GAS DISCHARGE WITH A LIQUID ELECTROLYTE CATHODE IN CREATING A FLOW OF STEAM WATER PLASMA

ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД С ЖИДКИМ ЭЛЕКТРОЛИТНЫМ КАТОДОМ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКА ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ

Научная статья

Тазмеев Г.Х.¹, Тазмеев Х.К.^2, *, Тазмеева Р.Н.³, Талипова И.П.⁴, Тазмеев Б.Х.⁵

^{1, 2, 3, 4} Казанский федеральный университет, Набережночелнинский институт, Набережные Челны, Россия;

⁵ Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, Краснодар, Россия

* Корреспондирующий автор (tazmeevh[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе приведены результаты экспериментального исследования газового разряда с проточным жидким электролитным катодом в условиях горения внутри камеры со стенками из огнеупорного материала. Медный анод располагался над катодом. Межэлектродное расстояние составило 20 см. В качестве электролита были использованы водные растворы хлорида натрия с концентрацией 0,2-0,3 моль/л. Источником электрического питания служил трехфазный выпрямитель с напряжением на выходе 2100 В. Разряд горел устойчиво без балластного резистора в диапазоне мощности 25-30 кВт. Получен поток пароводяной плазмы с массовой скоростью 1,0-1,7 г/с. Суммарные тепловые потери через электроды не превышали 30 % от потребляемой мощности.

Ключевые слова: газовый разряд, электролитный катод, пароводяная плазма, тлеющий разряд с электролизом.

GAS DISCHARGE WITH A LIQUID ELECTROLYTE CATHODE IN CREATING A FLOW OF STEAM WATER PLASMA

Research article

Tazmeev G.Kh.¹, Tazmeev Kh.K.^2, *, Tazmeeva R.N.³, Talipova I.P.⁴, Tazmeev B.Kh^{. 5}

^{1, 2, 3, 4} Kazan Federal University, Naberezhnye Chelny Institute, Naberezhnye Chelny, Russia;

⁵ Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

* Corresponding author (tazmeevh[at]mail.ru)

Abstract

The current article presents the results of an experimental study of a gas discharge with a flowing liquid electrolyte cathode under combustion conditions inside a chamber with walls made of refractory material. The copper anode was located above the cathode. The interelectrode distance was 20 cm. Aqueous solutions of sodium chloride with a concentration of 0.2-0.3 mol / l were used as an electrolyte. The electric power source was a three-phase rectifier with an output voltage of 2100 V. The discharge burned steadily without a ballast resistor in the power range of 25-30 kW. As a result, the researchers obtained a flow of steam water plasma with a mass velocity of 1.0-1.7 g/s. The total heat loss through the electrodes did not exceed 30% of the overall power consumption.

Keywords: gas discharge, electrolyte cathode, steam water plasma, glow discharge with electrolysis.

Введение

Жидкий электролит, используемый в качестве катода, подвергается интенсивному тепловому воздействию. Электролит испаряется, распыляется, частично поступает в разрядную область и участвует в образовании плазмы. Количество рабочего электролита убывает. Убыль электролита растет при повышении тока [1], [2], [3]. Массовая скорость убыли зависит от тепловыделения внутри электролита и условий отвода тепла от электролита [2]. На практике реализованы режимы горения разряда, при которых убыль электролита происходит с массовой скоростью до 1,5 г/с [3]. Плазменные потоки с такими массовыми расходами вполне приемлемы для энергоемких плазменных технологий. К примеру, в работах [4], [5], [6] показана возможность переработки отходов полимерных материалов. Разряд горел в небольшом вертикальном зазоре между жидким электролитом и металлическим электродом. Его высота была в пределах 3-4 мм. Такие небольшие размеры не позволяли ввод реагентов в разрядную область, где концентрация химически активных частиц наиболее высока. Реагенты подавались в плазменный поток на значительном удалении от разрядной области. Тем не менее был получен синтез-газ с достаточно хорошим химическим составом. Процесс протекал медленно и с большими затратами энергии. Снижение энергоемкости и ускорение процесса возможно при вводе реагентов непосредственно в разрядную область. Однако в этих условиях газовый разряд мало изучен. Имеются работы, в которых исследования проведены при небольших токах [7], [8]. При многократном увеличении тока физическая картина явлений может существенно меняться. В связи с этим целью данной работы явилось исследование газового разряда в сильноточных режимах горения для создания потока пароводяной плазмы в диапазонах мощности 25-30 кВт.

