Уловитель для осаждения наноматериалов

í

по индуктору током высокой частоты электромагнитное поле индуцирует в плазменной струе кольцевой ток, приводящий к выделению в ней тепловой мощности, в результате чего зажигается ВЧИ плазма. Водяное охлаждение разрезной металлической камеры отводит энергию, выделяемую при протекании по камере индукционного тока, а также тепловые потери плазмы, передаваемые в стенку камеры. После зажигания ВЧИ плазмы электропитание плазмотрона постоянного тока отключается, и струя дугового плазмотрона гаснет. При этом подачу плазмообразующего газа через дуговой плазмотрон в камеру ВЧИ плазмот-

СПИСОК J

1. Frolov, V. Experimental investigations of the gybrid plasma torch with reverse vortex stabilization [Текст] / V. Frolov, D. Ivanov, S. Zverev, 1. Matveev // Proc. 18th Symposium on Physics of Switching Arc.— Brno: Editors V. Anbrecht and M. Bartlova, 2009. P. 154-157.

2. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 1. Уравнение баланса энергии. Метод контрольного объема. Расчет температуры плазмы [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехи. ун-та, 2004,— 227 с.

3. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 2. Электромагнитные задачи в плазмотронной технике [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2006,— 296 с.

Металлургия и материаловедение

рона можно оставить, так как этот поток газа необходим в ряде режимов его работы.

Разработан ВЧИ плазмотрон со следующими параметрами: частота тока индуктора — 5,28 МГц, внутренний диаметр канала плазмотрона — 56 мм, мощность в плазме — 30 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон) — 3 г/с, обеспечено испарение исходного порошка ТЮ2 с расходом не менее 5 кг/ч.

Данная статья была написана при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в рамках работ по Государственному контракту №02.513.11.3483 от 08 октября 2009 г.

4. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 3. Уравнения движения плазмы. Методика расчета скорости плазмы в плазмотронах [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Нгуен Куок Ши, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2006,— 132 с.

5. Энгелынт, B.C. Теория столба электрической дуги / B.C. Энгелынт, В.Ц. Гурович, Г.А. Десятков [и др.].— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990,— 376 с. (Низкотемпературная плазма. Т. 1).

6. Boulos, M.I. Thermal Plasmas: Fundamentals and Applications [Текст] / M.l. Boulos, P. Fauchais, E. Pfen-der.— New York: Plenum Press, 1994,— Vol. 1,— 452 p.

7. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости [Текст]: пер. с англ. / С. Патанкар — М.: Энергоатомиз-дат, 1984,- 152 с.

УДК 661

A.B. Лопота, В.Я. Фролов, Д.В. Иванов, Б.А. Юшин

РАЗРАБОТКА УЛОВИТЕЛЯ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Проблема сбора и улавливания наноматери-алов представляет собой достаточно сложную техническую задачу. Это обусловлено как малыми размерами частиц, так и особенностями конструкций оборудования (реакторы, кристаллизаторы), в которых получают наноматериалы.

Такие известные способы сбора наномате-риалов [1], как электрические фильтры, центробежные камеры и т. п., выпускаемые серийно,

зачастую не могут быть использованы при конструировании нового оборудования из-за технической сложности их стыковки. Так, например, электрический фильтр обладает объемной конфигурацией осадительных электродов, а также большими размерами секций, необходимых для сбора наноматериалов с минимальными потерями [2, 3]. Использование центробежной силы в устройствах типа «циклон» требует специаль-

^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование Г 2011

Рис. 1. Общий вид плазменной установки для получения наноматериалов: /— плазмотрон; 2— испарительная камера (реактор); 3 — конденсационная камера; 4 — уловитель

ной настройки скорости подачи наноматериалов и диаметра циклона для обеспечения минимальных потерь исходного сырья. Эффективность подобных устройств оставляет желать лучшего.

Поэтому целью нашей работы была разработка уловителя, использующего принцип конденсирования и осаждения полученного нанопорош-

ка на охлажденную поверхность и учитывающего особенности конструкции реактора, кристаллизатора и плазменного оборудования.

На рис. 1 представлен общий вид плазменной установки для получения наноматериалов с блоками уловителя.

Плазменный факел, созданный в плазмотроне У, поступает в реактор 2, где испаряет исходный материал, подаваемый в реактор в виде порошка. После этого факел плазмы, содержащий исходный материал в газовой фазе, резко охлаждается в конденсационной камере 3. Получаемый нанопорошок улавливается в уловителе 4, имеющем модульную структуру.

Устанавливаемыми параметрами режима для данного уловителя являются: скорость концентрированного потока наноматериала; степень охлаждения стенокуловителя (фильтра) соответственно первого, второго, третьего и т. д. блоков уловителя; градиент температуры потока наноматериалов и внутренней камеры уловителя; расход потока наноматериалов; удельный тепловой поток наночастиц.

На рис. 2 представлен общий вид уловителя в разрезе. Видно, что уловитель имеет модульную структуру. Анализ процессов улавливания наноматериалов в нем заключается в подборе числа модулей уловителя, при котором степень улавливания составляет не менее 80 % от исходного материала при расходе не менее 5 кг/ч.

Результаты оценочных расчетов, проведенных на основе энергетического баланса, представлены в таблице.

В основе расчета лежит допущение, что поток газа с испаренным материалом, двигаясь по трубе уловителя, отдает ее холодным стенкам энергию, а вместе с ней и массу, которая оседает на стенках в виде наночастиц.

Мощность струи горячего газа, содержащего испаренный материал и поступающего на вход первого модуля уловителя, рассчитывается по формуле (см. рис. 2) Рх = СсрТх, где С — расход испаряемого материала, ср — теплоемкость испаренного материала, Т{ — температура на входе в первый модуль испарителя.

Часть мощности, поступившей в первый модуль уловителя, теряется в его стенке (см. рис. 2):

Т —Т

ри = —у ст1п '.у,

я

Рис. 2. Общий вид уловителя в разрезе

где У — теплопроводность испаренного материала, Тст1 — температура стенки в первом мо-

4

Металлургия и материаловедение^

Результаты оценочного расчета работы испарителя

Номер модуля уловителя Температура стенки модуля уловителя, °С Температура потока на входе в модуль уловителя, °С Температура потока на выходе из модуля уловителя, °С Мощность, передаваемая в стенку модуля уловителя, Вт

1 50 3000 1030 2200

2 30 1030 360 750

3 20 360 130 450

дуле уловителя; Я — радиус канала уловителя; £ — площадь поверхности канала уловителя.

Тогда мощность на входе во второй модуль уловителя можно определить как разность Р2=Р{-Ри. Отсюда можно найти температуру потока газа на входе во второй модуль уловителя :Т2=Р2/(Сср).

Повторяя описанные расчеты, можно определить температуру во всех последующих модулях уловителя. Расчет останавливается при достижении на выходе из /7-го модуля температуры Тп <0,17]

Расчет проведен на примере нанопорошка диоксида титана. Данные о свойствах этого материала взяты из справочной литературы [4, 5].

Анализ результатов, представленных в таблице, показал, что для улавливания нанопорош-

ка с заданными требованиями эффективности и производительности достаточно подключить три модуля уловителя.

Разработанный уловитель характеризуется следующими параметрами: количество модулей — 3, длина модуля — 600 мм, диаметр канала — 100 мм, температура внутренней стенки уловителя — 20—50 °С, обеспечено улавливание нанопорошка с заданными требованиями эффективности и производительности — степень улавливания не менее 80 % от исходного материала при расходе не менее 5 кг/ч.

Статья была написана при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в рамках работ по Государственному контракту N902.513.11.3483 от 08 октября 2009 г.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фролов, В.Я. Плазмотермические и плазмо-химические методы деструкции промышленных отходов: учеб. пособие [Текст] / В.Я. Фролов,— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007,— 131 с.

2. Балабеков, О.С. Очистка газов в химической промышленности : Процессы и аппараты [Текст] / О.С. Балабеков, Л.111. Балтабаев,— М.: Химия, 1991,- 250 с.

3. Алиев, Г.М.-А. Техника пылеулавливания

и очистки промышленных газов [Текст]: справочник / Г.М.-А. Алиев,— М.: Металлургия, 1986,— 543 с.

4. Таблицы физических величин [Текст]: справочник / Под ред. И.К. Кикоина,— М. : Атомиз-дат, 1976,- 1005 с.

5. Бабичев, А.П. Физические величины [Текст]: справочник / А.П. Бабичев; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова,— М.: Энергоатомиздат, 1991,- 1232 с.

УДК 538.569

М.С. Гутенев

О ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СТЕКОЛ

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Как известно, емкость Си электропроводность (/конденсатора, заполненного веществом с диэлектрической проницаемостью (ДП) е и

удельной электропроводностью а, связаны с емкостью С() = и электропроводностью С0 =5// для плоского конденсатора (5и I —