Электродный узел

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к газоразрядным устройствам с жидкими неметаллическими электродами, и может быть использовано в качестве анода или катода. Электродный узел содержит проточную электролитическую ванну и токопроводящую пластину. Внутри электролитической ванны монтируется вертикальная перегородка, которая состыкуется с токопроводящей пластиной так, что объем электролитической ванны делится на две изолированные проточные области, с общим входом и раздельными выходами, снабженными вентилями, при этом электролитическая ванна заполняется электролитом так, что толщина слоя электролита в проточной области над токопроводящей пластиной составляет от 10 до 15 мм. Разделение потока электролита на две части позволяет уменьшить тепловые потери в электродном узле. 1 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к газоразрядным устройствам с жидкими неметаллическими электродами, и может быть использовано в качестве катода или анода.

Известен электродный узел, который представляет собой емкость, наполненную электролитом и снабженную металлическим токоподводом [1]. Недостатком этого электродного узла является то, что он за время продолжительной работы нагревается до высоких температур, при которых электролит начинает кипеть.

Известен другой электродный узел, у которого токоподвод охвачен пористым стаканом, изготовленным из огнеупорного диэлектрического материала [2]. Электролит протекает в зазоре между токоподводом и пористым стаканом и частично просачивается на рабочую поверхность пористого стакана. Этот электродный узел имеет тот недостаток, что он может работать только при сравнительно небольшой плотности тока ввиду ограниченности поступления электролита в разрядную зону через пористую стенку стакана.

Известен электродный узел, представляющий собой керамический лоток, на донышке которого в отверстие вмонтирован металлический токоподвод [3]. В рабочем состоянии лоток отклонен от вертикали на небольшой угол и по нему стекает электролит. Недостаток в том, что скорость течения электролита практически не регулируется и поэтому невозможно организовать оптимальные условия тепломассообмена между электролитом и газовым разрядом.

Прототипом выбран электродный узел, который представляет собой проточную электролитическую ванну с токоподводом в виде металлической пластины [4]. Его недостаток заключается в следующем. Этот электродный узел охлаждается протекающим через него электролитом, т.е. электролит одновременно является и жидким электродом, и охлаждающей жидкостью. Чем меньше скорость течения электролита, тем больше он прогревается в зоне действия разряда. При этом уменьшается омическое сопротивление электролита, соответственно снижается джоулево тепловыделение. Чтобы отводить тепло от катода, в том числе и джоулево тепло, скорость течения электролита должна быть не меньше некоторой минимальной (критической) скорости. Такое ограничение на скорость течения электролита не позволяет уменьшить джоулево тепловыделение, следовательно и тепловые потери на жидком электроде ниже определенного предела, т.к. электролит не успевает прогреться и его омическое сопротивление остается сравнительно большим.

Изобретение направлено на снижение тепловых потерь на жидком электроде. Это достигается тем, что в электродном узле, содержащем проточную электролитическую ванну и токоподводящую пластину, внутри электролитической ванны монтируется вертикальная перегородка, которая состыкуется с токоподводящей пластиной так, что объем электролитической ванны делится на две изолированные проточные области, с общим входом и раздельными выходами, снабженными вентилями; при этом электролитическая ванна заполняется электролитом так, что толщина слоя электролита в проточной области над токоподводящей пластиной составляет от 10 до 15 мм.

На чертеже приведена схема электродного узла.

Электродный узел содержит электролитическую ванну 1, внутри которой смонтированы токоподводящая пластина 2 и вертикальная перегородка 3 так, что ее объем разделен на две проточные области: верхнюю 4 и нижнюю 5. Электролитическая ванна 1 снабжена патрубком 6 для подвода и двумя патрубками 7 и 8 для отвода электролита. Вертикальная перегородка 3 вмонтирована между патрубками 7 и 8. К этим патрубкам 7 и 8 установлены вентили 9 и 10 для регулирования расхода электролита через проточные области 4 и 5 по отдельности. Направления течения электролита указаны стрелками.

Работает электродный узел следующим образом.

