Динамика высоковольных газовых разрядов и плазменное инициирование горения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

российская академия

сибирское отделение институт теплофизики

н А У. К

На правах рукописи

ДЕСЯТКОВ ШШ АЛЕКСАНДРОВИЧ

яшанккд шсокобольткл газовых разрядов

и плазжшое инициирование гокшпя

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автйрефврат

диссертации на соискание учено® степени доктора фкзкко-катематических наук

Новосибирск 1994

Работа выполнена в Институте физики НАН Киргизской Республики и Киргизско-Российском (Славянском) университете

Официальные оппоненты:

академик РАЕН, д.т.н., профессор

Баев Владимир Константинович (ИГПМ СО РАН)

д.ф.-м.н. Дудникова Галина Ильинична (ИНГ СО РАН)

д.Ф.-м.н. Марусин Владлен Васильевич (ИГФ СО РАН) '

Ведущая организация - Институт высоких температур РАН (г.Москва)

Зашита состоится

О-ЬсаЯ^З) 1ээ4г. в 3 часов на зайе-• дании специализированного совета Д.002.65.01 по защите диссертация' на соискание ученой степеш доктора наук в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук (630090, г.Новосибирск, пр-т академика Лаврентьева 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики Сибирского отделения РАН

Автореферат разослан "_/д_" Й-оЗ^^Л_ 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор физико-математических наук » ^ <;- ( Р.Г.Шарафутдинов

ч

]

Подписано . печать—£ & ЮМ Фермат Печать офсетиая. ОбъемА^_п. п. --

г. Бишкек, уп. Медероаа, 68. Типография КСХИ

ОБЩАЯ Ш'АЯТКРЯСТЙИД РАБОТЫ

Актуальность работа. Высоковольтные газовые разряды благодаря широкому диапазону энергетических и динамических параметров наши применение в современник высокоэффективных технологиях (мощные источники света,' генераторы потоков плазмы и ударных волн и др.). Перспективным является их использование для решения разрабатываемо!1, в последнее время проблемы плазменного воспламенения и стабилизации горения топливных потоков в энергетике, эффективного благодаря высокой температуре и химической активности плазмы.

Эффективность применения шсоксвольтных разрядов в традиционных и ноеых технологиях- опрэделяется уровнем изученности основных закономерностей их поведения в конкретных условиях, а в процессах воспламенения - и явлений, происходящих при воздействии ллкетг из химически реагирующие частица.

Ресение рассматриваемой проблемы требует комплексного подхода, вклхзчапцего теоретические и экспериментальные исследования динзпг-' ческих характеристик высоковольтных разрядов и процессов восгогг:э-нения угольных частиц плазмой, разработку новых источников плазяа.

Нзучно-исзледовательские работы в указанных ■ направлениях- проводятся в ИГФ СО РАН, ИВТ РАН, МГУ, КСМ УАН, 0S HAH Кыргызстана, ИНХС РАЯ, КазККИЗкергетики и других организациях.

Работа выполнялась согягсно:

-пдзноз Научного совета АН СССР по проблемам "Физика нгокотез-перзтурной плаами" на 1981-19В5гг. и "Низкотемпературная плазма в энергетических установках" на 1986-1990гг.;

-Региональной научно-исследовательской Программе "Сибирь" СО АН СССР на 1986-л990гг. по проблеме 02 "Разработка нового плазменного оборудования и технологических процессов для излучения веееств и материалов";

-отраслевой научно-технической программы Минэнерго СССР ОНГП СЮ.00.01 "Повышение эффективности использования низкосортных тошшв на тепловых электростанциях" на 1956-1990гг.;

-планов НИР' Института физики HAH Киргкзстаза и Киргизско-Российского (Славянского) универсгггета. ^

Цальа работа являлось проведение комплекса косдедоваЕсй, вклю-чапцих разработку математических моделей динамики высагсоволтьтпых разрядов в магнитных и газодинамических полях, теоретическое и экспериментальное изучение их характеристик и основных закономерностей

3

взаимодействия угольных частиц с плазкой, создание и ксетедованиэ новых высоковольтных плазменных устройств душ воспламенешш пылевидного угля.

Задача исследования включалк:

-разработку модели сильноточного импульсного цилиндрического разряда с учетам взаимодействия токового канала с собственным"маг-п:тгеым полем и исследование его влияния на динамику и знзргетичес-кие параметры плазмы;

-установление основных механизмов ускорения плазш в коаксиальных импульсных ускоротелях, создание математических моделей и исследование нз их основе динамики импульсной плазмы в канала;; и на выходе устройств в широком диапазоне внешних параметров;

-создание нового высоковольтного источника плазмы - многофазной слаботочной дуги переменного тока и экспериментальное исследование ее динамических, теплофизическкх к энергетических характеристик в потоке воздуха;

. -развитие теории пространственно-временной динамики высоко -еольтной слаботочной дуги, исследование ее эволюции, температурных и газодинамических полей во внешних газодинамических и магштгшх полях;

-анализ плазменных эффектов, сопровоздаюцих процессы инициирования горения угольных частиц, построение моделей горения частиц с учетом основных высокотемпературных физических явлений и псследо-ванкг закономерностей их воспламенения с помощью высокозаяьтных сильно- к слаботочных разрядов;

-выявление наиболао эффективного и практически реализуемого способа Еосплтекешш пылеугольиого топлива высоковольтными разрядами, создание и ксследоеа;п:з высоковольтного плазменного устройства для его осуществления.

Есучная ксзазнв работа:

1 .Построена новая автомодельная теория импульсных цилиндрических разрядов, основанная на репении КГД уравнений с учетом влияния собственного магнитного поля, и исследована их динамика в воздухе.

2.Впервые показана определяющая роль термогазодинаипческого кеханггыа ускорения плазш в коаксиальных импульсных устройствах высокого давления. Разработаны аналитические и численные модели динамики импульсной плазмы с учетом электромагнитного и термогазоди-па\ппеского механизмов ускорения, исследованы специфические особен-

4

ности и основные закономерности дкзэния пгзЕ-пеппого слоя прл различных давлениях, геометриях канала ускорэтеля и параметрах электрической цепи.

3.Создана многофазная высоковольтная слаботочная дуга пэрешенного тока, горящая в пототсе газа, экспвржэгггалыю изучены ее динамика :i основные энергетические характеристики при различных токах, скоростях ' воздуха и геометрических паргзеетрах гпюгозлэктродпего гиазматрона.

4.Развита модель простракстнзнпо-вре^зшхоЯ динамики форгш длинной слаботочной дуги, аналитически и численно изучены ее характеристики ро внешних газодинамических и ?гапзггпнх полях.

5. Проанашгзпропакы пшзмзккне зффекта, сопрошздащив процесс инициирования горения угольках частиц. Построены щдвла и псслэдр-вано влияние самодге|фузии и сублимации углерода на горегоз частиц в плазменных условиях. Проведено численное ксследованкэ восшЕГлзязнгл пылеугольного потека высоковольтной слабото-шсЯ дугой прл деталытпт описании кинетики хжпческих реакций.

Прс-ияческся ценность работа:

1 .Разработана оригинальная геометрия разрядной кгг.:гра коаксиального ускорителя, обеспечивающая плоскую форму плазменного слоя на его шхода и благоприятные условия при воздействии на дисперсные среда. Показана принципиальная возможность использования га тулье ной плазмы доя воспламенения угольных частиц.

2.Разработаны и оптимизированы ноше конструкции трех- и сео-тиэлектродных высоковольтных плазмотронов переменного тока, гвнври-рупцих протяженную слаботочную дугу в потоке газа.

3.Исследованы основные закономерности инициирования горения угольных частиц 'плазмой высоковольтных разрядов, определены необходимые для этого уровни мощности плазмы.

4.Проведены исследования и опытно-промышленная проверка гшзго-злектродных высоковольтных плазменных устройств дая воспламенения пылеугольнсго топлива в энергетическом котле.

Основные научно-технические "решения по разработке ет;сокоеольт-ннх плазменных устройств защищены 7 авторскими свидетельствами.

Результаты исследования динамики га;пульсгах разрядов использованы в Институте сверхтвердых материалов АН Укршпэ для оптимизации импульсной установки и процесса нанесения порошковых покрытий, теория протяженной дуги - в Институте физики HAH Кыргызстана при изучении динамики дуг в магнитных полях в устройствах дая тс глинной обработки поверхностен.

Сгншнце подохшая, виносише на защоту:

1.Математические модели и результата теоретического исследования динамики сильноточных импульсных разрядов. Вывод об <м»ределяк>-цей роли термогазодинамического механизма ускорения плазмы в коаксиальных импульсных устройствах высокого давления. Способ создания плоского плазменного слоя в короткой разрядной камере.

2.Результаты экспериментальных исследований динамики и энергетических характеристик многофазной высоковольтной слаботочной дуги переменного тока в потоке воздуха.

