Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом (со вдувом и без вдува газа)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом (со вдувом и без вдува газа)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Низкотемпературная плазма, генерируемая в газовом разряде с жидкими электролитными электродами, обладает целым рядом отличительных особенностей, среди которых наиболее важное значение имеет ее неравновесность, связанная с большим отрывом электронной температуры от газовой. Не менее важным является то, что в плазме газового разряда с жидкими электролитными электродами содержится значительное количество химически активных частиц (радикалов). Такая химически активная неравновесная плазма имеет большие потенциальные возможности прикладного характера.

Жидкий катод преимущественно состоит из воды (99% и более), поэтому в газовом разряде с жидким электролитным катодом плазма образуется в основном из паров воды. Перспективы практического использования пароводяной плазмы несомненны. Возможность ее применения в плазмохимических процессах для переработки углеводородов была экспериментально показана в работах ряда авторов (Аньшаков А.С., Артамонов А.Г., Сурис А.Л., Рудяк Э.М. и др.) еще в 70-х и 80-х годах прошлого столетия. Плазменные процессы с применением пароводяной плазмы разрабатывались и успешно использовались на заводах атомной промышленности СССР для утилизации радиоактивных отходов. Источником плазмы служили электродуговые плазмотроны. Основной проблемой, возникающей при эксплуатации плазмотронов, является эрозия электродов. Данная проблема отпадает, если для создания плазмы используется газовый разряд с жидкими электродами.

Для большинства технологических приложений требуются плазменные потоки с достаточно большой плотностью энергии. При этом генераторы плазмы должны работать в диапазоне средних и больших мощностей (от десятков до сотни киловатт). В настоящее время в таком диапазоне мощностей газовый разряд с жидкими электролитными электродами мало изучен. Практически отсутствуют сведения о газодинамических процессах на границе «плазма - проточный электролит» при больших значениях тока, значительно превышающих 1 А. Не исследован плазменный поток, формируемый из паров электролита в условиях вдува газа в разрядную область. Все это сдерживает разработку плазменных технологий с применением парогазовой плазмы, образуемой из паров жидкого электролита. В этой связи исследование характеристик газового разряда с проточным электролитным катодом является актуальной задачей.

Цель работы - установление закономерностей физических процессов в газовом разряде с проточным электролитным катодом при повышенных значениях разрядного тока, а также в условиях вдува газа и создание генераторов плазмы для технологий обработки материалов.

Задачи исследования:

1. Экспериментальное исследование тепловых и энергетических характеристик газового разряда с проточным электролитным катодом в диапазоне токов от 1 до 25 А и электрической мощности от 1 до 25 кВт.

2. Установление закономерностей влияния вдува газа на характеристики газового разряда с проточным электролитным катодом.

3. Обобщение результатов исследований и разработка методики расчета генератора плазмы с проточным электролитным катодом.

4. Экспериментальное исследование возможности применения газового разряда с проточным электролитным катодом в процессах плазменной газификации углеродсодержащих веществ.

Научная новизна.

1. Существенно расширены диапазоны тока и мощности газового разряда с проточным электролитным катодом в сторону увеличения и получены его электрические и энергетические характеристики при токах (1-25) А, мощности (1-25) кВт в режимах горения со вдувом и без вдува газа.

2. Экспериментально обоснована возможность получения в газовом разряде с проточным электролитным катодом (без вдува газа) плазменного потока c энтальпией (4-6) МДж/кг и массовым расходом, превышающим 1 г/с.

3. Газовый разряд с проточным электролитным катодом экспериментально исследован при повышенных значениях плотности тока на катоде. Установлено, что при плотностях тока, превышающих 0,5 А/см², определяющую роль в формировании электрических и энергетических характеристик газового разряда играет газодинамическое воздействие плазмы на электролитный катод.

4. Получены обобщенные эмпирические формулы для расчета вольтамперной характеристики газового разряда и количества газовых компонентов в составе парогазовой смеси, образуемой в процессе горения разряда.

5. Установлены закономерности влияния расхода проточного электролита на тепловые и энергетические характеристики газового разряда и показано, что варьированием расхода электролита, протекающего через зону действия разряда, можно повысить эффективность преобразования электрической энергии в тепловую энергию плазменного потока.

6. Впервые созданы и исследованы генераторы плазмы с проточным электролитным катодом (со вдувом и без вдува газа) в диапазоне мощности от 10 до 25 кВт.

7. Получены эмпирические формулы, позволяющие определить базовые конструктивные размеры генераторов плазмы исходя из потребной мощности.

