Способ зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом

Изобретение относится к способам инициирования газовых разрядов и может быть использовано в плазменной технике, в частности в генераторах низкотемпературной плазмы. Технический результат - повышение стабильности и управляемости процесса зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом. В способе зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, заключающемся в установлении контакта электролита с твердотельным электродом и подаче напряжения на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод, напряжение между токоподводом жидкого электролита и твердотельным электродом повышается ступенчато в две стадии, из которых на первой на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод подается напряжение, обеспечивающее в разряде плотность тока 0,5±0,25 А/см², а на второй - 0,9±0,1 А/см². В исходном состоянии жидкий электролит и твердотельный электрод находятся в контакте, соприкасаясь друг с другом. На клеммах напряжение отсутствует. После первой стадии ступенчатого повышения напряжения между жидким электролитом и твердотельным электродом образуется парогазовая оболочка. Для образования такой оболочки необходимо, чтобы плотность тока находилась в пределах 0,5±0,25 А/см². При плотности тока 0,5±0,25 А/см² начинается парообразование и появляется парогазовая оболочка. 3 ил.

 

Изобретение относится к способам инициирования газовых разрядов и может быть использовано в плазменной технике, в частности в генераторах низкотемпературной плазмы.

Известен способ зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, а также между жидкими электролитными электродами, путем кратковременного замыкания разрядного промежутка специальным металлическим проводником [1]. Недостатком этого способа является то, что в механизированном варианте зажигающее устройство получается сложным, а замыкание разрядного промежутка вручную возможно только в тех случаях, когда имеется открытый доступ к разрядному промежутку.

Известен другой способ зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, заключающийся в замыкании разрядного промежутка струей электролита [2]. Осуществление этого способа является сложным, т.к. для формирования струи электролита необходимо специальное устройство. Другой существенный недостаток заключается в том, что не исключается вероятность электрического пробоя по поверхностям конструктивных элементов, поскольку они становятся влажными вследствие разбрызгивания струи электролита.

В качестве прототипа выбран известный способ зажигания высоковольтного газового разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, заключающийся в установлении контакта между жидким электролитом и твердотельным электродом и подаче напряжения на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод [3].

Прототип имеет следующие недостатки: 1) при зажигании разряда возникают большие токи (до сотни ампер), что может вывести из строя разрядное устройство; 2) отсутствует возможность регулирования процессом зажигания разряда; 3) происходит разбрызгивание электролита в процессе зажигания разряда.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение стабильности и управляемости процесса зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом.

Это достигается тем, что в способе зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, заключающемся в установлении контакта электролита с твердотельным электродом и подаче напряжения на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод, отличающийся тем, что напряжение между токоподводом жидкого электролита и твердотельным электродом повышается ступенчато в две стадии, из которых на первой на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод подается напряжение, обеспечивающее в разряде плотность тока 0,5±0,25 А/см², а на второй - 0,9±0,1 А/см².

На фиг.1-3 представлены схемы, поясняющие предлагаемый способ зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом. На этих схемах 1 - жидкий электролит; 2 - твердотельный электрод; 3 - токоподвод жидкого электролита; 4 - электролитическая ванна; 5, 6 - клеммы; 7 - парогазовая оболочка; 8 - область тлеющего разряда.

Схема на фиг.1 соответствует исходному состоянию системы «жидкий электролит - твердотельный электрод». В исходном состоянии жидкий электролит 1 и твердотельный электрод 2 находятся в контакте, соприкасаясь друг с другом. На клеммах 5 и 6 напряжение отсутствует.

