Исследование многофазных генераторов плазмы переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ
|
Суров, Александр Викторович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.13
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
СУРОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПЛАЗМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, РАБОТАЮЩИХ НА ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ В ДИАПАЗОНЕ МОЩНОСТИ ОТ 100 ДО 300 кВт.
01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
СУРОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПЛАЗМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, РАБОТАЮЩИХ НА ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ В ДИАПАЗОНЕ МОЩНОСТИ ОТ 100 ДО 300 кВт.
01.04 13 - Электрофизика, электрофизические установки
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ц10$99
Работа выполнена в Институте электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук
Научные руководители - доктор технических паук, профессор, академик
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор - Горячей Владислав Леонидович, кандидат технических наук - Жуков Борис Георгиевич
Ведущая организация
Балтийский Государственный Технический Университет «Военмех» им. Д. Ф. Устинова.
Защита состоится 23 ноября 2005 г.. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.131.01 Института электрофизики и электроэнергетики РАН по адресу: Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д 18, ИЭЭ РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН Автореферат разослан /£? 2005 г.
РАН - Рутберг Филипп Григорьевич; кандидат технических наук Сафронов Алексей Анатольевич
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук Киселев Александр Александрович
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Актуальность
Б последнее время во всем мире возрос интерес к разрабш ке новых методов обработки материалов. В частности, методы обезвреживания и переработки отходов представляют чрезвычайный интерес с точки зрения энергетики как один из источников возобновляемой энергии. Одним из наиболее перепек гавных направлений является плазменная переработка Плазменный пиролиз и газификация позволяют при переработке отходов, содержащих органические соединения, в условиях недостатка кислорода получать горючий синтез-газ, который пригоден в качес1ве сырья для производства энергии.
Обеспечить высокую плотность передачи энергии наиболее эффективно при достаточно большой мощности способны сильноточные дуговые разряды или электродуговые плазмотроны. Более того, использование плазме фонов в составе технологических установок позволяем упростить процесс регулирования' температурного режима за счет возможности гибкого изменения тепловой мощности плазмешюй струи, а так же за счет обеспечения высокой температуры, позволяет избежать образования таких особо вредных выбросов, как диоксины, цианиды и фураны. Для создания промышленных установок по плазменной переработке материалов с производительностью от 0,5 до 1 т/час требуется использовать плазмотроны мощностью от 100 до 300 кВт, стационарно работающие на окислительных средах в течение десятков часов и позволяющие в широком диапазоне регулировать теплосодержание рабочего газа (от 2 до 12 МДж/кг)
Не смотря на то, что в истории создания плазмотронов и в наглей стране и за рубежом существует достаточно большой задел, тем не менее, в условиях развития новых технологий возникает необходимость создания
новых устройств, отвечающих перечисленным выше требованиям и способных обеспечить высокую эффективность передачи энергии при продолжительной работе на окислительных средах Кроме того с практической точки зрения немаловажным представляется достижение достаточно низкой коммерческой стоимости плазмотронов и сисгем обеспечения, а так же получение оптимальных эксплуатационных качеств
Перечисленным выше требованиям наиболее полно могут соответствовать однокамерные многофазные плазмотроны переменного тока с электродами рельсового типа, разработка которых началась в Институте проблем электрофизики (ИПЭФ РАН) в 80-х годах XX века. Учитывая необходимость работы плазмотрона на окислительных средах (прежде всего - на воздухе), для достижения характеристик, оптимальных с точки зрения процессов плазменной переработки, возникла необходимость проведения дополнительных исследований. Проведение исследований, направленных на изучение физических процессов внутри разрядной камеры однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока при работе на воздухе, а так же изучение влияния изменения расхода плазмообразующего газа на внешние характеристики, с целью выявления оптимальных режимов работы в составе плазмохимических установок, является актуальной научно-технической задачей.
1.2. Предмет исследования
На сегодняшний день остаются недостаточно изученными физические процессы, происходящие в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, работающего па воздухе и других окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт. Предметом исследований в данной работе являются физические процессы, происходящие в разрядной камере, а так
же зависимости внешних характеристик плазмотрона от расхода плазмообразующего газа, необходимые для определения оптимальных режимов работы плазмотрона в составе плазмохимических установок
и. Цель работы
Целью работы является исследование электрофизических процессов в разрядной камере стационарных многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа (далее -плазмотронов), работающих на окислительных средах (прежде всего - на воздухе) и определение оптимальных режимов работы шгя их использования в составе плазмохимических установок. Для достижения этой цели в работе поставлены задачи:
• создать экспериментальный стенд с автоматизированной системой измерения и регистрации параметров для исследования плазмотронов, работающих на воздухе в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт;
• исследовать физические процессы и характер горения дуг в разрядной камере плазмотрона мощностью от 100 до 300 кВт, работающего на воздухе с расходом в диапазоне от 15 до 70 г/с;
• установить зависимости внешних характеристик плазмотрона от расхода плазмообразующего газа, уделяя особое внимание изучению вольтамперных характеристик (мощность плазмотрона от 100 до 300 кВт, расход плазмообразующего воздуха - от 15 до 70 г/с);
• определить пределы регулирования параметров мнга офазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт для диапазона расхода плазмообразующего воздуха от 15 до 70 г/с, в частности -теплосодержания рабочего газа на выходе Определить оптимальные
режимы работы для использования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в составе плазмохимических установок.
1.4. Методы исследований
Для решения поставленных в работе задач, при испытании плазмотронов на экспериментальном стенде, в автоматическом режиме проводились измерения электрических параметров, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а так же мощность и КПД. Для определения физических параметров в разрядной камере проводились спектроскопические измерения и высокоскоростная видеосъемка Данные автоматически регистрировались и обрабатываются на ЭВМ, по ним строились ре!рессионные зависимости Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.
1.5. Научная новизна
Научная новизна определяется тем, что впервые экспериментально исследована работа однокамерных многофазных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт с использованием окислительной среды (воздуха) в качестве плазмообразующего газа. Для этого был создан испытательный стенд с диагностической камерой, позволяющий проводить оптические исследования, оснащенный автоматизированной системой измерения и регистрации физических параметров.
Исследован характер поведения дуг в разрядной камере плазмотрона данного типа, определены условия существования диффузного и контрагированного режимов горения дуг при использовании воздуха в
качестве плазмообразующсго газа.
Проведены исследования работы многофазного однокамерного
ПП93ЧО'|рОнЗ прпрмртгапгп тпм г ЭЛСКТрОДВМЙ рСЛЬСОВОГО тиття млщнпт.тп
от 100 до 300 кВт в диапазоне токов от 400 до 1100 А и напряжения до 500 В, получены зависимости внешних характеристик от расхода плазмообразующего газа для воздуха в диапазоне от 15 до 70 г/с, дано объяснение характера волътампернъгх характеристик плазмотрона
Достигнуты широкие пределы изменения теплосодержания рабочего газа на срезе сопла многофазного однокамерного плазмотрона переменного то^я с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт. При использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа с расходом от 15 до 70 г/с, его теплосодержание на выходе можно регулировать в диапазоне от 2 до 12 МДж/ю. Определены оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе плазмохимических технологических установок.
1.6. Практическая ценность
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные методы могут быть использованы для дальнейших исследований генераторов термической плазмы переменного тока
Результаты, полученные для плазмотронов мощностью от 100 до 300 кВт, используются при создании плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в следующем по мощности диапазоне (свыше 300 кВт), востребованных для развития плазмохимических технологий.
