Обозначения параметров и их индексов 6
Введение 8
1. Электрические разряды с жидким электродом 12
1.1. Обзор исследований разрядов с жидким электродом 12
1.2. Конструкция плазмотронов с жидким электродом 26
1.3. Электролиты для разрядов с жидким электродом 29
2. Разработка экспериментального стенда для исследования сильноточных электрических разрядов с жидким электродом при различных проточных характеристиках катода 30
2.1. Система электрического питания стенда 32
2.2. Гидравлическая система охлаждения металлического анода 32
2.3. Гидравлическая система охлаждения жидкого электролита и
подачи его в электродный узел 33
2.4. Средства измерения параметров электрического разряда 46
2.4.1. Средства измерения электрических параметров 46
2.4.2. Средства измерения тепловых параметров 46
2.5. Средства измерения параметров жидкого электролита 49
2.5.1. Измерение электрической проводимости электролита 49
2.5.2. Измерение концентрации солей в электролите 50
2.6. Измерение параметров потока электролита 51
2.6.1. Измерение объемного расхода потока электролита 52
3. Экспериментальное исследование атмосферных сильноточных электрических разрядов между жидким электролитным катодом и металлическим анодом в открытой и закрытой разрядной пространствах .. 57
3.1. Измерение параметров потока охлаждающей воды у анода 57
3.1.1. Измерение температуры потоков охлаждающей воды у анода. .. 57
3.1.2. Измерение расхода потока охлаждающей воды у анода 58
3.2. Измерение параметров плазматрона. Вольтамперная
характеристика плазматрона 58
3.3. Энергетические параметры и энергетический баланс
электрического разряда (разрядного узла) 60
3.3.1 Уравнение теплового баланса электрического разряда 60
3.3.2 Мощность подведенной электрической энергии 61
3.3.3 Мощность джоулевого тепловыделения внутри электролита 61
3.3.4 Тепловые потери на аноде 61
3.3.5 Тепловые потери на катоде 62
3.3.6 Коэффициент полезного действия плазматрона 62
3.3.7 Расход потока электролита 63
3.3.8 Убыль электролита 63
3.5. Зависимость мощности, доли тепловых потерь на катоде и
массового расхода потока от расхода электролита 64
Заключение 65
Список использованных источников информации 67
Приложения 74
Приложение 1. Градуировочная характеристика платино -
платинородиевой термопары 74
Приложение 2. Градуировочная характеристика хромель-копелевой термопары 75
Приложение 3. Градуировочная характеристика ротаметра №1 для измерения расхода электролита, подведенного в нижнюю часть катода для его дополнительного охлаждения 76
Приложение 4. Градуировочная характеристика ротаметра №2 для измерения расхода электролита, подведенного в верхнюю часть катода 77
В электрическом разряде между жидким катодом и медным анодом при определенных условиях возникает пароводяная плазма с очень высокой температурой от 3000К до 5000К. Для сравнения приведем температуру воздушно-ацетиленового пламени - 2573К. Таким образом, видно, что пароводяная плазма имеет большую температуру, чем воздушноацетиленовое пламя. Струей пароводяной плазмы можно: обрабатывать материалы; утилизировать медицинские отходы; утилизировать бытовые и промышленные отходы; использовать в энергоемких плазменных процессах, в частности, для конверсии углеродсодержащих отходов в синтез-газ. В состав синтез-газа входит водород. Водород представляется наилучшим экологически чистым топливом (низшая теплота сгорания - 119872 МДж/кг), но обладая малым удельным весом потребует больших затрат на перекачивание по трубам, т.е. выход чистой энергии будет значительно ниже. Синтез-газ содержит СО и Н2. Из 1 кубометра синтез- газа получают 120-180 г синтетического бензина.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
1. разработан и собран закрытый рабочий участок экспериментального стенда для получения однородного объемного тлеющего разряда закрытом в разрядном пространстве;
2. разработана и собрана система оборотного водоснабжения экспериментального стенда с целью обеспечения надежности охлаждения электродов, электролита и элементов электрического питания;
3. получен однородный объемный тлеющий электрический разряд между жидким катодом и медным анодом при значениях тока от 7,8А до 15А и при напряжениях, подаваемых на клеммы медного анода и электролитного катодного узла от 1480В до 2000В путем варьирования величиной расхода воды, охлаждающей медный анод, и при варьировании величинами проточных характеристиках катода: расход и температура электролита, подаваемого в катодный узел в двух случаях: в открытом разрядном пространстве и в закрытом разрядном пространстве;
4. получена вольтамперная характеристика однородного объемного тлеющего электрического разряда между жидким катодом и медным анодом в открытом разрядном пространстве при атмосферном давлении;
5. получена возрастающая вольтамперная характеристика однородного объемного тлеющего электрического разряда между жидким катодом и медным анодом, расположенном на большом расстоянии (200мм), в закрытом разрядном пространстве при атмосферном давлении - такой характеристика указывает на устойчивость разряда.