3.Модель пространственно-временной динамики формы протяженной слаботочной дуги и результаты исследования ее характеристик во внешних магнитных и газодинамических.полях.

4.Математические модели и результаты теоретического исследования процессов инициирования горения угольных частиц с помолам) плазмы высоковольтных разрядов.

5.Результаты разработки многозлектродных высоковольтных плазменных устройств к их исследования при воспламенении пылеугольного топлива в энергетическом котле.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы

-15-й и 20-й Международных конференций по явлениям в ионизо-ваншхгазах(М1Щск,1981:Барга,Италия,1991), 10-м и' 13-м Мездународ-ных симпозиумах по физике ионизованного газа(Дубровник,1980;1ибе-ник, 1956,Югославия),- 9-м и 10-м Международных симпозиумах по плаз-мохимиш(Пугнотио,Италия. 19В9;Бохум,Германия, 1991), 2-м Международном симпозиума по многофазным потокам и теплообмену(Сиань,Китай, 1989), 2-м Европейском конгрессе по процессам в термической плазме (Парк*,1992), Международной симпозиуме по теоретической и прикладной шшзмохишш(Ркга,1991), Международных рабочих совещаниях "Высокотемпературные запыленные струи. в процессах обработки порошковых материалов"(Новосибирск,1988) и "Плазменные струи в разработке новых технологий обработки материалов*? (Фрунзе, 1990);

-9,10 и 11-й Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы(Фрунзе,1983¡Каунас,1986¡Новосибирск,1989), 5-й и 5-й Всесоюзных конференциях по физике газового разряда(Омск,1990; Казань,1992), 8-й Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991), 2-м Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарггу, 1984), 6-м и 7-м Всесоюзных съездах

6

по теоретической и прикладной механике (Ташкент,1986; Москва,1991), 11-м и 12-м Научно-практических семинарах по электрофизике горения (Караганда, 19В8,1989), Всесоюзной конференции Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 19ВЭ), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения"(Киев,1991), Всесоюзных совещаниях по горению(Москва,ВТй,1986-90), Всесоюзном совещании "Разработка и применение технологических генераторов термической' плазмы"(Новосибирск,ИТФ, 1989), выездной сессии Научного совета АН СССР по плаз-мохимии (Фрунзе, 1987), заседании секции Научного совета АН СССР по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы"(Москва,ЕВТАН,1989);

-на научных семинарах в МГУ, ИСК УАН, ИПМ УАН, ЙФНАН КР, КРСУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 печатных научных работ, из них 4 монографии, 9 статей, 27 тезисов докладов. На научно-технические разработки получено 7 авторских свидетельств на изобретения.

Структура работа. Диссертация состоит из введения, семи глав, тематически разбитых на три части, заключения, пршшения и списка литературы из 345 наименований. Объем работа составляет 435 страниц, включая 370 страниц машинописного текста, 120 рисунков, 2 таблицы.

КРАТНОЕ СОДЕРЕАНЙЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, изложена структура диссертации; ее краткое содержание по главам и основные результаты. Показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту, отражены апробация.и опубликование основных результатов работы в научной печати.

1.Современное состояние исследовакяй диналини электродугшгш. разрядов и пх применения в процессах с горгнзга

Проведен сбзор литературы по теме диссертации. Рассмотреш характеристики, специфические особенности, методы и проблемы теоретического исследования и области1 применения еысокоеольтных (-10+100 кВ) сильноточных (-10100 кА) импульсных разрядов. Обсуядены вопросы взаимодействия импульсной плазмы, генерируемых сильных ударных л звуковых волн с пылевидным углом, одновременное нестационарное воздействие которых способно обеспечить его воспламенение.

Проведен анализ кногодуговых и многоструйных источников хпаз-;?ы, реягкоз горения и даизения разрядов, кэтсдрз теоретического ис-

7

следования их динамики в газодинамических и магнитных полях. Обсуз-дены вопросы создания и исследования многофазных высоковольтных слаботочных 10+20 А) разрядов переменного тока, позволяющих формировать плазму большого объема при обеспечении длительного ресурса работы и простоты конструкции плазмотрона.

Проанализированы известные способы и устройства для плазменного воспламенения пылеуголыюго топлива, метода моделирования и особенности высокотемпературного горения угля, которое сопровождается интенсификацией таких физических процессов, как сублимация и само-даОДузия углерода.

Результаты обзора позволили установить проблемы исследования динамики высоковольтных газовых разрядов и их применения в процессах с горением и сформулировать задачи настоящей работы. '

2. Динамика цилиндрических импульсных разрядов

Исследована динамика цилиндрических импульсных газовых разрядов атмосферного давления, развитие токового канала которых представляет собой распространение тепловой волны за счет лучистой теплопроводности на фоне движения газа при существенном влиянии магнитного давления. Для этого получено автомодельное решение задачи, .которое учитывает взаимодействие тока с собственным магнитным полем и справедливо для произвольной зависимости тока от. времени 1(1).

Исходная МГД система включает уравнения энергии, движения, неразрывности, Максвелла, состояния и интегральный закон Ома

(2.1)

1 д(гн) •»

-г от Р -¡я1 КРТ; 1а)^.пЕа)1отх1г.

Здесь Т.у.р.р - температура, скорость, давление и плотность плазмы; Е,П - напряженность электрического и магнитного полей.

При аппроксимациях свойств плазмы (лучистой теплопроводности электропроводности в=ЪаТ, объемного излучения удельной теплоемкости с^опгЬ) и постоянной по сечению разряда плотности тока получено решение системы (2.1)

гт (г )[1 -rViг2('t; ]"",о<г<к(г у, р=ра;, и=иа)г, т(г г; = | °05 гака;, (2-2)

в котором радиальное распределение температуры T(r,t) описывается автомодельным профилем типа тепловой волны. При этом временные зависимости параметров разряда определяются системой четырех обыкновенных дифференциальных уравнений с начальными условиями, задаваемыми в соответствии с исходными параметрами разряда, при известной или получаемой из уравнения цепи зависимости I(t).

На основе модели проведен анализ динамики оптически непрозрачных (р=0) разрядов в воздухе атмосферного давления(А.Ф. Александров, Н.Г.Басов),отличающихся эволюцией параметров во времени. Для учета наблюдаемого энергоЕклада в разряд использованы экспериментальные зависимости I(t), представленные функциями I(t)= Iasin(at)exp(-ôt).

Результаты показали (ркс.1), что модель удовлетворительно описывает сложную динамику основных параметров разрядов, в первую очередь радиуса R(t) и осевой температуры T0(t). Благодаря учету магнитного давления модель предсказывает эффекты пинчевания разрядов, наблюдаемые в первом или втором полупериодах тока в зависимости от скорости его нарастания. Решение (2.2) дает типичный для оптически непрозрачных разрядов однородный профиль Т(г) внутри разряда с крутым спадом на периферии. Скорости распространения границы токового канала uT=dR/dt по неподвижному газу и движения самого газа на границе близки друг к другу и достигают ~3 км/с. Средняя плотность пиагкы p(t) меняется в соответствии с немонотонным изменением газового давления pg(t) в канале, максимальные осевые значения которого достигают pgi0,i>30 МПа. Нагнитнов давление на грзнице канала pm(R,t) следит за изменением I(t).

Исследование влияния электрических параметров на динамику разряда проведено в рамках замкнутой модели с привлечением уравнения цепи, учитывающего изменяющиеся во времени омическое сопротивление и индуктивность разряда. Сравнительно небольшое изменение начального напряжения на конденсаторах 17о=12+16 кВ (Ç=3OT+500 мхсф) существенно влияет на эволюцию параметров разряда и, в первую очередь, радиуса от резита в с монотонным его ростом до сильного пинчевания. Излучаемая энергия растет с увеличением U0 и достигает ~25+30S от вкладываемой в разряд. Увеличение С приводят как к повышению запасаемой энергии, так» и росту периода колебаний тока, что проявляется в более позднем пкнчевашш разряда и уменьшении его температуры.

3. Допаигха токовой оболочки и ударней волны в коаксиальных импульсных плаэтеяних ускорителях (ГОШУ)

За счет ускорения плазмы в КИПУ формируются импульсные высоко--

Э

с ■ 5 10 ^мкс<5

Рис. 1.Мзмэяэюзв во времени ггарамьтроэ цилиндрического импульсного разряда в воздухе, Г =240 кА. л,» - эксперикеетЧА.Ф.Александров).

2 Щ

Рис .2. Аэгомодзлькая динамика токовой оболочки в КИПУ.

— траектории газа,

— • —расчет(Т.Батлер).

Рго.З.принципиальная схема КИПУ с плоской формой токовой оболочки на выхода из разрядной камеры. 1,2-электрода, 3-кзолятор.

температурные потоки, сопровождаемые ударными волнами (УВ). Теоретический анализ процессов в КИПУ затруднен■более слозными механизмами, ускорения плазмы, относительная роль которых при высоких давлениях не выяснена, влиянием геометрии разрядной камеры и др.

