Високочастотний індукційний плазмотрон

Зміст Вступ

1. Типи конструкцій ВЧІ-плазмотронів

2. Параметри плазми ВЧІ-плазмотронів

2.1 Температура плазми

2.2 Швидкість та теплові потоки плазмових струменів

3. Особливості розрахунку ВЧІ-плазмотронів

3.1 Розрахунок електричних параметрів системи індуктор-плазма

3.2 Розрахунок електричного ККД індуктора

3.3 Вибір частоти Висновки Перелік літератури Додаток, А Значення розрахункових коефіцієнтів, А і В

Вступ Високочастотний індукційний (ВЧІ) плазмотрон — це пристрій, що дозволяє отримувати за атмосферного тиску плазму з температурою 700−11 000 К. Потужність сучасних ВЧІ-плазмотронів складає величну від одиниць до тисяч кіловат. Нагрівання плазми у високочастотному безелектродному плазмотроні індукційного типу являє собою добре відомий закон електромагнітної індукції, тобто індукційного нагрівання провідного середовища у змінному (високочастотному) електромагнітному полі. Провідним середовищем у даному випадку є іонізований газ — плазма. Високочастотне змінне магнітне поле індуктора індукує у плазмі кільцевий струм. Безелектродна кільцева форма струму, відсутність електродів визначають чистоту плазми у такому плазмотроні. Для утворення у плазмотроні провідного середовища за атмосферного тиску необхідно перш за все іонізувати газ від стороннього джерела, тобто «запалити» плазмотрон.

Після «запалювання» у розрядній камері ВЧІ-плазмотрона виникає самопідтримний стаціонарний безелектродний індукційний розряд за атмосферного тиску. Здійснюючи продування газу крізь розрядну камеру на виході плазмотрона можна отримати високотемпературний струмінь.

Завдяки безелектродній кільцевій формі струмів ВЧІ-плазмотрон є одним з небагатьох джерел, що дозволяють генерувати плазму, що не є забрудненою матеріалами електродів. До того ж ВЧІ-плазмотрон має практично необмежений ресурс роботи у будь-якому газовому середовищі. 1]

Ці та інші особливості ВЧІ-плазмотронів зробили їх незамінними у багатьох технологічних застосуваннях. Найпоширеніші технологічні процеси за участю ВЧІ-плазмотронів:

— синтез TiO₂;

— сфероідизація гранульованих порошків;

— сфероідизація пороків тугоплавких матеріалів;

— отримання SiO;

— спектральний аналіз.

Проте відсутність універсальності ВЧІ-плазмотронів вимагає гарних знань цієї області техніки та доброго володіння нею для ефективного використання плазмотронів. Саме тому дуже важливим є розрахунок основних параметрів ВЧІ-плазмотрона. Існуючі методи та формули для розрахунків надають можливість кваліфіковано визначити такі характеристики ВЧІ-плазмотронів, які найбільшою мірою відповідають параметрам оптимального технологічного процесу.

Зазвичай розрахунку підлягають наступні характеристики ВЧІ-плазмотрона:

— конструкція ВЧІ-плазмотрона;

— теплові параметри плазми;

— енергетичні та електричні параметри плазмотрона. 2]

Їх і розглянемо.

плазмотрон індуктор

1. Типи конструкцій ВЧІ-плазмотронів Усі основні типи розрядних камер високочастотних індукційних плазмотронів можна поділити на три основні типи:

— з кварцовою неохолоджуваною розрядною камерою;

— з кварцовою водоохолоджуваною розрядною камерою;

— з металічною розрізною водоохолоджуваною камерою.

Щодо неохолоджуваних кварцових розрядних камер, то їх можна поділити на три типи:

— зі стабілізацією плазми аксіальним газовим потоком;

— зі стабілізацією плазми вихровим газовим потоком;

— пористі розрядні камери.