Результаты могут быть использованы при выборе оптимальных плазмотронов и режимов эксплуатации для использования в составе плазмохимических технологических установок
1.7. Реализация результатов исследований
Олл. HAAiinr Т "Л Л гглплпп<ггг<гт> ппппп^Ллчтт» »л * »envMTTIVTX tl ЛЛО ТТО OUL 1Й
Л WJJ J11» IUI Ol ptMpWW 1 UillUDlV ifiv J V/4II1U1 «■ WJ^U.
экспериментальные стенды используются в ИЭЭ РАН (Санкт-Петербург) для проведения испытаний при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока и нри создании плазмохимических реакторов для переработки отходов, а так же в работах по данной тематике, проводимых в БГТУ «Военмех» им Д Ф Устинова, СГ16ПТУ «Политехнический институт» и ОИВТ РАН
Результаты проведенных исследований использовались так же при проектировании ряда крупных плазмохимических перерабатывающих установок в России и за рубежом.
1.8. Вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментального стенда с диагностической камерой для исследования плазмотронов мощностью до 300 кВт, в оснащении стенда измерительными устройствами и автоматизированной системой измерения Занимался разработкой программного обеспечения для системы сбора и регистрации физических параметров.
Проводил исследования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, изучил характер поведения дуг в разрядной камере при работе на воздухе. Выявил зависимости внешних характеристик от расхода воздуха в качестве нлазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с. Определил оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе технологических плазмохимических установок.
1.9. Апробация работы
По материалам диссертации сделаны доклады на следующих
ICOI[фvpvllЦ/1п tV .
• Forth International Workshop on Advanced Plasma Tools and Processes Engineering, May 26-27, 1998, California, Millbrae, USA,
• III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 411 декабря 1998 г.;
• ISPC-14, 14th International Symposium on Plasma Chemistry, Plasma Equipment Exhibition, August 2-6, 1999, Prague, Czcch Republic;
• IV Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 210 декабря 1999 г.;
• E-MRS IIJMRS ICEM 2000, International conference on electronic materials & European materials research society spring meeting, May 30 -June 2, 2000, Strasbourg, France
• ElectroMed 2001, Second International Symposium on Nonthermal Medical/Biological Treatments Using Electromagnetic Fields Gases, May 20-23, 2001, Portsmouth, Virginia, USA;
• Pulsed Power Plasma Science 2001. The 28th IEEE International Conference on Plasma Science. The 13th IEEE International Conference. June 17-22 2001, Las Vegas, Nevada, USA;
• ICPP 2004, 12th International Congress on Plasma Physics, Nice. France, 2829 October 2004;
1.10. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по каждой из
них, заключения и списка литературы.
Она изложена на 131 страницах машинописного текста, включает 78
рисунков, 10 таблиц и список литературы из 84 наименований
Плппппив плплч^аппа^ ЯрСДСТйЕЛлС"«*!" 5% Зй!Д«1Т£*
• Результаты исследования режимов горения дуг и характера теплообмена с рабочим газом в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразутощего воздуха, регулируемом в диапазоне от 15 до 70 г/с.
• Установлены оптимальные режимы работы плазмотрона для использования в ьисшвс шшмохимических установок Диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа при работе многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с расходом плазмообразующего воздуха лежит в пределах от 2 до 12 МДж/кг.
• Результаты исследования внешних характеристик многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха от 15 до 70 г/с.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы и формулируется цель работы.
В первой главе описана область применения плазмотронов, выполнен обзор плазмотронов мощностью свьппс 100 кВт, разработанных в нашей стране и за рубежом, приведены их технические характерисгаки. При описании плазмотроны были разделены на следующие основные группы:
• плазмотроны постоянного тока;
• однофазные плазмотроны переменного тока;
• многофазные многокамерные плазмотроны переменного тока.
• многофазные однокамерные плазмотроны переменного тока Отмечено что создан шнрокни класс генераторов плаз**" ппгтлаццпт
и переменного тока мощностью более 100 кВт, однако большинство устройств работает на таких газах, как N2, Аг, Не и Н2 или с защитой электродов этими газами. В то же время, плазменные технологии переработки и пиролиза отходов требуют экономичных плазмотронов, работающих на переменном токе и окислительных средах, прежде всего на воздухе. Так, для создания промышленных установок по плазменной переработке материалов с производительностью 0,5 - 1 т^час требуется использовать плазмотроны мощностью 100-300 кВт, стационарно работающие на окислительных средах в течение десятков часов и позволяющие в широком диапазоне регулировать теплосодержание рабочего газа Здесь обращено внимание на то, что еще в 80-х годах прошлого века в ИПЭФ РАН1 началась разработка однокамерных многофазных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, которые наиболее полно могут отвечать требованиям плазменных технологий, но для достижения оптимальных рабочих параметров возникла необходимость проведения дополнительных исследований
Во второй главе описан принцип работы многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, стационарно работающих на окислительных средах. Представлен модельный ряд таких плазмотронов, разработанных в ИПЭФ РАН, приведены расходные характеристики систем газовой подачи (для воздуха), а так же дано описание конструктивных особенностей и
1 с января 2005 года Институт проблем электрофизики Российской Академии Наук (ИПЭФ РАН) реорганизован в Институт электрофизики и электроэнергетики Российской Академии Наук (ИЭЭ РАН)
принципа работы высоковольтного инжектора Основное внимание уделено плазмогрону ИПЭ-13т, как наиболее универсальной и тиептенной моггртти пяботятотей и ¡гияттячоно мптпности от 100 по 300 кВт с расходом воздуха от 15 до 70 г/с Описаны особенноспи конструкции и представлены расходные характеристики системы охлаждения Схема плазмотрона ИПЭ-1 Зт приведена на Рис. 1.
Рис. 1. Схема плазмотрона ИГПМЗт. 1 - Инжектор, 2 - основной электрод, 3 - изолятор, 4 - токоввод, 5 - водоохлаждаемый корпус, 6 - котуры тангенциальной газовой подачи.
Третья глава посвящена описанию методик измерения физических параметров, в ней представлен экспериментальный стенд для проведения исследований многофазных однокамерных плазмотронов переменною тока мощностью до 300 кВ1 и использованные приборы и измерительные устройства.
Определение оптимальных режимов работы плазмотронов проводилось методом экспертных оценок с рассмотрением осциллограмм электрических параметров, их действующих значений, мощности, КПД и
материалов скоростной видеосъемки Учитывалась полнота заполнения объема разрядной камеры дугами, а так же полнота заполнения рабочих поверх ногтей эгтектропов спелами луговых привязок Лля этого измерялись электрические параметры и строились вольтамперные и частотные характеристики. Проводились измерения расходов плазмообразующего газа и воды в системе охлаждения, а так же учитывались потери тепла на систему охлаждения При работе плазмотронов в составе опытного плазмохимического реактора кроме названных выше параметров проводились измерения температуры и давления в различных участках установки а так же анализировался химический сост-ав отработавших газов.
Измеряя электрические параметры работа плазмотрона и определяя потери на систему охлаждения можно оценить термический КПД:
Р-Ж
Ч = —
где Р - энергия в дугах,
тешюпотери, а (Р-Щ - энергия, затрачиваемая на нагрев рабочего газа. Для определения потерь тепла на систему охлаждения плазмотрона сконструировано устройство, позволяющее аккуратно измерять разницу температуры среды в двух магистралях По перепаду температуры, зная расход воды, оценивалось количество потерянного тепла.