8. Впервые экспериментально показана возможность вдува летучих углеродсодержащих веществ в газовый разряд с проточным электролитным катодом и их конверсии в синтез-газ.

Практическая ценность.

Результаты исследований позволяют выполнить инженерный расчет генераторов плазмы с проточным электролитным катодом в диапазоне средних мощностей (10-25 кВт) и могут быть применены при проектировании плазменных устройств, предназначенных для создания потока пароводяной плазмы.

Экспериментальные данные могут быть использованы при разработке установок для плазменной газификации промышленных и бытовых отходов.

На защиту выносятся.

1. Результаты экспериментальных исследований характеристик газового разряда с проточным электролитным катодом в диапазонах изменения тока от 1 до 25 А и электрической мощности от 1 до 25 кВт.

2. Результаты исследований содержания газовых компонентов в парогазовой среде, образуемой в условиях газового разряда с проточным электролитным катодом.

3. Обобщенные результаты экспериментальных исследований вольтамперных характеристик газового разряда в режимах горения со вдувом и без вдува газа.

4. Новые генераторы неравновесной плазмы на базе газового разряда с проточным электролитным катодом со вдувом и без вдува газа.

5. Результаты апробации газового разряда с проточным электролитным катодом (со вдувом газа) для конверсии углеродсодержащих веществ в синтез-газ.

Степень достоверности научных результатов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается следующим: исследования проведены с применением аттестованных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей повторяемостью результатов; использованы физически обоснованные методики измерений; расчет погрешностей измерений выполнен с применением методов математической статистики и результаты экспериментов сопоставлены с известными опытными и теоретическими данными.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на IV Междунар. научно-практ. конф. “Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования” (г. Пенза, 2002г.), межвуз. научно-практ. конф. «Современные технологии в машиностроении» (г. Набережные Челны, 2004г.), межвуз. научно-практ. конф. «Вузовская наука - России» (г. Набережные Челны, 2005г.), междунар. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (г. Казань, 2007г.), VI Минском междунар. форуме по тепло- и массообмену (г. Минск, 2008г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 5 статьях и 5 тезисах докладов. По результатам работы получены 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 150 страниц, состоит из введения, 4-х глав, содержащие 69 рисунков и 1 таблицу, выводов, библиографического списка из 144 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы по вопросам, связанным с получением, исследованием и применением пароводяной плазмы. Представлен анализ исследований газовых разрядов с жидким электролитным катодом. В конце главы сформулированы цель и задачи диссертации.

Во второй главе содержится описание экспериментальной установки и приведены методики проведения экспериментов.

Экспериментальная установка является многофункциональной. Она предназначена для исследования газового разряда между проточным электролитным катодом и твердотельным анодом при атмосферном давлении в диапазоне токов от 1 до 25 А и мощности от 1 до 25 кВт в режимах со вдувом и без вдува газа, а также в режиме газификации углеродсодержащих веществ.

Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной установки.

На рис. 1 представлена принципиальная схема экспериментальной установки. Эта схема поясняет функционирование установки в режиме горения разряда без вдува газа. Разрядная область 1 находится в воздушном пространстве между жидким электролитом 2 и металлическим анодом 3. Плазменный поток 4 истекает из разрядной области в окружающую атмосферу.

В данной схеме экспериментальной установки показан запатентованный ва-риант катодного узла (выделен пунктирным контуром). Вну-три него поток электролита делится на две части, что позволяет создать благопри-ятные условия для снижения тепловых потерь на катоде. Циркуляция электролита производилась с помощью гидронасоса 5. Съем тепла от электролита осуществлялся в теплообменнике 6.

Уровень электролита 2 внутри катодного узла поддерживался неизменным. Убыль, происходившая из-за испарения под воздействием газового разряда, компенсировалась подачей свежего электролита из емкости 7. Расход добавляемого электролита контролировался поплавковым ротаметром 8.

Электрическое питание на электроды подавалось от трехфазного двухполупериодного выпрямителя, подключенного к вторичным обмоткам повышающего трансформатора. К отрицательному полюсу источника питания присоединялся графитовый токоподвод 9 и он заземлялся. Регулировка выпрямленного тока осуществлялась непрерывным изменением напряжения на первичных обмотках трансформатора. Ток и напряжение измерялись стрелочными приборами класса точности 0,2.

