Исследование и разработка плазмотронов переменного тока для работы на инертных и окислительных газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Сафронов, Алексей Анатольевич АВТОР
доктор технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ
2010 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.13 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Исследование и разработка плазмотронов переменного тока для работы на инертных и окислительных газах»
 
Автореферат диссертации на тему "Исследование и разработка плазмотронов переменного тока для работы на инертных и окислительных газах"

004613080

На правах рукописи

Сафронов Алексей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ РАБОТЫ НА ИНЕРТНЫХ И ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ГАЗАХ

01.04.13 — Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 8 НОЯ 2010

Санкт-Петербург — 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук институте электрофизики и электроэнергетики РАН

Научный консультант - д.т.н., академик РАН Ф.Г.Рутберг

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Фролов Владимир Яковлевич доктор технических наук Коликов Виктор Андреевич доктор технических наук, профессор Усков Владимир Николаевич

Ведущая организация: Государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им.Д.Ф. Устинова

Защита состоится 22 декабря 20 Юг, в часов на заседании

диссертационного совета ДМ.002.131.01 по адресу: Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18, ИЭЭ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН. Автореферат разослан Л 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Киселев Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Необходимость создания новых, в том числе и плазмохимических технологий переработки материалов в широком диапазоне (от углеводородов до промышленных и бытовых отходов) обусловлена темпами роста промышленного производства и сферы потребления и направлена на более эффективное использование природных ресурсов и улучшение качества жизни населения.

Преимущества использования плазменной техники в перерабатывающих реакторах очевидны и заключаются в следующем:

- Электроплазменная система быстро включается и выключается, легко поддается автоматизации, является "природосберегающей" так как не требует для своей работы дополнительного топлива.

- Быстрота протекания физико-химических процессов позволяет точно рассчитывать на их завершенность.

- Требуемый объем рабочего газа мал, что упрощает систему очистки и контроля.

- Отсутствует необходимость предварительной переработки отходов.

- Высокая плотность энергии позволяет работать при большом расходе перерабатываемого продукта и малом объеме реактора.

- Высокая температура в сочетании с высокой скоростью закалки позволяет создать метастабильные неравновесные состояния (составы), что позволяет гибко управлять химической реакцией.

Наряду с этим, плазмотроны переменного тока обладают уникальными и присущими только им свойствами. Их отличительной особенностью являются:

- Простота и надежность конструкции камеры плазмотрона (отсутствие магнитной системы, керамических изоляторов и др.).

- Малые габариты плазмотрона и реактора позволяют создать передвижные компактные установки невысокой стоимости.

- Источник питания таких плазмотронов предельно прост, надежен и легко управляем.

- Теплообмен с дугами (особенно трехфазными) переменного тока значительно эффективнее, чем с дугой постоянного тока благодаря специальной организации режима горения электрической дуги.

Анализ работ, выполненных на момент принятия решения о начале исследований в области создания плазмотронов переменного тока и сопоставление его с имеющимися научными результатами показали, что существует огромный разрыв между потенциальными возможностями данной техники и ее практическим применением.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена, во-первых, потребностью в плазменных генераторах мощностью до 1 МВт, имеющих длительный ресурс непрерывной работы при использовании в

качестве плазмообразующего газ окислительных сред как для фундаментальных научных, так и прикладных проблем, и, во-вторых, недостаточной глубиной выполненных на тот момент времени исследований физических основ создания и оптимизации плазменных генераторов переменного тока.

Цели работы и задачи исследований

Основной целью диссертационной работы является создание серии высокоэффективных, надежных плазмотронов переменного тока и систем питания, которые могут применяться в промышленном производстве и крупномасштабных физических экспериментах в стационарных режимах с мощностью до 1 МВт работающих, в первую очередь, с окислительными плазмообразующими газами. Исследования мощных плазмотронов переменного тока со стержневыми электродами предназначенных для работы на азоте, инертных газах и водороде с целью оптимизации эксплуатационных параметров и увеличения надежности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно-технических задач, а именно выполнить исследования процессов, происходящих в свободногорящих дугах, в элекроразрядных камерах, в плазменной струе.

- Разработать, создать и исследовать систему питания для плазмотронов переменного тока большой мощности.

- Исследовать свойства и характеристики различных электродных материалов, создать надежную конструкцию электродного блока.

- Определить эффективность применения плазменных генераторов переменного тока в плазмохимических технологиях, в том числе и с целью получения синтез-газа.

Работы по теме проводились на основании: планов РАН, контрактов № 02.452.12.7079, 02.445.11.7192 с Министерством науки и образования; проектов РФФИ №№ 96-02-16590, 02-02-16770 и 04-02-17527.

Научная новизна

1. Экспериментально показана возможность создания надежных и высокоэффективных, с к.п.д. до ~ 92 %, плазменных генераторов переменного тока, работающих на окислительных средах длительное время.

2. Исследованы, разработаны и созданы следующие серии плазмотронов переменного тока:

- со стержневыми электродами для работы на инертных газах, азоте, водороде в диапазоне мощности от 200 кВт до 2 МВт в стационарном режиме работы.

- со стержневыми электродами для работы на окислительных средах разработана в диапазоне мощности от 1 до 100 кВт в стационарном режиме работы.

- с рельсовыми электродами для работы на окислительных средах при мощности от 100 кВт до 1 МВт в стационарном режиме работы.

3. Выполнены исследования свободногорящих сильноточных дуг (токи ~10кА), обдуваемых слабым потоком азота или аргона, показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.

4. Исследованы режимы горения дуг, при которых в трехфазных плазмотронах наблюдалось сглаживание пиков повторного зажигания вследствие большой концентрации электронов в разрядном промежутке, при этом форма кривой напряжения близка к синусоиде, что существенно улучшает энергетические характеристики плазмотрона.

5. В ходе проведения работ выполнены исследования электрофизических процессов в электродуговых камерах плазмотронов переменного тока, путей и способов достижения максимальной эффективности передачи энергии источника питания дуге, электрических и теплофизических параметров плазмотронов переменного тока мощностью до 1 МВт; эрозионных свойств материалов, используемых в электродных системах, при величине тока порядка 1000 А, среднемассовой температуре газа до 10000 К, режимов горения дуг в разрядных камерах плазмотронов переменного тока;

6. Разработана и создана серия источников питания для плазмотронов переменного тока (рабочая частота 50^60 Гц) мощностью до 10 МВт, использующая элементы стандартного электротехнического оборудования, обеспечивающая стабильность горения электрической дуги переменного тока без активного балластного сопротивления или специальных тиристорных устройств, создана оригинальная конструкция полупроводникового регулятора мощности.

7. При создании ряда плазмохимических установок для изучения процессов плазменного пиролиза различных веществ апробирована возможность эффективного использования плазмотронов переменного тока в составе этих установок.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволили создать серии плазменных генераторов переменного тока с системами питания, диапазон мощности от 5 кВт до 1 МВт, с длительным временем работы на окислительных средах, инертных газах, азоте, водороде и СОг, трехфазный однокамерный плазмотрон со стержневыми электродами и систему питания предназначенные для работы на инертных газах, азоте и водороде мощностью до 2 МВт.

На основании полученных результатов возможно серийное производство плазмотронов предназначенных для крупномасштабного промышленного применения.

Созданы исследовательский стенд и диагностическое оборудование для моделирования и исследования процессов, происходящих в плазменных генераторах.

Показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.

Экспериментально показана возможность эффективного применения созданных и исследованных плазменных генераторов для проведения исследований в крупномасштабных физических экспериментах, а также в установках предназначенных для газификации, пиролиза, переработки или нейтрализации различных органосодержащих веществ, хлор-фторсодержащих веществ и отходов, в том числе, с целью получения синтез-газа для нужд теплоэлектроэнергетики и получения искусственных топлив.

Личный вклад автора

- При участии автора создан ряд типов плазмотронов различной мощности и назначения, работающих на окислительных газах, азоте, водороде, СОг, Аг, Не, в том числе, однокамерные стержневые трехфазные плазмотроны мощностью от 100 до 2000 кВт с электродами на основе вольфрама для работы на инертных газах; однокамерные низковольтные трехфазные плазмотроны на окислительных и инертных средах с рельсовыми электродами мощностью от 100 до 1000 кВт; высоковольтные однофазные и трехфазные плазмотроны на окислительных и инертных средах мощностью от 1 до 500 кВт;

- При участии автора создан стенд мощных трехфазных плазмотронов и диагностическое оборудование для моделирования и исследования процессов, происходящих в плазменных генераторах, аппаратные средства измерения основных электрических, теплофизических и газодинамических параметров плазменных генераторов переменного тока.

- Исследованы свободногорящие сильноточные дуги ~10кА в атмосфере азота или аргона, показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.

- Выполнены комплексные исследования процессов в разрядных камерах разработанных плазмотронов переменного тока, получены параметры оптимальных рабочих режимов, зависимости параметров и их взаимовлияние, проведены ресурсные испытания.

- Выполнены исследования различных электродных материалов, блоков и механизмов разрушения электрода. Предложен ряд оригинальных решений по увеличению длительности непрерывной работы электродов.

