Характеристики электрического разряда со струйным электролитическим анодом при пониженных давлениях

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 537.525

Т. Б. Мустафин, Ал. Ф. Гайсин, Л. Ш. Гасимова,

И. Ш. Абдуллин

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

СО СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ

Ключевые слова: плазма, электролит, струя, медь, разряд, ток, напряжение, длина и диаметр струи, раствор NaCl,

техническая вода, давление.

Представлены результаты экспериментального исследования электрического разряда (ЭР) между струйным электролитическим анодом и металлическим катодом. Выявлены особенности вольт-амперных характеристик (ВАХ) разряда струйным анодом. Приведено распределение напряженности электрического поля на оси струйного электролитического анода.

Keywords: plasma, electrolyte, jet, copper, discharge, current, voltage, jet length and diameter, solution of NaCl, technical water,

pressure.

Presented are the results of experimental investigation of an electrical discharge between jet electrolyte anode and metal cathode. The voltage-current characteristics of the discharge with electrolyte jet anode are obtained. The distribution of the electric field strength in the discharge region is presented.

Введение

Последние годы появился интерес к электрическим разрядам со струйными электролитическими электродами.[1,2,3 и др.] Они используются для локальной модификации поверхности твердых электродов. Несмотря на большие возможности использования

электрического разряда (ЭР) со струйными электролитическими электродами, этот разряд практически не изучен. До сих пор не установлены основные виды электрических разрядов. Нет ясного мнения о природе такого разряда, не установлен механизм электрического разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом. Не исследовано взаимодействие плазмы струйного электрического анода с твердыми телами. Все это задерживает разработку плазменных установок и новых технологических процессов с использованием электрических разрядов между струйным электролитическим анодом и твердым катодом. Экспериментальные исследования являются полезными не только с точки зрения практических применений, но имеют большое научное значение для изучения физических явлений и составления математических моделей.

1. Экспериментальная установка и методика измерений

Функциональная схема экспериментальной установки приведена на рис.1.

Сетевое напряжение через выключатель SA1.1 и предохранитель F1 поступает на трансформатор типа ТС-180, а затем через много контактный переключатель SA3 поступает на выпрямитель для преобразования переменного напряжения в постоянный. Этот выпрямитель собран

на диодах типа КД 410 А по мостовой схеме. Предусмотрено емкостное сглаживание пульсации выходного напряжения трансформатора ТР1. На передней панели имеется выключать напряжения SA1.2 и SA2.1. Переключатель SA3 служит для ступенчатого изменения напряжения.

Высоковольтное постоянное напряжение на струю электролита подается с клемм «+» и «-». Дополнительные выходы позволяют наблюдать колебания напряжения и тока разряда на экране универсального двулучевого осциллографа типа GOS-6030. Величину напряжения и тока разряда можно измерить с помощью мультиметра типа MY68. Одновременно на видеокамеру снимаются распределения величины напряжения и тока разряда, а также пульсации величины I.

ВАХ электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом измерялись с помощью вольтметра М367 класса точности 0,5 и статического вольтметра С50 класса точности 1,0, амперметром Ц-4311 класса точности 0,5 и мультиметром MY68 класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Разрядная камера состоит из электрической ванны 1, катода пластины

2, струйного электролитического анода 3 и 4 для подвода положительного потенциала, а также для формирования струи 3. Вакуумная система установки состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса типа 2НВР-5ДМ. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки, а измеряется вакуумметром ВТИ модель 1218 класса точности 0,6, а также вакуумметром модель 1227 класса точности 0,25. Расход электролита определяется с помощью

Рис. 1 - Функциональная схема экспериментальной установки

мензурки и секундомера. Скорость вычислялась по формуле G / p S = G / pn ^, где p - плотность

электролита, S - сечение струи электролита.

Видеосъемка осуществлялась на видеокамеру «SONY»HDR-SR72E. Время экспозиции одного кадра составляет t = 0,04 с. Для каждого набора значений величин lc, dc, Р, G, и, состава и концентрации электролита регистрация параметров ЭР проводилась не менее 11 раз. Распределения потенциала p на оси разряда измерялась с помощью вольфрамового зонда с диаметром 0,8 мм координатника и статического вольтметра С50 класса точности 1,0. По измеренным p проведены расчеты распределения напряженности электрического поля Е на оси струйного электролитического анода с использованием формулы Е = -gradp с точностью + 5%.

