ТРЕХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, предназначена для получения низкотемпературной плазмы и может быть использована в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также установках по утилизации токсичных и бытовых отходов.
Известен трехфазный генератор плазмы переменного тока, US 5081489 С, включающий электродный блок, в корпусе которого размещены, как начальные, так и рабочие части электродов, а также плазменный инжектор, в частности, плазмотрон, который позволяет осуществить ионизацию пространства между электродами; с электродным блоком соединен сопловой блок таким образом, что полости образуют общее пространство - электроразрядную камеру; на выходе соплового блока имеется сопло, через которое выходит генерированная плазма; на входе в электродный блок имеется кольцо для подачи плазмообразующего газа в электроразрядную камеру.
Недостатками этого устройства является невысокий технический ресурс генератора и малая зона, которая осуществляет взаимодействие электрической дуги, возникающей между электродами и плазмообразующего газа.
Известен трехфазный генератор плазмы переменного тока, RU 2225686 С, включающий электродный блок, в корпусе которого закреплены начальные части трех электродов и плазменный инжектор, и сопловой блок, соединенный с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, при этом на выходе соплового блока установлено сопло для выхода плазмы, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа, рабочие части электродов введены в полость соплового блока, при этом в электродном блоке и в сопловом блоке установлены, по меньшей мере, по одному дополнительному кольцу для подачи плазмообразующего газа.
Данное техническое решение принято за прототип настоящей полезной модели.
Недостатком этого устройства является невысокий технический ресурс генератора, обусловленный невозможностью увеличения плазменным инжектором количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, что необходимо для пробоя межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора и износа основных электродов. Кроме того, недостатком является низкий cos ϕ источника питания инжектора, что требует большой установочной мощности источника питания, и требуется компенсация реактивной мощности, что существенно удорожает трехфазный генератор плазмы переменного тока.
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи повышения технического ресурса генератора за счет обеспечения возможности увеличения количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, что необходимо для пробоя межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора и износа основных электродов. Кроме того, необходимо значительно удешевить стоимость трехфазного генератора плазмы переменного тока и уменьшить класс электробезопасности электроустановок (не более 600 В).
Эта задача решается за счет того что в трехфазном генераторе плазмы переменного тока, включающем электродный блок, в корпусе которого закреплены начальные части трех электродов и инжектор плазмы, и сопловой блок, соединенный с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, при этом на выходе соплового блока установлено сопло для выхода плазмы, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа, причем рабочие части электродов введены в полость соплового блока, при этом в электродном блоке и в сопловом блоке установленыдополнительные кольца для подачи плазмообразующего газа, согласно полезной модели, инжектор плазмы выполнен в виде регулируемого источника газоразрядной плазмы.
Регулируемый источник газоразрядной плазмы может быть выполнен на основе газовой горелки с регулируемым количеством подаваемого углеводородного топлива.
Реализация отличительных признаков полезной модели, в совокупности с признаками в ограничительной части формулы, обеспечивает важное, принципиальное новое свойство объекта: обеспечивается возможность регулировки количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, и его увеличения при износе основных электродов путем регулировки подаваемого углеводородного топлива, что необходимо для пробоя межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора. При этом обеспечивается возможность длительное время поддерживать на выходе генератора постоянную мощность, что значительно увеличивает технический ресурс генератора. Кроме того, в процессе горения углеводородного топлива в инжекторе на основе газовой горелки исключается процесс теплообмена между электрической дугой и плазмообразующим газом, уменьшается количество подаваемого воздуха, существенно упрощается и удешевляется конструкция;
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен трехфазный генератор плазмы переменного тока, разрез по продольной оси.
Трехфазный генератор плазмы переменного тока включает электродный блок 1 и сопловой блок 9, соединенные посредством фланцевого соединения таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру 10, представляющую собой единое пространство, ограниченное стенками корпусов указанных блоков. В корпусе электродного блока 1 укреплен инжектор 8, выполненный в виде регулируемого источника газоразрядной плазмы. В конкретном примере исполнения инжектор 8 выполнен на основе газовой горелки с регулируемым количеством подаваемого углеводородного топлива.
