Электродинамика и поля температур струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Электродинамика и поля температур струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления

Специальность

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Гайнуллин Р.Н.

Казань 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Кирпичников Александр Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Дресвин Сергей Вячеславович

доктор технических наук,

профессор Кудинов Владимир Владимирович

доктор технических наук,

профессор Кашапов Наиль Фаикович

Ведущая организация: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В последние годы постоянно растет интерес к процессам и технологиям, основанным на применении низкотемпературной плазмы. Высокая энергетика плазменных процессов даёт возможность проводить реакции, неосуществимые при обычных условиях с использованием рядовых технологий. Особенно перспективны в этом направлении аппараты и конструкции, использующие высокочастотный нагрев газа. Отсутствие внутренних электродов позволяет получить высокочастотную плазму особо чистой, не загрязнённой продуктами их разрушения.

Для адекватного управления такими процессами, а также для разработки и оптимизации ВЧ плазменных реакторов, необходимо иметь достоверную информацию о структуре ВЧ разряда, о распределении в нём основных электромагнитных и тепловых параметров. Важное значение при разработке новых плазменных технологий имеет также и проблема зависимости параметров ВЧИ разряда от расхода плазмообразующего газа. Однако широкое использование плазмотронов в различного рода технологических процессах сдерживается отсутствием простых и надежных методик расчета их работы.

Несмотря на то, что существующие методы оперативной диагностики ВЧИ разряда позволяют получить информацию о распределении большинства его электромагнитных и тепловых параметрах, очень трудно провести все измерения в рамках единого цикла, когда разряд горит, и его характеристики длительное время не меняются. Это связано с тем, что обычно различные виды измерений требуют и различного набора оборудования, а также времени на его установку и отладку. Вследствие чего к настоящему времени не предложено такого метода контактной диагностики высокочастотной низкотемпературной плазмы, который требовал бы минимального числа измеряемых величин, с тем, чтобы по ним можно было бы с достаточной степенью точности рассчитать все остальные характеристики разряда.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования структуры электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления экспериментально-теоретическим путём, позволяющим получить достоверные данные о распределении основных характеристик разряда и их зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

В диссертации изложены результаты работы автора в период с 1988 по 2009 г.г. по исследованию струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, разработке диагностического оборудования, а также методик и алгоритмов расчёта его основных электромагнитных и тепловых характеристик, позволяющих с достаточной степенью точности определить структуру ВЧИ разряда.

Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в соответствии: с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР на 1986-1990 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» по теме 0182.5011018 «Исследование термодинамических и теплофизических процессов в плазмохимических реакторах»; с Координационным планом научно-исследовательских работ РАН на 1996-2000 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» (п.1.9.1.1.2.1.); с научным направлением “Физика низкотемпературной и неидеальной плазмы и её применение в энергетике и экологически чистых технологиях”, включённым в Постановление Правительства РФ № 2727п-П8 от 21 июля 1996 г. ”Приоритетные направления развития науки и технологий”; разделом 1.5.2 _ “Физика низкотемпературной плазмы”, включённым в Постановление Президиума РАН № 7 от 13 января 1998 г. “О перечне приоритетных направлений фундаментальных исследований” и планом фундаментальных научных исследований Казанского государственного технологического университета.

Работа выполнена при поддержке АН Татарстана (договора № 06-6.7-298 / 2004 (Ф) и № 06-6.4-357 / 2005 (Ф)).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является создание экспериментально-теоретической модели и методов расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, позволяющих оптимизировать высокотемпературные и плазменные процессы в высокочастотных индукционных плазмотронах и энергоустановках, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработать и создать экспериментально-измерительный комплекс для исследования плазмы высокочастотного индукционного разряда.

2. Изготовить диагностическое оборудование, разработать методику и провести экспериментальные исследования для получения достоверных данных по определению влияния расхода плазмообразующего газа на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда.

3. Разработать двухмерную математическую модель, описывающую структуру квазистационарного электромагнитного поля ВЧИ разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.

4. Аналитически исследовать структуру ВЧИ разряда и поведение его электромагнитных характеристик вблизи оси плазмоида.

5. Построить численную модель для расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда с использованием в качестве входной информации экспериментально полученных данных о структуре разряда.

6. Провести обобщение экспериментально-теоретических результатов с целью выдачи рекомендаций по оптимизации высокотемпературных технологических процессов в установках, использующих ВЧ индукционный нагрев газа.

Достоверность полученных данных. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерению амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля и измерения температуры плазмы с помощью оптического метода малой монохроматизации обеспечивались применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.

Достоверность теоретических результатов достигается применением современных методов математического моделирования, базирующихся на использовании уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле в индукторе, апробированных аналитических и численных методов решения, обоснованностью используемых допущений.

Достоверность полученных результатов подтверждается путём сравнения полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также путём сравнения с известными экспериментальными данными и с результатами расчётов других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

2. Предложены и реализованы новые численные алгоритмы решения задачи о структурах электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления.