2. Обсуждение результатов исследований

Анализ экспериментальных данных по структуре и форме электрического разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом показал, что этот вид разряда в отличии от разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом имеет свои особенности.

В данной работе представлены результаты экспериментального исследования особенности электрического разряда между струйным электролитическим анодом (насыщенный раствор ЫаО!) и твердым катодом (медь М1) при пониженных давлениях. Представлены развитие и структуры тлеющего разряда между струйным электролитическим анодом и медным катодом при давлении Р = 44 кПа, длине струйного анода /с = 10 мм, напряжении горения и = 600 В и тока разряда I = 400 мА. В начальный момент времени ^ = 0,04 с наблюдается пятно на поверхности медного катода. Светящаяся область плазмы ТР продолжает распространяться вдоль струйного

электролитического анода вверх. При Ї = 1,6 с плазменная область занимает только середину струйного электролитического анода. С течением времени объемная область в середине струйного электролитического анода продолжает возрастать.

На рис. 2 представлены вольт-амперные характеристики электрического разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом при пониженных давлениях для различных длин струи электролита и как видно из рис. 2, величина напряжения разряда с ростом тока почти линейно спадает. Из уравнения зависимостей напряжения от тока разряда 1 и 2 следует, что с ростом длины струйного анода величина напряжения разряда повышается.

2

0,4 0,6

0,8

Рис. 2 - ВАХ электрического разряда между струйным электролитическим анодом и металлическим катодом при Р = 20 кПа; йс = 4 мм и Ос = 3,3 мл/с для различных длин струи: 1 - 1С = 15 мм; 2 - 1С = 20 мм

На рис. 3 показано распределение

напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического анода. Видно, что распределение напряженности электрического поля имеет экспоненциальный характер. На длине струйного анода от 0,5 до 3,5 мм наблюдается горение электрического разряда, а на расстоянии от 3,5 до 9,5 наблюдается однородная струя электролита, где разряд не горит.

£,В/м

1 У 4 4 4 4 4 4 4

0 /,*

Рис. 3

Распределение напряженности

электрического поля на оси струйного электролитического анода при Р = 103 Па, I = 0,2 А, йС = 4 мм, 1С =10 мм,; ЄС = 3,3 мл/с. Анод - 2 % раствор N801. Катод - пластина из алюминия АМЦ 40

Таким образом, исследованы некоторые особенности развития тлеющего разряда вдоль струйного электролитического анода. Обнаружено образование движущихся плазменных областей вдоль струйного анода. Установлено отличие электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом. Представлен ВАХ тлеющего разряда с струй электролитического анода при пониженных давлениях. Приведены результаты расчеты распределения напряженности электрического поля по измеренным распределениям потенциала на оси струйного электролитического анода.

Литература

1. Мустафин Т.Б. Многоканальный разряд между струйным электролитическим анодом и твердым катодом / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин // Теплофизика высоких температур. - 2011, -Т. 49, № 4. - С. 634-640.

2. Гайсин Ал. Ф. Паровоздушные разряды между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженном давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. - 2010, -Т. 48, № 3. - С. 1-4.

3. Гайсин Ал. Ф. Электрический пробой вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. - 2010, -Т. 48, № 5. - С. 758-800.

4. Шакирова Э.Ф. Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом / Э. Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. -2011, -Т. 49, № 3. - С. 1-5.

5. Каюмов Р. Р. Некоторые особенности

многоканального разряда между струей электролита и электролитической ячейкой при атмосферном давлении / Р. Р. Каюмов, Ф. М. Гайсин // Теплофизика высоких температур. - 2008, -Т. 46, № 5. - С. 784-800.

3. Заключение

© Т. Б. Мустафин - асс. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева, techph@techph.kstu-kai.ru; Ал. Ф. Гайсин -асс. той же кафедры, almaz87@mail.ru Л. Ш. Гасимова - асс. той же кафедры, gasimova.techph@kstu-kai.ru И. Ш. Абдуллин -д-р техн. наук, проф., проректор КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru.