Генератор плазмы тлеющего разряда с жидким электролитным катодом
Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электроразрядным устройствам с жидкими неметаллическими электродами, и может быть применено в плазмохимии, а также в других отраслях производства, в частности для плазменного пиролиза пластмассовых и резиновых отходов. Технический результат изобретения - увеличение мощности генератора плазмы тлеющего разряда, повышение его теплового к.п.д. и надежности эксплуатации. В электроразрядном устройстве, содержащем проточную электролитическую ячейку с токоподводящей пластиной и водоохлаждаемый анод, токоподводящая пластина изготавливается с отверстием, площадь которого больше площади рабочего торца анода и в это отверстие вставляется заглушка из диэлектрического материала. Токоподводящая пластина устанавливается так, что ее отверстие, заглушенное диэлектриком, расположено напротив рабочего торца анода и глубина погружения пластины в электролит составляет 5-10 мм. 1 ил.
Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электроразрядным устройствам с жидкими неметаллическими электродами; и может быть применено в плазмохимии, а также в других отраслях производства, в частности для плазменного пиролиза пластмассовых и резиновых отходов.
Известны генераторы плазмы с жидким катодом (Тазмеев Б.Х., Тазмеев Х.К. Пористые элементы в генераторах плазмы с жидким электролитным катодом // ИФЖ, 2003, т.76, № 4, с.107-114), [1], в которых электролит, используемый в качестве жидкого катода, прокачивается через полость пористого диэлектрика и разряд горит в парах электролита, просочившегося через пористое тело. Недостатком этих устройств является то, что в них плотность тока на катоде мала и поэтому повышение мощности приводит к существенному увеличению размеров генератора плазмы в целом.
Известно газоразрядное устройство с жидкими проточными электродами (Баринов Ю.А., Школьник С.М. Зондовые измерения в разряде с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении // ЖТФ, 2002, т.72, вып.3, с.31-37), [2]. Электрическая мощность этого устройства мала и плотность тока на жидких электродах невелика.
Прототипом выбрано электроразрядное устройство (Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Энергетические характеристики разрядов в атмосфере между электролитом и медным анодом // Физ. ХОМ, 1985, №4, с.58-64), [3], в котором разряд горит между электролитом, протекающим через электролитическую ячейку с токоподводящей пластиной, и водоохлаждаемым металлическим анодом, расположенным над электролитической ячейкой.
Недостатки прототипа следующие: 1) малая мощность; 2) низкий тепловой к.п.д.; 3) сравнительно большой омический нагрев электролита. Основной причиной этих недостатков является то, что токоподводящая пластина находится в достаточно большой глубине (более 20 мм) внутри электролита. Это вызвано необходимостью предотвращения электрического пробоя слоя электролита, находящегося над токоподводящей пластиной. Естественно, чем глубже находится токоподводящая пластина внутри электролита, тем больше электрическое сопротивление электролитической ячейки и, следовательно, тем больше джоулево тепловыделение в ячейке.
Изобретение направлено на увеличение мощности генератора плазмы тлеющего разряда, повышение его теплового к.п.д. и надежности эксплуатации. Это достигается тем, что в электроразрядном устройстве, содержащем проточную электролитическую ячейку с токоподводящей пластиной и водоохлаждаемый анод, токоподводящая пластина изготавливается с отверстием, площадь поперечного сечения которого больше площади рабочего торца анода, и в это отверстие вставляется заглушка из диэлектрического материала, а сама токоподводящая пластина устанавливается так, чтобы ее отверстие, заглушенное диэлектриком, располагалось напротив рабочего торца анода и глубина погружения пластины в электролит составляла 5-10 мм.
На чертеже приведена схема генератора плазмы тлеющего разряда с жидким электролитным катодом. Генератор плазмы содержит электролитическую ячейку 1 с токоподводящей пластиной 2 и водоохлаждаемый анод 3. Токоподводящая пластина 2 выполнена с отверстием, и в это отверстие смонтирована заглушка 4 из диэлектрического материала. Диэлектрическая заглушка 4 находится напротив рабочего торца анода 3. Площадь поперечного сечения отверстия в пластине 2 больше площади рабочего торца анода 3. Тлеющий разряд 5 горит между рабочим торцом анода 3 и поверхностью электролита 6. Глубина погружения h токоподводящей пластины 2 в электролит 6 составляет 5-10 мм. Электролитическая ячейка снабжена патрубками 7 и 8 для сообщения с системами подачи и отвода электролита 6.
Работает генератор плазмы следующим образом. После заполнения электролитической ячейки 1 электролитом 6 токоподводящая пластина 2 подключается к отрицательному полюсу источника питания, а анод 3 - к положительному полюсу. При этом электролит 6 становится жидким катодом. Далее известными способами (например, взрывом тонкой металлической проволоки) зажигается тлеющий разряд 5 между анодом 3 и жидким катодом (электролитом 6). Электрический ток от анода 3 через разрядную область 5 и верхний слой электролита 6 толщиной h замыкается на токоподводящую пластину 2. Чем меньше толщина h слоя электролита, тем меньше его электрическое сопротивление, следовательно, тем меньше выделяется джоулево тепло, которое уносится электролитом. Таким образом, для того чтобы уменьшить тепловые потери и тем самым повысить тепловой к.п.д. генератора плазмы необходимо уменьшить толщину h слоя электролита, т.е. необходимо уменьшить глубину погружения токоподводящей пластины 2 в электролит 6. Однако при малых h может происходить пробой слоя электролита и из-за этого могут быть испорчены токоподводящая пластина 2 и анод 3. В предлагаемом генераторе плазмы напротив рабочего торца анода 3 находится отверстие токоподводящей пластины 2. Поэтому кратчайшее расстояние L от анода 3 до токоподводящей пластины 2 удлиняется и вероятность пробоя существенно уменьшается.
Таким образом, отверстие, выполненное в токоподводящей пластине 2, служит повышению надежности эксплуатации генератора при одновременном увеличении его теплового к.п.д. (за счет снижения джоулевого тепловыделения в электролите) путем уменьшения глубины погружения h токоподводящей пластины.
К поверхности электролита поступает теплота от плазмы разряда. Чем больше мощность разряда, тем больше поток тепла от плазмы к электролиту. Причем, если мощность увеличить при неизменных геометрических размерах анода, то повышается плотность потока тепла к поверхности электролита, т.к. размеры катодного пятна на поверхности электролита изменяются незначительно, а поток тепла возрастает. От верхних слоев теплота переносится вглубь электролита за счет теплопроводности. При больших плотностях теплового потока такой механизм отвода тепла явно недостаточен и поэтому используется конвективный унос теплоты, т.е. нагретый электролит сменяется холодным. Это осуществляется прокачкой электролита через электролитическую ячейку.
Чем больше плотность потока теплоты к поверхности электролита, тем быстрее должна отводится теплота от электролита, т.к. электролит не должен нагреваться выше температуры кипения. Для этого в первую очередь должны быть удалены более нагретые части электролита, т.е. верхние слои. В предлагаемом генераторе плазмы заглушка 4 служит для того, чтобы не нарушалась картина течения верхних слоев электролита из-за наличия отверстия в токоподводящей пластине 2. Благодаря заглушке 4 нагретые верхние слои отделяются от нижележащей холодной части электролита и нагретый электролит через патрубок 7 отводится для охлаждения в теплообменник. Такая раздельная откачка верхних слоев электролита позволяет реализовать быстрый съем теплоты от электролита в зоне разряда 5 и таким образом становится возможным увеличение плотности потока тепла к электролиту, соответственно, и плотности тока на жидком катоде. Следовательно, предлагаемая конфигурация составных частей генератора плазмы позволяет повысить ток разряда и, соответственно, мощность генератора плазмы в целом.
В экспериментах использовались водоохлаждаемые цилиндрические аноды с диаметрами 16 и 24 мм. В качестве электролита служили водопроводная вода и раствор поваренной соли в дистиллированной воде с массовой концентрацией 0,05%. Диаметр отверстия в токоподводящей пластине был равен 60 мм и отверстие было заглушено пластиной, изготовленной из эбонита. Плотность тока на жидком катоде составляла ~1 А/см2 (это практически предельно максимальное значение плотности тока, при котором разряд горит в режиме тлеющего разряда). По сравнению с аналогом плотность тока в 5-10 раз больше, соответственно, и мощность больше в столько же.
Плазмотрон с жидким электролитным катодом, содержащий проточную электролитическую ванну с токоподводящей пластиной и водоохлаждаемый металлический анод, отличающийся тем, что в токоподводящей пластине выполнено отверстие, площадь которого больше площади рабочего торца анода, и заглушено диэлектриком, а сама токоподводящая пластина смонтирована так, что ее отверстие, заглушенное диэлектриком, находится напротив рабочего торца анода и глубина погружения пластины в электролит составляет 5÷10 мм.
