Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 4, стр. 625-628

ВВЕДЕНИЕ

Исследования электрических разрядов с жидкими электродами в пузырьках воздуха и парах жидкости проводились в немногих работах, но имеют большое практическое значение [1–6]. В [3, 7–14] исследовались электрические разряды постоянного тока в пузырьках и капиллярах. Установлено, что внутри пузырьков воздуха горят микроразряды. Это возможно из-за большого различия в плотности газа и жидкости. Но даже в таком случае пузырьки не касаются металлического электрода. В [8] наблюдались микроразряды в пузырьках совместно с малыми стримерами. Отмечено, что с повышением напряжения возникают искры, причем напряжение искрообразования снижается с увеличением интенсивности генерации пузырьков. В работах [10–13] рассмотрены некоторые особенности многоканального разряда в диэлектрической трубке при атмосферном давлении в газожидкостной среде с пузырьками воздуха и микроразрядами. Однако, несмотря на большую практическую значимость электрических разрядов переменного тока с частотой f = 50 Гц в пористых средах с микроразрядами, практически мало исследованы как физические, так и электрические их характеристики. В [5, 6] при рассмотрении электрических разрядов переменного тока при понижении давления до 400 Торр было выяснено, что при погружении металлического анода в электролит вокруг него горит аномальный тлеющий разряд с возрастающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Целью данной работы являются экспериментальные исследования характеристик и развития разряда переменного тока в диэлектрической трубке в газожидкостной среде с пузырьками воздуха и микроразрядами в 1%-ном растворе хлорида натрия в дистиллированной воде в широком диапазоне давлений.

Описание экспериментальной установки и методики исследований приведены в [15]. Отличие установки состоит в том, что в данном случае используется высоковольтный источник питания переменного тока без выпрямителя, собранногo по схеме Ларионова.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования особенностей электрического разряда переменного тока между металлическими электродами проводились в следующих диапазонах: ток I = 0.1−3 А, напряжение U = 0−4 кВ, расстояние между электродами внутри диэлектрической трубки l = 50, 100 и 150 мм, диаметр трубки d_т = 10 мм, давление меняется от 20 до 400 Торр.

Зажигание разряда протекает следующим образом. После установки межэлектродного расстояния между медными электродами приложенное напряжение постепенно повышается, что приводит к электролизу.

При р = 20 Торр появляются пузырьки воздуха размером 1−3 мм еще до зажигания разряда. Разряд зажигается быстро, и процесс электролиза короче, чем при атмосферном давлении. При зажигании разряда электролит начинает бурно кипеть, а пузырьки увеличиваются, достигая размеров от 5 до 10 мм. Разряд нестабильный, в основном имеет синий цвет с переходом в желтый. При атмосферном давлении цвет разряда красный и белый. Разряд горит в основном на одном из электродов, редко переходит в середину трубки или на другой электрод. Под действием разряда электролит двигается из стороны в сторону, образуя воздушное пространство. Когда электролит снова касается электрода, возникает пробой и разряд переходит на другой электрод. При этом горит разряд между двумя электродами. Аналогичные явления наблюдаются в работе [2].

Рассмотрим особенности электрического разряда переменного тока в газожидкостной среде с пузырьками воздуха и микроразрядами в 1%-ном растворе хлорида натрия в дистиллированной воде на основе изучения ВАХ, вольт-секундных и ампер-секундных характеристик. На рис. 1 приведены эти характеристики в диапазоне давления от 20 до 400 Торр. Здесь с 1 по 48 с времени давление составляет 20 Торр, с 50 по 90 с − 40 Торр, с 90 по 130 с − 100 Торр, со 130 по 160 с − 200 Торр, со 170 с до отключения установлено давление 400 Торр. Как видно из рис. 1а, ВАХ, записанная универсальным аналогово-цифровым преобразователем Sensor – CASSY, имеет сложную картину зависимости напряжения от тока разряда. Процесс электролиза соответствует линейно возрастающему участку ВАХ (рис. 1а) от 0 до 0.1 А при напряжении от 7 до 112 В. Далее процесс развития разряда переменного тока при давлении от 20 до 400 Торр в газожидкостной среде с пузырьками воздуха и микроразрядами в 1%-ном растворе хлорида натрия в дистиллированной воде имеет сложный неустойчивый характер при l = 50 мм.

