Самитова, Гульнара Торекульевна. Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки

Краткое описание

Самитова, Гульнара Торекульевна. Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки : диссертация ... кандидата технических наук : 01.02.05 / Самитова Гульнара Торекульевна; [Место защиты: Казан. нац. исслед. технол. ун-т].- Казань, 2013.- 124 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/810

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»
04201455333
САМИТОВА ГУЛЬНАРА ТОРЕКУЛЬЕВНА
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ДВИЖУЩИХСЯ ПУЗЫРЬКАХ ВОЗДУХА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ВНЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРУБКИ
01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
профессор Гайсин Ф. М.
Казань 2013 
Глава 1
Содержание
Принятые обозначения. Введение
Анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также практических
10
10
13
22
31
47
52
56
56
59
61
62
применений
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Глава 2 2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Глава 3
Электрические разряды между твердыми электродами в
электролите
Электрические разряды в пузырьках и парах жидкости
Стримерные разряды в жидкости
Разряды в газах с одним или двумя жидкими электродами .. Перспективы применения электрического разряда с
электролитическими электродами
Постановка задачи диссертации
Экспериментальная установка и методика измерений
Высоковольтная экспериментальная установка (выходное
напряжение до 1500 В и при токе 2 А)
Вакуумная система экспериментальной установки
Разрядное устройство
Измерительная аппаратура и методика проведения экспериментов, и оценка точности измерений
Результаты экспериментальных исследований
экспериментального разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки
з
3.1. Электрический пробой и колебания тока разряда 64
3.2. Формы многоканального разряда и переход в объемный
разряд 70
..... ....
3.3. Развитие многоканального разряда внутри длинных
пузырьков воздуха в электролите 75
3.4. Вольтамперные характеристики МР и ОР 79
3.5. Электрический разряд вокруг металлического электрода
погруженного в электролит через диэлектрическую трубку . 81
3.6. Распределение температуры вдоль диэлектрической трубки 84
Глава 4. Устройства для получения МР, ОР и вихревого разряда в
диэлектрической трубке с движущимися пузырьками
воздуха в электролите при атмосферном и пониженных
давлениях, а также паровоздушной струи плазмы и
методика обработки электролита и повышение класса
шероховатости стальной проволоки 86
4.1. Устройство для получения многоканального и объемного
разряда в диэлектрической трубке с движущимися
пузырьками воздуха в электролите 86
4.2. Устройство и методика обработки электролита МР, ОР и
вихревым разрядом в движущихся пузырьках воздуха 87
4.3. Устройство для получения паровоздушной струи плазмы
вне диэлектрической трубки 92
4.4. Устройство повышения класса шероховатости стальной
проволоки марки сталь 3 объемного разряда внутри
диэлектрической трубки с движущимися пузырьками
воздуха в электролите 94
4.5. Получение уравнения регрессии для нахождения
оптимальных режимов обработки поверхности стальной

проволоки 96
Выводы
Список использованной литературы
Примечание 98
101
124

Принятые обозначения
/- сила тока разряда;
U- напряжение разряда;
G - расход электролита;
d, - диаметр диэлектрической трубки;
dn - диаметр пузырьков;
1Т - длина струи;
/п - длина пузырьков;
h„- расстояние на которое погружены стальные проволоки в электролит через диэлектрическую трубку; v - скорость движения пузырьков;
Р - давление;
Т - температура электролита в трубке.
Сокращения
ВАХ - вольтамперная характеристика;
ЭР - электрический разряд;
МР - многоканальный разряд;
ОР - объемный разряд;
АТР - аномальный тлеющий разряд.
ВВЕДЕНИЕ
Неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда (ЭР) с жидкими электродами привлекла внимание исследователей в виду их довольно широких применений для защиты окружающей среды, медицины и новых технологий в промышленности [1-17 и др.].
Электрические разряды с использованием жидких электродов создают УФ излучение, ударные волны и активные радикалы (ОН, атомарный кислород, пероксид водорода и т.д.) каждый из них 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.
Данная диссертационная работа, состоящая из четырех глав, посвящена решению этих задач.
В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований ЭР в электролите, там же обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования многоканального и объемного разряда, разряда вихревой формы постоянного тока в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Представлена функциональная схема установки для получения электрического разряда постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки. Здесь же приводится измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов и оценка точности измерений.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭР постоянного тока в диэлектрической трубке в электролите с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Приведены результаты исследования: электрического пробоя и колебания тока разряда; формы многоканального разряда; переход многоканального разряда в ОР; развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков в электролите; вольтамперные характеристики МР и ОР; спектральные характеристики МР кольцевой формы; электрического разряда вокруг металлического электрода, погруженного в электролит через диэлектрическую трубку; распределения температуры на поверхности диэлектрической трубки.
В четвертой главе разработаны и созданы устройства для обработки электролита с использованием МР, ОР и разряда вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите. Устройство для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.
Разработаны методики обработки электролита МР, ОР и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке в движущихся пузырьках 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.
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 объемный форме в электролите с ростом / от 800 до 900 мА;
- развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков воздуха;
- образование плазменной струи вне диэлектрической трубки с диаметром отверстия dc ~ 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 < 6-104 Па);
- уменьшение отрицательных ионов хлора (СГ) и наибольшая
интенсивность линии Na 5760А после обработки электролита МР.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты экспериментального исследования особенности
развития электрического пробоя и многоканального разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.
2. Результаты экспериментального исследования особенности
развития многоканального разряда в диэлектрической трубке с электролитом
внутри длинных пузырьков воздуха при атмосферном давлении.
3. 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.
4. 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.
5. Методика обработки электролита многоканальным, объемным и разрядом вихревой формы в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.

