МАШИНОСТРОЕНИЕ

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

Основой для создания низкотемператур­ной плазмы является газоразрядная техника, в частности, плазмотроны или плазменные гене­раторы. Вид их зависит от того, какой тип раз­ряда в них используется. Практическое приме­нение находят устройства, использующие ду­говой, высокочастотный, сверхвысокочастот­ный и, в некоторых случаях, оптический разря­ды. В настоящее время наибольшее распро­странение получили электродуговые и высоко­частотные плазмотроны.

Дуговые плазмотроны. В них реализу­ется дуговой разряд при больших токах (от единиц ампера до десятков килоампер и более). Размер дуги может изменяться от нескольких миллиметров до 1 м и более, а ее мощность достигать десятков мегаватт. Принцип дейст­вия дугового плазмотрона прост - между элек­тродами зажигается разряд, который нагревает обдувающий его газ до высокой температуры. Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разряд­ной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества.

Конструктивно плазмотроны могут быть организованы разными способами. Основными среди них являются следующие:

С традиционным осевым расположением электродов (линейные). Дуга 1 горит между двумя водоохлаждаемыми электродами 3 (рис. 4.6.1, а). Плазмообразующий газ /, по­дающийся тангенциально к разряду, выносит плазменную струю за пределы разрядного промежутка. У линейных плазмотронов дости­гается наибольшая протяженность плазменного разряда, что позволяет увеличить среднее вре­мя пребывания химических агентов в активной зоне и расширяет возможность варьирования условий проведения плазмохимических реак­ций. Дуга стабилизируется потоком плазмообра­зующего газа, подаваемого в дуговую камеру 4 тангенциально с помощью вихревой газофор - мирующей головки. Так как при горении раз­ряда дуговое пятно непрерывно перемещается
по относительно протяженной поверхности анода, такие конструкции имеют повышенный ресурс работы;

С коаксиальным расположением электро­дов (рис. 4.6.1, б) и с тороидальными электро­дами (рис. 4.6.1, в). Отличаются компактно­стью конструкций, однако имеют относительно малую активную зону и значительный износ материалов электродов, что, с одной стороны, сокращает ресурс работы, а с другой, - интен­сивно загрязняет плазму продуктами их эро­зии. Для уменьшения быстрого разрушения электродов в такие схемы часто добавляют устройство магнитного вращения дуги. Такие плазмотроны отличаются повышенной устой­чивостью горения разряда в широком диапазо­не расходов плазмообразующего газа;

С двусторонним истечением плазмы (рис. 4.6.1, г). Являются аналогом плазмотронов с осевым расположением электродов и отли­чаются симметричным способом ввода плаз­мообразующего газа в зону разряда, при кото­ром он распространяется в двух диаметрально противоположных направлениях. В этом слу­чае обеспечивается непрерывное перемещение дуговых пятен анода и катода, что приводит к увеличению ресурса их работы;

С расходуемыми электродами

(рис. 4.6.1, д. е). Применяются в случае, если одним из реагентов плазмохимической реакции может служить материал электрода самого плазмотрона.

Для изготовления электродов электроду­говых плазмотронов применяют тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, цир­коний, гафний или специальные сплавы. Ре­сурс работы вольфрамового катода при токах до 1000 А составляет несколько сотен часов и определяется в основном природой плазмооб­разующего газа. Катоды выполняются из цир­кония или гафния, наиболее устойчивых мате­риалов при работе дуговых плазмотронов в окислительных средах. На поверхности этих материалов образуется оксидная пленка, с од­ной стороны, хорошо проводящая электриче­ский ток при высоких температурах, а с дру­гой, - предохраняющая металл от дальнейшего быстрого окисления.

Часто электроды дугового плазмотрона выполняют в виде медных водоохлаждаемых конструкций. Эрозия медных электродов при­близительно на два порядка выше чем, напри­мер, циркониевых, при одних и тех же условиях.

