Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 4, стр. 634-637

ВВЕДЕНИЕ

Исследования электрических разрядов переменного тока в газожидкостной среде с пузырьковой структурой имеет большой практический и научный интерес. Газожидкостные среды и течения представляют, как правило, двухфазную систему “газ–жидкость”, с помощью которой можно решить многие промышленные, бытовые и экологические проблемы. Использование в таких структурах электрических разрядов вносит новые эффекты и возможности применения. В [1] исследуется возможность эффективного применения импульсных электрических разрядов в газожидкостных средах с пузырьками, в том числе для защиты высоковольтного оборудования в энергетике. Формированию разряда, как правило, предшествует пробой, механизм которого изучается как для газовых систем, так и для жидкостей. Механизмы импульсных разрядов в диэлектриках (жидкие углеводороды) изучается в [2–4], где рассматривается общая картина явлений при низкой вероятности пробоя. Наличие пузырьковой структуры под действием ультразвука [5] влияет на динамику тока и напряжения разряда, а также на скорость развития разряда [6]. В [7–11] рассмотрены установки по получению газожидкостных систем, использующихся во многих областях промышленности. В частности, важную роль они играют в инженерной экологии применительно к водоочистке, в том числе к интенсификации биологической очистки стоков. В [12] проведено исследование метода получения газожидкостных смесей с пузырьковой структурой повышенной устойчивости на универсальном лабораторном стенде. Установлены зависимости диаметра пузырьков воздуха от расхода жидкости и воздуха, а также получены данные по гидродинамическому режиму двухфазной системы “газ (воздух) – жидкость (вода)”.

Целью данного исследования является изучение электрических разрядов переменного тока частотой 50 Гц в газожидкостной среде хлорида натрия в дистиллированной воде с пузырьковой структурой и микроразрядами. В данном случае сплошной фазой является раствор хлорида натрия в воде, а дисперсной − воздух.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная установка (рис. 1а) для исследования электрических разрядов переменного тока в газожидкостной среде 1%-ного раствора хлорида натрия в дистиллированной воде при атмосферном давлении состоит из разрядной камеры, источника питания переменного тока 4, универсального аналого-цифрового преобразователя Sensor-CASSY 5 и компьютера 6. Разрядная камера включает в себя две капельные воронки 1 и 2, соединенные между собой диэлектрической трубкой 3 диаметром 10 мм и поставленные на два штатива. В верхние открытые части воронок погружены медные проволоки 7 диаметром 1.5 мм для подачи потенциала. Межэлектродное расстояние в данных экспериментах составляло 50, 100 и 150 мм. Для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) разряда, а также зависимостей пульсаций напряжения и тока разряда от времени использовался универсальный аналого-цифровой преобразователь Sensor-CASSY, который подключался ко USB-входу компьютера с помощью кабеля. Полученные с преобразователя данные обрабатывались на компьютере в программе CASSY Lab. Для увеличения пределов измерения напряжения Sensor-CASSY подключался через делитель напряжения. Для измерения силы тока применялся трансформатор тока фирмы TALEMA INDIA марки АС 1010. Для фото- и видеофиксации использовалась цифровая видеокамера 4K Canon XC10. Скорость видеосъемки – 50 кадр/с.

На рис. 1б представлен фрагмент диэлектрической трубки с электролитом и электродами. Внешний диаметр трубки – 10 мм. Размеры пузырьков и их число оценивались визуально по данным видеофиксации.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты экспериментальных исследований электрического разряда переменного тока в газожидкостной среде с пузырьковой структурой и микроразрядами представлены на рис. 2−4.

Рис. 1.

Экспериментальная установка для получения и исследования электрического разряда переменного тока частотой 50 Гц при атмосферном давлении: (а) – функциональная схема, (б) – диэлектрическая трубка с электролитом и электродами.

Рис. 2.

Электрические характеристики разряда переменного тока в 1%-ном электролите NaCl при межэлектродном расстоянии 50 мм: (а) – ВАХ; (б), (в) – зависимости напряжения и тока от времени соответственно.

На рис. 2 приведены ВАХ разряда переменного тока и зависимости напряжения и тока разряда от времени при межэлектродном расстоянии 50 мм. Как видно из ВАХ (рис. 2а), в интервале тока от 0.2 до 0.8 А наблюдается увеличение напряжения на 120 В. Этот интервал роста напряжения и тока определяется электролизом внутри диэлектрической трубки, что подтверждается зависимостями напряжения (рис. 2б) и тока (рис. 2в) в начале разряда: зависимость U(t) имеет экспоненциальный характер с пульсациями относительно среднего значения напряжения. Кроме того, зависимость U(t) растет ступенчато от 0.12 до 55 с. В указанном интервале времени в пористой среде происходят пробои с последующими микроразрядами, что подтверждается зависимостью I(t) (рис. 2в). Здесь наблюдается первичный пробой пористой среды при напряжении 400 В и токе 0.75 А. Второй пробой происходит в среде с пузырьками и микроразрядами при U = 400 В и I = 0.85 А. В диапазоне времени от 55 до 140 с пульсации напряжения стабилизируются в пределах ΔU = 100 В. Однако в интервале времени между 140 до 225 с напряжение начинает пилообразно пульсировать. Пульсации напряжения и тока характеризуют пробой и зажигание микроразрядов.