Список литературы

Выводы
1. Разработаны и созданы разрядные камеры экспериментальной установки для исследования ЭР постоянного тока в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубки при Р = 103-105 Па, U = 200-1500 В, /= 0,02-2,5 A, G = 1,4-8,3 г/с, г» = 0,15-0,98 м/с, 1Т= 100-400 мм и dT= 5-20 мм для насыщенного и 10% раствора NaCl в технической воде. Установка позволяет проводить экспериментальные исследования электрического пробоя, структуры и формы МР, ОР и разряда вихревой формы, электрических, температурных, спектральных и хроматографических характеристик, а также колебания напряжения и тока разряда.
2. Изучено развитие электрического пробоя между медной проволокой, для подвода положительного потенциала и электролитом с пузырьками. Выявлено возникновение ударной волны после пробоя. Установлено, что до и после электрического пробоя наблюдаются многоканальные разряды полукольцевой, кольцевой и S-образной формы в электролите. Показано образование низкочастотных и высокочастотных колебаний тока МР.
3. Изучен переход многоканального разряда полукольцевой, кольцевой и S-образной формы в объемный разряд в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении. Показано, что цвет в ОР меняется как вдоль, так и поперек диэлектрической трубки от белого до красного. Установлен спектр многоканального разряда кольцевой формы внутри стеклянной трубки. Обнаружено, что линии Na 5760 А является наиболее интенсивной. Установлено уменьшение отрицательных ионов (СГ) в электролите из насыщенного раствора NaCl после обработки МР в течение времени 500 с на 20,8%. Выявлено образование коагулированных структур в электролите после воздействия МР, ОР разрядом вихревой формы.
4. Изучено развитие многоканального разряда внутри длинных пузырьков воздуха. Установлено, что с ростом времени от 0,04 до 0,2 с длина пузырька воздуха в электролите увеличивается под воздействием МР в три раза от первоначального, а диаметр пузырька почти не меняется. Выявлены особенности развития МР внутри длинных пузырьков воздуха.
5. Обнаружено, что вокруг металлического провода, погруженного в электролит через диэлектрическую трубку для подвода положительного потенциала горит многоканальный разряд и разряд вихревой формы. Выявлены особенности горения МР и разряда вихревой формы на поверхности металлического провода. Представлены ВАХ и температурные характеристики многоканального и объемного разряда при атмосферном и пониженных давлениях. Показано, что ВАХ становятся возрастающими. Установлено, что с понижением давления от 6-Ю4 до 103 Па многоканальный разряд переходит в аномальный тлеющий разряд. Выявлено неоднородное распределение температуры вдоль диэлектрической трубки.
6. Разработаны и созданы устройства:
- разработано и создано устройство для получения электрического разряда в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном и пониженных давлениях.
- разработаны и созданы устройства 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.
- разработано и создано устройство для получения паровоздушной струи плазмы с использованием ОР в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите при атмосферном давлении.
7. 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.
8. Выведено уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов повышения класса шероховатости стальной проволоки (марки сталь 3) в диэлектрической трубке с движущимися пузырьками воздуха в электролите.
Список использованной литературы
1. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах, т.П; Пер. с нем. /Под ред. Капцова Н.А. -М.: —JL: ОНТИ. 1936.
2. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах: Пер. с англ. /Под ред. Капцова Н.А. -М.: -Л.: Гостехиздатель, 1950. -672 с.
3. Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. -Изд. 2-е. -М.: - Л.: Гостехиздат, 1950. -836 с.
4. Капцов Н.А. Электроника. -М.: Гостехиздат, 1956. -459 с.
5. Энгель А. Ионизированные газы. -М.: Физматгиз, 1959. -332 с.
