Эффективность электроплазменного нагрева воздуха в высокочастотном факельном разряде

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 276

УДК 537.52

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОГО НАГРЕВА ВОЗДУХА

В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ФАКЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ

Вл. Л. ТЕПЛОУХОВ, Г. Н. КОЛПАКОВ, Вик. Л. ТЕПЛОУХОВ, В. П. ДРЯМОВ, В. А. ВЕРНЯЕВ

Рассматривается эффективность нагрева воздуха в высокочастотных плазмотронах факельного типа. Для этого оцениваются потери энергии на различных участках в цепи источник питания — плазмотрон. Наряду с калориметрическим методом предложена методика измерения мощности разряда по электрическим параметрам, характеризующим работу высокочастотного генератора. Показано, что общий к.п.д. в. ч. факельного плазмотрона может достигать 0,7—0,8.

Иллюстраций 3, таблиц 2, библиографий 5.

Важными вопросами совершенствования технологии неорганических соединений является интенсификация, сокращение стадийности процессов, более полное использование сырья и дорогостоящих реагентов, автоматизация процессов. В этом плане большой интерес вызывают плазмохимические процессы, позволяющие сочетать интенсификации процессов, их непрерывность с возможностью построения более простых технологических схем.

Проводимые нами исследования различных плазмохимических процессов с использованием в. ч. индукционного и факельного разрядов позволили накопить определенный опыт по их эксплуатации. Лучше освоены и чаще применяются в. ч. плазмотроны индукционного типа, но поскольку кварцевые разрядники обладают низкой механической и химической стойкостью, то они не могут быть использованы для работы с токсичными средами. В связи с этим нами разработаны плазмотроны с использованием в. ч. факельного разряда [1, 2], на основе которых созданы плазмохимические реакторы как для гомогенных, так и гетерогенных процессов.

Эксплуатация в. ч. 'плазмотронов факельного типа показала, что в процессе их работы обеспечивается высокая чистота газоразрядной плазмы и практически неограниченный ресурс работы. Значительно больший по сравнению с электрической дугой пространственный объем в. ч. факельного разряда позволяет обеспечивать хороший тепло- и массо-обмен между газовым разрядом и плазмообразующим газом, а также обеспечивает эффективный нагрев твердых частиц.

Плазменная струя в дуговом плазмотроне проходит срез сопла со звуковой или сверхзвуковой скоростью. В этом случае достигается высокий (0,7-^0,8) к.п.д. дуговых плазмотронов. Плазмотроны же с ламинарной плазменной струей не представляют интерес из-за низкого к.п.д. При подаче твердых частиц в плазменную струю дуговых плазмотронов время контакта составляет 10~2 ч- Ю-3 сек [3]; вследствие

ОХА

этого эффективность нагрева твердых частиц невелика. По данным авторов [3] к. п. д. нагрева твердых частиц составляет 1

При в. ч. электроплазменном нагреве плазменная струя движется зачастую с дозвуковыми скоростями, которые можно менять в широких

пределах с сохранением общего высокого к. п. д. в.ч. плазмотрона (индукционного или факельного). Время контакта твердых частиц «с плазменной струей может быть увеличено на один—два порядка, т. е. 1,0—0,1 сек, соответственно эффективность нагрева твердых частиц увеличивается до 20—30% [3]. Однако часто вызывает сомнение эффективность использования в. ч. факельных плазмотронов. Поэтому нами проведены исследования с целью определения к. п. д. преобразования электрической энергии в тепловую.

Исследования проведены на генераторе типа ЛД4-10, переоборудованного специально на такую нагрузку. Генератор работает в диапазоне частот 37-НО мгц. В качестве плазмооб-разующего газа использовался воздух.

