Anales AFA - XVI Meeting on Recent Advances of Physics of Fluids and its Applications 6-10
DESCARGAS EN CONTACTO CON LÍQUIDOS: CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE
UNA DESCARGA CORONA PULSADA
DISCHARGES IN CONTACT WITH LIQUIDS: ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF
A PULSED CORONA DISCHARGE
N. Milardovich*1, M. Ferreyra1, J. C. Chamorro1y L. Prevosto2
1Grupo de Descargas Eléctricas, Departamento Ing. Electromecánica, Facultad Regional Venado Tuerto,
(UTN) Laprida 651 – (2600) Venado Tuerto – Prov. Santa Fe – Argentina.
2Universidad Tecnológica Nacional, CONICET, Facultad Regional Venado Tuerto Departamento Ing. Electromecánica,
Grupo de Descargas Eléctricas Laprida 651 (2600) – Venado Tuerto – Prov. Santa Fe – Argentina.
Recibido: 19/08/21; Aceptado: 03/12/21
La gran cantidad de trabajos publicados en los últimos años sobre descargas no-térmicas en (y en contacto con) líquidos,
evidencia el creciente interés en este particular campo de las descargas eléctricas debido al gran número de aplicacio-
nes tecnológicas. En particular, una de las aplicaciones emergentes de mayor crecimiento es el tratamiento de agua,
tanto para su potabilización como para su activación, con vistas a realizar el tratamiento indirecto de alimentos y semi-
llas con descargas no-térmicas; sin el agregado de sustancias químicas. En este trabajo, se presenta la caracterización
experimental de una descarga corona en contacto con agua operando en régimen pulsado. Se usó una geometría tipo
alambre-plano con el electrodo plano sumergido en agua. La descarga fue alimentada a través de una fuente pulsada
tipo capacitiva, capaz de proveer un tren periódico de pulsos de alto voltaje (∼15 kV) y corta duración ∼100 ns), con
una frecuencia de repetición de 40 pulsos/s. Se reportan y discuten resultados de las mediciones de voltaje y corriente
de la descarga para diferentes condiciones de operación, y se infieren la potencia instantánea y la energía disipada en el
plasma generado. Se muestran además fotografías con largos tiempos de exposición de la descarga pulsada.
Palabras Clave: descargas no-térmicas, tratamiento de agua, descarga corona pulsada.
The large number of works published in recent years on non-thermal discharges in (and in contact with) liquids, shows
the growing interest in this particular field of electric discharges due to the large number of technological applications.
In particular, one of the fastest growing emerging applications is the treatment of water, both for its purification and
for its activation, with a view to carrying out the indirect treatment of food and seeds with non-thermal discharges;
without the addition of chemicals. In this work, the experimental characterization of a corona discharge in contact with
water operating in a pulsed regime is presented. A flat-wire type geometry was used with the flat electrode immersed
in water. The discharge was powered through a pulsed capacitive type source, capable of providing a periodic train of
high voltage pulses (∼15 kV) with short duration (∼100 ns), with a repetition frequency of 40 pulses/s. The results
of discharge voltage and current measurements are reported and discussed for different operating conditions, and the
instantaneous power and energy dissipated in the generated plasma are inferred. Photographs in the visible with long
exposure times of the pulsed discharge are also shown.
Keywords: non-thermal discharge, water treatment, pulsed corona discharge.
https://doi.org/10.31527/analesafa.2022.fluidos.6 ISSN 1850-1168 (online)
I. INTRODUCCIÓN
Un plasma es un gas parcial o totalmente ionizado con-
sistente en una mezcla de electrones, iones y partículas neu-
tras. Un gas ionizado se considera como un plasma, única-
mente si la cantidad de carga positiva y negativa se balancea
mutuamente (el plasma debe ser aproximadamente neutro
en su conjunto [1]).
El modo más usual de generación de plasmas a escala de
laboratorio es a través de la utilización de descargas eléc-
tricas en un gas (‘descargas gaseosas’) [1]. Sin embargo, en
los últimos años la generación de plasmas utilizando des-
cargas eléctricas en (y en contacto con) líquidos se ha con-
vertido en un área muy activa de la física del plasma y la
tecnología; no únicamente por la riqueza de la física y quí-
* njmilardovich@gmail.com
mica involucradas, sino también por el gran número de apli-
caciones tecnológicas [2]. En particular, una de las aplica-
ciones más relevantes es la purificación de agua a través de
la destrucción de compuestos orgánicos sin la necesidad del
agregado de agentes químicos [3,4]. Las especies reacti-
vas del plasma en fase gaseosa ingresan en el medio líquido
por difusión, o son producidas en la interfase gas–líquido,
produciendo la degradación de los contaminantes.