Стабілізація вихровим потоком у інженерному плані є найпростішим способом стабілізації. Вихровий рух газу по внутрішній поверхні розрядної камери призводить до різкого розділення холодного важкого газу, що протікає біля стінок, та легкої гарячої плазми, що концентрується біля вісі плазмотрона. Проте небажаним ефектом такої стабілізації є підсмоктування газу через вихрову воронку до плазмотрону.

При аксіальній стабілізації для захисту труби за по її внутрішній порожнині створюють газовий струмінь, висока швидкість якого запобігає проникненню дифузійних потоків від плазми до стінки, тобто створюється ніби газова завіса між стінкою та плазмою. 1]

Пориста розрядна камера відмінна тим, що в ній газ подається до камери крізь пори у стінках розрядної камери. Проникнення холодного газу крізь стінки камери призводить як і до охолодження стінок, так і до витискування плазми з пристіночної зони. Тобто пориста розрядна камера дозволяє досягти тих же ефектів, що й аксіальна стабілізація плазми. 3]

Найпростішим способом, що дозволяє охолодити у разі необхідності кварцову розрядну трубу, в якій існує ВЧІ-плазма, є зовнішнє водяне охолодження.

З багатьох варіантів конструкцій кварцових водохолоджуваних розрядних камер можна виділити наступні найчастіше використовувані конструкції:

— клеєна;

— збірно-розбірна;

— зварена.

У клеєній конструкції розрядна камера та зовнішній чохол, зазвичай теж кварцовий, поєднані з водопровідними штуцерами за допомогою ущільнень та клейових паст.

Доволі частим випадком для водоохолоджуваних камер є розтріскування кварцової труби внаслідок термоудару плазми. Цей великий недолік клеєних камер призвів до необхідності частої заміни внутрішньої кварцової труби. У зв’язку з цим було винайдено збірно-розбірну конструкцію розрядної камери ВЧІ-плазмотрона, яка дозволяє швидко замінити внутрішню трубу. Зовнішня та внутрішня труби плазмотрона такої конструкції з'єднані між собою за допомогою системи фланців та ущільнень.

У зварній конструкції зовнішня та внутрішня труби з прозорого кварцу між собою зварені. Така конструкція є найзручнішою з точки зору розміщення її в індукторі. Проте в такій конструкції присутня небезпека розтріскування зварного шва під дією температури.

Щодо усіх водоохолоджуваних конструкцій, то в них присутня небезпека з точки зору утворення тріщин внаслідок утворення у воді газових пузирів у термічній зоні. Проте підвищити на порядок безпеку кварцових водоохолоджуваних конструкцій можна використовуючи в них аксіальну або вихрову подачу газу. 1]

Розрядні камери з газовим та водяним термозахистом хоча й забезпечують стабільну роботу ВЧІ-плазмотронів, проте непридатні для використання за великих потужностей (сотні кіловат).

Цього недоліку не мають металеві розрізні розрядні камери.

Якщо до індуктора помістити полий металевий циліндр хоча б з одним наскрізним повздовжнім розрізом вздовж його вісі, то електромагнітна енергія зможе вільно проникати усередину циліндра і збуджувати у ньому високочастотний індукційний розряд. Разом із інтенсивним водяним охолодженням така конструкція забезпечує надійну та стабільну роботу таких пристроїв з розрядами потужністю у кілька сотень кіловат. 4]

Таким чином, при виборі типу розрядної камери високочастотного індукційного плазмотрона слід керуватися даними про необхідну потужність плазмотрону та умови його подальшої роботи. Ці вимоги отримують з технологічного призначення плазмотрона, або задають їх певними початковими умовами.