Исследования физических процессов, происходящих в разрядной камере плазмотрона, проводились с использованием спектральных методов и высокоскоростной видеосъемки. Изучались эмиссионные спектры, по ним определялась температура в дугах и в факеле плазмотрона. Для определения температуры определялась относительная заселенность двух состояний. По проведенным в одних и тех же условиях измерениям
интенсивности переходов 1\ и /2, определялась электронная температура из соотношения:
Г ~ л ( г —!' ^
Ь V кТ. )'
где gl - статистический вес перехода, V, - частота перехода,
А, -эйнштейновский коэффициент спонтанного излучения верхнего состояния.
Для проведения исследований были выбраны линии излучения атома меди 521.8нм, 5!5.3им и 510.5нм.
Исследования стационарных многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа мощностью до 300 кВт проводились на специально оборудованном стенде, в состав которого входят: источники питания плазмотронов с компенсацией реактивной мощности, системы обеспечения (включающие систему подачи плазмообразующего газа и систему охлаждения) Схема стенда изображена на Рис. 2. Диагностическая камера для проведения оптических и спектральных исследований физических процессов, происходящих в разрядной камере плазмотрона, представлена на Рис. 3 Автоматическая система измерений позволяет проводить непрерывные эксперименты с регистрацией электрических характеристик, расходов газов и воды в системах обеспечения, потерь на систему охлаждения, а так же температур и давлений в технологических системах.
Рве. 2. Схема стенда испытаний плазмотронов. 1 - Системы обеспечения: 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 - трёхфазная 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 плазмохимичсский реактор
Рис. 3. Диагностическая камера. 1 - Колонна для закалки отработавших газов (квенчер); 2-подвод воды к рубашке охлаждения; 3 - плазмотрон; 4 - диагностическая камера; 5 -выхлопная -магистраль; 6 - место установки форсунки квенчера; 7 - удлинитель диагностической камеры
В чегвертой главе рассматриваются режимы горения дуг, изученные при проведении экспериментов с использованием высокоскоростной видеосъемки и спектроскопических измерений. Дано описание основных механизмов теплообмена, реализующихся при данных режимах, а так же описаны разработанные элементы методики обработки видеоматериала На Рис. 4 представлены кадры работы плазмотрона, установленного на диагностической камере. Совместное изучение видеоматериала с осциллограммами токов и напряжений показало, что дуговые привязки перемещаются по поверхностям расходящихся электродов на протяжении нескольких периодов со скоростью от 2 до 20 м/с В разрядной камере
многофазного однокамерного плазмотрона с электродами рельсового типа одновременно горят две дуги Они заполняют большую часть разрядной камеры, совершая движение в продольном и поперечном направлениях В пристеночной зоне, куда подается холодный газ, создающий изолирующий слой, концентрация заряженных частиц резко падает, поэтому дуга не касается стенок. Описанный выше процесс непрерывно повторяется, в результате чего на выходе из сопла плазмотрона образуется струя низкотемпературной (термической) плазмы.
Рис. 4. Дуги в разрядной камере трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами (рабочий газ - воздух).
а) Кадр высокоскоростной видео съемки (камера №818 2002, 2000 кадров/с) Пунктирными линиями обозначены контуры электродов и граница видимой области разрядной камеры. Мощность 130 кВт,
б) Диффузный режим горения дуг. Мощность 500 кВт
На Рис 4(Ь) представлена фотография диффузного горения дуг в разрядной камере плазмотрона При диффузном режиме горения дуг часть газа продувается сквозь зону разряда, протекают процессы диссоциации и ионизации, энергия дуги передается рабочему газу. Концентрация носителей зарядов в рабочем объеме разрядной камеры плазмотрона при реализации диффузного режима горения дуг Пс - см
Температура дуги при этом порядка Т~(5+7)-103К Доля теплообмена излучением здесь незначительна Энергия передается к рабочему газу за счет вынужденной коивскции и гтпптгувя чягти гячя сквозь зонл; лазпягта Соотношение, определяющее энергию, передаваемую газу посредством конвекции.
Р ЧТ
1 сот 1 >
где - поверхность зоны тепловыделения при трехфазном режиме горения дуг,
УГ- градиент температуры на границе зоны тепловыделения, и кТ - коэффициент турбулентного теплопереноса:
кт = -Р</Ср\1г,
где ра - плотность газа,
Ср - изобарная теплоемкость газа, • -
у - скорость газового потока,
1т - характерный размер турбулентности."
Энергия, приобретаемая газом при продуве сквозь дугу
где <2рг - массовый расход газа, продуваемого сквозь дугу, На - теплосодержания газа в дуге, и Щ - теплосодержание газа перед входом в духу
Изображение, представленное на Рис 4(а), характерно для контрагированного режима горения дуг Не смотря на сравнительно малую площадь сечения контрагированного столба дуги, интенсивное движение дуг в объеме разрядной камеры, способствует интенсивному продуву рабочего газа через зону разряда. Концентрация электронов Не при реализации контрагированного режима, в зоне разряда превышает Ю16 см"3, температура более 104 К, основной теплообмен идет за счет излучения.
При этом носители зарядов образуются фактически за счет термической ионизации рабочего газа
Ня Риг 5 ппелггтаппен изученный спектр ичттучения в центре свободного плазменного факела на расстоянии 150 мм от среза сопла Этот спектр получен при использовании монохроматора MS257 фирмы Oriel с решеткой 1800 линий/мм На спектре доминируют полосы, относящиеся к излучению различных переходов меди 510.5 нм 3(f 4s2 2DJ/2 - 4р2 Ifi3/2 ; 515.3 нм 4р2 P°i/2 - 4(? 2D3/2\ 521.82 нм 4р2 Р°з/2 4<? 2D5/2■ На спектре также можно увидеть широкую полосу с максимумом 750 нм относящуюся к молекуле азота N2 и линию излучения атомарного кислорода О на 777 нм. соответствующую триплету 5Р3 - \SV SP2 - sS2; sPi - 5S2.
9000 8000 7000 6000 5000 4000
8 s
« 3000 2000
1000 --4jfi^
0
500 550 600 650 700 750 800 850 длина волны, нм
Рис.5. Спектр излучения в центре плазменного факела на расстоянии 150 мм от среза сопла многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа. Мощность - 150 кВт, расход плазмообразующего воздуха - ЗОг/с.
Изучение спектра показало, что линии полос излучения значительно уширены. Это может быть объяснено резонансным уширением, обычно наблюдаемым при сильном взаимодействии большого ансамбля однотипных атомов или молекул Имеет место хорошее совпадение полос с шуссовым контуром, что также свидетельствует в пользу указанного механизма уширения Вместе с тем измерения показывают, что в спектре присутствуют достаточно слабые полосы излучения атомарного кислорода в области 777 нм, которые соответствуют характерным переходам 5Р3 - 5Si; SP2 - 3S2 ; 5Pi 3S2. Однако, учитывая очень слабую интенсивность этой линии, ее наличие можно объяснить состояниями, принадлежащими хвосту распределения Максвелла. Поэтому для расчета температуры было использовано приближение локального температурного равновесия (JTTP). Использованный метод позволил определить максимальную температуру в исследуемой области на момент измерения. Расчеты показали, что при работе плазмотрона в одном режиме она изменяется в достаточно широких пределах: от 4500 до 6950 К. Это можно объяснить неоднородностью профиля температуры, вызванной турбулентным характером истечения. Знание максимальной температуры позволяет точнее рассчитывать компонентный состав рабочего газа (термической плазмы) на выходе из сопла плазмотрона Однако, дня получения полной информации о параметрах плазмы в истекающей струе, нужно проводить комплексные исследования с набором статистических данных, включающие совместное проведение спектроскопических измерений и скоростной видеосъемки. В качестве внешней характеристики работы плазмотрона удобнее пользоваться зависимостью среднемассовой температуры от расхода плазмообразутощего газа, которую можно определить по теплосодержанию газа, рассчитываемому из отношения полезной мощности к единице расхода газа Полезная мощность в первом приближении может быть
определена как мощность в дугах за вычетом потерь на систему охлаждения
5_гтятпй щяис пг>рпгтя1Шрв яттятпге эпрктпичрских процессов
происходящих в электродуговой системе и внешние характеристики многофазного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами
Рассмотрена работа однофазной модели электродуговой системы рельсового типа Представлены характерные осциллограммы токов и напряжений, снятые на модельной трехфазной установке для исследования работы электродов рельсового типа Отмечена роль инжектора, служащего ття на нежного инициирования пути при пуске плазмотрона обеспечивающего обрыв дуги при достижении торцевой зоны электрода дуговой привязкой и ее повторное зажигание в зоне минимального межэлектродного промежутка. Результаты проведенного гармонического анализа позволили сделать вывод о возможности автоматического программного определения характерных режимов работы плазмотрона при обработке достаточно длинных осциллограмм
Для многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300кВт, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа были построены зависимости мощности, теплосодержания рабочего газа и среднемассовой температуры от расхода (Р(О), Н(О) и Т(О) соответственно). Зависимости Р(О) и Н(в) представлены на Рис. 6 и Рис. 7.