Эксперимент

На рис. 1 представлена схема газоразрядного устройства (генератора плазмы) с источником питания. Разряд зажигается между катодным узлом 1 и анодом 2 внутри камеры, состоящей из корпуса 3 и футеровки 4. Выходной канал разрядной камеры удлинен на 50 см и снабжен металлическим кожухом 5. Подробное описание катодного узла приводится в [3]. Стрелками указаны направления потоков электролита. Электролит циркулирует через катодный узел с фиксированной массовой скоростью m. Часть электролита распыляется с открытой поверхности и поступает в разрядную область. Межэлектродное расстояние l составляет 20 см. Анод представляет собой медный стержень с диаметром 25 мм. Он охлаждается водой. Корпус 3 разрядной камеры изготовлен из асбоцементных материалов, а футеровка 4 выполнена из огнеупорных кирпичей.

Электрическое питание подавалось от трехфазного двухполупериодного выпрямителя, подключенного к вторичным обмоткам повышающего трансформатора. Пульсации напряжения сглаживались C-L-C фильтром. Ток менялся ступенчатым варьированием балластного резистора R.

Рис. 1 – Схема экспериментальной установки:

1 – катодный узел; 2 – анод; 3 – корпус камеры; 4 – футеровка; 5 – металлический кожух выходного канала разрядной камеры

 

Жидким электролитным катодом служили водные растворы хлорида натрия с удельной электрической проводимостью s в пределах 10-15 мСм/см. При использовании таких растворов электролитов обеспечивается стабильное горение разряда на больших межэлектродных расстояниях [9].

В процессе горения разряда электролит расходуется на образование плазменного потока. Массовую скорость G убыли электролита можно считать численно равной массовому расходу потока плазмы. Убыль электролита компенсировалась добавлением дистиллированной воды во время работы генератора плазмы.

Для исследования тепловых и электрических характеристик применялись методики, описание которых даны в работах [2], [3]. Напряжение U и ток I регистрировались цифровым запоминающим осциллографом АКИП-15/1 с полосой пропускания 25 МГц. Удельная электрическая проводимость  электролита определялась методом прямой кондуктометрии с помощью прибора «АНИОН 4150». Температура в плазменном потоке измерялась платинородиевой термопарой ПР-30/6 на разных расстояниях z от анода. Термопара перемещалась с помощью координатного устройства в трёх взаимно-перпендикулярных направлениях.

Результаты экспериментов и их анализ

На рис. 2 приведены осциллограммы тока I и напряжения U на генераторе плазмы. Эти параметры подвержены пульсациям.

Рис. 2 – Осциллограммы тока и напряжения:

(a) – R = 14 Ом; (б) – 0

Примечание: σ = 11 мСм/см; m = 12 г/с

 

Как видно из сравнения осциллограмм, при повышении тока амплитуда его пульсаций увеличивается. По-видимому, усиление пульсаций вызваны уменьшением сопротивления балластного резистора. Аналогичные закономерности наблюдаются и в разряде, который горит в открытом воздухе [3]. Наличие пульсаций тока и напряжения является характерной особенностью газового разряда между жидким электролитным катодом и металлическим анодом.

Еще одна характерная особенность разряда проявляется при изменении интенсивности течения электролита через зону привязки разряда к катоду. В условиях горения разряда в открытом воздухе происходит повышение тока при увеличении расхода электролита [3]. Такая закономерность выявлена и в данной работе. Полученные результаты представлены на рис. 3а.

Рис. 3 – Зависимости тока (а) и массового расхода плазмы (б) от массовой скорости потока электролита, протекающего через катодный узел

Примечание: σ = 11 мСм/см; R = 0

 

При увеличении массовой скорости потока электролита растет массовый расход потока плазмы (рис.3б). Закономерности изменения тока и массового расхода потока плазмы одинаковы. Такая корреляция между этими двумя параметрами свидетельствует о наличии значительного ионного тока. Ионы переносятся в плазму из катода в составе капелек раствора [10]. Чем больше капелек распыляется, тем больше ионов поступает в разрядную область и тем больше становится ток.

С практической точки зрения наибольший интерес представляют режимы работы генератора плазмы при нулевом сопротивлении балластного резистора (R = 0). В этом случае исключаются потери электрической энергии на нагрев балластного резистора. На рис. 4 представлены энергетические характеристики генератора плазмы, полученные в режимах работы без балластного резистора.

