТУ 9436-004-18037666-94;
провода для подвода отрицательного и положительного потенциала из меди марки М1.
Для экспериментального исследования были использованы материалы медь М1 и сталь 3.
Для исследования электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки в процессе очистки и повышения класса шероховатости в широком диапазоне параметров создан измерительный комплекс, состоящий из:
-
цифровой фотокамеры «Sony DSC-H9», «Rower 3.2» и видеокамеры «Sony HOR-SR72E»;
-
универсального двухлучевого осциллографа типа GOS-6030;
-
статического вольтметра, амперметра, мультиметра разного класса точности;
-
спектроанализатор «Сириус»;
-
радиационного пирометра марки «GENTER»;
-
жидкостного хроматографа «ЦветЯуза».
Для определения степени воздействия ЭР в движущихся пузырьках воздуха в электролите на различные материалы использованы электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-химических свойств материалов.
Степень достоверности научных результатов определялась применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов с известными опытными данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ.
Научная новизна исследований:
В результате экспериментального исследования электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки в диапазоне
Р = 103-105 Па установлено:
горение МР, ОР и вихревой формы в диэлектрической трубке с электролитом;
переход многоканального разряда в объемную форму в электролите с ростом I от 800 до 900 мА;
развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков воздуха;
образование плазменной струи вне диэлектрической трубки с диаметром отверстия dс ~ 1,5-2,5 мм на поверхности трубки;
образование низкочастотных и высокочастотных колебаний тока многоканального разряда;
переход МР в аномальный тлеющий разряд (АТР) при пониженных давлениях (Р 6104 Па);
уменьшение отрицательных ионов хлора (Cl–) и наибольшая интенсивность линии Na 5760 после обработки электролита МР.
Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания характеристик и особенностей физических процессов, протекающих в электролитических разрядах постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки. Разработаны и созданы устройства: для получения электрического разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях; для обработки электролита с использованием многоканального, объемного и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях; для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении. Разработаны методики: обработки электролита многоканальным, объемным и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите; очистки и повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) с использованием МР и ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите.
Работа выполнена при поддержке РФФИ № 04-02-97501 в рамках проекта «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» и в рамках грантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт 1) и (Старт 2) № 6784р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», проект №1/5, а также договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», № 246/Н. Гос. контракт № 02.740.11.0569 «Фундаментальные и прикладные исследования физики, кинематики и гидродинамики низкотемпературной плазмы и разработка плазменных технологий», в рамках грантов программ ФСРМФП в НТС.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования особенности развития электрического пробоя и многоканального разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.
-
Результаты экспериментального исследования особенности развития многоканального разряда в диэлектрической трубке с электролитом внутри длинных пузырьков воздуха при атмосферном давлении.
-
Результаты экспериментального исследования развития объемного разряда и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении, а также электрические, температурные, спектральные и хроматографические характеристики в диапазоне давлений 103-105 Па.
-
Методика очистки и повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) с использованием многоканального и объемного разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.
-
Методика обработки электролита многоканальным, объемным и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-практической конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010 г.); на
XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 8-12 февраля 2010 г.); на II Международной научно-технической конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, Ивановская обл., 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2011 г.); на XI Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск, Россия, 2013 г.).
Личный вклад автора в работу. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором разработаны и созданы разрядные камеры в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов, разработаны и созданы методики обработки электролита, очистки и повышения класса шероховатости стали 3 с использованием ОР в движущихся пузырьках воздуха в электролите.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (три статья в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 9 работ в материалах конференций).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунков,
0 таблицы и список литературы из 248 источников отечественных и зарубежных авторов.