- При участии автора в составе экспериментальных плазмохимических установок успешно применены плазменные генераторы переменного тока.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:

1. "Мощный плазмотрон переменного тока ", Ф.Г.Рутберг, А. А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е.Кузнецов, ФНТП-95 Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции. Петрозаводск 20-26 июня, 1995, т.З, стр. 422^25, (1995)

2. "Powerful Three-Phase Plasma Generators Used for Toxic Wastes Destruction", Ph.G.Rutberg, A. A. Safronov, V. L. Goryachev, SAP&ETEP-97, Eight International Conference on Switching Arc Phenomena, September 3-6,1997. Lodz, Poland, p. 371-373. (1997) "Мощныетрехфазные

генераторы плазмы, используемые для уничтожения токсичных отходов", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Л. Горячев, Восьмая международная конференция по коммутационным дуговым явлениям, 3-6 сентября, 1997, Лодзь, Польша стр. 371-373. (1997)

3. "Strong Current Arc Discharges of Alternating Current", Ph.G.Rutberg, A. A. Safronov, V. L. Goryachev, Proceedings of the 12th International Conference on Gas Discharges & Their Applications. Greifswald 1997. ISB#3-00-001360-7 (Set of 2 Volumes), Volume 1. p. 78-81. (1997)

"Сильноточные дуговые разряды переменного тока", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Л. Горячев, материалы 12 международной конференции по газовым разрядам и их применениям, Грайфсвальд 1997, lSBiO-OO-OOl360-7 (2 тома), т. 1. стр. 78-81. (1997)

4. "The Possibility of Garbage Medical and Other Toxic Waste Treatment by Plasma Chemical Method", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Kuznetsov, ICOPS-98), Raleigh NC, USA, The 25th Anniversary IEEE International Conference on Plasma Science, June 1-4,1998, p. 226, (1998),

"Возможность переработки медицинских и других токсичных отходов плазмохимическими методами", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, А.Н. Братцев, В.Е.Кузнецов, 1COPS-98, Рейлех, Северная Каролина, США, 25 ежегодная международная конференция IEEE (международного общества инженеров электриков и электронщиков) по науке о плазме, 1-4 июня 1998, стр. 226 (1998),

5. "AC Powerful Plasma Generators of High Energy Efficiency and Increased Life Time", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.L.Goryachev,V.B Kovshechnicov, A.V.Surov, A.Ph.Rutberg, Fourth International Workshop on Advanced Plasma Tools and Process Engineering, May 26-27, 1998, California, Millbrae, USA, pp. 229-232. "Мощные генераторы плазмы переменного тока с высоким КПД и увеличенным ресурсом работы " Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Л. Горячев, В.Б. Ковшечников, А.В.Суров, А.Ф. Рутберг, Четвертая международная конференция по современным плазменным инструментам и технологиям, 26-27 мая 1998, Калифорния, Миллбрае, США, стр. 229-232.

6. "Arc three-phase plasma generators and their application", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.N.Shiryaev, V.E.Kuznetsov, TPP-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes, 13-16 July 1998, St.Petersburg, p.61. "Трехфазные дуговые генераторы плазмы и их применение" Ф.Г.Рутберг,

А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е. Кузнецов, Пятая европейская конференция по термическим плазменным процессам , 13-16 июля 1998 г., Санкт-Петербург, стр.61

7. "Трехфазные плазмотроны переменного тока и их применение ", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е.Кузнецов, Материалы конференции по физике низкотемпературно и плазмы ФНТП-98. Из-во Петрозаводского Университета, стр. 578-581

8. "Application of AC Powerful Plasma Generators in Plasma Chemical Technologies of Toxic Waste Treatment", P.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, A.A.Ufimtsev, TPP-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes, 13-16 July 1998, St.Petersburg, p.294 "Применение мощных

генераторов плпзмы переменного тока в плазмохимических технологиях переработки токсичных отходов", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, А.Н. Братцев, А.А.Уфимцев, Пятая европейская конференция по термическим плазменным процессам , 13-16 июля 1998 г., Санкт-Петербург, стр. 294

9. "Plasma Installations for the Destruction of High Toxic Medical Wastes", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, A.A.Ufimtsev, ElectroMed 99, First International Simposium on Nonthermal Medical / Biological Treatments Using Electromagnetic Fields and Ionized Gases, April 12-14, 1999, Norfolk, Virginia, USA, p. 125, "Плазменные установки для уничтожения высокотоксичных медицинских отходов" Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, А.Н. Братцев, А.А.Уфимцев, Электромед 99, Первый международный симпозиум по нетермической медицинской/биологической обработке с использованием электромагнитных полей и ионизированных газов, 12-14 апреля 1999 г., Норфолк, Виржиния, США, стр. 125

10. "Investigation of process dynamic of an electric arc burning in single-phase AC plasma generators", Ph.G. Rutberg, V.P.Gorbunov, Gh.V.Nakonechny, S.D.Popov, A.A.Safronov, E.O.Serba, A.V.Surov, V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-5), contributed papers, v.l, Minsk, Belarus, September 18-22,2006 p. 110- 113 Institute of Molecular and Atomic Physics National Academy of Sciences of Belarus "Исследование динамики процесса горения электрической дуги в однофазных генераторах плазмы переменного тока", Ф.Г.Рутберг, В.П.Горбунов, Г.В.Наконечный, С.Д.Попов,

A.А.Сафронов, Е.О.Серба, А.В.Суров, V мбеждународная конференция по плазма физике и плазменным технологиям (РРРТ-5), представленные доклады, т. 1, Минск, Белоруссия, 1822 сентября 2006 г., стр.110-113, Институт молекулярной и атомной физики Академии наук Белоруссии

11. "Plasma Torch Optical Diagnostic of a Single-Phase Alternating Current Plasma Generator", Philip G. Rutberg, Ghennady V.Nakonechny, Roman V. Ovchinnikov, Alexander V.Pavlov, Sergey D. Popov, Alexey A. Safronov, Andrey I. Sakov, Evgeny O. Serba and Alexander V. Surov, 2007 IEEE Pulsed Power Conference (PPPS-2007) Digest of Technical Papers 19762007, June 17-20, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, IEEE Catalog Number 07CH37864C, ISBN 1-4244-0914-4, Library of Congress 81644315, p. 732-735, Omnipress, Madison, оптическая диагностика плазменных горелок однофазного генератора плазмы, переменного тока, Филипп Г.Рутберг, Геннадий В.Наконечный, Роман В.Овчинников, Александр,

B.Павлов, Сергей Д.Попов, Алексей А.Сафронов, Андрей И.Саков, Евгений О.Серба и Александр В. Суров, Конференция по импульсной мощности 2007 IEEE (PPPS-2007) Сборник технических статей 1976-2007 г., 17-20 июня 2007 г., Альбукерка, Нью Мексика, США, IEEE каталог номер 07СН37864С, ISBN 1-42448

0914-4, Библиотека конгресса 81-644315, стр. 732-735, Омнипресс, Медисон

12. "Investigation of Ways and Methods to Increase the Time of Continuous Operation of Alternating Current Plasma Generators in Industrial Applications", Philip G. Rutberg, Kiril A. Kuzmin, Vladimir E. Kuznetsov, Alexey V. Nikonov, Roman V. Ovchinnikov, Alexey A. Safronov, Valentin A. Spodobin, Alexander V. Surov, and Olga B. Vasilieva, 2007 IEEE Pulsed Power Conference (PPPS-2007) Digest of Technical Papers 19762007, June 17-20,2007, Albuquerque, New Mexico, USA, IEEE Catalog Number 07CH37864C, ISBN 1-4244-0914-4, Library of Congress 81644315, p. 760-763, Omnipress, Madison, "Исследование способов и методов увеличения времени непрерывной работы генераторов плазмы переменного ТОКа Промышленного применения" Филипп Г.Рутберг, Кирилл А. Кузьмин, Владимир Е.Кузнецов, Алексей А.Никонов, Роман В.Очинников, Алексей

A.Сафронов, Валентин А.Сподобин, Александр А.Суров и Ольга Б. Васильева, Конференция по импульсной мощности 2007 IEEE (PPPS-2007) Сборник технических статей 1976-2007 г., 17-20 июня 2007 г., Альбукерка, Ныо Мексика, США, IEEE каталог номер 07СН37864С, ISBN 1-4244-0914-4, Библиотека конгресса 81-644315, стр. 732-735, Омнипресс, Медисон

13. "High-Voltage Plasma generators of Alternating Current with Rod Electrodes Stationary Operating on Oxidizing media", Philip G. Rutberg, Irina I. Kumkova, Vladimir E. Kuznetsov, Sergey D. Popov, Alex P. Rutberg, Alexey A. Safronov, Vasily N. Shiryaev and Alexander V. Surov, 2007 IEEE Pulsed Power Conference (PPPS-2007) Digest of Technical Papers 1976-2007, June 17-20, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, IEEE Catalog Number 07CH37864C, ISBN 1-4244-0914-4, Library of Congress 81-644315, p. 1556-1559, Omnipress, Madison, "Высоковольтные

генераторы плазмы переменного тока со стержневыми электродами стационарно работающими на окислительные среды", Филипп Г.Рутберг, Ирина И. Кумкова, Владимир Е.Кузнецов, Сергей Д.Попов, Александр Ф. Рутберг, Алексей А.Сафронов, Василий Н. Ширяев и Александр А.Суров, Конференция по импульсной мощности 2007 IEEE (PPPS-2007) Сборник технических статей 1976-2007 г., 17-20 июня 2007 г., Альбукерка, Нью Мексика, США, IEEE каталог номер 07СН37864С, ISBN 14244-0914-4, Библиотека конгресса 81-644315, стр. 732-735, Омнипресс, Медисон

14. "Плазмотроны переменного тока со стержневыми электродами мощностью от 5 до 50 кВт для плазмохимических приложений", Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, Г.В.Наконечный, С.Д.Попов, Е.О.Серба,

B.А.Сподобин, А.В.Суров, Proceedings of 10th International Conference on Gas Discharge Plasmas and Their Technological Applications, edited by Vladimir Lopatin, Tomsk, Russia, 17-20 September, 2007, ISSN 0021-3411, Известия вузов. Физика, 2007, № 9, Издание Томского Университета стр.77-79 "Плазмотроны переменного тока со стержневыми электродами мощностью от 5 до 50 кВт для плазмохимических приложений", Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, Г.В.Наконечный, СД.Попов, Е.О.Серба, В.А.Сподобин, А.В.Суров, Материалы 10 международной конференции по разрядам в газах и их технологическим применениям, под редакцией Владимира Лопатина, Томск, Россия, 17-20 сентября, 2007, ISSN 0021-3411, Известия вузов. Физика, 2007, № 9, Издание Томского Университета стр.77-79

15."Electric arc plasma generators on steam-air mixtures for plasmachemical applications", Ph.G. Rutberg, A.A.Safronov, A.V.Surov, S.D.Popov,

E.O.Serba, G.V.Nakonechny, K.A.Kuzmin, The 10th HTPP, Patras, Greece, 7-11 July, 2008, book of abstracts Patras University, "Электродуговые генераторы плазмы на паровоздушных смесях для плазмохимических применений", Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, А.В.Суров, С.Д. Попов, Е.О.Серба, Г.В.Наконечный, К.А. Кузьмин, 10 конференция по высокотемпературным плазменным процессам (НТРР), Патрас, Греция, 7-11 июля 2008, книга абстрактов, Университет Патраса