3. Впервые экспериментально получено пространственное распределение амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля в плазме струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления при различной величине расхода плазмообразующего газа.

4. Впервые обнаружено явление коаксиальности струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, которое заключается в том, что внутри плазмоида в каждом его поперечном сечении максимум проводимости находится ближе к оси разряда, чем максимум плотности вихревого тока, а максимум плотности вихревого тока располагается ближе к оси, чем максимум удельной мощности тепловыделения.

5. Изучено влияние величины расхода плазмообразующего газа на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда и проанализирован парадокс фон Энгеля-Штеенбека применительно к струйному высокочастотному индукционному разряду.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

· Разработаны новый метод диагностики плазмы струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления и методики расчёта, позволяющие по минимальному числу измеряемых величин рассчитать все остальные характеристики разряда.

· Реализованы методики расчёта основных характеристик струйного ВЧИ разряда атмосферного давления в зависимости от величины расхода плазмообразующего газа, прокачиваемого через плазмотрон.

· Реализована методика расчета проводимости, плотности вихревого тока, удельной мощности тепловыделения и температуры плазмы струйного ВЧИ разряда атмосферного давления с целью обеспечения оптимальных условий при проведении плазмохимических реакций.

· Предложенные методики расчёта использованы при создании и оптимизации работы плазмохимического реактора для получения наноразмерных порошков оксидов металлов, а также при создании опытно-промышленной ВЧ плазменной установки по получению сорбентов для сбора нефтепродуктов из гидросферы.

Полученные в диссертации результаты, были использованы при разработке и создании технологического оборудования в ОАО «Мединструмент» (г. Казань) и НПГ «РЕНАРИ» (г. Москва).

На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных исследований структуры квазистационарного электромагнитного поля и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда в условиях термической плазмы.

Экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.

Двухмерная модель постоянной проводимости высокочастотного индукционного разряда и аналитическое исследование структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда в приосевой области плазмоида.

Методы и алгоритмы численно-экспериментального определения электромагнитных и тепловых полей на основании имеющихся экспериментальных данных по результатам измерений амплитуды продольной компоненты магнитного поля ВЧИ разряда.

Результаты экспериментальных исследований, связанных с определением порога устойчивости разряда в зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

Результаты проведения исследований плазмохимического метода получения наноразмерных частиц оксидов металлов.

Результаты исследования влияния величины расхода плазмообразующего газа на распределение основных электромагнитных и тепловых характеристик внутри ВЧИ разряда.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное значение и заключающуюся в создании экспериментально-теоретической модели, служащей для расчёта электромагнитных и тепловых параметров струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления с целью разработки плазмохимических реакторов и оптимизации работы энергоустановок, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на: V - Всесоюзном совещании «Процессы в металлургии и технологии неорганических материалов» (Москва, 1988); II - Всесоюзной школе-семинаре «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Киев, 1989); VII - Всесоюзной конференции по современным проблемам электрометаллургии стали (Челябинск, 1990); IV - Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1991); XI - Всесоюзной конференции «Применение токов высокой частоты в электротехнологии» (Ленинград, 1991); Всероссийских межвузовских научно-технических семинарах и конференциях “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика” (Казань, 1992 - 2005); Второй Международной теплофизической школы (Тамбов, 1995); Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1995); Международных научных конференциях “Математические методы в технике и технологиях” (Владимир, 1998; Ярославль, 2007); Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1999); Международном симпозиуме “Heat and Mass Transfer under Plasma Conditions” (Анталья, 1999); Международной конференции «Плазмотехнология - 99» (Запорожье, 1999); Всероссийской конференции по физике газового разряда (Рязань, 2000); Конференции Европейского общества исследования материалов (European Materials Research Society) (Страсбург, 2002); IV - международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии «ISTAPC-2005» (Иваново, 2005); Международной конференции по инновационной деятельности (Москва, 2005); Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ-2006» (Казань, 2006); V Российском Семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 2006); Конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007 (Петрозаводск, 2007); Вавиловских чтениях “Мировое сообщество и Россия на путях модернизации” (Йошкар-Ола, 2007); V - международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт - Петербург, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008); V Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2008 (Махачкала, 2008), научных семинарах КГТУ (КХТИ), КГТУ(КАИ) им. А. Н. Туполева, КГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 1 монография и 7 публикаций в центральных изданиях, включённых в перечень периодических изданий ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 184 наименований и приложения.

Содержание диссертации изложено на 257 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 4 таблицы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, излагается основная цель, ставятся задачи, а также описывается структура диссертации.

В первой главе выполнен аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию ВЧИ разряда. Глава состоит из пяти разделов.

В первом разделе представлен обзор основных монографий и обзорных статей по исследованию плазмы ВЧ индукционного разряда.

Во втором разделе сделан обзор существующих методов контактной диагностики электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда. Показано, что выбор того или иного метода обусловлен, прежде всего, требуемой точностью при проведении измерений, а также наличием диагностического оборудования и условий при которых они проводятся.

На основе сравнительного анализа различных методов диагностики тепловых параметров ВЧИ разряда показано, что наиболее точными из них являются оптические методы, в частности, метод малой монохроматизации. Рассмотрены достоинства этого метода и дано обоснование выбора его в качестве контрольного для определения поля температур в зоне разряда.

В третьем разделе дан анализ работ, выполненных другими авторами и посвящённых экспериментальному исследованию параметров ВЧИ разряда.

В четвёртом разделе представлен обзор работ, посвящённых математическому моделированию высокочастотного индукционного разряда. При этом отмечено, что большинство авторов, стараясь избежать измерений в самом разряде, в качестве входной информации для своих расчётов и задания граничных условий используют параметры, измеряемые в первичной цепи плазмотрона, например силу тока индуктора. Это приводит к необходимости привлекать дополнительные уравнения для замыкания системы уравнений Максвелла, описывающей электромагнитное поля ВЧИ разряда. Этого можно избежать, если в качестве входной информации использовать, найденные экспериментально, значения амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля. В этом случае, ограничиваясь только рамками системы уравнений Максвелла, можно получить распределения электромагнитных и тепловых характеристик в зоне ВЧ индукционного разряда.

В пятом разделе сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены основные этапы построения двухмерной математической модели, описывающей структуру квазистационарного электромагнитного поля струйного высокочастотного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

На первом этапе, для проверки основных положений построения математической модели и принимаемых при этом допущений, рассмотрена идеализированная одномерная модель (модель идеального индуктора), позволяющая качественно решить задачу определения электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда.

Показано, что модель идеального индуктора не может быть использована для количественных расчётов параметров ВЧИ разряда, так как она не учитывает граничные эффекты, возникающие в промышленных плазмотронах, у которых диаметр индуктора соизмерим с их длиной.

Поэтому следующим этапом стал переход к построению полной двухмерной математической модели, описывающей электромагнитное поле струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

В результате, исходная система уравнений Максвелла, описывающая электромагнитную картину внутри индуктора, была преобразована для двухмерного случая к виду:

;

;

; (1)

;

;

;

. (2)

Граничные условия: при

;;;;;. (3)

Показано, что полученная система уравнений (1) незамкнута. Для её решения необходимо задать одну из величин, характеризующих поле. При этом на выходе данной системы получим набор различных зависимостей, состоящих из электромагнитных величин и проводимости в разряде . Используя найденную проводимость, можно также найти и поле температур в разряде.

Дано обоснование выбора в качестве входного параметра для решения системы (1) экспериментально полученных данных о распределении амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля в разряде . Этот выбор обусловлен тем, что, во-первых, ввиду однозначной зависимости, существующей между проводимостью плазмы и скоростью изменения магнитного поля по радиусу разряда, при решении задачи о нахождении поля температур в разряде отпадает необходимость использовать дополнительные уравнения, оставаясь при этом в рамках системы уравнений Максвелла. Во-вторых, граничные условия для всех величин, входящих в данную систему уравнений, за исключением , вполне очевидны и не требуют дополнительного экспериментального определения. В-третьих, измеряя амплитуду при различных расходах плазмообразующего газа, можно получить радиальные распределения электромагнитных и тепловых характеристик ВЧИ разряда в зависимости от скорости плазменного потока.

В третьей главе содержится описание экспериментально-измерительного комплекса, созданного на базе высокочастотной индукционной установки ВЧИ 11/60-1.76 (рис. 1) и предназначенного для исследования плазмы ВЧ индукционного разряда. Комплекс позволяет проводить контактные измерения электромагнитных характеристик плазмы, а также осуществлять измерения температуры плазмы в разряде с помощью оптического метода при различных расходах плазмообразующего газа.

Определены оптимальные режимы работы плазмотрона по расходу плазмообразующего газа и величине анодного напряжения, определяющего максимальную колебательную мощность ВЧ установки, вкладываемую в разряд.

Рассмотрено диагностическое оборудование, состав измерительной системы, представлены методики калибровки магнитного зонда и проведения магнитных и оптических измерений.

Для обеспечения теплового режима работы экспериментально-измерительного комплекса использовалась система водяного охлаждения с замкнутым циклом. С помощью центробежного насоса (2), вода подается в раздаточный коллектор (3), где с помощью регулирующих вентилей устанавливаются необходимые величины расхода по каждому из контуров системы охлаждения.

Принудительному водяному охлаждению подвергаются: силовая часть высокочастотной установки (1), индуктор плазмотрона, теплозащитный экран (4), магнитный датчик (5). Отработанная горячая вода поступает в собирающий коллектор (6), откуда подается в водоохлаждающую градирню (13), где цикл охлаждения завершается.