С ростом межэлектродного расстояния от 50 до 150 мм ВАХ зависимости U(t) и I(t) имеют свои особенности. Анализ ВАХ при всех межэлектродных расстояниях показывает, что они имеют возрастающий характер в период электролиза и падающий при разряде. С ростом межэлектродного расстояния от 50 до 150 мм разброс значений ΔU относительно среднего значения существенно увеличивается, так как вероятность пробоя уменьшается.

На основе анализа данных видеофиксации разряда и электрических характеристик удалось установить механизм развития электрического разряда переменного тока в газожидкостной среде с пузырьками и микроразрядами при атмосферном давлении. После включения высоковольтного источника питания переменного тока начинается процесс электролиза с возрастающей ВАХ. Начало процесса можно видеть на рис. 1б. За счет электролиза внутри диэлектрической трубки между электродами образуются пузырьки различных размеров и форм. Их размеры составляют от 0.5 до 12 мм. Пузырьки воздуха скапливаются вверху средней части диэлектрической трубки, движутся к электродам и схлопываются. Перед пробоем и зажиганием разряда наблюдается бурное перемешивание пузырьков, а также образование больших пузырьков овальной формы и их деление. Зажигание разряда происходит около одного их медных электродов. С течением времени разряд перемещается вдоль диэлектрической трубки от одного электрода к другому. Образование структуры с пузырьками происходит в течение всего процесса горения электрического разряда.

Идеальный разрядный промежуток можно рассматривать как нелинейный элемент (НЭ), который характеризуется напряжением пробоя U_пр, напряжением горения U_гор и напряжением гашения U_гаш. Когда напряжение на НЭ меньше чем U_пр, при его нарастании ток через НЭ не протекает, далее ток определяется согласно формуле

При убывании напряжения и U(t) < U_гаш также I = 0.

Зависимость тока от времени для идеального НЭ с постоянными параметрами U_пр, U_гор и U_гаш при приложении синусоидального напряжения с частотой 50 Гц показана на рис. 3а. Спектр данного сигнала, полученный разложением I(t) в ряд Фурье, приведен на рис. 3б. Спектр имеет составляющие с частотами, нечетно кратными основной частоте 50 Гц.

Рис. 3.

Зависимость тока от времени (а) и спектр тока (б) для идеального НЭ.

Реальный разрядный промежуток между двумя медными электродами внутри диэлектрической трубки можно рассматривать как НЭ со стохастически меняющимися параметрами U_пр, U_гор и U_гаш. На рис. 4 приведены осциллограммы напряжения и тока разряда. Флуктуациям в большей степени подвержены значения тока.

Рис. 4.

Осциллограммы напряжения (а) и тока (б).

Для получения спектров пульсаций были произведены измерения напряжения и тока через интервал времени 50 мкс. С помощью быстрого преобразования Фурье получены спектры напряжения и тока (рис. 5). В спектре напряжения проявляется то, что напряжение мало подвержено флуктуациям. В спектре тока наблюдаются пики, соответствующие частотам 50, 150, 250, 350 Гц и т.д., аналогично рис. 3б. Помимо этих частот имеются промежуточные частоты, составляющие практически сплошной спектр. Они возникают в результате стохастических пробойно-разрядных процессов.

Рис. 5.

Спектры напряжения (а), (в) и тока (б), (г) для интервалов частот 0–250 Гц (а), (б) и 200–450 Гц (в), (г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлено, что разряд переменного тока в среде с пузырьками и микроразрядами нестабилен за счет пульсаций напряжения и тока разряда.

2. Установлено, что вероятность пробоя в электролите существенно зависит от межэлектродного расстояния и наличия пузырьковой структуры с микроразрядами.

3. Определен механизм развития разряда переменного тока внутри диэлектрической трубки в газожидкостной среде с пузырьками и микроразрядами.

4. Установлен частотный спектр колебаний напряжения и тока разряда с использованием быстрого преобразования Фурье: в спектре тока наблюдаются пики, соответствующие частотам 50, 150, 250, 350 Гц и т.д., тогда как напряжение разряда мало подвержено флуктуациям.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-30062).