Диффузный электрический разряд

1.2. Диффузный электрический разряд

Интенсификация пламени путем создания в продуктах сгорания природного газа с воздухом мощного идеально диффузного электрического разряда представляет научный и практический интерес [13]. Очевидно, что наиболее важным фактором, противодействующим сжатию шнура разряда в нить, является надлежащая предварительная обработка газа. Высокая турбулентность как в зоне разряда, так и на подходе к ней также помогает предотвратить нитевой режим дуги; влияние этого фактора особенно отчетливо проявляется при высоких значениях электрической мощности. Диффузно интенсифицированное пламя дает потенциальные технические и экономические преимущества по сравнению с другими источниками высокого потенциального тепла, что может найти большое применение в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Работа Карловица [5] показала, что к пламени можно подвести в виде высоковольтного разряда сравнительно слабого тока большие количества электрической энергии, рассеивающееся по всему объему пламени.

При обычных температурах газы являются очень плохими проводниками электрического тока, так как они содержат очень небольшие количества электронов и положительных ионов. По мере повышения температуры многоатомные газы становятся все менее стабильными и диссоциируют на составляющие их атомы. Только при очень высоких температурах (выше 5000 К) ионизация таких элементов, как О₂, N₂, H₂ и С, достигает степени, достаточной для придания газу сколько-нибудь значительной электропроводности.

В области температур от 5000 до 20 000 К степень ионизации обычных газов становится весьма чувствительной к изменениям температуры, в результате чего с повышением температуры электропроводность газов увеличивается на много порядков. Поэтому говорят, что газы имеют большой положительный температурный коэффициент электропроводности.

Вследствие большого положительного коэффициента обычный газовый проводник по самой своей природе представляет собой нестабильную активную нагрузку и не может быть непосредственно подключен к зажимам источника постоянного напряжения без прихода в возможное короткое замыкание. Последовательно с обычным газовым проводником для ограничения тока, протекающего через него, должно быть включено балластное сопротивление, т. е. достаточно большое дополнительное активное сопротивление или катушка индуктивности. Именно к этому и сводится обычно применяемый метод стабилизации электрической дуги.

Есть два способа, с помощью которых можно предотвратить сужение токопроводящего канала в нить. Первый заключается в уменьшении большого положительного коэффициента электропроводности до минимально возможной величины. Второй - в уменьшении или полном устранении случайных местных различий в проводимости, прежде чем они чрезмерно возрастут.

Для реализации первого способа используется общеизвестная методика «посева» в пламя. Щелочные металлы (и их соединения) гораздо легче ионизируются, чем компоненты обычных газовых смесей. Таким образом, проводимость такого пламени с присадкой ионизирующей добавки почти целиком обусловлена введением добавленного вещества. Для того чтобы придать пламени достаточную электропроводность в целях обеспечения возможности рассеивания большого количества энергии при сравнительно невысоком напряжении, достаточно ввести всего несколько миллионных долей «посевного» материала.

Реализация второго способа также принципиально возможно, поскольку перегрев проводящего канала и сужение его в тонкую нить разряда представляет собой процессы, протекающие во времени, а следовательно, им можно противопоставить интенсивное перемешивание, которого можно достичь при высокой турбулентности. Такое перемешивание способствует устранению любых местных различий в температуре и электропроводности еще до того, как они чрезмерно возрастут. При надлежащей предварительной обработке рабочего газа основная часть столба разряда остается полностью диффузной.

Математический анализ условий, необходимых для предотвращения образования нити разряда, проведенный Карловицем [6], привел к понятию критического градиента напряжения, в случае превышения которого перемешивание за счет турбулентного режима уже бывает недостаточным для того, чтобы устранить прогрессивно возрастающее влияние местных неоднородностей на скорость нагрева. Согласно теории до тех пор пока критический градиент напряжения не превышен, турбулизация может действовать эффективно в течение времени, сравнимого со временем, необходимым для образования нити разряда; этот теоретический вывод подтвержден экспериментально.

1.3. Положительный столб дуги высокого давления

Форма положительного столба разряда зависит от внешних факторов, определяющих условия теплоотдачи столба во внешнее пространство. При постоянстве этих условий и постоянном токе форма столба также стабильна. Используют три основных метода стабилизации:

стабилизация стенками - в дуге, горящей в прямой цилиндрической трубке, длина которой много больше ее диаметра, в этом случае столб принимает форму цилиндрического шнура;

стабилизация потоком газа - дуга, горящая в свободной газовой атмосфере или обдуваемая потоками газа; в 1-м случае дуга сама вызывает конвективное течение газа; во 2-м случае эти течения создаются принудительно; если эти течения пересекают столб дуги, последний изгибается и принимает форму, определяющую само название «дуга»; если же течения параллельны оси дуги (дуга в продольном потоке), или касательно к столбу (дуга, обдуваемая газовым или жидкостным вихрем), то столб сохраняет форму прямого цилиндра; этот случай во многом сходен со стабилизацией стенками, однако теплообмен с окружающей средой при этом более интенсивный; кроме того, внутри дуги возникают гидродинамические течения, которые могут повлиять на режим горения дуги;

стабилизация электродами - «короткая дуга», в этом случае столб принимает обычно форму эллипсоида вращения.

