Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика и техника высокочастотной газоразрядной плазмы. Лабораторный практикум. Учебное пособие.pdf
31
чение чувствительности, которое затем сравнивал с экспериментальными значениями. Хорошего совпадения не наблюдалось.
Однако точное значение чувствительности не всегда требуется: более важна максимальная чувствительность, которая позволяет определить пределы применимости энтальпийного датчика. Максимальная
чувствительность достигается, когда отбираемый газ полностью отдает
свое тепло, охлаждаясь в капилляре до температуры стенки. Массовая
скорость газа, проходящего через датчик, не должна превышать массовой скорости течения плазмы, иначе структура потока будет нарушена.
Формулу для вычисления максимальной чувствительности энтальпийного датчика можно представить в виде
max
K
f
H v S
Q
,
где ∙v – массовый расход отбираемого газа ( – плотность газа; v – его
скорость в трубке); SK – площадь поперечного сечения входного отверстия
для отбора газа; Qf – полный тепловой поток, получаемый датчиком.
На рис. 4.3 представлены расчетные зависимости максимальной
чувствительности датчика от температуры при разных фиксированных
скоростях течения аргоновой плазмы. Полный тепловой поток Qf вычислялся из условий теплообмена датчика с потоком плазмы по критериальной зависимости:
f n k
Q Q H v S
,
где Qn – тепловой поток на датчик без отсоса газа:
0,2
0,5 0,4 0,52
пл
амб
ст
0,5 Re Pr 1 ;
i
n
P
HH
Q Le dl
d H c
– коэффициент теплопроводности; – плотность; – вязкость; ср –
теплоемкость; Нi – энтальпия ионизации; ΔH – энтальпийный напор;
Le
амб
– критерий Льюиса–Семенова, учитывающий только амбиполярную диффузию.
Диаметр d и длина l поверхности датчика, находящегося в плазме:
l = 1,0 см для d = 0,5 см. Диаметр капилляра считался равным 1,0 мм.
В соответствии с рис. 4.3 чувствительность датчика с увеличением
температуры падает, а с увеличением скорости течения плазмы растет.
Пунктирная кривая вычислена для условий, когда скорость течения
прямо пропорциональна температуре плазмы. Измерения более точны
в области низких температур и высоких скоростей плазмы. При переходе к молекулярному газу, например к кислороду, чувствительность датчика возрастает.
32
Рис. 4.3. Зависимость максимальной чувствительности
энтальпийного датчика от температуры плазмы аргона
(d = 5 мм, l = 10 мм)
Учитывая рассмотренную чувствительность энтальпийного датчика и погрешности определения теплового потока при отборе газа через
капилляр ±5 %, градуировки расходомера ±3 %, расчета энтальпии
в зависимости от температуры ±2 %, можно считать, что погрешность
определения температуры составляет ±10 %. При отсутствии в плазме
термодинамического равновесия точность определения температуры
уменьшается, но погрешность при этом не превышает ±20 %.
В последнее время развивается метод, основанный на измерении
теплоотдачи от плазмы к вносимым телам. Критериальная зависимость
позволяет установить связь между плотностью теплового потока q, скоростью течения плазмы или динамическим напором и температурой.
Обычно тепловой поток определяют с помощью цилиндрического калориметрического датчика, а скорость течения плазмы – по измерениям
динамического напора. Критериальная зависимость используется в следующем виде:
0,2
0,25
0,4 0,52
пл
4
ст
0,6Pr 1 1
Д
P
H
qH
Le
Hc
pd
,
где р – динамический напор; Нд – энтальпия диссоциации.
В правой части все параметры зависят только от температуры и,
следовательно, величину
4
qp
можно вычислить и сопоставить с экс-
периментальными значениями. Из этого сопоставления и определяется
температура плазмы, точность вычисления которой зависит от правильности выбора критериальной зависимости, точности определения усло-
33
вий теплообмена, погрешности измерения теплофизических характеристик плазмы, теплового потока и скоростного напора плазменной струи.
Приведенная критериальная зависимость подтверждена экспериментально с погрешностью ±25 %. Погрешность вычисления температуры
по тепловому потоку и скорости течения плазмы составляет ±10 % в области температур, где имеет место ионизация или диссоциация газа.
