Не будите во мне Зверлинга (зачеркнуто) зверя! (с)
Плазмотрон — техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает — генератор плазмы. (с) ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%B7%...
СВЧ-ПЛАЗМОТРОН: ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ
УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ИСПОЛЬЗУЕМ
СВОБОДНО ПАРЯЩИЙ ПЛАЗМОИД (много текста с картинками)
СВЧ-ПЛАЗМОТРОН: ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ
УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ИСПОЛЬЗУЕМ
СВОБОДНО ПАРЯЩИЙ ПЛАЗМОИД
Пылеугольные котлы обычно разжигают с
помощью природного газа или мазута. Эта технология обеспечивает
стабилизацию процессов горения. Однако стоимость традиционных видов
топлива непрерывно растет. Так, стоимость газа оценивается $120 за
тыс.куб.м, мазута – $150 за тонну, а уголь стоит $35 за тонну.
Возникает естественный вопрос: почему бы не использовать в
качестве растопочного материала угольную пыль? Очевидно, что замена
дорогостоящих газа и мазута является актуальным, если бы не одно «но».
Угольная пыль по сравнению с газом и мазутом требует более высокой
температуры воспламенения и более длительного температурного
воздействия. Это связано с низким выходом летучих веществ по сравнению
с газом и мазутом. Что же делать? Можно ли преодолеть этот естественный
физический барьер? Да, можно. Высокую ударную температуру (до 12000 К)
способны развивать плазмотроны.
От воздействия плазмы в угольной пыли происходят
положительные изменения. Частицы угля дробятся на более мелкие
компоненты. Происходит их интенсивная газификация. Все это повышает
реакционные свойства топлива. Горение протекает более устойчиво.
Где
применение данной технологии является наиболее актуальным? Например,
там, где (при постоянной работе плазмотрона) происходит сжигание
низкосортных углей. Кратковременная работа плазмотрона позволяет
произвести растопку котла и осуществить достижение всех необходимых
растопочных параметров. По разным оценкам, электрическая мощность,
потребляемая плазмотроном, не превышает 2,5% от тепловой мощности
пылеугольной горелки и составляет 0,3-0,5% от тепловой мощности котла.
В то же время применяемые электродуговые плазмотроны обладают существенными недостатками:
• под действием высокой температуры у них быстро разрушаются электроды;
• электроды необходимо охлаждать.
Есть ли замена электродуговым плазмотронам? Да, такая замена
существует. Представляется перспективным использовать в таких горелках
СВЧ-плазмотроны. Прекрасно обходясь без специальных угольных и медных
электродов, СВЧ-плазмотроны в состоянии создать критическую
концентрацию электронов ~7∙1016 1/м3 . В результате:
• наблюдается раннее воспламенение холодной углевоздушной смеси;
• за относительно малый временной промежуток (~0,05 с), когда
угольные частицы соприкасаются с плазменным факелом, происходит
зажигание угольной пыли.
Рассмотрим СВЧ-плазмотрон, выполненный на основе разомкнутой
коаксиальной линии. Разомкнутую коаксиальную линию питает СВЧ-генератор
мощностью 5 кВт, частотой 2450 МГц. Плазма зажигается в воздушном
промежутке, образованном электродами на конце коаксиальной линии. Туда
же подается углевоздушная смесь. Полученные авторами результаты
показали существенное повышение интенсивности плазменного воспламенения
и горения по сравнению с традиционными промышленными горелками.
Однако сам факт горения СВЧ-плазмы между электродами, не
защищает нас от проблем, характерных для электродуговых плазмотронов.
Отрицательный эффект возникает также в результате известного смещения
точки горения вдоль волновода к СВЧ-генератору. Недостаток может быть
решен зажиганием свободно парящего плазмоида в ограниченном
пространстве. Как это сделать? Нужно сфокусировать СВЧ-энергию до
уровня напряженности поля, близкого к пробойному (для воздуха ~30
кВ/см). Чтобы это получилось, требуется система зеркальных, линзовых и
других антенн размерами не менее 10 длин волн и высокая пиковая
мощность СВЧ-генератора: 10 МВт (рис. 1). Выполнить практически это
очень трудно.
