Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 6, стр. 953-956

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время научный и практический интерес представляют электрические разряды с жидкими электродами. Такие виды разрядов, в частности высокочастотные разряды с металлическими и жидкими электродами, находят все большее применение на практике [1–5]. В [1] рассмотрено влияние частоты на развитие, форму и структуру высокочастотного разряда. В [2, 3] изучались электрические характеристики высокочастотного разряда при атмосферном и пониженных давлениях. Образование озона в зависимости от типа электродов представлено в работе [4]. В [5] рассмотрены термограммы и распределение температуры вдоль канала высокочастотного разряда. Обзор экспериментальных и теоретических работ показывает, что большой объем исследований посвящен барьерному разряду с твердыми и с жидкими электродами. Теоретические основы диэлектрического барьерного разряда (ДБР) представлены в обзорных работах [6, 7]. Работа [8] посвящена кислородному диэлектрическому барьерному разряду атмосферного давления и измерениям волновых форм тока и напряжения в  интервале определенных среднеквадратичных напряжений. В [9] рассмотрены процессы в канале микроразряда, влияние напряженности электрического поля, а также других физических параметров на формирование ДБР. Такой разряд находит широкое применение [10–14]. В работе [10] рассмотрена возможность использования ДБР для увеличения гидрофильности материала труб из политетрафторэтила. В [11] показано, что ДБР можно применять для деструкции хлорорганических соединений, растворенных в воде, с эффективностью не менее 90%, при этом выявлено, что при обработке 2,4-дихлорфенола в воде образуются менее токсичные карбоновые кислоты. В [12] исследовано влияние барьерного и искрового разрядов на воду, содержащую клетки сенной палочки (Bacillus subtilis), и выявлено значительное снижение концентраций жизнеспособных клеток микроорганизмов после обработки суспензий барьерным разрядом по сравнению с искровым. В авиационной технике принцип барьерного разряда используется для создания так называемых активаторов управления воздушными потоками [13]. Применение наносекундного ДБР для стерилизации и других медицинских целей приведено в работе [14].

Анализ работ по высокочастотным и барьерным разрядам показывает, что данные виды разрядов представляют научный и практический интерес.

Целью данной работы является исследование барьерного электрического разряда между диэлектрическим и жидким электродами (техническая вода) при частоте f = 40 МГц.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Описание экспериментальной установки приведено в [2]. Исследования проводились с использованием разрядного устройства, представленного на рис. 1. В качестве барьера применялась диэлектрическая (поливинилхлоридная) трубка U-образной формы. Подача потенциала осуществлялась электродом из алюминия диаметром 2.5 мм, который был расположен внутри диэлектрической трубки. Диаметр диэлектрической трубки равен 5 мм, а толщина стенок трубки – 1 мм. Расстояние между диэлектрической трубкой и технической водой изменялось от 1 до 4 мм. Потенциал к электролиту подводился с помощью металлической пластины в форме круга. Фото- и видеосъемка производилась скоростной видеокамерой Sony DSC-RX0 с возможностью съемки с частотой 250, 500 и 1000 кадров в секунду. Эксперименты проводились при частоте 1000 кадров в секунду.

Рис. 1.

Разрядное устройство.

Осциллограммы импульсов падения напряжения были получены при помощи осциллографа-мультиметра FLUKE 124B/INT с шириной частотной полосы 40 МГц.

Выбор частоты генератора f = 40 МГц обусловлен тем, что при данной частоте наблюдается наиболее стабильный режим работы горения разряда. Кроме того, разряд зажигается без дополнительного источника высоковольтного напряжения. Характеристики разряда в течение последующих периодов не изменяются. В работе представлены средние значения напряжения и тока. Выбор измерения средних значений был обусловлен стабильностью разряда и отсутствием искажений формы пилообразного импульса напряжения при возникновении разряда.

Начальная температура технической воды составляла 20°С, а температура окружающего воздуха и диэлектрика – 24°С. Температура данного объема воды при проведении эксперимента повышалась в пределах 1.5–3.3°С за первые три минуты проведения эксперимента. Далее температура оставалась неизменной во время всего эксперимента и при повторных включениях установки. Температура поверхности диэлектрической трубки снижалась в пределах 1.3–3.5°С от центральной части U-образной трубки к ее краям.

Измерение температуры на поверхности диэлектрической трубки проводилось с помощью бесконтактного инфракрасного пирометра DT-8839 с регулируемым коэффициентом излучения до 0.98 с выставлением коэффициента, равным 0.94, для измерения температуры полимерных поверхностей. Температура поверхности электролита производилась также бесконтактным способом с помощью пирометра DT-8839 с выставлением коэффициента, равным 0.67, для измерения температуры поверхности технической воды. Класс точности прибора составляет 1.5%.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты экспериментальных исследований барьерного разряда между диэлектрической трубкой и технической водой представлены на рис. 2–5.

Рис. 2.

