МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 6 • 2011
УДК 533.6.011:537.52
© 2011 г. В. О. ГЕРМАН, А. П. ГЛИНОВ, П. В. КОЗЛОВ, Г. А. ЛЮБИМОВ
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И СОСТАВА АТМОСФЕРЫ НА ФОРМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
Исследовано влияние состава атмосферы, материала электродов и их конструкции на форму разряда, ее изменение в процессе его развития и в установившемся режиме. В качестве материала для электродов использовались силицированный графит, прожекторный графит, графит ЗО-ПГ, вольфрам, медь; в качестве базовой атмосферы — воздух, аргон, гелий.
Установлено, что форма разряда (форма светящейся области в межэлектродном промежутке) существенно зависит от фактического состава атмосферы, который определяется составом базовой атмосферы и добавками, поступающими в межэлектродный промежуток при испарении электродов или специально вводимыми в межэлектродный промежуток. Именно через эти добавки осуществляется влияние материала электродов на форму разряда в установившемся режиме.
Ключевые слова: свободногорящая электрическая дуга, межэлектродный промежуток, скоростная видеосъемка, легкоионизующаяся присадка, атмосферное давление, вдув, осциллограмма.
Данная работа продолжает цикл [1—4] исследований дугового разряда, проводившийся в Институте механики МГУ в 2005—2009 гг.
Объект исследования — форма канала протекания тока в свободной атмосфере при токах I ~ 100—1000 А и атмосферном давлении1.
Известно (например [1—3]), что дуговой разряд в воздухе между электродами из си-лицированного графита имеет в общем случае нестационарный характер (фиг. 1, а).
Амплитуда и спектр пульсаций тока и падения напряжения между электродами на участке развития разряда (см. область 8 фиг. 1, а) и в установившемся режиме (зона 9) различны. В области 9 исчезают высокочастотные пульсации со значительной интенсивностью (частота ю ~ 0.5—2 кГц, амплитуда А ~ 15—20%), но остаются их низкочастотные составляющие: ю ~ 1 — 10 Гц, А ~5%. Эти пульсации тока и падения напряжения влияют на изменения зоны светимости на электродах и в межэлектродном промежутке и, следовательно, связаны с пульсациями формы зоны протекания тока. При этом общая картина области светимости разряда имеет вид, представленный на фиг. 1, б и в.
В квазистационарном режиме (область 9 фиг. 1, а) катодное пятно практически неподвижно, анодное пятно передвигается по разогретой поверхности анода. Вместе с анодным пятном перемещается основание анодного шнура и вся светящаяся анодная область. Это движение носит хаотический характер.
Изменение геометрии светящейся области разряда может приводить, по-видимому, к изменению суммарного сопротивления канала протекания тока, отражением чего являются пульсации тока и напряжения, регистрируемые на осциллограммах разряда (фиг. 1, а).
1В данной работе эта форма отождествляется с формой светящейся области в межэлектродном промежутке.
300 I, А; и, В
200
100
0
5
Фиг. 1. Типичные осциллограммы тока и напряжения (а) и видеокадры, снятые одновременно сбоку (б) и сверху (в), разряда между электродами из силицированного графита в воздухе: 1 и 3 — яркие катодный и анодный шнуры, 2 и 4 — слабо светящиеся ореолы катодного и анодного шнуров, 5 — разогретая поверхность анода, 6 — область диффузного разряда, 7—9 — участки раздвижения электродов, развития разряда и установившегося режима, ток I = 50 А, анод — слева, Ь = 38 мм
С целью определения характера влияния на форму токопроводящей области разряда внешних условий (силы тока, материала электродов, их конструкции, состава атмосферы) были поставлены специальные эксперименты, результаты которых описаны ниже.
1. Разряд в воздухе. В экспериментах была исследована динамика формы разряда как в приэлектродных областях межэлектродного промежутка, так и вдали от них.
Прикатодная область. При токах I ~ 100 А в момент начала раздвижения электродов на катоде возникает одно катодное пятно, которое является основанием для яркого и узкого прикатодного шнура. В процессе раздвижения электродов пока расстояние между ними мало, прикатодный шнур достигает анода и можно предположить, что он — основной токовый канал. Длина прикатодного шнура в установившемся режиме зависит от протекающего тока и материала электрода.
В установившемся режиме прикатодный шнур (1 на фиг. 1, б и в) и связанная с ним зона слабого свечения (2 на фиг. 1, б и в) достаточно устойчивы.
При этом оценки [3] показывают, что на электрод по шнуру (как наиболее яркой области) протекает примерно половина тока разряда.
I, отн. ед.
б
12 3 4
4000
2000
0
3 2
1 4
470
480
490 X, нм
Фиг. 2. Видеокадр (а) разряда на электродах из силицированного графита при токе I = 70 А и спектрограммы (б), снятые в соответствующих точках разрядного промежутка (1—4): катод — справа, Ь = 28 мм
Удаленный от катода конец прикатодной зоны протекания тока взаимодействует с областью дугового столба (или прианодной областью) и изменяет свою форму и положение в пространстве в соответствии с процессами, происходящими в этих областях. В частности, передвижение пятна на катоде и деформация всей прикатодной области происходят довольно редко, так как это связано либо с разогревом и разрушением катода, либо с очень сильными изменениями формы прианодной зоны и области дугового столба.
