Поведение пузырьков в перфтортриэтиламине под действием сильных электрических полей

 

Коробейников С.М.*, Мелехов А.В.**, Ганенко К.Б.**,

*Новосибирский Государственный Технический Университет

**Институт Лазерной Физики СО РАН

 

Проведены исследования образования и поведения долгоживущих микропузырьков размером 50-100 мкм в перфтортриэтиламине с помощью импульсно-нагреваемого проволочного электрода. Оптические исследования поведения пузырьков в сильном импульсном электрическом поле напряженностью до 800 кВ/см показали, что пузырьки вытягиваются в направлении поля, сжимаются в поперечном направлении, отрываются от электрода. При движении пузырьки, как правило, сплющиваются.

 

Введение

Исследования поведения пузырьков в сильном электрическом поле имеют как фундаментальное значение для выяснения механизма импульсного электрического пробоя жидкостей, так и практическое значение при разработке электрофизических и электроэнергетических устройств, содержащих жидкие диэлектрики. Ранее [1,2] экспериментально изучали поведение пузырьков в воде при импульсном воздействии напряжения. Воздействие импульсного электрического поля напряженностью до 300 кВ/см приводит к удлинению пузырька в направлении поля, сжатию в поперечном направлении, возникновению неустойчивости, перетяжек, отрыву и движению со скоростями до 10 м/с. Зарегистрирован "эффект полярности" в поведении анодных и катодных пузырьков. Большая часть этих особенностей объясняется возникновением частичных разрядов в пузырьках.

В то же время, в пузырьках, находящихся в неполярных жидкостях образование частичных разрядов затруднено. В этой связи представляет интерес исследование поведения пузырьков в неполярной жидкости. В качестве последней был выбран перфтортриэтиламин из класса неполярных фторорганических соединений.

 

Характеристики перфтортриэтиламина

Высокие электрофизические характеристики фторированных углеводородов весьма важны для их применений. Замена атома водорода на атом фтора приводит как к новым свойствам, так и новым возможностям. Общие свойства перфторуглеродов:

-         негорючесть;

-         высокая термическая стойкость и химическая стабильность;

-         инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам;

-         нетоксичность, бесцветность и отсутствие запаха;

-         низкое водопоглощение и высокая растворимость газов;

-         слабая растворимость нефторорганических материалов;

-         высокий температурный коэффициент объемного расширения.

Перфтортриэтиламин N(C₂F₅)₃ (триспентафтортриэтиламин): прозрачная бесцветная жидкость; относительная молекулярная масса   371,049;  температура плавления -145 °С; температура кипения 70,35 °С; критическая температура 196,25 °С; критическое  давление   1,81 МПа; критическая плотность 730 кГ/м³; плотность жидкости и пара в точке равновесия при 27 °С   1730 кГ/м³ и 2,18 кГ/м³; давление пара   0,01432 МПа;    поверхностное натяжение   11,9 мН/м, теплота фазового перехода 88 кДж/кг. Из электрофизических характеристик отметим диэлектрическую проницаемость e=2, возможность очистки до низких значений электропроводности s~10^-16См/см, возможность получения высокой электрической прочности при постоянном напряжении E~600 кВ/см [3].

Получение пузырьков

Методика получения пузырьков и проведения экспериментов была аналогична описанной ранее [1,2]. Пузырьки на поверхности проволочного электрода Æ200 мкм создавались за счет импульсного нагрева протекающим током. В отличие от воды, пузырьки в перфтортриэтиламине создавать проще, т.к и точка кипения ниже и, самое главное, теплота парообразования примерно на порядок ниже, чем у воды. Действительно, токовый порог образования пузырьков в перфтортриэтиламине примерно в три раза ниже, чем в воде (рис.1).

Рис.1. Появление первых пузырьков 50-80 мкм в перфтортриэтиламине в зависимости от амплитуды и длительности импульса тока.