La descarga tipo corona (en fase gaseosa) es una descar-
ga no–térmica que usualmente aparece a presión atmosféri-
ca cerca de electrodos con poco radio de curvatura (o con
puntas), donde el campo eléctrico local es suficientemen-
te elevado para sustentar un grado de ionización apreciable.
Típicamente las potencias de operación de las descargas co-
rona resultan muy pequeñas (∼1 W) para resultar tecnoló-
gicamente atractivas. Si el voltaje aplicado crece aún más,
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el campo eléctrico en el resto del gas puede alcanzar el um-
bral de ruptura y se produce la transición de la descarga ha-
cia una chispa (‘spark’) [5]. Sin embargo, es posible incre-
mentar considerablemente el voltaje y consiguientemente la
potencia de la descarga corona sin la formación de chispas,
usando pulsos periódicos de voltaje de corta duración (∼
100 ns). Estas descargas coronas pulsadas son capaces de
operar con niveles de potencia mucho más elevados y gene-
rar consiguientemente altas concentraciones de partículas
reactivas en el plasma, habiendo demostrado ser altamente
eficientes para la degradación de contaminantes orgánicos
en fase acuosa cuando operan en (o en contacto con) agua
[6].
En este trabajo se reportan resultados preliminares de la
caracterización eléctrica de una descarga corona en contacto
con agua operando en régimen pulsado.
II. ARREGLO EXPERIMENTAL
El arreglo experimental utilizado se muestra en la Fig. 1.
FIG. 1: Arreglo experimental.
La fuente de alta tensión (1) permite obtener pulsos con
un ancho temporal típico de ∼100 ns, amplitudes de ∼15
kV, y una frecuencia de repetición de pulsos ∼40 pulsos/s.
La misma fue diseñada y construida especialmente para es-
tos fines y su funcionamiento se basa en la carga de un ban-
co de condensadores (230 nF) a tensiones de 1500 Vcc, y
su posterior descarga con la ayuda de un tiristor sobre un
transformador de pulsos con núcleo de ferrita. La medición
de los pulsos de alta tensión (AT) de la fuente se realiza-
ron a través de una sonda de AT (2) con una atenuación
1000X (Tektronix P6015A). El reactor (3) está formado por
un ánodo que consiste en un bastidor de aluminio de forma
cuadrangular (100 ×100 mm) y centro hueco, de manera
de reducir su capacidad parásita. Los bordes del bastidor
fueron redondeados para reducir la intensidad del campo
eléctrico sobre los mismos. En su parte inferior se dispu-
so un arreglo de 10 alambres tensados de acero inoxidable
AISI 304 con un diámetro de 0.27 mm. Por otro lado, el
cátodo consiste en una bandeja también construida en AISI
304 en la que se ubica el agua a tratar en forma de lámi-
na delgada. El electrodo anódico se ubica en forma paralela
y centrada respecto del electrodo catódico, a una distancia
(gap) ajustable entre 8 y 15 mm medidos desde el fondo de
la bandeja. La medición de la corriente de la descarga fue
realizada utilizando una resistencia shunt (4), tipo coaxial
de 0.25 Ωde muy baja inductancia (T&M SDN-414-025,
1200 MHz), ubicada en la rama aterrizada del circuito. Las
señales de corriente y tensión fueron registradas empleando
un osciloscopio (5) con una velocidad de muestreo 1 GS/s
(Tektronix TDS 2004C). A los efectos de reducir la interfe-
rencia electromagnética causada por la fuente pulsada sobre
el circuito de medición, el reactor de plasma (3) y la resis-
tencia (4) se ubicaron dentro de jaulas de Faraday. Todas las
conexiones eléctricas vinculadas con estas jaulas se ejecu-
taron a través de cables coaxiales RG-58 con los correspon-
dientes conectores BNC. Debido a la diferencia de longitud
entre las líneas de medición (el cable coaxial utilizado para
la medición de corriente tiene una longitud de aproximada-
mente 1.5 m, mientras que el cable de la sonda de voltaje
tiene 3 m) se midió un retraso de aproximadamente 10 ns
de la señal de tensión respecto de la de corriente.
En la Fig. 2se muestra una fotografía (4000 ×6000 pixe-
les) de la descarga corona pulsada obtenida para un tiempo
de exposición de 30 s.