Спектральные измерения (фиг. 2) показывают, что при малых токах (около 50— 200 А) в приэлектродных (катодном и анодном) шнурах на электродах из силицированного графита практически отсутствуют пары графита и кремния (1, 4 на фиг. 2, б). Следовательно, характер свечения этих шнуров не связан со струями паров, приходящих с катода и анода (например, струи могли пройти вне точек измерения). С другой стороны, около катода из вольфрама наблюдались интенсивные линии паров вольфрама. Эти факты свидетельствуют о том, что образование приэлектродных шнуров светимости при малых токах может быть не связано непосредственно с испарением электродов, а определяется процессами ионизации и переноса излучения. Появление линий графита и кремния в спектрах, соответствующих точкам измерения вдали от электродов (3 и 4 на фиг. 2, б), может быть вызвано испарением анода (окрестность точки 1 на фиг. 2, а).
Ионизационные процессы в межэлектродном промежутке определяются тепловыми и электрофизическими свойствами материала электродов, а также составом газовой атмосферы. Поскольку состав атмосферы в межэлектродном пространстве может изменяться за счет поступления паров материалов электродов, то и видеоизображение области разряда зависит в общем случае от используемых электродных материалов, находящихся в них примесей и принудительно вводимых через электроды присадок. Для примера на фиг. 3 приведена видеограмма разряда на электродах из прожекторного графита. При ее сравнении с видеограммой процесса протекания тока между электродами из силицированного графита примерно при тех же токах (фиг. 1, б и в) видно, что существенно возросла длина катодного шнура, исчезло анодное пятно на разогретой части анода. К тому же значительно уменьшилась область распределенного (примерно однородного) протекания тока (так называемая диффузная зона [5]), но в целом качественная картина осталась прежней.
Фиг. 3. Видеограмма разряда на электродах из прожекторного графита при токе I = 200 А: катод — справа, L = 110 мм
Фиг. 4. Влияние подачи к рабочей поверхности катода эмиссионно активной присадки: a — отсутствие, б — наличие подачи калия; "-катод — справа; анод из сили-цированного графита; ток I = 50 (О) и 45 А (б); L = 38 мм
Изменение формы разряда при проведении экспериментов на электродах из прожекторного графита обусловлено, по-видимому, тем, что в его составе присутствуют калий и натрий. Их пары спектральными методами были обнаружены также и в межэлектродном промежутке. Пары щелочного металла сильно влияют на ионизационные свойства газа в межэлектродном промежутке, что и приводит к заметному изменению формы разряда. Для подтверждения этого вывода были проведены эксперименты с принудительной подачей паров калия в межэлектродный промежуток через катод из вольфрама. На фиг. 4 видно сильное изменение картины разряда в прикатод-ной области по отношению к картине протекания тока в опытах с электродами из си-лицированного (фиг. 1) и прожекторного (фиг. 3) графита2.
При токах выше 300—500 А картина разряда в прикатодной области изменяется. В частности, в начальной стадии развития разряда на катоде из прожекторного графита наблюдается несколько ярких и быстро перемещающихся катодных пятен, которые с течением времени сливаются в одно крупное пятно. После чего прикатодная зона качественно становится такой же, как при малых токах, за исключением того, что на спектрограммах в зоне катодного шнура появляются линии паров материала электрода.
Согласно [6] при больших токах на графитовый электрод катодный шнур формируется в струе паров материала электрода, истекающей из опорного пятна со скоростью и ~ 50—100 м/с. Естественно, что эта материальная струя, обладая существенным продольным импульсом, играет важную роль в процессах взаимодействия катодной и анодной областей разряда.
На фиг. 5 приведена картина взаимодействия катодной и анодной струй путем электрического пробоя между ними, реализовавшаяся при токе 500 А на электродах из прожекторного графита.
2 Со следами К и Na в материале электродов.
—Л J нт 1
Фиг. 5. Взаимодействие катодного и анодного шнуров при электрическом пробое между ними: электроды из прожекторного графита; ток I = 500 А; Ь = 28 мм; катод - слева; Г = 438.6, 438.8, 439 мс (1-3)
Прианодная область. В процессе развития разряда при раздвижении электродов разогревается большая часть поверхности анода (5 на фиг. 1, б и в). На этой поверхности образуется анодное пятно, являющееся основанием яркого прианодного шнура (3 на фиг. 1, б и в). В силу каких-то пока не ясных причин анодное пятно перемещается по нагретой поверхности анода. В условиях описываемых экспериментов прианод-ная область отличается от прикатодной тем, что и в установившемся режиме во всем диапазоне исследованных токов и условий эксперимента анодное пятно перемещается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.