На основе анализа основных механизмов и моделей ускорения плазмы в КИПУ показано, что электромагнитный механизм ускорения, обусловленный магнитным давлением

pm=(V0/Zn)I*(t)/r\ (3.1)

возникают™ за счет взаимодействия тока разряда I(t) с магнитным полем Вр ускорителя (известное приближение магнитного поршня, Л.А.АрцимоЕич, П.М.Колесников и др.), и дащий согласие с экспериментами при низких начальных давлениях газа р0~1СЫОО Па, не обеспечивает наблюдаемых скоростей плазмы при р0 порядка атмосферного.

Проанализирован другой, ранее не учитываемый механизм ускорения плазменной оболочки в КИПУ, названный термогазодинамическпм, который связан с выделением деоулевой энергии iT^^T^/i^di при протекании тока по плазме. Это приводит к нагреву и появлению высокого давления газа

P9-(r-l)V„/V (3.2)

в объеме У за токовой оболочкой и дополнительному ускорению плазмы.

На основе анализа процесса распространения УВ при мгновенном выделении тепловой энергии (модель сильного взрыва, А.С.Компанеец, Г.Г.Черный), показано, что термогазодинамический механизм обеспечивает достаточно высокие скорости -2+5 км/с ударно-сжатого слоя газа и в условиях КИПУ дает существенный вклад в ускорение плазмы.

Для случая продолжительного выделения даоулевой энергии получены формулы для определения давления газа .за УВ и ее скорости D при совместном'учете электромагнитного и термогазодинамического механизмов ускорения. В частности, скорость плоской УВ в КИПУ находится из соотношения .

ZMYfy+i )/poUpJt)+(r-i )\1ax(t)/z])ly*. Отсюда следует, что электромагнитный механизм определяется мгновенным значением I(t), а термогазодинамической - интегральной величиной, причем его роль зависит рт объема газа за ударной волной. С увеличением начальной плотности газа ро ;«лад рд растет из-за более медленного увеличения объема V, связанного с необходимостью ускорения большей массы газа.

Равита феноменологическая модель динамики УВ и токовой оболочки в канале КИПУ высокого давления. В ее рамках в начальные момента

11

времени происходит в основном электромагнитное ускорение плазмы, описываемое моделью магнитного поршня, при которой токовая оболочка эффективно собирает перед собой газ. По мере движения плазмы часть газа попадает в объем за токовой оболочкой (в частности, за счет просачивания в областях у внешнего электрода) и его давление р? увеличивается вследствие нагрева даоулевым теплом И?дж, выделяемым в токовой оболочке.

На основе геометрической теории распространения УВ (Д.Уизем) развита аналитическая модель динамики токовой оболочки при сравнительно небольшой массе собираемого ею газа (короткие каналы КИПУ либо пониженные давления), когда основным является электромагнитный механизм ускорения. Скорость УВ, близкой по форме к токовой оболочке f(t,r,z)•0, при этом равна

Э1/д1 _ Щ) г

"Зйг" [ Рс ] •

Отсвда следуют уравнения характеристик в параметрической форме

Г2-(д1/дГ)2= ?2, = ?1п [ (Г* (Г2 ^Ц2)1'* )/!;],

т-т0 = (Г/г)(Г2Ч;2)"2 +(?г/2)1п[(Г*(Г2^2)^], т=лгал«.

где константа г ,то определяются геометрией КИПУ. Координаты тра-еютрий частиц газа в фиксированные моменты времени дают форму оболочки.

Изучены особенности динамики оболочки в каналах КИПУ цилиндрической и конической геометрий. Эволюция формы оболочки определяется двумя семействами характеристик, начинающихся на изолэторе и поверхности внутреннего электрода и описыващих две области оболочки -вогнутую периферийную и выпуклую приосевую (рис.2). Граничная характеристика описывается уравнением г=г±1т\[г/г^*(г2 1 (кривая АС). Модельная форма оболочки хорошо согласуется с полученной численным решением ЫГД уравнений (Т.Батлер).

При сравнительно большом отношении радиусов внешнего г2 и внутреннего г электродов г2/г £1,8 в канале КИПУ образуется область пересечений траекторий газа, стартупцих с торцевого изолятора. Она находится в криволинейном секторе ВЕС, ограниченном сверху отрезком огибающей траекторий БВ г=кг (йаО.бб), а снизу отрезком граничной траектории 1ЭС. Координаты точки пересечения последней с огибающей равны г /р ^1,81, ,2. Пересечение траекторий влияет на ха-

рактер течения газа в к:_1але КИПУ, что важно как для практики их использования, так и при моделировании динамики плазмы из-за появления особенностей в численных алгоритмах.

12

Рио.4.Динамика токовой оболочки (а), ивмэнвгато во времени профилей аксиальной скорости и^ (б), разрядного тока I, среднего давления ' газа рз за токовой оболочкой и магнитного давления рт (в) в КИПУ атмосферного давления при р=рт и р=рт+рд.

На основе модели разработана геометрия разрядаой камеры, в которой отсутствует отекание сгребаемого газа к внешнему электроду,- а на выходе токовая оболочка приобретает плоскую форму (рис.3). Внутренний электрод - конический с углом при вершине ~113*. внешний имеет форму характеристики, а изолятор совпадает с формой оболочки. Такая геометрия представляется полезной для процессов воздействия импульсной плазмой на твердые частицы, т.к. обеспечивает им направленный продольный импульс.

Дня более строгого исследования движения плазмы в КИПУ высокого давления разработана двумерная модель, основанная на развитых представлениях о термогазодинамическом механизме ускорения и уравнениях динамики плазмы в приближении,локального сгребания газа токовой оболочкой (В.В.Вихрев, С.И.Брагинский)

, -» -> •» \ • > (тдЯ/вг) = рхэ = р-2гсг\дВ/дк\й\-п.

Здесь Ди-масса элемента токовой оболочки, соответствующая его участку ¿А; веетор, описывающий при л^сопг! траекторию элемента оболочки с лагранжевой координатой а при

4=сопбЬ - ее форму в соответствующий момент времени; йСк,1)=дЯ/Э1 -скорость элемента оболочки; ^-единичный вектор, нормальный к поверхности оболочки.

Модель учитывает элеетромагнигный и термогазодинамический механизмы ускорения плазмы путем определения давления в виде р=рт+рд.

На основе -(3.3) и уравнения электрической цепи с переменной индуктивностью оболочки проведено численное исследование ускорения плазмы в КИПУ атмосферного давления. Показано, что учет только сил магнитного давления (р=рт) в КИПУ атмосферного давления обеспечивает на выходе из канала скорости плазмы ~300+500 м/с (рис.4), что явно не соответствует наблюдаемым при рассмотренных геометрии и электрических параметрах ускорителя (Б.А.Урюков). Указанное противоречие устраняется при дополнительном учете в модели даоулева нагрева как механизма, приводящего к повышению однородного газостатического давления рд в объеме за токовой оболочкой.

Роль рт значима лишь на самом начальном участке ускорителя. В целом преобладающая роль в ускорении оболочки принадлежит газостатическому давлению, достигающему р «151-25 мПа, которое поддерживает

14

высокие скорости плазмы вплоть до среза канала КИПУ.. При начальной энергии в конденсаторах W0=13,5 кДх (1-400 кА, период -11 мкс) скорость оболочки -3-4 км/с (рис.4),что согласуется с экспериментальными данными (Б.А.Урюков). Исследовано влияния электрических параметров и геометрии разрядной камеры на динамику плазмы в канале КИПУ. В длинных каналах формируется близкая к плоской форма токовой оболочки и'генерируемой ею УВ, что позволило получить приближенные формулы для оценки скорости плазмы.

После выхода ira канала КИПУ формируется близкая к сферической форма оболочки (рис.4а), которая создает благоприятные условия для образования тороидальной вихревой структуры плазмовда, наблюдаемого в экспериментах (Г.А.Аск'арьян). Поле течения газа в нем описано на основе полученного аналитического решения уравнений движения и неразрывности, отличакщегося от известного решения Хилла учетом, различной температуры газа внутри 7\ и вне Т Еихря и определяющего поле скоростей в сферической системе координат (г,в) в виде

ir=-ujl-<i3/r* )ccsô, ul=uJi*d'/Zr3)sine; iir=q(a2-r2jcosô/5, i4=-qfa2-2r2;sinô/5, q=(i5ua/2a2)(р^/р1)1уг,

где a-радиус вихря, u^-скорость внешнего потока.

Полученные результаты позволили установить основные закономерности динамики рассмотренных высоковольтных импульсных разрядов. Для оценки возможности их использования в процессах воспламенения теоретически исследовано взаимодействие углеродных частиц с потоком плазмы в канале КИПУ и с плазменным вихрем. ■

В канале КИПУ частицы с размерами ~50т-200 мкм воспламеняются за времена мкс за счет интенсивного конвективного теплообмена

с потоком плазмы, следующим за ударной волной. Эти времена примерно на порядок меньше времени пребывания частиц в плазменном слое.

