КОМБИНИРОВАННЫЙ ПЛАЗМОТРОН
COMBINED PLASMATRON

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к конструкции плазмотронов, применяемых для плазмохимических процессов в качестве источника низкотемпературной плазмы.
Известен высокочастотный индукционный (ВЧИ) плазмотрон, содержащий металлическую камеру, образованную набором водоохлаждаемых трубок, расположенных по образующей цилиндра, в которой зазоры между трубками перекрыты вставками из диэлектрического термостойкого материала, индуктор, охватывающий металлическую камеру и диэлектрическую оболочку, отделяющую металлическую камеру от индуктора. Диэлектрическая оболочка выполнена из трех слоев, первый из которых, обращенный к металлической камере, выполнен из эпоксидного компаунда с термостойким диэлектрическим гидрофильным наполнителем, второй слой выполнен из кремнийорганического компаунда, а третий - из термостойкого диэлектрического гидрофильного тканевого материала [Патент РФ №2142679]. Недостатками плазмотрона являются сложность его сборки и низкая ремонтопригодность, небольшой ресурс работы. Поэтому эксплуатация таких ВЧИ плазмотронов неприемлема для промышленных условий.
Известен ВЧИ плазмотрон, выбранный за прототип [Основы теории и расчета высокочастотных плазмотронов. Дресвин С.В. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991, - 312 с.]. Основными элементами плазмотрона являются: металлическая камера, состоящая из водоохлаждаемых профилированных трубок, расположенных по образующей цилиндра, кварцевая труба, служащая кожухом для металлической камеры, индуктор, охватывающий металлическую камеру и кварцевую трубу и расположенный концентрично с ними, к которому подключен источник питания высокой частоты. Недостатком этого ВЧИ плазмотрона является сложность изготовления. Изготовление камеры плазмотрона осуществляется из отдельных профилированных труб, свариваемых между собой. При этом сварные швы располагаются не только на внешней, но и на внутренней поверхности камеры плазмотрона, что существенно затрудняет сварку. Кроме того, сборка камеры плазмотрона из отдельных труб, располагаемых по образующей цилиндра, неизбежно приводит к искажениям цилиндрической формы камеры. Также необходимо отметить, что из-за применяемого в плазмотроне способа поджига плазмы (с помощью угольного электрода) существуют трудности использования такого плазмотрона в промышленных условиях. К недостаткам плазмотрона также следует отнести ненадежность эксплуатации плазмотрона и его низкий ресурс работы.
Задачей является упрощение изготовления плазмотрона, улучшение условий его использования в промышленности, повышение надежности и увеличение ресурса работы плазмотрона.
Для решения поставленной задачи предложен комбинированный плазмотрон, содержащий металлическую водоохлаждаемую камеру с продольными разрезами, которая изготовлена из металлической трубы с толщиной стенки 7-20 мм, в которой выполнены продольные каналы водоохлаждения, с внешней стороны герметично закрытые металлическими накладками. На камеру надета кварцевая труба, выполняющая роль кожуха, установленная на съемные фланцы с возможностью съема. Индуктор охватывает камеру и кварцевую трубу, причем витки индуктора покрыты электроизоляционным материалом. Снизу к камере через газоформирователь, который установлен на входе камеры, подсоединен дуговой плазмотрон.
В предлагаемой конструкции плазмотрона цилиндрическая камера изготовлена сразу из цилиндрической трубы, непосредственно в которой выполнены каналы водоохлаждения, с внешней стороны герметично закрываемые накладками. При этом цилиндрическая форма камеры обеспечивается ее изготовлением из цилиндрической трубы, а герметичное соединение накладок с трубой необходимо осуществить только с внешней стороны камеры, что приводит к упрощению изготовления камеры плазмотрона и повышению точности изготовления.
Витки индуктора покрыты электроизоляционным материалом, например фторопластом, в результате чего исключается возникновение межвитковых пробоев индуктора при зажигании плазмы, что приводит к повышению надежности и увеличению ресурса работы плазмотрона.
Кварцевая трубка установлена с возможностью съема, что приводит к увеличению ресурса работы плазмотрона за счет возможности ее замены на новую без замены остальных элементов плазмотрона.
Подсоединение дугового плазмотрона обеспечивает создание ламинарного потока плазмы, предназначенного для поджига плазмы в металлической водоохлаждаемой камере, тем самым улучшаются условия использования плазмотрона в промышленности.
Толщина стенки трубы камеры изготовлена в пределах 7-20 мм. При толщинах менее 7 мм возникают трудности с подачей воды через каналы водоохлаждения с расходом, достаточным для снятия выделяемой в камере тепловой мощности. При толщинах, превышающих 20 мм, чрезмерно возрастает вес камеры и ухудшается индукционная связь между индуктором и плазмой.
Комбинированный плазмотрон (чертеж) содержит металлическую камеру 1, изготовленную из трубы с каналами водоохлаждения, кварцевую трубу 2, индуктор 3, съемный фланец 4, газоформирователь со штуцером 5, переходной фланец 6 для подключения дугового плазмотрона.
Разрезная металлическая камера 1 изготовлена, например, из медной трубы, толщиной 7 мм, 13 мм и 20 мм, в которой выполнены каналы водоохлаждения, прикрытые медными накладками, герметично приваренными к трубе. Кварцевая труба 2 установлена на съемные фланцы 4. Витки индуктора помещены внутрь, например, фторопластовой трубки. Снизу к фланцу разрезной металлической камеры присоединен газоформирователь со штуцером 5, через который осуществляют подачу плазмообразующего газа. Снизу к газоформирователю 5 присоединен переходной фланец 6 для крепления дугового плазмотрона, который создает ламинарный поток плазмы.
Плазмотрон применен в плазменной установке для получения нанопорошка диоксида титана. Плазменная струя с температурой плазмы, лежащей в диапазоне 7-10 тыс. К, и скоростью до 100 м/с, созданная дуговым плазмотроном марки ПН-В1, с увеличенным диаметром канала дуги, истекает во внутреннюю часть разрезной металлической камеры и обеспечивает в ней ионизацию плазмообразующего газа. Созданное протекающим по четырехвитковому индуктору током частотой 5,28 МГц электромагнитное поле индуцирует в канале металлической камеры кольцевой ток, тем самым образуя безэлектродную плазму мощностью 30 кВт. 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 плазмы электропитание дугового плазмотрона постоянного тока отключается, и струя дугового плазмотрона гаснет. При этом струя безэлектродной плазмы истекает в реактор, подключенный к выходу комбинированного плазмотрона. Одновременно в реактор подается исходный порошок диоксида титана, который испаряется в плазменной струе. После этого полученная парогазовая смесь на выходе реактора резко охлаждается, что приводит к образованию наночастиц диоксида титана.
Заявляемая конструкция комбинированного плазмотрона является более простой в изготовлении, обеспечивает улучшение условий использования плазмотрона в промышленности, повышение надежности и увеличение ресурса работы.