Тепловые потери определялись калориметрическим способом. Температура охлаждающей воды на входе в теплообменник и на выходе из него измерялась хромель-алюмелевыми термопарами. Их выходные концы были термостатированы. Теплота, уносимая из теплообменника охлаждающей водой, принималась как тепловые потери на катоде Q_к. Относительная погрешность измерения тепловых потерь, оцененная при доверительной вероятности 0,9, составила ± 15%.

Потенциал электрического поля внутри электролита измерялся одиночным зондом, который представляет собой вольфрамовый провод диаметром 0,2 мм, вставленный в кварцевый капилляр. Зонд перемещался координатным устройством, снабженным переменным резистором, с помощью которого механическое перемещение преобразовывалось в электрический сигнал. Этот сигнал поступал в “X”-вход потенциометра ПДП4-002, а к “Y”-входу потенциометра присоединялись через ограничительный резистор токоподвод и зонд. Таким образом, потенциометр регистрировал потенциал зонда относительно заземленного токоподвода. Абсолютная погрешность измерения составила ± 5В.

Падение напряжения на проточном электролитном катоде определялось по результатам измерений . Значение , зафиксированное зондом при его выходе из электролита, принималось как падение напряжения на катоде .

В качестве электролита использовались растворы поваренной и глауберовой солей в дистиллированной воде с концентрацией по массе (0,5ч1,0) кг/м³. Их удельная электрическая проводимость при комнатной температуре была в пределах (0,8ч2,7) Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1. Вместо электролита в опытах использовалась также и водопроводная вода. Водородный показатель рН электролитов измерялся иономером И-160, а удельная электрическая проводимость - кондуктометром «АНИОН-7020».

За массовую скорость испарения электролита был принят массовый расход добавляемого в катодный узел электролита. Измерение производилось поплавковым ротаметром типа РМ-0,63. Относительная погрешность измерения составила не более 5%.

Температура в плазменном потоке измерялась платинородиевой термопарой ПР-30/6, которая перемещалась с помощью координатника в трёх взаимно-перпендикулярных направлениях. Для предотвращения утечки тока термоэлектродвижущая сила измерялась с помощью прибора ПП-63, который не имел гальванической связи с электрической схемой установки. Для измерения температуры электролита использовалась хромель-алюмелевая термопара. Она помещалась за разрядной зоной по ходу течения электролита.

Объем газов, образуемых при горении разряда, а также в процессе плазменной газификации, измерялся счетчиком газа. Для проверки показаний счетчика были проведены контрольные опыты. В таких опытах газ после счетчика собирался в мерную емкость. Разность между показаниями счетчика и результатами контрольных опытов не превышала 5% от этих результатов.

Плотность тока вычислялась как отношение тока к площади той части поверхности электролита, где происходила привязка разряда к жидкому катоду. Размеры такой площади определялись по фото-видеоизображениям газового разряда, которые были получены с помощью цифрового фотоаппарата «Сanon» и видеокамеры «Sony».

Рис. 2. Схема газоразрядного узла

Анализы проб синтез-газа были выполнены на хроматографе «Кристалл-2000М». Концентрации водорода, метана, оксида и диоксида углерода определялись с помощью детектора по теплопроводности - катарометра, а у остальных ингредиентов - пламенно-ионизационного детектора. В качестве газа-носителя использовался аргон. Измерения проводились согласно инструкций, которые регламентируют нормы погрешностей, устанавливаемые по ПНД Ф 13.1:2.22-98 (для водорода, оксида углерода, диоксида углерода и метана) и ПНД Ф 13.1:2:3.23-98 (для углеводородов).

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследо-ваний газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении без вдува газа.

Рис. 3. Вольтамперные характеристики. Электролит - водный раствор Na₂SO₄.

l₀ = 2 мм. = 5 г/с. S_A = 12,3 см².

1 - = 1,25Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1; 2 - 2,50Ч10^-3.

На рис. 2 схематично изображен газоразрядный узел. В опытах было установлено, что для стабильного горения газового разряда 1 без использования балластного резистора толщина слоя электролита 2 над токоподводом 3 должна быть не менее 5 мм. Как показали эксперименты, при плотностях тока 0,5 А/см² и более под воздействием реактивных сил потока пара поверхность электролита 2 деформируется. В разрядной зоне образуется «яма», и слой электролита становится тоньше. С учетом этого явления опыты проводились с более толстым слоем электролита. Толщина h слоя электролита в недеформированном состоянии находилась в пределах 7 ч 16 мм. Глубина «ямы» увеличивалась при повышении плотности тока. При этом испарение происходило с вог-нутой поверхности электроли-та, и плазменный поток фокусировался в вертикальном направлении.