6. выявлена зависимость однородности разряда от концентрации раствора хлорида натрия - при малых концентрациях появляются искровые каналы, а при больших концентрациях вольтамперная характеристика становится горизонтальной и разряд не горит без балластного сопротивления.
Цель работы: исследование характеристик однородного объемного тлеющего электрического разряда с жидким электродом при различных проточных характеристиках катода в диапазонах тока от 10А до 15А и напряжения от 1500В до 2000В.
Задачи работы.
1. разработать и собрать закрытый рабочий участок экспериментального стенда для получения однородного объемного тлеющего разряда в закрытом разрядном пространстве;
2. разработать и собрать систему оборотного водоснабжения экспериментального стенда с целью обеспечения надежности охлаждения электродов, электролита и элементов электрического питания;
3. обеспечить устойчивый однородный тлеющий атмосферный электрический разряд между жидким катодом и медным анодом путем варьирования величинами проточных характеристиках катода: расход и температура электролита, подаваемого в катодный узел в двух случаях в открытом рабочем участке и в закрытом рабочем участке;
4. получить вольтамперную характеристику электрического разряда между жидким катодом и медным анодом в закрытом рабочем участке при атмосферном давлении;
5. получить вольтамперную характеристику электрического разряда между жидким катодом и медным анодом в закрытом рабочем участке при атмосферном давлении.
Объект и предмет исследования.
Электрический атмосферный разряд между жидким электролитным катодом и медным анодом при межэлектродных расстояниях порядка 20200мм и при значениях тока от 10А до 15А и при напряжениях, подаваемых на клеммы (медный анод и жидкий электролитный катод) от 1500В до 2000В.
Степень обоснованности и достоверности полученных результатов.
В работе использованы эмпирические методы исследования. Опыты повторялись не менее пяти раз. Для определения погрешности измерений воспользовались стандартными методами обработки физических измерений.
Личный вклад автора.
Автор, Арсланов И.Ф., принимал непосредственное участие в решении поставленных задач. Автором были разработаны схема оборотного водоснабжения экспериментального стенда и гидравлическая схема подачи воды для охлаждения медного анода.
Публикации. По теме применения плазмы имеется одна публикация в материалах международной конференции - Энергоресурсосбережение при контроле состояния плавки металлов по составу отходящих газов. / Арсланов И.М., КарихФ.Г. Арсланов И.Ф. //Энергосбережение. Наука и образование: сборник докладов Международной конференции, 28 ноября 2017 г./ ред. кол. Исрафилов И.Х. [и др.]; под ред. д-ра техн. наук И.Х. Исрафилова. - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института К(П)ФУ. с. 239-243.
Структура и объём диссертации.
Данная магистерская диссертация включает в себя введение, 3 главы, заключение список использованных источников. Работа изложена на 24 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 5таблиц. Списки использованных источников состоит из 46 наименований.
В данной работе исследование характеристик электрического разряда с жидким электродом при различных проточных характеристиках катода в диапазонах тока от 10А до 15А и напряжения от 1500В до 2000В.
Получены следующие результаты:
1. разработан и собран закрытый рабочий участок экспериментального стенда;
2. разработана и собрана система оборотного водоснабжения экспериментального стенда с целью обеспечения надежности охлаждения электродов, электролита и элементов электрического питания;
3. получен устойчивый атмосферный электрический разряд между жидким катодом и медным анодом при значениях тока от 7,8А до 15А и при напряжениях, подаваемых на клеммы (медный анод и жидкий электролитный катод) от 1480В до 2000В путем варьирования величиной расхода воды, охлаждающей медный анод, и при варьировании величинами проточных характеристиках катода: расход и температура электролита, подаваемого в катодный узел в двух случаях: в открытом разрядном пространстве и в разрядном пространстве;
4. получена вольт-амперная характеристика электрического разряда между жидким катодом и медным анодом в открытом разрядном пространстве при атмосферном давлении;
5. получена вольт-амперная характеристика электрического разряда между жидким катодом и медным анодом в закрытом разрядном пространстве при атмосферном давлении.
Также выяснилось, что при малом расходе электролита из плазмы прикатодной зоны электрического разряда электролитом уносится меньшее количество тепла, чем при большем расходе электролита. Это обстоятельство повышает долю электрической энергии, затраченную на создание электрического разряда, что приводит к повышению температуры плазмы и к повышению эффективности плазматрона.
Выводы:
При малом расходе электролита из плазмы прикатодной зоны электрического разряда электролитом уносится меньшее количество тепла, чем при большем расходе электролита. Это обстоятельство повышает долю электрической энергии, затраченную на создание электрического разряда, что приводит к повышению температуры плазмы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