В плазменном вихре траектории частиц имеют сложный вид с изменением направления движения, в том числе-на противоположное, и выбросом частиц во внешний поток (рис.5). Характер движения частиц определяет время их пребывания в высокотемпературной зоне и, следовательно, степень нагрева. При^скоростях движения uœ~10 м/с основная часть частиц размером 50200 мкм успевает воспламениться внутри вихря с ойЮ см и температурой 7^3000 К.

Для определения параметров зоны горения, инициированной плазмой и способной зажигать палеугольно-воздушную смесь, рассмотрены режим воспламенения сферического облака угольных частиц высокотем-

15

Рис.5.Траектории движения (а) и изменение температуры углеродных частиц (б) в поле плазменного вихря, 1^=10 м/с, 7е=500 К,7. =3000 К.

Рис.7.ВАХ (а) трехфазной высоковольтной слаботочной дата и ее активная мощность (б) при различных расстояниях между электродами 6.

пературннм источником в кондуктивном и радиационном режимах.

• Проведенные оценки энергетических характеристик плазмы позволили, сделать вывод о принципиальной возможности использования КИТО' для воспламенения пылеугольного топлива путем направленного воздействия последовательности плазменных образований. Характерные параметры КИПУ: энергия импульса -&-10 кДж, частота импульсов Гц, удельная мощность плазмы ~15*30 кВт на тонну угля в час.

Для практического использования КИПУ для воспламенения угля должен быть решен ряд проблем по увеличению его ресурса работы и КГЩ, повышению надежности и упрощению системы пита:шя. Эти обстоятельства обусловливают необходимость разработки и исследования альтернативных плазменных источников для воспламенения угля, среди которых перспективны плазмотроны, работающие при высоком напряжении и малых токах промышленной частоты.

4. Экспериментальное исследование многофазной высоковольтной слаботочной дуги переменного тока в потоке воздуха

Многофазная (трех- и шесткфазная) слаботочная (1ДМ020А) высоковольтная (£7пит=10'кВ,С7 ~1,5*-2 кВ) дуга переменного тока(50 Гц), горящая в газовом потоке, генерировалась с, помощью много электродного плазмотрона (рис.6). Источником питания являлся повышающий трехфазный трансформатор, ограничение тока дуги и стабилизация ее горения осуществлялись с помощью индуктивных балластных сопротивлений.

Плазмотрон работает следующим образом. При подаче высокого напряжения происходит пробой промежутка в области минимального расстояния между стержневыми электродами. Под действием газового потока возникшая дуга движется вдоль электродов, достигает их торцов и вытягивается вдоль течения. При случайном погасании дуги происходит новый пробой и процесс повторяется. .

Исследовано влияние геометрических параметров электродной системы, тока (Гд=5*20 А) и скорости потока воздуха- (1^=5*25 м/с) на режимы горения дуги. На основе результатов наблвдений выбрана геометрия, состоящая из расходящихся от пробойного промежутка шириной -4-^5 мм участков медных" стержневых электродов диаметром ~2 см, переходящих'-в параллельные дайной до 50 см и расположенные на расстоянии ~7-ИЗ см, что обеспечивает надежное инициирование разряда, быстрый выход дуги на торцы электродов и длительное ее горянке при максимально возможной длине и, следовательно, напряжении.

НаблЗДается два различных режима горения дуги: пульсирующий (малые Гд, большие ив) с частым погасанием дуги и последующим, инициированием нового разряда и кйазистационарннй» когда дуга длигель-

ное время (-2+4 с) горит на торцах электродов.

Путем кино- и фотосъемки изучена динамика дуги в потоке воздуха при движении между электродами и при горении на их торцах при различном числе (два, три, шесть) электродов. Вследствие переменного характера тока и турбулентности течения динамика дуги имеет сложный характер и сопровождается поперечными колебаниями ее 'столба, процессами перезамыкания отдельных дуг, их погасания при достижении критической дайны и быстрого инициирования новых разрядов с последушщм повторением эволюции. С увеличением числа электродов устойчивость горения дуг повышается благодаря их взаимному термическому алиянию друг на друга.

При выбранной геометрии электродов скорость движения дуги между ними близка к скорости газа, после выхода на торцы она представляла собой вытянутые вдоль течения плазменные струи длиной до -1+1,5 м с мало меняющимся по длине поперечным размером -0,8+1 см. Последнее можно объяснить как соответствупцим изменением напряжения на дуге, так и установлением конвективного потока тепла от нее вдоль длины за счет мелкомасштабных пульсаций турбулентного течения газа и крупномасштабных колебаний самого токового канала.

Осциллограммы тока и напряжения трех- и шестифазных дуг,в потоке воздуха близки к синусоадальным при отсутствии пиков гашения и зажигания, сдвига фаз между Г и Пд не наблвдается. Вольт-амперные, характеристики дуги слабопадавдие вследствие зависимости ее длины от тока, ид достигает 1,5+2 кВ (рис.7а). Мощность дуги Рд зависит от расстояния между электродами и ¡^ и достигает при 1^=8+10 м/с для трехфазной дуги Рд~50 кВт, шестифазной - Рд~100 кВт (рис.76). Осевая температура дуги, оцененная на основе уравнения энергии,

составляет Т-6500+7500 К. д

5.Теоретическое исследование динамики высоковольтных слаботочных разрядов в газодинамических и магнитных полях

Слаботочная дуга имеет малый поток импульса, обусловленный собственным магнитным полем. Поэтому под действием внешних газодинамических и магнитных полей ее длина и форма легко меняются, определяя напряжение на дуге и, следовательно, ее мощность.

ИсПользуя характерные особенности горения высоковольтного разряда (большая длина, малое изменение поперечного размера), развита модель пространственно-временной эволюции формы длинной слаботочной дуги. Она основана на анализе нестационарного уравнения энергии для

13

оптически тонкой дуги и уравнения Максвелла

1-Рл'е0К ' (5.2)

а/Х)[дЗ/д1+(и-?)81=ьЗ*сЕг-р, , (5.1)

где ¿Б=\6Т, Я-потенциал теплового потока, ^-температуропроводность. У-скорость плазмы, В-магнитная индукция, в специальной сопутствующей ортогональной системе координат (Л.С.Соловьев, В.Д.Иафранов), задаваемой тремя ортогональными единичными векторами - касательным .т(1Л), нормальным и бинормальным 0(1,1). где I-дайна дуги.

Такая система непосредственно определяется криволинейной формой дуги и позволяет установить связь между ее физическими и геометрическими параметрами. Форма дуги задается линией ее максимальной температуры Т=Гтах. В модели использовано известное представление о движении дуги как скольжении ее температурного поля, вызванного поперечной состаапящей скорости плазмы (0.Я.Новиков, Г.Меккер). На основе приближенного решения (5.1) вблизи Ттах

3(г)=5а-агг*0(г*/К'), е1сг,в;=е0/('1 -кгсохд)*Еа(1 ♦йрсобо)*0(гг/Нг).

где Е0-напряяенность на линии , получены уравнения-

'и^ал)=-тл)х0 Г1*—--г],

. ^ 0 1 -л /п V1 1

связывающие между собой компоненты и^ и и^ относительной скорости газа и, которая в выбранной системе координат является скоростью скольжения максимальной изотермы, мгновенную локальную кривизну дуги Р. и ее параметры р , а , Е0 на линии 7=Т„ах -

Используя соотношения дифференциальной геометрии для локальной кривизны кривой и направляющих косинусов, на основе (5.2) получена система дифференциальных уравнений для описания пространственной эволюции формы дуги при известной скорости в зоне ее максимальной температуры.

Анализ картины поперечного обтекания дуги газом позволил получить приближенное соотношение

связываицее скорость плазмы ио в зоне максимальной температуры дуги со скоростью холодного потока

Аналитически и численно исследована динамика формы дуги в однородном, закрученном и пульсирующем потоках газа (рис.8а-в). Предсказываемая моделью критическая скорость однородного поперечного потока, ограничивавшая область устойчивого горения дуги, соответствует максимуму на экспериментальной зависимости мощности высоко-

19

Рис. 8. Динамика длинных олаботочных дуг в поперечной (а), закручак-нон (б) и пульсирувдем (в) потоках газа, в поперечном (Г) к продольном (д,е> магнитных полях.

вольтной Луги от скорости газа (рис.76). Показано, что снятие этого ограничения возможно путем закрутки потока или организации специального поперечного распределения скорости газа. Основные результаты модели согласуются с 'известными теоретическими и экспериментальными данными (О.Я.Ноелков, А.В.Недоспасов, В.Д.Ханг).