Рис. 4 – Мощности генератора плазмы (N) и тепловых потерь через электроды (Q_k и Q_a) в зависимости от массовой скорости потока электролита m

Примечание: R = 0; σ = 11 мСм/см; 1 – N; 2 - Q_k; 3 - Q_a

 

Тепловые потери через электроды сравнительно малы. Мощности тепловых потерь через катод Q_k и анод Q_a отличаются ненамного. Повышение расхода электролита через катодный узел приводит к некоторому увеличению тепловых потерь Q_k и Q_a. При этом повышается мощность генератора плазмы N. Отношение суммы Q_k и Q_a к N меняется незначительно. Суммарные тепловые потери через электроды не превышают 30 % от потребляемой мощности.

В таблице 1 приведены результаты измерений температуры плазмы с помощью платинородиевой термопары.

 

Таблица 1 – Температура потока плазмы

z, см	55	60	65	70	75	80
t, °C	1400±100	1350±100	1250±100	1150±100	950±100	800±100

 

На выходе из генератора плазмы создается поток плазмы с достаточно большой температурой несмотря на значительное удаление от разрядной области. Как показывает термодинамический анализ, при таких температурах может быть осуществлена плазменная конверсия отходов полиэтилена и полиэтилентерефталата в синтез-газ [11]. 

Заключение

Экспериментально показана возможность применения газового разряда с жидким электролитным катодом для получения потока пароводяной плазмы в диапазоне мощности 25-30 кВт. Основные параметры плазменного потока: массовый расход 1,1- 1,7 г/с; температура 1400±100 °C на удалении 0,5 м от разрядной области.

