книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме
..pdfВ рамках этих же приближений температуру в канале разряда можно опреде лить по известной зависимости электропроводности плазмы от температуры [1.32]. При этом значение удельной электропроводности в каждый момент вре мени определялось по формуле
ст = |
I |
I |
|
(1.13) |
|
|
Ua кг> ’ |
|
где / —длина канала разряда; г —радиус канала разряда.
Расчет проводили в интервале времени от нуля до 7-ДО-5 с с шагом 51(Г7 с при следующих параметрах разрядного контура: UCo = 4 кВ, С = 12 мкФ, L = 0,6 мкГн, гцр = 0,04 Ом.
Результаты расчетов представлены на рис. 1.4 (кривые 3 и 4). Они достаточ но хорошо совпадают с экспериментальными данными зависимости темпера туры импульсной дуги от времени.
Приведенная выше оценка скорости охлаждения импульсной плазмы по экспериментальной временной зависимости температуры не охватывает сос тояния плазмы, которое характеризуется температурой 6000...7000 К и ниже, того периода разряда, когда происходит дробление плазменного образования с последующим прекращением свечения газа. Этот период чрезвычайно труден для диагностики, поскольку граница плазмы и ее конфигурация постоянно меняются.
Как уже отмечалось выше, при охлаждении газа в импульсном плазменном канале происходит интенсивное турбулентное перемешивание холодных и го рячих потоков. Учет этого процесса требует решения сложных газодинамичес ких задач и большого числа экспериментальных данных, которые трудно полу чить вследствие кратковременности процессов. Оценка скорости охлаждения газа в этот период развития разряда, реализующегося при свободном остыва нии плазменных образований, может быть проведена без учета интенсивного турбулентного перемешивания холодных и горячих объемов газов. Очевидно, что в этом случае будет получена только минимальная скорость закалки газо вой фазы.
Для этого рассматривается цилиндрический объем водорода, нагретого до Тн= 8000 К (температура выбрана на основании вышеприведенных расчетов), диаметром, равным максимальному диаметру плазменного канала (0,02 м), и длиной, равной межэлектродному расстоянию (0,01 м). Остывание этого объе ма рассматривалось в металлической термостатированной трубе с таким же ди
аметром (d = 0,02 м). Температура стенок принималась равной |
= 300 К. Тог |
да, согласно [1.33], можно записать: |
|
mCpdT= aFo6( T - T„)dx, |
(1.14) |
ZI
2а(Т Г„)' |
(U 7) |
Р С / |
|
где ф —средняя для выбранного температурного интервала скорость закалки, К/с. Расчеты, проведенные по этой формуле, показали, что порядок величины ф
не менее 107 К/с.
Таким образом, в условиях импульсной плазмы реализуются скорости автоза калки достигнутых под ее воздействием высокотемпературных состояний порядка 107...108 К/с. Эти скорости существенно превышают скорости охлаждения плазмы в большинстве установок, где используются специальные закалочные устройства.
Наряду с температурой важной характеристикой импульсного разряда явля ется давление газа, возникающее в процессе распространения импульсного разряда в плазмохимическим реакторе.
Как отмечалось выше, интенсивное расширение канала разряда приводит к возникновению ударной волны. Ее распространение определяет динамическое воздействие разряда на частицы, находящиеся в газодисперсном потоке.
Давление во фронте ударной волны (Рф) можетдостигать высоких значений [1.12]:
где у —показатель адиабаты; р0 —начальная плотность газа; ас —скорость дви жения фронта ударной волны. С учетом выражения для координаты фронта ударной волны ас [1.12]:
ас — 01%
. Ро
\ 1/4
J / 2
(1.19)
где а —безразмерная постоянная, значения которой приведены в [1.12] для раз ных газов; WQ—энергия, выделяемая в канале разряда на единицу его длины. Уравнение (1.18) для Рф может быть записано в следующем виде:
0,433(р0а ^ 0)'/!
( 1.20)
ф(у+1)т,,!
Экспериментальное определение импульсного давления проводили по стан дартной методике [1.37, 1.38] с помощью пьезоэлектрического датчика. Пог решность измерения не превышает 8 % при фронте сигнала не менее 2 мкс и длительности ~ 100 мкс.
На рис. 1.5 представлены характерные зависимости изменения давления во фронте ударной волны от энергии при распространении импульсного разряда в
разных средах. При разряде в аргоне давление выше, чем в водороде, что опре деляется различием плотности газов. В газодисперсной среде амплитуда давле ния ниже, чем в газе, что связано, по-видимому, с рассеянием части энергии разряда на нагрев и ускорение частиц. С увеличением энергии на накопителе давление растет пропорционально к 2, что согласуется с (1.20).
