ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПЛАЗМОТРОН
HIGH-FREQUENCY PLASMATRON

Изобретение относится к области плазменной техники и касается конструкции высокочастотного проточного индукционного плазмотрона атмосферного давления для разогрева задымленных продуктов сгорания топлива, отходов, в том числе медицинских инфицированных, и воздуха.
Известны конструкции и принципиальные схемы высокочастотных плазмотронов (плазменных печей, генераторов плазмы, плазменных реакторов). Они применяются в исследовательских и промышленных целях для разогрева газов. Однако известные конструкции плазмотронов индукционных высокочастотных атмосферного давления имеют основные недостатки:
1) Нестабильность (самопроизвольное затухание) горения кольцевого разряда, вызываемое изменением параметров, состава разогреваемого газа, особенно запыленностью конденсированными дымовыми частицами сажи и золы.
2) Невозможность самостоятельного возбуждения кольцевого разряда без вспомогательного поджига с помощью других видов электрических разрядов или ионизирующих устройств.
В качестве инициирующих разрядов используют:
1) Факельный высокочастотный разряд по а.с. (СССР) №150187 с приоритетом от 4.09.1961 «Способ получения безэлектродного кольцевого разряда в воздухе» авторов Бамберга Е.А. и Дресвина С.В.
2) Дуговой разряд на выносных электродах, вставляемых внутрь индуктора и инициируемый механическим соприкосновением и электрическим замыканием для возбуждения электрической дуги. Опубликовано в инструкции по эксплуатации ЗНР.060.252.ИЭ, раздел 6 техдокументации к установке высокочастотной ВЧИ 11-60/1,76.
3) Искровые разряды в области индуктора, как происходит зажжение индукционного разряда плазмы в «Атомном эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой (Isap 6300 duo, производитель США TERM thermo seintific).
Указанные средства инициирования высокочастотного индукционного кольцевого разряда атмосферного давления имеют существенные недостатки из-за которых они не могут быть применены в проточном плазмотроне непрерывного действия установок дожигания задымленных продуктов сгорания ядовитых веществ, так как:
1) Возбуждение разряда требует определенного промежутка времени для перемещения электродов внутри индуктора или зажжения факельного высокочастотного разряда, за который в атмосферу будут выброшены недогоревшие яды.
2) Инициирование искровыми разрядами совершенно невозможно в связи с пониженным электросопротивлением в области индуктора в камере осадками сажистых и зольных частиц.
Наиболее близким техническим аналогом (прототипом) к заявляемой полезной модели является высокочастотная плазменная печь (плазмотрон) по а.с. (СССР) 16641 с приоритетом от 20.03.1963 авторов Донского А.В., Дресвина С.В., Ратникова Д.Г. и опубликованного 25.01.1965, БИ №22.
Плазмотрон содержит газоразрядную камеру с охлаждаемой кварцевой оболочкой, индуктор и металлические водоохлаждаемые профилированные трубки, образующие продольные щели и расположенные внутри газоразрядной камеры, в зоне кольцевого разряда.
Плазмотрон вышеупомянутой конструкции надежно работает в среде воздуха и других газов, не содержащих дымовых частиц.
При работе в задымленных газах сажа оседает на профилированные трубки, замыкая электрически продольные щели между труб и экранируя проникновение в газовую среду высокочастотного поля. Проявляются следующие недостатки.
1) Стабильность горения разряда ухудшается. Происходит самопроизвольное затухание разряда.
2) Инициирование (зажжение) кольцевого разряда затрудняется даже с использованием электродуговых стержневых электродов и замещающего газа-аргона.
Целью изобретения является повышение устойчивости горения кольцевого разряда в задымленных газах и надежное инициирование разряда.
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
1) Повышение стабильности, устойчивости горения (отсутствие самопроизвольного затухания) кольцевого разряда в задымленных газах.
2) Надежность инициирования разряда, в том числе в автоматическом режиме, при затухании кольцевого разряда.
u
тр
Технический результат достигается использованием конструкции высокочастотного плазмотрона, состоящей из индуктора и разрядной камеры, охлаждаемой изнутри трубками с водой, образующими продольные щели, и отличающейся тем, что индуктор с пылезащищенными вводами расположен внутри разрядной камеры соосно и его наружный диаметр (d) в два раза меньше внутреннего диаметра (d) камеры по трубкам охлаждения, которые вынесены за пределы кольцевого разряда, а на входе разрядной камеры соосно расположена электродуговая горелка с промежутком до индуктора менее длины плазменной струи горелки и в который (промежуток) производится ввод разогреваемого газа.
Схема высокочастотного плазмотрона по предлагаемому изобретению приведена на фиг.1 и фиг.2 - то же, вид сверху.
и
Высокочастотный плазмотрон состоит из индуктора 1 диаметром d, выполненного из медной трубки, и охлаждаемой водой разрядной камеры 2 из диэлектрического термостойкого материала - кварца, керамики на основе окисей алюминия, циркония, кремния или другого, водоохлаждаемых трубок 8, которые вынесены за пределы кольцевого разряда, образуют щели и не допускают образования кольцевого тока и подключены к водяному коллектору у входа в камеру 3. Индуктор имеет пылезащищенные вводы 4, выполненные из керамических или кварцевых трубок, надетых с зазорами на медную трубку индуктора. Для большей эффективности пылезащиты через трубки прокачивается атмосферный воздух принудительно или за счет разряжения в разрядной камере при наличии дымососа.
Газораспределитель 5 служит основанием для крепления разрядной камеры, равномерной подачи разогреваемого газа (дыма) и крепления дуговой горелки 6. Газораспределитель охлаждается водой по внутренним полостям и охлаждает соединительные фланцы 7 разрядной камеры и дуговой горелки.
Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что индуктор расположен внутри разрядной камеры и разогревает лишь часть потока газа, что достаточно для получения средней температуры газа около 2000°С. При более высоких температурах в составе разогретых газов появляются цианиды и значительно возрастает количество окислов азота, что не допускает выброс продуктов дожигания в атмосферу. Охлаждение стенок камеры осуществляют водоохлаждаемыми трубками, вынесенными за кольцевой разряд, которые образуют щели для исключения вихревых токов и производят основной съем тепла, идущий от газов и кольцевого разряда к стенкам, ограничивая температуру стенок термостойкостью керамики и кварца (1200-1500°С).
тр
Сечение выходных отверстий 9 газораспределителя 5 больше на 20-30% проходного сечения разрядной камеры d, что позволяет разогреваемым газам не испытывать газодинамического сопротивления на этом участке.
Электродуговая горелка 6 использует в качестве плазмообразующего газа аргон и является частью плазменной установки для резки металла, выпускаемой промышленностью, например, марки УПУ-3Д или Мультиплаз 15000, Мультиплаз 7500. Горелка водоохлаждаема, имеет систему инициирования дуги, источник питания и органы газораспределения. Зажигание дуговой горелки происходит автоматически при затухании разряда. Тепловая мощность горелки составляет 10-15% от тепловой мощности, а замещающий расход аргона не превышает 8-9% от массового расхода газа через разрядную камеру.
Высокочастотный плазмотрон работает следующим образом в двух режимах: инициирование кольцевого разряда (зажигание) и стабилизация кольцевого разряда при разогреве задымленных газов.
3
При зажигании кольцевого индукционного воздушного разряда включают высокочастотный генератор, например ВЧИ 11-60/1,76 или ВЧГ8-60/13 или другой, с частотой 5,28 МГц на согласованную нагрузку индуктора 1 с колебательной мощностью генератора не менее 30 кВт. На охлаждаемые элементы высокочастотного плазмотрона подают проточную воду. Открывают подачу аргона через электродуговой плазмотрон с расходом 1-6 м/ч и при установке номинального тока дуговой горелки в 100-200 А производят поджиг дугового разряда. Дуговой разряд в виде струи плазмы ионизирует пространство у индуктора, что приводит к возникновению кольцевого высокочастотного разряда. По возникновении воздушного разряда в высокочастотный плазмотрон через газораспределитель 5 подают воздух до расчетных значений расходов, а дуговую горелку обесточивают и закрывают подачу аргона. Кольцевой разряд переходит на авторегулирование в диапазоне мощности в разряде от 20 до 100 кВт.
При зажжении и стабилизации кольцевого разряда в задымленных газах порядок зажжения разряда сохраняется, только для исключения самопроизвольного затухания кольцевого разряда (стабилизации) дуговая горелка остается включенной постоянно и аргоновая плазма постоянно и дополнительно создает вблизи индуктора пространство с ионизацией, достаточной для возбуждения кольцевого высокочастотного разряда.
Разогрев газа и усреднение температуры происходит за счет перемешивания в разрядной камере плазмы кольцевого разряда и газа, протекающего между индуктором и стенками разрядной камеры. Движущей силой массообмена является градиент давления и плотности газа и плазмы.
Преимущества предлагаемого по изобретению высокочастотного плазмотрона заключаются в следующем.
1) Высокочастотный плазмотрон позволяет разогревать задымленные газы, продукты сгорания различных материалов.
2) Высокочастотный плазмотрон имеет повышенную стабильность горения и инициирования кольцевого разряда при изменении параметров и состава газовой смеси, протекающей через разрядную камеру.
В ООО НПЦ «Технополис» были проведены сравнительные испытания высокочастотного плазмотрона по предлагаемому изобретению и прототипа по а.с. СССР 150187 от 04.09.1961. Результаты испытаний приведены в таблице. Из результатов, приведенных в таблице, видно, при изменении параметров разогреваемого воздуха атмосферного давления стабильность кольцевого высокочастотного разряда у плазмотрона по предлагаемому изобретению выше, чем у прототипа. При разогреве задымленных продуктов сгорания мокрой целлюлозы кольцевой высокочастотный разряд в разрядной камере прототипа по а.с. СССР 150 187 от 4.09.1961 не инициируется и не образуется. В разрядной камере по предлагаемому изобретению, в тех же условиях, разряд инициируется с замещением аргона и устойчиво «горит» одновременно с разрядом в дуговой горелке. Таким образом, высокочастотный плазмотрон по предлагаемому изобретению позволяет производить разогрев задымленных продуктов сгорания топлива, отходов, в том числе медицинских, и других материалов.
Таблица
Сравнительные испытания высокочастотных плазмотронов.
Наименование плазмотрона
Характеристика газовой среды для разогрева
Электропитание индуктора
Характеристика разряда
Давление, МПа
Состав
Задымленность
Частота, МГц
Анодное напряжение, кВ
0,1
воздух
нет
1,76
7,0
Стационарный разряд
По а.с. 150187 (прототип)
0,1
аргон
нет
1,76
7,0
Стационарный разряд
0,1
продукты горения
дым
1/76
7,0
Разряда нет, возбуждения нет
0,1
воздух
нет
1,76
7,0
Стационарный разряд
0,1
продукты горения
дым
1,76
7,0
Возбуждение, прерывистый разряд
По предлагаемому изобретению
0,1
продукты горения
дым
1,76
8,0
Стационарный разряд
0,1
продукты горения
дым
1,76
9,0
Надежное возбуждение, мощный стационарный разряд