Р.кВт-5004003002001000 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 С,г/с
Рис.6. Зависимости мощности многофазного плазмотрона с электродами рельсового типа от расхода плазмообразующсго газа (воздуха) при атмосферном давлении. Кривые обозначены в соответствии с настройками источника питания по токам короткого замыкания
Определено, что у плазмотронов данною типа широкий диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа - от 2 до 12 МДж/кг, что может позволить обеспечил, оптимальное регулирование технологических процессов для плазмохимических установок. Были построены зависимости мощности и напряжения на дуге от тока (Р(1) и 11(1) соответственно). Вольтамперная характеристика 11(1) представлена на Рис 8 Согласно проведенным исследованиям, термический КПД многофазного однокамерного плазмотрона с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа, в диапазоне расходов от 25 до 50 г/с имеет значения близкие к 70%
Н
МДж/кг 12 11
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 С г/с Рис.7. Зависимости теплосодержания рабочего газа многофазного плазмотрона с электродами рельсового типа от расхода для воздуха при атмосферном давлении. Кривые обозначены в соответствии с настройками источника питания по токам короткого замыкания.
При больших токах и большом расходе газа поток сжимает дугу, интенсивно охлаждая внепппою область дугового столба, что приводит к контракции и значительному росту напряженности. С ростом тока плотность тока в столбе растет, а проводимость меняется незначительно, т к. электроны начинают рассеиваться в основном ионами, а не атомами. Это происходит с ростом степени ионизации и увеличением суммарного сечения ионов. В результате длина свободного пробега электрона находится в обратно пропорциональной зависимости от степени ионизации. В рассматриваемых условиях в сильноточной дуге элеетроны имеют температуру порядка 1эВ, при таких температурах ссчение рассеяния электронов атомами мало Значение проводимости в столбе дуги можно представить следующим образом:
ГДС rig, ri„ п - ьОНцСНТрацИИ ЭЛСЮТрОКОБ, ИОНОБ И пОпГроЛтимл "5СТЯЦ
соответственно, те - масса электрона,
' ve ■-- средняя тепловая скорость электронов, ''Qt-- - среднее по Максвеллу транспортное сечение, <0, - - кулоновское сечение,
К„ - безразмерная функция, имеющая сложную зависимость от электронной температуры Те и {n,<(2r>/n--Qk-). Значение К„ в интересующих нас случаях меняется незначительно и с ростом степени ионизации асимптотически приближается к величине 1.95. Поэтому значение проводимости будет в основном определяться кулоновскими взаимодействиями при соблюдении следующего условия
<е><<0>(,
В интересующих нас условиях (дуга с силой тока порядка сотен ампер, стабилизированная газовым потоком) вероятная температура в плазме дуги (1-й.8)-104К. При достижении электронной концентрации определенных значений, наступает равенство электронной и газовой температур (иеда 51015 см"3) и для определения степени ионизации и концентрации заряженных частиц можно пользоваться формулой Саха. Значение <Q*> в рассматриваемых условиях мало зависит от температуры и составляет величину порядка 10"15см2, а значение <Qi> составляет величину порядка 10"13 см2. Поэтому при характерных для данного температурного режима значениях концентрации электронов ~ 1016 см"3, проводимость будет определяться в основном кулоновскими взаимодействиями. Учитывая вышесказанное, с ростом силы тока и при
сохранении сечения столба дуги постоянным, проводимость будет меняться незначительно, а плотность тока расти Исходя из закона Ома, соответственно будет расти и напряженность в столбе дуги Этим объясняется растущий характер вольтамперной характеристики плазмотрона (см Рис.9)
и, В 350 300
250 200
150
400 500 600 700 800 900 1000 1100 l,A Рис. 8. Статические вольтамперные характеристики многофазного однокамерного плазмотрона с электродами рельсового типа для разных расходов пл&змообразующего газа (для воздуха) при атмосферном давлении.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты работы сводятся к следующему: 1 Создан стенд для проведения испытаний с автоматической системой измерения и регистрации физических параметров работы
—я»*--
-#-20 г/с —■—30 г/с 40 г/с - - 50 г/с бОг/с
плазмотронов Разработано программное обеспечение для проведения исследований и организации хранения информации об экспериментах
7 Ня эксперимента пьном стенде проведены исследования однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с электродами рельсового типа, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с Применены спектральные и оптические методы диагностики, определена температура в истекающей струе плазмотрона Исследованы режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере, показано наличие двух режимов - диффузного и контрагированного.
3 Исследованы внешние характеристики многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами и установлены оптимальные режимы работы с использованием воздуха в качестве плазмообразующего газа Установлено влияние изменения расхода на внешние характеристики, исследовано поведение вольтамперных характеристик в зависимости от расхода воздуха. Показано, что проводимость (о) в рассматриваемых условиях определяется в основном кулоновскими взаимодействиями.
4 В диапазонах токов от 400 до 1100 А и мощности от 100 до 300 кВт для многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа определен диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа - от 2 до 15 МДж/кг, это обеспечивает возможность регулирования тепловой мощности струи плазмотрона в широком диапазоне, что является необходимым для реализации оптимальных технологических процессов плазмохимической переработки материалов.
5 Результаты проведенных исследований позволяют проектировать многофазные электродуговые плазменные системы, работающие на окислительных срепах лля работы в составе плазмохимических установок различного назначения и производительности
4. ПУБЛИКАЦИИ
Содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1. "AC Powerful Plasma Generators of High Energy Efficiency and Increased Life Time", Ph. G. Rutberg, A. A Safronov, V. L Goryachev, V. В Kovshechmcov, 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, (1998) 2 A. A. Safronov, V. E. Kuznetsov, V. N. Shiryaev, Ph. G. Rutberg, A. V Surov, The Rezults of Experimental Investigation of Water-Cooled Metal Electrodes Operation of Power AC Plasma Generators,ISPC-14, 14th International Simposium on Plasma Chemistry Plasma Equipment Exhibition August 2-6,1999, Prague, Czech Republic
3. Кузнецов В. E., Дашкевич В. А., Попов В. Е., Попов С. Д., Суров А. В. Метод плазменного уничтожения опасных медицинских отходов, Российская академия наук. "Региональная экология". №3-4(17) 2001.
C.60-64.