Проведено исследование динамики формы дуги во внешних поперечных и продольных магнитных полях (рис.8г-е). Скорость плазмы Up в области Ттах оценена из условия компенсации амперовских и вязких

сил j*B=-i)omp, где т)0 -вязкость плазмы при Ттах. Определены границу существования стационарных режимов горения разрядов и их устойчивость к малым возмущениям в поперечном магнитном поле, проведен численный анализ дуги при до- и закригических магнитных полях.

С целью апробации модели экспериментально и теоретически исследована динамика горизонтального тлеющего разряда атмосферного давления переменного тока в вертикальном маггатгном поле (¡7пит=10кВ, Гй200 мА, В=б мТл). Модельная форма разряда хорошо согласуется с наблюдаемой. Определены скорости колебания разряда, показано, что наблюдаемое яркое свечение его центральной зоны связано с относительно малой скоростью движения плазмы в ее границах. Расчеты показали, что колебания разряда отстают по фазе на -10% от изменения T(t), что объясняется .тепловой инерционностью плазмы.

Теоретически исследована устойчивость и динамика длинной дуги в продольном магнитном поле, приводящем к образованию ее винтовой формы (рис.8д,е). Из анализа устойчивости следует, что;в свободной атмосфере стационарное горение винтовой дуги реализуется при размещении между электродами меньше половины шага винтовой линии. При большем числе витков, соответствующем закригическому магнитному полю, установление винтовой дуги достигается в стабилизирующем цилиндрическом канале (рис.8е). С увеличением магнитной индукции растет число витков дуги и скорость ее вращения вокруг оси.

Развитая модель позволяет определить изменение формы дуги при внешних воздействиях, но не дает.информации о формируемых в ней полях температуры и течения газа. Эта задача для отдельных участков столба слаботочной дуга в потоке газа рассматривается на основе численного анализа МГД уравнений.

Взаимодействие установившегося участка искривленной дуги с поперечным потоком газа исследуется на основе уравнений Навье-Стокса

21

+риЭу ""Ж + 35" "Зг^"? *-Зуп "Эх*>

п>1 ди +ГЫ&. —ЛЕ * 4 5 Ст. йи 1 2 й /-г> Зи, . 3 /-Эи, . <Э ЗУ,.

♦ (ру; = 0;

Распределение электрического поля в области Тпах •дуги определяется из описанной выше модели в ввде Е(х)=Е0/(1+х/И.0).'

Из расчетов полей скорости и температуры в поперечном сечении дуг при токах 10 и 20 А следует, что для процесса обтекания дуги характерны крутые тепловой и газодинамический фронты на передней границе разряда (рис.Э). В их пределах температура и скорость газа резко увеличивается, достигая максимальных значений (7^*6500 К, м/с) при близких аксиальных координатах, после чего сравнительно медленно уменьшаются в зоне дуги. Газовый поток в основном обтекает токопроводящий канал дуги; внутрь нее попадает лишь -15Ж газа. Результата численного анализа подтвердили корректность соотношения (5.3) для оценки скорости плазмы в зоне Тпах.

Температурные и газодинамические шля дуги, горящей в продольном воздушном потоке, исследованы на основе МГД уравнений в приближении пограничного слоя

ди ____ди др . 1 д ди , друг ^ дриг _п

Ри-Зг +Р»-Эг—Зг *Т~5г + {ЪЛ)

-§• Щг-^Г-Р. ^1/(2п]огаг).

В предположении малости штока импульса (др/дгО) слаботочной дуги, обусловленного собственными магнитными силами, и при степенных аппроксимациях свойств плазмы о(Ь)=каПп, ?Г (в=1+1>Рг, Рг=сопб1) от энтальпии Ь. получено автомодельное решение (5.4) для дуги в свободной атмосфере, давдее формулы для профилей температуры и скорости плазмы

и(?)=-, -\ ^

° а-«?) ^ 1+<*? а-«?2;1

где а=-/2-1, , ги -полуширина профиля скорости и(г)

{и(ги)=и0/2). Аксиальные изменения (г), и0(г) и ги(г) определяются системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Автомодельные профили хорошо согласуются с численным решением.

Проведен численный анализ уравнений (5.4) для дуги в продоль-

22

ж,ом

о л,си

Ргаз.Э.Поля температуры и расхода газа (1-20 А) и изменение параметров при у*0 в дуге, горящей в поперечном потоке воздуха.

0 2 4с г, см

Рис.10.Параметры дуги в продольном потоке воздуха, и =10 м/с;Г,А:1-15,2-20,3-25.

- / \ - —

/ Л V / / \3 \ к ку^ ъ

г°

1 . 1

(,2> £

V

(,2 <

О ТГ/2 1Г Зтс/2 2

Рис.11.Эволюция безразмерных потенциала теплового потока 50 и радиуса Я дуги при временах т: 1-0, 2-Я/4, 3-77/2, 4-Зтг/4.

ном потоке воздуха при реальных свойствах плазмы и учете магнитного давления при токах 15*25 А и скоростях газа 0*10 м/с. Вследствие малого тока дуги и достаточно плавного расширения токового канала собственные электромагнитные силы незначительны и проявляются лишь на ее начальном (0*5 мм) участке. С увеличением продольной координаты течение плазмы определяется в основном внешним потоком за счет эффектов вязкости с достижением на оси ?0~6000*7000 К и стремлением и0 к скорости холодного'газа при ЕЧ,2*1,5 кВ/м (рис.10). Учет турбулентности внешнего потока на периферии дуги незначительно влияет на форму ее изотерм. Это говорит о том, что основным механизмом стабилизации поперечных размеров длинной высоковольтной дуги, наблюдаемой в эксперименте, по-видимому, являются крупномасигтабные колебания токового канала, приводящие к интенсификации отдачи тепла холодному газу.

Динамика температурных полей нестационарной дуги в продольном потоке газа рассмотрена на основе уравнения энергии

при описании аксиального конвективного теплопереноса постоянной по сечению продольной компонентой скорости г).

При и(г,г)-гхли1(1')и2(г) и степенных аппроксимациях х(2)=кхБ", с(3)=к0&1~п, p(,S.)=íгf,S1~т,, 0<п<1 уравнение (5.5) имеет автомодельное

решение типа тепловой волны

0

К <Г<™Т

удг влвтворяпцее граничным условиям для свободно горящей дуги дЗ/дг\г_0=О и 31г-><в=0. Параметры решения Б0 'и К описываются системой уравнений в частных производных, для частных случаев которой получены аналитические решения.

Исследованы режимы горения дуг синусоидального тока и переходные процессы при включении и выключении тока. Для них характерны волнообразные процессы, описыващие снос термических и газодинамических возмущений в дуге вдоль потока. В дуге переменного тока наибольшее колебание параметров наблюдается на начальных участках, с удалением от которых осевая температура 'дуги изменяется достаточно плавно, а ее радиус совершает малые колебания относетельно стационарного положения с зэтухавдей амплитудой (рис.11).

24

6.Моделирование высохотекпературных процессов при инициировании горения угольных частиц плазисй

Процессы инициирования горения угольных частиц электрическими разрядами сопровождаются специфичными плазменными эффектами: а)вы-сокотемпературными, непосредственно связанными с интенсивным термическим воздействием плазмы на частиш и приводящими к ускорению реагирования, быстрому гыходу летучих го частиц и их взрывному дроблению, возрастанию роли самодиффузии и сублимации углерода, радиационного перекоса энергии в дисперсном потока; б)плазмохкмическими, обусловленными наличием в плазме химически активных компонентов, что существенно изменяет кинетику горения угольных частиц; в)электрофизическими, связанными со спецификой генерации электродугсвой плазмы, в особенности при еысоких напряжениях, и приводящими к повышению скорости сгорания частиц за счет возникновения электрических полей в зоне реагирования.

Проведен анализ влияния основных высокотемпературных эффектов на процессы, протекающие при взаимодействии • топливных частиц с плазмой.

Модель горения пористой углеродной частица с учетом самодкффу-зии углерода основана на уравнениях энергии ЗТ . 1 Э , дТ

г=г :? (г)=Т , г=0:дТ /5г=0; г=г :х дТ /<Эг=а, (Г,-Т )-зеа Т**С?, и.

05ч/30* 5 9 д 3 1е 4 Г Ъ ьь

и диффузии химических компонентов внутри .частицы

Здесь с5 ,\5-эффективные теплоемкость и теплопроводность частиш; а'-удельная внутренняя поверхность зоны реакции, м2/мэ; а.-объемная доля компонентов; -теплота и скорость гетерогенной химической

реакции оо2»сог. Индексы .;=1,2,3 соответствуют о3,со, и диффунди-рундему с.

Размер частипы уменьшается за счет гетерогенного реагирования р ¿г /с/г = га. , г=г : г = г . (6.3)

5 5 Ь* о 5 5 о

Скорость поверхностной реакции определяется законом Аррениуса юь=йор1ехр(-га/Я7';), коэффициент самодиффузии углерода экспоненциально зависит от температуры Ое= Оа0вщ>(-Е^/ЕТ%).