16. "Spectral and optical investigations of electric arc plasma generators of alternating current with power to 600 kW", Ph.G. Rutberg, A.A.Safronov, A.V.Surov, A.V.Pavlov, S.D.Popov, A.I.Sakov, V.A.Spodobin, The 10th HTPP, Patras, Greece, 7-11 July, 2008, book of abstracts Patras University "Спектральные и оптические исследования электродуговых генераторов плазмы переменного тока мощностью до 600 кВт" Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, А.В.Суров,

A.В.Павлов, С.Д. Попов, А.И.Саков, В.А.Сподобин, 10 конференция по высокотемпературным плазменным процессам (НТРР), Патрас, Греция, 7-11 июля 2008, книга абстрактов, Университет Патраса

17. "Increase in durability of alternating current plasma generators and experimental development of materials and designs of electrode units for plasma generators for CO2 processing" A.A.Safronov, I.I. Kumkova, R.V. Ovchinnikov, V.E.Kuznetsov,V.N.Shiryaev, K.A.Kuzmin, O.B.Vasilieva, EMRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg, France - June 8 - 12, Q: Laser and Plasma Processing for Advanced Materials, Abstract at: http://www.emrs-strasbourg .Com, "Увеличения срока службы генераторов плазмы переменного тока и экспериментальная разработка материалов и конструкций электродных блоков генераторов плазмы для переработки СО2", А.А.Сафронов, И.И. Кумкова, Р.В.Овчинников,

B.Е.Кузнецов, В. Н. Ширяев, К.А. Кузьмин, О.Б.Васильева, EMRS 2009, Весеннее заседание, Страсбург, Франция, 8-12 июня, Q: Лазерная и плазменная обработка современных материалов, абстракт на: http://www.emrs-strasbourg.com

18. "Electric arc alternating current plasma generators operating on a mix of steam with various gases for plasma technologies of synthetic fuel production", Rutberg Ph. G., Safronov A. A., Popov S. D., Surov A. V.,Nakonechny Gh. V., Spodobin V. A., Lukyanov S. A., Kumkova 1.1., Kuzmin K.A. EMRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg, France - June 8 -12, Q: Laser and Plasma Processing for Advanced Materials, Abstract at: http://www.emrs-strasb0urg.e0m , "Электродуговые генераторы плазмы переменного тока работающие на смеси пара с различными газами для плазменных технологий производства различных синтетических топлив", Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов,

C.Д. Попов, А.В.Суров, Г.В.Наконечный, В.А.Сподобин, С.А.Лукьянов, И.И.Кумкова, К.А. Кузьмин, EMRS 2009, Весеннее заседание, Страсбург, Франция, 8-12 июня, Q: Лазерная и плазменная обработка современных материалов, абстракт на:

http://www.emrs-strasbourg.com

19. "Investigation of Operating Modes of Electric Arc Alternating Current Plasma Generators Using Carbon Dioxide as a Plasma Forming Agent", 03P-41, P. G. Rutberg, A. A. Safronov, A. V. Surov, S. D. Popov, G. V. Nakonechny, R. V. Ovchinnikov, V. A. Spodobin, S. A. Lukyanov, S. A. Kuschev, CONFERENCE RECORD - ABSTRACTS The 17th IEEE International Pulsed Power Conference IEEE Catalog Number: CFP09PPC ISBN: 978-1-4244-4065-8 Library of Congress: 200990 Copyright © 2007 by Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., p.304 ,

"Исследование режимов работы электродуговых генераторов плазмы переменного тока, использующих углекислый газ в качестве плазмообразующего вещества", Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, С.Д. Попов, А.В.Суров, Г.В.Наконечный, Р.В.Овчинников, В.А.Сподобин, С.А.Лукьянов, С.А.Кущев, ОЗР-41, материалы конференции - абстракты, 17 международная конференция ШЕЕ по импульсной мощности, каталог номер CFP09PPC ISBN: 978-1-4244-4065-8 Библиотека конгресса: 200990 Авторское право О 2007 Институт инженеров электриков и электронщиков, Inc., стр.304 20. "Methods of increase in life time and duration of continuos operation of rod electrodes of alternating current plasma generators", V.E. Kuznetsov, K.A.Kuzmin, A.A.Safronov, V.N.Shiryaev, R.V.Ovchinnikov,

0.B.Vasilieva European Plasma Conference HTPP-11 Brussels, 27 June - 2 July, 2010 "Методы увеличения срока службы и продолжительности непрерывной работы стержневых электродов генераторов плазмы переменного тока" В.Е.Кузнецов, К. А. Кузьмин, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, Р.В.Овчинников, О.Б.Васильева, Европейская конференция по плазме НТРР-11 , Брюссель, 27 ИЮНЯ-2 ИЮЛЯ 2010, абстракты на http://wvw.hlpp П.ей.

Публикации

По тематике диссертационной работы автором опубликовано 66 работ, в том числе 33 статьи в рецензируемых журналах.

Структура и содержание работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 314 страницах машинописного текста, включает 191 рисунок, 21 таблицу и список литературы из 294 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Исследования и создание серии плазмотронов переменного тока (частота 50+60 Гц, рабочий ток до 6400 А) со стержневыми электродами для работы на инертных газах, азоте, водороде в диапазоне мощности от 200 кВт до 2 МВт при стационарном режиме работы, серии плазмотронов переменного тока (рабочий ток до 1500 А) с рельсовыми электродами, для работы в стационарном режиме при мощности от 100 кВт до 1 МВт. Рабочий газ - воздух, серии плазмотронов переменного тока (частота 50+60 Гц, рабочий ток до 100 А) со стержневыми электродами в диапазоне мощности от 1 до 100 кВт при стационарном режиме работы. Рабочий газ - воздух.

2. Создание систем питания плазменных генераторов переменного тока в диапазоне мощности (от 5 кВт до 10 МВт, рабочая частота 50+60 Гц) использующих элементы стандартного электротехнического оборудования, обеспечивающие стабильность горения электрической дуги переменного тока без активного балластного сопротивления или

специальных тиристорных устройств, создана оригинальная конструкция полупроводникового регулятора мощности.

3. Результаты исследования процессов горения сильноточных дуг в плазмохимических реакторах с расплавом и замыканием сильноточных дуг на расплав или между электродами, процессов горения дуг переменного тока в мощных плазмотронах, параметры оптимальных рабочих режимов, зависимости параметров и их взаимовлияние.

4. Результаты исследований направленных на обеспечение стационарных режимов работы электродов плазмотронов переменного тока.

Краткое содержание работы

Во введении описывается область применения плазменных генераторов, основные достоинства систем переменного тока, обосновывается актуальность темы и формулируется цель работы.

В первой главе рассмотрена классификация плазменных генераторов. Показано на примере рассмотренных конструкций плазменных генераторов, что подавляющее большинство плазмотронов предназначено для работы в среде инертного газа или азоте, использование в качестве рабочего, газа с окислительными свойствами, без применения защитного инертного газа для электродов в большинстве случаев не предусмотрено. Отсутствуют унифицированные образцы плазмотронов мощностью до 1 МВт. Источники питания для таких систем достаточно сложны, к недостаткам систем питания постоянного тока можно отнести наличие дорогостоящего тиристорного оборудования, сетевых фильтров и снижение общего КПД за счёт введения дополнительных активных балластных сопротивлений.

Поставлены задачи и сформулированы проблемы, требующие решения для успешного использования плазмотронов переменного тока в научных экспериментах, промышленности и сфере наукоемких технологий.

Во второй главе рассмотрены технические решения, разработки и созданные мощные трехфазные однокамерные плазмотроны со стержневыми электродами, предназначенные для работы на инертных газах, азоте и водороде, конструкции однокамерных плазмотронов со стержневыми электродами, предназначенными для работы на окислительных газах, конструкции плазмотронов переменного тока (частота 5ГН60 Гц) с рельсовыми электродами, в основу функционирования которых положен принцип движения дуговых привязок под действием газодинамических и электродинамических сил (рельсотронный эффект).

Созданные модели адаптированы для оптимальной работы в стационарном режиме при мощности до 1 МВт. Достоинствами разработанных плазмотронов переменного тока являются:

сравнительно низкое напряжение питающей сети (380 - 480 В при частоте 50 - 60 Гц), а также неприхотливость к системам обеспечения (рабочий газ воздух, водяное охлаждение).

надежный поджиг дуги и бесперебойная работа плазмотрона при переходе тока через ноль.

Плазмотроны типа ЭДП Рис. 1 это серия плазмотронов мощностью 200 кВА, 2 MB А, 5 МВА, 80 МВА (ЭДП-0,2; ЭДП-2; ЭДП-5; ЭДП-80), предназначенных для работы в стационарных режимах (кроме ЭДП-80) для нагрева инертных газов, а также азота и водорода. Плазмотрон имеет электродуговую камеру с цилиндрическим и сужающимся коническим участками. Три параллельных оси камеры электрода установлены в электродном блоке, защищенном от теплового потока теплостойкой электроизоляционной шайбой. Электроды вольфрамовые с присадкой лантана, иттрия или тория. Стержни закреплены в медных электродержателях, В цилиндрическом участке электродуговой камеры имеется ряд тангенциальных отверстий для ввода рабочего газа. Поступающий через отверстия тангенциальный поток рабочего газа образует у стенок электродуговой камеры относительно холодный слой, частично защищающий их от конвективного теплового потока. Кроме того, в зоне холодного слоя концентрация заряженных частиц резко падает, создается изолирующая область, вследствие чего положительный столб дуги не касается стенок.

1 2 3 4

Рис. 1. Трехфазный плазмотрон серии ЭДП.

1 - Камера, 2 - контур подачи газа, 3 - наконечник электрода, 4 - изолятор, 5 - токоввод, 6 - подвод воды.