 

При этом в чистой жидкости пузырьки быстро, менее чем за 1 сек., исчезают. Причина этого достаточно очевидна, растворимость воздуха в перфтортриэтиламине значительно превышает растворимость воздуха в воде. Например растворимость азота при 0°С составляет 3.65 г×л^-1×Мпа^-1 [4], в других единицах это дает значение Сs»0.3 cм³/cм³, что в пятнадцать раз превышает растворимость в воде Сs»10^-2 cм³/cм³. Это означает, что при одинаковой степени насыщения воздухом неравновесный пузырек в перфтортриэтиламине будет растворяться в пятнадцать раз быстрее. Что касается второго основного компонента воздуха- кислорода, то его растворимость в перфтортриэтиламине еще в полтора раза выше, чем растворимость азота [4].

Для того, чтобы пузырек имел достаточное время жизни необходимо ввести в жидкость воздух до состояния, близкого к насыщению. С этой целью в ячейке с перфтортриэтиламином создавали небольшое избыточное давление воздуха, которое, по мере растворения воздуха и уменьшения давления периодически восстанавливали. Образование устойчивых пузырьков осложнялось еще другими обстоятельствами. Жидкость идеально смачивает электрод, следовательно сила, удерживающая пузырек на поверхности от всплывания практически отсутствует. Кроме того, выталкивающая сила (Архимеда) увеличена почти в два раза из-за высокой плотности жидкости. Поэтому пузырьки с временем жизни более 10 сек удалось получить лишь после дополнительной обработки электрода с целью сделать его более шероховатым. При этом образовывался только один пузырек, причем в области максимального поля.

На рис. 2 приведены экспериментальные точки по растворению парогазовых пузырьков различного размера.

Рис. 2. Временная зависимость изменения диаметра пузырьков, начиная от максимального размера и вплоть до исчезновения пузырька.

 

Видно, что время жизни значительно меньше, чем в воде и для пузырька диаметром 70 мкм составляет менее 1 минуты. Аппроксимация экспериментальных данных по времени растворения t_р в зависимости от радиуса r, проводилась в соответствии с теоретическим выражением (1)

                                                                                                   (1)

Здесь D- коэффициенту диффузии газа в жидкости, Сs- растворимость, и С -газосодержание в жидкости.. Здесь коэффициент диффузии неизвестен. Если положить, по порядку величины, что коэффициент диффузии D ~ 10^-5 см²/с, то наилучшее соответствие достигается при C_s-C » 10^-2 см³/см³. При растворимости воздуха в нормальных условиях C_s » 0.3 см³/см³ [4] то означает, что перфтортриэтиламин была насыщен более 95% от максимального содержания, т.е. пузырьки находились в состоянии, близком к равновесному.

Высоковольтные эксперименты

Установка была идентичной используемой ранее [1,2], за исключением лазера. Вместо рубинового лазера ОГМ-40 использовался полупроводниковый лазер с электронной накачкой ПЛЭН-1. Это позволяло иметь более короткий световой импульс ~ 3 нсек, кроме того, лазер мог срабатывать через несколько секунд после предыдущего срабатывания. Это позволяло работать с пузырьками, время растворения которых составляло менее 1 минуты.

Эксперименты проводились при двух напряжениях, соответствующих максимальной напряженности в ячейке 300 кВ/см и 800 кВ/см.

Экспериментальные результаты

На рис.3 а, б, в, г приведены фотография микропузырьков диаметром примерно 70 мкм на поверхности электрода до подачи напряжения, и через 48, 87, 120 мкс после подачи напряжения.

 

Рис. 3. Конфигурация пузырьков на поверхности электрода до воздействия поля, а также через 48, 87, 120  мкс после начала воздействия электрического поля. Максимальная напряженность 300 кВ/см.

 

Видны удлинение пузырьков, отрыв пузырьков, движение сплюснутых пузырьков. Напряжение составляло 30 кВ, соответственно напряженность поля вблизи электрода, где расположены пузырьки, составляла около 300 кВ/см, кадры взяты из разных серий, б,г – анод, в  - катод. Видно, что разницы между катодом и анодом нет. Вначале пузырьки удлиняются в направлении действия электрического поля и сжимаются в поперечном направлении. Перед отрывом пузырьки имеют форму капли. Отрыв пузырьков от поверхности электрода при напряжении 30 кВ происходит через 50-60 мкс. На поздних стадиях движения оторвавшихся пузырьков они имеют форму фигуры, сплюснутой в направлении движения. 

