Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и испарения воды

Кулешов П.С. (KuleshovPS@yandex.ru) (1) (1) Московский физико-технический институт (ГУ)

1.Введение

Во многих случаях коронный разряд и процесс испарения воды протекают совместно. Например: при электростимулированной конденсации в парогазовых струях [1]; при предпосевной обработке семян коронным разрядом [2], в некоторых видах электроосушителей и т.д. Экспериментальные исследования взаимодействия коронного разряда и процесса испарения воды, проведенные в рамках данной работы, показали, что при совместном протекании они усиливают друг друга. Это может привести как к негативным последствиям (например, увеличить потери линий электропередачи высокого напряжения во влажном воздухе), так и к позитивным - (например, увеличить всхожесть семян при их обработке коронным разрядом).

При проведении экспериментальных исследований в качестве источника отрицательного коронного разряда (ИОКР) использовался источник высокого постоянного напряжения с игольчатым, отрицательным и сетчатым, положительным (или заземленным) электродами, удаленными друг от друга на расстояние d. На вход источника высокого постоянного напряжения через ЛАТР подавалось переменное напряжение в пределах 0-220В, на выходе снималась межэлектродная разность потенциалов 0 - 20кВ. Вольтамперные характеристики (ВАХ) коронного разряда определялись с помощью микроамперметра типа М-95 и киловольтметра типа С-96, а характеристики процесса испарения - цифровым измерителем температуры и влажности типа Center 310. Измеритель влажности и температуры мог работать только в отсутствии коронного разряда.

За счет взаимодействия электростатического поля отрицательного игольчатого электрода с отрицательными аэроионами коронного разряда создавался электрический ветер, направленный от ИОКР. Концентрация аэроионов на расстоянии r = 5см от игольчатого электрода была равна n ~ 1016м-3. Напряженность поля от игольчатого электрода c потенциалом ф ~ 10кВ и радиусом внутренней области короны R0 ~ 1мм на расстоянии r = 5см от электрода

составляла E ~ 105В/м. Ниже приведены некоторые геометрические параметры струи электрического ветра: а = 30° - угол полураскрытия струи, S = 0.005м2 - площадь поперечного сечения струи на расстоянии r = 5см от игольчатого электрода, S1 = %-(L-sin(a))2 = 0.2м2 -площадь поперечного сечения струи на расстоянии L = 0.5м от игольчатого электрода.

2.Воздействие интенсивности испарения на коронный разряд

Описание экспериментов. В эксперименте, в котором коронный разряд происходил внутри подогреваемого закрытого сосуда с небольшим количеством дистиллированной воды (см. экспериментальная установка №1, рис.1), была обнаружена зависимость ВАХ коронного разряда от температуры насыщенного водяного пара в межэлектродном промежутке (система электродов: игла-сетка). При одном и том же напряжении, ток иглы увеличивался одновременно с увеличением температуры (рис.1). С увеличением температуры снижались предельные значения напряжений, при которых коронный разряд переходит в искровой. При изменении температуры с 20°С до 50°С наблюдается изменение границы (по напряжению) перехода коронного разряда в искровой с 13кВ до 8кВ (рис.1). Максимальный ток коронного разряда при различных температурах ограничивался величиной ~ 40 - 45мкА (рис.1).

Известно, что молекулы воды при нагреве диссоциируют на катионы и анионы [3]. В результате этого, удельная проводимость 8 = 1/рСопр.воды дистиллированной воды возрастает с увеличением температуры [3]. Известно, что концентрация насыщенного водяного пара n также возрастает с увеличением температуры [3]. Можно предположить, что оба этих фактора улучшают проводимость межэлектродного промежутка, тем самым, объясняя экспериментальные результаты представленные на рис.1.

На установке №1 был проведен эксперимент по влиянию концентрации пара на коронный разряд при постоянной удельной проводимости воды (рис.2). При комнатной температуре 20°С сравнивались вольтамперные характеристики коронного разряда в закрытом сосуде (насыщенный пар) и открытом сосуде (влажность у верхней границы сосуда 30%). Когда сетка располагалась под иглой и была закреплена, а игла передвигалась вертикально вверх, превышение тока при фиксированном напряжении в насыщенном паре над током в ненасыщенном паре усиливалось (рис.2).

В открытом сосуде с увеличением высоты влажность (от 100% до 30%) и концентрация пара уменьшаются. Следовательно, при перемещении иглы вверх (когда сетка закреплена) средняя концентрация пара в межэлектродном промежутке d также уменьшалась, а ее отличие от концентрации насыщенного водяного пара возрастало, что объясняет увеличение разности токов при фиксированном напряжении в насыщенном и ненасыщенном паре с увеличением межэлектродного промежутка d. Таким образом, эксперимент подтвердил влияние концентрации водяного пара на ток коронного разряда при фиксированной проводимости воды.

Электрические свойства насыщенных паров воды в коронном разряде. Известно (см. [4]), что для сферической геометрии электродов (R0 << d) ВАХ коронного разряда приближенно

R

задается уравнением: I = B • (ф - ф 0) • ф • -°-, где B - коэффициент, описывающий электрические

d

свойства среды в межэлектродном пространстве, ф0 - потенциал зажигания коронного разряда.