Рис. 1. Схема экспериментально-измерительного комплекса

1 - силовая часть ВЧ установки; 2 - центробежный водяной насос; 3 - раздаточный коллектор; 4 - теплозащитный экран; 5 - магнитный зонд; 6 - собирающий коллектор; 7 - воздушный компрессор; 8 - пульт регулировки плазмообразующего газа; 9 - баллон с аргоном; 10 - ротаметр общего расхода газа; 11 - газоформирующая головка плазмотрона; 12 - газоразрядная камера; 13 - водоохлаждающая градирня; 14 - координатный стол.

Линия газового обеспечения состоит из компрессора (7), который через собственный рессивер нагнетает воздух в воздушную магистраль, по которой сжатый воздух поступает в пульт регулировки плазмообразующего газа (8). В этот же блок, по отдельной ветке через редуктор подаётся аргон из баллона (9). Блок (8) включает в себя регулировочные вентили воздушной и аргоновой линий, а также ротаметр общего расхода газа (10), через который плазмообразующий газ подаётся в газоформирующую головку (11) разрядной камеры (12) плазмотрона.

Для измерения амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля , в условиях термической плазмы, разработан и изготовлен специальный водоохлаждаемый датчик (рис. 2). Внешняя рубашка водяного охлаждения (1) выполнена из тонкостенной кварцевой трубки с толщиной стенки около 0,3 мм. Охлаждающая вода поступает в датчик по тонкостенной медной трубке (2). Для удобства подвода и отвода воды и крепления питающих шлангов датчик монтируется в распределительной обойме (3).

Электрическая часть датчика состоит из миниатюрной приёмной катушки (4) и двух медных капилляров (5), которые являются экранирующим элементом, защищающим подводящие проводники приемной катушки от наводок со стороны электромагнитного поля.

Для придания механической прочности и сохранения осевой ориентации приёмная катушка вместе с концами медных капилляров залита компаундом. Датчик крепится на двухстепенном координатном столе (14), который позволяет вводить зонд в зону разряда и перемещать его в осевом и радиальном направлениях.

Рис. 2. Конструкция магнитного датчика

Координатный стол, обойма датчика и измерительная линия защищены от воздействия факела плазменного разряда с помощью водоохлаждаемого теплозащитного экрана (4) (рис.1).

Сигнал с датчика поступает в измерительную систему, состоящую из амплитудного детектора с фильтром нижних частот (АД) и цифрового вольтметра.

Эксперименты по измерению амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля и температуры воздушной плазмы при атмосферном давлении проводились при расходе плазмообразующего газа от 9 до 13 м³/час, напряжении на аноде генераторной лампы от 8 до 10 кВ, анодном токе 8,5 А.

Для измерения температуры плазмы использовался оптический метод малой монохроматизации, который является разновидностью оптического метода абсолютных интенсивностей и основан на сравнении светового потока от плазмы со световым потоком от эталонного источника.

Четвёртая глава посвящена построению двухмерной модели постоянной проводимости ВЧИ разряда и изучению на её основе структуры разряда в приосевой области плазмоида при значениях , близких к нулю.

Показано, что полученная система уравнений (1), описывающая квазистационарное электромагнитное поле ВЧИ разряда атмосферного давления, удобна только для численного анализа его структуры, но при этом не может быть использована для её аналитического исследования в приосевой области.

Для построения аналитической модели ВЧИ разряда необходимо перейти к комплексной форме уравнений Максвелла. Впервые подобный подход для описания одномерного ВЧИ разряда применил Дж. Томсон. В этом случае нелинейные в физических переменных дифференциальные уравнения электромагнитного поля переходят в линейные дифференциальные уравнения для комплексных величин, которые допускают точные решения при помощи специальных функций Бесселя и Кельвина.

На первом этапе проведён подробный анализ классической одномерной модели постоянной проводимости ВЧИ разряда Дж. Томсона. Показано, что в комплексной записи уравнения Максвелла сохраняют линейную структуру и допускают точное решение, записанное при помощи функций Кельвина первого рода нулевого и первого порядка.

На основе построенной одномерной модели постоянной проводимости проанализирована структура ВЧИ разряда вблизи оси плазмоида и получены приближенные формулы для расчёта его основных электромагнитных характеристик при значениях , близких к нулю.

Далее, используя полученные ранее результаты, построена двухмерная модель постоянной проводимости ВЧИ разряда. Получены уравнения для комплексных амплитуд всех основных электромагнитных величин, характеризующих ВЧ поле в разряде, решения которых представлены в виде функций Бесселя от комплексного аргумента нулевого и первого порядка. Причём эти функции нельзя сразу же разложить на множители с использованием функций Кельвина, так как в данном случае параметр расщепления, соответствующей двухмерной постановке задачи, не равен нулю. Это приводит к необходимости применения к правой части полученных формул теоремы сложения Графа для цилиндрических функций, вследствие чего итоговые решения записываются в виде бесконечных рядов, состоящих из произведений функций Бесселя и Кельвина различных порядков. Показано, что при устремлении в них константы расщепления к нулю полученные формулы переходят в классическое решение Томсона для одномерной модели.