Но
есть и другой способ, который позволит зажечь и поддержать стабильное
горение «безэлектродной» СВЧ-плазмы. Для этого в объемном резонаторе
надо возбудить электромагнитное поле СВЧ высокой напряженности. Сделать
это можно с помощью генератора разумной мощности. Высокая напряженность
электрического поля в этом случае создается вследствие резонанса волн,
возникающего в замкнутом объеме металлического резонатора определенных
размеров.
В
изобретении СССР № 333890 (МПК H05h 1/18, G21b 1/00. Устройство для
получения высокотемпературной плазмы/ П. Л. Капица; Заявл. 22.08.66
(№1347761/26-25)) представлено подобное устройство. Оно предназначено
для получения высокотемпературной плазмы в резонаторе. Колебания
резонатора должны быть такими, чтобы плазменный разряд зажигался и
поддерживался в центре резонатора. Вывод плазмы наружу из данного
резонатора технически сложен. В работе (Brandenburg J. E., Kline J.,
Sullivan D. The Microwave Electro-Thermal (MET) Thruster Using Water
Vapor Propellant/JEEE transactions on plasma science, 2005) описан
плазменный двигатель для силовых установок космических кораблей,
способный работать устойчиво лишь в условиях низкого атмосферного
давления. В двигателе использован объемный цилиндрический резонатор.
Приведенные размеры позволяют создавать в резонаторе возбуждение
СВЧ-колебаний типа E011. Структура электрического и магнитного поля в
таком резонаторе показана на рис 2.
Радиус цилиндра резонатора a выбирается из условия λкр >
λo, где λкр=2λ∙a/u01 - критическая длина волны волновода, на котором
построен резонатор, параметр u01 =2,405 - корень функции Бесселя
Ј0(u)=0.
Длина резонатора определяется выражениями:
L=λв/2, λв=1/∙((1/λo)2-(1/λкр)2)1/2;
Объем пустого резонатора Vo в длинах волн:
Vo/(λo) 3=λ a 2L /(λo) 3= λ(a/λo) 2/2/(1- (u01 λo/(2λa)) 2)1/2 ,
λo, λв – длина волны СВЧ-поля в свободном пространстве и в резонаторе, соответственно.
Взаимосвязи между геометрическими размерами резонатора, а также объемом резонатора показаны на рис. 3.
На рисунке видно, что при увеличении радиуса цилиндра длина
резонатора уменьшается и стремится к L/λoλ0,5. Объем резонатора имеет
минимум, равный Vo/(λo)3=0,598 при a/λo=0,467, этому соответствует L/λo
=0,877.
Резонатор
имеет две пучности стоячей волны у центров торцевых стенок (рис. 2).
Расположив в одной пучности возбуждающий элемент СВЧ-генератора, можно
получить столь высокую напряженность поля у противоположного торца, при
которой произойдет электрический пробой плазмообразующего газа. И, как
следствие, у противоположного торца в резонаторе сформируется свободно
парящий плазмоид. Если в этом месте выполнить отверстие, то плазма под
напором расширяющегося от воздействия тепла плазмообразующего газа
может быть выведена наружу в виде струи.
Схема СВЧ-плазмотрона приведена на рис. 4.
Плазмотрон содержит СВЧ-генератор (магнетрон) 1, цилиндрический
резонатор 3 с выводным отверстием 4 и соплом 5, перегородки 6 и 9 с
отверстием 10, средства подачи плазмообразующего газа 11, средства
закачки электроизолирующего газа 12.
Перегородка 6 выполнена из газонепроницаемого диэлектрического
материала и делит полость резонатора на две камеры, одна из которых –
вводная 7 вмещает антенну 2 СВЧ-генератора, а другая – выводная 8,
подсоединена к системе подачи плазмообразующего газа 11.
Как
обеспечить электрическую прочность антенны СВЧ-генератора перед началом
эксплуатации плазмотрона? Для этого в его вводную камеру закачивается
электроизолирующий газ под избыточным давлением. В течение
приблизительно одной микросекунды после включения магнетрона
напряженность СВЧ-поля в области выводного отверстия достигает
значения, близкого к пробойному, инициируется безэлектродный
СВЧ-разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменный
сгусток-плазмоид 13.
Чтобы способствовать выводу плазмы из камеры, тангенциально
подают плазмообразующий газ, который закручивается наподобие вихря 14 и
смещается в направлении выводного отверстия. Газовый слой вихревого
потока удерживает плазменный сгусток на оси резонатора. Это
препятствует его контакту со стенками. Вихревой поток выдувает плазму
сгустка через сопло наружу, образуя плазменную струю 15.
