способ получения высоковольтного разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, частично погруженным в электролит

Формула изобретения

Способ получения высоковольтного разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, заключающийся в зажигании электрического разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, расположенным над электролитом так, что его нижняя поверхность находится ниже уровня электролита, отличающийся тем, что предварительно организуется течение верхних слоев электролита вдоль его поверхности и разряд зажигается в зазоре между поверхностью электролита и твердотельным электродом, а затем устанавливается режим горения с плотностью тока на жидком электролитном катоде не ниже 0,5 А/см² и поднимается уровень электролита выше уровня нижней поверхности твердотельного электрода, при этом твердотельный электрод охлаждается путем прокачки через него охлаждающей жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах.

Известны способы получения электрического разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, частично или полностью погруженным в электролит [Словецкий Д.И., Терентьев С.Д., Плеханов В.Г. Механизм плазменно-электролитного нагрева металлов//ТВТ. 1986. Т.24. № 2. С.353-363; Гайсин Ф.М., Сон Э.В., Шакиров Ю.И. Обменный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990, стр.58-59]. Однако эти разряды горят при относительно низком напряжении (менее 500 В).

Известны способы получения высоковольтного (более 500 В) электрического разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, частично погруженным в электролит [Гайсин Ф.М., Сон Э.В., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазавой среде между твердым и жидким электродами. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990, стр.57; Кузьмин С.М. Физико-химические аспекты взаимодействия неравновесной плазмы с водными растворами электролитов / Автореф. дисс. на соискание уч. cтепени к.х.н. Иваново, 1997]. Прикатодные процессы высоковольтных разрядов существенно отличаются от приэлектродных процессов низковольтных разрядов. По своим свойствам высоковольтные разряды с жидким электролитным катодом близки тлеющему разряду между твердотельными электродами и поэтому часто их называют тлеющими разрядами атмосферного давления. Для получения таких разрядов необходимо использовать слабоконцентрированные водные растворы солеи, щелочей и кислот.

В качестве прототипа выбран известный способ получения высоковольтного разряда атмосферного давления, заключающийся в зажигании разряда между электролитным катодом и твердотельным анодом, расположенным над электролитом так, что его нижняя поверхность находится ниже уровня электролита [Кузьмин С.М. Физико-химические аспекты взаимодействия неравновесной плазмы с водными растворами электролитов / Автореф. дисс. на соискание уч. степени к.х.н. Иваново, 1997].

Прототип имеет следующие недостатки: 1) продолжительность горения разряда ограничена, т.к. температура электролита постепенно повышается и может дойти до температуры кипения; 2) разряд горит только при малых размерах зоны контакта с электродами вследствие отвода теплоты от электродных пятен, в основном, за счет теплопроводности; 3) разряд маломощный и горит при малых токах (причина та же, что указана в пункте 2).

Задачей изобретения является увеличение времени горения разряда и расширение диапазонов изменения тока и мощности разряда в сторону повышения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высоковольтного разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, заключающемся в зажигании электрического разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, расположенным над электролитом так, что его нижняя поверхность находится ниже уровня электролита, предварительно организуется течение верхних слоев электролита вдоль его поверхности и разряд зажигается в зазоре между поверхностью электролита и твердотельным электродом, а затем устанавливается режим горения с плотностью тока на жидком электролитном катоде не ниже 0,5 А/см² и поднимается уровень электролита выше уровня нижней поверхности твердотельного электрода, при этом твердотельный электрод охлаждается путем прокачки через него охлаждающей жидкости.

На фиг.1 показана схема устройства для получения высоковольтного разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, частично погруженным в электролит.

На фиг.2 показан фрагмент устройства, показанного на фиг.1.

