ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
Лекции.ИНФО


ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ



 

Достижение высоких температур возможно разными способами. Наиболее распространённым является горение. Теоретическая температура горения органических веществ в воздухе составляет обычно ~2300 К, а при использовании кислорода в качестве окислителя она может превышать 3000 К. Достижение более высоких температур в этом случае ограничено существенным тепловым эффектом эндотермических реакций диссоциации продуктов горения, которые требуют больших затрат энергии, не обеспечиваемых теплотой сгорания топлива.

Другим способом достижения высоких температур является адиабатическое сжатие газов. При высокой степени сжатия можно осуществить их диссоциацию и ионизацию. Однако этот способ не нашел широкого распространения в плазмохимических процессах, хотя для проведения некоторых реакций он, по-видимому, перспективен.

Условия, обеспечивающие получение низкотемпературной плазмы, могут быть достигнуты также в ударной волне при высоких числах Маха. На практике для этого используют трубу, разделённую мембраной, по разные стороны которой находится газ с существенно различным давлением. Если разрушить мембрану, то в трубе начинает перемещаться ударная волна, позволяющая при высоких начальных перепадах давления достигать значительных температур. Однако и этот способ из-за сложности организации непрерывного процесса не нашёл применения в прикладной плазмохимии.

Основные способы получения стационарной низкотемпературной плазмы основаны на использовании различных электрических разрядов, таких как: тлеющий искровой; импульсный; барьерный; высокочастотный индукционный; высокочастотный емкостной; сверхвысокочастотный; электроискровой в кипящем слое; коронный, факельный, электродуговой; трансформаторный. Все эти перечисленные разряды реализуются в соответствующих плазмотронах, большей частью электродуговых и сверхвысокочастотных (СВЧ).

 

Выбор типа разряда и конструкции плазмотрона

Использование того или иного электрического разряда для создания плазмотрона, а также его конструкция определяются технологией и технико-экономическими показателями процесса. При выборе плазмотрона учитывают требуемую мощность, ресурс работы на плазмообразующем газе заданного химического состава, параметры плазменной струи (температуру, скорость, отсутствие загрязнений продуктами эрозии электродов), КПД (отношение энергии, затраченной на нагрев газа и химические реакции, к потребляемой энергии), удобство обслуживания и безопасность эксплуатации. При определении КПД установки плазмотрона следует учитывать потери энергии в источнике питания и подводящих коммуникациях.

Если отсутствуют специальные требования к чистоте целевого продукта, то чаще всего выбирают электродуговые плазмотроны, а при наличии таких требований – безэлектродные (индукционные или емкостные) высокочастотные плазмотроны. Электродуговые плазмотроны работают практически на любых газах. Их применяют также в тех случаях, когда требуемая мощность превышает 300-500 кВт.

 

Электродуговые плазмотроны

 

Плазмотроны, в которых для нагрева самых разнообразных газов используют электрическую дугу, наиболее широко применяются в различных технологических процессах. В них получают струю низкотемпературной плазмы со среднемассовой температурой до 4000-6000 К для двухатомных и многоатомных газов и до 10000-20000 К – для одноатомных газов. В настоящее время существуют электродуговые плазмотроны мощностью от нескольких киловатт до десятков мегаватт. В зависимости от типа плазмообразующего газа, параметров работы и конструкции плазмотрона его КПД составляет 50-97%. Ресурс работы плазмотронов большой мощности достигает 100-1000 ч.

Рассмотрим некоторые особенности электрической дуги в разрядной камере плазмотрона. При увеличении тока, проходящего через дугу, не ограниченную стенками и свободно горящую между двумя электродами, происходит её расширение при незначительном изменении температуры. Если же дугу поместить внутрь водоохлаждаемого канала малого диаметра, то при увеличении тока она, не имея возможности расширяться и хаотически перемещаться в пространстве, стабилизируется вблизи оси канала, и число заряженных частиц увеличивается путём повышения температуры, и следовательно, степени ионизации. Плазмотроны, в которых дуга стабилизируется лишь холодными стенками разрядного канала, а расход газа мал, используют в основном в исследовательских целях.

Существуют и другие способы стабилизации дуги, основанные на охлаждении её наружных слоев (тепловое сжатие) продольным или закрученным потоком плазмообразующего газа. Последний способ (газовихревая стабилизация разряда) наиболее часто используется на практике.