В корпусе электродного блока 1 закреплены начальные части 2 трех электродов, рабочие части 4 которых введены в полость соплового блока 9. Начальные части 2 трех электродов жестко соединены с подводящими штуцерами 3, в частности, они спаяны в единое целое. В начальной 2 и рабочей частях 4 электродов выполнен канал 5 для подачи охлаждающей жидкости. Канал 5 в конце рабочей части 4 электрода соединен с каналом 6 отводящего штуцера 7.
На выходе соплового блока 9 установлено сопло 11 для выхода плазмы. На входе электродного блока 1 смонтировано кольцо 12 для подачи плазмообразующего газа. Кроме того, для подачи плазмообразующего газа в электродном блоке 1 установлено дополнительное кольцо 13, а в сопловом блоке 9 установлены дополнительные кольца 14 и 15. В конкретном примере исполнения плазмообразующим газом является воздух.
Инжектор 8 плазмы, выполненный на основе газовой горелки, содержит корпус 16, патрубок 17 канала 18 подачи углеводородного топлива (например, пропана), патрубок 19 канала 20 подачи кислорода, патрубок 21 кольцевого канала 22 и отверстия 23 подачи кислорода для регулирования температуры плазменного потока. В корпусе 16 образована кольцевая смесительная камера 24 с выходными отверстиями 25. В центре корпуса 16 проходит канал 26 для размещения устройства 27 поджига смеси, которая подается в сопло 28 горелки.
Устройство работает следующим образом.
От газовых баллонов с регуляторами подачи топлива к патрубку 17 подводят углеводородное топливо (например, пропан), к патрубкам 19 и 21 подают кислород от двух разных баллонов с регуляторами подачи кислорода. По патрубку 19 и по каналу 20 в смесительную камеру 24 подают кислород и в эту же камеру по патрубку 17 и каналу 18 подают углеводородное топливо. В смесительной кольцевой камере 24 происходит перемешивание газов и смесь через отверстие 25 подается в сопло 28 горелки. Включают устройство 27 поджига смеси, смесь воспламеняется. В результате горения смеси создается струя высокотемпературного ионизированного газа, который направлен к основным электродам трехфазного генератора плазмы. По патрубку 21 и кольцевому каналу 22 с отверстиями 23 подают кислород для повышения и регулирования температуры струи высокотемпературного ионизированного газа.
Струя высокотемпературного ионизированного газа подается в электроразрядную камеру 10 и вызывает электрический пробой промежутка между рабочими частями 4 трех электродов, к которым приложено напряжение 480 В. Электрическая дуга возникает в месте, где электроды наиболее близко находятся друг к другу. Рельсотронный эффект заставляет электрическую дугу двигаться вдоль электродов в сторону сопла 11, что увеличивает ее длину. Через кольца 12, 13, 14, 15 в камеру 10 поступает плазмообразующий газ (воздух), который нагревается от электрической дуги и переходит в состояние плазмы. Трехфазная плазма (от трех электродов) движется вдоль продольной оси устройства и выходит через сопло 11. Как только напряжение на дуге достигает величины пробоя межэлектродного промежутка в самом узком месте, происходит повторный пробой, а первая дуга гаснет, цикл повторяется, получается трехфазная плазма переменного тока. Благодаря тому, что рабочие части 4 электродов введены в полость соплового блока 9 и наличию дополнительных колец 13, 14, 15 для подачи плазмообразующего газа, значительно увеличивается зона, в которой происходит взаимодействие электрической дуги и газа.
В процессе работы трехфазного плазмотрона переменного тока и износа основных электродов увеличивается минимальный межэлектродный зазор, для пробоя которого необходимо увеличить количество носителей (ионизированных атомов) в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру 10. Степень ионизации повышают путем увеличения подачи углеводородного топлива, которую регулируют регуляторами подачи топлива к патрубку 17 и регуляторами подачи кислорода к патрубкам 19 и 21, что в целом увеличивает ресурс работы трехфазного генератора плазмы переменного тока.
Для изготовления трехфазного генератора плазмы переменного тока использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данная полезная модель соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».