6. Мик Дж., Крег Дж. Электрический пробой в газах. -М.: ИЛ, 1960. -601 с.
7. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. -М.: Госатомиздат, 1961.-323 с.
8. Ретер Г. Электронные лавины и прибой в газах. -М.: Мир, 1968. -390 с.
9. Грановский В.Л. Электрический ток в газе /установившийся ток/. -М.: Наука, 1971. -544 с.
10. Смирнов Б.М. Физика слабоионизированного газа. -М.: Наука, 1972.
11. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. - М.: Наука, 1980. -416 с.
12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. -М.: Наука, 1987. -591 с.
13. Ховатсон А.М. Введение в теорию газового разряда: Пер. с англ. ИванчикаИ.И. -М.: Атомиздат, 1980.
14. Велихов Е.П., Голубев B.C., Пашкин С.В. Тлеющий разряд в потоке газа. Успехи физ.наук, 1982. Т.137, вып. I. С 117-150.
15. Баранов В.Ю., Напартович А.П., Старостин А.И. Тлеющий разряд в газах повышенного давления. - В кН.: Итоги науки и техники. Физика плазмы. -М.: ВИНИТИ. Т.5. 1984. С. 90-171.
16. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. -М.: Наука, 1987. С. 160.
17. Словецкий Д.И, Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. -М.: Наука, 1980. -130.
18. Sunka Р 2001 Pulse electrical discharges in water and their applications Phys. Plasmas 8 2587-94.
19. Locke В R, Sato M, Sunka P, Hoffmann M R and Chang J S 2006 Electrohydraulic discharge and nonthermal plasma for water treatment Indust. Eng. Chem. Res. 45 882-905.
20. Akiyama H 2000 Streamer discharges in liquids and their applications IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.7 646-53.
21. An W, Baumung К and Bluhm H 2007 Underwater streamer propagation analyzed from detailed measurements of pressure release J. Appl. Phys. 101 053302.
22. Schoenbach K, Kolb J, Xiao S, Katsuki S, Minamitani Y and Joshi R 2008 Electrical breakdown of water in microgaps Plasma Sources Sci. Technol. 17 024010.
23. Bluhm H 2006 Pulsed Power Systems: Principles and Applications (Berlin: Springer).
24. Chen Y S, Zhang X S, Dai Y С and Yuan W К 2004 Pulsed high-voltage discharge plasma for degradation of phenol in aqueous solution Separation Purification Technol. 34 5-12.
25. Shin W T, Yiacoumi S, Tsouris С and Dai S 2000 A pulseless corona- discharge process for the oxidation of organic compounds in water Indust. Eng. Chem. Res. 39 4408-14.
26. Kostyuk P V, Park J Y, Han S В and Park S H 2008 Effect of Ni and Ti02 on hydrogen generation from aqueous solution with non-thermal plasma J. Phys. D: Appl. Phys. 41 095202.
27. Miichi T, Ihara S, Satoh S and Yamabe С 2000 Spectroscopic measurements of discharges inside bubbles in water Vacuum 59 236-43.
28. Akishev Y S et al 2006 Generation of a nonequlibrium plasma in heterophase atmospheric-pressure gas-liquid media and demonstration of its sterilization ability Plasma Phys. Rep. 32 1052-61.
29. Anpilov A M et al 2001 Electric discharge in water as a source of UV radiation, ozone and hydrogen peroxide J. Phys. D: Appl. Phys. 34 993-9.
30. Bruggeman P, Degroote J, Vierendeels J and Leys С 2008 Dc-excited discharges in vapour bubbles in capillaries Plasma Sources Sci. Technol. 17 025008 (7pp).
31. Bruggeman P J, Leys С A and Vierendeels J A 2006 Electrical breakdown of a bubble in a water-filled capillary J. Appl. Phys. 99 116101.
32. Bruggeman P, Leys С and Vierendeels J 2007 Experimental investigation of dc electrical breakdown of long vapour bubbles in capillaries J. Phys. D: Appl. Phys. 40 1937-43.
33. Bruggeman P, Degroote J, Vierendeels J and Leys С 2007 Plasma characteristics in air and vapor bubbles in water Proc. 28th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (Prague, Czech Republik) pp 859-62.
34. Bruggeman P, Degroote J, Leys С and Vierendeels J 2008 Electrical discharges in the vapor phase in liquid-filled capillaries J. Phys. D: Appl. Phys. 41 194007 (4pp).
35. Evju J K, Howell P B, Locascio L E, Tarlov M J and Hickman J J 2004 Atmospheric pressure microplasmas for modifying sealed microfluidic devices Appl. Phys. Lett. 84 1668-70.