В различных конструкциях, в зависимости от назначения плазмотрона, соответствующее выполнение системы отверстий позволяет различным образом распределять поступающий газ среди трех зон', в зону электродов, включая их торцы, т. е. места привязки дуг к электродам, в центральную зону электродуговой камеры (за срезом электродов) и тангенциальный поток

вдоль стенок камеры. Последний, для создания надежной газовой защиты стенок, электродуговой камеры, должен быть значителен во всех случаях, в то время как отсутствие потока в первую зону позволяет получить короткие высокотемпературные дуги при сравнительно низкой среднемассовой температуре потока. Наиболее часто реализуемый режим - это равномерное распределение газа между первой и второй зонами, режим максимальной мощности.

Поджиг дуги в камере плазмотрона производится импульсным инжектором плазмы. В качестве источника питания используется электрическая сеть или автономные электрические машины (генераторы ТИ-100, ТИ-75-2, ТИ-12-2).

Принцип работы плазмотрона переменного тока со стержневыми электродами Рис. 2 предназначенного для работы на окислительных средах, следующий. Напряжение 6 кВт прикладывается между электродами. Под воздействием высокого напряжения происходит электрический пробой воздушного промежутка между стенкой каждого канала и буртом наконечника-электрода. Дуги под воздействием газового потока, подаваемого тангенциально в каналы, выдуваются на торцы электрода и далее, перемещаясь по стенкам каналов, выходят на концы трубок, замыкаются между собой, и дуга начинает гореть от торца одного электрода

погасания дуги процесс повторяется.

В основу работы плазмотронов с электродами рельсового типа Рис. 3 положен принцип электродинамического движения дуг в поле собственного тока (рельсотронный эффект).

Рис. 2. Устройство плазмотрона. 1-корпус, 2- изолятор, 3- электрод.

Рис. 3. Многофазный однокамерный плазмотрон переменного тока с электродами рельсового типа (работающий с мощностью 220 кВт, расход 30 г/с) 1 - Инжектор, 2 - корпус, 3 - сопло, 4 - электрод.

На Рис. 3 изображен разрез трехфазного плазмотрона рельсовыми электродами. Плазмотрон состоит из четырех основных составных элементов: корпуса, выходного фланца с соплом, системы электродов и инжектора.

Корпус изготовлен из нержавеющей стали и представляет собой цилиндр (наружный диаметр - 390 мм), переходящий в усеченный конус. Охлаждение корпуса - водяное. По его длине расположены три кольца с тангенциальными отверстиями, через которьге подается рабочий газ в разрядную камеру. Подача газа осуществляется независимо через каждое кольцо. Выходной фланец так же выполнен из нержавеющей стали (12Х18Н10Т) и охлаждается водой, его рубашка охлаждения соединена с рубашкой корпуса латунными втулками с кольцевыми резиновыми уплотнениями. Электроды имеют изогнутую форму и могут быть выполнены из медного прутка диаметром (20-40) мм с внутренним отверстием диаметром 8 мм. В них впаяны латунные штуцера, через которые осуществляется крепление электрода в корпусе и подача охлаждающей воды. Электрод устанавливается в корпус изнутри через керамический изолятор и фторопластовую втулку, через которую с наружной стороны корпуса вставляется ответный латунный штуцер. Со стороны усеченного конуса корпуса плазмотрона крепится инжектор, выходное сопло которого направлено в область минимального межэлектродного зазора. К штуцерам электродов, расположенным ближе к инжектору, крепятся токоподводящие шины.

В третьей главе исследованы принципы построения систем электропитания для плазмотронов переменного тока с торцевыми и рельсовыми электродами мощностью до 10 МВт. Рассмотрены ключевые моменты проектирования, показаны критерии определения зоны устойчивости рабочих параметров, разработаны методики расчета основных параметров источника питания плазмотронов переменного тока. Разработаны

и приведены методики инженерного расчета основных элементов системы питания плазмотронов переменного тока.

Плазмотрон переменного тока, с точки зрения электрической нагрузки, представляет собой нелинейное активное сопротивление, характеристики которого зависят от рода рабочего газа, его расхода, давления в электроразрядной камере, способа организации газового потока, а также от свойств материала электродов.

В достаточно общем случае трехфазный плазмотрон может эквивалентироваться активным трехполюсником, включающим в себя три активных сопротивления и три источника э.д.с. Эти элементы внутри трехполюсника могут быть включены как по схеме треугольника, так и по схеме звезды Рис. 4.

Рис. 4. Схемы замещения трехфазного плазмотрона: а-звезда, б-треугольник.

Для трехфазных плазмотронов, работающих в диффузном режиме, у которых ток и напряжение примерно синусоидальны, можно принять

иа = И), = ис = О

Для менее мощных плазмотронов в большинстве случаев можно принять

Га = ГЬ = гс = 0, и„ = иа^т„, иь=иь^ть, ис=ис^тс

Для симметричного режима работы плазмотрона ии=иь=ис=0,5Ли.

При принятой по Рис. 4а схеме замещения трехфазного плазмотрона мгновенное значение его электрической мощности

Рр = ЧЛ + «ьЧ + "Л + + + г/с В симметричном режиме при синусоидальном токе и при напряжении прямоугольной формы

— ■-•ДС/, =1.35Д1//, к 2

эта мощность пульсирует с частотами, кратными 6, 12, 18, 24 и т.д. от частоты сети, причем 6-я гармоническая мощности имеет амплитуду 5,7 % от постоянной составляющей мощности и 12-я гармоническая имеет амплитуду 1,4% от постоянной составляющей мощности. В реальных условиях не всегда удается обеспечить симметричный режим работы плазмотрона. Типичные, для плазмотронов переменного тока, осциллограммы напряжений при различных расходах плазмообразующего газа приведены на Рис. 5.

4000-400-8004000-400-8000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1тз

Рис. 5. Характерные осциллограммы напряжений на дугах плазмотрона с рельсовыми электродами при работе на воздухе а - расход газа Юг/с, Ь -30 г/с, рабочий ток ~ 600А

Система питания состоит из силового трансформатора и токоограничивающих реакторов, включенных в каждую фазу. Реактор необходим для стабилизации режима горения дуги. В отличие от балластного резистора в реакторе практически отсутствуют потери активной мощности, а применение емкостного компенсатора позволяет создать установку с со5<р=1 .

Для расчета в цепи переменного тока введем следующие упрощения. Будем считать, что длина дуги постоянна, а ее вольтамперная характеристика имеет прямоугольную форму, напряжение дуги ев=±еь, при этом не учитываем влияние напряжения зажигания и напряжения гашения дуги. Тогда для цепи с индуктивностью напряжение определяется выражением: е = Еът^Ш + ф)

где ф—фазный угол напряжения в момент времени 1=0, соответствующий прохождению тока через нуль. При этом

а

Г \ г- V

/ V / \ ( и-/. и- 1 V

ь ....................

г ч_ ^ и

Цн л '■V

i=—cos(cot + cp) +—cosí'р—-cot При cot = ж

COL COL COL

- E [cos(7t + ф) - соэф] = еьл ; cos V ~

Таким образом, сдвиг фаз в чисто индуктивной цепи, в которой горит дуга, не равен 90°. Из этого следует, что при напряжении дуги (2/ti) =0,637 напряжения сети, фазный угол ф обращается в нуль и искаженная кривая тока проходит через нуль одновременно с напряжением.

Пауза тока начнется в тот момент, когда при t=0 напряжение дуги станет равным напряжению сети, определяемому выражением:

e¿ = Е sin (рп.

Подставляя соответствующее значение вшфо, получим расчетное предельное напряжение дуги в условиях сделанных приближений о форме вольтамперной характеристики дуги: eh = 0,537Е.

Экспериментально для трехфазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами получено соотношение величин напряжения дуги и холостого хода источника еь= 0,61Е. Т.е.

---г*г\с т — —

cos (риак,. =-

Р ш = л/з и д/л

Исследованы схемные решения для систем питания плазмотронов переменного тока Рис. 6, в том числе организация питания мощного генератора плазмы от ударного генератора типа ТИ-75-2-(ТИ-12), ТИ-200 в режиме динамического торможения (кратковременный режим) за счет энергии маховых масс Рис. 7.

Рис. 6. Источник питания трехфазного плазмотрона (мощностью до ] МВт). 1 - силовой шкаф; 2 - шкаф с токоограничивающими реакторами; 3 -распределительный шкаф систем подачи газа и охлаждения; 4 - шкаф системы управления.

Рис. 7. Схема питания мощного трехфазного плазмотрона от синхронного

генератора.

ИК — испытательная камера, ТИ-75-2-(ТИ-12) — ударный генератор, Р — реактор, МГГ —выключатель, ВА — выключающий аппарат, ТП — трехфазный плазмотрон, ТТ — трансформатор тока, ДН — делитель напряжения, НОМ-10 — измерительный трансформатор, Т — термопара, ЗВ —

защитный выключатель.

В таблице 1 приведены параметры разработанных источников питания.

Таблица 1.

Мощность

Вид и„ плазмотрона, кВт

электродов

стержневые 572 -4040 до 10000

стержневые 3000 до 7000

стержневые 800 до 176

стержневые 6000 до 30

стержневые 6000 до 55

рельсовые 480 до 1000

Разработанные системы электропитания плазмотронов переменного тока обладают следующими преимуществами:

- конструкция источника питания обеспечивает возможность быстрого переключения и регулировки параметров мощности во всем диапазоне ее рабочих значений;

- во всем диапазоне мощности обеспечивается устойчивая, без токовых пауз и значительных пульсаций, работа плазмотрона - плавный переход тока через ноль;

- обеспечивается непрерывная работа плазмотрона в течение требуемого технологического времени;

- система питания не вносит искажения в питающую сеть;

- система питания в основном создается на базе электротехнических элементов, стандартно выпускаемых промышленностью.

В четвертой главе рассмотрены физические процессы применительно к сильноточным дугам и дугам, горящим внутри электроразрядных камер плазмотронов переменного тока.

Все плазменные технологии можно сгруппировать по двум основным методам систем генерации плазмы, посредством которых реализуется поступление в плазмохимический реактор энергии, а также формируется состав получаемых газов. В первом методе генерирующие плазму электрические дуги зажигаются непосредственно в реакторе, одним из электродов является проводящий расплав, другим электродом является графитовый или металлический электрод, введенный в реактор.