После первой стадии ступенчатого повышения напряжения между жидким электролитом 1 и твердотельным электродом 2 образуется парогазовая оболочка 7 (фиг.2). Для образования такой оболочки необходимо, чтобы плотность тока находилась в пределах 0,5±0,25 А/см². Если плотность тока мала, то в системе «жидкий электролит - твердотельный электрод» происходит обычный электролиз с незначительным газовыделением в зоне контакта. При этом сила тока растет пропорционально приложенному напряжению. С ростом тока увеличивается плотность тока и усиливается газовыделение, что приводит к повышению электрического сопротивления контактной зоны. По этой причине в контактной зоне увеличивается выделение джоулевого тепла и электролит нагревается. При плотности тока 0,5±0,25 А/см² начинается парообразование и появляется парогазовая оболочка. Причем, когда напряжение на клеммах повышается ступенчато от нуля до значения, обеспечивающего эти значения плотности тока, парогазовая оболочка образуется практически мгновенно (за доли секунды). При этом исключается стадия электролиза и предотвращается изменение состояния поверхности твердотельного электрода за счет электрохимических реакций, а также предотвращается загрязнение электролита продуктами электролиза. Напряжение, обеспечивающее плотность тока 0,5±0,25 А/см², зависит от химического состава электролита и его концентрации. Для тех электролитов, которые наиболее чаще используются, в частности, для таких как водные растворы солей щелочных металлов (Na, K и др.) численное значение этого параметра находится в пределах 180÷250 В.

После второй стадии ступенчатого повышения напряжения между жидким электролитом 1 и твердотельным электродом 2 зажигается тлеющий разряд 8 (фиг.3). Он горит в углублении, образованном в электролите под действием реактивных сил потока плазмы, истекающего из разрядной зоны.

Положительный эффект предлагаемого изобретения обеспечивается ступенчатым повышением напряжения, а именно созданием такого режима протекания тока, при котором образуется парогазовая оболочка. С одной стороны, большое, по сравнению с электролитом, электрическое сопротивление этой оболочки препятствует резкому возрастанию тока. С другой стороны, эта оболочка демпфирует электрогидравлический удар, появляющийся после подачи высокого напряжения, необходимого для горения тлеющего разряда. Благодаря созданию парогазовой оболочки устраняются недостатки, присущие прототипу, и процесс зажигания тлеющего разряда происходит в стабильном режиме.

После зажигания тлеющего разряда режим его горения может быть изменен известными способами, в частности путем варьирования взаимного расположения электролита и твердотельного электрода по вертикали. В случае, когда твердотельный электрод будет приподнят выше уровня электролита, плотность тока может быть уменьшена до значений 0,5±0,25 А/см² и менее. В таком варианте разрядный промежуток располагается выше уровня электролита, и электролит не может проникнуть в разрядную зону. Максимальное же значение плотности тока

0,9±0,1 А/см² в момент зажигания тлеющего разряда необходимо для того, чтобы оттеснить электролит от твердотельного электрода и таким образом создать разрядный промежуток между жидким электролитом и твердотельным электродом.

Предлагаемый способ был реализован в экспериментах в диапазоне токов от 5 до 20 А. В качестве электролита использовались водные растворы поваренной и глауберовой солей с концентрацией по массе 0,05÷15%. Во всех экспериментах зажигание разряда происходило стабильно. Повторные попытки для зажигания разряда не потребовались.

Источники информации

1. Баринов Ю.А., Школьник С.М. Зондовые измерения в разряде с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении. // Журнал технической физики. - 2002. - Т.72, вып.3. См. стр.32.

2. Гайсин Ф.М., Хакимов Р.Г., Шакиров Ю.И. Разряд в газе между струей жидкости и твердым электродом. Тезисы докладов научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики». - Саранск. 18-20 мая 1993. - Изд-во МГПИ. См. стр.34.

3. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. - М: Изд-во ВЗПИ. См. стр.58-59.

Способ зажигания тлеющего разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, заключающийся в установлении контакта электролита с твердотельным электродом и подаче напряжения на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод, отличающийся тем, что напряжение между токоподводом жидкого электролита и твердотельным электродом скачкообразно повышается в две стадии, из которых на первой на токоподвод жидкого электролита и твердотельный электрод подают напряжение, обеспечивающее в разряде плотность тока (0,5±0,25) А/см², а на второй - (0,9±0,1) А/см².