На основе построенной двухмерной модели постоянной проводимости ВЧИ разряда детально исследовано поведение всех его основных электромагнитных характеристик в приосевой области плазмоида и получены приближенные формулы для их расчёта при значениях , близких к нулю.

Для сравнения двух методов расчёта одни и те же электромагнитные параметры ВЧИ разряда найдены как с помощью точных аналитических зависимостей, полученных при построении двухмерной модели постоянной проводимости, так и с помощью приближенных формул, полученных в рамках изучения структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда в приосевой области плазмоида при значениях , близких к нулю. Некоторые из полученных результатов, для расхода плазмообразующего газа 9 м³/час, представлены на рис. 3-5.

Рис. 3. Радиальное распределение амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля для сечений , и при расходе плазмообразующего газа 9 м³/час:------ расчёт по двухмерной модели постоянной проводимости ; - - - приближенная модель

Рис. 4. Радиальное распределение амплитуды вихревой составляющей напряженности электрического поля для сечения , и при расходе плазмообразующего газа 9 м³/час: ------ расчёт по двухмерной модели постоянной проводимости; - - - приближенная модель

Рис. 5. Радиальное распределение изменения фазы амплитуды вихревой составляющей напряженности электрического поля для сечения , , при расходе плазмообразующего газа 9 м³/час: ------ расчёт по двухмерной модели постоянной проводимости; - - - приближенная модель

Анализ кривых показывает, что приближённая модель адекватно описывает структуру электромагнитного поля ВЧ индукционного разряда в приосевой области примерно до расстояния порядка одной трети радиуса плазмоида. Это особенно важно, так как в реальных устройствах, использующих принцип индукционного нагрева газа, именно приосевая область разряда наиболее часто используется в различных технологических процессах.

На основе анализа структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда конечной длины, проведённого с помощью построенной двухмерной модели постоянной проводимости, получены три принципиальных результата, касающихся характера соотношения между характеристиками радиального магнитного и вихревого электрического полей в разряде (в приближении ):

Ё Фазовые углы всех трёх составляющих электромагнитного поля , и не зависят от продольной координаты ;

Ё Разность фаз между радиальной составляющей напряженности магнитного поля и вихревой составляющей напряженности электрического поля есть величина постоянная и равна ;

Ё Амплитуды напряженностей радиальной составляющей магнитного и азимутального электрического полей в разряде связаны соотношениями

и ,

в которых - параметр расщепления; - длина плазмоида или некоторое фиксированное расстояние, отсчитываемое вдоль оси от центрального сечения плазмоида.

В пятой главе исследуется структура электромагнитного поля ВЧИ разряда конечной длины и построена численная модель для расчёта его основных параметров по измеренным значениям амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля в разряде.

Полученная экспериментально-теоретическая модель позволила рассчитать радиальные распределения основных электромагнитных и тепловых характеристик струйного ВЧ индукционного разряда атмосферного давления в различных сечениях индуктора. Полученные результаты представлены в виде графиков радиальных распределений основных электромагнитных и тепловых характеристик струйного ВЧИ разряда атмосферного давления конечной длины (рис. 6-14) в трёх различных сечениях индуктора, начиная от его центрального сечения вниз по потоку для двух различных расходов плазмообразующего газа.

Установлено, что максимальное значение амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля (рис. 6) всегда находится вблизи стенки разрядной камеры и на некотором расстоянии от неё кривая напряжённости магнитного поля начинает резко спадать, приближаясь к своему минимальному значению в области оси индуктора. Такое поведение объясняется тем, что максимальное поглощение энергии электромагнитного поля происходит в пределах некоторой зоны, называемой скин-слоем. Экранирующее действие скин-слоя оказывает влияние и на центральную область разряда, где значения амплитуды продольной составляющей магнитного поля минимальны. Функция является падающей вдоль оси , начиная от центрального сечения индуктора. При этом уменьшается также и градиент вдоль оси . При увеличении расхода плазмообразующего газа уменьшается перепад и зона провала величины .

Показано, что радиальные зависимости амплитуды напряженности вихревого электрического поля (рис. 7) отличаются от прямолинейной и имеют небольшой изгиб, наличие которого обусловлено искажением электромагнитной картины в проводящем слое ионизированного газа. Однако, это отличие уже не такое резкое, как в случае с магнитной составляющей поля. По мере приближения к выходу из газоразрядной камеры, то есть с увеличением , функция уменьшается. Оценивая влияние расхода плазмообразующего газа, необходимо отметить, что с его увеличением значения несколько больше для каждого сечения.

В отличие от идеального индуктора, где магнитное поле имеет только продольную составляющую, в реальном индукторе появляется ещё и его радиальная компонента , величина которой, и, следовательно, влияние, возрастает по мере приближения к торцевой части индуктора, то есть с ростом координаты (рис. 8). Такая особенность в поведении является характерной чертой полей, создаваемых индукторами конечных размеров.

Фазовые сдвиги между компонентами электромагнитного поля , и имеют ярко выраженные максимумы, которые соответствуют зоне, где происходят наибольшие потери электромагнитного поля, связанные с его максимальным поглощением.