Во втором методе для генерации плазмы используются электродуговые генераторы (плазмотроны), где дуги (или дуга) горят внутри разрядной камеры, через которую продувается рабочий газ, и при помощи соплового аппарата струя плазмы вводится в плазмохимический реактор.

В первом методе уже сейчас возможна реализация крупных единичных плазмохимических реакторов, потребляющих значительное количество электроэнергии (5-30 МВт). Однако такие системы имеют ряд существенных недостатков: низкий коэффициент использования энергии дуги вследствие больших энергозатрат на поддержание высокой температуры расплава, мало эффективный теплообмен между дугой, расплавом и перерабатываемым веществом, существенное загрязнение получаемого газа примесями вещества расплава.

Во втором методе эффективность теплообмена между генерируемой плазмой и перерабатываемым веществом существенно выше, кроме того, легче формировать заданный химический состав газа, но необходимо создание мощных, надежных и высокоэффективных генераторов плазмы, способных работать длительное время, используя для генерации плазмы различные газы, прежде всего воздух, пары воды и С02.

Основным элементом разрабатываемых плазменных технологий являются системы (узлы), предназначенные для генерации плазмы. Это относится как к электроразрядным устройствам в системах с замыканием сильноточной дуги на расплав плазмохимического реактора, так и к системам, где плазма генерируется при помощи плазмотронов и ее струя вводится в реактор.

В первом случае следует рассмотреть сильноточные дуги в диапазоне от единиц килоампер до нескольких десятков килоампер, при сравнительно небольшой длине столба разряда в режиме свободно горящих дуг или в газовых потоках малой скорости.

Во втором случае (в плазмотронах) следует рассмотреть процессы в дугах в диапазоне токов от нескольких десятков ампер до килоампера, горящих в интенсивных газовых потоках.

Для проведения испытаний плазмотронов переменного тока был оборудован стенд, в состав которого входят: источники питания плазмотронов с компенсацией реактивной мощности, системы обеспечения (подачи газа и охлаждения), диагностическая камера и плазмохимический реактор. Схема стенда изображена на Рис. 8.

Рис. 8. Схема стенда испытаний плазмотронов. 1 - Системы обеспечения (охлаждения, газовой подачи); 2 - система регистрации и обработки данных оптических измерений; 3 - спектрограф; 4 - высокоскоростная видеокамера;

5 - диагностическая камера; 6 - плазмотрон мощностью до 300 кВт; 7 - устройство для измерения расхода газа; 8 - источники питания плазмотронов; 9 - трехфазная рельсовая электродуговая система «Рога»; 10 -устройство для измерения теплопотерь; 11 - - система регистрации и обработки данных от датчиков систем обеспечения и технологических установок; 12 -плазмотрон мощностью до 100 кВт; 13 - опытный плазмохимический реактор.

Исследования режима горения свободно горящих сильноточных дуг проводились в разрядных камерах со стержневыми электродами, расстояние между которыми могло меняться в ходе экспериментов и в камерах с обдуваемым электродом. В качестве материалов электродов использовались металлы и их соединения (главным образом: медь, сталь и соединения вольфрама), а также графит Рис. 9.

' [_Ф39

| т-'г} |ии гг\

-Х----^

—Э;к.1С1р>л (кагад)

п\ -С' Ипжрхноса г—' ¡\ II—Госплана

Рис. 9. Разрядные камеры а - со стержневыми электродами, /-токоподвод; 2- изоляция; 3-корпус; 4- электрод; 5- диафрагма; 6- керамический цилиндр; и Ь2-линзы; к - полупрозрачное зеркало б - с обдуваемыми электродами. Дуговая плазма постоянного тока (ОС), 30 кА, 270 V.

Для типичных случаев разрядов в воздухе, азоте и аргоне, наиболее часто используемых в плазмохимических реакторах и мощных плазмотронах значения: Т = 104 -1,5 -104 К, = 1500-1600 К, где Т - температура поверхности столба разряда, Тг - температура поверхности стенки разрядной камеры (в конкретных случаях стенки плазмохимического реактора) р ~ 1,25-10"3 г/см3 (для азота и воздуха) и ~ 1,78 -10"3 г/см3 (для аргона) при атмосферном давлении ё ~ 10 см (для сильноточных дуг), значения т|~ (1-3) •10"4 г/см -с [78], тогда вг ~ 105 (число Грасгофа) для легких газов (водорода, гелия) эта величина больше.

Как правило, в рассматриваемых условиях, т.е. при замыкании дуги на металлический расплав в диапазоне токов от нескольких кА до нескольких десятков кА, вне зависимости от среды окружающего газа, при давлениях порядка атмосферного, дуги носят диффузный характер. Во всех случаях диффузной дуги наблюдалась сильно развитая турбулентность. Необходимо отметить, что степень турбулентности у катода всегда выражена более ярко, чем в столбе разряда.

Как следствие, в сравнительно коротких дугах турбулентность выражена сильнее и теплообмен столба дуги с окружающим газом более эффективен. Колебаниям интенсивности соответствуют колебания температуры столба разряда (имеется в виду поверхностная яркостная температура). Значения температуры для азота и аргона менялись в пределах (10-15)-103 К.

Результаты экспериментов, связанные с изменением расстояния между электродами, приведены на Рис. 10.

Рис. 10. Зависимость падения напряжения на дуге от длины разрядного промежутка :а - 1 - Н2, 2 - Не, 3 - N2,4 — Аг, 5 - пары меди. Диапазон изменения тока 50-100 кА. б - дуга постоянного тока, графитовый катод, А - ток 10 кА, В - 26 кА.

Как видно из приведенных результатов Рис. 10 с ростом длины дуги величина напряженности в столбе дуги падает при сохранении значения величины тока как для постоянного, так и для переменного токов.

Проводимость в зависимости от тока и начальной плотности газа изменялась в интервале 25 - 30 Ом"1 см"1.

Оценив среднюю массовую температуру, составляющую около 12000 К, что удовлетворительно совпадает с экспериментальным значением, равным -8000 11000 К (для азота) и -12000 + 14000 К для аргона, полагая, что поле однородно, а плотность газа постоянна по сечению, а также что ионы металла распределены в разрядной камере равномерно. Концентрация электронов определяется с учетом квазинейтральности плазмы:

пе = п]а+п]т где П]а, п™ - концентрация ионов газа и металла.

= БТО14 (23- (1/2)1п пс + (3/2) 1п Те) / Те2 Проводимость плазмы вычисляется согласно: ос =Ко(п)е2пс (п. 5>пс £ + пт £,„)"'/(2ктсТс)|/2 где Кст(п) - коэффициент, характеризующий взаимодействие электронов друг с другом и учитывающий корреляцию углов рассеяния электронов с атомами и ионами; па, пт - концентрация атомов газа и металла; , > - усредненное по электронной функции распределения сечения упругих соударений с атомами газа, металла и ионами.

Более точно этот параметр можно определить, зная равновесный состав

смеси при данной температуре. Также эти расчеты позволят выявить основных «поставщиков» электронов в разряд Рис. 11.

Рис. 11. Равновесный состав плазмы (заряженные компоненты), рабочий газ- N2, материал электродов-С, Бе

Для плазмотронов со стрежневыми электродами контрагированный столб дуги выдувается потоком газа, и происходит пробой газа по хорде положительного столба Рис. 12.

ЕЁ ела прогиба I

электрод

...Дуга

Рис. 12. «Прогиб» дуги.

В трехфазной системе в каждый данный момент времени наиболее ярко горит одна из дуг, в то время как вторая погасает, а третья загорается. Один из электродов является катодом по отношению к последующему электроду, затем после смены полярности они меняются ролями. Токи в дугах стремятся течь по кратчайшему пути между электродами и образование общей точки, где бы замыкались все дуги, не наблюдалось.

Из приведенной на Рис. 13 осциллограммы напряжения дуги в одной из фаз при трехфазном режиме работы, виден плавный переход по мере роста напряжения на разрядном промежутке к дуговому разряду.

Рис. 13. Осциллограмма тока и напряжения одной из фаз при трехфазном режиме работы плазмотронов. 1 - кривая тока, 2 - кривая напряжения. I -5 00А, расход газа 9 г/сек, азот.

Появление высших гармоник в кривых напряжения и тока приводит к искажению их формы и понижению коэффициента мощности дуги. Поэтому целесообразно стремиться к тому, чтобы форма кривых приближалась к синусоиде. При условии, если магнитопровод реакторов не насыщен, форма кривой тока сглажена и близка к синусоиде.

Определяя коэффициент мощности дуги как отношение активной мощности дуги к полной мощности, получим

к =Р„/ и, 1а = I —(ак р к) / £В] ■

1(4=1.3,5... »=1,3.5...

Где: Ак и Вк - амплитуды гармоник напряжения и тока, а а к тл рк -начальные фазы соответствующих гармоник.

При однофазном режиме горения дуги в случае «горячих» электродов пики повторного зажигания не велики, что объясняется эмиссией электронов в разрядный промежуток из не успевших остыть электродов. Плазма дуги выдувается из межэлектродного промежутка со скоростью порядка (103 -104)см/сек, что определяется скоростью рабочего газа. Вследствие этого происходит деионизация межэлектродного промежутка, и снижение напряжения повторного зажигания определяется эмиссией с поверхности электродов. При трехфазном режиме горения дуг наблюдается сглаживание пиков повторного зажигания. Это объясняется большей концентрацией электронов в разрядном промежутке, возникающей за счет диффузии, т.к. в любой период времени горит одна из дуг. В режиме трехфазного горения дуги горят более стабильно, т.к. после прохождения тока через ноль не требуется повышение напряжения для повторного пробоя. При трехфазном режиме горения форма кривой напряжения близка к синусоиде, что значительно улучшает энергетические характеристики плазмотронов. Следовательно, при работе на переменном токе целесообразно использовать многофазные системы с дугами, горящими в одной камере Рис. 14.

Рис. 14. Осциллограмма напряжения на дуге при однофазном режиме в одной из фаз при трехфазном

работы плазмотрона. Рабочий газ - режиме работы плазмотрона, рабочий аргон, расход газа - 7 г/сек, I =200А, газ- аргон, расход газа - 7 г/сек, I иа-115 В =200А.