В полость между перегородками 6 и 9 подается дополнительный
газовый поток. Он обтекает перегородки, обеспечивая их эффективное
охлаждение. Через отверстие 10 газ поступает в камеру 8. Он
компенсирует разрежение (обусловленное вихревым характером движения
основного потока в приосевой области камеры 8) и препятствует
затягиванию плазмы из свободно парящего плазменного сгустка в основной
поток газа.
Как следствие, повышается стабильность СВЧ-разряда,
уменьшается нагрев пристеночного газового слоя основного потока и
сопла, увеличивается КПД плазмотрона.
Этим представленный плазмотрон отличается по конструкции от
аналогов и позволяет работать устойчиво при нормальном атмосферном
давлении.
Как выглядит экспериментальный образец СВЧ-плазмотрона,
показано на рис. 5.
Цилиндрический резонатор 2 изготовлен из листовой латуни, сопло
– металлическое. В качестве СВЧ-генератора был применен магнетрон от
бытовой микроволновой печи фирмы «SAMSUNG», СВЧ мощностью 800 Вт.
Воздушное охлаждение магнетрона обеспечивал центробежный вентилятор 3.
По четырем гибким трубкам 4 от компрессора (не показан) подавался
плазмообразующий газ – воздух. По одной из трубок газ подавался в
пространство между перегородками. При отработке плазмотрона выявилось
предпочтительное распределение количества подаваемого газа по трубкам в
отношении слева направо: 20%, 10%, 30%, 40%. Общий расход
плазмообразующего газа составлял 0,5 л/с.
Расчеты показали, что разрядная мощность ненагруженного
резонатора с добротностью Qн = 2000 оценивается Pр = 5 кВт и почти в 6
раз превышает мощность 800 Вт СВЧ-генератора, применяемого в
микроволновых печах. Увеличить СВЧ-мощность вдвое (до 1500 Вт) удалось,
включив дополнительный источник питания от второй микроволновой печи
параллельно основному штатному, но в противофазе.
Мощность нашего СВЧ-генератора оказалась недостаточной.
Поэтому потребовался первичный принудительный вызов плазменного разряда
- инициация. Для этого использовалась металлическая проволока диаметром
0,2…0,5 мм, длиной 22…30 мм. Перед включением магнетрона проволока
вводилась внутрь резонатора через сопло. В течение первых 1-2 с после
включения магнетрона инициатор разряда сгорал. Испарившийся металл
возбуждал плазмоид возле сопла. В дальнейшем горение плазмоида
поддерживалось СВЧ-энергией. Внутрь резонатора непрерывно поступал
плазмообразующий газ (воздух), с его помощью поддерживалась необходимая
плотность плазмоида и вывод плазмы через сопло.
Для визуального наблюдения за характером движения плазмоида в
боковой стенке резонатора были выполнены специальные отверстия (снаружи
они были закрыты светопрозрачной пленкой). В отверстиях было видно
свечение. Отмечалось устойчивое горение плазмоида.
Длина плазменной струи и поперечные размеры плазмоида внутри
резонатора регулировались количеством подаваемого плазмообразующего
газа. Если расход плазмообразующего газа увеличивался до 0,6 л/с, то
длина плазменной струи возрастала до 60 мм и имела диаметр 4…5 мм. А
при расходе 0,7…1,0 л/с горение плазмоида срывалось.
В том случае, если расход плазмообразующего газа оказывался
менее 0,2 л/с, то плазма сосредотачивалась внутри резонатора. Плазмоид
под действием Архимедовой силы поднимался вверх, приводя к заметному
нагреву стенок.
Начальное давление внутри резонатора было 50…70 Па, после
возбуждения плазмоида возрастало до 270 Па. Устойчивость горения
СВЧ-плазмоида после инициации в нем плазмы объясняется переходом
плазмотрона в автотермический режим. Так, в начальный момент, пока в
резонаторе нет плазмы, добротность резонатора Qн и напряженность
электрического поля Eр в нем максимальны. Это способствует инициации в
резонаторе электрического пробоя.
