плазмотрон с жидким электролитным катодом

Формула изобретения

Плазмотрон с жидким электролитным катодом, содержащий проточную электролитическую ванну, снабженную металлической крышкой с отверстием, и металлический анод, отличающийся тем, что анод выполнен в виде полого горизонтального стержня с изогнутыми вверх под углом в пределах 30-60° концами и закреплен к крышке с внутренней стороны напротив ее отверстия так, чтобы расстояние между анодом и токоподводом электролитической ванны было в пределах 15-20 мм, при этом патрубки анода для подвода и отвода охлаждающей жидкости пропущены через крышку наружу и их участки, находящиеся ниже крышки, покрыты влаговпитывающим термостойким материалом, металлическая крышка выполнена водоохлаждаемой и с внутренней стороны к ней прикреплена таких же габаритных размеров пластина из пористого огнеупорного материала с продолговатым вырезом в середине так, что патрубки анода размещены в вырезе пластины, а к металлической крышке сверху прикреплено кольцо из термостойкого диэлектрического материала, которое состыковано со стенками электролитической ванны так, что между стенкой ванны с одной стороны и пластиной из пористого огнеупорного материала и металлической крышкой с другой стороны образован боковой зазор шириной 1-2 см, при этом электролитическая ванна заполнена электролитом так, что уровень электролита находится ниже анода на 2-5 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электроразрядным устройствам с жидким электродом, и может быть применено в плазмохимии, в частности, в качестве источника плазменного потока в плазмохимическом реакторе.

Известны электроразрядные устройства с жидким электродом, в которых электрический разряд зажигается между электролитом, налитым в сосуд с токоподводом, и твердотельным электродом, расположенным над сосудом [1, 2]. Эти устройства не пригодны для создания направленных потоков плазмы.

Известно электроразрядное устройство [3], в котором электрический разряд горит внутри диэлектрической трубки между металлическим анодом и электролитом, налитым в электролитическую ванну. Поток плазмы формируется на выходе из трубки. Это устройство имеет ряд недостатков, таких как малая мощность, отсутствие возможности регулирования напора плазменного потока и др.

Прототипом выбран плазмотрон с жидким электролитным катодом [4], который содержит проточную электролитическую ванну и массивный металлический анод цилиндрической формы с отверстием вдоль осевой линии. Электролитическая ванна снабжена металлической крышкой с отверстием в центре. Анод прикреплен к металлической крышке так, что отверстия обоих совпадают друг с другом. Поток плазмы формируется на выходе из отверстия металлической крышки.

Недостаток прототипа заключается в следующем. Массивный неохлаждаемый металлический анод является пригодным лишь для режима горения разряда с небольшой плотностью тока, не превышающей ˜0,4 А/см² на аноде и ˜0,2 А/см² на электролитном катоде. При таком режиме пары электролита в разрядной зоне не могут быть нагреты до высоких температур. Для достижения высоких температур необходимо повысить плотность тока. Однако, если повысить плотность тока на аноде выше 0,4 А/см², то неохлаждаемый металлический анод быстро нагревается до температуры плавления и выходит из строя. Таким образом прототип не позволяет получить поток плазмы с высокой температурой.

Изобретение направлено на повышение температуры плазменного потока. Это достигается тем, что в плазмотроне с жидким электролитным катодом, содержащем проточную электролитическую ванну, снабженную металлической крышкой с отверстием, и металлический анод, анод выполнен в виде полого горизонтального стержня с изогнутыми вверх под углом в пределах 30-60° концами и закреплен к крышке с внутренней стороны напротив ее отверстия так, чтобы расстояние между анодом и токоподводом электролитической ванны было в пределах 15-20 мм, при этом патрубки анода для подвода и отвода охлаждающей жидкости пропущены через крышку наружу и их участки, находящиеся ниже крышки, покрыты влаговпитывающим термостойким материалом, металлическая крышка выполнена водоохлаждаемой и с внутренней стороны к ней прикреплена таких же габаритных размеров пластина из пористого огнеупорного материала с продолговатым вырезом в середине так, что патрубки анода размещены в вырезе пластины, а к металлической крышке сверху прикреплено кольцо из термостойкого диэлектрического материала, которое состыковано со стенками электролитической ванны так, что между стенкой ванны с одной стороны и пластиной из пористого огнеупорного материала и металлической крышкой с другой стороны образован боковой зазор шириной 1-2 см, при этом электролитическая ванна заполнена электролитом так, что уровень электролита находится ниже анода на 2-5 мм.