FIG. 2: Fotografía con largo tiempo de exposición de la descarga
corona pulsada.
III. RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
Los resultados mostrados se obtuvieron con el reactor
operando con 100 cm3de agua destilada (conductividad
eléctrica ∼5µS/cm) formando una capa delgada de apro-
ximadamente 5 mm.
En la Fig. 3se muestran las señales de tensión Vaplica-
da sobre el reactor y corriente de la descarga Ipara un gap
de 8 mm. Se observan fuertes picos de corriente de unos
25 A y un ancho temporal ∼50 ns. El primer pico menor
de corriente es solo capacitivo (indicado con una flecha en
Fig. 3). La corriente de plasma del pico subsiguiente es algo
mayor que el de la corriente total mostrada, debido a que la
corriente capacitiva (CgdV /dt) es negativa en ese instante.
La capacidad geométrica del reactor Cgpara los diferentes
gaps se calculó en base a los oscilogramas de corriente y
tensión bajo condiciones de no ignición de la descarga co-
rona; resultando: Cg= 11 pF para un gap de 15 mm, 13 pF
para 12 mm, 15 pF para 10 mm y 19 pF para 8 mm.
Notar que la Fig. 3muestra un breakdown gaseoso con un
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FIG. 3: Oscilogramas de corriente y voltaje de la descarga.
electrodo (el cátodo) líquido. Antes de la ignición, la des-
carga es esencialmente capacitiva. La capacidad está forma-
da por la capacitancia del gas en serie con la del líquido (es-
ta última mucho más grande que la primera). Durante la car-
ga del capacitor, debido al pulso de voltaje, algunos strea-
mers primarios (positivos) en fase gaseosa se inician desde
los alambres. En este punto, la descarga es parcialmente di-
sipativa. Sin embargo, la parte resistiva del streamer es úni-
camente el canal ionizado entre la cabeza del streamer y el
alambre; entre la cabeza del streamer y la superficie de la
interfase gas–líquido, puede fluir únicamente corriente de
desplazamiento a través del capacitor gaseoso. El plasma
puede ser visto entonces como una impedancia gaseosa va-
riable con el tiempo, formada por una combinación serie de
un capacitor y una resistencia variables en el tiempo, más
un capacitor constante representado por el agua. Notar que
los campos eléctricos de breakdown típicos en el agua (para
descargas pulsadas) es ∼1 MV/cm, esto es, ∼30 veces más
grande que el campo de breakdown para aire a presión at-
mosférica [7]. Debido a que los voltajes y campos eléctricos
aplicados son pequeños para sustentar o generar indepen-
dientemente plasma en el volumen líquido, la capacitancia
líquida es constante. Cuando el streamer primario cruza el
gap gaseoso y toca el agua, o cuando agota sus reservas de
ionización y se detiene a mitad de camino, se alcanza el pi-
co de corriente. Debido a que la resistencia del canal del
plasma es considerablemente menor que la impedancia ca-
pacitiva entre la cabeza del streamer y el agua, la amplitud
del pico de corriente dependerá de la longitud alcanzada por
los streamers. La presencia del agua (medio dieléctrico) evi-
ta la formación de streamers secundarios (streamers inicia-
dos en el canal residual de plasma dejado por los streamers
primarios cuando estos cortocircuitan los electrodos).
La Fig. 4muestra la impedancia característica del plasma
(=V I−1) para un gap de 8 mm. Para simplificar la interpre-
tación, se consideró únicamente la corriente de partículas Ip
(calculada restando la contribución de la corriente capaciti-
va de la señal medida de corriente) en los primeros 40 ns de
la descarga. También se muestran las señales de corriente
de plasma y tensión aplicada. Se observa que la impedancia
cae rápidamente y alcanza una fase de impedancia mínima
(∼300 Ω) en el instante en que los streamers han alcan-
FIG. 4: Impedancia característica calculada del plasma.
zado su máxima longitud. Luego de la extinción del plasma
la impedancia vuelve a subir rápidamente. El tiempo de su-
bida de señal de corriente (∼10 ns) puede asociarse con el
tiempo de tránsito de los streamers primarios en el gap ga-
seoso (∼1 mm). La velocidad media de propagación resulta
∼0.1 mm/ns.
La dependencia de la impedancia del plasma con el in-
cremento del gap se muestra en la Fig. 5. Se observa un
marcado corrimiento hacia tiempos mayores del instante en
que los streamers alcanzan el pico de corriente. Se observa
además un notable incremento de la impedancia del plasma.