При воздействии более высокого напряжения 80-85 кВ поведение пузырьков имеет тот же характер. Они отрываются раньше, через 15-20 мкс после начала воздействия. Форма движущихся пузырьков меняется в процессе движения, зарегистрированы как сплюснутые, так и круглые пузырьки, причем разброс расстояний, на которые успевают пройти пузырьки, весьма значителен. Оценка скорости движения оторвавшихся пузырьков дает значения порядка 2-3 м/с.

Что касается зажигания разряда при наличии пузырьков на поверхности, то напряженность поля была недостаточной для стабильного зажигания. Имело место лишь несколько случаев зажигания разряда. Единственный вывод, который может быть сделан: место зажигания разряда совпадало с местоположением пузырька.

 

Обсуждение экспериментальных данных

При анализе экспериментов в первую очередь встает вопрос о причинах движения пузырьков. Из анализа [2] следует, что наиболее вероятны два источника деформации и движения пузырьков: частичные разряды и диэлектрофоретическая сила.

Частичные разряды. Ввиду того, что перфтортриэтиламин является легкокипящей жидкостью, пузырек в своем составе имеет два газа: воздух и пары перфтортриэтиламина, причем при комнатной температуре воздух составляет примерно 86%, а перфтортриэтиламин – 14%. Частичные разряды в пузырьках размером примерно 80 мкм описываются правой ветвью кривой Пашена. При этом пробивное напряжение можно сложить из пробивных напряжений двух газов U_пр»U(p₁d)+U(p₂d) [5]. Для воздуха U(p₁d)»800 В, для паров перфтортриэтиламина напряжение пробоя неизвестно, известно лишь, что электрическая прочность паров всех перфторуглеродов значительно, 3-10 раз выше электрической прочности воздуха [6]. Если взять, в качестве оценки, данные по пробою элегаза при соответствующих давлении и размере, то U(p₂d) )»700 В, т.е. пробивное напряжение пузырька должно составить примерно 1.5 кВ. Если оценить падение напряжения на пузырьке при напряжении между электродами  ячейки 30 кВ, то оно составит около 2 кВ. Это означает, что после разряда в пузырьке, заряд на его поверхности незначителен, скорость роста пузырька за счет действия этого фактора составит примерно 0,1 м/с. Зарегистрированные скорости движения составляют примерно 0.2-0.4 м/с. Что касается экспериментов при напряжении 80-85 кВ, то падение напряжения на пузырьке должно составлять 5.5 кВ, что много больше, чем 1.5 кВ.

Диэлектрофорез и движение пузырьков в неоднородном поле. Этот фактор может стать основным в ряде случаев. Так при напряжении 30 кВ, диэлектрофоретическая сила, действующая на сферический пузырек радиуса 40 мкм примерно на порядок сильнее, чем кулоновская сила. В случае движущихся пузырьков этот фактор может быть еще значительнее. Дело в том, что на движущийся пузырек действуют гидродинамические силы, которые сплющивают его в направлении движения, и, тем самым, увеличивают его дипольный момент и выталкивающую силу. Когда выталкивающая сила совпадает по направлению с напряженностью поля, электрические и гидродинамические силы конкурируют между собой. Электрическое поле удлиняет пузырек в направлении поля, сжимает в поперечном направлении, в целом уменьшая объем пузырька, тогда как гидродинамические силы сжимают пузырек в направлении поля, удлиняют в поперечном направлении. Если предположить, что шарообразный пузырек движется относительно жидкости со скоростью V, то вблизи его поверхности распределение давления определяется выражением [7]

                                                       (2)

где P₀ - равновесное гидростатическое давление, q - угол между нормалью к поверхности и направлением движения. Отметим, что это давление положительно вблизи полюсов пузырька и отрицательно вблизи экватора, т.е. оно сплющивает пузырек. Рассчитаем среднее давление на поверхность пузырька за счет его движения

                                                                   (3)

Для пузырька, движущегося в направлении поля, дополнительное давление, связанное с действием поля определим, используя результаты [8]

                                              (4)

Условие, при котором пузырек не будет деформироваться можно получить из требования отсутствия зависимости P₁ +P₂ от q

                                                        (5)

В отличие от полярных жидкостей равенство в этом выражении может достигаться при значительно меньших скоростях. Это означает, что движущийся пузырек предпочтительно имеет сплюснутую форму. 