Радиальные распределения проводимости в разряде плотности вихревого тока и удельной мощности тепловыделения также имеют выраженный максимум (рис. 9-11), который, по мере роста продольной координаты , смещается к оси индуктора и уменьшается по абсолютной величине. При увеличении расхода плазмообразующего газа через разрядную камеру плазмотрона, эффективный диаметр плазмоида уменьшается, так как он “отжимается” от стенок закрученным потоком, поданным через газоформирующую головку плазмотрона. Это приводит к тому, что максимальные значения проводимости, плотности вихревого тока и удельной мощности тепловыделения в разряде также смещаются к оси индуктора.

Температура плазмы ВЧИ разряда (рис. 12) достигает своего максимума в каждом сечении индуктора не на оси разряда, а на некотором расстоянии от неё, в области, где происходит максимальное тепловыделение. По направлению к открытой части горелки в каждом сечении индуктора происходит уменьшение, как самой температуры по абсолютной величине, так и её температурного градиента. С увеличением скорости подачи плазмообразующего газа, максимум температуры в каждом сечении немного увеличивается и смещается к оси индуктора.

Данные по температуре, полученные расчётным путём с помощью экспериментально-теоретической модели, сравнивались с результатами контрольных оптических измерений, проведённых в едином цикле с магнитными измерениями. Так как экспериментальная информация, получаемая оптическим методом, может быть снята только на участках плазмы, не закрытых витками индуктора, то сравнение результатов двух методов проводилось не во всех сечениях. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов по температуре (рис. 13-14) показало их удовлетворительное совпадение между собой.

Оценка результатов, полученных с помощью построенной экспериментально-теоретической модели и представленных на рис. 9-11, позволяет сделать интересный вывод о коаксиальной структуре ВЧИ разряда. Это явление заключается в том, что внутри плазмоида в каждом его поперечном сечении максимум проводимости, как функция радиуса, находится ближе к оси разряда, чем максимум плотности вихревого тока, максимум плотности вихревого тока, в свою очередь, располагается ближе к оси, чем максимум удельной мощности тепловыделения. Следовательно, для каждого поперечного сечения плазмоида выполняется неравенство , где и - радиальные координаты, соответствующие максимумам стоящих в скобках физических величин.

Построенная экспериментально-теоретическая модель позволяет также проанализировать парадокс фон Энгеля-Штеенбека применительно к высокочастотному индукционному разряду.

Показано, что основное отличие механизма отбора тепла из ВЧИ разряда, обдуваемого потоком холодного газа, от аналогичной ситуации для дугового разряда заключается в зависимости вкладываемой в этом случае в разряд мощности от мощности генератора колебаний ВЧ поля, вследствие чего полная вкладываемая в разряд мощность при увеличении обдува не может сильно меняться. Это подтверждается результатами прямых численных расчётов, выполненных в рамках разработанной модели, которые показали, что эта мощность составляет 30 кВт при обоих расходах плазмообразующего газа. При этом радиус плазмоида, при увеличении обдува уменьшается, так что максимумы проводимости в разряде, плотности тока и мощности тепловыделения смещаются по направлению его оси, что ещё раз подтверждает тот факт, что газ проникает в разряд не через его боковую поверхность, а через торцы плазменного сгустка, вследствие чего большая часть плазмообразующего газа не проникает в разряд, а обтекает его. При этом падает максимум объёмной плотности вкладываемой в разряд мощности, максимальное значение плотности вихревого тока почти не меняется и увеличивается максимум удельной электропроводности (а значит - в условиях ЛТР - и температура) в центре плазмоида. Порог устойчивости плазмоида по расходу ограничен - при большем обдуве разряд гаснет, поскольку в этом случае дополнительная мощность не может быть отобрана нагрузкой у высокочастотного генератора. При этом полная вкладываемая в разряд, а значит (если пренебречь незначительными изменениями длины плазмоида при его обдуве) также и удельная - на единицу его длины - мощности не могут меняться, так что явление фон Энгеля-Штеенбека в высокочастотном индукционном разряде, хотя и имеет место, носит менее яркий характер, чем для дуги постоянного тока.

Полученная картина распределения тепловых полей в индукторах конечных размеров и найденная при этом зона максимального выделения электромагнитной энергии играют основную роль в проблеме оптимизации высокотемпературных и плазменных технологических процессов в различного рода плазменных устройствах, использующих принцип высокочастотного индукционного нагрева.