На чертеже приведена схема плазмотрона с жидким электролитным катодом. Плазмотрон содержит электролитическую ванну 1 с токоподводом 2, металлическую крышку 3 и водоохлаждаемый металлический анод 4 в виде полого горизонтального стержня с изогнутыми вверх концами. Металлическая крышка 3 выполнена водоохлаждаемой (стрелками указаны направления течения, а пунктирными линиями - каналы для охлаждающей воды). Анод 4 расположен над токоподводом 2 на расстоянии L 15-20 мм. Патрубки 5 анода, служащие для подвода и отвода воды, пропущены через металлическую крышку 3 и их участки, находящиеся ниже крышки, защищены втулками 6 из термостойкого влаговпитывающего материала. Анод 4 находится напротив отверстия 7 металлической крышки 3. К металлической крышке 3 снизу прикреплена таких же габаритных размеров пластина 8 из пористого огнеупорного материала с продолговатым вырезом 9 по середине. Патрубки 4 анода размещены в этом вырезе 9. Металлическая крышка 3 состыкована со стенками электролитической ванны 1 через кольцо 10, выполненное из термостойкого диэлектрического материала. Между стенкой электролитической ванны 1 с одной стороны и пластиной 8 и крышкой 3 с другой стороны имеется боковой зазор 1-2 см. На стенках электролитической ванны выполнены отверстия 11 для подвода и отвода электролита, а также для окошка 12, предназначенного для визуального наблюдения уровня заполнения ванны электролитом 13, а также газового разряда 14.

Работает плазмотрон следующим образом. Перед началом работы отверстия 11 электролитической ванны 1 подсоединяются к системам подачи и откачки электролита и электролитическая ванна заполняется электролитом так, чтобы уровень электролита был ниже анода. При этом расстояние l между анодом и электролитом должно находиться в пределах 2-5 мм. Это расстояние определяется визуально по мерной шкале, нанесенной на окошко 12. Затем токоподвод 2 подключается к отрицательному полюсу источника питания, а анод 4 через патрубок 5 - к положительному полюсу. При этом электролит 13 становится жидким катодом. Далее, известными способами (например, взрывом тонкой металлической проволоки) зажигается электрический разряд 14 между электролитом и анодом. Электрический разряд 14 является диффузным и горит в режиме тлеющего разряда. Электролит под воздействием электрического разряда испаряется. Пары электролита служат плазмообразующей средой. Поток плазмы 15 выходит наружу через вырез 9 в пластине 8 и отверстие 7 крышки 3.

Для того, чтобы температура потока плазмы, выходящего из плазмотрона, была максимально высокой, необходимо обеспечить максимально высокую плотность тока в электрическом разряде, которая составляет ˜1,0 А/см² на электролитном катоде и ˜2,5 А/см² на металлическом аноде. При такой высокой плотности тока материал анода сильно нагревается, поэтому, для предотвращения термического разрушения анода, он выполнен водоохлаждаемым. Причем, чтобы анод не загромождал плазменный поток, габаритные размеры его участка, находящегося внутри потока плазмы, должны быть минимальными. Поэтому анод выбран в форме тонкого горизонтального стержня, располагающегося поперек плазменного потока. Концы стержня изогнуты вверх и к ним подсоединены патрубки для подвода и отвода охлаждающей воды. Угол изгиба находится в пределах 30-60°. Такой диапазон значений для обусловлен следующими условиями. Если >60°, то патрубки 5 со своими втулками 6 из термостойкого материала попадают в плазменный поток, при этом с одной стороны они разрушаются сами, а с другой стороны вызывают помехи для формирования плазменного потока. Если же <30°, то расширяется область газового разряда 14 под изогнутые части анода 4 и патрубки 5 со своими защитными втулками 6 опять попадают в плазменный поток.

