МИКРОВОЛНОВЫЙ ПЛАЗМАТРОН

Полезная модель относится к устройствам для генерации микроволновых плазменных факелов с целью углекислотной, паровой и пароуглекислотной конверсии метана в синтез-газ.
Известен микроволновый плазматрон, содержащий источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения с внешним и внутренним электродами (RU 83682 U1, 10.02.2009).
Недостатком представленной модели можно назвать существенно меньшую компактность и большую стоимость устройства из-за добавления прямоугольного резонатора.
В основу полезной модели поставлена задача улучшение надежности работы плазматрона.
Техническим результатом полезной модели является возможность получать синтез-газ из смеси метана с углекислым газом и водяным паром с помощью простого в изготовлении и не включающего дорогостоящих механических и электронных устройств. Конструкция устройства обеспечивает прохождение через плазменный факел всего исходного газового потока и, благодаря этому, достигают высокую степень конверсии углеводородного сырья. Осуществляется возможность разложения метана на водород и углерод.
Кроме того техническим результатом предложенного технического решения является существенное увеличение количества микроволновой энергии, накопленной в резонаторах, и получения большой напряженности электрического поля на сопле, что позволяет работать с широким спектром газов с высоким пробойным напряжением; высокий уровень достижимой температуры факела; большой объем неравновесной плазмы (на два порядка больше, чем в обычных устройствах), в которой могут эффективно протекать плазмохимические реакции; возможность формирования приосевой плазменной струи, оторванной от всех металлических и диэлектрических деталей; простота и дешевизна конструкции, отсутствие настраиваемых элементов, использование широко распространенных дешевых элементов, компактность.
Технический результат достигается тем, что микроволновый плазматрон содержит источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения, внешний и внутренний электроды, резонаторы и узел подачи газа, при этом один резонатор выполнен прямоугольным и размещен между магнетроном и системой передачи излучения, второй резонатор выполнен коаксиальным и составляет часть коаксиального тракта, причем внутренний электрод выполняет функцию газоподводящей трубки, а длина внешнего электрода превышает длину внутреннего электрода.
Микроволновый плазматрон содержит источник микроволнового излучения, прямоугольный резонатор, коаксиальный тракт транспортировки излучения, выполненный виде коаксиального тройника, одно из плеч которого является коаксиальным резонатором, причем длина внешнего электрода коаксиального резонатора превышает длину внутреннего электрода, а внутренний электрод выполняет функцию газоподводящей трубки.
Микроволновый плазматрон дополнительно содержит рабочую камеру, подсоединенную к коаксиальному резонатору.
Часть внешнего электрода, выступающая за пределы внутреннего электрода, выполнена в виде цилиндрической насадки из сетки с величиной ячейки 1-2 мм.
Система передачи выполнена в виде тройника, при этом размеры плеч тройника подобраны из расчета наилучшего согласования коаксиального и прямоугольного резонаторов.
На чертеже представлен микроволновый плазматрон с подсоединенной нему рабочей камерой.
Микроволновый плазматрон содержит прямоугольный резонатор 1, коаксиальный резонатор 2, насадку 3, являющуюся продолжение внешнего электрода коаксиального тракта волновода, выполненная из сетки, рабочую камеру 4, смотровые окна 5, факел 6 микроволнового разряда, магнетрон 7.
Сущность изобретения заключается, в добавлении к существующему коаксиальному тракту прямоугольного резонатора, что существенно увеличивает электрическую добротность системы и в свою очередь улучшает надежность плазматрона.
На чертеже приведен вариант устройства, в котором используется магнетрон 7 с частотой микроволнового излучения 2.45 ГТц, средней мощностью Р=600-1500 Вт.
Коаксиальный резонатор 2 в совокупности с прямоугольным резонатором 1 обеспечивает оптимальную связь между магнетроном и плазменным факелом, а также в некоторой степени защиту магнетрона 7 от мощности, отражаемой от конца волноводного тракта, в случае отсутствия факела.
Размеры плеч тройника, через который осуществляется вывод микроволнового излучения, подбираются из условия наилучшей связи между магнетроном 1 и факелом.
Центральный (внутренний) электрод 7 коаксиальной системы транспортировки микроволнового излучения выполняет также функцию газопровода, подающего рабочий газ к соплу горелки.
Коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения состоит из проводящего внешнего электрода 4, представляющего собой цилиндр, а также внутреннего (центрального) электрода 8 из металлической трубки. Коаксиальный тракт представляет собой соединенные коаксиальный резонатор с удлиненным внешним электродом и коаксиальный тройник.
Конечная часть центрального электрода в виде сопла, выполненного из тугоплавкого металла (например, молибдена, вольфрама и т.п.) представляет собой классическое расчетное сопло Лаваля, создающее сверхзвуковой направленный поток газа на выходе из центрального электрода 8, либо просто достаточно протяженный (5-10 диаметров) канал.
Существенным в конструкции является то, что длина внешнего электрода больше длины внутреннего электрода, а также наличие прямоугольного резонатора, значительно увеличивающего электрическую добротность системы. Расстояние между соплом и замкнутым торцом длинного плеча тройника составляет L=λ/4+nλ/2, где λ - длина волны микроволнового излучения в воздухе, n=0, 1, 2,….
Узел подачи рабочего газа состоит из баллона с рабочим газом с регулирующим поток газа клапаном, соединенными с центральным электродом.
Плазмотрон работает следующим образом.
Газ подается через центральный электрод 8. При включении системы питания магнетрона 7 на выходе сопла получают плазменный факел 6.
После запуска магнетрона 7 микроволновое излучение начинает накапливаться в системе прямоугольный резонатор 1 - коаксиальный резонатор 2. По мере работы магнетрона и накопления микроволновой энергии напряженность поля на конце сопла возрастает и, в некоторый момент времени, достигает пробойной величины. При этом на конце сопла в струе рабочего газа образуется пробой и формируется область газоразрядной плазмы. Эта плазма, в силу своей высокой проводимости, фактически становится продолжением внутреннего электрода коаксиальной линии, и электромагнитная волна теперь может распространяться дальше по коаксиалу, до конца области, занятой плазмой, где вновь обеспечиваются пробойные условия для прилегающей области. Таким образом, в струе рабочего газа формируется плазменный факел, длина которого может достигать десятков сантиметров. Поскольку даже при не очень мощных магнетронах напряженность электрического поля на конце сопла за счет накопления микроволновой энергии в коаксиальном резонаторе может достигать значительной величины, возможна работа устройства в широком спектре газов и их смесей.
Насадка обеспечивает свободный обзор и доступ к плазме факела. Малая величина ячейки сетки, из которой сделана насадка не позволяет микроволновой энергии излучаться наружу.