2. Параметри плазми ВЧІ-плазмотронів

2.1 Температура плазми Найбільш дослідженим у плані властивостей плазми є ВЧІ-розряд за атмосферного тиску. Плазма індукційного розряду за атмосферного тиску знаходиться у стані локальної термодинамічної рівноваги. При чому для молекулярних газів ця рівновага близька до ідеальної, щодо атомарних газів, то в такій індукційній плазмі спостерігається перевищення температурою електронів температури іонів, проте це перевищення є малим і існує лише за невеликих рівнів потужності плазмотрона. У кожному поперечному перерізі індукційного розряду (тобто у перерізі, що співпадає з площиною витків індуктора) та вздовж вісі плазмотрона існує певний розподіл температури плазми. Цей розподіл залежить від роду газу, потужності індуктора, діаметру розрядного каналу та розходу газу. 5]

Найвища температура плазми максимальна у тому місці, де є найбільшою густина струму. На відміну від плазми дугового розряду, в якому завжди температура та густина струму є максимальними на осі дугового плазмотрона, у високочастотному плазмотроні максимум температури розташований не на вісі плазмотрона. Максимум температури ВЧІ-плазми розташований ближче до стінок плазмотрона, адже максимум густини струму внаслідок законів індукційного скін-ефекта протікає саме там. 1]

На рисунку 2.1 показано радіальний розподіл температури індукційного розряду у перерізі плазми, що має найбільшу температуру. Цей переріз знаходиться приблизно посередині індуктора. Температура є максимальною на деякій відстані від стінки розрядного каналу. З рисунку можна помітити, що різниця у температурах на вісі та у місці її максимуму є меншою для молекулярних газів.

1 — аргон (13 кВт); 2 — кисень (14,5 кВт); 3 — азот (19 кВт); 4- повітря (22,1 кВт) Рисунок 2.1 — Радіальний розподіл температури плазми у найбільш «гарячому» перерізі індукційного розряду Проаналізувавши рисунок 2.2 можна побачити, що при підвищенні потужності, що її підводять до плазми, область максимальних температур зміщується до стінки розрядного каналу. Це призводить до збільшення області, що її займає індукційний розряд.

1 — 4,6 кВт; 2 — 16,6 кВт Рисунок 2.2 — Радіальний розподіл температури індукційного розряду в аргоні залежно від потужності у плазмі (розхід газу 5· 10^-3 кг/с) Розглянемо розподіл температури плазми вздовж вісі розрядного каналу (рисунок 2.3). Можна побачити, що температура вздовж вісі розрядного каналу, що має більшу довжину, спадає доволі повільно. Ця особливість надає можливість отримувати плазму великої довжини та великого об'єму.

Рисунок 2.3 — Вісний розподіл температури індукційного розряду в аргоні (потужність 48 кВт, розхід газу 4,8· 10^-3 кг/с) Необхідно зазначити також наступну особливість індукційної плазми. Експериментально вченими було виявлено, що потужність, що її підводять до плазми, здійснює лише незначний вплив на температуру плазми. Так, при збільшенні потужності у два рази для молекулярних газів та у шість разів для аргону температура плазми збільшується лише на 10%.

Щодо впливу розходу газу, то він впливає на температуру плазми при умові використання тангенціальної подачі газу. Це пояснюється тим, що за тангенціальної подачі при постійній потужності розряду збільшення розходу газу призводить до обжимання розряду. Це зменшує його об'єм і, як наслідок, густину потужності індукційного розряду. 5]

Подібні властивості індукційного розряду до того ж мають важливе практичне значення.

Підвищуючи температуру плазми ми підвищуємо інтенсивність її випромінювання, при додатковому збільшенні тиску (обжимання розряду за допомогою додаткової подачі газу) збільшується значно і роль цього випромінювання (зростає процент відношення енергії випромінювання до загальної енергії плазми). Таким чином, індукційна плазма є гарним світловим джерелом, ККД якого досягає 80% для аргонової плазми. 1]

Таким чином, ми бачимо, що при виборі потужності та типу конструкції плазмотрона необхідно враховувати розподіл температури індукційної плазми та розглядати його вплив на подальшу роботу плазмотрона та його промислове використання.

2.2 Швидкість плазмових струменів Як і для температури індукційної плазми, для її швидкості не існує якихось конкретних формул, які б хоча б приблизно описували їх розподіл. Усі залежності були отримані суто експериментальним шляхом. Приведемо на рисунку 2.4 радіальну залежність швидкості плазмового струменю та проаналізуємо його.

