Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом Каюмов Рушан Рашитович

Введение к работе

Актуальность работы. Наряду с изучением разрядов между твердыми электродами большой интерес представляют разряды с электролитическими электродами. Одним из новых методов получения неравновесной низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении является использование электрического разряда, возникающего между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом (ПЭЯА). Неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда с электролитическими электродами имеет множество эффектов, полезных с точки зрения технологических применений: очистка и полировка твердых металлических поверхностей; одностадийное получение мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении; синтез органических соединений в растворах электролитов, очистка воды и стерилизация растворов и изделий. Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и ПЭЯА являются полезными не только с точки зрения практических применений, но имеют большое значение для изучения физических явлений. Несмотря на все указанные достоинства, характеристики и физические процессы электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном и пониженных давлениях практически не изучены. Не установлены основные формы электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом. Не исследовано взаимодействие плазмы электрического разряда на границе раздела струи и электролита. Все это задерживает разработку плазменных установок между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном и пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с изложенным экспериментальное исследование электрического разряда между струйным электролитическим катодом и ПЭЯА при атмосферном и пониженных давлениях является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление характеристик и закономерностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Задачи исследования:

1. На базе созданной экспериментальной установки проводить экспериментальные исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и ПЭЯА в диапазоне давления Р = 10⁵10³ Па, напряжения U = 0.21.5 кВ, тока разряда I = 0.012 A, расхода электролита

G = 0.58 г/с, диаметра струи электролита d_c = 1.53 мм, скорости струи = 0.180.95 м/с и длин струи электролита l_c = 190 мм для растворов NaCl и CuSO₄ в технической воде. На основе проведенных экспериментальных исследований электрического разряда между струйным электролитическим катодом и ПЭЯА выявить основные формы электрического разряда. Изучить структуры разряда, вольтамперные характеристики (ВАХ), плотности тока на проточном электролитическом аноде при атмосферном и пониженных давлениях, распределение температуры вдоль струйного электролитического катода при атмосферном давлении, функции распределения U и I в широком диапазоне параметров I, G, d_c и l_c.

2. Разработать и создать устройства для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом.

3. Разработать методику процесса распыления меди между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом.

4. Разработать методику модификации полимерных поверхностей с использованием плазменных устройств для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и ПЭЯА при атмосферном давлении.

Научная новизна исследований:

4. 1. В результате экспериментального исследования установлены основные формы электрического разряда при Р = 10⁵10³ Па, = 0.180.95 м/с:

   - кольцевой формы вдоль струйного электролитического катода, состоящего из множества микроканалов;

   - сплошной кольцевой формы вдоль струйного электролитического катода;

   - диффузной формы между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при малых l_c = 110 мм;

   - переход многоканального разряда (МР) в тлеющий разряд (ТР) в диапазоне от Р = 3.910⁴ до Р = 1.910⁴ Па;

   - распространение отрицательного свечения (ОТС) тлеющего разряда вдоль струи электролитического катода при пониженных давлениях (от 0.910⁴ до 10³ Па).

   2. Установлено неравномерное распределение температуры вдоль струи электролита при атмосферном давлении в диапазоне Т = 2045С, l_c = 3070 мм, = 0.24 м/с.

   3. Определены плотности тока на проточной электролитической ячейке-аноде при Р = 10⁵, Р = 1.910⁴ и Р = 0.910⁴ Па.

   4. Установлено, что значения напряжения U = 0.21.5 кВ и тока I = 0.012 A электрического разряда имеют нормальную функцию распределения вероятности.

   Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания физических процессов, происходящих в электрическом разряде между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом. Разработаны и созданы устройства для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном и пониженных давлениях. Разработаны методики процесса распыления меди между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом, модификации полимерных поверхностей с помощью устройства получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном давлении.

   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 ФСР МП НТС (Старт 1) №6784 р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой 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.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. Результаты экспериментального исследования характеристик струйного многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном давлении.

   2. Результаты экспериментального исследования характеристик струйного тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при пониженных давлениях.

   3. Устройства для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом.

   4. Методика процесса распыления меди между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом.

   5. Методика модификации полимерных поверхностей с использованием электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом.

   Степень достоверности научных результатов определяется применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов с известными опытными и теоретическими 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 с применением методов математической статистики.

   Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на Turbulent Mixing and Beyond Second International Conference and Advanced School (The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics 2009); на VI международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», (Томск, Томский политехнический университет 2009 г.); на 8-й международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009 г.); на XXXVII международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2010г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005, 2007, 2009, 2010 г.г.).

   Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов.

   Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (одна статья в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК, и 10 работ в материалах конференций).

   Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 124 источников отечественных и зарубежных авторов.

   *Научным консультантом является доктор физ.-мат. наук, профессор Ф.М. Гайсин.

   Похожие диссертации на Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом

   

   Устройства для создания паровоздушного разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом (непроточные и проточные электролиты) и его характеристики при атмосферном и пониженных давленияхСавельев Вячеслав Анатольевич

   

   Характеристики многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении Нуриев Илсур Мухтарович

   

   Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давленииАхатов Марат Фарихович

   

   Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом : со вдувом и без вдува газаТазмеева Рамиля Нуриахметовна

   

   Электрический разряд между струйным электролитическим анодом и пористым катодомЛогинов, Николай Александрович

   

   Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давленияхГайсин, Алмаз Фивзатович

   Многоканальный и аномальный тлеющий разряды с металлическим анодом, входящим в электролитический катодБагаутдинова, Лилия Наилевна

   Электрические разряды между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давленияхНасибуллин, Рамиль Тахирович

   ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ И ТВЕРДЫМ КАТОДОММУСТАФИН ТИМУР БАТИРОВИЧ

   Электрические разряды между проточным электролитическим анодом и металлическим катодомСаримов, Ленар Рафисович