Конструкция в. ч, плазмотрона факельного типа (рис. 1) представляла водоохлаждае-мый электрод 1, помещенный в водоохлаждаемый секционный медный калориметр 2. Это позволяло снимать величину тепловой мощности на различных участках в. ч. факельного разряда. Естественно, что такая конструкция не могла обеспечить оптимальный ввод высокочастотной мощности в разряд, поэтому нами к. п. д. работы лампового генератора определялся по методике, предложенной в работе [4]. Предварительно эта методика была проверена калориметрическим методом на вышеуказанной конструкции. Эффективность же нагрева оценивалась для свободного (невозмущенного стенками) в. ч. факельного разряда.

Методика измерения калориметрической мощности состояла в следующем. Мощность, потребляемая из сети, измеряли трехфазным кило-ваттметром (класс 1,5). Мощность от выпрямителя Р0 измеряли амперметром типа М-1108 (класс 0,2) и киловольтметром С-96 (класс 1,5). Мощность, рассеиваемая на аноде, определялась калориметрированием, мощность плазменной струи и излучения плазмы Ра также определяли калориметрированием.

Рис. 1. Схема калориметрирования в. ч. факельного разряда: 1.— электрод; 2, 3 — мед-лый калориметр; 4 — термометры.

С другой стороны, калориметрические измерения мощности, рассеиваемой на аноде, дублировались измерениями к. п. д. лампового гене-ратора по его электрическим характеристикам. Для этого измеряли значения постоянных составляющих анодного /0 и сеточного /ос токов, напряжение питания генераторной лампы Еа и колебательное напряжение ик. Принцип расчета к. п. д. (ц) лампового генератора по его рабочим параметрам основан на классической квазилинейной теории лампового генератора и изложен в работах [4, 5].

Согласно этой методике г\ — к. п. д. лампового генератора, характеризующего потери мощности на аноде, вычисляется по известной формуле

т] = 0,5- т

<6

а

1

1

/

20

1,*

15

\

N ч.

\

^и 40 >0 60 70 во 90

<0 20 50 40 6 0 70 АО 90 8*

Рис. 2. Определение угла отсечки анодного тока автогенератора.

Рис. 3. Зависимость коэффициента формы кривой анодного тока от угла отсечки.

где у—коэффициент формы кривой анодного тока; £ — коэффициент использования анодного напряжения, равный отноше-

ик

нию -;

Коэффициент формы кривой анодного тока определяется по зависимости, представленной на рис. 2, где в — угол отсечки, определяемый по формуле 2 и графику на рис. 3.

В - в = - — (-^-

5 \ /0с — Еос + ВЕа

Здесь 5 — статическая крутизна характеристики генераторной лампы; В — проницаемость сетки; — сопротивление в цепи сетки; Iо — анодный постоянный ток; /ос — сеточный постоянный ток.

В процессе экспериментов в. ч. генератор ЛД4-10 эксплуатировался с 50%-ным анодным напряжением (3 кв). Мощность в. ч. разряда изменялась незначительно, калориметрирование проводили как свободного в.ч. факельного разряда, так и при осевом продуве воздуха.

В табл. 1 представлены результаты измерений параметров в. ч. генератора и тепловой мощности разряда в калориметре.

Из полученных данных следует, что результаты калориметрических измерений находятся в хорошем согласии с результатами электрических измерений. Кроме того, анализ показывает, что к. п. д. {^-в) выпрямитель-плазмотрон может быть повышен за счет увеличения коэффициента использования анодного напряжения который в наших измерениях соответствовал значениям 0,135-ь-0,258. Пути повышения значений £ возможны за счет разработки специальных конструкций в.ч.

факельных плазмотронов продува газа и использования специальных схем в. ч. генераторов.

Таблица 1

№ Iос /о Еа ик рк * а Рь Расход газа гк гэ

п.п. а а Кб в кет кет мъ\яас % %

1 0,25 2,8 3,1 550 1,17 8,67 _ 12,9 13,6

2 0,40 3,3 3,1 500 1,19 10,25 — 11,6 13,2

3 0,45 3,4 3,1 620 1,19 1,055 — П,4 15,1

4 0,55 3,7 3,1 420 1,30 11,40 __ П,4 14,6

5 0,70 3,9 3,1 730 1,27 12,0 1,2 Н,4 13,8

6 0,75 3,9 3,1 800 1,56 12,0 2,1 13,1 15,7

В подтверждение этого приведем значения при измерении

свободного в. ч. факельного разряда (табл. 2).