500 1000 1500 Дж
Рис. 1.5. Изменение давления во фронте ударной волны от энергии при распространении импульсного разряда в разных средах: 1 —разряд в аргоне; 2 —разряд в водороде; 3 —разряд в газодисперсной среде Аг—AI2 O3 ; 4 —разряд в газодисперсной среде Аг—TiC (— эксперимент;-------- расчет)
На основе вышеизложенного можно утверждать, что ИВКР является эффек тивным способом генерирования низкотемпературной плазмы с энергетичес кими характеристиками, в ряде случаев превышающими аналогичные для плаз менных потоков, генерируемых стационарными видами разрядов.
В условиях импульсной плазмы Moiyr быть реализованы скорости закалки высокотемпературных состояний 107...108 К /с, недостижимые на плазменных установках без применения специальных закалочных устройств.
При использовании ИВКР для генерирования плазмы и последующего ее применения в процессах получения и обработки материалов, конструирования
плазменных реакторов необходимо знание пространственно-временных характе ристик импульсного разряда. Информация о них может быть получена с исполь зованием довольно сложных экспериментальных методик и расчетных методов.
1.2.Особенности формирования и розвнтия импульсных разрядов
вгазовых средах, содержащох дисперсные частицы
Наличие дисперсной фазы существенным образом влияет на формирование и развитие импульсных разрядов в газах. В первую очередь наличие частиц в га зе, как из проводящего материала, так и из диэлектрика, оказывает влияние на диэлектрическую прочность газоразрядного промежутка, она уменьшается. К такому выводу пришли многие авторы, изучающие пробой газодисперсных сред, в частности [1.39—1.41]. Снижение пробивного напряжения тем больше, чем выше линейная плотность частиц по направлению вектора напряженности электрического поля. Наблюдаемый эффект связан с локальным усилением по ля в межчастичных промежутках.
Экспериментальные исследования зависимости пробивного напряжения от электрофизических свойств материала частиц [1.42, 1.43] показывают, что в газовых средах, содержащих проводящие электрический ток частицы, при достаточно большой их концентрации ток протекает по цепочкам проводи мости уже в очень слабых электрических полях. Однако при этом отмечено, что удельное электрическое сопротивление потока на несколько порядков превышает удельное электрическое сопротивление компактного материала. Этот экспериментальный факт, а также зависимости электропроводности га зодисперсных сред от концентрации частиц, скорости движения газа позво ляют сделать вывод о том, что основной вклад в удельное электрические соп ротивление газодисперсных сред вносит сопротивление контактов между час тицами.
Полученные другими авторами результаты подтверждаются и нашими ис следованиями по определению напряжения пробоя межэлекгродных проме жутков, заполненных газодисперсным потоком. Зависимости пробивной нап ряженности, определенной как
Е = |
U |
( 1.21) |
|
r\nR/r0 |
|||
|
|
для газодисперсных потоков, содержащих проводящие и диэлектрические час тицы, представлены на рис. 1.6.
Здесь Е —напряженность электрического поля, В/м; U —напряжение про боя, В; г0 —наружный радиус электрода, м; R —расстояние от оси до стенки корпуса реактора, м.
Таким образом, механизм образования канала импульсного разряда в газо дисперсной среде зависит от количества и свойств дисперсной составляющей, а также определяется количеством энергии, введенной в газодисперсный поток.
Взрывообразное расширение импульсных дуг и возникновение ударной волны приводят к ускорению дисперсных частиц, находящихся в газе. Н.Н. Рыкалиным с сотрудниками [1.46] была исследована скорость выброса частиц металла при вы соковольтном разряде в коаксиальном плазмотроне. По оценке авторов, она на два порядка ниже скорости газа. В работе [1.47] скорость металлических частиц размером 1...20 мкм, определенная по изменению яркости свечения плазмы, свя занной с наличием в ней дисперсных частиц, приближается к скорости газа.
В работе [1.48] дана оценка скоростей движения частиц канифоли при расп ространении плоской ударной волны в воздухе, содержащем до 20 % масс, час тиц разных диаметров. Установлено, что частицы диаметром 10 мкм при расши рении импульсной дуги приобретают скорость, равную скорости расширения канала разряда, и не попадают в область плазменных температур.
Более крупные частицы, являясь более инерционными, ускоряются меньше, приобретая скорость значительно ниже скорости движения газа и имеют высо кую вероятность попасть в канал разряда в область высоких температур.
Само распространение канала разряда в газодисперсной среде должно про исходить с меньшей скоростью по сравнению с законом Брагинского [1.14], описывающим распространение его в чистом газе. Это связано с поглощением части выделившейся энергии частицами конденсированной фазы.
Экспериментальная оценка этого предположения может быть проведена с помощью фоторегистрации распространения разряда в газовой среде, содержа щей дисперсные частицы, в модельной кварцевой камере и осциллографирования электрических характеристик разряда. Исследования проводятся с учетом того, что скорость нарастания тока в цепи разряда определяет не только дина мику развития канала разряда, температуру и длительность импульса, но и дек ремент затухания, характеризующий активное сопротивление импульсной ду ги, зависящий от геометрии канала разряда.