В момент возникновения плазменного разряда добротность
резонатора резко уменьшается и становится близкой к 1, резонатор
переходит в режим хорошо согласованного нагруженного волновода. В
случае погасания плазмоида добротность резонатора резко возрастает,
напряженность электрического поля увеличивается, токи смещения
возрастают. Это приводит к восстановлению плазмоида.
Стальная проволока диаметром
1 мм, внесенная в струю плазмы, перерезалась плазменной струей за время не более 2 с.
Наблюдения за процессом зажигания и горением угольной пыли проводились на установке, изображенной на рис. 6.
Плазменная струя из сопла плазмотрона вводилась в муфель. Туда
же из бункера пыль подавалась сквозь отверстие с помощью вращающегося
шнека. Шнек приводился в движение электродвигателем. Вторичный воздух,
необходимый для горения, в результате скоростного истечения плазмы
эжектировался (втягивался) в просвет между соплом и муфелем.
Для лучшего наблюдения муфель был выполнен из прозрачного
стекла. Вот кадры видеофильма, из которых мы видим, как под действием
плазмы экспериментального СВЧ-плазмотрона происходит горение пыли
каменного и бурого углей (рис. 7).
Наблюдения показали, что пыль бурого угля горит более ровным
пламенем по сравнению с горением каменноугольной пыли. Это объясняется
большим количеством летучих веществ, выделяемых из бурого угля под
термическим воздействием.
Допустимая по санитарным нормам граница плотности потока
энергии СВЧ-излучения (10 мкВт/см2) расположена на расстоянии 1,5 м от
плазменной струи. Аналогичный уровень излучения производят бытовые
микроволновые печи на расстоянии 0,5 м. Столь низкий уровень наружного
СВЧ-излучения говорит о высоком КПД преобразования микроволнового
излучения в тепловую энергию плазмы.
Материалы данной работы докладывались на VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» 8-10 ноября 2006.
Выводы
1. Представлен СВЧ-плазмотрон, плазма в котором образуется в
свободно парящем плазмоиде, формирующимся внутри резонатора типа Е011.
Плазма выдувается наружу организованным потоком плазмообразующего газа.
Плазмотрон работает при атмосферном давлении.
2. Плазмотрон имеет полезную мощность преобразования СВЧ-энергии в плазму 1,5 кВт. Рабочая частота СВЧ магнетрона – 2450 МГц.
3. Плазменная струя достигает длины 60 мм, режет металл, вызывает горение угольной пыли.
4. Уровень допустимого по санитарным нормам СВЧ-излучения
(10 мкВт/см2) расположен на расстоянии не далее 1,5 м от плазмотрона.
5. Представлен график для выбора размеров резонатора для
плазмотрона на произвольную частоту. Минимальный объем резонатора
соответствует отношению радиуса цилиндра a/λo = 0,467 длине резонатора
L/λo =0,877 и составляет
Vo/(λo) 3 = 0,598.
6. Дальнейшее увеличение мощности плазмотрона до 50-100 кВт возможно при переходе с частоты
2450 МГц на частоту 915 МГц. Для этой частоты выпускаются серийные
магнетроны. При этом размеры резонатора должны быть увеличены
пропорционально длине волны. Тогда ожидаемая длина и диаметр
поперечного сечения плазменной струи увеличатся пропорционально корню
квадратному от мощности плазмотрона.
7. Результаты, о которых было рассказано в этой статье, дают
основание считать возможным практическое использование СВЧ-плазмотронов
данной конструкции. Они пригодны как для безмазутной растопки
пылеугольных котлов в энергетике, так и для получения плазмы, свободной
от примесей продуктов эрозии. Такая плазма необходима и для иных
технологических целей, например, плазмохимии.
В. Ф. Буров, Ю. В. Стрижко, ЗАО «СибКОТЭС», г. Новосибирск, Россия
Подготовил М. Е. Хенкин, «Оборудование Разработки Технологии» br>На правах рекламы
СВЧ-ПЛАЗМОТРОН: ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ
УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ИСПОЛЬЗУЕМ
СВОБОДНО ПАРЯЩИЙ ПЛАЗМОИД (много текста с картинками)
СВЧ-ПЛАЗМОТРОН: ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ
УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ИСПОЛЬЗУЕМ
СВОБОДНО ПАРЯЩИЙ ПЛАЗМОИД
Пылеугольные котлы обычно разжигают с
помощью природного газа или мазута. Эта технология обеспечивает
стабилизацию процессов горения. Однако стоимость традиционных видов
топлива непрерывно растет. Так, стоимость газа оценивается $120 за
тыс.куб.м, мазута – $150 за тонну, а уголь стоит $35 за тонну.
