Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом: со вдувом и без вдува газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Тазмеева, Рамиля Нуриахметовна

• Тазмеева, Рамиля Нуриахметовна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тазмеева, Рамиля Нуриахметовна

Обозначения.

Введение.

Глава 1. Обзор исследований газовых разрядов с жидкими электролитными электродами.

1.1. Газовые разряды в парах воды и жидких электролитов.

1.1.1. Дуговой разряд.

1.1.2. Коронный разряд.

1.1.3. Импульсный разряд.

1.2. Газовые разряды с жидкими электролитными электродами.

1.3. Газодинамические и электрические явления на границе «жидкий электролит - плазма».

1.3.1. Деформация поверхности электролита при электрическом пробое.

1.3.2. Газодинамическое воздействие электрического разряда на поверхность электролита.

1.3.3. Массоперенос и перенос зарядов через границу «жидкий электролит - плазма».

1.4. Задачи диссертации.

Глава 2. Экспериментальная установка и методика измерений.

2.1. Общая характеристика экспериментальной установки.

2.2. Описание составных частей экспериментальной установки.

2.4. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности результатов.

Глава 3. Результаты экспериментального исследования газового разряда без вдува газа.

3. 1<. Общая картина физических явлений в газоразрядном устройстве с проточным электролитным катодом.

3.2. Возникновение газодинамического воздействия на электролитный катод.

3.3. Вольтамперные характеристики.

3.4. Падение напряжения на.проточном электролитном катоде.

3.5. Плазменный поток, формируемый в газовом разряде с проточным электролитным катодом.

Глава 4. Генераторы плазмы с проточным электролитным катодом и результаты исследования газового разряда со вдувом газа.

4.1. Генераторы плазмы с проточным электролитным катодом.

4.1.1. Катодный узел.

4.1.2. Элементы газоразрядной камеры.

4.1.3. Методика расчета внутренней геометрии газоразрядной камеры.

4.1.4. Энергетические характеристики.

4.2. Газовые компоненты в составе плазменного потока.

4.2.1. Теоретический расчет.

4.2.2. Эксперимент.

4.3. Влияние вдува газа на характеристики газового разряда.

4.3.1. Плазменный поток при вдуве газа.

4.3.2. Электрические характеристики.

4.4. Обобщенные вольтамперные характеристики.

4.5. Применение плазменного потока для газификации углеродсодержащих веществ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом: со вдувом и без вдува газа»

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 еще в 70-х и 80-х годах прошлого столетия [1-5]. Плазменные процессы с применением пароводяной плазмы разрабатывались и успешно использовались на заводах атомной промышленности СССР для утилизации радиоактивных отходов [6]. Источником плазмы служили электродуговые плазмотроны. Основной проблемой^ возникающей при эксплуатации плазмотронов, является эрозия электродов. Данная проблема отпадает при использовании для создания плазмы газового разряда 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. Данная диссертация, состоящая из четырех глав, посвящена решению этой актуальной задачи.

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.

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

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.

Научная новизна диссертационной работы.

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 (14 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 таза)* плазменного потока с 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 плазмькнаэлектролитныйжатод:

41 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 безвдува 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 диссертационной работы.

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 следующие положения.

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.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Тазмеева, Рамиля Нуриахметовна

вывода

1. Экспериментально исследован газовый разряд с проточным электролитным катодом при токах (1 — 25) А,, мощности (1 — 25) кВт и

3 1 удельной электрической проводимости электролита (0,8 - 2,7)-10" (Ом-см)" . Выявлено; что при плотностях тока, превышающих 0,5 А/см , на формирование электрических и тепловых характеристик газового разряда существенное влияние оказывает деформация поверхности электролитного кaтoдaj 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/см ; 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тазмеева, Рамиля Нуриахметовна, 2009 год

1. Ильин ИТ., Еремин E.H. Пиролиз; паров бензина' до ацетилена и олефинов в паро-водяной плазме. / Сб. "Химические реакции органических продуктов в электрических разрядах". М.: Наука, 1966. — С. 16-20.

2. Плазмохимические реакции и процессы. / Под ред. Л. С. Полака. -М.: Наука, 1977.-320 с.

3. Плазма в химической технологии. / Пархоменко В.Д., Сорока П.И., Краснокутский Ю.И., Пивоваров М.Н. — Киев: Техника, 1986. — 144 с.