Рис. 4. ВАХ при разных массовых расходах про-точного электролита (Na₂SO₄). S_A = 15,7 см². l₀ = 2 мм. = 1,35Ч10^-3 (ОмЧсм)^-11 - = 80 г/с; 2 - 10.

Рис. 5. ВАХ для различных анодов. Электролит - водный раствор NaCl. l₀ = 2 мм. = 5 г/с. = 1,25Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1. 1 - S_A = 12,3 см²; 2 - 15,7.

Опыты показали, что глубина «ямы» зависит от высоты расположения анода 4 над поверхностью электролита 2 (рис. 2). Чем выше распола-гался анод, тем меньше была деформация поверхности элек-тролита, и при l₀ более 5 мм эффект фокусировки потока плазмы становился незначительным. В связи с этим более детальное исследование характеристик газового разряда проводилось при l₀ менее 5 мм.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) получились возрастающими. Как и следовало ожидать, в случае применения электролитов с бульшей удельной электрической проводимостью разряд горел при меньших напряжениях (рис. 3). К такому же результату привело и уменьшение массового расхода проточного электролита m (рис.4).

В связи с тем, что плотность тока на жидком электролитном катоде является ограниченной величиной, для исследования разряда при больших токах использовались крупноразмерные металли-ческие аноды. Увеличение рабочей площади анода привело к расширению разрядной области. При этом горение разряда поддерживалось в режиме деформированного электролитного катода. В опытах с различными анодами получились вольтамперные характеристики, схожие между собой (рис. 5).

Рис. 6. ВАХ при разных межэлектродных расстояниях. Электролит - водный раствор Na₂SO₄. = 10 г/с. S_A = 15,7 см². = 2,0Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1. 1 - l₀ = 2 мм; 2 - 4. 1 - S_A = 12,3 см²; 2 - 15,7.

Крутизна ВАХ уменьшалась при увеличении l₀ (рис. 6). Как известно, чем круче растет ВАХ, тем устойчивее горит разряд. Опыты показали, что эта закономерность в полной мере проявляется и в условиях газового разряда с проточным электролитным катодом. При l₀ более 5 мм режим горения разряда становился менее устойчивым. Для реализации режимов устойчивого горения потребовалось включение бал-ластного резистора в цепь элек-трического питания. Таким образом, в опытах было установ-лено, что наиболее выгодными с практической точки зрения (без балластного резистора) являются те режимы горения, при которых происходит газодинамическое продавливание электролитного катода (l₀ менее 5 мм).

Напряжение U, приложен-ное к разрядному узлу, складывается из напряжения горения разряда U_г и падения напряжения на электролитном катоде :

U = U_г + U_к. (1)

Рис. 7. Распределение потенциала внутри электролитного катода (Na₂SO₄). = 2,5Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1. m = 40 г/с.

Измерение каждого из этих слагаемых в отдельности представляет собой достаточно сложную задачу. Традиционные способы определения , основанные на измерении U при контакте элек-тродов, для больших значений тока оказались непригодными, т.к. про-исходило интенсивное кипение электролита. Численные значения были найдены из рас-пределений потенциала электрического поля. Внутри электролита увеличивался практи-чески линейно при удалении зонда от заземленного токопод-вода (до точки К по оси z, рис. 7). Около поверхнос-ти электролита эта закономерность нару-шалась. При этом прибор фиксировал более крутой подъем графика от z.

Эксперименты, про-веденные с различными электролитами при m = const, показали, что практически не зависит от тока. Такой результат наглядно иллюстрируют опытные данные, представленные на рис. 7 и 8. Отсюда следует, что U растет из-за увеличения U_г, и основной причиной формирования воз-растающих ВАХ является га-зодинамическое воздействие плазмы на проточный электро-литный катод.

Рис. 8. Падение напряжения на электролитном катоде (Na₂SO₄). l₀ = 2 мм. h = 13,5 мм. Светлые значки - = 10 г/с; темные - 40.

При увеличении тока из-за продавливания элек-тролитного катода происходит удлинение межэлектродного расстояния (на величину ). Соответственно, повышается напряжение горения разряда U_г.

Анализ результатов экспериментов показал, что сохранению постоянства способствует уменьшение электрического сопротивления катода R_к. На величину R_к влияют такие факторы, как изменение толщины слоя электролита в зоне действия разряда, повышение температуры электролита во время горения разряда и др.