В области высоких плотностей тока существенным становится сжатие дуги под действием собственного магнитного поля (магнитный пинч-эффект), что также способствует её стабилизации.

Структура электрической дуги в плазмотронах определяется взаимодействием её с потоком газа и стенками канала. В длинном цилиндрическом разрядном канале можно выделить три характерных участка: начальный, переходный и турбулентный. Начальный участок расположен между торцевым катодом и местом пересечения внешней границы теплового слоя дуги с турбулентным пограничным слоем холодного плазмообразующего газа на стенке канала. На этом участке дуга не имеет существенных поперечных пульсаций, и течение в ней можно считать ламинарным. Тепловой поток на стенку разрядной камеры невелик и определяется в основном излучением от столба дуги.

В переходном участке происходит разрушение теплового слоя дуги и интенсивное перемешивание нагретого и холодного газа. Появляются поперечные колебания дуги, усиливающиеся внизу по потоку и приводящие к тому, что её длина существенно превышает расстояние, измеряемое вдоль оси. Поэтому техническая напряжённость электрического поля (отношение разности потенциалов дуги к этому расстоянию) заметно возрастает. В плазмотронах с самоустанавливающейся длиной дуги электрический пробой между дугой и стенкой происходит в переходном участке.

Турбулентный участок характеризуется существенными пульсациями и при отсутствии дополнительного подвода газа постоянством напряжённости электрического поля, превышающей напряженность на начальном участке в несколько раз.

Одним из важных процессов в дуговой камере плазмотрона является шунтирование – электрический пробой между дугой и стенкой (крупномасштабное шунтирование) и между отдельными участками изогнутой дуги (мелкомасштабное шунтирование), приводящее к ограничению длины дуги, её мощности, и к появлению пульсаций параметров плазменной струи.

Для снижения эрозии и увеличения ресурса работы плазмотронов пятно дуги принудительно перемещают по окружности электрода путём тангенциального ввода плазмообразующего газа или соленоида, расположенного коаксиально разрядному каналу (рис. 2.1, а-д). Взаимодействие этого поля с собственным магнитным полем радиального участка дуги приводит к возникновению силы, заставляющей дугу вращаться вокруг оси разрядного канала.

Классификация электродуговых плазмотронов. В зависимости от признака, положенного в основу классификации, можно выделить следующие типы электродуговых плазмотронов:

· постоянного и переменного тока;

· однодуговые и многодуговые;

· с внутренней и вынесенной дугой; с продольно обдуваемой (линейные) и с поперечно обдуваемой дугой;

· с самоустанавливающейся и фиксированной длиной дуги;

· с горячим и холодным катодом.

Каждый из рассмотренных типов плазмотронов можно классифицировать по конструктивным признакам. На рис. 2.1 представлены различные конструкции электродуговых генераторов низкотемпературной плазмы.

Рис.2.1. Конструкции электродуговых плазмотронов

а – однокамерный с горячим катодом; б – однокамерный с холодным катодом и фиксированной средней длиной дуги; в – двухкамерный; г – с межэлектродными вставками; д – с пористой межэлектродной вставкой; е – коаксиальный; ж – двухстороннего истечения; з – с вынесенной дугой; и – многодуговой; к – переменного тока со стержневыми электродами; л – переменного тока линейной схемы; м – переменного тока с разрезным соплом. 1 – стержневый электрод; 2 – сопло (осесимметричный электрод); 3 - диафрагма; 4, 5 – изоляторы; 6 – соленоид; 7 – дуга; 8 – основной газ; 9 – защитный газ; 10 – плазменная струя; 11 – секции МЭВ; 12 – МЭВ из пористого материала; 13 – сырье; 14 – источник питания

Плазмотроны постоянного тока просты по конструкции, надёжны в эксплуатации и поэтому наиболее часто используются в различных технологических процессах.

Плазмотроны с внутренним расположением дуги используют для получения струи низкотемпературной плазмы, поэтому их иногда называют струйными (рис. 2.1, а-ж). В некоторых случаях одним из электродов является обрабатываемый материал, электроды пространственно отделены друг от друга, и часть дуги находится вне разрядного канала (рис. 2.1, з). Такие плазмотроны с вынесенной дугой существенно отличаются от струйных.