Электрические дуги высокого давления характеризуются значительной силой тока и высокой температурой плазмы (10000К). При этом всякое дополнительное охлаждение дуги (принудительное охлаждение электродов или столба дуги) ведет к повышению температуры плазмы (парадокс Штеенбека).

Положительный столб дуги, горящей в свободной атмосфере

В работе [7] проведена детальная оценка относительной роли процессов преобразования и переноса энергии в различных областях положительного столба свободно горящей дуги и выявлена возможность выделения ряда зон, внутри которых можно пренебречь тем или иным процессом.

Процесс теплопроводности играет существенную роль практически во всех зонах, что обусловлено большими радиальными градиентами температуры.

Излучение плазмы при Р=Р_атм составляет лишь небольшую долю энергии, преобразуемой в дуге.

Распределение электрической мощности по сечению дуги определяется в основном радиальным распределением электропроводности r), т. к. gradE_z=const, в проводящей части положительного столба. Учитывая, что проводимость плазмы резко падает с уменьшением температуры, можно принять 0 при ТT₂ конвективный теплоотвод отсутствует. Заметим, что уменьшение Т₂ или увеличение на 500К мало сказывается на результатах [14]. Для теоретического определения величины Т₂ потребовалось бы решить сложную систему уравнений. Поэтому при выборе конкретного значения Т₂ приходиться основываться на экспериментальных данных распределения температуры и скорости газового потока в положительном столбе дуги.

Таким образом, естественно разделить положительный столб свободно горящей дуги на 3 зоны:

Центральная проводящая зона. В ее пределах происходит выделение электрической энергии, которая в процессе теплопроводности отводится во внешние части дуги. Центральная зона простирается от оси дуги до изотермической поверхности Т₁.

Промежуточная зона. Концентрация электронов и ионов в этой зоне мала. Перенос тепла обусловлен теплопроводностью. Промежуточная зона ограничена изотермическими поверхностями Т₁ и Т₂(Т₁>T₂).

Внешняя зона конвекции. Источников тепла нет. Перенос тепла обусловлен теплопроводностью и конвекцией. В пределах внешней зоны происходит спад температуры от Т₂ до Т_ex, T_ex - температура окружающей среды.

Т. к. в пределах двух внутренних зон изотермические поверхности и направление скорости газового потока параллельны оси дуги, то значение температуры Т в любой точке этих зон однозначно определяется расстоянием от оси.

Нагрев газа и влияние его на ВАХ

В трубке без протока газа тепло отводится к стенкам, которые имеют комнатную температуру Т₀. Плотность потока тепла к стенкам равна

Если оперировать средней по сечению температурой Т, то потеря энергии газом в 1 с из расчета на 1 см³ с точностью до численного коэффициента равна T-T₀)/R². Ее можно представить в виде Nc_p(T - T₀)_T, где с_р - теплоемкость, рассчитанная на одну молекулу, _T - частота теплоотвода _T=^_c_p - температуропроводность, а ^_ =R/8, N - число частиц. Она аналогична частоте диффузии _D=D/².

Возможен еще один механизм вывода тепла из разряда, который используется в современных мощных лазерах - прокачка газа через разряд. Этот механизм называют конвективным охлаждением. Речь идет о выводе тепла из разрядного объема. Если по-прежнему оперировать средней по длине потока L₁ температурой Т, то скорость теплоотвода из разрядного объема можно записать в том же виде Nc_p(T - T₀)_F, Т₀ - температура газа, вступающего в разряд, а _F = 2u/L₁ , u - скорость потока. В продольном разряде L₁=L - расстояние между электродами. Тогда нестационарное уравнение баланса запишется в виде

Опыт показывает, что в разряде, контролируемом диффузией, ВАХ изобразится не горизонтальной прямой, а слегка падающей. Это является следствием нагревания газа. У оси плотность тока больше, чем у стенок, так как там больше концентрация электронов (Е одинаково по сечению). Энерговыделение и температура газа на оси выше, чем у стенок. Поскольку частота ионизации фактически зависит не от Е/p, а от E/N, для поддержания ионизации в основной части токового сечения требуется меньшее поле, уменьшается и напряжение [15].