Электролит, подводимый через патрубок 6, внутри электролитической ванны 1 делится на две части. Одна часть протекает по области 4 выше токоподвода 2. Толщина h слоя электролита в области 4 составляет от 10 до 15 мм. Чем тоньше слой электролита, тем меньше его омическое сопротивление, следовательно, и меньше тепловые потери. Однако с уменьшением h растет вероятность электрического пробоя слоя электролита. Поэтому h должна быть не менее чем от 10 до 15 мм. Через слой электролита ток замыкается от токоподвода на газовый разряд и внутри этого слоя выделяется джоулево тепло. Эта теплота уносится электролитом и передается через теплообменник в систему охлаждения. Так формируются тепловые потери. Сверху на электролит оказывает воздействие газовый разряд. Теплота, поступающая от газового разряда, идет на испарения электролита (из паров электролита образуется плазма) и частично отводится внутрь электролита. Таким образом, электролит, текущий по области 4, отводит в систему охлаждения джоулево тепло и теплоту, идущую от газового разряда.

Другая часть электролита протекает по области 5 ниже токоподводящей пластины 2. Она снимает теплоту, поступающую в эту область через токоподводящую пластину 2 и перегородку 3 за счет теплопроводности. Здесь электролит играет роль только охлаждающей жидкости.

Вентилями 9 и 10 регулируются расходы электролита через проточные области 4 и 5 и, тем самым, устанавливаются тепловые режимы в этих областях.

Положительный эффект предлагаемого изобретения в том, что существенно снижаются тепловые потери на электродном узле. Достигается это следующим образом. С помощью вентиля 9 устанавливается такой минимальный расход электролита через проточную область 4, при котором электролит в этой области под тепловым воздействием разряда, а также за счет джоулевого тепла нагревается до температуры, близкой к температуре кипения, т.е. до максимально возможной температуры. При этом омическое сопротивление электролита по сравнению с его значением при комнатной температуре, уменьшается в несколько раз. Во столько же раз меньше выделяется джоулево тепло и, тем самым, снижаются тепловые потери. Чтобы электролит в проточной области 4 не вскипел, должен быть нагретым до максимальной температуры, равной температуре кипения, лишь тонкий поверхностный слой электролита, т.е. внутри электролита должен быть градиент температуры, направленный от токоповода к верхним слоям. Такой градиент температуры создается охлаждением токоподводящей пластины. Для этой цели служит электролит, протекающей ниже токоподводящей пластины 2 через область 5. В этой области 5 электролит снимает теплоту с нижней поверхности токоподводящей пластины 2, поступающую туда за счет теплопроводности, и отводит в систему охлаждения через теплообменник. Расход электролита регулируется вентилем 10 и, тем самым, устанавливается режим теплообмена между электролитом и токоподводящей пластиной. Таким образом, именно разделение потока электролита на две части позволяет уменьшить тепловые потери в электродном узле ниже уровня тепловых потерь в прототипе и снизить их до минимума.

Предлагаемый электродный узел был испытан в качестве катода генератора плазмы в диапазоне токов (от 4 до 11 А) и мощности (от 5 до 15 кВт). Электролитом служил раствор поваренной соли в дистиллированной воде. Его электропроводность при комнатной температуре составляла (0,8-2,7)×10^-3 (Ом×см)^-1. Толщина h слоя электролита, невозмущенного действием газового разряда, была равна 14 мм. Путем регулирования расходов электролита через проточные области, расположенные выше токоподводящей пластины и под ней, тепловые потери были снижены до такого минимума, что они составляли лишь небольшую часть подводимой к генератору плазмы мощности. Их доля в общем энергетическом балансе генератора плазмы не превышала приблизительно 5%.

Источники информации

1. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990. См. стр.55.

2. Тазмеев Х.К., Тазмеев Б.Х. Электродный узел. Патент РФ на изобретение №2149523. 2000. Бюл. №14.

3. 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.

4. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Энергетические характеристики разрядов в атмосфере между электролитом и медным анодом // ФизХОМ, 1985. №4. С.58-64.

Электродный узел газоразрядного устройства с жидким неметаллическим электродом, содержащий проточную электролитическую ванну и токопроводящую пластину, отличающийся тем, что внутри электролитической ванны смонтирована вертикальная перегородка, верхний край которой состыкован с токопроводящей пластиной так, что объем электролитической ванны разделен на две изолированные проточные области с общим входом и раздельными выходами, снабженными вентилями, при этом электролитическая ванна заполнена электролитом так, что толщина слоя электролита в проточной области над токопроводящей пластиной составляет от 10 до 15 мм.