В зависимости от материала катода и интенсивности его охлаждения он может работать по принципу термоэмиссии (термокатод) или автоэмиссии (холодный катод).

Для уменьшения работы выхода электронов применяют торированный (с добавками оксида тория) или лантанированный (с добавками оксида лантана) вольфрам. При работе с агрессивными плазмообразующими газами эти катоды необходимо обдувать защитным газом (рис. 2.1, а,г,д). Ресурс непрерывной работы торированного вольфрамового катода при токах до 1000 А в водороде и азоте составляет более 100 ч, а в аргоне и гелии – свыше 200 ч. Для повышения ресурса работы плазмотронов с термокатодами множество вольфрамовых стержней впаивают по периметру водоохлаждаемого медного барабана, ось которого перпендикулярна или параллельна оси разрядного канала. После отработки одним из катодов заданного ресурса барабан поворачивают так, чтобы новый стержень установился вдоль оси канала. Такой многопозиционный катод позволяет существенно повысить ресурс работы катода.

При работе плазмотрона на окислительных средах, содержащих кислород, обдув термокатода инертным газом не обязателен. Часто используют так называемые термохимические катоды из циркония или гафния. На поверхности этих материалов образуется оксидная пленка, достаточно электропроводная при высоких температурах и в то же время предохраняющая металл от дальнейшего окисления. Эрозия циркониевого катода составляет ~10-11 кг/Кл.

Холодные катоды выполняют прежде всего в виде водоохлаждаемого медного стакана (рис. 2.1, б) или медной втулки (рис. 2.1, в). Анод электродуговых плазмотронов также в большинстве случаев представляет собой медное водоохлаждаемое сопло (втулку). Эрозия медного катода обычно в 2-3 раза превышает эрозию анода и составляет (0,8-1).10-9 кг/Кл при токах до 1,2 кА.

Плазмотроны с продольно обдуваемой дугой (рис. 2.1, а-д, ж), называемые иногда линейными, по принципу подвода газа подразделяют на однокамерные – с вводом плазмообразующего газа через одну газовую камеру (рис.2.1, а,б), двухкамерные (рис.2.1, в) и с межэлектродными вставками (рис.2.1, г,д). Стабилизация дуги на оси разрядной камеры в однокамерных и двухкамерных плазмотронах осуществляется с помощью закрученного потока газа. Выходной электрод (чаще всего – анод) изготовляют из меди, немагнитной стали или различных сплавов на основе тугоплавкого материала (например, вольфрам-медь).

Магнитное поле соленоида позволяет перемещать пятно дуги по поверхности электрода, а в плазмотронах со стаканообразным катодом (рис.2.1, б) еще и предотвращает привязку дуги к торцу стакана.

Однокамерные и двухкамерные плазмотроны, имеющие цилиндрический канал выходного электрода (рис.2.1, а,в), являются генераторами с самоустанавливающейся длиной дуги, зависящей от расхода газа и параметров разряда. Если выходной электрод имеет резкое расширение (рис.2.1, б), создаются условия для преимущественного шунтирования дуги за уступом в широком диапазоне изменения параметров за счет отрывных течений в этой области. Такие плазмотроны позволяют фиксировать длину дуги, которая меньше самоустанавливающейся длины.

Фиксированная средняя длина дуги, превышающая самоустанавливающуюся, может быть получена на плазмотронах с межэлектродными вставками (МЭВ). Вставки электроизолированы друг от друга и от электродов. Вдув газа в разрядный канал может осуществляться дискретно (рис.2.1, г) или через пористую МЭВ (рис.2.1, д). Плазмотроны с межэлектронными вставками обладают достаточно высоким КПД (особенно при вдуве газа через пористую стенку) и позволяют сравнительно просто повышать их мощность увеличением числа МЭВ.

Габаритные размеры плазмотронов с МЭВ невелики. Так, генератор мощностью 1500 кВт, предназначенный для нагрева воздуха, азота, водорода и смеси водорода с метаном, имеет длину 0,8 м, массу - 40 кг. Расход водорода составляет 6-10 г/с, азота и воздуха - 60 г/с. Максимальная среднемассовая температура водорода достигает 3500 К, азота и воздуха - 6000 К. Тепловой КПД равен 0,75-0,85, максимальный ток - 800 А, расход воды на охлаждение - 2 кг/с, ресурс катода - 100 ч, анода - 300 ч.