Осциллограмма импульсов падения напряжения на разрядном промежутке при атмосферном давлении: Т – период импульса, Т_р – его рабочий ход, Т₀ – обратный ход, U_m – максимальная амплитуда импульса, U_ср – среднее значение напряжения.

Рис. 3.

Барьерный разряд между диэлектрической трубкой и технической водой при 3 (а), 6 (б), 10 (в), 13 (г), 15 (д), 20 (е), 26 с (ж) и разряд между металлическим катодом и технической водой (з).

Рис. 4.

ВАХ барьерного разряда между поливинилхлоридной трубкой и технической водой при межэлектродных расстояниях: 1 – 4 мм, 2 – 7 мм.

Рис. 5.

Распределение температуры на поверхности электролита (1) и диэлектрической трубки (2).

На рис. 2 приведена осциллограмма импульса падения напряжения в разрядном промежутке при атмосферном давлении. Импульс имеет форму зубца. Передний фронт нарастания напряжения в интервале времени 20 мкс имеет линейный характер. В интервале от 20 до 30 мкс рост напряжения замедляется. Между 30 и 35 мкс наблюдается линейный спад напряжения, а в интервале от 35 до 40 мкс спад величины U замедляется. Ширина импульса падения напряжения на разрядном промежутке составляет 40 мкс. Как видно из осциллограммы на рис. 2, максимальное напряжение при данных условиях составляет U_m = 70 кВ, а среднее значение U_ср = 40 кВ. Анализ данных показывает, что экспозиция кадра (τ = 1000 мкс) намного больше, чем период следования импульсов Т = 40 мкс.

На рис. 3а–3ж представлены фотографии барьерных разрядов между диэлектрической трубкой и технической водой для различных моментов времени. На поверхности технической воды наблюдается корневая структура от искры, а также охватывающая корневая структура на поверхности диэлектрической трубки. Между диэлектриком и электролитом наблюдается многоканальность искровых разрядов. На рис. 3а и 3б показано образование охватывающих диэлектрическую трубку корневых каналов в случае горения одной (рис. 3а) и двух (рис. 3б) искр. От одной искры, как в случае рис. 3а, может образоваться одна, две или более охватывающих диэлектрическую трубку корневых структур. Как видно из фотографий рис. 3в и 3г, искровые разряды на поверхности воды представляют интенсивную корневую структуру, так как искровой разряд имеет более высокую степень ионизации. Из анализа рис. 3а–3ж можно сказать, что охватывающие трубку корневые структуры формируются, главным образом, за счет интенсивного искрового разряда, возникшего в межэлектродном промежутке. Искровые разряды формируются также и от поверхности электролита (рис. 3ж).

На рис. 3з показан высокочастотный разряд между металлической полой трубкой и технической водой для сравнения с высокочастотным барьерным разрядом между диэлектрической трубкой и электролитом. Как видно из рис. 3з, между металлической трубкой и жидкостью горят искровые разряды с корневой структурой только на поверхности электролита, без образования охватывающей корневой структуры на поверхности металлической трубки, как при барьерном разряде. На поверхности металлической трубки искровые разряды не распространяются.

На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) высокочастотного барьерного разряда между диэлектрической трубкой и технической водой для различных межэлектродных расстояний. Зависимости напряжения от тока разряда носят возрастающий характер. Из сравнения кривых 1 и 2 следует, что на напряжение влияет расстояние между диэлектрической трубкой и технической водой.

На рис. 5 приведены распределения температуры у поверхности технической воды (кривая 1) и на поверхности диэлектрической трубки (кривая 2). Для кривой 1 на расстоянии 20 мм от вертикальной оси разряда (ось ординат) в правую и левую стороны температура поверхности электролита практически одинакова и равна 23.3°С. При удалении на расстояние более 20 мм в правую и левую стороны температура резко уменьшается с 23.3 до 21.5°С. Анализируя характер нагрева, можно сказать, что непроточный электролит при барьерном разряде нагревается слабо и температура вблизи разряда и на малом удалении от него практически не меняется. Кривая 2 показывает распределение температуры на поверхности диэлектрической трубки. В центральной ее части (около 30 мм) температура в среднем равна 23.2°С. При l = 22.5 и –22.5 мм она понижается от 23 до 21°С. Это объясняется тем, что в средней части диэлектрической трубки присутствуют охватывающие корневые структуры, исходящие от искры (фото на рис. 5), которые больше нагревают эту часть диэлектрической трубки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлены особенности осциллограммы падения напряжения пилообразной формы на разрядном промежутке между диэлектриком и жидкостью.

2. Показано, что барьерный разряд имеет охватывающую корневую структуру на поверхности диэлектрической трубки U-образной формы.

3. Установлен многоканальный характер барьерного разряда между U-образным диэлектриком и технической водой.

4. Изучены электрические и температурные характеристики высокочастотного барьерного разряда на поверхности трубчатого диэлектрика и электролита.