СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ГАЗАХ Советский патент 1995 года по МПК H05F3/04 

Изобретение относится к технике, использующей электронно-ионную технологию для проведения электрохимических процессов, и может найти применение для катализа реакций синтеза химических соединений, например озона, перекиси водорода, а также для электрофильтрации в газообразных средах при давлении, сравнимом с атмосферным, с помощью электрического разряда.

Целью изобретения является повышение степени заполнения разрядного промежутка разрядом с диффузным свечением, увеличение мощности, выделяющейся в канале разряда, а также расширение диапазона значений электрических параметров разряда, в котором он устойчиво существует, и уменьшение потерь на стабилизацию разряда.

Поставленная цель достигается тем, что электрический разряд возбуждают путем подачи на разрядный промежуток одновременно высоковольтного постоянного напряжения, ограниченного по величине напряжением искрового пробоя, и высоковольтного импульсного напряжения таким образом, что отношение величины постоянного напряжения к величине амплитуды импульсного напряжения больше или равно единице, при этом амплитуда импульса определяется значениями, при которых создаются и распространяются ионизационные процессы от анода к катоду без образования искрового канала между электродами, а длительность импульса не превосходит времени распространения переднего фронта ионизации до катода. Длительность импульса связана с ионизационными процессами, происходящими в канале разряда следующим соотношением:
τ_и≅ / где τ_и- длительность импульса;
L - расстояние между анодом и катодом;
V_ион - средняя скорость распространения переднего фронта ионизации от анода к катоду.

Оптимальное, с точки зрения достижения максимальных значений напряжения тока и мощности, выделяющейся в канале разряда, соотношение между величиной импульсного напряжения U_имп. и постоянного напряжения U_пост.:
≥ 1 .

Конкретные граничные значения амплитудных и временных характеристик высоковольтного напряжения, при которых в разрядном промежутке возбуждается и устойчиво существует объемный разряд с диффузным свечением, зависят от параметров газовой среды (температура, давление, состав и скорость), а также параметров разрядного промежутка.

При выполнении указанных условий в разрядном промежутке возбуждается особая форма самостоятельного электрического разряда: "каскадный" или "факельный при постоянном напряжении" разряд с диффузным свечением всего канала разряда от анода до катода.

Принципиальным отличием предлагаемого способа от известного является то, что возбуждение такого разряда происходит в сильном электрическом поле со средней напряженностью в канале разряда порядка 4-7 кВ/см (при давлении равном атмосферному) при одновременной подаче на разрядный промежуток высоковольтного импульсного напряжения определенной длительности. При этом импульсы высоковольтного напряжения или вызывают развитие ионизационных процессов, распространяющихся затем от анода к катоду, или в том случае, когда эти процессы уже осуществляются под воздействием постоянного высоковольтного напряжения, интенсифицируют их. В случае, когда длительность импульса меньше времени прохождения переднего фронта ионизации до катода, постоянное высоковольтное напряжение позволяет распространить передний фронт ионизации до катода без перехода разряда в искровую форму. Так как величина постоянного высоковольтного напряжения на разрядном промежутке поддерживается меньшей постоянного напряжения искрового перекрытия разрядного промежутка с возбужденной и ионизированной газовой средой в нем, а амплитуда и длительность высоковольтного импульса при заданном постоянном высоковольтном напряжении выбирается такими, что величина энергии, выделяющейся в канале разряда при распространении переднего фронта ионизации от анода к катоду, меньше энергии, необходимой для образования высокотемпературного искрового или дугового канала, то тем самым обеспечивается стабильное существование разряда с диффузным свечением. Все это позволяет значительно расширить диапазон напряжений, разрядного тока и, следовательно, мощности, выделяющейся в канале разряда, в котором структура (т.е. стабильность горения) разряда не нарушается. Кроме этого, использование предлагаемого способа возбуждения и стабилизации разряда в значительной степени снимает ограничения на форму положительных электродов при условии обеспечения ими необходимой неоднородности электрического поля в разрядном промежутке. Например, при атмосферном давлении требуемая величина неоднородности Е_макс/Е_ср ≥ 10, следовательно, появляется возможность возбуждать разряд в разрядном промежутке, положительные электроды которого имеют форму игл с расстоянием между ними в несколько раз меньшим межэлектродного расстояния, а также в "гладкой" системе электродов. В последнем случае на аноде (например, цилиндрической проволоке) возникают зоны с повышенной светимостью, являющиеся аналогично игольчатым электродам первичной областью образования канала объемного разряда с диффузным свечением. Расстояние между зонами с повышенной светимостью самостоятельно устанавливается минимальным и обеспечивающим стабильное горение разряда во всем объеме разрядного промежутка. При этом количество одновременно горящих игольчатых электродов, а также количество зон с повышенной светимостью и, следовательно, объем занятый разрядом и мощность, выделяющиеся в канале разряда, увеличивается с возрастанием частоты следования импульсов. Электрические параметры разряда (ток, напряженность электрического поля, мощность, выделяющаяся в канале разряда) в значительной степени определяют эффективность проведения электрохимических и электрофизических процессов, а также качество конечного продукта.