Разработан плазмотрон мощностью до 5000 кВт с пористыми МЭВ, его длина до 1,5 м, диаметр выходного электрода - до 80 мм, масса - до 100 кг. Максимальная среднемассовая температура водорода составляет 4500 К, азота и воздуха - 6000 К. Тепловой КПД равен 0,75-0,85, максимальный ток - 1000 А, расход воды - до 12 кг/с, давление воды - до 1 МПа.

К линейным генераторам можно отнести и электродуговые нагреватели двустороннего истечения (рис.2.1, ж). Однако эти плазмотроны редко используют в технологических процессах, поскольку в силу разных аэродинамических сопротивлений реакторов, пристыкованных к выходным электродам, параметры плазменных струй оказываются различными.

Плазменные генераторы с поперечно обдуваемой дугой чаще всего реализуют в виде коаксиальных плазмотронов (рис.2.1, е) или плазмотронов с вынесенной дугой (рис.2.1, з). В коаксиальном плазмотроне дуга перемещается под действием внешнего магнитного поля в зазоре, образованном электродами. За счёт значительной поверхности электродов ресурс работы плазмотрона может быть довольно высоким. Диаметр разрядного канала в этом случае велик, а скорость плазменной струи мала. Если для формирования плазменного потока установить сопло, КПД генератора падает.

Поперечно обдуваемая внутренняя дуга может быть реализована также при использовании двух тороидальных или стержневых электродов, расположенных внутри разрядной камеры.

Увеличение мощности плазмохимической установки может быть достигнуто повышением мощности электрической дуги в плазмотроне (т.е. тока и напряжения), установкой нескольких плазмотронов на один реактор или созданием плазмотронов с несколькими дугами в разрядном канале, питающимися от различных источников (рис.2.1, и).

Плазмотроны переменного тока промышленной частоты обладают существенными преимуществами по сравнению с плазмотронами постоянного тока: высоким КПД схемы электропитания, отсутствием выпрямителей и возможностью плавного регулирования рабочего тока. Однако, поскольку при изменении полярности электродов и переходе напряжения через ноль происходит погасание разряда, необходимы специальные меры для обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока.

В соответствии со способом стабилизации электрической дуги можно выделить три типа плазмотронов переменного тока: со стабилизацией дуги электродами, с высокочастотным сопровождением и комбинированные (с использованием постоянного тока).

Наибольшее применение в промышленности нашли плазмотроны со стержневыми электродами (рис.2.1, к), выполненными из тугоплавкого материала (чаще всего из графита). При использовании трёхфазного тока, тангенциальном вводе плазмообразующего газа и достаточно близком расположении электродов внутри разрядной камеры постоянно поддерживается электропроводный слой газа, обеспечивающий стабильную работу плазмотрона при смене полярности.

Предложена конструкция электродугового плазмотрона с электродами, распределёнными по длине дугового канала (рис.2.1, л). Общая точка трансформатора подключена к стержневому электроду, а фазовые выводы – к трубчатым электродам. Аналогично выполняется трёхфазное включение плазмотронов, имеющих три трубчатых электрода. Основной недостаток таких плазмотронов – большая пульсация параметров плазменной струи вследствие изменения длины дуги при смене полярности кольцевых электродов.

Плазмотроны с разрезным электродом (рис.2.1, м) по схеме электропитания аналогичны описанным выше, но обладают большей устойчивостью. В отличие от предыдущих плазмотронов, в них затруднено использование соленоидов для быстрого перемещения пятна дуги по поверхности электрода, что снижает ресурс работы.

В плазмотронах с высокочастотным сопровождением устойчивое горение дуги переменного тока промышленной частоты достигается параллельным подключением к электродам ВЧ-генератора, обеспечивающего стабильное поверхностное зажигание силовой дуги. Недостатком такого плазмотрона является необходимость применения дополнительного (хотя и маломощного) источника питания ВЧ-разряда и управления им.

В последнее время всё более широкое применение находят плазмотроны комбинированного типа,в которых основной вклад мощности обеспечивается переменным током, а постоянный ток используется лишь для стационарной генерации плазменной струи малой мощности, предохраняющей основной разряд от погасания. Такие плазмотроны могут устойчиво работать в широких диапазонах изменения тока и расхода газа. Примером такого электродугового генератора может быть конструкция, изображённая на рис.2.1, з, если к элементам 1 и 3 подключен источник переменного тока. Аналогично устроен комбинированный плазмотрон трёхфазного тока. В некоторых случаях к выходным электродам подключают как источник переменного, так и постоянного тока, что позволяет повысить ресурс работы. Другим примером комбинированного плазмотрона является конструкция, представленная на рис.2.1, и, в которой второй источник 14, подключенный к двум трубчатым электродам, заменен электропитанием переменного тока.