Возникает естественный вопрос: почему бы не использовать в
качестве растопочного материала угольную пыль? Очевидно, что замена
дорогостоящих газа и мазута является актуальным, если бы не одно «но».
Угольная пыль по сравнению с газом и мазутом требует более высокой
температуры воспламенения и более длительного температурного
воздействия. Это связано с низким выходом летучих веществ по сравнению
с газом и мазутом. Что же делать? Можно ли преодолеть этот естественный
физический барьер? Да, можно. Высокую ударную температуру (до 12000 К)
способны развивать плазмотроны.
От воздействия плазмы в угольной пыли происходят
положительные изменения. Частицы угля дробятся на более мелкие
компоненты. Происходит их интенсивная газификация. Все это повышает
реакционные свойства топлива. Горение протекает более устойчиво.
Где
применение данной технологии является наиболее актуальным? Например,
там, где (при постоянной работе плазмотрона) происходит сжигание
низкосортных углей. Кратковременная работа плазмотрона позволяет
произвести растопку котла и осуществить достижение всех необходимых
растопочных параметров. По разным оценкам, электрическая мощность,
потребляемая плазмотроном, не превышает 2,5% от тепловой мощности
пылеугольной горелки и составляет 0,3-0,5% от тепловой мощности котла.
В то же время применяемые электродуговые плазмотроны обладают существенными недостатками:
• под действием высокой температуры у них быстро разрушаются электроды;
• электроды необходимо охлаждать.
Есть ли замена электродуговым плазмотронам? Да, такая замена
существует. Представляется перспективным использовать в таких горелках
СВЧ-плазмотроны. Прекрасно обходясь без специальных угольных и медных
электродов, СВЧ-плазмотроны в состоянии создать критическую
концентрацию электронов ~7∙1016 1/м3 . В результате:
• наблюдается раннее воспламенение холодной углевоздушной смеси;
• за относительно малый временной промежуток (~0,05 с), когда
угольные частицы соприкасаются с плазменным факелом, происходит
зажигание угольной пыли.
Рассмотрим СВЧ-плазмотрон, выполненный на основе разомкнутой
коаксиальной линии. Разомкнутую коаксиальную линию питает СВЧ-генератор
мощностью 5 кВт, частотой 2450 МГц. Плазма зажигается в воздушном
промежутке, образованном электродами на конце коаксиальной линии. Туда
же подается углевоздушная смесь. Полученные авторами результаты
показали существенное повышение интенсивности плазменного воспламенения
и горения по сравнению с традиционными промышленными горелками.
Однако сам факт горения СВЧ-плазмы между электродами, не
защищает нас от проблем, характерных для электродуговых плазмотронов.
Отрицательный эффект возникает также в результате известного смещения
точки горения вдоль волновода к СВЧ-генератору. Недостаток может быть
решен зажиганием свободно парящего плазмоида в ограниченном
пространстве. Как это сделать? Нужно сфокусировать СВЧ-энергию до
уровня напряженности поля, близкого к пробойному (для воздуха ~30
кВ/см). Чтобы это получилось, требуется система зеркальных, линзовых и
других антенн размерами не менее 10 длин волн и высокая пиковая
мощность СВЧ-генератора: 10 МВт (рис. 1). Выполнить практически это
очень трудно.
Но
есть и другой способ, который позволит зажечь и поддержать стабильное
горение «безэлектродной» СВЧ-плазмы. Для этого в объемном резонаторе
надо возбудить электромагнитное поле СВЧ высокой напряженности. Сделать
это можно с помощью генератора разумной мощности. Высокая напряженность
электрического поля в этом случае создается вследствие резонанса волн,
возникающего в замкнутом объеме металлического резонатора определенных
размеров.