Рис.6. Радиальное распреде-ление амплитуды продоль-ной составляющей напря-женности магнитного поля в различных сечениях индук-тора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая линия)

Рис.7. Радиальное распреде-ление амплитуды азимуталь-ной составляющей напряжен-ности электрического поля в различных сечениях индук-тора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая кривая)



Рис.8. Радиальное распреде-ление амплитуды радиальной составляющей напряжен-ности магнитного поля в различных сечениях индук-тора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая линия)

Рис.9. Радиальное распреде-ление проводимости плазмы в различных сечениях индуктора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая линия)

Рис.10. Радиальное распреде-ление плотности вихревого тока в различных сечениях индуктора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая линия)



Рис. 11. Радиальное распреде-ление удельной мощности тепловыделения в различных сечениях индуктора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая линия)

высокочастотный индукционный разряд давление

Рис.12. Радиальное распре-деление температуры плаз-мы в различных сечениях индуктора при расходе газа Q=9 м³/час (сплошная кривая) и Q=13 м³/час (штриховая линия)

Рис. 13. Радиальное распре-деление температуры плаз-мы в различных сечениях индуктора при расходе плазмообразующего газа Q=9 м³/час



Рис. 14. Радиальное распре-деление температуры плазмы в различных сечениях индуктора при расходе плазмообразующего газа Q=13 м³/час

В шестой главе дано описание плазмохимической установки для проведения комплексных исследований плазмохимического метода получения наноразмерных частиц оксидов металлов.

Метод получения высокодисперсных порошков основан на использовании межфазных переходов оксидов металлов в плазме высокочастотного индукционного разряда высокого давления. Данная технология обеспечивает переход исходного вещества в газообразное состояние с последующей конденсацией в плазмохимическом реакторе.

Для получения высокодисперсных порошков использовался плазмохимический реактор, сконструированный по блочно-модульному принципу (рис. 15). Вся установка состоит из высокочастотного генератора ВЧИ-11/60-1,76, плазмотрона, узла подачи сырья, блока реакционных камер реактора и электростатического фильтра.

Подача сырья в разрядную камеру плазмотрона осуществлялась из узла подачи исходного материала, основным элементом которого является питатель конусообразной вертикальной конструкции. Для равномерной подачи сырья на оси питателя установлена трубка, позволяющая подавать газ-носитель в нижнюю конусную часть питателя. Конструкция питателя предусматривает создание в нём избыточного давления. Ввод сырья в зону сгустка разряда осуществляется водоохлаждаемой транспортировочной трубкой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15. Схема плазмохимического реактора

При проведении экспериментальных исследований использовались разрядные камеры высокочастотного плазмотрона двух типов: из кварца по схеме “труба в трубе” и водоохлаждаемая металлическая разрезная камера с входным и выходным фланцами. Входной фланец обеспечивает инициирование разряда в плазмотроне, подачу плазмообразующего газа, сырья в разрядную камеру и охлаждение разрядной камеры. Выходной фланец стыкуется с реактором-расширителем. При необходимости через него возможна подача дополнительных газов - реагентов или ввод сырья в струю плазмотрона.

Связанные в каскад реакционные камеры выполняют функции расширителей-охладителей и фильтров. Все камеры в каскаде идентичны и взаимозаменяемы. Более тяжелые фракции полученного продукта выпадают в сборники, расположенные в нижней части первой камеры, более лёгкие фракции осаждаются на рукавных фильтрах во второй и третьей камерах каскада. Окончательное улавливание наиболее мелких фракций происходит с помощью электростатического фильтра.

Для проведения экспериментальных исследований, связанных с получением высокодисперсных порошков оксидов металлов с помощью построенной ранее экспериментально-теоретической модели струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, определены поля температур и области максимального тепловыделения, а также оптимальные зоны подачи дисперсных порошковых материалов и режимы расхода плазмообразующего газа через разрядную камеру ВЧИ плазмотрона.

На основании расчётов, выполненных ранее, установлено, что при обдуве плазмоида плазмообразующим газом, большая часть газа не проникает в разряд через его боковую поверхность, а обтекает его, что было подтверждено в ходе экспериментальных исследований. При расположении дозатора в верхней части разрядной камеры плазмотрона, исходное сырьё, захваченное потоком транспортирующего газа, не попадало в плазменный сгусток, а огибало его вдоль стенок камеры. При этом частицы порошка из газовой фазы в результате конденсации оседали либо на поверхности стенок реактора, либо на поверхности зародышей, возникающих самопроизвольно в результате флуктуации плотности и концентрации в объёме веществ. Оба случая представлены на рис. 16.

Рис. 16. Разрядная камера ВЧИ плазмотрона с осажденным порошком

По мере погружения дозатора вглубь разрядной камеры плазмотрона, количество осаждаемого порошка на её стенках уменьшалось, при этом зона его конденсации также смещалась в нижнюю часть камеры. Наиболее оптимальным местом расположения дозатора является центральное сечение индуктора плазмотрона в центре плазмоида. В этом случае лишь небольшая часть исходного порошка конденсируется на стенках в нижней части камеры, а большая его часть попадает непосредственно в плазмохимический реактор.