4. Туманов Ю. Н. Плазменные технологии в формировании нового облика промышленного производства // Вестник РАН. 2006. №6. - С. 491-502;

5. Gerdien Н., Lötz А. Uber eine Lichtquelle von sehr hohe Flächenheligkeit. / Wiss. Veröffentl. a. d. Siemens Konzern. — 1922. Bd.2. - S. 489-496.

6. Maecker H. Ein Eichbogen für hohe Leistungen; // Zeitschrift für Physik.- 1951.-Bd. 129.-S. 108-122.

7. Larenz R. W. Über ein Verfahren zur Messung sehr: hoher Temperaturen in nahezu durchlässigen Bohensäulen. //Zeitschrift für Physik. 1951. - Bd. 129.- S. 327-342. .

8. Larenz R. W. Temperaturmessungen in der Söule eines Gerdien-Bogens. // Zeitschrift für Physik. 1951. - Bd. 129. - S. 343-364.

9. Jürgens G. Temperatur und. 'Elektronendichte in einem wasserstabillisierten Lichtbogen. // Zeitschrift für Physik. 1952. Bd. 134. - S. 21-24. ;

10. Джон, Бейд, Швейгер, Иос. Использование электродуговых плазменных генераторов в качестве ракетных двигателей. // Вопросы ракетной техники. 1960. - №8. - С. 19-29.

11. Рудяк Э.М:, Болотов A.B., Кудасов Б.М. Энергетические характеристики водяного плазмотрона. // Тезисы докладов VI Всесоюзн. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Фрунзе: Илим. 1974. — С. 177-180. : '' ' ч.

12. Жидкостный плазмотрон. / РудякЭ;М:, Рабинович-A.M.,.Туль Н.А. II А.с. №700935. СССР, МКИ3 Ы05Ы 7/18: Опубл. 1979. Бюл. №44.

13. Жуков М-Ф:, Михайлов Б.И., Аньшаков А.С. Пароводяные^ плазмотроны для ' пиролиза и, конверсии углеводородов // Плазменная* газификацияшширолизщизкосортньсс^ углей^ Сб;науч;тр. — Mi: ИздтВо^ИНХС АН СССР? 1987. С.

14. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы; Новосибирск:.Наука. 1975. — 178 с.

15. Жуков М.Ф., Козлов Н.П., Пустогаров^А.В; и«др: Приэлектродныепроцессы в дуговых разрядах. Новосибирск: Наука. 1982. — 157 с. * '

16. Добал В. Плазменный,' пиролиз углеродистых веществ в присутствии водяногошара // ХТГ. 1978. - №3. - С. 97-101.

17. Sheer G., Korman S., Dongertly T.J. Arc gasificasion of coal // IV Conf. Plasma Chem. Zurich, 1979. - P. 277-294.

18. Круковский B.K., Колобова E.A. Газификация угля> в плазме водяного пара // Теория и технологияг получения жидких, газообразных и синтетических топлив и сырьевая* база для их получения. — М.: Изд-во ИГИ. 1981. -С.71-78.

19. Жуков М:Ф., Калиненко P.A., Левицкий A.A., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. М1.: Наука. 1990. - 200 с.

20. Михайлов Б.И. Перспективы использования электродуговой'пароводяной плазмы // Теплофизика и аэромеханика. — 2002. № 1.-G. 1-16.i

21. Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Хан Л. Плазменно-паровая газификация петрококса // Материалы 4-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии; Иваново: Изд-во ИГХТУ. 2005. -С. 600-605.

22. Сакипов З.Б., Мессерле В.Е., Ибраев? Ш.Ш. и др. Экспериментальное исследование плазменного пиролиза бурых углей // Химия высоких энергий: 1986. - Т.20, №1. - С. 61-67.

23. Вдовенко М.И., Ибраев Ш.Ш., Мессерле В.Е. и др. Плазменная газификация углей с утилизацией минеральной части // Плазменная газификация и пиролиз низкосортных углей'. М-.: ЭНИН, 1987. - С. 59-70.

24. Рябинин В.П., Орулбаева Б.К., Тобояков Б.О. Технологическая схема плазменной газификации водоугольных суспензий- // Плазменнаягазификация и пиролиз низкосортных углей. М.: ЭНИН; 1987. - С. 101-110.