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

Г) І О)

Рис. 4.6.1. Схемы основных дуговых плазмотронов:

А - осевой; б - коаксиальный; в - с тороидальными электродами, г - двустороннего истечения; д - с внешней плазменной дугой; е - с расходуемыми электродами; 1 - разряд; 2 - плазма; 3 - электрод; 4 - разрядная камера; 5 - соленоид; 6 - обрабатываемое тело; /- плазмообразующий газ; 11 - охлаждающая вода

Отверстие разрядной камеры, через кото­рое истекает плазма, называется соплом плаз­
мотрона. В некоторых типах дуговых плазмо­тронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод. Различают две группы дуговых плазмотронов - для создания внешней плазменной дуги и для создания плазменной струи. Аппараты первой группы имеют всего один электрод (катод), а анодом служит само обрабатываемое тело (рис. 4.6.1, с)). В плазмо­тронах второй группы плазма горит между двумя электродами (катодом и анодом) и за счет поступающего плазмообразующего газа истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Стабилизация разряда в дуговых плазмо­тронах осуществляется магнитным полем, по­токами газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространенных способов магнитной стабилизации плазменно-струйных плазмотронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании с помощью соленоида сильного магнитного поля, перпендикулярного к плоскости анода, которое вынуждает токовый канал дуги непре­рывно вращаться, обегая анод. При этом анод­ные и катодные пятна дуги постоянно переме-

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

V/

Рис. 4.6.2. Факельный ВЧ-плазмотрон:

1 - электрод; 2 - изолятор; 3 - заземленный электрод; 4 - взвешенный слой порошка; I - плазмообразующий газ; II - охлаждающая вода; III - порошок; IV - продукты

Щаются по кругу, что предотвращает расплав­ление электродов или их интенсивную эрозию.

Газовая стабилизация разряда осуществ­ляется путем тангенциальной подачи стабили­зирующего газа в разрядный промежуток, при этом горячая дуга оттесняется от стенок раз­рядной камеры, предохраняя последнюю от чрезмерного нагрева и раф\шения. Однако при вихревой стабилизации лчгового разряда происходит и некоторое сжатие потока плазмы, что ведет к уменьшению объема реакционной зоны, поэтому в некоторых случаях стабилизи­рующий газовый поток не закручивают, а на­правляют параллельно столбу дуги. Обычно стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Пример рас­чета дугового плазмотрона линейной схемы рассмотрен в [30].

Мощность дуговых плазмотронов колеб­лется в диапазоне 0,1... 104 кВт; температура струи на срезе сопла 3000...25 000 К; скорость истечения струи 1...104м/с; промышленный КПД 50...90 %; ресурс работы достигает не­сколько сотен часов; в качестве плазмообра- зующих веществ используют воздух, N2, Аг, Н2. NH4, 02, Н20, газообразные углеводороды.

К недостаткам дуговых плазмотронов следует отнести невозможность получения чистой плазмы, свободной от примесей. Посто­янное разрушение электродов дугового плаз­мотрона и загрязнение продуктами их эрозии плазмы не позволяет использовать эти аппара­ты в тех плазмохимических процессах, к кото­рым предъявляют высокие требования по чис­тоте получаемых продуктов.

Высокочастотные плазмотроны могут быть как электродными, использующими ко­ронный, факельный разряды, так и безэлек­тродными - высокочастотные индукционные (ВЧИ), емкостные (ВЧЕ), сверхвысокочастот­ные (СВЧ). Основные преимущества безэлек­тродных плазмотронов перед электродными (в том числе электродуговыми) заключаются: в высоком ресурсе работы (несколько тысяч часов); в отсутствии загрязнения получаемых в плазмохимическом реакторе материалов про­дуктами эрозии электродов; в возможности работы на чистом кислороде или на других агрессивных плазмообразующих газах.

Высокочастотные факельные плазмо­троны имеют один заостренный электрод, к которому приложен ВЧ-потенциал, достаточ­ный для пробоя газа и создания плазменного факела (рис. 4.6.2), в который поступает по-

Рошкообразное сырье для проведения плазмо - химической реакции. Так как электрод 1 такого плазмотрона непосредственно соприкасается с разрядом, он подвергается определенной эро­зии. Ресурс работы таких аппаратов мощно­стью 20...40 кВт составляет порядка 1000 ч. Поскольку ВЧ-энергия подводится непосредст­венно в зону разряда, отсутствует необходи­мость изготовлять разрядную камеру из ди­электрических материалов, и она может быть выполнена из металла.

Высокочастотные индукционные (ВЧИ) плазмотроны являются наиболее распростра­ненными из безэлектродных плазмотронов. Их отличает высокая надежность в эксплуатации, относительная простота конструкции и боль­шой ресурс работы. Принцип действия их ос­нован на возбуждении разряда специальным индуктором в виде многовитковой катушки, выполненной из медной водо охлаждаемой трубки. Внутрь индуктора вставлена разрядная камера, в которой возбуждается разряд. Мате­риал разрядной камеры должен быть прозрач­ным для ВЧ-электромагнитного поля, обычно это кварц. На рис. 4.6.3 показана конструкция металлургического ВЧИ-плазмотрона с квар­цевой разрядной камерой, описанной в [37].