Este comportamiento se debe al debilitamiento del cam-
po eléctrico reducido entre electrodos conforme aumenta el
gap. Con la disminución del campo eléctrico decrece la pro-
babilidad de ignición y entonces los streamers aparecen más
tarde y son más cortos, a su vez, se produce una disminu-
ción en la conductividad, diámetro y velocidad de propaga-
ción de los streamers; disminuyendo además la cantidad de
streamers que pueden generarse en paralelo desde los alam-
bres. El aumento de la impedancia del plasma evita una efi-
ciente transferencia de energía desde la fuente pulsada al
plasma [8].
FIG. 5: Impedancia del plasma en función del gap.
En la Fig. 6se muestran la potencia eléctrica y la ener-
gía de la descarga corona. La potencia es el producto (V I)
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de las señales medidas de tensión y corriente, mientras que
la energía se calculó como la integral temporal de ese pro-
ducto. La potencia refleja las oscilaciones de la corriente
mostradas en la Figura 1. Se observa que la energía disipa-
da en el plasma durante un pulso alcanza unos 10 mJ para
el gap de 8 mm. Experimentos realizados con el mismo gap
(8 mm) pero sin agua, permitieron inferir un nivel de disi-
pación de energía en el plasma de unos 6 mJ, sensiblemente
menor a la obtenida en presencia del agua. Este resultado
parece indicar que los streamers en realidad se detienen an-
tes de tocar la superficie del agua. Notar que la constante
dieléctrica del agua destilada (∼80) es grande comparada
con la del aire (∼1), y en consecuencia resulta esperable
que la energía disipada por la descarga disminuya si la im-
pedancia capacitiva aumenta.
FIG. 6: Potencia y energía de la descarga corona.
La Fig. 7muestra la dependencia entre la energía disi-
pada en el plasma con el incremento del gap. El compor-
tamiento aquí es consistente con el mostrado en la Fig. 5.
En particular, la energía por pulso disipada en el plasma
crece fuertemente con la disminución del gap debido a la
disminución significativa de la impedancia del plasma, me-
jorando en consecuencia la eficiencia energética del proce-
so. Sin embargo, el aumento de la eficiencia del proceso a
través de la disminución del gap se encuentra limitada por
la transición streamer–spark, que reduce apreciablemente la
eficiencia de las reacciones químicas en fase gaseosa. Ensa-
yos mostraron que la transición streamer–spark aparece en
el reactor estudiado para un gap <7 mm.
Los resultados mostrados indican que la eficiencia ener-
gética actual del reactor es muy baja. Una fracción <5% de
la energía contenida en el banco de capacitores formador de
pulsos es finalmente disipada en el plasma. La causa funda-
mental es el bajo voltaje aplicado a la descarga. Para obtener
una buena adaptación de impedancias entre la impedancia
de la fuente y la del plasma se requiere que el plasma resulte
lo más resistivo posible. Los esfuerzos futuros en este senti-
do se orientarán en mejorar el acoplamiento de impedancias
entre la fuente pulsada y el reactor a través del aumento del
voltaje del pulso aplicado.
FIG. 7: Energía de la descarga en función del gap.
IV. CONCLUSIONES
Se ha estudiado experimentalmente una descarga corona
pulsada en fase gaseosa en contacto con agua. De los resul-
tados obtenidos se puede inferir que:
1. El comportamiento del plasma puede considerarse co-
mo una impedancia compuesta por una combinación
serie de un capacitancia y resistencias variables con el
tiempo.
2. La optimización de la entrega de energía de la fuente al
reactor se ve dificultada por el carácter dinámico de la
impedancia. Altas eficiencias requieren un plasma tan
resistivo como sea posible.
3. Los resultados sugieren que los streamers originados
desde los alambres se mueven con velocidades medias
de 0.1 mm/ns y se detienen antes de llegar al agua.
4. Los resultados indican que la energía por pulso entre-
gada al plasma alcanza los 10 mJ para un gap de 8
mm, decreciendo hasta 4 mJ cuando el gap llega a los
15 mm.
5. Los esfuerzos futuros se deben enfocar en mejorar el
acoplamiento de impedancias entre la fuente pulsada y
el reactor.
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo fue parcialmente subsidiado con fon-
dos UTN (PID 5418 y 5447) y de Agencia (PICT 2018-
00702). M. F. agradece a CONICET por su beca doctoral.
J. C. C. agradece a CONICET por su beca posdoctoral.
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