Таблица 2

№ la и к Рь • гэ Ра

п.п. а а кв кв кет % кет Примечание

1 0,95 3,6 3,0 1,55 10,8 42,7 4,60 для лампы ГУ45А D — 0,05

2 0,90 3,6 3,0 1,57 10 8 42,5 4,58 5=23-10~3 ale

3 0,90 3,0 3,0 1,65 9,0 46,2 4,16 Rc = 830 см

Продув в кварцевой трубе 0 50, расход воздуха 2,1 мг!час

4 0,90 3,2 3,0 2,2 9,6 61,7 5,93

Эти результаты свидетельствуют о достаточно высоком к. п. д. преобразования подведенной к выпрямителю мощности в мощность, выделяемую в в. ч. факельном разряде.

Существенное повышение к. п. д. в этом случае по сравнению с результатами табл. 1 происходит за счет увеличения £ = —— 1 которое

Еа

было повышено до значений 0,51 -ь 0,55.

Полный анализ потерь мощности, подведенной к в. ч. генератору, проводить нет необходимости, так как это проведено в работе авторов [3]. Согласно их данным общий к. (п. д. для в. ч. индукционного плазмотрона, источником питания которого является тот же тип в. ч. генераторов, может быть представлен

= ^н^т^в'7]*'^;

р — р

где 7]н = —- н — к. п. д., учитывающий потери мощности Рп на

накал;

б

7¡T = PJPT — к. п. д. анодного трансформатора;

7]в = Р0/Рв — к. п. д. высоковольтного выпрямителя;

тPJP0 — к. п. д. по анодной цепи;

у]K = PJPa — колебательная система-плазма.

Согласно работе авторов [3], Цн = 0,910 0,965, цт = 0,915 -^0,975, г]в = 0,995; по полученным нами данным для в.ч. факельного разряда т]а _в= ца . т]к = 0,50 0,61. Тогда общий к. п. д. в.ч. плазмотрона факельного типа, который может быть реализован в наших экспериментах, составляет

rio = 0,42 + 0,58.

По-видимому, максимально возможные к. п. д. в. ч. факельного плазмотрона по величине будут сравнимы с максимально возможными к. п. д. индукционных плазмотронов, т. е. достигать значений 0,7^-0,8 [3]. Это увеличение к. п. д. может быть достигнуто за счет работы в.ч. генераторов в режиме с g = 0,7; в = 50 60°.

Следует также отметить, что потери тепловой мощности в водоох-лаждаемом электроде составляли в наших опытах 6-*- 10% от общей тепловой мощности плазмотрона.

Таким образом, высокочастотные плазмотроны факельного типа являются эффективными нагревателями воздуха. Кроме того, они могут использоваться для нагрева и других технологических газов и их смесей. Среднемассовая температура плазменных воздушных струй таких плазмотронов по нашим оценкам может достигать 3500 4000°К.

ЛИТЕРАТУРА

1. И. А. Тихомиров, В. Л. Т е п л о у х о в, Г. Н. Колпаков. Труды III Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Минск, 1967.

2. А. А. Воробьев, И. А. Тихомиров, А. И. Карелин, В. JI. Теплоу-х о в, Г. Н. К о л п а к о в, Г. П. X а н д о р и н. Авторское свидетельство № 252300 с приоритетом от 10/VI-1968.

3. Л. М. Сорокин, И. Д. Кулагин, Н. Н. Рыкалин. Труды III Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Минск, 1967.

4. И. В. Егоров. Электротермия. 1970, 92, стр. 10.

5.. С. В. Персон, А. И. Лебедев-Карман о в, В. Я- Хацкелевич. Теория и расчет амплитудно-модулированных ламповых генераторов. Изд-во «Сов. радио», М., 1955.