4. "Plasma Technologies Of Solid And Liquid Toxic Waste Desinfection", Ph G. Rutberg, A. A. Safronov, A N Bratsev, V N. Shiryaev, V. E. Popov, S.
D. Popov, A V. Surov, Digest of technical papers 2001 IEEE Pulsed Power Plasma Science Conference, p.1178-1181, ISBN 0-7803-7120-8
5. Ph. G. Rutberg, A. A. Safronov, V. N. Shiryaev, V. E. Kuznetsov, A. V Surov, S D. Popov Multi-phase AC Plasma Generators, Digest of technical
papers. 2001 IEEE Pulsed Power Plasma Science Conference, ISBN 07803-7120-8
6 "Research of Frosion of Water Cooling Flectrodes 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. Library of Congress Cataloging in Publication Data 2001 by Begell House Inc. ISBN 1-56700-165-3 Printed in the USA 1234567890, pp. 229-234, (2001)
7 "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. 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)
8. "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)
9. Ph. G. Rutberg, A. A. Safronov, S. D. Popov, A. V. Surov and Gh. V. Nakonechny Multiphase stationary plasma generators working on oxidizing media. Plasma Pbys Control Fusion 47 pp 1681-1696,(2005)
Соискатель:
-€уров A B.
Подписано в печать 14.10.2005 Заказ № 148 Бумага офсетная Тираж 100 экт
Отпечатано в типографии ШЩ СШ УТД Санкт-Петербург Ул Моховая 26 Тел/факс (812) 275 8449
*?о1д9
РНБ Русский фонд
2006^4 23072
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ТИПЫ ПЛАЗМОТРОНОВ МОЩНОСТЬЮ БОЛЕЕ 100 кВт.
1.1. Область применения плазмотронов
1.2. Классификация плазмотронов
1.2.1. Плазмотроны постоянного тока
1.2.2. Плазмотроны переменного тока
1.2.2.1. Однофазные плазмотроны переменного тока
1.2.2.2. Многофазные многокамерные плазмотроны переменного тока
1.2.2.3. Многофазные однокамерные плазмотроны переменного тока
1.3. Примеры использования плазмотронов в технологических приложениях
1.4. Выводы
ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ МНОГОФАЗНЫХ ОДНОКАМЕРНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С
ЭЛЕКТРОДАМИ РЕЛЬСОВОГО ТИПА
2.1. Описание развития модельного ряда многофазных однокамерных плазмотронов с электродами рельсового типа.
2.2. Плазмотрон ИПЭ-1 Зт
2.2.1. Особенности конструкции плазмотрона ИПЭ-1 Зт.
2.2.2. Система охлаждения плазмотрона ИПЭ-1 Зт
2.2.3. Система подачи рабочего газа плазмотронов с рельсовыми электродами.
2.3. Инжектор.
2.4. Выводы.
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И КОНТРОЛЬНО
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.
3.1. Методы исследований
3.2. Описание экспериментального стенда
3.2.1. Состав и назначение элементов стенда
3.2.2. Измерительные устройства.
3.2.3. Система сбора и регистрации физических параметров
3.3. Выводы
ГЛАВА 4. РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ ДУГ, ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
ТЕПЛООБМЕНА В РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЕ МНОГОФАЗНОГО
ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЭЛЕКТРОДАМИ
РЕЛЬСОВОГО ТИПА И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ НА ВЫХОДЕ.
4.1. Высокоскоростная видеосъемка горения дуг в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа и компьютерная обработка видеоматериала
4.2. Режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа
4.3. Спектральная диагностика параметров плазмы, генерируемой многофазным плазмотроном переменного тока с электродами рельсового типа
4.4. Выводы
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОФАЗНОГО СТАЦИОНАРНОГО ОДНОКАМЕРНОГО ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЭЛЕКТРОДАМИ РЕЛЬСОВОГО ТИПА, РАБОТАЮЩЕГО НА ВОЗДУХЕ С МОЩНОСТЬЮ 100 - 300кВт.
Анализ электрических процессов в цепи плазмотронов с электродами рельсового типа Внешние характеристики многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока рельсового типа, работающего на воздухе 100 - 300кВт. 5.3 Выводы энергопитания стационарного с электродами с мощностью
В последнее время во всем мире возрос интерес к разработке новых методов переработки отходов, представляющих чрезвычайный интерес с точки зрения энергетики как один из источников возобновляемой энергии. Однако, существующие в настоящее время методы освоения этих ресурсов неудовлетворительны. Одним из наиболее перспективных направлений является плазменная переработка. Плазменный пиролиз и газификация позволяют при переработке отходов, содержащих органические соединения, получать горючий синтез-газ, пригодный как сырье для производства энергии. Использование низкотемпературной плазмы (термической плазмы) так же перспективно для методов переработки токсичных и опасных отходов, в частности, в качестве дополнительного источника тепловой энергии при реализации метода высокотемпературной минерализации [1-6].
Наиболее эффективным методом генерирования термической плазмы для рассматриваемых задач является электродуговой, это обусловлено высокой плотностью передачи энергии в дуге. Поэтому практически во всех плазменных установках для переработки отходов используются сильноточные дуговые разряды или электродуговые плазмотроны, способные обеспечить необходимую плотность энергии при достаточно большой мощности [7-10]. В разрядной камере плазмотрона электрическая энергия, вложенная в дугу, преобразуется во внутреннюю энергию рабочего газа. Использование плазмотронов для решения данных задач имеет целый ряд преимуществ. Хорошо известно [1], что ионы плазмы сами являются химически активными и способны генерировать химически активные частицы (радикалы) при столкновении с нейтральными молекулами. Это приводит к интенсификации химических процессов. При использовании плазмотронов можно гарантированно обеспечивать температуру процессов свыше 1200°С, что позволяет практически избежать образования таких особо вредных выбросов, как диоксины, цианиды и фураны. (Наиболее интенсивно особо вредные выбросы образуются при протекании процессов в диапазоне температур от 800 до 1000°С.) Использование электрической энергии в ряде случаев выгоднее по стоимостным показателям для автономных установок небольшой производительности, это исключает проблемы доставки, хранения и подачи топлива, а также повышает безопасность процесса сжигания. Достигаемая высокая температура может быть использована для закалки, позволяющей создать метастабильные и неравновесные состояния. При использовании плазмотронов так же упрощается процесс регулирования температурного режима за счет возможности изменения тепловой мощности плазменной струи [11].
Несмотря на то, что и в нашей стране и за рубежом в истории создания плазмотронов существует достаточно большой задел, тем не менее, в условиях развития новых технологий возникает необходимость создания устройств, способных обеспечить высокую эффективность передачи энергии при продолжительной работе на окислительных средах, прежде всего - на воздухе. Кроме того, с практической точки зрения наряду с экономичными эксплуатационными качествами немаловажным является достижение достаточно низкой коммерческой стоимости плазмотронов и систем обеспечения. Предъявленным требованиям наиболее полно могут соответствовать однокамерные многофазные плазмотроны переменного тока с электродами рельсового типа, разработка которых началась в ИПЭФ РАН в 80-х годах XX века. Учитывая то, что для достижения оптимальных технологических характеристик, в качестве плазмообразующего газа требуется использовать воздух и другие окислительные среды, возникла необходимость проведения дополнительных исследований.
Изучение физических процессов внутри разрядной камеры однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока при работе на воздухе, а также изучение влияния способа подачи и расхода плазмообразующего газа на внешние характеристики с целью выявления оптимальных режимов работы в составе плазмохимических установок является актуальной научно-технической задачей. Настоящая работа посвящена исследованиям, проводившимся при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт. В качестве плазмообразующего газа при проведении экспериментов использовался воздух с расходом от 15 до 70 г/с.
Целью диссертационной работы является исследование электрофизических процессов в разрядной камере стационарных многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт, работающих на окислительных средах (прежде всего - на воздухе в диапазоне расхода от 15 до 70 г/с); и определение оптимальных режимов работы для их использования в составе плазмохимических установок. Для достижения этой цели в работе поставлены задачи:
• создать экспериментальный стенд с автоматизированной системой измерения и регистрации параметров для исследования плазмотронов;
• исследовать физические процессы и характер горения дуг в разрядной камере плазмотрона;
• установить зависимости внешних характеристик плазмотрона от расхода плазмообразующего газа;
• определить пределы регулирования параметров плазмотрона, в частности -теплосодержания рабочего газа на выходе, а также, определить оптимальные режимы работы для использования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в составе плазмохимических установок.
Для решения поставленных в работе задач использовались следующие методы исследований: При испытании плазмотронов на экспериментальном стенде в автоматическом режиме проводились измерения электрических параметров, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а также мощность и КПД. Для определения физических параметров в разрядной камере проводились спектроскопические измерения и высокоскоростная видеосъемка. Данные автоматически регистрировались и обрабатывались на ЭВМ, по ним строились аппроксимационные кривые. Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.
Научная новизна определяется тем, что впервые экспериментально исследована работа однокамерных многофазных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт с использованием окислительной среды (воздуха) в качестве плазмообразующего газа. Для этого был создан испытательный стенд с диагностической камерой, позволяющий проводить оптические исследования, оснащенный автоматизированной системой измерения и регистрации физических параметров.
Исследован характер поведения дуг в разрядной камере плазмотрона данного типа, определены условия существования диффузного и контрагированного режимов горения дуг при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа.
Проведены исследования работы многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт в диапазоне токов от 400 до 1100 А и напряжения до 500 В, получены зависимости внешних характеристик от расхода плазмообразующего газа для воздуха в диапазоне от 15 до 70 г/с, дано объяснение характера вольтамперных характеристик плазмотрона.
Достигнуты широкие пределы изменения теплосодержания рабочего газа на срезе сопла многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт. При использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа с расходом от 15 до 70 г/с, его теплосодержание на выходе можно регулировать в диапазоне от 2 до 12 МДж/кг. Определены оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе плазмохимических технологических установок.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в создании экспериментального стенда для исследования плазмотронов мощностью до 300 кВт, в оснащении стенда измерительными устройствами и автоматизированной системой измерения. Автор занимался разработкой программного обеспечения для системы сбора и регистрации физических параметров. Проводил исследования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, изучил характер поведения дуг в разрядной камере при работе на воздухе. Выявил зависимости внешних характеристик от расхода воздуха в качестве плазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с. Определил оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе технологических плазмохимических установок.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные методы могут быть использованы для дальнейших исследований генераторов термической плазмы переменного тока.
Результаты, полученные для плазмотронов мощностью от 100 до 300 кВт, используются при создании плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в следующем по мощности диапазоне (свыше 300 кВт), востребованных для развития плазмохимических технологий.
Результаты могут быть использованы при выборе оптимальных плазмотронов и режимов эксплуатации для использования в составе плазмохимических технологических установок.
Результаты исследований, разработанные методики и созданные экспериментальные стенды используются в ИЭЭ РАН (Санкт-Петербург) для проведения испытаний при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока и при создании плазмохимических реакторов для переработки отходов, а также в работах по данной тематике, проводимых в БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, СПбГПУ и ОИВТ РАН.
Результаты проведенных исследований использовались также при проектировании ряда крупных плазмохимических перерабатывающих установок в России и за рубежом.
На защиту выносятся следующие положения:
• Результаты исследования режимов горения дуг и характера теплообмена с рабочим газом в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха, регулируемом в диапазоне от 15 до 70 г/с.
• Установлены оптимальные режимы работы плазмотрона для использования в составе плазмохимических установок. Диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа при работе многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с расходом плазмообразующего воздуха лежит в пределах от 2 до 12 МДж/кг.
• Результаты исследования внешних характеристик многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха от 15 до 70 г/с.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. В первой главе описана область применения плазмотронов, выполнен обзор плазмотронов мощностью свыше 100 кВт, разработанных в нашей стране и за рубежом, приведены их технические характеристики. Во второй главе описан принцип работы многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, стационарно работающих на окислительных средах. Представлен модельный
5.3. Выводы.
При проведении исследований многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа проведен анализ электрических процессов, происходящих в электродуговой системе, построены вольт-частотные характеристики. Рассмотрена работа однофазной модели электродуговой системы рельсового типа. Представлены характерные осциллограммы токов и напряжений, снятые на модельной трехфазной установке для исследования работы электродов рельсового типа, наглядно иллюстрирующие изменение амплитуды напряжений и токов с увеличением длины дуги. Отмечена роль инжектора, служащего для надежного инициирования дуги при пуске плазмотрона, обеспечивающего обрыв дуги при достижении торцевой зоны электрода дуговой привязкой и ее повторное зажигание в зоне минимального межэлектродного промежутка. Рассмотрены возможные режимы работы электродной системы по заполнению рабочей поверхности дуговыми привязками (по степени срабатывания). Результаты проведенного гармонического анализа позволяют сделать вывод о возможности автоматического программного определения характерных режимов работы плазмотрона при обработке достаточно длинных осциллограмм.
Для многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300кВт, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа были построены зависимости мощности, теплосодержания рабочего газа, и среднемассовой температуры от расхода в диапазоне от 15 до 70 г/с (Р(в), Н(в) и Т(в) соответственно). Определено, что достоинством плазмотронов данного типа является широкий диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа (от 2 до 12 МДж/кг), что может позволить обеспечить гибкое регулирование технологических процессов плазмохимических установок. Были построены зависимости мощности и напряжения на дуге от тока (Р(1) и В АХ соответственно). Растущий характер ВАХ плазмотрона может быть объяснен тем, что проводимость в рассматриваемых условиях определяется в основном кулоновскими столкновениями, и при достижении Пе величины порядка 1016см"3, с ростом силы тока и сохранении сечения столба дуги постоянным, проводимость будет меняться незначительно, а плотность тока расти, соответственно будет расти и напряженность в столбе дуги.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создан стенд для проведения испытаний с автоматической системой измерения и регистрации физических параметров работы плазмотронов. Разработано программное обеспечение для проведения исследований и организации хранения информации об экспериментах. На экспериментальном стенде проведены исследования однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с электродами рельсового типа, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с. Применены спектральные и оптические методы диагностики, определена температура в истекающей струе плазмотрона. Исследованы режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере, показано наличие двух режимов - диффузного и контрагированного.
Исследованы внешние характеристики многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами и установлены оптимальные режимы работы с использованием воздуха в качестве плазмообразующего газа. Установлено влияние изменения расхода на внешние характеристики, исследовано поведение вольтамперных характеристик в зависимости от расхода воздуха. Показано, что проводимость (а) в рассматриваемых условиях определяется в основном кулоновскими взаимодействиями.
В диапазонах токов от 400 до 1100 А и мощности от 100 до 300 кВт для многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа определен диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа - от 2 до 12 МДж/кг, это обеспечивает возможность регулирования тепловой мощности струи плазмотрона в широком диапазоне, что является необходимым для реализации оптимальных технологических процессов плазмохимической переработки материалов.
Результаты проведенных исследований позволяют проектировать многофазные электродуговые плазменные системы, работающие на окислительных средах, для работы в составе плазмохимических установок различного назначения и производительности.
1. Ф. Б. Вурзель, Л. С. Полак «Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме». Химические процессы в плазме и плазменной струе. Москва, «Наука», 1965г. стр.238-251.
2. Choi Kyung-Soo and Park Dong-Wha 1997 Pyrolysis of waste tires by thermal plasma 13th International Symp. on Plasma Chemistry 1SPC 13 (Pekin.University Press) vol. 4, pp 2447- 51
3. Ph. G. Rutberg, Plasma pyrolysis of toxic waste, Plasma Phys. Control. Fusion 45 (2003) 957-969
4. Ф. Г. Рутберг, В. С. Бородин, М. А. Григорьев, А. А. Киселев, Исследование основных физических процессов в мощных электродуговых генераторах переменного тока, Теплофизика высоких температур, т. 16, № 6, 1978, стр. 1285-1296
5. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы. — М: Энерго-атомиздат, 1985. — 153 с.
6. Rutberg Ph.G, Safronov A A and Goryachev V.L. 1998 Strong-current arc discharge of alternating current IEEE Trans. Plasma Sci. 26 ITPSBD, ISSN 0093-3813, p. 1297-1306
7. M. Ф. Жуков, И. M. Засыпкин, А. Н. Тимошевский и др. Электродуговые генераторы термической плазмы / Новосибирск: Наука. Сиб. Предпр. РАН,1999. 712 с. - (Низкотемпературная плазма. Т. 17). ISBN 5-02-031247-9
8. М. Tendler, Ph. Rutberg, G. Van-Ost; Plasma based waste treatment and energy production; Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) A219-A230
9. Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей . Москва, Мир, 1968, 504 с.
10. Основные данные аэродинамических труб и газодинамических установок. ЦАГИ, БНТИ, 1968, с. 148-151 .
11. Пайнтер Д.Х., Кроутил Д. К. Моделирование условий входа в атмосферу Юпитера с использованием форсированного электродугового подогревателя . Ракетная техника и космонавтика, 1980, т.18 №3, с. 143145.
12. Boatright W.B., Sebacher D.I., Guy R.W., Duckett R.J. Review of Testing Techniques and Flow Calibration Results for Hypersonic Arc Tunnels . AIAA 3 Aerodynamic Testing Conf., AIAA Paper,1 68-379, 1968 .
13. Boatright W., Sabol A., Stewart R., Stockes G., Cletad W. Hypersonic High Density Stored Arc-Heated Air Wind Tunnel.-AIAA J., 1972, 10, 1 2, p.l 19-120.
14. Shepard C.E. Advances Hight Power Arc Heaters for Simulating Entries into the Atmoppheres of the Outer Planets .-AIAA 6 Aerodynamic Testing Conf., AIAA Paper, 71-263, 1971, p.1-7.
15. Murase К., Suzuki Т., Takei Н., Yoneda Y. Production of Titanium Slab Ingot in Vacuum Plasma Electron Furnace, -VI Vacuum Metallurgy Conf., Tokyo, 1973 .
16. Howie F.H., Sayce I.G. Plasma Heating of Refractory Melts.-Rev. Int. Hautes Temp, et Refract., 1974, p. 160-176 .
17. Рыкалин H. H. Термическая плазма в металлургии и технологии.
18. Всемирный электротехнический конгресс, 21-25 июня 1977, Москва, секция 0, доклад 06, 71с .
19. Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления, -М.: Наука, 1980.-359 с.
20. Shimizu М, Saito Т, Yasui Т, Fujimoto Н, Kinomiya N and Bebber Н 1990
21. Application of ас plasma system for tundish heating Proc. Technical Conf. on Plasma for Industry and Environment (BNCE Oxford) No 4-2
22. Fujimoto H, Tokunaga H and Iritani H 1994 A high-powered A.C. plasma torch for the arc heating of molten steel in the tundish Plasma Chem. Plasma Processing 14 361-82
23. Быховский Д.Г. Плазменная резка. Ленинград. Машиностроение 1972. 165 с .
24. Быховский Д.Г. Тенденции развития оборудования для плазменной обработки металлов . Всемирный электротехнический конгресс, 21-25 июня 1977, Москва, секция 4, доклад 4Б.21 .
25. Усов Л.Н., Борисенко А.И. Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий . Ленинград, Наука, 1965, 34с .
26. Исакаев Э. X. Разработка генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом и некоторые его применения. Диссертация в
27. Я виде научного доклада на соискание ученой степени доктора наук. Москва.2002
28. Copsey M 1990 Plasma technology for the destruction of hazardous wastes Proc. Technical Conf. on Plasma for Industry and Environment (BNCE Oxford) No 6-1
29. K.Kurihara, K.Sasaki, M.Kawarada and N.Koshino, Appl.Phys.Lett., 1988, 52, 437
30. K.Suzuki, A.Sawabe, H.Yasuda and T.Inuzuka, Appl.Phys.Lett., 1987, 50, 728
31. O.Matsumoto, H.Toshima and Y.Kanzaki, Thin Solid Films, 1985, 128, 341-51
32. J.A.Mucha, D.L.Flamm, D.E.Ibbotson, J.Appl.Phys, 1989, 65, 3448-3452
33. A.Inspektor, T.McKenna, Y.Liou, K.E.Spear and R.Messier, Diamond anddiamond like Films, Electrochem.Soc.Proc., 89-12, 342-352
34. D.E.Meyer, R.O.Dillon and J.A.Woollam, J. Vac.Sci. Techno IA, 1989, 7, 2325
35. K.Maruyama, K.Ohkouchi and T.Goto, Jpn.J.Appl.Phys., 1994, 33, 4298
36. K.Maruyama, A.Sakai and T.Goto, J.Phys.D:Appl.Phys., 1993,26, 19944. 'Synthetic Diamonds', ed. Spear and Dismukes, Wiley and Sons, 1994
37. Fabry F, Flamant G, Ravary В and Fulcheri L 1997 Progress in the analysis of the 3-phase ac plasma reactor for carbon black production 13th Int. Symp. of Plasma Chemistry pp 1925-30
38. Rutberg Ph. G., Safronov A. A. and Goryachev V. L. 1998 Strong-current arc discharge of alternating current IEEE Trans. Plasma Sci. 26 ITPSBD, ISSN 0093-3813, 1297-306
39. Коротеев А. С., Миронов В. М., Свирчук Ю. С. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет. М.: Машиностроение, 1993, 295 с.
40. Isakaev E.Kh., Kalinin V.r., Korolev V.K. et al. Investigations of Characteristics of the Plasmatrons. Book of abstracts. 2nd Int. Symp. On Heat and Mass Transfer under Plasma Conditions. 19-23 April. 1999. Tekiriva. Antalya. Turkey. P. 123.
41. Глазков B.B., Исакаев Э.Х., Королев B.K. и др. Исследование флуктуации в плазмотроне с расширяющимся каналом. Докл. конф. "Физика низкотемпературной плазмы (ФНТП 98)". Петрозаводск 1998. С. 470.
42. Isakaev E.Kh., Korolev V.K., Sinkevich O.A. et al. Investigations of the Plasmatron with the Expansion Channel as an Electrode. Abs. of 5th European Conf. "Thermal Plasma Processes". St. Petersburg. 1998. P. 39.
43. Э.Х.Исакаев, О.А.Синкевич, Шунтирование тока и вызванные им изменения напряжения в канале плазмотронов с самоустанавливающейся длиной электрической дуги, ТВТ, 2003, том 41, №3, с.334-341
44. V Valincius, V Krusinskaite, Р Valatkevicius, V Valinciute and L Marcinauskas, Electric and thermal characteristics of the linear, sectional dc plasma generator, Plasma Sources Sei. Technol. 13 (2004) 199-206
45. Патент США, № 4,009,413 1975
46. Hrabovsky, M. Konräd, M. - Kopecky, V. - Sember, V. Properties of WaterI
47. Stabilized Plasma Torches. (Ed. Solonenko, O.P.). Cambridge, Cambridge1.ter.Science Publishing 1998. 16 s.
48. Jenista, J. The Effect of Different Regimes of Operation on Parameters of a Water-Vortex Stabilized Electric Arc. Journal of High Temperature Material Processes, 7 1. 11-16(2003).
49. Hrabovsky, M. Kopecky, V. - Sember, V. - Chumak, O. - Kavka, T. Properties of Hybrid Water/Argon DC Arc Torch under Reduced Pressure. In: IEEE
50. Conference Record-Abstracts. (Ed. Gitomer, S.J.). - Piscataway, IEEE Operations Center 2003. - S. 446.
51. Electric Arc Heater Develops Very High Temperatures.-Iron and Steel Eng., I960, 37, N 11, p. 149-150.
52. Maniero D.A, , Kienast P.F., Hirayama C. Electric Arc Heaters for High-Temperature Chemical Processing. Weatinghouse Engr., 1966, 26, N 3, p. 6672.
53. Harry J.E. A Power Frequency Plasma Torch for Industrial Process Heating. -IEEE Trans. Ind. General Appl., 1980, 6, N 1. p. 36-42.
54. Mikimasa Iwata and Masatoyo Shibuya, Effect on transferred ac arc plasma stability of increasing ambient temperature and superimposing pulse at current zero point. J.Phys.D: Appl. Phys. 32 (1999) 2410-2415. Printed in the UK
55. Аныпаков А. С., Тимашевский A. H., Урбах Э.К. Эрозия медного цилиндрического катода в воздушной среде // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук., № 7, вып. 2, 1998, с. 65-68.
56. Патент США, №4,013,867, 1977.64. Патент США, №.3.705.975
57. Charron F., Honloser Ch. Generateurs de plasma de L'O.N.E.R.A. La Rechn aeronaut., 1961, N 83, p.9-16.
58. Croitoru M., Montardy A. Phenomenes de contact, tenseur de conductivite et temperature des electrons dans un gas ionise. Revue de l'electricite, 72, N 9, p. 429-438.
59. Reed. J.F., Peterson C.W., Curry W.H. Electric HeaterDevelopment and Performance Data for a Mach 14 Wind Tunnel. -J. Spacecraft and Rockets, 1975, 12, N5, p. 308-313.
60. Патент США, № 3140421, 1964.
61. Патент США, № 2964678, I960.
62. Патент США, № 2923 811, I960.
63. Андерсон Дж. Газодинамические лазеры: введение, Москва, Мир, 1979, с.75-95.
64. Roots W.K., Kadhim M.A. Measuring the Electrothermal Efficiency of a 50-Hz Plasma Torch. IEEE Trans. Instrum. and Measurement, 1969, 18, N 3, p. 150156.
65. Рутберг Ф.Г. Трехфазный плазмотрон // Некоторые вопросы исследования газоразрядной плазмы и создания сильных магнитных полей. — Д.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1970. — С. 8—19.
66. Киселев А.А., Рутберг Ф.Г. Трехфазная плазмотронная установка // Генераторы плазменных струй и сильноточные дуги. — Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1973. — С. 31-39.
67. Киселев А.А., Рутберг Ф.Г. Трехфазный плазмотрон большой мощности //
68. ТВТ. — 1974. — Т. 12, № 4. С. 827-834
69. Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А., Ширяев В.Н., Кузнецов В.Е. Мощный плазмотрон переменного тока // Физика низкотемпературной плазмы. ФНТП-95: Материалы конф. (Петрозаводск, 20—26 июня 1995 г.). — Петрозаводск, 1995. Т. 3. — С. 422-424.
70. Горячев В.Л., Ходаковский A.M. Тепловая модель эрозии электрода конт-рагированной дуги // Физика низкотемпературной плазмы. ФНТП-95: Материалы конф. (Петрозаводск, 20—26 июня 1995 г.). — Петрозаводск, 1995.— Т. 2. —С. 186—188.
71. Rutberg Ph.G., Safronov А.А. Power three-phase Plasma generators for Plasma chemistry and wastes destruction // Foroth European Conf. on Thermal Plasma Processes, Athens 15—17 July 1996.
72. Г. Г. Антонов, A. H. Братцев, Ф. Г. Рутберг Плазмотрон переменного тока сtулучшенными характеристиками. Приборы и техника эксперимента, 1997, № 4, с. 90-93
73. Сафронов А. А. Исследование и создание трехфазных генераторов азотной и воздушной плазмы с электродами стержневого и рельсового типа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 1995.
74. L. Fulcheri, Y. Schwob, F. Fabry, G. Flamant, L.F.P. Chibante, D. Laplaze, Fullerene Production in a 3 Phase AC Plasma Process, Carbon, 38, 5, 797-803 (2000)
75. Chin-Ching Tzeng, Tsung-Min Hung and Li-Fu Lin, Plasma destructor, Nuclear Engineering International, July 2004
76. С.М.Стариковская. Физические методы исследования. Часть 2 М: изд-е МФТИ, 2001.-62 с.
77. В. Y. Man, Q. L. Dong, А. Н. Lin at all Line-broadening analysis of plasma emission produced by laser ablation of metal Cu., J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 6 (2004) pp. 17-21
78. А. П. Бабичев, H. А. Бабушкина, A. M. Братковский и др., Физические величины: Справочник М.; Энергоатомиздат, 1991. -1232 с.
79. Г. А. Касабов, Кандидатская диссертация, Москва, 1967.
80. В. Н. Колесников Дуговой разряд., Труды ФИАН имени П. Н. Лебедева, т.ХХХ, Москва, 1964
81. Ю. П. Райзер Физика газового разряда: Учеб.руководство: Для вузов. 2-е изд. - перераб. И доп. - М.: Наука. Гл. Ред. Физ.-мат. Лит., 1992 - 536 с. -ISBN 5-02-014615-3.
82. В. Филькенбург, Г. Мекер; Электрические дуги и термическая плазмаб пер. с нем., М.: Издательство иностранной литературы, 1961
83. Братцев А. Н. Разработка, создание и исследование плазменных технологий и электрофизических установок для уничтожения опасных отходов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2003
84. Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
85. D. Popov, A. V. Surov, Digest of technical papers. 2001 IEEE Pulsed Power Plasma Science Conference, p.l 178-1181, ISBN 0-7803-7120-8
86. Ph. G. Rutberg, A. A. Safronov, S. D. Popov, A. V. Surov and Gh. V. Nakonechny Multiphase stationary plasma generators working on oxidizing media. Plasma Phys. Control. Fusion 47 pp. 1681-1696, (2005)
87. Перевод на русский язык названий работ автора, опубликованных вмеждународных изданиях ("оригинал списка см. на стр. 135):
88. B.Н.Ширяев, В.Е.Попов, С. Д. Попов, А.В.Суров, Сборник технических статей. 2001 IEEE Конференция по Импульсной Мощности и Плазме, стр.1178-1181, ISBN 0-7803-7120-8 (на англ.)
89. Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е.Кузнецов, А.В.Суров,
90. Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, С. Д. Попов, А.В.Суров и Г.В. Наконечный Многофазные стационарные генераторы плазмы, работающие на окислительных средах. Плазменная физика и контролируемый синтез 47 стр. 1681-1696, (2005) (на англ.)