Рис. 15. Дуги в разрядной камере трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами (рабочий газ - воздух), 2000 кадров/с. а) Контрагированный режим; б) Диффузный режим горения дуг.

При установлении контрагированного режима горения дуг (пс> 1016 см"3, Т > 104К) значительная часть тепла передается за счет излучения (50-99)%. Носители зарядов при этом образуются фактически за счет термической ионизации рабочего газа. Наличие в рабочем газе паров металла электродов значительно снижает лучистые потери, так как ими поглощается большая часть энергии излучения. Кроме того, несмотря на сравнительно малую площадь сечения столба контрагированной дуги, сами дуги интенсивно

При большом расходе газа, больших токах и росте давления в плазмотронах с вихревой газовой стабилизацией поток сжимает дугу и интенсивно охлаждает внешние части дугового столба, что приводит к сужению столба дуги, контракции и к значительному росту напряженности в столбе дуги. Изображение, представленное на Рис. 15а характерно для контрагированного режима горения дуг. _ _ _

движутся в объеме разрядной камеры, способствуя процессу теплообмена.

Особенности данных плазмотронов позволяют варьировать теплосодержание плазменной струи в широком диапазоне от 2 до 12 кДж/г, что позволяет рационально организовывать различные плазмохимические процессы. Например, при реализации процессов газификации органосодержащих веществ возможны режимы с высоким удельным энерговкладом при минимальном расходе плазмообразующего воздуха, что позволит снизить содержание балластного азота и повысить энергетические характеристики получаемого продукт-газа.

Показана высокая эффективность (до 92%) преобразования энергии дуг плазмотронов данного типа в энергию газа.

Установлено, что носители тока в области разряда Рис. 16 определяются как ионизацией паров металла электродов, так и ионизацией рабочего газа. В частности, при работе на воздухе в рассматриваемом диапазоне температур ионизацией N0. Показано, что пары металла играют решающую роль при запуске генератора плазмы и обеспечивают повторное зажигание дуг при переходе токов через ноль.

10й 10° 10г1 I ю30 | 10" О 10'»

ю" ю" 10"

Зк 4к 5к 6к 7к 8к 9к 10к 11к 12к 13к К Тетрега1иге

Рис. 16 . Равновесный состав плазмы (заряженные компоненты), плазмообразующий газ-воздух, материал электродов-медь.

Для характеристики свойств дуги в целом, существенным является получение ее вольт-амперных характеристик и учет факторов, влияющих на их изменение. При этом следует помнить, что величина напряжения горения дуги складывается из величины падения потенциала в столбе дуги плюс анодное и катодное падение потенциала. Характер анодного и катодного падения потенциала в основном определяется процессами, происходящими у электродов. Такие факторы, как изменение скорости потока рабочего газа и его давления, прежде всего, влияет на столб дуги. Кроме того, весьма существенно на характер процессов в столбе дуги влияет величина плотности тока.

На Рис. 17 и Рис. 18 приведены вольт-амперные характеристики трехфазного трехэлектродного плазмотрона.

и; в 800

Рис. 17. Вольт-амперные

характеристики дуг в трехфазном плазмотроне

6-рабочий газ -воздух, Р - 0,1 Мпа, расход -5 г/сек V- азот, Р - 0,2 Мпа, расход- 6 г/сек, □- аргон, Р - 0,1 Мпа, расход- 5 г/сек.

Рис. 18. Вольт-амперные характеристики сильноточного плазмотрона переменного тока Рабочий газ - азот, Р= 1-1,7 Мпа,

В ОТ № ЗОН ;,А

12 3 4 5 5 7 I, кА

Полагая, что электрическое поле однородно, плотность газа постоянна по сечению и при постоянном радиусе разряда вид вольт-амперной характеристики целиком определяется проводимостью Рис. 19 и носит растущий характер.

9 12 15 18 Г, к А „а

Рис. 19. а - вольт-амперные характеристики сильноточного трехфазного плазмотрона. Рабочий газ- азот, Р- 0,5 МПа. б - Вольт-амперные характеристики свободно горящих дуг постоянного тока (1-) и переменного тока (1~). Графитовый катод,

анод - расплав (железо). При изменении силы тока после некоторого падения величины напряжения на дуге наступает насыщение, и величина падения напряжения практически не меняется. Следует отметить, что при большем расходе рабочего газа, т.е. фактически при большей скорости газа абсолютные значения падения напряжения на дуге - выше, чем при меньшем расходе, что можно объяснить вытягиванием дуги под влиянием потока газа. С увеличением расхода рабочего газа могут быть подняты значения напряжения горения дуг, что объясняется вытягиванием дуг под влиянием увеличения скорости потока газа, а также более интенсивным охлаждением

столба дуги; при увеличения скоростей потока рабочего газа до величин порядка 104 см/сек и выше могут быть получены пологие вольт-амперные характеристики (для исследуемых конструкций). И с точки зрения увеличения вкладываемой в дуги электромагнитной мощности целесообразно работать при скоростях потока порядка 104 см/сек и выше.

В случае применения в плазмотронах вихревой газовой стабилизации при больших токах и большом расходе газа поток сжимает дугу, подобно диафрагме, и интенсивно охлаждает внешние части дугового столба, что приводит к сужению столба дуги и при определенных условиях к значительному росту напряжения в столбе дуги. В ограниченном столбе дуги с ростом тока плотность тока растет, а проводимость меняется незначительно, т.к. с ростом степени ионизации увеличивается суммарное сечение ионов, и электроны начинают рассеиваться в основном ионами, а не атомами, и длина свободного пробега электрона находится в обратно пропорциональной зависимости от степени ионизации. Это явление особенно характерно для инертных газов, где вследствие эффекта Рамзауера при температурах электронов порядка 104 К, что приблизительно соответствует температурам в сильноточной дуге, мало сечение рассеяния атомами электронов.

Действительно, значение проводимости сг можно записать следующим образом:

пь.узфф

где: пе - концентрация электронов, те - масса электрона, уЭфф - эффективная частота столкновений электронов с нейтральными частицами и ионами, -безразмерная функция, зависит от

Тс и -;

Тс - электронная температура, п, п - концентрация ионов и нейтральных

частиц, {(),) - среднее по Максвеллу транспортное сечение (в отличие от

усредненного распределения сечения упругих соударений), {<2)

кулоновское сечение.

1 1 -= х =- , т - время передачи импульса, (у.)

у-,,,, <г,>«е>+<аы

средняя тепловая скорость электронов, тогда

а_ , _е и,-_

т.е. значение проводимости будет в основном определяться кулоновским взаимодействием при соблюдении следующего условия {()л) п < (0)и,.

Таким образом, в аргоновых дугах с ростом силы тока при достижении пе величины порядка 10|6.см"3 и сохранения сечения столба дуги постоянным, проводимость будет меняться незначительно, а плотность тока расти и,

исходя из закона Ома, будет расти и напряженность в столбе дуги. Следовательно вольт-амперная характеристика будет растущей. Если же сечение дуги будет увеличиваться, и плотность тока уменьшаться, то вольт-амперная характеристика будет либо пологой, либо падающей в зависимости от изменения плотности тока.

Из изложенного можно сделать вывод, что в плазмотроне с вихревой стабилизацией при достаточной скорости потока газа с ростом силы тока может быть получена вначале пологая, а затем и растущая вольт-амперная характеристика Рис. 20, другие параметрические зависимости плазмотрона приведены на Рис. 21и Рис. 22.

Рис. 20. Статические ВАХ трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами для разных расходов рабочего газа (воздух) при атмосферном

давлении.

Рис. 21. Зависимости мощности от тока в дугах трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами для разных расходов рабочего газа (воздух) при атмосферном давлении.

Рис. 22. Зависимости среднемассовой температуры рабочего газа трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами от расхода (воздух) при

атмосферном давлении.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с исследованием электродных материалов и созданием конструкции электрода с целью обеспечения требуемой долговечности во всем диапазоне рабочих режимов плазмотрона, в том числе и при максимальной мощности. Исследованы возможности применения различных электродных материалов и конструкций электродных блоков.

При работе с электродами из торированного или лантанированного вольфрама можно обеспечить удельный износ порядка (Ю-7 -г10"6)г/Кл, что касается электродов из меди и стали, то возможна работа как в режиме Т-Е-эмиссии так и в режиме взрывной эмиссии и удельный износ составляет ~ (10"5-Ч(И)г/Кл. Графитовые электроды возможно использовать в режиме термоэмиссии при низких плотностях тока ^ ~ (3(Н50)А/см2, температуре поверхности 380(Н4000нК и удельном износе ~ 10"4 г/Кл.

Исследованы эрозионные свойства торцевых вольфрамосодержащих электродов с продувом газа и медных рельсотронных электродов .

Проведенные исследования показали:

Уменьшение на порядок эрозии торцевых вольфрамосодержащих электродов за счет организованного продува сквозь них газа.

Возможность увеличения в 2-3 раза рабочего давления для вышеуказанных электродов.

Исследованы физико-технические параметры ряда материалов для изготовления электродов Рис. 23 однофазных плазмотронов переменного тока.

Рис. 23. Электроды (стержневой и рельсовые) плазмотронов переменного

Установлено, что при работе в окислительных средах появляется возможность изготавливать электроды из относительно недорогих композиционных материалов на основе меди, сплавов меди и железа и добиваться достаточно высоких показателей, удовлетворяющих технологические требования по длительности непрерывной работы.

В таблице 2 приводятся лучшие показатели для различных материалов в сравнении с результатами, полученными при использовании электротехнической меди.

Таблица 2.

Материал Ток, А Величина удельной эрозии, г/Кл

медь 2,8 5.8'Ю"4

Сталь 45Х25Н35С2 2.6 7.1Т0"6

4.4 7.М О"6

7.7 15.7'Ю"6

70%Си+30%Ре 7,0 4,0-10"6

70%Си+30%Ре 7.2 7,4-10"6

69,75%Си+30%Ре+0,1 %У203 9.2 6,0'10"6

Создана серия электродов из каркасных карбидных композиционных материалов различного состава, содержащих медь для изготовления

электродов плазмотронов переменного тока. Установлено, что фазовый состав, соответствующий минимальному эрозионному уносу определяется содержанием меди ~ 45% Рис. 24.

Эрозия, г/Кл

ШЮ-е 1.4x10 а-1.2x10-*-1.0x10-5 а охю-1-

ш Эрозия при 1=7,8 А ♦ Эрозия при 1=4,5 А

-.—|—I—I—•—Г™1—I—г-1—■—I—■—1—•—1—I—I—I—'—I—I—I

<в.т Шв% 31% 31% М.3% 37% <1% 41.4Г, ¿5.4% 471%

Процентное содержание меди в Рис. 24. Зависимость величины удельной эрозии от тока и состава композиционного материала на основе карбида хрома.

Создан ряд конструкций стержневых электродов на базе многослойных материалов, полученных методом порошковой металлургии. Установлено, что для изготовления наружного (теплопроводного) слоя следует использовать медь в виде медного порошка марки ПМС-1, для изготовления внутреннего жаростойкого слоя следует использовать смесь композиционных материалов на основе меди с добавками железа марки ПЖРВ-2 в количестве 30%.

Разработанные электродные блоки предназначены для эксплуатации в стационарном режиме, достигнутое при этом время непрерывной работы составляет величину порядка нескольких сотен часов для стержневых и трубчатых электродов.

В шестой главе рассмотрены вопросы применения разработанных плазмотронов переменного тока для переработки различных веществ, в том числе и опасных отходов, как с целью уничтожения отходов, так и для последующего получения синтез-газа.

При этом получены следующие экспериментальные результаты использования разработанных плазмотронов переменного тока в составе следующих установок:

- Установка по переработке твердых и жидких токсичных веществ. Температура струи воздушной плазмы составляла 4000+6000°К. При переработке твердых токсичных веществ коэффициент конверсии на НС1 достигал 99,9% и по N0* более 90%,

при экспериментах на хладоне 113 (С2Р3С1з) степень минерализации по НС1~99,6%, по НР - 98,6%.

- Установка по газификации твердых и жидких отходов с применением расплава и плазмотронов переменного тока.

Температура струи воздушной плазмы составляла 400(Н6000°К. При переработке смешанных органосодержащих отходов получен синтез газ с энергосодержанием ~ 7,4 МДж/м3 (СО~32% , Н2~28% , N2-29%), что удовлетворительно соответствовало расчетным данным.

- Установка для газификации твердых отходов и угля.

Температура струи воздушной плазмы составляла 4000+6000°К. При газификации отходов древесины газ с энергосодержанием ~ 6МДж/м3, при этом выход газа с 1 кг - составлял ~ 3 м3/кг. При газификации каменных углей получен газ с энергосодержанием -(3,5-3,6) МДж/м3 и выходе - 3,5 м3/кг.

Проведена оценка путей создания системы по утилизации твердых бытовых отходов производительностью 5 тонн/час (40000 тонн/год). Показано преимущество использования плазмотронов для получения энергии для реализации процесса газификации перед свободно горящими дугами. В первом случае необходимая мощность в дугах - 4 МВт, во втором - 10 МВт.

Система такого масштаба может оказаться экономически и экологически оправданной, и на основе полученных расчетных и экспериментальных результатов целесообразно оценить пути создания такой системы.

Основным элементом системы является плазма. Химический реактор производительностью - 5 тонн/час (т.е. при непрерывной работе установки по 24 часа/сутки в течение 350 дней в год, производительность по отходам составит 40000 тонн/год). Суммарная мощность установленных плазмотронов 5 МВт.

Плазменная система предназначена для переработки ТБО без предварительной подготовки. Отходы поступают в реактор непрерывно и газифицируются, когда они попадают в высокотемпературную область расплавленного шлака. При этой температуре органические материалы газифицируются в сингаз, в основном состоящий из СО и Н2.

В отличие от обычных установок для сжигания отходов, плазменный реактор - не сжигающий, и реакции являются эндотермическими, а не экзотермическими. Таким образом, когда высококалорийные отходы подаются в установку для сжигания отходов, температура повышается, тогда как в плазменной системе температура понижается. Сингаз выходит из верхней части реактора через высокотемпературную трубу с огнеупорной футеровкой.

Из скруббера сингаз проходит в бойлер. Пар, произведенный в

котле, вращает обычную паровую турбину для генерации электричества, часть которого используется для управления установкой и остатки продаются потребителю.

Принципиальная схема системы представлена на Рис. 25.

Рис. 25. Принципиальная схема по переработке и утилизации твердых

бытовых отходов.

1 - подача отходов, 2 - прессовочный поршень, 3 - фидер, 4 - система энергоснабжения, 5 - плазмохимический реактор, 6 - ввод энергии в реактор (свободно горящая дуга или струя плазмотрона), 7 - теплообменник, 8 - скруббер, 9 - фильтры, 10 - бойлер, 11 - турбина, 12 - электрогенератор.

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

Основные результаты работы и выводы.

В соответствии с поставленной целью решен ряд важных научно-технических задач:

- Созданы серии высокоэффективных плазмотронов переменного тока (частота 50-^60 Гц, рабочий ток до 6400 А) со стержневыми электродами для работы на инертных газах, азоте, водороде в диапазоне мощности от 200 кВт до 2 МВт при стационарном режиме работы.

- Созданы серии плазмотронов переменного тока (рабочий ток до 1500 А) с рельсовыми электродами, в основу работы которых положен принцип движения дуговых привязок под действием газодинамических и электродинамических сил (рельсотронный эффект). Созданные конструкции оптимизированы для работы в стационарном режиме при мощности от 100 кВт до 1 МВт. Рабочий газ - воздух.

- Созданы серии плазмотронов переменного тока (частота 50+60 Гц, рабочий ток до 100 А) со стержневыми электродами в диапазоне

мощности от 1 до 100 кВт при стационарном режиме работы. Рабочий газ - воздух.

- Созданы системы питания плазменных генераторов переменного тока в диапазоне мощности (от 5 кВт до 10 МВт, рабочая частота 50+60 Гц) использующие элементы стандартного электротехнического оборудования, обеспечивающие стабильность горения электрической дуги переменного тока без активного балластного сопротивления или специальных тиристорных устройств, создана оригинальная конструкция полупроводникового регулятора мощности.

Исследованы процессы горения сильноточных дуг в плазмохимических реакторах с расплавом и замыканием сильноточных дуг на расплав или между электродами, выполнены комплексные исследования характера горения дуг в электроразрядных камерах плазмотронов различных типов в зависимости от внешних параметров, что позволило выработать ряд технических мер по увеличению эффективности плазменных генераторов переменного тока.

Установлено, что в плазмотронах с вихревой стабилизацией могут быть получены следующие вольт-амперные характеристики:

При небольшой скорости потока рабочего газа, стабилизирующего дуги, охлаждение столба дуги недостаточно и с ростом силы тока растет диаметр столба дуги. Вольт-амперные характеристики в этом случае являются падающими. При больших скоростях истечения рабочего газа происходит интенсивное охлаждение столба дуги, их диаметр меняется мало и полученные характеристики имеют пологий характер, а при дальнейшем росте тока плотность тока растет и вольт-амперные характеристики становятся растущими.

Выполнены балансовые расчеты количества носителей заряда для модели термодинамически равновесного реактора, базирующейся на поиске минимума свободной энергии Гиббса в случае свободногорящих сильноточных дуг и для плазмотрона со стержневыми электродами.

Получены экспериментальные результаты использования плазмотронов переменного тока совместно с плазмохимическими реакторами в различных технологиях уничтожения или переработки органосодержащих веществ в том числе с целью получения синтез-газа. Полученные результаты позволяют приступить к созданию серийных промышленных установок.

Основные публикации по теме диссертации.

1. Сафронов А.А.,Григорьев М.А.,Николаева Г.П.,Муравьев В.В.Система электропитания стенда для исследования проводимости плазмы. Источники электропитания кратковременных и импульсных нагрузок большой мощности;Л.,ВНИИИэлектромаш, 1981,с. 152-157 .

2. А.Н.Братцев, М.А.Григорьев, А.А.Сафронов , В.Н.Федюкович , В.Н.Ширяев Комплексное исследование параметров электрического разряда в трехфазном плазмотроне переменного тока. В сб. Генераторы плазмы и системы электропитания, Л.,ВНИИэлектромаш, 1985,с.24-32 .

3. Сафронов А.А.,Григорьев М.А.,Муравьев В.В.,Федюкович В.Н. Карчевский В.И. и другие. Некоторые вопросы оптимизации систем электропитания трехфазных плазмотронных установок. Источники питания импульсного и кратковременного действия для физических установок;Л.ВНИИэлектромаш, 1985,с.91 -100 .

4. Сафронов А.А.,Арабаджян Р.И.,Григорьев М.А.,Федюкович В.Н., Измерение мгновенной мощности трехфазного плазмотрона, В сб.: Источники питания импульсного и кратковременного действия для физических установок. Л.,ВНИИэлектромаш, 1985,с.48-57

5. Арабаджян Р.И.,Сафронов А.А.,Ширяев В.Н. Конструкции плазмотронов на рельсотронном движении дуг. В сб. Исследования мощных генераторов плазмы и систем их электропитания. Л.,ВНИИэлектромаш, 1989,с. 11 -16 .

