МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ПЛАЗМОТРОН
MULTI-STAGE PLASMOTRON

Изобретение относится к генераторам плазмы, а именно к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в плазму электрической энергии, и может быть использовано в металлургии для прямого восстановления металлов, в материаловедении для синтеза порошков, в плазмохимии для реализации высокотемпературных химических реакций, в экологии для переработки производственных отходов, а также других областях техники.
Существующие плазменные реакторы по своей сути и конструктивно представляют собой плазмотроны: дуговые плазмотроны, ВЧ-плазмотроны и СВЧ-плазмотроны /Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - 592 с./.
Недостатком дуговых плазмотронов является резкая пространственная неоднородность параметров плазмы, а недостатками ВЧ и СВЧ плазмотронов - ограниченная величина вводимой в плазму электрической энергии, лимитируемая мощностью используемых ВЧ и СВЧ генераторов (<100 кВт).
Вышеуказанные недостатки преодолены плазмой комбинированного разряда, зажигаемого в газе при одновременном приложении к нему постоянного и переменного электрических полей /Патент РФ №2361376/. Плазма комбинированного разряда объемна и однородна, а вводимая в ней электрическая энергия не ограничена мощностью ВЧ и СВЧ генераторов.
Комбинированный разряд реализован в гибридном плазмотроне, использующем электрическую энергию источника постоянного тока и СВЧ генератора /Lysov G., Leontiev I., Yashnov Yu. Combined MW-DC gas discharge, XXXI ICPIG, Granada, 14-19 July 2013/.
Известна конструкция двухступенчатого плазмотрона, в котором первая ступень представляет собой СВЧ разрядную камеру, а вторая - дуговой плазмотрон, при этом сформированный в СВЧ разрядной камере плазменный факел поступает внутрь дугового плазмотрона через его кольцевой катод /ЕВРОПАТЕНТ № GB2484209/.
Недостатком предложенного технического решения является то, что переменное (СВЧ) и постоянное электрические поля разнесены в пространстве, вследствие чего СВЧ поле из первой ступени не проникает в область кольцевого катода второй ступени, что ухудшает однородность эмиссии с его поверхности, снижая ресурс катода /Lysov G., Leontiev I., Yashnov Yu. Combined MW-DC gas discharge, XXXI ICPIG, Granada, 14-19 July 2013/.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является одноступенчатый гибридный плазмотрон в виде СВЧ плазмохимического реактора, включающего осесимметричную металлическую разрядную камеру с верхним и нижним торцевыми днищами, расположенный по оси камеры центральный электрод, проходящий сквозь верхнее днище и отделенный от него диэлектрической вставкой, СВЧ генератор и средства подвода СВЧ энергии в разрядную камеру, средств ввода реакционных газов и исходного материала в разрядную камеру, магнитную систему с соосным с камерой внешним соленоидом, трубу, установленную по оси у выходного отверстия нижнего днища, источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого подсоединен к центральному электроду, а положительный - к стенкам трубы /Патент РФ №2270536/.
Недостатками данного технического решения являются ограниченные протяженность плазмы, необходимая для эффективной переработки исходных продуктов, и величина вводимого в плазму комбинированного разряда электрической энергии из-за существования оптимального соотношения между СВЧ энергией и энергией постоянного тока 1:4 /www.twinn-plasma.com/, а мощность современных СВЧ генераторов, как было сказано выше, не превосходит сотни киловатт.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков при сохранении преимуществ комбинированного разряда.
Техническим результатом предложенного технического решения является повышение мощности гибридного плазмотрона.
Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в гибридном плазмотроне, включающем осесимметричную металлическую разрядную камеру с верхним и нижним торцевыми днищами, расположенный по оси камеры центральный электрод, проходящий сквозь верхнее днище и отделенный от него диэлектрической вставкой, СВЧ генератор и средства подвода СВЧ энергии в разрядную камеру, средств ввода реакционных газов и исходного материала в разрядную камеру, источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого подсоединен к центральному электроду, а положительный - к стенкам камеры, магнитную систему с соосным с камерой внешним соленоидом, трубу, установленную по оси у выходного отверстия нижнего днища, внутрь трубы между ее стенками и осью введены, по крайней мере, одна пара электродов, разнесенных вдоль оси и размещенных по азимуту так, что у их поверхностей, обращенных к оси, есть нормали, ориентированные преимущественно навстречу друг другу, и один источник тока, полюса которого подсоединены к электродам.
Электроды выполнены кольцевыми.
Источник тока пары кольцевых электродов является источником постоянного тока и в магнитную систему для каждой пары кольцевых катода и анода введен соосно с трубой внешний соленоид.
По крайней мере, часть нижнего днища разрядной камеры выполнена в виде катода по отношению к ближайшему кольцевому аноду.
Центральный электрод выполнен в виде полого цилиндра, к которому подсоединены средства ввода реакционных газов и/или исходного материала.
Часть электродов имеет принудительное охлаждение.
Труба имеет, по крайней мере, один ввод для реакционных газов и/или исходных продуктов.
У дальней от выходного отверстия днища пары электродов внутренний диаметр одного из них много меньше его внешнего диаметра, который меньше внутреннего диаметра другого электрода.