Результаты численного анализа уравнений (6.1)-(6.3) для частиц размером 25*100 мкм при температурах окислителя Т^ =25003500 К показали, что самодиффузия углерода начинает влиять на процесс их

25

сгорания при нагреве выше Т^-2000 К и увеличивается с ростом Тъ (рис.12а>. Углерод диффундирует из внутренних областей частицы к периферийным, происходит локализация реакции окисления углерода вблизи ее поверхности в зоне шириной -1/3 радиуса, что согласуется с экспериментальными данными о размере области внутреннего реагирования углерода при высоких температурах (Е.С.Головина). В результате наблюдается повышение температуры поверхности частиц до ДТ*400 К и сокращение времени сгорания до -20Х.

Горение углеродной частицы с учетом сублимации углерода рассмотрено на основе уравнений энергии, изменения радиуса и сохранения массы газообразных компонентов в окружающем газе:

и с ат и, й

гР эг^ ^г5*. ^Л+К. Д. Л. ^•

и, ас. > ■ и , ас. N ас.

где С. ,0. - концентрация и коэффициент диффузии г-го компонента ; и-скорость движения смеси, определяемая из уравнений Эйлера в вице о(г)=(р(г)-рт)/р(г)с, р=ркг ТР/^. Использован эффективный коэффи-

цивнт сублимации, учитывающий испарение углерода в объеме частицы и диффузию его паров к поверхности. Кинетическая схема взаимодействия углерода с кислородом вклтала 10 химических реакций.

Анализ задачи показал, что процесс сублимации, с одной стороны, сопровождается выносом углерода с поверхности частицы в окружающий газ, где он активно реагирует с кислородом в гомогенном режим'.;, а с другой, приводит к уменьшению ее температуры зз счет поглощения тепла сублимации и, следовательно, интенсивности протекания гетерогенных реакций углерода (рис.126). Результирующий эффект определяется относительной ролью этих процессов на различных этапах горения частицу. При 7~3500 К и малых размерах частиц (-50 мкм) уменьшение времени сгорания углеродной частицы составляет ~10%.

На основе совместного анализа уравнений баланса энергии для дуги и дисперсной фазы исследовано влияние частиц на параметры дуги. Показано, что профили температуры в дуге могут иметь нулевой, тепловой поток на границе (рис.13) и описывать эффект стабилизации цилиндрической формы дуги в аэродисперсном облаке. Особенностью этого режима является тот факт, что практически вся выделяющаяся в дуге джоулева энергия выносится из ее периферии излучением твердых

26

а *,мс

Г, М Ч

Рис.12.Измэгазнш температуры чаотиц о Рио.13.Профили температуры

г.о=50 мкм при Т ,К: 1-2500, 2-3000, дуги при различной концен-

3-3500. Пунктир-без учета самодиффу- трации частиц п и. Тг „=3770Н:;

зии (а) и сублимации (б) углерода. . 1=521 А.

Рис. 14.Изменение температуры центральной (?51) и периферийной (7 г) групп частиц в канале с высоковольтной дугой. Рд=1 ООк&г.б. =Ов =1т/ч,

с/4О=10СЫкм, 1-0,9; 2-0,8;

3-0,6;- 4-0,5; 5-0,4; 6-0,3; 7-0,2.

Ряо. 16.Схема рзЕг.«ог;зяия шооко-вольтного шазматрона в пыле-угольной горелке котла. 1-пяазматрон, 2-дуга, 3-факел, 4—топливный поток, 5-воздух.

частиц, нагретых до высокой температуры.

Проведено численное исследование воспламенения пылевидного угля в потоке воздуха с многофазной высоковольтной дугой, горящей в цилиндрическом канале. Разработана модель взаимодействия дуги с частицами, которые разделяются на две группы - центральную и периферийную. При этом плазма эффективно воспламеняет центральную группы частиц, которые периодически проходят сквозь высокотемпературные токовые струи.

Для описания процесса воспламенил угольных частиц привлечена численная модель ИНХС РАН дая плазмохимической переработки угля с детальным описанием кинетики химических реакций(Л.С.Полак,Р.А.Кали-ненко,А.А.Левицкий,В.Е.Мессерле), обобщенная на случай учета высоковольтного плазменного источника, радиационного обмена между час-типами и изменения их размера, сублимации углерода.

Результирующая система включала:

-уравнения сохранения массы компонентов

i=l,....n; "Hrifs.i•>=/,.t' i=7î+1 '• • • 'N; 1=1'2;

-уравнение сохранения импульса смеси

i=i

-уравнение движения частиц

du. С.. ' ,

и ,и , ~ —ту—пг'.р (11-й , )\и -и ,| ;

s.l s.l ах d s.rî* g s.l s s.l

-уравнение энергии для газа

dT d , il s, u2 . .

P9VU9 HÏ + Ж [p9"9 !T~*L Ps.iUs.i ~~=

i=i

, = Л ~Tg ^ ''

1=4 J=m*l

-уравнения энергии дая дисперсной фазы:

а)центральная группа частиц, взаимодействупцая с дугой dT

j=i

• де

Нил. (Т.)

s --—— (Т.-Т . ), к=д в дуге, fe-g вне дуги;

дп 1 1 О к SI

S 1

б)перкферийная группа частиц

с/Т, Nu\ _ _ &

где K^sX^sX^Cn^n^)-,

-уравнение, описнващее изменение размера частиц

í3s.l"s.ldrY/dT=Í ®,и+®с • 1=1-2 i i-i

-уравнение состояния газа

t = 1

•Кинетическая схема включала 85 химических реакций,- описывающих псс-цессы ввделения и окисления летучих, газификацию коксового остатка.

Исследованы режимы, при которых в результате взаимодействия центральной группы угольных частиц с дугой и ее теплообмена с периферийными частицами воспламенялся весь топливный поток. Численный анализ показал, что воспламенение и горение угля характеризуется сложными процессами обмена энергией между дугой, проходящими черея нее и периферийными частицам!: и газом при определяющей роли лучистого теплообмена между частицами. При мощности плазмы -50100 к&г достигается воспламенение пылеугольного потока с суммарным расходом частиц -О,5*1 т/ч, но при соответствующем управлении долей и размерами частиц, проходящих через дугу (рис.14). Воспламенение потока происходит на расстоянии порядка длины дуги.

7.Высоковольтное ыногоэлвктродаоз плазивкноз устройство для воспламенения пылеугольного топлива

На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований разработаны высоковольтное плазменное устройство, генерирующее слаботочную (-20 А) дугу переменного тока, и схема прямого воспламенения пылеугольного топлива в энергетических котлах с его использованием.

Разработаны способы оптимизации плазменного устройства, позволяющие увеличить его мощность и надежность работы, повысить эффективность воздействия плазмы на топливный поток: размещение между основными электродами дополнительного электрода или керамической встэеки из сегнетоэлектрика; выбор оптимальной формы электродов; использование устройств управления пылеугольным потоком, которые защищены 6 авторскими свидетельствами.

На этой основе создана рабочая конструкция многоэлектродного высоковольтного плазменного устройства для прямого воспламенения пылевидного угля в энергетических котлах (рис.6). Оно состоит из

2S

системы трех или шести медных стераненых электродов оригинальной формы и вспомогательного конусного электрода. Управление потоком осуществляется с помощью цилиндрического насадка. Для работы плазмотрона не требуется специальных систем инициирования дуги, водяного охлаждения и защитных газов.

Для отработки плазменного способа воспламенения пылругольного топлива проведены испытания и опытно-промышленная проверка высоковольтных плазменных устройств на котле БКЗ-160-100Ф ТЭЦ г.Фрунзе. Испытания показали, что трехэлектродный плазмотрон мощностью -40 кВт, установленный в топливном канале прямоточной шлеугольной горелки (рис.15), воспламеняет до 1 т/ч угля, температура факела -10001350° С при расходе угля 1,0+0,3 т/ч. Удельная эрозия электродов составляет -2-Ю-5 г/Кл, что при их дайне -15 см соответствует ожидаемому ресурсу работа -500 часов .

Опытно-промышленная проверка показала, что при низких нагрузках котла (-0,5+0,6 от номинальной) два плазмотрона с суммарной мощностью -ВО кВт, установленные в противоположных угловых горелках, воспламеняют пылеугольное топливо при снижении расхода подсве-точного мазута на -28Ж. Содержание оксидов азота в уходящих газах при этом не увеличивалось.

Разработаны предложения по использованию высоковольтных плазменных устройств для воспламенения пылеугольного топлива на котлах большей мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертации:

1.Развита новая модель сильноточного импульсного цилиндрического разряда, учитывапдая влияние собственного магнетного поля. Исследованы динамика и энергетические параметры разрядов, относительная роль газодинамического и магнитного давлений.