Таким образом, если пузырек движется со скоростью, меньшей, чем определяемая выражением (5), то он является вытянутым в направлении поля, в противном случае – сплюснутым. Движение не всегда является устойчивым, в частности, вытянутый пузырек гидродинамически неустойчив. Кроме того, при пренебрежении изменения объема пузырька, дипольный момент, а следовательно и выталкивающая сила, у сплюснутого пузырька больше, чем у вытянутого пузырька, а гидродинамическое сопротивление меньше. Форма круглого движущегося пузырька также неустойчива. При попытке сплющивания гидродинамические силы будут значительно превышать диэлектрические. Поэтому можно наблюдать малоподвижные вытянутые пузырьки и более быстрые сплюснутые пузырьки.

Здесь следует отметить, что движение пузырьков не является установившимся. Равенство стоксовой силы вязкого трения и диэлектрофоретической силы достигается примерно при скорости 100 м/с. В случае коротких импульсов и достаточно крупных пузырьков определяющим становится инерция жидкости. Эффективная присоединенная масса пузырька примерно равна массе жидкости в объеме равном половине объема пузырька  [9]. Оценочные расчеты движения пузырька в начале его движения при напряжении 30 кВ приведены на рис.4.

 Рис. 4. Расчет (кривая) и эксперимент (точки) движения наиболее удаленной от поверхности электрода точки на поверхности пузырька. Максимальная напряженность 300 кВ/см.

 

Считалось, что можно пренебречь вязкостью, изменением степени неоднородности поля вдоль траектории движения, кулоновскими силами. Здесь же показаны экспериментальные точки. Видно, что точки и кривая достаточно хорошо соответствуют друг другу, по крайней мере до тех пор, пока пузырек не удалится на расстояние, сравнимое с радиусом электрода.

Расчеты деформации и движения пузырьков при напряжении 80 кВ проводились согласно пузырьковой модели зажигания разряда. Здесь основным фактором считалось действие кулоновских сил на заряд, появившийся после частичного разряда в пузырьке. Результаты расчета и экспериментальные точки показаны на рис.5.

Рис. 5. Расчет (кривая) и эксперимент (точки) движения наиболее удаленной от поверхности электрода точки на поверхности пузырька. Максимальная напряженность 800 кВ/см.

 

Видно, что вплоть до отрыва пузырька (50-60 мкс), не систематического отклонения экспериментальных точек и расчетной кривой.

Заключение

Исследовано образование и поведение искусственных микропузырьков в перфтортриэтиламине под действием сильных электрических полей. Разработанная методика позволила создавать одиночные долгоживущие пузырьки размером 60-80 мкм на поверхности проволочного электрода. Воздействие импульсного электрического поля напряженностью до 800 кВ/см приводит к удлинению пузырька в направлении поля, сжатию в поперечном направлении, отрыву и движению со скоростями до 2-3 м/с. Как правило, пузырьки сплюснуты в направлении движения.

 

 

 

 

Список литературы

 

1.     Коробейников С.М. и др. Поведение пузырьков в воде под действием сильных электрических полей. Эксперимент.//ТВТ, (1 часть статьи).

2.     Коробейников С.М. и др. Поведение пузырьков в воде под действием сильных электрических полей. Обсуждение.//ТВТ, (2 часть статьи).

3.     Коробейников С.М., Сарин С.Г. Фурин Г.Г. Электрическая проводимость перфтортриэтиламина при постоянном напряжении. Журнал Прикладной Химии, 1996, т.69, в.2, с.321-326.

4.     Молдавский Д.Д., Шкультецкий Л.В.,Алексеенко С.В.,  Фурин Г.Г. О растворимости основных компонентов воздуха в перфторированных соединениях. Журнал Прикладной Химии, 1999, т.72, в.5, с.744-747.

5.     Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей), М.:ГИФМЛ, 1958, 907 с.

6.     Справочник по электротехническим материалам: в 3-х т. / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, Том 1. - 1986. - 368 с.

7.     Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. -М.: ГИТТЛ, 1954, 983 с.

8.     Коробейников С.М. Влияние электрического поля на точку кипения жидкостей. -Инж. физ. журн., 1981, т.41, №6, с.1131.

9.     Jones T.B., Bliss G.W. Bubble dielectrophoresis. -J. Appl. Phyp., 1977, V.48, n4, p.1412-1417.