Чем меньше , тем выше эффективность использования электрической энергии. Поэтому очень важно определить пути снижения . Как и следовало ожидать, уменьшается в случае применения электролита с бтльшей . Однако снижение таким способом не является оптимальным, т.к. приводит к уменьшению напряжения горения разряда U_г, следовательно, и удельной мощности разряда. Экспериментально был выявлен другой, более оптимальный путь снижения _, не влияющий на энерговыделение в газовом разряде. Он заключается в уменьшении m до предельно низких значений, при которых сохраняется стабильность разряда. Опыты показали, что путем варьирования m можно снизить до значений, составляющих менее 10% напряжения U, подаваемого на разрядный узел.

В опытах было установлено, что температура электролита t в значительной степени зависит от массового расхода m. Уменьшение m привело к установлению более высоких значений t, что видно из сравнения графиков 2 и 3 на рис. 9а. При больших расходах электролит не успевал нагреться до высоких температур. Его электрическое сопротивление оставалось достаточно большим и поэтому при таких расходах были высокими числовые значения . Исследование газового разряда при различных расходах проточного электролита выявило еще одну характерную особенность тепловых явлений на катоде. Увеличение m привело к существенному росту тепловых потерь на катоде Q_к (рис. 9б).

Сравнение Q_к с расчетными значениями мощности джоулевого тепловыделения , полученными по формуле

, (2)

а) б)

Рис. 9. Температура электролита (а) и тепловые потери на катоде (б).

Электролит - водный раствор Na₂SO₄. h = 13,5 мм. l₀ = 2 мм. 1 - = 1,3Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1 и m = 5 г/с; 2 - 2,5Ч10^-3 и 5; 3 - 2,5Ч10^-3 и 40.

Рис. 10. Массовая скорость испарения электролита. h = 13,5 мм. l₀ = 2 мм. 1, 2, 3 - см. в подписи к рис. 9.

показали, что основную часть Q_к составляет джоулево тепло, выделяемое внутри жидкого катода. Причем, в случае малых расходов проточного электролита числовые значения Q_к и Q_j практически совпали. Следовательно, в этих случаях поток тепла, поступающий от плазмы к электролиту, полностью возвращается обратно в разрядную область испарившимся электролитом. В таких режимах тепловые потери на катоде наиболее эффективным образом могут быть снижены теми же путями, которыми осуществляются уменьшение . Как показали опыты, тепловые потери Q_к минимальны при таком расходе электролита через разрядную зону, при котором его температура находится в пределах (70ч80)°С.

Одним из основных параме-тров газового разряда с жидким электролитным катодом является массовая скорость испарения элек-тролита . Опыты показали, что при одном и том же токе разряда меняется в достаточно широких пределах (рис. 10). Однако, несмо-тря на значительный разброс полу-ченных результатов, можно отме-тить некоторые закономерности.

Как видно из представленных на рис. 10 графиков, массовая скорость испарения электролита растет практически прямо пропорционально току. Другая закономерность заключается в том, что увеличение расхода электролита через зону действия разряда приводит к уменьшению . Такая закономерность отчетливо видна из сравнения данных, полученных при разных расходах электролита (графики 2 и 3, рис. 10).

В четвертой главе обобщены результаты экспериментальных исследований газового разряда со вдувом и без вдува газа, проанализированы процессы газообразования на катоде и в разрядной области и разработаны генераторы плазмы с проточным электролитным катодом, а также техническая система для газификации углеродсодержащих веществ.

Эффективность преобразования электрической энергии в тепловую энергию плазменного потока характеризуют тепловой КПД генератора плазмы и приращение энтальпии вещества, из которого образуется плазменный поток. Эти два параметра вычислялись по следующим формулам:

, (3)

, (4)

где Р - мощность генератора плазмы; ? суммарные потери энергии в систему охлаждения.

В рабочих режимах генераторов плазмы оба данных параметра менялись в достаточно узких интервалах: = 0,67ч0,72 и = 4,9ч5,4 МДж/кг. Следует отметить, что по этим параметрам разработанные генераторы плазмы находятся на уровне электродуговых плазмотронов разных модификаций.

В процессе разработки генератора плазмы важное значение имеет правильное конструктивное исполнение его внутренней геометрии. Результаты проведенных исследований позволили получить эмпирические формулы, связывающие базовые размеры конструктивных элементов электродных узлов с проектной мощностью генератора плазмы:

S_A = k_A·P ; S_T = k_T·P. (5)

Здесь S_A и S_T - площади рабочих поверхностей анода и токоподвода, см²; k_A и k_T - эмпирические коэффициенты, см²/кВт. k_A = 0,65ч0,70; k_T = 2,5ч3,0.

В число базовых размеров внутренней геометрии генератора плазмы входят толщина слоя электролита над токоподводом и высота расположения анода относительно токоподвода. Эти размеры одинаковы для всех генераторов плазмы и могут быть выбраны в пределах, соответственно, 8 ч 14 и 13 ч 17 мм.

Энерговклад в поток плазмы растет пропорционально току. Однако при этом возрастает массовая скорость испарения электролита . Поэтому плазма нагревается только до определенного предела. Среднемассовая температура плазменного потока на выходе из генераторов плазмы находилась в интервале 1700 ч1800 °С.

Внутри электролита, приготовленного из водных растворов NaCl и Na₂SO₄, ток переносится ионами водорода и натрия. На поверхности токоподвода из ионов образуется газ . Из ионов на этой поверхности выделяется металлический натрий. Поскольку материал токоподвода (графит) и натрий являются химически инертными по отношению друг к другу, металлический натрий вступает в реакцию с водой, образуя едкий натр и водород. Поэтому в катодных процессах электролиза весь электрический заряд можно отнести к одному химическому элементу - водороду. Согласно законам Фарадея объемную скорость образования водорода при р = 10⁵ Па и Т = 273 К можно вычислить по формуле

. (6)

Здесь = 1,28·10^-7 м³/Кл.

Вследствие восстановления водорода из ионов в электролите образуется избыток гидроксил-ионов . Часть ионов под воздействием газового разряда может поступить в разрядную область и таким образом может участвовать в переносе заряда на границе «электролит-плазма». Уравнение такого процесса запишется в виде

2 + 2 = 2 + + 2е. (7)

Согласно этому уравнению, в газовой фазе появляется кислород.

Рис. 11. Объемное содержание газовых компонентов в парогазовой смеси, образуемой при остывании плазменного потока.

В экспериментах плазменный поток из генератора плазмы направлялся в герметичный теплообменник, где пары электролита конденсировались и выделялись газовые компоненты. После отделения жидкого конденсата газы при комнатной температуре накапливались в мерной емкости, вытесняя оттуда жидкость. Результаты экспериментов с погрешностью, не превышающей ±10%, совпали с расчетом по эмпирической формуле

, (8)

где = 2,63·10^-7 м³/Кл.

Как и следовало ожидать, числовое значение значительно больше, чем , т.к. при горении разряда образуется не только водород. Даже если сделать допущение о том, что вместе с водородом образуется кислород в соотношении 2:1 как в «чистом» электролизе, объем газа, получаемого в опыте, превышает суммарный объем электролизных газов. Отсюда следует, что наряду с электролизом весомый вклад в газообразование вносят процессы, происходящие в разрядной области.

Следует отметить, что газовые компоненты образуются в сравнительно малом количестве. Их объемное содержание в составе плазменного потока составляет всего десятые доли процента (рис. 11). Причем реальное количество газовых компонентов значительно меньше того, что дает термодинамический расчет равновесного состава плазмы.

Рис. 12. ВАХ газового разряда с вдувом газа. Электролит - водный раствор Na₂SO₄. Газ - воздух. l₀ = 2,5 мм. а) = 2,5Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1. m = 10 г/с; 1 - G_г = 0 г/с; 2 - 0,35; 3 = 0,50. б) m = 20 г/с; G_г = 0,4 г/с. 1 - = 2,5Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1; 2 - 1,1Ч10^-3.

Возможности практическо-го применения газового разряда могут быть существенно расши-рены в том случае, если разрядная область продувается газом. В опытах вдув газа осуществлялся таким образом, чтобы газодина-мическое воздействие на поверх-ность электролитного катода было минимальным. При этом, как и в случае отсутствия вдува газа, ВАХ получились возрас-тающими (рис. 12).

Увеличение расхода вдуваемого газа привело к повышению напряжения горения разряда. Разряд горел устойчиво без балластного резистора в таких режимах вдува, при которых расход газа не превышал массовый расход электролита на парообразование.

Рис. 13. Распределение потенциала внутри электро-литного катода (Na₂SO₄) при вдуве воздуха. m = 20 г/с.

= 2,5Ч10^-3 (ОмЧсм)^-1. I = 11,6 А.

Измерения падения напря-жения на электролитном катоде выявили те же закономерности, которые наблюдались в режимах без вдува газа. В частности, численное значение оставалось практически неизменным в широком диапазоне разрядного тока и существенно возрастало при увеличе-нии массового расхода проточного электролита.