1 — 53 кВт; 2 — 39 кВт; 3 — 25 кВт Рисунок 2.4 — Радіальний розподіл швидкості витікання повітряної плазми з ВЧІ-плазмотрона на відстані 20 мм від зрізу (розхід газу 0,9· 10^-3 м³/с) На відміну від температури плазми, її швидкість значно сильніше залежить від потужності, що її підводять до плазми. Значення швидкості плазмових струменів коливаються у межах від 20 м/с до 45 м/с для найчастіше використовуваних ВЧІ-плазмотронів. З рисунку можна побачити, що швидкість витікання плазмового потоку значно зменшується від вісі плазмотрона до його стінок. Проте якщо використовувати додатково соплову насадку, можна досягти підвищення швидкості плазмового струменя та більшої її рівномірності.

Самі по собі значення температури та швидкості плазми на виході з плазмотрона не дають жодної конкретної інформації. Проте для багатьох технологічних операцій з використанням ВЧІ-плазмотронів є важливим саме їх співвідношення одне з одним. Тому важливо розрахувати як плазма з певними характеристиками реалізуватиметься у теплові потоки до поверхні, що її обробляють. Для подібних розрахунків потрібно знати багато характеристик плазми, тому найчастіше їх розраховують приблизно за різними методиками, а потім перевіряють експериментально.

Можна привести наступні експериментальні дані: для звичайних кварцових плазмотронів без водяного охолодження при внутрішньому діаметрі 60−80 мм і потужності 60−80 кВт теплові потоки на відстані від зрізу плазмотрона у 80−100 мм зазвичай складають 450−550 Вт/см². Застосовуючи до такого плазмотрона соплові насадки збільшується швидкість витікання плазми до 100−180 м/с і тепловий потік до 1000- 3000 Вт/см². 1]

3. Особливості розрахунку ВЧІ-плазмотронів Як було показано вище, розрахунок характеристик ВЧІ-плазмотронів має ряд особливостей, що обумовлені як властивостями самого індукційного розряду, так і необхідністю визначення електричних параметрів системи індуктор-плазма. Саме тому поряд із початковими даними, що характеризують режим роботи ВЧІ-плазмотрона, у даному випадку важливим стає питання вибору частоти струму.

Для подальшого розглядання особливостей розахунку ВЧІ-плазмотрона приведемо його розрахункову схему (рисунок 3.1). 5]

1 — циліндричний корпус; 2 — індуктор; 3 — подача газу; 4 — пристрій для подавання нагріваного матеріалу; D_p — діаметр плазми (розряду); D_k — діаметр розрядного каналу; D_u — внутрішній діаметр індуктора; H_п — довжина плазмотрону; H_a — довжина індуктора Рисунок 3.1 — Розрахункова схема ВЧІ-плазмотрона

3.1 Розрахунок електричних параметрів системи індуктор-плазма Глубина проникнення струму у матеріал індуктора визначається за формулою:

(3.1)

де — магнітна постійна;

— питома електрична провідність матеріалу індуктора;

— частота струму.

Глубина проникнення струму у плазму визначається за формулою:

(3.2)

де — питома електрична провідність плазми.

Для подальших розрахунків необхідно ввести наступні постійні:

— відносна координата :

(3.3)

де — діаметр розряду;

— коефіцієнт опору:

(3.4)

де — товщина стінки індуктора;

— коефіцієнт заповнення:

(3.5)

де — довжина витка індуктора;

— число витків індуктора;

— довжина індуктора.

Надалі розрахуємо активні опори індуктора та плазми:

— активний опір плазми:

(3.6)

де — коефіцієнт, що залежить від відносної координати. Визначається за таблицею (див. додаток А);

— активний опір індуктора:

(3.7)

де — внутрішній діаметр індуктора.