Пары электролита, образующиеся при горении электрического разряда, попадая на холодные поверхности деталей плазмотрона, конденсируются. Капли, стекающие с металлической крышки, нарушают стабильность горения электрического разряда. Жидкий конденсат обильно образуется в начальный момент после зажигания разряда, т.к. в этот момент все элементы конструкции имеют низкую температуру. Для исключения этого нежелательного явления металлическая крышка снизу прикрыта пластиной 8 из пористого огнеупорного диэлектрика. Конденсат, образующийся на водоохлаждаемой металлической крышке, впитывается пористым огнеупором и постепенно испаряется под тепловым воздействием окружающей среды. Около плазменного потока поверхности пластины 8 подвержены нагреву до высоких температур. Поэтому пластина 8 выполнена из огнеупорного материала. Одновременно пластина 8 играет роль изолятора, предотвращающего случайные замыкания участка «анод - электролитный катод» электрической цепи вне разрядной области 14. По этой причине материал пластины 8 должен быть диэлектриком. Назначение защитных втулок 6 такое же как у пластины 8.

Конденсат, стекающий по стенкам электролитической ванны, может вызвать короткое замыкание разрядного промежутка. Поэтому к стенкам пристыковано кольцо 10 из термостойкого диэлектрического материала, т.к. на его поверхности пары конденсируются значительно меньше, чем на поверхности металлической крышки. Во время длительной работы плазмотрона металлическая крышка может нагреваться в значительной степени, т.к. предлагаемый плазмотрон генерирует плазменный поток с температурой, которая существенно выше, чем у потока плазмы прототипа. Поэтому крышка выполнена водоохлаждаемой. А на охлаждаемой поверхности всегда образуется конденсат. Как было отмечено выше, этот конденсат впитывается в пористый огнеупор и оттуда постепенно испаряется. Кольцо 10 во время длительной работы плазмотрона нагревается выше температуры конденсации пара и спустя определенное время после зажигания электрического разряда на поверхности кольца 10 конденсация паров прекращается. Таким образом, создается надежная защита от электрического пробоя участка цепи «анод - электролитный катод» по мокрым поверхностям деталей конструкции, находящихся между анодом и электролитным катодом, т.к., по крайней мере, поверхность одного из них, а именно поверхность кольца 10, будет сухой. Ширина бокового зазора в пределах 1-2 см вполне достаточна для этой цели.

Экспериментальные исследования показали существенную зависимость температуры в потоке плазмы от плотности тока на электродах. При плотности тока на электролитном катоде ˜0,5 А/см ², что не намного выше, чем у прототипа, температура на выходе из отверстия металлической крышки была равна ˜1000°С, а при значении плотности ˜1 А/см² (это максимально возможное значение для горения в режиме тлеющего разряда) температура достигала до 1500°С. В исследованном плазмотроне расстояние от поверхности электролита до выходного среза, где измерялась температура, составляло 50 мм. Таким образом, предлагаемый плазмотрон генерирует плазменный поток с достаточно высокой среднемассовой температурой, приемлемой для технологических целей.

Источники информации

1. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справочник - 2-е издание, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. См. стр.390-393.

2. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990. См. стр.54-55.

3. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Даутов Г.Ю. Устройство для получения тлеющего разряда в воздухе при атмосферном давлении. 1983. А.с. №1088086 (СССР).

4. Тазмеев Х.К., Тазмеев А.Х. Плазмотрон с жидким электролитным катодом. 2003. Патент №2219684 (RU).