Результаты расчетов первого полупериода разряда в различных газодисперс ных средах представлены в табл. 1.1, а типичные осциллограммы тока и напря жения на рис. 1.3.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что сопротивление цепи разряда в газодисперсных потоках выше, чем в газе. Наиболее высокое значение сопротивления цепи разряда получено при разряде в среде, содержа щей частицы оксида алюминия. Это связано, по-видимому, с влиянием на соп ротивление разрядной цепи сопротивления импульсной дуги, которое при раз витии разряда в газодисперсной среде диэлектрических частиц выше, чем при развитии разряда в среде проводящих частиц, которое в свою очередь зависит
от сопротивления материала частиц. Этот результат совпадает с проведенными ранее исследованиями электросопротивления проводящих газодисперсных сред и влияния на него плотности электрического тока и порозности газодис персной среды [1.49]. При исследовании влияния расхода дисперсной состав ляющей газодисперсных сред на сопротивление импульсной дуги было показа но, что только при расходах, обеспечивающих концентрацию частиц более 1...3 %, сопротивление импульсной дуги увеличивается. Таким образом, при не больших расходах канал разряда формируется, по-видимому, по газовой среде.
При исследовании фоторазверток развития импульсного разряда в различных средах было подтверждено более медленное его расширение в газодисперсных средах по сравнению с разрядом в газе. Изменение радиуса канала импульсной ду ги, формирующейся в газодисперсном потоке Аг—А120 3, представлено на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Изменение радиуса канала импульсной дуги от времени при формировании ее в среде: 1,2 —аргон; 3 —аргон-А120 3 (— эксперимент;---------расчет)
Оценку радиуса канала разряда в газодисперсных средах можно провести и путем определения электрического сопротивления составляющих разрядной цепи —установки и импульсной дуги. Оценка величины электрического сопро тивления импульсной плазменной установки при разряде в чистых газах дает значение порядка 40-10-3 Ом.
При разряде в среде Аг —частицы А120 3 сопротивление цепи разряда равно ~
9010_3 Ом. Следовательно, сопротивление импульсной дуги: ги д = |
/*ц р —густ = |
= 50-10”3 Ом. |
|
Пользуясь соотношением |
|
= - 4 - , |
(1.22) |
па |
|
где р —удельное сопротивление импульсной дуги, Ом-см; / —длина импульсной дуги, см; а —радиус канала разряда, см, и принимая р = (4...5)-10“3 Ом-см [1.22] и / = 2,5 см, получаем а = 0,27 см. Эта
величина согласуется с экспериментальными данными.
Значение электрического сопротивления импульсной дуги и установки дает возможность определить КПД передачи энергии от накопителя в импульсную дугу (К) при максимуме тока в случае обработки газодисперсных потоков [1.50, 1.51] по выражению
К -----. |
|
(1.23) |
Г |
+ Г |
|
ид |
1 |
'уст |
Для наших условий КПД составляет 55...60 %.
Таким образом, можно сделать выводы о том, что наличие дисперсных час тиц в газовой среде влияет на механизм развития импульсного разряда в газо дисперсных средах по сравнению с развитием разряда в газах. Поглощение час тицами части энергии, выделившейся в дуге, приводит к более медленному рас ширению канала. Ударная волна вследствие трения ускоряет частицы дисперс ной фазы. Характер динамического воздействия импульсной плазмы на них оп ределяется размером и плотностью материала частиц.
Поглощение энергии разряда частицами сопровождается их нагревом. О тепловом воздействии плазмы можно судить опосредованно по характерным изменениям размера, структуры частиц. Они свидетельствуют о нагреве частиц до температур плавления и испарения.
Описание воздействия импульсной плазмы на дисперсные частицы, сопро вождающееся динамическим и тепловым взаимодействием, является наиболее трудной и сложной в экспериментальном плане задачей. Решение ее возможно на основании расчетов, исходными данными для которых являются экспери ментально определенные параметры импульсного разряда.
1.3.Установки импульсной плазмы и организации процессор получении
о обработки материалов о состоянии газодисперсных и парогазовы х потоков
В настоящее время не налажено серийное производство импульсных плаз менных установок. Разработка их осуществляется под каждый конкретный процесс получения и модифицирования дисперсных материалов. Любая им пульсная плазменная установка включает в себя: энергетическую часть (источ ник питания, накопитель энергии, управляющую схему для генерирования им пульсов - для управляемого разряда, приборы контроля параметров зарядной и разрядной цепей); разрядную камеру, часто совмещенную с плазмохимическим реактором для проведения целевого плазменного процесса; систему подачи и очистки газов; систему подачи исходных реагентов и устройства для сбора ко нечных продуктов. Возможная схема одной из таких установок представлена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Схема установки для генерирования и исследования импульсной плазмы: 1 — автотрансфор матор; 2 — высоковольтный выпрямитель; 3 —батарея конденсаторов; 4 —импульсный плазмохими ческий реактор; 5 —пылеуловитель; 6 —термостаты корпуса и электрода; 7 —осциллографы (изме рение тока разряда и напряжения); 8 - интегратор; 9,10 —система термостатировання реакционного объема; 11 — система подачи и очистки газа