2.Показано, что в КИПУ атмосферного давления основным является термогазодинамический механизм ускорения плазмы, который обусловлен высоким давлением газа в объеме за токовой оболочкой вследствие его нагрева дадулевым теплом. Предложена формула для • оценки давления газа, вперЕые развита теорэтическая модель динамики плазменного слоя в ускорителях при совместном учете электромагнитного и термогазодинамического механизмов ускорения. Установлены границы области пересечения траекторий газа в каналах КИПУ. Разработана геометрия ускорителя, в которой пересечения не возникают и реализуется плоская форма плазменного слог из выходе'КЗ канала.

30

Численно исследована динамика плазмы в КИПУ атмосферного давления в широком диапазоне электрических и геометрических параметров. Показано, что термогазодинамический механизм ускорения обеспечивает наблюдаемые в экспериментах скорости цлазменного потока. . длинных каналах формируется близкая к плоской форма плазменной сбэ-лочки , а после выхода из канала - близкая к сферической, что создает благоприятные условия для образования тороидальных еяхпеэдч плазменных структур. Течение газа в последних описано на основ» ' аналитического решения уравнений газодинамики с ' учетом различной температуры внутри и вне вихря.

Исследовано воспламенение углеродных частиц в потеке импульсной плазмы в канале КИПУ и в сферическом плазменном вихре на выходе из него. Определены параметры высокотемпературной зоны, способно!* воспламенять пылеугольно-воздушную смесь. Показана принципиальная возможность использования для воспламенения пылевидного угля КИПУ с характерными параметрами: энергия импульса -5+10 кДж, частота импульсов -4*6 Гц, удельная мощность плазмы -15*30 к&г-ч/т угля.

3.Создана многофазная (трех- и шестифазная) слаботочная

20А) высоковольтная (УПИТ=Ю кВ, Уд~1,5*2 кВ) дуга переменного тока, горящая в газовом потоке. Для генерирования дуги разработан многоэлектродный плазмотрон со стержневыми электродами, характеризуемый простотой конструкции, большим ресурсом работы и позволяющий формировать плазму большого объема.

Исследованы режимы горения многофазной дуги в диапазоне токов 5*20 А и скоростей потока воздуха 5*25 м/с. Показано, что реализуется два различных режима горения дуги: пульсирущий и квазистационарный. Дуга представляет собой вытянутые вдоль потока плазменные струи длиной до -1*1,5 м с мало менякшимся поперечным размером -0,8*1 см и падением напряжения до 1,5*2 кВ. Мощность трехфазной дуги -50 кВт, шестифазной - -100 кВт, температура -6500*7500 К.

4.Развита модель пространственно-временной динамики формы длинной слаботочной дуги. Проведено исследование динамики дуг в поперечном, закрученном и пульсирующем потоках газа,-во внешних попе' речных и продольных магнитных полях. Показано, что предсказываемая моделью критическая скорость однородного поперечного потока, ограничивающая область устойчивого горения дуги, объясняет наличие максимума на экспериментальной зависимости мощности высоковольтной дуги от скорости газа. Предложен способ снятия этого ограничения путем организации специального распределения скорости газа. Определе-

31

йы границы существования стационарных режимов горения разрядов в магнитных полях и их устойчивость к малым возмущениям, проведен анализ динамики дуг при до- и закригических магшггных полях.

На основе МГД уравнений численно исследовано взаимодействие слаботочной (10+20 А) дуги-с поперечным и продольным воздушными потоками. Показано, что для искривленной дуги в поперечном потоке характерны крупге тепловой и газодинамический фронты на передней границе, газовый поток в основном обтекает токопроводящий канал дуги. Горение дуги в продольном потоке определяется внешним течением за счет эффектов вязкости с достижением при токах М0+20 Л осевой температуры -6000+7000 К при напряженности ЕМ,2+1,5 кВ/м.

Развита модель динамики температурных полей нестационарной дуги в продольном потоке газа. Показано, что для режимов ее горения характерны волнообразные процессы, описывающие снос термических и газодинамических возмущений вдоль потока.

5.Проанализированы основные эффекты, которые сопровождает процессы инициирования горения угольных частиц плазмой. Развиты модели и проведено исследование влияния на горение углеродных частиц высокотемпературных физических процессов - самодиффузии и сублимации углерода. Показана принципиальная возможность стабилизации цилиндрической форш дуги в аэродасперсном облаке, когда выделяющаяся в ней энергия выносится излучением твердых частиц.

Проведено численное исследование воспламенения пылевидного угля в потоке воздуха с многофазной высоковольтной дугой при детальном описании кинетики химических реакций. Определены уровни мощности плазмы для воспламенэния пылеугсльного потока и способы оптимальной' организации взаимодействия частиц с высоковольтной дугой.

6.Разработано многоэлектродное высоковольтное плазменное устройство на основе слаботочной дуги переменного тока для прямого воспламенения пылэугольного топлива в энергетических котлах. Проведены испытания и опытно-промышленная проверка плазменшх устройств, показавшие возможность их исгэльзования для воспламенения пылевидного угля при удельных энергозатратах -0,3+0,5%.

В прнложзиЕИ отмечен вклад автора в опубликованные по теме., диссертации научные работа, написанные в соавторстве.

Автор приносит благодарность д.ф.-м.н..профессору В.И.Гурсвпчу и д.ф.-м.н.,профессору В.С.Энгельшту за помощь и консультации при постановке задач диссертации и выборе подходов к их решению, обсуждение полученных результатов.

Основное содэрзаквэ диссертации опубликовано в работах:

1.Теория столба электрической_дуги/В.С.Энгелыпт,В.Ц.Гурович.Г.А.Дз-сятков и др.- Новосибирск: Наук.з, 1990.-376с.- (Низкотемпературная плазма.Т.1)(Гл.2,4).

2.Теория термической электродуговой плазмы.4.1.Метода мзтематячр"-кого исследования плазмы/ М.Ф.Хуков, Б.А.Урвков.В.С.Энгэльшт,... Г.А.Десятков и др.-Новосибирск:Наука,1987.-287с.(Гл.С).

3.Математическое моделирование электрической дуги/В.С.Знгельггг.Д.Г. Асанов, В.Ц.Гурович, Г.А.Десятков и др.- Фрунзе:'Клим, 1933.- SGo;. (Гл.7,8).

4.Десятков Г.А. .Знгельит B.C. Теория цилиндрического дугового разряда .-Фрунзе:Илим,1935.-147с.

Б.Гурович В.Ц., Десятков Г.А., Спектороо B.JI. и др. Особенности движения токовой оболочки и ударной волны в импульсном ускорителе высокого давления//Доклада АН СССР. -19G7.-Т.293,5.-С.11-110"

6.Desyatkov G. А. . Engel sht V. Ь. . Gurovl ch V.Ts. .Musin N. U. - Dynami of low-current discharge in external magnetic fields//.}. Hi ch Temperature Chem. ProcessesCFranceO . -1SS2. -V. 1. N3.-P. 291-2QS.

7.Булатова E.В..Десятков Г.А. Динамика и горение углеродной частит? в поле высокотемпературного вихря//Известия СО РАН. Сибирский физ.-техн.зурнал.-1992.-Внп.5.-С.105-108.

Э.Энгельат В.С.,Гурович В.Ц..Десятков Г.А. и др. Высоковольтный трехфазный плазменный запзльш!к:физико-технические проблекы//Пла-зменнап активация горения углей.-Алма-Ата:КазНИИЭ,1989.-С.62-81.

Э.Булатова E.fe..Гурович В.Ц., Десятков Г. А. Численное исследование влияния самодиффузии и сублимации углерода, а также ■ напряженного состояния угольных частиц при их воспламенении высокотемпературны:.! источником.-Ред.зурн. Изв.НАН Кыргызской Республики.-Бишкек. 1993.-32с.-Деп.В ВИНИТИ £3039- В93.07.12.93.

lO.Desyatkov G. А. , Engelsht V. S. . Gurovich V.Ts., Spektorov ,V. L. Dynamics of freeburning cylindrical electric discharges/zPhysics of Ionized Gases/Contrib. Pap. 10th Summer Sch. and Symp. SPIG-80. Dubrovnik , Yugoslavia,19SO/Inst. Mucl. Sci . ,Beograd.-P.372-273.

" 11 .Desyaikov G. A. .Gurovich V.Ts. .Spektorov V. L. About one new self-similar solution in the theory of high-current gas discharge// Phenom. Ionized Gases: Contrib. Pap. , V. 2/ Proc. ISth Intern. Conf. . Minsk , 1981. -P. 58Q-590.

12.Desyatkov G. A. , Engelsht V. S. . Gurovich V.Ts., Spektorov V. L.

33

Numerical analysis of plasm dynamics In atmospheric pressure pulsed accelerator/vPhys. Ionized Gases: Contrib. Pap. /13th Int.Sch. . and Symp.SPIG'eC.Sibenik,Yugoslavia.1986/Beograd.1986.-P.481-484.