Отличительной особенностью разряда в режиме горения со вдувом газа явилось то, что в таком режиме происходило усиление пульсаций его электри-ческих параметров. Эта особенность разряда наглядно проявлялась на диаграммах распределения внутри проточного электролитного катода. Как видно из рис. 13, амплитуда пульсаций монотонно возрастает при удалении от токоподвода в верти-кальном направлении вдоль оси z к поверхности электролита. Причем, с увеличением массового расхода вдуваемого газа G_г диапазон пульсаций растет и достигает 20% катодного падения потенциала . Данное обстоятельство влияет на устойчивость горения разряда. Опыты показали, что стабильное горение разряда возможно при таких режимах вдува, когда массовый расход газа меньше массовой скорости испарения электролита в два раза и более, т.е. при выполнении условия:

G_г / < 0,5. (9)

Обобщение экспериментальных результатов было выполнено с использованием методов теории подобия и размерности. Полученные критериальные уравнения для расчета обобщенных характеристик разряда имеют вид:

- для режима горения без вдува газа

(10)

(l₀ = 1ч5 мм, S_A = 12,3 см², I = 9ч16 А, m = 5ч20 г/с, =(1,0 ч1,5)·10^-3(ОмЧсм)^-1);

- для режима горения со вдувом газа

 (11)

Рис. 14. Принципиальная схема технической системы для газификации углеродсодержащих веществ.

(l₀ = 1ч5 мм, S_A = 11,3 см², I = 8ч15 А, m = 5ч20 г/с, = (2,0ч2,5)·10^-3 (ОмЧсм)^-1, G_г = 0,1ч0,5 г/с).

Максимальное средне-квадратичное отклонение экс-периментальных значений U от расчетных не превышает 10%.

На основании экспери-ментальных исследований раз-работана техническая система для газификации улеродсо-держащих веществ. В качестве вдуваемого газа использовался воздух. Он транспортировал продукты термического разло-жения отходов полиэтиленовой пленки из камеры предвари-тельной термической дес-трукции в генератор плазмы (рис. 14). Вдув осуществлялся в разрядную область.



Рис. 15. Предельные концентрации основных компонентов синтез-газа из отходов полиэтилена

К соплу генератора плазмы была пристыкована реакционная камера. Внутри этой камеры температура поддерживалась в пределах 1600 ч 1700 єС. В теплообменнике, охлажда-емом водопроводной водой, происходила конденсация паров электролита. После отделения конденсата полу-чался синтез-газ, состоящий в основном из водорода, оксидов углерода и метана (рис. 15). Влияние электро-лизных газов и транспор-тирующего газа на состав синтез-газа было незначи-тельным, т.к. их доля в объеме синтез-газа не превышала 3%. Полученный синтез-газ может найти применение в качестве химического сырья в производстве углеводородов, а также может использоваться как топливо.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально исследован газовый разряд с проточным электролитным катодом при токах (1 - 25) А, мощности (1 - 25) кВт и удельной электрической проводимости электролита (0,8 - 2,7)·10^-3 (Ом·см)^-1. Выявлено, что при плотностях тока, превышающих 0,5 А/см², на формирование электрических и тепловых характеристик газового разряда существенное влияние оказывает деформация поверхности электролитного катода, возникающая за счет газодинамического воздействия плазменного потока на катод.

2. Исследован процесс образования газовых компонентов в плазме газового разряда с проточным электролитным катодом. Установлено, что при использовании в качестве электролита слабо концентрированных водных растворов солей в плазменном потоке преобладает водяной пар, а газовые компоненты не превышают 1 об.%.

3. Определены диапазоны параметров рабочего режима электролитного катода: плотность тока (0,9 - 1,0) А/см²; температура электролита в зоне действия разряда (70 - 80) °С. При работе катода в таком режиме приращение энтальпии плазменного потока составляет (4,9 - 5,4) МДж/кг, а температура достигает максимально высоких значений на значительном удалении от разрядной зоны (~1800 °С на расстоянии 40-50 мм от поверхности электролита).

4. Обобщены вольтамперные характеристики и получены зависимости, позволяющие рассчитать напряжение газового разряда. Максимальное среднеквадратичное отклонение расчетных значений напряжения от экспериментальных не превышает 10%.

5. Разработан новый катодный узел, позволяющий минимизировать тепловые потери на электролитном катоде. Доля тепловых потерь на катоде в общем энергетическом балансе генератора плазмы снижена до (5 - 6) %.