В
изобретении СССР № 333890 (МПК H05h 1/18, G21b 1/00. Устройство для
получения высокотемпературной плазмы/ П. Л. Капица; Заявл. 22.08.66
(№1347761/26-25)) представлено подобное устройство. Оно предназначено
для получения высокотемпературной плазмы в резонаторе. Колебания
резонатора должны быть такими, чтобы плазменный разряд зажигался и
поддерживался в центре резонатора. Вывод плазмы наружу из данного
резонатора технически сложен. В работе (Brandenburg J. E., Kline J.,
Sullivan D. The Microwave Electro-Thermal (MET) Thruster Using Water
Vapor Propellant/JEEE transactions on plasma science, 2005) описан
плазменный двигатель для силовых установок космических кораблей,
способный работать устойчиво лишь в условиях низкого атмосферного
давления. В двигателе использован объемный цилиндрический резонатор.
Приведенные размеры позволяют создавать в резонаторе возбуждение
СВЧ-колебаний типа E011. Структура электрического и магнитного поля в
таком резонаторе показана на рис 2.
Радиус цилиндра резонатора a выбирается из условия λкр >
λo, где λкр=2λ∙a/u01 - критическая длина волны волновода, на котором
построен резонатор, параметр u01 =2,405 - корень функции Бесселя
Ј0(u)=0.
Длина резонатора определяется выражениями:
L=λв/2, λв=1/∙((1/λo)2-(1/λкр)2)1/2;
Объем пустого резонатора Vo в длинах волн:
Vo/(λo) 3=λ a 2L /(λo) 3= λ(a/λo) 2/2/(1- (u01 λo/(2λa)) 2)1/2 ,
λo, λв – длина волны СВЧ-поля в свободном пространстве и в резонаторе, соответственно.
Взаимосвязи между геометрическими размерами резонатора, а также объемом резонатора показаны на рис. 3.
На рисунке видно, что при увеличении радиуса цилиндра длина
резонатора уменьшается и стремится к L/λoλ0,5. Объем резонатора имеет
минимум, равный Vo/(λo)3=0,598 при a/λo=0,467, этому соответствует L/λo
=0,877.
Резонатор
имеет две пучности стоячей волны у центров торцевых стенок (рис. 2).
Расположив в одной пучности возбуждающий элемент СВЧ-генератора, можно
получить столь высокую напряженность поля у противоположного торца, при
которой произойдет электрический пробой плазмообразующего газа. И, как
следствие, у противоположного торца в резонаторе сформируется свободно
парящий плазмоид. Если в этом месте выполнить отверстие, то плазма под
напором расширяющегося от воздействия тепла плазмообразующего газа
может быть выведена наружу в виде струи.
Схема СВЧ-плазмотрона приведена на рис. 4.
Плазмотрон содержит СВЧ-генератор (магнетрон) 1, цилиндрический
резонатор 3 с выводным отверстием 4 и соплом 5, перегородки 6 и 9 с
отверстием 10, средства подачи плазмообразующего газа 11, средства
закачки электроизолирующего газа 12.
Перегородка 6 выполнена из газонепроницаемого диэлектрического
материала и делит полость резонатора на две камеры, одна из которых –
вводная 7 вмещает антенну 2 СВЧ-генератора, а другая – выводная 8,
подсоединена к системе подачи плазмообразующего газа 11.
Как
обеспечить электрическую прочность антенны СВЧ-генератора перед началом
эксплуатации плазмотрона? Для этого в его вводную камеру закачивается
электроизолирующий газ под избыточным давлением. В течение
приблизительно одной микросекунды после включения магнетрона
напряженность СВЧ-поля в области выводного отверстия достигает
значения, близкого к пробойному, инициируется безэлектродный
СВЧ-разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменный
сгусток-плазмоид 13.
Чтобы способствовать выводу плазмы из камеры, тангенциально
подают плазмообразующий газ, который закручивается наподобие вихря 14 и
смещается в направлении выводного отверстия. Газовый слой вихревого
потока удерживает плазменный сгусток на оси резонатора. Это
препятствует его контакту со стенками. Вихревой поток выдувает плазму
сгустка через сопло наружу, образуя плазменную струю 15.
В полость между перегородками 6 и 9 подается дополнительный
газовый поток. Он обтекает перегородки, обеспечивая их эффективное
охлаждение. Через отверстие 10 газ поступает в камеру 8. Он
компенсирует разрежение (обусловленное вихревым характером движения
основного потока в приосевой области камеры 8) и препятствует
затягиванию плазмы из свободно парящего плазменного сгустка в основной
поток газа.