Рис. 1.

Вольт-амперная (а), вольт-секундная (б) и ампер-секундная (в) характеристики разряда переменного тока при пониженном давлении 20–400 Торр и l = 50 мм.

После включения источника питания начинается процесс электролиза как на поверхности электродов, так и на внутренней поверхности диэлектрической трубки. Ток и напряжение электролиза составляют I_э = 0.05 А и U_э = 50 В (рис. 1а). После пробоя в пористой среде с пузырьками воздуха начинает гореть разряд на поверхности одного из электродов. Если пузырьки бегают вдоль трубки внутри, то разряд не отрывается от одного электрода. При давлении 20 Торр разряд горит в интервале I = 0.025–0.23 А и напряжение повышается от 150 до 315 В. С ростом давления до 40 Торр напряжение повышается от 500 до 550 В, а ток уменьшается до 0.075 А. Напряжение растет ступенчато с ростом давления от 20 до 40 Торр при l = 50 мм. С течением времени от 93 до 127 с при давлении 100 Торр напряжение начинает ступенчато уменьшаться от 550 до 500 В. В интервале 125−230 с напряжение практически остается постоянным U_cp = 450 В. Зависимость изменения силы тока от времени I(t) повторяет характерные особенности напряжения разряда. При t  = 238 c аналогово-цифровой преобразователь отключается.

На рис. 2 приведены ВАХ, вольт-секундная и ампер-секундная характеристики при p ≥ 100 Торр и l = 150 мм. Эксперименты были проведены только при давлениях выше 100 Торр. Это объясняется тем, что при давлениях ниже 100 Торр и межэлектродных расстояниях l = 150 мм начинает гореть разряд вне трубки в местах присоединения электродов к зажимам.

Рис. 2.

Характеристики разряда переменного тока при l = 150 мм, р $ \geqslant $0 Торр, время развертки ∆t = 265 с: (а) – вольт-амперная, (б) – вольт-секундная, (в) – ампер-секундная.

В данном случае задается время развития разряда 265 с, после истечения этого срока запись автоматически прекращается. ВАХ имеет линейно спадающий характер (рис. 2а). Участок возрастающей ВАХ от 0 до 571 В (при токе от 0.004 до 0.087 А) соответствует электролизу, предшествующему разряду. Напряжение при l = 150 мм уменьшается от 600 до 440 В в интервале тока от 0.01 до 0.4 А. Выбираем устойчивые режимы работы установки. Из анализа зависимостей U(t) на рис. 2б и I(t) на рис. 2в следует, что в течение 265 c начальные значения напряжения и тока разряда практически остаются неизменными (U = 600 В, I = 0.4 A), кроме небольших колебаний.

Анализ спектров напряжения (рис. 3а) и тока (рис. 3б) разряда переменного тока в газожидкостной среде с пузырьками воздуха и микроразрядами в 1%-ном растворе хлорида натрия в дистиллированной воде при пониженных давлениях показал, что в отличие от спектров при атмосферном давлении наблюдается интенсивная линия спектра тока при частотах 50 и 150 Гц.

Рис. 3.

Спектр напряжения (а) и тока (б) разряда переменного тока при р = 40 Торр и l = 150 мм в 1%-ном растворе NaCl в дистиллированной воде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Изучены вольт-амперные, вольт-секундные и ампер-секундные характеристики разряда переменного тока в газожидкостной среде, которые позволяют представить сложную картину взаимодействия пузырьков воздуха различной формы и размеров с разрядом при пониженных давлениях.

2. Установлено, что с понижением давления образуются интенсивные мелкие пузырьки в газожидкостной среде, что приводит к быстрому зажиганию разряда и повышению давления.

3. Обнаружено, что под действием разряда образуется воздушное пространство с микропузырьками. После касания электролита с электродом возникает импульсный разряд между электродами.

4. Выявлено, что чем выше давление и больше межэлектродное расстояние, тем устойчивее горит разряд переменного тока в пористой среде.

5. Установлено, что проводимость газожидкостной среды с пузырьками и микроразрядами существенно зависит от давления.

6. Определены частоты спектра тока и напряжения разряда при пониженных давлениях с помощью преобразования Фурье.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-30062).