Вместе с тем, в случае проведения плаз- мохимических реакций, использующих двух­фазные потоки, срок службы кварцевых раз­рядных камер становится весьма ограничен­ным вследствие попадания на них горячей твердой фазы. При этом часто происходит ее вплавление в стенки камеры, что приводит к постепенному нарушению режима работы плазматрона.

Известно, что замкнутый цилиндр из электропроводного материала непрозрачен для электромагнитного поля, однако если сделать в этом цилиндре хотя бы один продольный раз­рез, то поле свободно проникнет внутрь. По­этому металлические газоразрядные камеры для ВЧИ-плазмотронов делают разрезными или секционными. Специальные разрезные водоохлаждаемые металлические разрядные камеры обычно изготовляют из меди, т. е. из материала с хорошей электропроводностью. На рис. 4.6.4 представлены разные варианты кон­структивных решений для секционных метал­лических газоразрядных камер, различающих­ся между собой числом секций и их формой.

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

Рис. 4.6.3. Металлургический ВЧИ-плазмотрон:

1 - разрядная камера, 2 - индуктор; 3 - корпус плазмотрона; 4 верхняя крышка; 5 - завихритель; 6 ~ нижняя крышка, " - реактор

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

Рис. 4.6.4. Виды металлических секционных газоразрядных камер:

А - с одним разрезом; б - двухсекционная; в - четырехсекционная, г - шестисекционная; д - из круглых трубок, е - с косыми разрезами

Частота работы ВЧИ-плазмотронов 200 кГц...40 МГц, мощность может достигать 1 МВт, КПД промышленных установок 50... 60%.

Помимо ВЧИ, в технике находит приме­нение еще одна разновидность ВЧ-безэлек - тродных плазмотронов - ВЧЕ-плазмотроны. Емкостные ВЧ-плазмотроны имеют внешние электроды, число и расположение которых относительно разрядной камеры может изме­няться. Из ВЧЕ-плазмотронов с продольным продувом плазмообразующего газа наиболее простым является конструкция с тремя электро­дами. В этом случае высоковольтный электрод располагается между двумя заземленными (рис. 4.6.5) [37]. К недостаткам ВЧЕ-плазмо - тронов можно отнести невысокий КПД уста­новки (30... 50%).

Так как индукционный и емкостной вы­сокочастотные разряды являются безэлектрод­ными, плазмотроны на их основе используют для нагрева активных газов (02, С12, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также в том случае, если требуется генерировать особо чистую плазму.

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

Рис. 4.6.5. Трехэлектродный ВЧЕ-плазмотрон:

I - высоковольтный электрод; 2 - корпус; 3, 4 - заземленные электроды, 5, 6 - верхний и нижний фланцы; 7 - ВЧ-генератор; 8 - высоковольтный фи­дер, 9 - кварцевая разрядная камера; 10 - плазмооб - разующий газ; 11- штуцер завихрителя; 12 - завих­ритель; 13 - плазменная струя; 14 - выходное отвер­стие разрядной камеры; 15. 16 - высокочастотные дуги; / 7- реактор

При выборе генератора низкотемпера­турной плазмы учитывают требуемую мощ­ность, ресурс работы на плазмообразующем газе заданного химического состава, парамет­ры плазменной струи (температуру, скорость, допустимость загрязнений продуктами эрозии электродов и др.). Так, если отсутствуют спе­циальные требования к чистоте целевого про­дукта, то чаще всего выбирают установки на основе электродуговых плазмотронов. Их при­меняют также в тех случаях, когда требуемая мощность превышает 300...500 кВт, что реали­зуется намного проще.

МАШИНОСТРОЕНИЕ

Производство и продажа хонинговальных головок

Хонинговальные головки 36-160 мм. Контакты для заказов хонголовок: Украина: +38 050 457 1330 Россия: delo7.ru - представитель в России hon@msd.com.ua Внимание! Если Вы из-за границы, желательно оставить электронную почту для …

ПРЕССОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua Прессование - старейший способ перера­ботки пластмасс в изделия разнообразной фор­мы, размеров и назначения. Способы …

КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ С ОТВОДОМ ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ОХЛАЖДАЕМЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Для осуществления такого процесса при­меняют аппараты разнообразных конструкций с охлаждающими рубашками или различными погружными теплообменными элементами (змеевиками, трубчатками, дисками и др.). Ох­лаждающими агентами служат жидкости, со­храняющие неизменным свое агрегатное со­стояние …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.