Розрахуємо реактивні опори: — внутрішній реактивний опір плазми:

(3.8)

де — коефіцієнт, що залежить від відносної координати. Визначається за таблицею (див. додаток А);

— еквівалентний реактивний опір індуктора:

(3.9)

де — внутрішній реактивний опір індукуючого проводу:

; (3.10)

— реактивний опір розсіяння індуктора:

; (3.11)

— реактивний опір індуктора кінцевої довжини:

; (3.12)

— коефіцієнт приведення активного опору плазми:

. (3.13)

3.2 Розрахунок електричного ККД індуктора Вираз для електричного ККД індуктора можна представити у наступному вигляді:

(3.14)

де — потужність, що її підводять до індуктора плазмотрона;

— потужність, що виділяється у плазмі;

— потужність втрат в індукторі.

Якщо врахувати, що

а ,

де — струм індуктора, то можна отримати наступну формулу:

. (3.15)

Якщо індуктор має достатню довжину, то підставивши (3.6) та (3.7) у (3.15) отримаємо:

. (3.16)

Проаналізувавши додаток, А бачимо, що за умови маємо, електричний ККД індукційного плазмотрона у такому випадку досягає свого граничного значення:

.(3.17)

3.3 Вибір частоти Вибір частоти струму для живлення індукційного плазмотрона повинен забезпечити високий ККД. Нижня границя частоти знаходиться за формулою (3.16), яка є вірною для довгого індуктора. Якщо задатися умовою, що ККД має бути не меншим, аніж 0,95 його граничного значення, то для аргонової плазми з достатньо великою провідністю, отримаємо. Тоді нижню границю частоти можна визначити за наступною формулою:

. (3.18)

Відповідно для повітряної плазми, що має, отримаємо та:

. (3.19)

Оцінка частоти струму за виразом (3.19) забезпечить високий ККД і для плазми аргону. Однак оцінка нижньої границі частоти струму за виразами (3.18) та (3.19) є вірною лише для даного індуктора. При визначенні частоти струму для слід користуватися виразом:

(3.20)

де .

Значення F₀ визначаються за таблицею 3.1.

Таблиця 3.1 — Залежність F₀ від D_p/H

Висновки У даній роботі було надано коротенький огляд основних параметрів ВЧІ-плазмотронів, їх особливості та найважливіші відмінності від дугових плазмотронів.

Перш за все було показано важливість проблеми вірного розрахунку робочих параметрів ВЧІ-плазмотронів, для чого цей розрахунок є необхідним. Основною характеристикою, яка найбільшою мірою визначає інші параметри плазмотрона є його конструкція. Тому було приведено короткий огляд основних конструкцій ВЧІ-плазмотронів, з їх особливостями, перевагами та недоліками. Надалі було наведено характеристику основних властивостей ВЧІ-плазми, засновану на експериментальних фактах. Потім були зазначені основні особливості розрахунку ВЧІ-плазмотронів та наведені формули для такого розрахунку. Біла наведена розрахункова схема ВЧІ-плазмотрона.

Таким чином у даній роботі представлено всі необхідні теоретичні дані, які можуть знадобитися за розрахунку будь-якого ВЧІ-плазмотрона, і керуючись якими можна точно і швидко визначити основні параметри необхідного ВЧІ-плазмотрона.

Перелік літератури

1. Низкотемпературная плазма. ВЧи СВЧ-плазмотроны /под ред. Дресвина С. В., Русанова В. Д. — Новосибирск: Наука, 1992 г. — 320 с.

2. Бамберг Е. А., Дресвин Е. В. Определение некоторых параметров индукционного безэлектродного разряда — Новосибирск: Наука, 1963 г. — 68 с.

3. Корохов О. А., Кузьмин Л. А. Мегаваттный ВЧ-плазмотрон с пористой разрядной камерой — Новосибирск: Наука, 1989 г. — 144 с.

4. Дресвин С. В., Донской А. В., Ратников Д. Г. Высокочасттный индукционный разряд в камере с металлическими водоохлаждаемыми стенками — М.: Наука, 1965 г. — 152 с.

5. Дзюба В. Л., Корсунов К. А. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы: Монография. — Луганск: Изд-во ВНУ им. Даля, 2007 г. — 448 с.

Додаток А. Значення розрахункових коефіцієнтів, А і В