Способ реализуется в устройстве, схема которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из сосуда 1, который снабжен токоподводом 2 и имеет отверстие 3 в верхней части боковой стенки сосуда 1. В сосуд 1 налит электролит 4 так, что уровень электролита выше отверстия 3. Через отверстие 3 сосуд 1 сообщается с системой откачки электролита. С системой подачи электролита сосуд 1 сообщается через патрубок 5, который смонтирован у стенки, находящейся напротив отверстия 3. Над сосудом 1 размещен твердотельный водоохлаждаемый электрод 6. Электролит 4 служит жидким электролитным катодом, а электрод 6 - анодом.

Способ осуществляется следующим образом. Подача электролита и откачка его из сосуда 1 устанавливаются таким образом, чтобы между поверхностью электролита 4 и электродом 6 образовался зазор l в пределах 3-5 мм. Электролит течет внутри сосуда от патрубка 5 к отверстию 3. Поскольку отверстие 3 расположено ближе к поверхности электролита 4, возникает течение верхних слоев электролита 4 вдоль его поверхности. Далее, известными способами зажигается разряд между электролитом 4 и электродом 6. После этого разряд выводится в режим с плотностью тока на жидком катоде ~0,5 А/см² и более. Затем каким-либо способом повышают уровень электролита 5 в сосуде 1 так, чтобы нижняя поверхность электрода 6 оказалась ниже уровня электролита 4. При этом разряд горит в углублении 7 внутри электролита 4, как показано на фиг.2. Уровень электролита 4 может быть изменен либо временным уменьшением скорости откачки, либо временным увеличением скорости подачи электролита, либо же путем добавления электролита в сосуд 1 из другой емкости. После повышения уровня электролита 4 и установления тока разряда, соответствующего выбранному режиму, отрегулируются скорости подачи и откачки электролита так, чтобы уровень электролита оставался в дальнейшем неизменным.

Течение электролита вдоль поверхности способствует тому, что электролит под действием электрического разряда не успевает нагреваться до высоких температур, при которых возникает пузырьковое кипение. Пузырьковое кипение нежелательно из-за того, что при таком кипении электролит разбрызгивается, попадает в разрядную область и тем самым нарушается стабильность горения разряда. На поверхности текущего электролита происходит пленочное кипение без разбрызгивания электролита. В этом заключается одно из отличительных особенностей предлагаемого способа.

Реактивная сила паров деформирует поверхность электролита 4 вовнутрь. Именно действие реактивной силы паров позволяет поднять уровень электролита 4 выше нижней поверхности электрода 6. Чтобы реактивная сила паров была достаточна для поддержания зазора (см. фиг.2), плотность тока на жидком катоде должна быть не менее 0,5 А/см². При меньших значениях плотности тока на жидком катоде происходит соприкосновение электролита 4 с электродом 6, начинается пузырьковое кипение электролита и нарушается стабильность горения разряда. Максимальное значение плотности составляет порядка 1 А/см². Граница со стороны больших значений плотности тока определяется режимом горения высоковольтного разряда. При больших значениях плотности тока разряд переходит в импульсно-искровой режим. Реактивная сила паров становится импульсной. Вследствие этого на поверхности электролита появляется рябь, и электролит 4 приходит в соприкосновение с электродом. В конечном итоге разряд становится нестабильным.

Плотность тока на твердотельном аноде существенно выше, чем на жидком катоде. Поэтому твердотельный электрод 6 нагревается до высоких температур. Чем больше ток, тем выше температура электрода 6. Поэтому, чтобы уберечь твердотельный электрод 6 от термического разрушения, предусмотрено охлаждение этого электрода. Он охлаждается путем прокачки через него охлаждающей жидкости. Такое охлаждение электрода 6 позволило увеличить ток разряда до 10 А. При этом мощность разряда достигала до 10 кВт. В экспериментах в качестве электролита использовался водный раствор поваренной соли с массовой концентрацией 0,05%. Твердотельный электрод был выполнен из стали.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно увеличить ток и мощность высоковольтного разряда между жидким электродным катодом и твердотельным анодом, нижняя поверхность которого находится ниже уровня электролита. При этом продолжительность горения разряда может быть сколь угодно большой, т.к. ресурсы работы обеих электродов: и жидкого электролитного катода, и твердотельного анода, практически являются неограниченными.