На фиг. 1 - схематично показан в разрезе двухступенчатый плазмотрон, одна из ступеней которого выполнена в виде гибридного плазмотрона.
На фиг. 2 - показана одна из ступеней с кольцевыми электродами многоступенчатого плазмотрона, подключенными к источнику постоянного тока.
Первая ступень двухступенчатого плазмотрона представляет собой осесимметричную разрядную камеру 1 преимущественно цилиндрической формы с металлическими стенками 2, верхним 3 и нижним 4 торцевыми днищами. Внутри камеры по ее оси размещен центральный электрод 5, проходящий через верхнее днище 3 и отделенный от него диэлектрической вставкой 6. СВЧ генератор 7 через волновод 8 подключен к разрядной камере 1. Разрядная камера 1 имеет вводы 9 и 10 для подачи в нее реакционных газов и/или исходного материала. Источник постоянного тока 11 подает отрицательный потенциал на центральный электрод 5, а положительный - на стенки 2. Внешний соленоид 12 магнитной системы, охватывающий разрядную камеру 1, создает в ней магнитное поле.
Вторая ступень выполнена в виде протяженной трубы 13, подсоединенной к торцевому нижнему днищу 4 разрядной камеры 1 и связанной с ней через отверстие 14 в нем. Внутри трубы 13 размещены попарно электроды 15 и 16, которые разнесены по азимуту, так что нормали n и n' их поверхностей направлены преимущественно навстречу друг к другу (их вектора образуют тупой угол), изолированы от стенок трубы диэлектрическим вставками 17, 18 и подсоединены к источнику питания 19.
Предпочтительнее размещать электроды на противоположных азимутах (угол между ними 180°).
Каждую пару электродов рассматривают как дополнительную ступень плазмотрона, фиг. 2. Число пар электродов (число ступеней) определяют по требуемой величине суммарной мощности многоступенчатого плазмотрона.
Многоступенчатый плазмотрон работает следующим образом.
В разрядную камеру 1 через вводы 9 и 10, выполненные, например, в виде патрубков, подают газ, формируя в ней газовый поток, направленный в сторону трубы 13. Разрядная камера 1, металлические стенки 2 которой выполнены, например, из нержавеющей стали вместе с центральным электродом 5, выполненным, например, из молибдена, представляет собой резонатор. В него от СВЧ генератора 7 через волновод 8 вводят СВЧ энергию и зажигают в газовом потоке СВЧ разряд.
Затем включают источник постоянного тока 11, пропускают через СВЧ разряд постоянный ток и получают комбинированный разряд.
Сформированный в разрядной камере 1 (первая ступень) поток плазмы комбинированного разряда через отверстие в нижнем торцевом днище 4, выполненном, по крайней мере, в области отверстия из тугоплавкого металла, например молибдена, втекает в трубу 13, выполненную, например, из нержавеющей стали.
Поток плазмы движется вдоль оси трубы 13, протекая около пары электродов 15, 16, выполненных, например, из меди и электрически изолированных от стенок трубы диэлектрическими вставками 17, 18, выполненными, например, из фторопласта. К электродам 15, 16 подают напряжение от источника 19, например регулируемого источника переменного тока, пропуская сквозь протекающий плазменный поток электрический ток, вводя в плазму дополнительную энергию, чтобы компенсировать тепловые потери плазмы и поддерживать ее параметры постоянными по длине.
Для эффективного прохождения тока через плазму электроды 15, 16 разносят по азимуту.
Таким образом, многоступенчатый плазмотрон производит пространственно протяженную плазму и вводит в нее большую электрическую энергию по сравнению с прототипом, не снижая ее долговечности, причем величина этой энергии возрастает пропорционально числу ступеней плазмотрона. Кроме того, предложенное техническое решение, увеличивая длину плазменного потока, поддерживает параметры плазмы постоянными по всей длине потока, что повышает эффективность переработки исходных продуктов за счет увеличения ее длительности.
Для большей эффективности ввода электрической энергии в плазму от источника 19 электроды 15 и 16 выполнены кольцевыми. При таком расположении электродов вектор электрического поля пересекает весь объем плазмы.
Для еще большего повышения вводимой в плазму электрической энергии используют источник постоянного тока 19 пары кольцевых электродов 15, 16 и вводят соосно с трубой внешний соленоид 20. Это позволяет зажечь и поддерживать между кольцевыми электродами дуговой разряд, электрическая мощность которого максимальна из всех существующих типов газового разряда /Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - 592 с./, но ограничивает долговечность электродов.
Для повышения эффективности переработки исходных продуктов увеличивают время их пребывания в плазме за счет их ввода через открытую полость внутри центрального электрода 5, для чего центральный электрод выполняют в виде полого цилиндра.
Для упрощения конструкции за счет снижения числа кольцевых электродов часть нижнего днища 4, прилегающую к отверстию в нем, используют в качестве одного из катодов по отношению к ближайшему кольцевому электроду.
Для повышения вводимой в плазму электрической энергии теплонагруженные кольцевые электроды имеют принудительное охлаждение.
Для расширения функциональных возможностей многоступенчатого плазмотрона труба 13 имеет вводы для реакционных газов и исходных продуктов.
Для плавного снижения скорости плазменного потока, вытекающего из трубы, в последней ступени диаметр последнего кольцевого электрода увеличивают, расширяя сечение плазменного потока.