Как следствие, повышается стабильность СВЧ-разряда,
уменьшается нагрев пристеночного газового слоя основного потока и
сопла, увеличивается КПД плазмотрона.
Этим представленный плазмотрон отличается по конструкции от
аналогов и позволяет работать устойчиво при нормальном атмосферном
давлении.
Как выглядит экспериментальный образец СВЧ-плазмотрона,
показано на рис. 5.
Цилиндрический резонатор 2 изготовлен из листовой латуни, сопло
– металлическое. В качестве СВЧ-генератора был применен магнетрон от
бытовой микроволновой печи фирмы «SAMSUNG», СВЧ мощностью 800 Вт.
Воздушное охлаждение магнетрона обеспечивал центробежный вентилятор 3.
По четырем гибким трубкам 4 от компрессора (не показан) подавался
плазмообразующий газ – воздух. По одной из трубок газ подавался в
пространство между перегородками. При отработке плазмотрона выявилось
предпочтительное распределение количества подаваемого газа по трубкам в
отношении слева направо: 20%, 10%, 30%, 40%. Общий расход
плазмообразующего газа составлял 0,5 л/с.
Расчеты показали, что разрядная мощность ненагруженного
резонатора с добротностью Qн = 2000 оценивается Pр = 5 кВт и почти в 6
раз превышает мощность 800 Вт СВЧ-генератора, применяемого в
микроволновых печах. Увеличить СВЧ-мощность вдвое (до 1500 Вт) удалось,
включив дополнительный источник питания от второй микроволновой печи
параллельно основному штатному, но в противофазе.
Мощность нашего СВЧ-генератора оказалась недостаточной.
Поэтому потребовался первичный принудительный вызов плазменного разряда
- инициация. Для этого использовалась металлическая проволока диаметром
0,2…0,5 мм, длиной 22…30 мм. Перед включением магнетрона проволока
вводилась внутрь резонатора через сопло. В течение первых 1-2 с после
включения магнетрона инициатор разряда сгорал. Испарившийся металл
возбуждал плазмоид возле сопла. В дальнейшем горение плазмоида
поддерживалось СВЧ-энергией. Внутрь резонатора непрерывно поступал
плазмообразующий газ (воздух), с его помощью поддерживалась необходимая
плотность плазмоида и вывод плазмы через сопло.
Для визуального наблюдения за характером движения плазмоида в
боковой стенке резонатора были выполнены специальные отверстия (снаружи
они были закрыты светопрозрачной пленкой). В отверстиях было видно
свечение. Отмечалось устойчивое горение плазмоида.
Длина плазменной струи и поперечные размеры плазмоида внутри
резонатора регулировались количеством подаваемого плазмообразующего
газа. Если расход плазмообразующего газа увеличивался до 0,6 л/с, то
длина плазменной струи возрастала до 60 мм и имела диаметр 4…5 мм. А
при расходе 0,7…1,0 л/с горение плазмоида срывалось.
В том случае, если расход плазмообразующего газа оказывался
менее 0,2 л/с, то плазма сосредотачивалась внутри резонатора. Плазмоид
под действием Архимедовой силы поднимался вверх, приводя к заметному
нагреву стенок.
Начальное давление внутри резонатора было 50…70 Па, после
возбуждения плазмоида возрастало до 270 Па. Устойчивость горения
СВЧ-плазмоида после инициации в нем плазмы объясняется переходом
плазмотрона в автотермический режим. Так, в начальный момент, пока в
резонаторе нет плазмы, добротность резонатора Qн и напряженность
электрического поля Eр в нем максимальны. Это способствует инициации в
резонаторе электрического пробоя.
В момент возникновения плазменного разряда добротность
резонатора резко уменьшается и становится близкой к 1, резонатор
переходит в режим хорошо согласованного нагруженного волновода. В
случае погасания плазмоида добротность резонатора резко возрастает,
напряженность электрического поля увеличивается, токи смещения
возрастают. Это приводит к восстановлению плазмоида.
Стальная проволока диаметром
1 мм, внесенная в струю плазмы, перерезалась плазменной струей за время не более 2 с.
Наблюдения за процессом зажигания и горением угольной пыли проводились на установке, изображенной на рис. 6.