6. "Prospects in Application of Low-Temperature Plasma in Fossil Fuel Fires Boiler Installations", Ph.G. Rutberg, V.L.Goryachev, A.A.Safronov, Applied Energy, Russian Journal of Fuel, Power and Heat Systems, v.31, #5, 1993, pp.81-86. (1993)

7. "Перспективы применения низкотемпературной плазмы в котельных агрегатах ТЭС", Ф.Г.Рутберг, В.Л.Горячев, А.А.Сафронов, Известия Академии наук, Энергетика, 1993, №5, стр.110-117, ("Outlooks on Use of Low Temperature Plasma in Boilers of Thermal Power Stations")(1993)

8. "Pulse Erosion Plasma Injector for Discharge Initiating in Electric Arc Generator of Plasma", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, Tenth IEE International Pulsed Power Conference Albuquerque, New Mexico Digest of Technical Papers, 1995 IEEE Nuclear and Plasma Sciences Society IEEE Catalog N95CH35833 Library of Congress Number 95-78039 vol.2, pp. 1313-1316. (1995)

9. " К вопросу о влиянии неустойчивости электрической дуги трехфазного плазмотрона переменного тока на его работу ", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, Р.Б.Гончаренко, В.Е.Кузнецов, Известия АН Энергетика, №4,1996, УДК 533915, стр. 114-120. ("Effect of Instability of the Three-Phase AC Plasma Arc on its Operation"), (1996),

10. "On the Question of AC Three-Phase Generator's Electric Arc Instability on its Operation", Ph.G. Rutberg, A.A.Safronov, R.B.Goncharenko, V.E. Kuznetsov, Applied Energy, Russian Journal of Fuel, Power and Heat Systems (USA), v.34, #4,1996, pp.92-97, (1996)

11. "Мощные плазмотроны переменного тока ", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В. Л. Горячев, Известия Академии Наук (Российская академия наук ISSN 0002-3310). Энергетики. №1. 1998, стр. 80-92, (1998)

12. "Специфические особенности систем электропитания промышленных трехфазных плазмотронов переменного тока ", Ф.Г.Рутберг, Р.Б. Гончаренко, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В. Е. Кузнецов, Известия Академии Наук (Российская академия наук ISSN 0002-3310). Энергетики. №1. 1998, стр. 93-99, (1998)

13. "Strong-Current Arc Discharges of Alternating Current", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.L.Goryachev, IEEE Transactions on Plasma Science, vol.26, №4 August, 1998, pp. 1297-1306. (1998)

14. "Application of AC Powerful Plasma Generators in Plasma Chemical Technologies of Toxic Waste Treatment", Ph.G.Rutberg, A.A.Ufimtsev, A.N.Bratsev, A.A.Safronov, Progress in Plasma Processing of Materials 1999 (International Thermo Plasma Processes Conference 5th 1998 , St.Petersburg Russia) Printed in USA 1999 Begell House Inc. ISBN1-56700-126-2, pp. 82JL 827. (1999)

15. "Three Phase AC Plasma Generators and their applications", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.N.Shiryaev, V.E.Kuznetsov, Progress in Plasma Processing of Materials 1999 (International Thermo Plasma Processes Conference 5th 1998 , St.Petersburg Russia) Printed in USA 1999 Begell House Inc. ISBN1-56700-126-2, pp. 99-105. (1999)

16. "Application of AC Powerful Plasma Generators in Plasma Chemical Technologies of Toxic Waste Treatment", Ph.G.Rutberg, A.A.Ufimtsev, A.N.Bratsev, A.A.Safronov, Plasma Processing of Materials 1999 (International Thermo Plasma Processes Conference 5"1 1998, St.Petersburg Russia) Printed in USA 1999 Begell House Inc. ISBN1-56700-126-2, pp. 82b 827. (1999)

17. "Research of Erosion of Water Cooling Electrodes of Powerful AC Plasma Generation", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.E.Kuznetsov, S.D.Popov, A.V.Surov, Progress in Plasma Processing of Materials 2001. Editor Pierre Fauchais. Library of Congress Cataloging in Publication Data 2001 by Begell House Inc. ISBN 1-56700-165-3 Printed in the USA 1234567890, pp. 229234. (2001)

18. "Plasma Furnace for Treatment of Solid Toxic Wastes", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Popov, S.D.Popov, A.V.Surov, V.V.Shegolev, M.Caplan, Progress in Plasma Processing of Materials 2001. Editor Pierre Fauchais. Library of Congress Cataloging in Publication Data 2001 by Begell House Inc. ISBN 1-56700-165-3 Printed in the USA 1234567890, pp. 745-750. (2001)

19. "Installation on Plasmachemical Disinfection of Hazardous Medical Waste", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Popov, V.M.Laskin, V.V.Shegolev, M.Caplan, Progress in Plasma Processing of Materials 2001. Editor Pierre Fauchais. Library of Congress Cataloging in Publication Data

2001 by Begell House Inc. ISBN 1-56700-165-3 Printed in the USA 1234567890, pp.751-760, (2001)

20. "Scientific-Engineering Foundation of Plasma-Chemical Technlogical Treatment of Toxic Agents (ТА) and Industrial Super-Toxic Agents (ISA)", Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.M.Laskin, V.V.Shegolev, в кн. Environmental Aspects of Converting CW Facilities to Peaceful Purposes, eds. R.R.McGuire and J.C. Compton, Kluwer Academic Publishers printed in the Netherlands, 2002, pp. 211-222. (2002)

21. "The Technology and Execution of Plasmachemical Disinfection of Hazardous Medical Waste", Ph.G.Rutberg, A.N.Bratsev, A.A.Safronov, A.V.Surov', V.V.Shegolev, IEEE Transactions on Plasma Science, v.30,#4, August 2002 ISSN 0093-3813, pp. 1445-1448. (2002).

22. "Multiphase Stationary Plasma Generators Working on Oxidizing Media", Ph. G. Rutberg, A. A. Safronov, S. D. Popov, A.V. Surov, Gh. V. Nakonechny, Plasma Physics and Controlled Fusion, Bristol, Institute of Physics and ЮР Publishing Limited, v.47, p. 1681-1696, 2005, (2005)

23. "Многофазные электродуговые плазматроны переменного тока для плазменных технологий", Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, С.Д. Попов, А.В. Суров, Г.В. Наконечный, Теплофизика высоких температур 2006, "HayKa/HHTepnepHOflHKa"Pleiades Publishing, Inc. Москва, том 44, №2, с.205-211 УДК 533.9.004.14

24. "Теоретический анализ и экспериментальная проверка закономерностей износа двухслойных электродов низкотемпературных плазмотронов" С.Е. Виноградов, В.Е.Кузнецов, И.В.Горынин, А.С.Орыщенко Ф.Г.Рутберг, В.В.Рыбин, А.А.Сафронов, В.И. Шекалов, В.Н.Ширяев, Вопросы материаловедения 2006 №1(45) стр. 1-7 (2006)

25. "Особенности применения генераторов плазмы переменного тока при работе в составе плазменного реактора", С.Д. Попов, А.Ф. Рутберг, А.А.Сафронов, Теплофизика высоких температур HayKa/HHTepnepi^HKa'Tleiades Publishing, Inc. Москва, т.45, No.l, 2007, стр.5-11 (2007)

26. "The Use of AC Plasma Generators for Operation as a Part of Plasma Reactor: Special Features"S.D.Popov, A.F.Rutberg and A.A.Safronov, ISSN 0018-15JX, High Temperature, 2007, Vol.45, Nol, pp.1-6 Pleiades Publishing, Ltd, 2007 (Original Russian Text S.D.Popov, A.F.Rutberg and A.A.Safronov, 2007, published in Teplofizika Vysokikh Temperatur, Vol.45, No.l, 2007, pp.5-11 (2007)

27. "High-Voltage Alternating Current Plasma Generators with Power up to 50 kW for Plasmochemical Applications", Rutberg Ph.G., Popov S.D., Safronov A.A., Serba E.O., Nakonechny Gh.V., XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG 2007), July 15-20, 2007, Prague, Czech Republic, Proceedings, (4P11-07) p.1762-1765, ISBN 978-80-87026-01-4, Published by Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. (2007)

28. "Alternating Current Electric Arc Plasma Generators", Rutberg Ph.G., Safronov A.A., Surov A.V., Popov S.D., XXVIII Internatuional Conference

on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG 2007), July 15-20, 2007, Prague, Czech Republic, Proceedings, (4P11-10) p.l 774-1 111, ISBN 978-80-8702601-4, Published by Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. (2007)

29. "Alternating current electric arc plasma generators and some areas of their application", A.A. Safronov, Ph.G.Rutberg, Proceedings of 10th International Conference on Gas Discharge Plasmas and Their Technological Applications, edited by Vladimir Lopatin, Tomsk, Russia, 17-20 September, 2007, ISSN 0021-3411, Известия вузов. Физика, 2007, № 9, Издание Томского Университета, стр.69-72 (2007)

30. "Однофазный плазматрон переменного тока как источник низкотемпературной воздушной плазмы атмосферного давления", А. В. Никонов, Р.В.Овчинников, А.В.Павлов, С.Д. Попов, А.А. Сафронов, А.В. Суров, Труды VI Международной научной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах". -Томск: Изд. ТПУ, 2008 г. - 1040 е., стр.754-759

31. "Однофазный плазмотрон переменного тока как источник низкотемпературной воздушной плазмы атмосферного давления", А.В.Никонов, Р.В.Овчинников, А.В.Павлов, С.Д.Попов, А.А.Сафронов, А.В.Суров, Известия высших учебных заведений, Физика №11/3, стр. 2529,2008 г., УДК 5333.9.07 Адрес редакции: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25

32. "Spectral investigations of electric arc alternating current plasma generators with power to 600 kW", Ph.G. Rutberg, A.A. Safronov, A.V. Surov, A.V. Pavlov, S.D. Popov, V.A. Spodobin, A.Ph. Rutberg, Journal of High Temperature Material Processes, Vol. 13, Issue 2,2009, p. 195-203. Begell House, Inc., 50 Cross Highway, Redding, Connecticut 06896, USA ISSN: 1093-3611 (2009)

33. "Two-Layer Rod Electrodes for AC Plasma Torches", Ph. G. Rutberg, A. A. Safronov, V. E. Kuznetsov, S. E. Vinogradov, V. I. Shekalov, R. V. Ovchinnikov, High Temperature Material Processes, An International Journal Quaterly of High Technology Plasma Processes, Begell House, Inc., 50 Cross Highway, Redding, Connecticut 06896, USA, ISSN: 1093-3611 v,13.No.l. p. 61-69 (2009)

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 28.10.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 6631Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

 
Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктор технических наук , Сафронов, Алексей Анатольевич
 
Введение диссертация по физике, на тему "Исследование и разработка плазмотронов переменного тока для работы на инертных и окислительных газах"
 
Заключение диссертации по теме "Электрофизика, электрофизические установки"
 
Список источников диссертации и автореферата по физике, доктор технических наук , Сафронов, Алексей Анатольевич, Санкт-Петербург