 

Высокочастотные плазмотроны

Как было отмечено выше, высокочастотные разряды (а, соответственно, и плазмотроны) могут быть электродными (коронный, факельный) и безэлектродными (ВЧИ – высокочастотные индукционные, ВЧЕ – высокочастотные емкостные, СВЧ – сверхвысокочастотные). Основные преимущества безэлектродных плазмотронов перед электродными (в том числе электродуговыми) состоят в следующем:

- высокий ресурс работы (тысячи часов);

- отсутствие загрязнения получаемых в плазмохимическом реакторе материалов продуктами эрозии электродов;

- возможность работы на чистом кислороде и других агрессивных плазмообразующих газах.

К недостаткам высокочастотных плазмотронов следует отнести невысокий общий КПД установок и сложность создания установок большой мощности. Так мощность ВЧ-плазмотронов ~0,5 МВт (и до 1 МВт), у СВЧ ~0,1 МВт, а КПД не превышает 0,6.

Термин «СВЧ-плазма» объединяет плазменные образования, полученные в различных СВЧ-устройствах (плазмотронах). В настоящее время разработаны многочисленные СВЧ-устройства для получения плазмы, и свойства последней неизбежно зависят от способа её получения. Эти устройства определяют структуру электромагнитного поля, энергетическую эффективность устройства, широкополосность, зависимость свойств плазмы от частоты, уровни минимальной и максимальной мощности. Поэтому при необходимости анализа такой плазмы более целесообразно рассматривать СВЧ-разряд-систему, представляющую плазму в конкретном газоразрядном устройстве.

СВЧ-разрядами (микроволновыми разрядами) обычно называют разряды, создаваемые с помощью электромагнитных волн с частотой, превышающей 300 МГц. Разрешенными для промышленных, медицинских и научных применений являются частоты 460, 915, 2450, 5800, 22125 МГц. Наиболее часто используется частота 2450 МГц.

СВЧ-разряды заняли прочное место в ряду других генераторов плазмы. Свойства таких разрядов и полученной в них плазмы рассматриваются во всех аспектах, связанных с физикой плазмы, плазмохимией и плазменными технологиями.

Способы получения и технические приёмы, которые используются для получения СВЧ-плазмы соответственны СВЧ-диапазону и отличны от применяемых при более низких частотах. Плазма может быть создана при давлениях от 1,33.10-2 Па до атмосферного в импульсном и непрерывном режимах, используемые средние мощности лежат в пределах от единиц ватт до сотен киловатт.

Основным элементом СВЧ-разряда является устройство, позволяющее вводить электромагнитную энергию в разрядный объём. Существует порядка 10 групп, на которые могут быть условно разделены все конструкции СВЧ-диапазона.

Основными достоинствами СВЧ-разрядов являются:

· Простота получения плазмы с высоким удельным энерговкладом (> 1 Вт/см3).

· Простота получения плазмы с малыми энерговкладами (<< 1Вт/см3).

· Широкая область рабочих давлений (от 1,33.10-2 Па до давлений, превышающих атмосферное).

· Возможность создания как квазиравновесной, так и существенно неравновесной плазмы.

· Простота управления внутренней структурой разряда путём изменения электродинамических характеристик устройства ввода СВЧ-энергии в плазму.

· Возможность создания плазмы в безэлектродных и электродных системах (в последнем случае отсутствует загрязнение объёма и образцов продуктами эрозии электродов).

· Возможность создания плазмы в малых и больших объёмах, включая свободное пространство (атмосфера Земли).

· Возможность обработки больших поверхностей сканированием области плазменного образования, имеющего малые размеры.

· Возможность совместного воздействия плазмы и электромагнитного поля на объекты в плазме для увеличения эффективности процесса.

· Разработанные семейства разнообразных эффективных СВЧ-генераторов плазмы позволяют выбрать конструкцию для любых применений.









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-15; Просмотров: 782;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная