Плазменный разряд с объемным свечением в жидкой фазе под действием ультразвука Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.528

ПЛАЗМЕННЫЙ РАЗРЯД С ОБЪЕМНЫМ СВЕЧЕНИЕМ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

H.A. Булычев, М. А. Казарян, E.G. Гриднсва, Э.Н. Муравьев, В. Ф. Солинов, К. К. Коптслсв, O.K. Коптслсва, В. И. Сачков, С. Г. Чсн

В настоящей работе показа,но, что в жидкости в ■интенсивном ультразвуковом поле выше порога кавитации может существовать специфическая, форма, электрического разряда, с объемным свечением, во всем пространстве между электродам/и и возрастающей вольт-амперной характеристикой, присущей аномальному тлеющему разряду в газе. Та,кой разряд можно инициировать между плоскими или стержневыми электродам/и в жидкости в режиме развитой кавитации, возбуждаемой ультразвуковым, акустическим, полем. Установлено, что при кавитации между электродами, погруженными в жидкость, возникает плазменный шнур, который стабилен при относительно малых напряжениях (около 30-60 вольт) и величинах тока, 4-8 ампер.

Ключевые слова: плазма, ультразвук, кавитация, электрический разряд.

Введение. Широко используемый в технике дуговой разряд в водных электролитах является в настоящее время единственным известным видом стационарного пл<вьзменно~ го разряда в жидких средах [1]. В последние годы такой разряд находит применение в физико-химических исследованиях и при синтезе различных материалов [2. 3]. Особенностью простого дугового разряда в жидких средах является локализация плазменной области вблизи торцов стержневых электродов и падающий характер вольт - амперной характеристики. С другой стороны, известно, что в зоне интенсивной кавитации доля парогазовой компоненты в жидкости имеет заметную величину, поэтому в фазе разрежения ультразвукового поля, когда давление в пузырьках заметно уменьшается [4. 5], условия электрического пробоя в зоне кавитации облегчают возбуждение различных форм разряда от аномального тлеющего разряда до дугового.

ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский проспект, 53; e-mail: [email protected].

Можно предположить, что, целенаправленно изменяя акустические параметры ультразвукового поля, можно получить возможность влиять на процессы горения плазмы в кавитируюгцей жидкости.

Целью настоящей работы является экспериментальная проверка возможности возбуждения квазистационарного объемного разряда в зазоре между плоскими электродами в углеводородных жидкостях в режиме развитой кавитации, возбуждаемой в зазоре ультразвуковым акустическим полем.

Рис. 1: Внешний вид плазменного реактора.

Экспериментальная часть. Эксперименты проводились на лабораторной установке, показанной на рис. 1, электрическая схема которой приведена на рис. 2 в варианте, когда в качестве источника питания разряда в жидкости используется конденсатор С\, заряжаемый до напряжения и = 300 — 500 В. Инициирование разряда осуществляется высоковольтным импульсом на вторичной обмотке импульсного трансформатора ТХ\ при коммутации управляемым разрядником конденсатора С2 в первичной обмотке этого трансформатора. Типичные параметры разрядного контура: напряжение зарядки конденсатора С2\ 5-10 кВ, коэффициент трансформации ТХ\ - 4:1. Для поддержания рабочей температуры в пределах 60 0 С выделяющуюся теплоту отводили с помощью теплообменников.

Рис. 2: Схема питания дуги в плазменном реакторе.

Основу установки составляют реакционная камера ЯС, в которую введены разрядные электроды е1, е2 и ультразвуковой излучатель, трансформаторный генератор высоковольтных импульсов для зажигания разряда, источник питания разряда в жидкости, ультразвуковой генератор, средства управления и контроля электрофизических и акустических характеристик. Камера снабжена диагностическими окнами для наблюдения динамических процессов в оптическом диапазоне видимого свечения разряда и фланцами для ввода контактных датчиков.

Ультразвуковой генератор (УЗГ) с магнитострикционным преобразователем обеспечивают регулирование выходной акустической мощности до 2 кВт в частотном диапазоне 15-27 кГц. Параметры акустического оборудования позволяют реализовать интенсивность ультразвукового поля в рабочем объёме жидкости до 10 Вт/см2 и изменять режим кавитации в широких пределах. Основные эксперименты проводились на де-ионизированной воде, химически чистом додекане, бензине и дизельном топливе.

Эксперименты по влиянию ультразвукового поля на возбуждение разряда в жидкости проводились следующим образом. Предварительно включался ультразвуковой генератор, режим которого устанавливался на уровне, превышающем порог возникновения кавитации в зазоре между электродами. Затем включался разрядник, коммути-

С2

матора. Импульс напряжения, возникающий на вторичной обмотке, вызывал пробой межэлектродного промежутка в реакционной камере, который подхватывался разрядом конденсатора Сх, заряженного до напряжения 300-500 В. При параметрах схемы

рис. 2 продолжительность разряда составляла несколько миллисекунд. Изменяя величину сопротивления Я1 и напряжение зарядки конденсатора С1? можно в широких пределах изменять длительность горения разряда. Такая схема удобна для исследования вольт-амперных характеристик разряда, определения тока обрыва и энергетики зажигания разряда.

Рис. 3: Осциллограммы напряжения на электродах (верхняя кривая) и разрядного тока (нижняя кривая) при выключенном УЗ генераторе. На оси ординат V в вольтах, I в амперах с масштабным множителем 100. На оси абсцисс время в сек.

400

КВ

I, А-10 200

— 1 1

\ V \ \ |

: 1 1

0

-0.002

0.002

0.004 сек

Рис. 4: Осциллограммы напряжения на электродах (верхняя кривая) и разрядного тока (нижняя кривая) при включенном УЗ генераторе. На оси ординат V в вольтах, I в

10

Результаты и обсуждение. Типичные осциллограммы тока и напряжения при разряде конденсатора Сх на разрядный промежуток в денонсированной воде с электродами из стали диаметром 50 мм и зазором между электродами 5-10 мм показаны на рис. 3 и 4. Осциллограммы на рис. 3 показывают разряд конденсатора Сх, заряженного предварительно до напряжения около 500 В при выключенном ультразвуковом генераторе. Ток разряда не превышает 1 А, свечение отсутствует, сопротивление разрядного

2

Рис. 5: Фотография объёмного разряда, реализованного в лабораторной установке под действием кавитации на плоских электродах.

Характер разряда конденсатора Сх кардинальным образом меняется при включении ультразвукового генератора и установке мощности, превышающей порог кавитации. Возникает довольно интенсивное свечение во всей области между электродами (рис. 5), продолжительность которого соответствует длительности импульса тока до момента его обрыва (на рис. 4 около 2 мс). Сопротивление разрядного промежутка составляет около 15 Ом в начале разряда и плавно нарастает до 20 Ом в момент, предшествующий обрыву тока. На осциллограмме напряжения наблюдаются флуктуации напряжения на разрядном промежутке. Обрыв тока разряда сопровождается коротким импульсом напряжения.

Для сравнения были сняты осциллограммы напряжения на электродах и тока разряда в случае, когда один из электродов выполнен в виде стержня диаметром 2 мм, при

этом разряд происходит между торцом стержня и плоской поверхностью ультразвукового излучателя в режиме кавитации. В этом случае возникает дуговой раряд с падающей характеристикой, свечение в котором локализуется вблизи торца стержневого электрода, при этом плотность тока на торце стержневого электрода составляет 200-500 А/см2, а сопротивление разрядного промежутка изменяется в пределах 5-10 Ом.

/, А

Рис. 6: Фазовая траектория разряда при кавитации на плоских электродах в координатах V (напряжение на разрядном промежутке), I (ток разряда), отражающая вид вольт-амперной характеристики разрядного промежутка.

На рис. 6 показана фазовая траектория разряда в ультразвуковом поле с интенсивностью, превышающей порог кавитации в координатах напряжение-ток, которая отражает вольт-амперную характеристику разряда при уменьшении напряжения на плоских разрядных электродах в процессе разряда конденсатора С\. Видно, что в диапазоне от приблизительно 160-450 В вольт-амперная характеристика имеет возрастающий характер, при этом ток возрастает от 7 до 27 А. Плотность разрядного тока составляет 2

Отметим, что в этом режиме дугового разряда со стержневым электродом включение ультразвукового генератора не приводит к заметным изменениям характерных значений напряжения и тока дуги, а также вида вольт-амперной характеристики разрядного промежутка. Происходит лишь изменение спектра флуктуаций напряжения -при включении ультразвука уменьшается интенсивность низкочастотной части спектра шумов напряжения и увеличивается интенсивность высокочастотной части спектра.

Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что в жидкости в интенсивном ультразвуковом поле выше порога кавитации может существовать новая форма электрического разряда, характеризующаяся объемным свечением во всем пространстве между электродами и возрастающей вольт-амперной характеристикой, присущей аномальному тлеющему разряду в газе.

Рис. 7: Схема, положенная в основу расчёта параметров высоковольтного разряда в кавитирующей жидкости.

Если верна гипотеза о том, что в проведенных экспериментах мы имеем дело с аномальным тлеющим разрядом в пузырьково-жидкостной кавитирующей среде, то можно предложить следующий сценарий развития такого разряда. В среде с развитой кавитацией могут присутствовать множественные неустойчивые пузырьки, у которых на стадии роста многократно увеличивается их радиус, при этом в период отрицательного давления ультразвукового поля давление газа и пара в пузырьках может падать до очень малой величины [6, 7]. Электрическое поле может способствовать выстраиванию таких пузырьков в цепочки с образованием множественных газовых микроканалов в зазоре между электродами, в которых при пониженном давлении газа выполняются условия пробоя Пашена и поддержания аномального тлеющего разряда в этих микроканалах. Эти микроканалы могут быть динамическими образованиями, которые непрерывно рождаются и гибнут в ультразвуковом акустическом и квазистационар-

ном или стационарном электрическом поле, создавая усредненную картину свечения объемного разряда. Такой разряд с развитой поверхностью микроканалов может представлять интерес в соноплазмохимических исследованиях, т.к. развитая поверхность раздела плазма жидкость приводит к увеличению в среднем диффузионных потоков химически активных частиц из плазмы в жидкость.

Для более полного понимания этого явления необходимо провести элементарный анализ причин возникновения такого разряда. Ультразвуковое поле, генерируемое колеблющимся упругим волноводом в жидкости, приводит к появлению кавитации в этой жидкости (рис. 7). Кавитационная область характеризуется наличием большого количества пузырьков, возникших в результате разрыва жидкости. Внутри этих пузырьков находятся пар и газ при высокой температуре и давлении, когда идёт процесс ионизации. сопровождающийся возникновением электронов. Следует определить наименьшее значение напряжения, при котором возможно появление разряда, т.е. выполнение условий. когда в электрическом поле за время между столкновениями электрон успевает набрать энергию, превышающую энергию ионизации атомов, образующих жидкость (в случае воды это энергия ионизации водорода или кислорода). Уравнение движения электрона в электрическом поле с напряженностью Е = и/Ь, где и - разность потенциалов. имеет очень простой вид:

Тг = ть =д> (1)

где ^ и т - масса и заряд электрона, а V - его скорость движения в электрическом поле,

ь

покоится в пузырьке, решение уравнения (1) можно записать в следующей форме:

м(г) = дЬ. (2)

Расстояние /(£), которое электрон проходит за время Ь ,

описывается формулой:

1(г) = д22. (3)

Следовательно.

длину кавитационной области /сау электрон пролетит за время Ьсач, которое связано с 1сач выражением:

^ . (4)

Подставляя (4) в (2), получим выражение для скорости мсач, которую электрон получит, пролетев всю кавитационную область длиной 1сач. Если при этом его кинетическая

энергия ^ = шуС2ач/2 будет превосходить энергию ионизации атомов Г-юп, входящих в состав жидкости, то этот уровень разности потенциалов на электродах можно считать пороговым для зажигания высоковольтного разряда, т.е.:

,2

> Р-юп (5)

2

является уравнением для определения порогового значения разности потенциалов Ць, при котором разряд зажигается. Из (2). (4) и (5) получаем:

= ^ • (6)

Пороговое значение растёт с увеличением расстояния между электродами и падает с ростом размера области кавитации.

Простая модель, рассмотренная выттте. позволяет качественно объяснить наблюдаемое явление. Поскольку условием зажигания разряда в жидкости без кавитации является требование набора электроном энергии, достаточной для ионизации, на длине свободного пробега 1С в жидкости, которая, как правило, намного меньше 1сач, то явление разряда может возникать иногда только в области кавитации и на её краях. А в случае, когда дистанция между электродом и областью кавитации превосходит 1С, в этой области электрон не успевает разогнаться между столкновениями до энергии ионизации и разряда там не происходит. Это должно приводить к заметному увеличению общего разрядного тока по сравнению со случаем разряда в отсутствие кавитации.

Из формулы (6) можно записать простое соотношение, связывающее пороговые значения разности потенциалов при наличии кавитации и в случае ее отсутствия Щь

для зажигания разряда в жидкости:

I

Цк = т~~ Ш (7)

1с

°сау

Таким образом, наличие кавитации существенно снижает величину разности потенциалов, необходимую для появления разряда в жидкости.

Входящая в выражение (7) величина длины свободного пробега электрона в жидкости в момент начала лавинной ионизации 1С может быть выражена через диэлектрическую постоянную жидкости е, линейный размер атома а, подвергающегося ионизации, и другие параметры среды. Для этого воспользуемся граничным условием равенства электрической индукции на границе раздела электрода и жидкости:

еЕг = Ць/Ь, (8)

где Ei - напряженность электрического поля внутри жидкости для значений, близких к пороговому потенциалу возникновения разряда. С другой стороны, значение Ufh в отсутствие кавитации определяется формулой (6), в которой вместо lcav надо использовать lc. В результате для lc получаем выражение через характеристики жидкости и поля:

lc = FE^- (9)

qEi £

Входящую в выражение (9) напряженность можно выразить через энергию ионизации атомов жидкости F-lon, если учесть, что в момент ионизации атом поглощает соответствующее количество энергии электрического поля. Тогда из (9) получаем окончатель-

lc

lc = ¡£73?a (10)

Из выражения (10)

ВИДНО 5 что пробег электрона вблизи порога зажигания разряда весьма мал.

Из формулы (6) можно получить некоторые оценки величины порогового значения разности потенциалов, при превышении которого начинается разряд в кавитируютцей жидкости. Для воды, молекулы которой состоят из атомов водорода и кислорода, имеющих одинаковую энергию ионизации 13 эВ, параметр Uth имеет следующее значение в приближении, когда область кавитации занимает все пространство между электродами:

Uth ~ 13 B.

Полученная величина хорошо согласуется с экспериментом. По порядку величины параметр lcav также оказывается близким к атомным размерам молекулы воды.

Выводы. В

проведенных экспериментах наблюдается новая форма электрического разряда в жидкости объемный разряд между плоскими электродами в кавитируютцей жидкости в интенсивном ультразвуковом поле. Возрастающий вид вольт-амперной характеристики такого разряда характерен для аномального тлеющего разряда в газе. Предложен качественный сценарий развития такого разряда через пробой газовых микроканалов , образованных неустойчивыми кавитационньтми микропузырьками в стадии их роста.

Работа частично поддержана грантом Программы Президиума РАН "Поддержка инноваций и разработок" на 2012 г.

ЛИТЕРАТУРА

[1] И. 3. Ясногородский, Нагрев металлов и сплавов в электролите (М., Матпгиз, 1949).

[2] Д. И. Свергун, Л. А. Фейгин, Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние (М., Наука, 1986).

[3] R. Gunnerman, Patent USA Хо US 6,5()(),219В1, 2002.

[4] Г. Флинн, Физика акустической кавитации в жидкостях. В кн.: Физическая акустика. Под ред. У. Мезона (М.. Мир. 1967), т. 1Б. с. 7.

[5] О. V. Abramov, High-Intensity Ultrasonics Theory and Industrial Applications (Gordon and Breach Science Publishers. 1998).

[6] R. Gopinath, A. K. Dalai, J. Ad.jaye, Energy & Fuel 3(6), 386 (2005).

[7] О. В. Абрамов, В. О. Абрамов, К). В. Андриянов и др.. Материаловедение, У2 2 (143), 57 (2009).

Поступила в редакцию 30 марта 2012 г.