Из полученных результатов следует, что мощные газовые разряды с жидким электролитным катодом могут быть рассмотрены наряду с дуговыми плазмотронами как источники энергоносителей в плазмохимических процессах, в частности, в плазменной газификации.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Сироткин Н.А. Экспериментальное исследование нагрева жидкого катода и переноса его компонентов в газовую фазу под действием разряда постоянного тока / Н.А. Сироткин, В.А. Титов // Прикладная физика. – 2016. – № 6. – С. 25-31.
2. Тазмеева Р.Н. Экспериментальное исследование массового уноса жидкого электролитного катода под воздействием газового разряда / Р.Н. Тазмеева, Б.Х. Тазмеев // Прикладная физика. – 2014. – № 1. – С. 35-37.
3. Tazmeev Kh.K. The influence of the mass flow rate of the electrolyte through the following cathode on the energy characteristics of the gas discharge / Kh.K. Tazmeev, I.M. Arslanov, G.Kh. Tazmeev // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – V. 567. – №1. – Р. 012001.
4. Фридланд С.В. Получение синтез-газа плазмохимической переработкой отходов / С.В. Фридланд, А.Х. Тазмеев, М.Н. Мифтахов // Вестник Казанского технологического университета. – 2006. – №6. – С. 10-15.
5. Тазмеев А.Х. Содержание оксида углерода и углеводородов в синтез-газе при плазмохимической переработке полимерных отходов / А.Х. Тазмеев, С.В.Фридланд, М.Н. Мифтахов // Вестник Казанского технологического университета. – 2006. – №6. – С. 43-46.
6. Tazmeev A.K. The material balance of process of plasma-chemical conversion of polymer wastes into synthesis gas / A.K. Tazmeev, R.N. Tazmeeva // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – V. 789. – №1. – Р. 012058.
7. Tazmeev G.K. Study of gas discharge with a liquid cathode at maximum thermal load to the cathode / G.K. Tazmeev, B.A. Timerkaev, K.K. Tazmeev et al. // Journal of Physics: Conference Series. –2017. – V. 789. – № 1. – P. 012060.
8. Тазмеев Б.Х. Электрический разряд с электролитным катодом и его электрические характеристики / Б.Х. Тазмеев // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. – 1999. – № 4. – С. 71-76.
9. Тазмеев Х.К. Влияние локализации зоны привязки сильноточного разряда к жидкому электролиту на формирование плазменного столба / Х.К. Тазмеев, И.М. Арсланов, Г.Х. Тазмеев // Прикладная физика. – 2013. – № 4. – С. 33-37.
10. Tazmeev G.K. About the mechanism of electric discharge between the electrolyte flow and the metallic anode / G.K. Tazmeev, B.A. Timerkaev, K.K. Tazmeev // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – V. 1328. – № 1. – Р. 012075.
11. Tazmeev A.Kh. // Thermodynamic analysis of the plasma-chemical conversion of polymers into synthesis gas / A.Kh. Tazmeev, R.N. Tazmeeva // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. V. 1058. – № 1. – Р. 012036.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sirotkin N. A. Ehksperimental'noe issledovanie nagreva zhidkogo katoda i perenosa ego komponentov v gazovuju fazu pod dejjstviem razrjada postojannogo toka [Experimental Study of the Heating of a Liquid Cathode and the Transfer of Its Components to the Gas Phase Under the Action of a DC Discharge] / N. A. Sirotkin, V. A. Titov // Prikladnaja fizika [Applied Physics]. - 2016. - No. 6, pp. 25-31 [in Russian]
2. Tazmeeva R.N. Ehksperimental'noe issledovanie massovogo unosa zhidkogo ehlektrolitnogo katoda pod vozdejjstviem gazovogo razrjada [Experimental Study of Mass Entrainment of a Liquid Electrolyte Cathode Under the Influence of a Gas Discharge] / R.N. Tazmeeva, B. Kh. Tazmeev // Prikladnaja fizika [Applied Physics]. - 2014. - No. 1, pp. 35-37 [in Russian]
3. Tazmeev Kh.K. The influence of the mass flow rate of the electrolyte through the following cathode on the energy characteristics of the gas discharge / Kh.K. Tazmeev, I.M. Arslanov, G.Kh. Tazmeev // Journal of Physics: Conference Series. - 2014. - V. 567. - No. 1. - P. 012001.
4. Fridland S. V. oluchenie sintez-gaza plazmokhimicheskojj pererabotkojj otkhodov [Radiation of synthesis gas by plasma-chemical waste processing] / S. V. Fridland, A. H. Tazmeev, M. N. Miftakhov // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Kazan Technological University]. - 2006. - No. 6, pp. 10-15 [in Russian]
5. Tazmeev A. Kh. SodVstavit' erzhanie oksida ugleroda i uglevodorodov v sintez-gaze pri plazmokhimicheskojj pererabotke polimernykh otkhodov [Sodification of carbonmonoxide and hydrocarbons in synthesis gas during plasma-chemical processing of polymer waste] / A. Kh. Tazmeev, S. V. Fridland, M. N. Miftakhov // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Kazan Technological University]. - 2006. - No. 6, pp. 43-46 [in Russian]
6. Tazmeev A.K. The material balance of process of plasma-chemical conversion of polymer wastes into synthesis gas / A.K. Tazmeev, R.N. Tazmeeva // Journal of Physics: Conference Series. - 2017. - V. 789. - No. 1. - P. 012058.
7. Tazmeev G.K. Study of gas discharge with a liquid cathode at maximum thermal load to the cathode / G.K. Tazmeev, B.A. Timerkaev, K.K. Tazmeev et al. // Journal of Physics: Conference Series. –2017. – V. 789. – № 1. – P. 012060.
8. Tazmeev B. Kh. Ehlektricheskijj razrjad s ehlektrolitnym katodom i ego ehlektricheskie kharakteristiki [Electric Discharge With an Electrolyte Cathode and Its Electrical Characteristics] / B. Kh. Tazmeev // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. A.N. Tupoleva [Bulletin of the Kazan State Technical University named after A. N. Tupolev]. - 1999. - No. 4, pp. 71-76 [in Russian]
9. Tazmeev Kh. K. Vlijanie lokalizacii zony privjazki sil'notochnogo razrjada k zhidkomu ehlektrolitu na formirovanie plazmennogo stolba [Influence of Localization of the Binding Zone of a High-Current Discharge to a Liquid Electrolyte on the Formation of a Plasma Column] / Kh. K. Tazmeev, I. M. Arslanov, G. Kh. Tazmeev // Prikladnaya fizika [Applied Physics]. - 2013. - No. 4, pp. 33-37 [in Russian]
10. Tazmeev G.K. About the mechanism of electric discharge between the electrolyte flow and the metallic anode / G.K. Tazmeev, B.A. Timerkaev, K.K. Tazmeev // Journal of Physics: Conference Series – - 2019. - V. 1328. - No. 1. - P. 012075.
11. Tazmeev A.Kh. // Thermodynamic analysis of the plasma-chemical conversion of polymers into synthesis gas / A.Kh. Tazmeev, R.N. Tazmeeva // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. V. 1058 – - No. 1. - p. 012036.