6. Разработаны генераторы неравновесной плазмы средней мощности (10 - 25 кВт) на базе газового разряда с проточным электролитным катодом, тепловой КПД которых находится в пределах (0,67 - 0,72).

7. Получены эмпирические формулы, связывающие базовые конструктивные размеры газоразрядного узла, а также массового расхода электролита с мощностью генератора плазмы. Разработана методика инженерного расчета генераторов плазмы с проточным электролитным катодом.

8. Экспериментально показана возможность вдува летучих углеродсодержащих веществ в разрядную область и их конверсии в синтез-газ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

газовый разряд электролитный катод

Научные статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК

1. Тазмеева Р.Н. Формирование плазменного потока с помощью разряда с жидким электролитным катодом и его характеристики / Тазмеева Р.Н., Зиганшин Р.Р. // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. - 2008. - №3. - С. 66-70.

2. Тазмеева Р.Н. Жидкоэлектродные генераторы плазмы средней мощности для технологий переработки отходов / Тазмеева Р.Н., Зиганшин Р.Р., Тазмеев Х.К. // Вестник машиностроения. - 2008. - №10. - С. 87-88.

Работы, опубликованные в других изданиях

3. Тазмеева Р.Н. Обработка воды неравновесной водяной плазмой / Тазмеев Х.К., Тазмеева Р.Н. // Сб. материалов IV Междунар. научно-практ. конф. ? Пенза: Изд-во «Приволжский Дом знаний». ? 2002. - С.74.

4. Тазмеева Р.Н. Регулирование тепловых режимов проточного электро-литного катода генератора плазмы с диффузным разрядом / Габдрахимов Р.М., Тазмеев Х.К., Тазмеева Р.Н. // Электронное период. изд-е «Социально-экономические и технические системы». http://www.sets.ru. ? 2004. №8. - 6 с.

5. Тазмеева Р.Н. К выбору оптимальных режимов плазменно-электро-литной обработки материалов / Сб. материалов межвуз. науч.-практ. (заочн.) конф. «Современные технологии в машиностроении». - Набережные Челны: Изд-во КамПИ. ? 2004. ? С.35-36

6. Тазмеева Р.Н. О тепловом режиме жидкого электролитного катода / Тазмеев Х.К., Тазмеева Р.Н., Гиздатуллин А.А. // Сб. материалов межвуз. научно-практ. конф. «Вузовская наука - России». - Набережные Челны: Изд-во КамПИ. - 2005. - С.76-77.

7. Тазмеева Р.Н. Электродный узел / Тазмеев Х.К., Тазмеева Р.Н. // Патент № 2258329. Россия, МПК H 05 H 1/28, H 05 B 7/22. ? 2004113983/28; Заявлено 06.05.2004, опубл. 10.08.2005. Бюл. № 22.

8. Тазмеева Р.Н. Плазмотрон с жидким электролитным катодом / Тазмеев Х.К., Тазмеева Р.Н. // Патент №2286033. Россия, МПК H 05 H 1/24, H 05 H 1/34. ? 2005115270/06; Заявлено 19.05.2005, опубл. 20.10.2006. Бюл. № 29.

9. Тазмеева Р.Н. Газообразование в электрическом разряде между жидким электролитом и твердотельным анодом // Проектирование и исследование технических систем. Межвуз. научн. сб. - Набережные Челны: Изд-во КамПИ. - 2006. - Вып. 8. - С.131-135.

10. Тазмеева Р.Н. О возможности использования жидкоэлектродных генераторов плазмы для создания высокотемпературного парогазового потока / Тазмеева Р.Н., Зиганшин Р.Р., Тазмеев Х.К. // М-лы междунар. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики». - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2007. - С. 86-88.

11. Тазмеева Р.Н. Исследование теплообмена в генераторе плазмы с жидким электролитным катодом / Тазмеева Р.Н., Зиганшин Р.Р., Тазмеев Х.К. // Тезисы докладов и сообщений VI Минского междунар. форума по тепло- и массообмену. Минск: Изд-во ИТМО им. А.В. Лыкова. - 2008. - Т. 1. - С. 242.

12. Тазмеева Р.Н. Исследование тепловых потерь в жидком электролитном катоде генератора пароводяной плазмы / Тазмеева Р.Н., Зиганшин Р.Р. // Проектирование и исследование технических систем. Межвуз. научн. сб. - Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА. - 2008. - Вып. 12. - С. 103-107.

Размещено на Allbest.ru

...