В таблице №1 представлены данные о температурной зависимости произведения n 8. В таблице №2 приводится оценка отношения произведения n-b для разных температур. Результаты эксперимента (рис.1) об изменении отношения токов при различных температурах насыщенного водяного пара в зависимости от напряжения коронного разряда показаны в таблице №3. Видно, что данные таблиц №1 и №3 хорошо совпадают для выбранных в диапазоне 20 - 50°С температур T1 и T2, т.е. разумно предположить о простой зависимости B ~ n-b. Однако, это предположение должно также объяснять зависимость отношения токов от напряжения коронного разряда при фиксированной температуре.

Такое объяснение возможно, если предположить, что увеличение электрического поля

R

увеличивает среднюю тепловую энергию частицы воды: kAT ~ pAE ~ p-2. Дф (1) - для не

d

R

заряженной частицы с дипольным моментом p вблизи сетчатого электрода; kAT ~ </Дф -- (2)

d

R

- для заряженной частицы при условии </Дф-- >> pAE вблизи сетчатого электрода.

d

Одновременное увеличение температур T1 и T2 на величину АГ ~ 4°С (см. таблицу №2) оказывает приблизительно такое же воздействие на отношение n8(T/)/n8(T2), как увеличение потенциала коронирующего электрода на Дф ~ 1кВ на отношение токов ITJ 1Тг (см. таблицу

№3). С учетом данного замечания, из формулы (1) следует, что дипольный момент частицы

должен быть равен p ~ kATd--5.6 -ю 27 Кл • м . Это возможно, если частица является

R0 Дф

микрокаплей радиуса RK ~ 9-10-9м, с числом молекул ~1000 шт., т.к. для молекулы воды

30

дипольный моментp0 = 6.2-Ю Кл-м [3]. Однако, микрокапли могут появиться в насыщенном

паре (в устойчивом равновесии с ним) только из-за гетерогенной конденсации на ионах

1

коронного разряда. Их радиус (см. [5]) должен быть равен Rt ~ --3

e2 (1 - - I ~ 109 м << R.

an2 8

(8 0 - диэлектрическая постоянная вакуума, 8 = 81 - диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды в н.у. [3]), что не подтверждает следствия формулы (1).

Из формулы (2) следует, что заряд должен быть равен q ~ kATd ~ 5.6 • 10 25 Кл . Это

R0 Аф

говорит о том, что при коронном разряде в насыщенном водяном паре одна частица с элементарным зарядом e = 1.6-10" Кл приходится на M ~ 3-10 не заряженных частиц. Можно предположить, что появление заряженных частиц в насыщенном паре при протекании в нем отрицательного коронного разряда связано с наличием отрицательных аэроионов. С учетом потенциала зажигания короны ф0 (см. рис.1), по формуле (2) имеем:

B(T,U)~ fir + qR (ф-ф0 -slT + qR (ф-ф0 )] = n(T + 0.004-(ф-ф0 ))-5(Г + 0.004-(ф-ф0)) (3). Из kd J kd J

графиков, представленных на рис.1, следует, что ф0 ~ 3 - 5кВ, но для согласования формулы (3)

с данными таблиц №1 и №3 необходимо, чтобы ф0 ~ 6кВ. Отличие в определении ф0

объясняется погрешностями эксперимента.

3. Воздействие коронного разряда на интенсивность испарения

Описание экспериментов. Воздействие коронного разряда на интенсивность испарения исследовалось на установке №2 (рис.3). В нормальных условиях (T=20°C, .Р=1атм), при вертикальном расположении ИОКР над поверхностью кюветы с водой площадью So ~ 0.002м2, на расстоянии L от нее наблюдалось более быстрое (в 4 раза по сравнению со случаем без ИОКР) испарение воды (рис.3).

Во время испарения происходит два процесса влияющих на его интенсивность: 1) вырывание молекул/кластеров воды с ее поверхности; 2) унос молекул пара из области непосредственно граничащей с поверхностью воды. Для осуществления первого процесса молекуле воды необходимо сообщить энергию, превышающую потенциальный барьер. Для осуществления второго процесса необходимо воздействие каких-либо внешних сил на водяной пар, которые делали бы его не насыщенным. В обычных условиях (если кювета сообщается с окружающим пространством) молекулы воды покидают приповерхностную область и проникают в окружающий воздух за счет диффузии или случайных конвективных потоков. Электрический ветер усиливает этот процесс, поэтому, для оценки влияния коронного разряда на интенсивность испарения, необходимо знать его скорость.

Оценка скорости электрического ветра. Скорость электрического ветра можно оценить, зная его реактивную тягу. Для этого была создана установка №3. Установка (рис.4) представляла собой емкость с водой, в которой плавала пенопластовая платформа с ИОКР. Платформа и стенки емкости соединялись через штанги (расстояние между штангами x = 25 -45см) легкой нитью известной длины s = 60см. Посередине нити подвешивался груз известной массы т. В положении равновесия горизонтальная составляющая силы натяжения нити уравновешивалась силой тяги ИОКР. Вертикальная составляющая силы натяжения уравновешивалась силой тяжести груза. Таким образом, появляется возможность измерить

т • g • x

силу тяги: Fnlim =-,(4). Для уменьшения горизонтальной составляющей силы

2 • V s2 - x2

упругости токопроводов, они были изготовлены из тонкой гибкой изолированной проволоки, и располагались вертикально. Чтобы обеспечить постоянное вертикальное положение

0