Плазменная струя из сопла плазмотрона вводилась в муфель. Туда
же из бункера пыль подавалась сквозь отверстие с помощью вращающегося
шнека. Шнек приводился в движение электродвигателем. Вторичный воздух,
необходимый для горения, в результате скоростного истечения плазмы
эжектировался (втягивался) в просвет между соплом и муфелем.
Для лучшего наблюдения муфель был выполнен из прозрачного
стекла. Вот кадры видеофильма, из которых мы видим, как под действием
плазмы экспериментального СВЧ-плазмотрона происходит горение пыли
каменного и бурого углей (рис. 7).
Наблюдения показали, что пыль бурого угля горит более ровным
пламенем по сравнению с горением каменноугольной пыли. Это объясняется
большим количеством летучих веществ, выделяемых из бурого угля под
термическим воздействием.
Допустимая по санитарным нормам граница плотности потока
энергии СВЧ-излучения (10 мкВт/см2) расположена на расстоянии 1,5 м от
плазменной струи. Аналогичный уровень излучения производят бытовые
микроволновые печи на расстоянии 0,5 м. Столь низкий уровень наружного
СВЧ-излучения говорит о высоком КПД преобразования микроволнового
излучения в тепловую энергию плазмы.
Материалы данной работы докладывались на VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» 8-10 ноября 2006.
Выводы
1. Представлен СВЧ-плазмотрон, плазма в котором образуется в
свободно парящем плазмоиде, формирующимся внутри резонатора типа Е011.
Плазма выдувается наружу организованным потоком плазмообразующего газа.
Плазмотрон работает при атмосферном давлении.
2. Плазмотрон имеет полезную мощность преобразования СВЧ-энергии в плазму 1,5 кВт. Рабочая частота СВЧ магнетрона – 2450 МГц.
3. Плазменная струя достигает длины 60 мм, режет металл, вызывает горение угольной пыли.
4. Уровень допустимого по санитарным нормам СВЧ-излучения
(10 мкВт/см2) расположен на расстоянии не далее 1,5 м от плазмотрона.
5. Представлен график для выбора размеров резонатора для
плазмотрона на произвольную частоту. Минимальный объем резонатора
соответствует отношению радиуса цилиндра a/λo = 0,467 длине резонатора
L/λo =0,877 и составляет
Vo/(λo) 3 = 0,598.
6. Дальнейшее увеличение мощности плазмотрона до 50-100 кВт возможно при переходе с частоты
2450 МГц на частоту 915 МГц. Для этой частоты выпускаются серийные
магнетроны. При этом размеры резонатора должны быть увеличены
пропорционально длине волны. Тогда ожидаемая длина и диаметр
поперечного сечения плазменной струи увеличатся пропорционально корню
квадратному от мощности плазмотрона.
7. Результаты, о которых было рассказано в этой статье, дают
основание считать возможным практическое использование СВЧ-плазмотронов
данной конструкции. Они пригодны как для безмазутной растопки
пылеугольных котлов в энергетике, так и для получения плазмы, свободной
от примесей продуктов эрозии. Такая плазма необходима и для иных
технологических целей, например, плазмохимии.
В. Ф. Буров, Ю. В. Стрижко, ЗАО «СибКОТЭС», г. Новосибирск, Россия
Подготовил М. Е. Хенкин, «Оборудование Разработки Технологии» br>На правах рекламы
@темы: Физики в электричестве, Физики пытаютцо думать, Физики проектируют, Физики в быту, Открытия физиков
-
-
28.01.2010 в 00:57-
-
28.01.2010 в 00:59-
-
28.01.2010 в 02:20Пощадите глаза!
-
-
28.01.2010 в 04:21Практически. =)
Я Уже своб разбирал. Решил, что возьму у друзей полурабочую и буду с ней уже эксперименты проводить)))
Там же по факту из нее только магнетрон, кондер и транс нужны. =)
decease
Материал был под катом, что не так? Размер шрифта увеличил.
-
-
28.01.2010 в 04:34-
-
28.01.2010 в 13:15А ты можешь присоедениться - благо в одном городе живем)))
-
-
23.10.2012 в 19:35-
-
24.10.2012 в 23:16Можно сделать)
Если большое желание именно купить - и в Питере, можно договориться
-
-
19.11.2012 в 04:01-
-
19.11.2012 в 10:47-
-
19.12.2013 в 10:48