Таким образом, предлагаемый способ возбуждения разряда с диффузным свечением значительно расширяет, по сравнению с известным способом, область мгновенных и средних за период следования импульсов высоковольтного напряжения значений напряженности электрического поля, тока и мощности, выделяющейся в канале разряда, в которой устойчиво существует разряд.

Кроме этого, по сравнению с известным способом возбуждения разряда такого типа и его стабилизации с помощью высокоомного сопротивления, в предлагаемом способе тепловые потери (Джоулевы потери) вне канала разряда незначительны, т. е. стабилизация разряда осуществляется без высокоомного сопротивления, включаемого последовательно в цепь разряда.

Примеры осуществления способа.

Экспериментальные сравнения предлагаемого способа с известным способом возбуждения объемного разряда с диффузным свечением с помощью постоянного напряжения проводились в двух типах систем электродов при давлении равном атмосферному в воздухе.

П р и м е р 1. Система электродов типа игла - плоскость.

Предлагаемый способ возбуждения разряда осуществляется в установке, положительные электроды которой имеют форму игл с вершинами, расположенными друг от друга на 2 см, а от катода, выполненного в виде металлической плоскости, на 11 см. Иглы выполнены из листа спецстали толщиной 0,03 см с углом при вершине 18^о и высотой 1,5 см. На квадратной пластине располагается 121 игла. На электроды подаются одновременно постоянное и импульсное напряжения. Величина постоянного напряжения изменяется от 0 до 46,1 кВ. Параметры высоковольтного импульсного напряжения в данном эксперименте следующие:
Длительность импульса на уровне 0,5 амплитуды 2 мкс.

Период следования импульсов 700-60 мкс.

Амплитуда импульса 5 кВ.

U_пост/U_имп ≅ 9,2.

Разряд с диффузным свечением возбуждается и устойчиво существует во всем объеме разрядного промежутка при U_пост./U_имп 8,8-9,2.

Известный способ возбуждения разряда осуществляется в установке, отличающейся от описанной тем, что положительные электроды (12 шт.) разнесены между собой на 15 см, межэлектродное расстояние 12 см. При этом аноды установлены на держателе, электрически изолирующем их друг от друга. Постоянное напряжение подается на каждый игольчатый электрод - анод через высокоомные (9,9 МОм) стабилизирующие сопротивления. Указанные геометрические размеры и параметры электрической схемы выбраны из условия одновременного возбуждения и стабильного горения разряда в 12 разрядных промежутках, подключаемых параллельно к одному источнику питания. Разряд с диффузным свечением от анода до катода возбуждается и устойчиво существует при изменении напряжения на разрядном промежутке от 63 кВ до 78 кВ. Основные экспериментальные результаты приведены в таблице.

Из таблицы видно, что при одинаковых мощностях, выделяющихся в канале разряда, при возбуждении разряда предлагаемым способом и при сравнимых межэлектродных расстояниях плотность мощности увеличивается в 2,1 раза. При этом количество озона, снимаемого с единицы объема разрядного промежутка в единицу времени при возбуждении разряда предлагаемым способом, увеличивается более чем в два раза. Коэффициент полезного действия увеличивается при использовании предлагаемого способа на 9%.

П р и м е р 2. Система электродов - коаксиальные цилиндры. Центральный электрод (анод) - проволока из нержавеющей стали диаметром 0,2 см. Наружный электрод (катод) - труба из нержавеющей стали диаметром 28 см. Длина трубы 50 см. Постоянное высоковольтное напряжение подается также через высокоомное стабилизирующее сопротивление 5,6 МОм (известный способ).