"¡3.Desyatkov G. A. ,Engelsht V. S. ,Gurovich V.Ts. Vortex structures in pulsed plasma streams//Ibid. -P. 477-480. '

14.Desyatkov G. A. .Engelsht V. S. .Gurovich V. Ts. .Spektorov V. L. Conductive and radiative mechanisms of pulverized coal ignition by piasma//High-Temperature Dust-Laden Jets in Plasma Techn/Proc. Int. Workshop.Novosibirsk,1989/Wetherlands: VSP.19SO. -P. 543-554.

15. Desyatk ov G. A. .Engelsht V. S. .Gurovich V.Ts. et al. High-voltage electric arc as the source for Ignition of air-dispersed fuel f 1 ows//PlasiM Jets in Developm. New Material Techn. /Proc. Intern. Wo'rkshop. Frunze,1990/VSP,Utrecht,Netherlands.1990. -P. 499-509.

16.Desyatkov G. A. .Engelsht V. S. .Gurovich V. Ts. .Spektorov V. L. Modelling of particle interaction with gas-dynamic flow of toroidal vor tex//Mul ti phase F1 ow and Heat Transfer /"Proc. 2nd Intern. Symp. , Syan,China. lS89/Hemi sphere Publ. Corp. , N. У. , 1S91.-P. 1081-1084.

17.Asanaliev M. K. ,Gurovich V. Ts. , Desyatkov G. A. et al. Analysis of extended high-current arc characteristics in cross magnatic field //20th Intern. Conf. Phenom. Ionized Gases/ Contrib. Pap. . IlCiocco, Barga. Italy,1991/Felicl Editor®.Piia. 1691. -P. 1307-1308.

IB. Desyatkov G. A. . Engelsht V. S. .Miisin N. U. .Saichenko A.N. Experimental investigation and application of high-voltage low-current arc in gas flow//Ibid. —P. 978-979.

19-Desyatkov G. A. , Engelsht V. S. , Gurovich V.Ts., Spektorov V. L. Dynamics of long low-current arc in external magnetic field// Ibid.-P. 1331-1322.

20- Desyatkov G. A. , Engelsht V. S. , Gurovich V.Ts., Spektorov V. L.

t -

Theoretical investigation of evolution of a long arc in external fields//Proc. 10 Intern. Symp. on Plasma Chemistry, Bochum,Germany, 1991. -V. 1. -1.1-24. -P. 1-6.

21.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Спекторов В.Л. Автомодельное решение для свободно горящей дуги с постоянным потоком импульса//.. Генераторы низкотемперат.плазмы:Тез.докл.3-й Всес.ковф..Фрунзе: ИЛИМ.1983.-С.8-9.

22.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Спекторов В.Л.,Энгельшт B.C. К теории распространения токовой оболочки в импульсном плазменном ускорителе// Возникновение и развитие; газового разряда при высоких давлениях,4.2: Твз„докл.2-го Всесога.совещ.по физике эл. пробоя газов .Тарту, 153-1.-С.298-300.

34

23.Гурович В.Ц..Десятков Г.А. .Энгелыпт B.C. О структуре тсроэдаль ных вихрей, генерируемых импульсными плазменными ускорителями//

6-ой Всесоюз.съезд по теоретич.и прикл.механике: Аннстац.дскл., Ташкент,1956.-С.232.

24.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Знгельшт B.C. Перспективы применения импульсных плазменных устройств для интенсификации горения пылеугольного тошкза и теплообмена в энергетических установках //Генераторы низкотемперат.плазмы,Ч.2:Тез.докл.10-й Всесоюз.кон?. Каунас,1386.-Минск,193S-C.72-74.

25.ГурсБич В.Ц..Десэтков Г.А..Спекторов 3.Л..Энгелыпт B.C.Механизмы взаимодействия газоразрядной плаэмы с пыяеугольным топливом// 11-й Hayчн.-практ.семинар по электрофизике горения: Тез.докл.. Караганда.-1988.-С.76.

."б.Гурович В.Ц. .Десятков Г.А. .Спекторов В.Л..Знгельпт B.C. Рздиацл-онный режим воспламенения аэродисперсной смеси сферическим высокотемпературным источником//Там же.-С.35.

27.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Спекторов В.Л..Энгелыпт В.С.Особенности диффузионного режима горения угольной частищ//Тач яз.-С.54.

28.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Спекторов В.Л..Энгелыпт B.C. К теория инициирования горения пылеугольно-воздушной смеси высокотемпера-ным источником//Теплообмен в парогенераторах:Тез.докл.Есэсокз. конф. .Новосибирск:1ГГФ СО АН,19Б8.-С.151-152.

29.Энгелыпт.B.C., Десятков Г.А., Сайченко А.Н. и др. Плазменный способ воспламенения пылевидного топлива в энергетических котлах//Основные направления экономии энергоресурсов в республи-ке:Тез.докл.Республ.научно-техн.конф..Фрунзе,1939.-С.46-47.

30.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Спекторов В.Л.,Знгельшт B.C. Упрощенная модель высоковольтной дуги в потоке// Генераторы низкотемперат. плазмы: Тез. докл. 1 1-Й Всесоюз. конф..Новосибирск:ИГФ СО АН. 1989.-С.175-176.

31.Гурович В.Ц..Десятков Г.А.,Спекторов В.Л. Форма высоковольтной слаботочной дуги в поперечном потоке газа// Там же.-С.177-178.

32.Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Ларькина Л.Т. и др: Эволюция формы коронирущего тлещего разряда// Тез.докл. 5-й Всесоюз.кон£.по физике газового разряда,Омск,1990.-С.172-173.

33.Гурович 8.Ц..Десятков Г.А..Лелевкин В.М..Спекторов В.Л. Моделирование газового разряда в электромагнетных полях//Аннотац.докл.

7-го Всес.съезда по теорет.и прикл.механике,Москва.1991.-С.122.

34.Булатова Е.В.,Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Энгелыпт В.С.Моделирова-

35

ние воспламенения пылеугольного потока высоковольтной дугой/Меж-дунар.симп.по теоретич.и прикл.плазмохимии.Рига, 1991 .-С.98-100.

35.Булатова Е.В.,Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Энгельшт В.С.Исследование инициирования горения угольных частиц вихревым плазмокдомЛ Там же.-С.101-103.

Зб.Гурович В.Ц..Десятков Г.А. .Спекторов В.Л..Энгельигг В.С.Качественная теория эволюции длинной электрической дуги во внешних полях// Физика низкотемперат.'плазмы: Мат-лы 8-ой Всесош.конф., Минск, 1991.-0.57-58.

37.Энгельшт В.С.,Десятков Г.А..Мусин Н.У..Сайченко А.Н. Электрические характеристики высоковольтной трехфазной дуги в потоке воз-духа//Там *е.-С.176-177.

38.Энгельшт B.C., Десятков Г.А., Мусин Н.У., Сайченко А.Н. Экономия мазута при плазменной подсветке в шлеугольных котлах// Проблемы энергосбережения: Тез.докл. Воесоюз. научно-практич.конф., Киев, 1991.-Ч.1.-С.57-58.

ЗЭ.Гурович В.Ц. .Десятков Г.А.,Мусин Н.У.,Энгельигг B.C. Исследование поведения тлепцего разряда атмосферного давления во внешнем магнитном поле// Тез.докл. 6-й кон]).по физике газового разряда, Казань,1932.-Ч.1.-С.33-34.

40.А.с.1365449 СССР. Устройство для нанесения порошковых покрытий импульсным разрядом/ Гурович В.Ц..Десятков Г.А..Спекторов В.Л. и др. Заявл.01.10.84,«3797088/24-21.

41.А.с.1483186 СССР. Запальник/ Энгельшт B.C..Десятков Г.А..Окопник Г.М. и др.-Опубл.в Б.И. ,1989,JS20.

42.А.с.1609256 СССР. Запальник/Энгельшт B.C..Сайченко А.Н..ДесяткоЕ Г.А. и др. Заявл.18.04.В9, JS4679797/24-06.

43.А.с.1636647 СССР. Запальник/ Десятков Г.А., Мусин Н.У., Сайченкс А.Н.,Энгельшт B.C.-Опубл.в Б.И. .1991 ,Jfl 1.

44.А.с.1651041 СССР. Плазменный запальник/ Энгельшт B.C., ДесяткоЕ Г.А.,Мусин Н.У.и,др.-Опубл.в Б.И. ,1991 ,JH9.

45.А.с.1684572 СССР.Запальник/ Энгельшт B.C..Десятков Г.А..Ларькинс JI.T.и др.-Опубл.в Б.И., 1991,JK38.

'46.А.с.1759101 СССР.Запальник/ Энгельшт B.C..Сайченко А.Н..ДесяткоЕ Г.А.и др.Заявл.26.СГ7.89, #4724498/06. ,

47.Ноше материалы и технологии. Экстремальные технологические про-цессы/М.Ф.Пуков,В.А.Неронов,...,Г.А.Десятков и др.-Новосибирск: Наука,1992-183с.(Гл.6).