ПЛАЗМОТРОН С ЖИДКИМ ЭЛЕКТРОЛИТНЫМ КАТОДОМ Российский патент 2003 года по МПК H05H1/34 H01J1/04 

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электроразрядным устройствам с жидким электродом, и может быть применено в плазмохимии, а также в других отраслях производства, в частности, для очистки воздуха от вредных примесей, таких как окислы серы, азота и др.

Известны электроразрядные устройства с жидким электродом, в которых электрический разряд зажигается между электролитом, налитым в сосуд с токоподводом, и твердым электродом, расположенным над сосудом [1, 2]. Эти устройства не пригодны для создания направленных потоков плазмы.

Прототипом выбрано устройство [3], в котором электрический разряд горит внутри диэлектрической трубки между металлическим анодом и электролитом, налитым в электролитическую ванну. Поток плазмы образуется из паров электролита. Трубка предотвращает смешивание потока плазмы с окружающим воздухом.

Недостатки прототипа следующие: 1) активная поверхность электролита ограничена трубкой, т. е. задействована не вся поверхность электролита; 2) малая мощность; 3) возможны конвективные течения холодного воздуха вдоль внутренней стенки трубки, т.е. может происходить частичное смешивание паров электролита с воздухом; 4) область разряда непосредственно сообщается с атмосферой (т.е. разряд горит при атмосферном давлении), поэтому нет возможности регулирования напора плазменного потока путем изменения давления в разрядной области.

Изобретение направлено на увеличение мощности плазмотрона и повышение динамического напора плазменного потока. Это достигается тем, что в электроразрядном устройстве, содержащем электролитическую ванну с токоподводом и металлический анод, электролитическая ванна закрывается металлической крышкой с отверстием в центральной части, а к металлической крышке с внутренней стороны соосно с отверстием крепится полый осесимметричный металлический анод с площадью нижнего торца не менее 2•10^-3 м², при этом выбираются такие размеры электролитической ванны, которые обеспечивают площадь свободной поверхности электролита в 10-20 раз больше площади нижнего торца анода.

На чертеже приведена схема плазмотрона с жидким электролитным катодом. Плазмотрон содержит электролитическую ванну 1 с токоподводом 2, металлическую крышку 3 и полый осесимметричный металлический анод 4, который расположен соосно с отверстием 5 металлической крышки 3. На боковых стенках электролитической ванны 1 выполнены отверстия 6 и 7 для подвода и слива электролита 8. Поверхность электролита 8 обозначена через S_K, поверхность рабочего торца анода 4 - через S_A, разрядная область - через V. Площадь S_K в 10-20 больше площади S_A. Плазмотрон снабжен стеклянным измерителем уровня электролита 9 и манометром 10. Все соприкасающиеся стыки деталей плазмотрона загерметизированы.

Работает плазмотрон следующим образом. Перед началом работы электролитическая ванна 1 заполняется электролитом 8 так, чтобы оставался зазор l= 8-10 мм между поверхностями S_K и S_A. Затем токоподвод 2 подключается к отрицательному полюсу источника питания, а металлическая крышка 3 - к его положительному полюсу. При этом электролит 8 становится жидким катодом. Далее, известными способами (например, взрывом тонкой металлической проволоки) зажигается электрический разряд между поверхностями S_K и S_A. Разряд имеет многоканальную структуру и занимает объем V. Электролит под воздействием электрического разряда испаряется, нагревается до высоких температур в разрядной области V и в виде плазменного потока 11 выходит через отверстие 5.

Для того, чтобы поток, выходящий из плазмотрона, был в ионизированном состоянии, т. е. был плазменным потоком, необходимо обеспечить испарение электролита без пузырькового кипения. При пузырьковом кипении происходит интенсивное разбрызгивание электролита. Капельки электролита, попадая в область разряда V, снижают температуру среды в этой области, соответственно, снижается и степень ионизации среды. Испарение без пузырькового кипения в плазмотроне достигается следующим образом.

Во-первых, электролитическая ванна 1 выполнена достаточно вместимой (объем наливаемого электролита более 10 литров). Этим обеспечивается быстрый отвод теплоты за счет теплопроводности от верхних слоев электролита внутрь. Для сохранения перепада температур между верхними слоями и основной массой электролита на приемлемом уровне предусмотрена возможность прокачки электролита через отверстия 6 и 7. Чтобы тепловых потерь было меньше, прокачка электролита осуществляется через нижние слои, где температура меньше и электролит нагрет меньше. Именно поэтому отверстия 6 и 7 расположены в нижней части электролитической ванны 1. Скорость прокачки электролита выбирается так, чтобы было перемешивание верхних нагретых слоев электролита с нижними холодными слоями.

Во-вторых, увеличена площадь поверхности электролита, на которую воздействует электрический разряд, т.е. выполняется условие S_K>>S_A. При этом испарение происходит не только на поверхности электролита в разрядной области V, но и со всей его открытой поверхности S_K, т.к. при отсутствии интенсивного перемешивания верхний слой электролита существенно нагревается. Образуемые при этом пары электролита обдувают разрядную область со всех сторон и, пройдя через разрядную область V, выходят через отверстие 5, увеличивая тем самым плотность потока плазмы. Этому же способствует то, что металлическая крышка 3 и анод 4 выполнены неохлаждаемыми. Во время горения разряда эти элементы конструкции плазмотрона нагреваются до температур выше температуры испарения электролита, поэтому на их поверхностях отсутствует конденсация паров. Таким образом, вся испарившаяся масса электролита идет на образование плазменного потока, и это приводит к увеличению его динамического напора. У такого потока плазмы технологических возможностей станет больше. Например, при воздействии на газ или жидкость поток плазмы будет проникать в достаточно большие объемы газа или жидкости.

Динамический напор плазменного потока легко регулируется путем изменения тока разряда. Чем больше ток разряда, тем больше испаряется электролит, и это приводит к увеличению давления в разрядной области внутри плазмотрона.

При увеличении тока площадь привязки разряда к поверхности S_K электролита увеличивается, соответственно, увеличивается и площадь привязки разряда к рабочему торцу S_A металлического анода 4. Начиная с некоторого минимального значения тока, рабочий торец S_A. анода 4 полностью покрывается разрядными микроканалами. При дальнейшем увеличении тока плотность разрядных микроканалов растет. Однако такое уплотнение разрядных микроканалов происходит только до определенного предела, выше которого электрический разряд переходит в искровой режим. Искровые каналы, воздействуя на поверхность электролита, вызывают сильное разбрызгивание. Поэтому, чтобы сохранить режим объемного многоканального горения разряда при повышенных токах и мощностях, рабочий торец S_A анода 4 должен иметь достаточно большую площадь. Именно этим обусловлено ограничение площади S_A со стороны малых размеров значением порядка 2•10^-3 м². С другой стороны, чем больше площадь рабочего торца S_A анода 4, тем меньше удельные тепловые потоки на анод. Таким образом, увеличение площади рабочего торца S_A анода 4 способствует повышению его термической стойкости. Для предотвращения термического разрушения анод должен быть достаточно массивным.

Непосредственный контакт анода 4 с металлической крышкой 3 еще более увеличивает термическую стойкость анода, т. к. тепло от анода 4 за счет теплопроводности передается металлической крышке 3, а от крышки происходит теплоотдача в окружающую среду. Количество теплоты, передаваемой в окружающую среду, тем больше, чем больше площадь крышки 3.

Еще одно требование, которому должен удовлетворять анод, - это его осесимметричная геометрическая форма. Такая геометрия необходима для формирования устойчивого электрического разряда. Электрический разряд, горящий между твердым и жидким электродами, обладает тем свойством, что легко "сдувается" с поверхностей электродов. Чтобы не было такого сдувания, формируемая разрядная область V должна иметь осесимметричную геометрию и должна располагаться соосно отверстию 5 крышки 3. Это достигается именно тем, что полый анод 4 является осесимметричным и крепится к крышке 3 соосно ее отверстию 5.

Экспериментальные исследования показали, что при использовании в качестве электролита технической воды для анода с площадью рабочего торца S_A= 2•10^-3 м² диапазон регулирования тока находится в пределах от 3 до 8 ампер, а мощность меняется от 5 до 16 кВт. Эти параметры предлагаемого плазмотрона практически на 2 порядка выше чем у прототипа. Максимальный расход плазмы составлял около 3•10^-3 кг/с. При диаметре отверстия 5, равном 3•10^-3 м, избыточное давление внутри плазмотрона достигало 2•10⁴ Па. Таким образом, предлагаемый плазмотрон генерирует плазменный поток с достаточно большим динамическим напором.

Источники информации
1. Попилов Л. Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справочник - 2-е издание, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. См. стр. 390-393.

2. 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. 54-55.

3. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Даутов Г.Ю. Устройство для получения тлеющего разряда в воздухе при атмосферном давлении. 1983. А.с. N 1088086 (СССР).

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электроразрядным устройствам с жидким электродом, и может быть применено в плазмохимии, а также в других отраслях производства, в частности, для очистки воздуха от вредных примесей, таких как окислы серы, азота и др. Технический результат - увеличение мощности плазмотрона и повышение динамического напора плазменного потока. Плазмотрон с жидким электролитным катодом содержит электролитическую ванну с токоподводом и металлический анод. Электролитическая ванна снабжена металлической крышкой с отверстием в центральной части, а к металлической крышке с внутренней стороны прикреплен соосно с отверстием металлический полый осесимметричный анод. Электрическая ванна и металлический анод изготовлены так, чтобы площадь поверхности электролита в ванне было на порядок больше площади рабочего торца анода, и электролитическая ванна снабжена отверстиями в нижней части боковых стенок для прокачки электролита. 1 ил.

Плазмотрон с жидким электролитным катодом, содержащий электролитическую ванну с токоподводом и металлический анод, отличающийся тем, что электролитическая ванна снабжена металлической крышкой с отверстием в центральной части, а к металлической крышке с внутренней стороны прикреплен соосно с отверстием металлический полый осесимметричный анод, при этом электролитическая ванна и металлический анод изготовлены так, чтобы площадь поверхности электролита в ванне было на порядок больше площади рабочего торца анода, и электролитическая ванна снабжена отверстиями в нижней части боковых стенок для прокачки электролита.