Изобретение поясняется чертежом, где изображены кривые зависимости тока разряда от эффективного напряжения на разрядном промежутке для известного "а" и предлагаемого "б" способов (звездочкой обозначено искровое перекрытие промежутка).

Зависимость тока разряда от эффективного напряжения на разрядном промежутке (кривая "а") показывает, что известным способом разряд в коаксиальной системе электродов практически не возбуждается. При увеличении напряжения (известным способом) разряд в этой системе электродов из коронной формы (величина тока разряда с единицы длины центрального электрода не выше 0,02 мА/см) переходит в искровой разряд. При этом до искрового перекрытия промежутка наблюдается свечение разряда лишь на поверхности центрального электрода.

Применение одновременно с постоянным высоковольтным напряжением импульсного напряжения позволяет возбудить разряд с диффузным свечением от анода до катода по всей длине разрядного промежутка. Длительность импульса 2 мкс, период следования 700-20 мкс, амплитуда импульса 10 кВ. Разряд с диффузным свечением от анода до катода во всем разрядном промежутке (кривая "б") возбуждается и устойчиво существует при отношении величины постоянного напряжения к амплитуде импульсного напряжения 5,5-5,7.

Сравнение вольт-амперных зависимостей разряда возбуждаемого известным и предлагаемым способом (кривые "а" и "б") соответственно показывает, что даже при выполнении условия > 10 (в данной системе электродов это отношение равно 12,5) возбудить разряд с диффузным свечением в цилиндрической системе электродов практически не удается. Возможность возбуждения разряда предлагаемым способом в цилиндрической системе электродов позволяет также по сравнению с системой игла - плоскость значительно увеличить плотность мощности, выделяющейся в разрядном промежутке. При возбуждении разряда предлагаемым способом максимальная плотность мощности 88 Вт/л; максимальное количество озона, снимаемого с единицы объема разрядного промежутка, 5,8 г/л˙ ч. Эти значения превосходят соответствующие величины при возбуждении разряда в системе электродов игла - плоскость известным способом более чем в 5 раз, предлагаемым способом более чем в 2 раза.

Предлагаемый способ возбуждения самостоятельного электрического разряда в газах при давлении сравнимом с атмосферным по сравнению с известными способами обладает следующими преимуществами.

Разряд с диффузным свечением возбуждается в больших объемах. Увеличивается диапазон напряжений, в котором разряд устойчив. Возрастает ток разряда и, следовательно, мощность, выделяющаяся в разряде. В то же время появляется возможность управлять режимом горения разряда, т.е., например, при одинаковом значении средней напряженности получать различные значения плотности разрядного тока. Это позволяет влиять на качество конечного продукта при его обработке разрядом. Значительно уменьшаются потери электрической энергии на стабилизацию объемного разряда с диффузным свечением.

Возможность стабилизации в разрядном промежутке без диэлектрического барьера разряда с значением плотности энергии, сравнимым с значением плотности энергии разряда, возбуждаемого в разрядном промежутке с диэлектрическим барьером, позволяет снизить требования к параметрам обрабатываемой газовой среды (влажности, химическому составу, температуре) и тем самым расширить область применения указанного типа разряда, значительно повысить надежность газоразрядных устройств.

Перечисленные особенности предлагаемого способа возбуждения самостоятельного электрического разряда с диффузным свечением позволяют значительно повысить эффективность использования электрического разряда в промышленности при проведении электрохимических и электрофизических процессов.

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ГАЗАХ при давлении, сравнимом с атмосферным, включающий подачу на разрядный промежуток с неоднородным электрическим полем напряжения с потенциалом, убывающим в сторону уменьшения напряженности, отличающийся тем, что, с целью повышения степени заполнения разрядного промежутка разрядом с диффузным свечением, увеличения мощности, выделяющейся в канале разряда, а также расширения диапазона значений электрических параметров разряда, в котором он устойчиво существует, и уменьшения потерь на стабилизацию разряда, электрический разряд возбуждают путем подачи на разрядный промежуток одновременно высоковольтного постоянного напряжения, ограниченного по величине напряжением искрового пробоя, и высоковольтного импульсного напряжения таким образом, что отношение величины постоянного напряжения к величине амплитуды импульсного напряжения больше или равно единице, при этом амплитуда импульса определяется значениями, при которых создаются и распространяются ионизационные процессы от анода к катоду без образования искрового канала между электродами, а длительность импульса не превосходит времени распространения переднего фронта ионизации до катода.