В качестве исходного сырья при проведении экспериментальных исследований по получению высокодисперсного порошка оксида кремния использовался кварцевый песок. Предварительно сырьё измельчалось в шаровой мельнице. Определение дисперсионности порошков проводилось на лазерном анализаторе ANALYSETTE-22 в ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» (г. Казань). Обработке в плазме высокочастотного индукционного разряда подвергались порошки, размеры которых представлены на рис. 17. Основная массовая доля фракций исходного сырья 250-500 мкм (82,88%). Основная массовая доля фракций SiO₂ после размельчения в течении 4 часов составила 5 мкм (44,74%).

Проведены измерения расхода сырья различных фракций при пропускании его через плазмотрон. Для получения высокодисперсного порошка сырьё подавалось через водоохлаждаемый дозатор непосредственно в центральную зону разрядной камеры плазмотрона.

а) б)

Рис. 17. Исходное сырье (а) и фракция после помола в течение 4 часов (б)

Отбор для анализа полученного порошка проводился: на срезе ВЧИ плазмотрона без подсоединения реактора 1 к плазмотрону, с внутренней поверхности разрядной камеры ВЧИ плазмотрона; с конусной части реакторов 1 и 2; с рукавных фильтров реакторов 2 и 3; с пластин электростатического фильтра.

Собранный порошок обрабатывался с помощью сканирующего зондового микроскопа Veeco MultiMode V. Полученные результаты представлены на рис. 18.-23.

Рис. 18. Порошок на срезе плазмотрона без соединения плазмотрона к реактору

Рис. 19. Порошок с внутренней поверхности разрядной камеры ВЧИ плазмотрона

Рис. 20. Порошок с конусной части первого реактора

Рис. 21. Порошок с фильтра второго реактора



Рис. 22. Порошок с фильтра третьего реактора

Рис. 23. Порошок с пластин электростатического фильтра

На основе расчётов электромагнитных и тепловых параметров, выполненных по разработанной экспериментально-теоретической модели струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, разработано оборудование и проведены исследования по получению высокодисперсных порошков оксида кремния.

Основные результаты и выводы

1. Разработана экспериментально-теоретическая модель, позволяющая определять закономерности структуры квазистационарного электромагнитного поля ВЧИ разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении. Применение модели даёт возможность устанавливать зависимости тепловых и электромагнитных характеристик ВЧИ разряда от величины прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

2. Разработан и создан экспериментально-измерительный комплекс для исследования плазмы высокочастотного индукционного разряда. Комплекс позволяет проводить контактные измерения электромагнитных характеристик плазмы, а также осуществлять измерения температуры в разряде оптическим методом. Измерения проводились при расходах плазмообразующего газа от 9 до 13 м³/час.

3. Разработан новый комплексный метод контактной диагностики электромагнитных и тепловых параметров плазмы высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, позволяющий восстанавливать все основные электромагнитные и тепловые характеристики разряда по конечному числу экспериментально измеренных значений амплитуды продольной компоненты магнитного поля в разряде.

4. Построена двухмерная модель постоянной проводимости высокочастотного индукционного разряда конечной длины и проведено аналитическое исследование структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда в приосевой области плазмоида. В рамках разработанной модели получены соотношения, связывающие между собой основные электромагнитные характеристики ВЧИ разряда.

5. Сочетание расчётного и экспериментального методов исследования структуры струйного высокочастотного индукционного разряда даёт возможность получать информацию о тонкой структуре разряда, недостижимую для любых известных к настоящему времени методов диагностики низкотемпературной высокочастотной плазмы. В диссертации впервые установлено явление коаксиальности высокочастотного индукционного разряда, заключающееся в том, что внутри плазмоида в каждом его поперечном сечении максимум проводимости, как функция радиуса, находится ближе к оси разряда, чем максимум плотности вихревого тока, а максимум плотности вихревого тока, в свою очередь, располагается ближе к оси, чем максимум удельной мощности тепловыделения.

6. Впервые исследовано влияния величины расхода плазмообразующего газа на распределение основных электромагнитных и тепловых характеристик внутри ВЧИ разряда. Установлено, что при увеличении обдува радиус плазмоида уменьшается, так что максимумы проводимости в разряде, плотности тока и мощности тепловыделения смещаются по направлению к его оси. Из этого следует, что газ проникает в разряд не через его боковую поверхность, а через торцы плазменного сгустка, вследствие чего большая часть плазмообразующего газа не проникает в разряд, а обтекает его. При этом падает максимум удельной мощности тепловыделения, максимальное значение плотности вихревого тока почти не меняется (хотя напряженность электрического поля и незначительно возрастает) и увеличивается максимум удельной электропроводности (а значит - в условиях ЛТР - и температуры) в центре плазмоида.

7. Установлено, что при увеличении расхода плазмообразующего газа амплитуда напряженности продольной составляющей магнитного поля в разряде возрастает в приосевой его области и падает на периферии, при этом её профиль в целом сглаживается по сравнению с той картиной, которая имеет место при меньшем расходе плазмообразующего газа. Порог устойчивости плазмоида по расходу ограничен - при большем обдуве разряд гаснет, поскольку в этом случае дополнительная мощность не может быть отобрана нагрузкой у генератора ВЧ поля.

...