4.3. Описание плазменной установки на базе ВЧФ-плазмотрона
Плазменная установка на базе ВЧФ-плазмотрона предназначена
для генерирования потоков воздушной плазмы и представляет собой
функциональное объединение двух блоков (рис. 4.4):
генераторный блок (ВЧ-генератор ВЧГ8-60/13);
технологический блок (ВЧФ-плазмотрон).
1
К
2
3
4
5
6
ВОДА
В8
В9
М2
Р4
В4
Р3
В3
Р2
В2
Р1
В1
В5
В6
В7
М1
Рис. 4.4. Схема плазменной установки на базе ВЧФ-плазмотрона:
1 – ВЧ-генератор ВЧГ8-60/13; 2 – водоохлаждаемый электрод;
3 – узел ввода плазмообразующего и охлаждающего газа;
4 – водоохлаждаемый корпус ВЧФ-плазмотрона; 5 – кварцевая разрядная
камера ВЧФ-плазмотрона; 6 – слив охлаждающей воды; К – компрессор;
М1, М2 – манометры; Р1–Р4 – ротаметры; В1–В9 – вентили
ВЧ-генератор ВЧГ8-60/13 размещён в экранированном металлическом шкафу, обеспечивающем надёжную защиту от электромагнитного
излучения. Основные технические характеристики ВЧ-генератора
ВЧГ8-60/13 приведены в табл. 4.1.
Высокочастотный экранированный отсек разделен на две части: анодную и сеточную. В анодной части расположены: генераторная лампа ГУ-66А
со стендом охлаждения, водоохлаждаемая регулируемая анодная индуктивность, две группы регулируемых вакуумных конденсаторов КП1-3-15/350
для регулирования частоты и мощности ВЧ-генератора, фидер – для связи
генератора с нагрузкой, дроссель безопасности, дроссели фильтра.
34
Таблица 4.1
Основные технические характеристики генератора ВЧГ8-60/13
Величина
Единица измерения
Значение
Напряжение питающей сети
В
380
Частота питающей сети
Гц
50
Потребляемая мощность
кВт
90
Колебательная мощность
кВт
60 ± 6
Рабочая частота
МГц
13,56 ± 0,13
КПД % не менее 75
Напряжение анодное
кВ
10,4…10,5
Ток анодный
А
7,6…7,7
Ток сеточный
А
1,8
Расход охлаждающей воды
м3/ч
не менее 1,4
В сеточной части расположены: сеточная водоохлаждаемая индуктивность, вакуумный конденсатор КП1-3-15/350 с ручной регулировкой
сеточного тока, сеточный дроссель, блокировочные конденсаторы и антипаразитные сопротивления.
Электрические выводы из высокочастотного отсека выполнены через проходные конденсаторы.
В неэкранированном отсеке расположены: рубильник, контактор,
анодный трансформатор, выпрямитель, трансформатор накала генераторной лампы, аппаратура управления, контроля и защиты, вентилятор для
охлаждения генераторной лампы, приводы вакуумных конденсаторов.
На дверях ВЧ-генератора с лицевой стороны расположены измерительные приборы, сигнальные лампы, кнопки и тумблеры включения
и управления генератором, блок стабилизации частоты, гнездо для измерения частоты.
На левой боковой стороне шкафа ВЧ-генератора расположен переключатель анодного напряжения (50 и 100 %).
На нижней раме ВЧ-генератора имеются трубки для подачи и слива
охлаждающей воды, болты для подсоединения генератора к общему заземлению.
Технологический блок (ВЧФ-плазмотрон) включает следующие
основные элементы (рис. 4.1): водоохлаждаемый электрод 2; узел ввода
плазмообразующего и охлаждающего газа 3; водоохлаждаемый корпус
ВЧФ-плазмотрона 4; кварцевая разрядная камера ВЧФ-плазмотрона 5;
слив охлаждающей воды 6; компрессор К; манометры (М1, М2); ротаметры (Р1–Р4); вентили (В1–В9).
35
4.4. Порядок выполнения работы
Работа выполняется в следующей последовательности:
1. До возбуждения разряда в ВЧФ-плазмотроне замерить темпера-
туру охлаждающей воды на водоохлаждаемых элементах установки
(анод генераторной лампы, сеточная и анодная индуктивность, электрод
и корпус плазмотрона). Результаты измерений занести в табл. 4.2, 4.3.
2. Включить компрессор К (рис. 4.4) и вентилем В1 установить
на ротаметре Р1 необходимый расход плазмообразующего газа QПГ,
а вентилем В2 – на ротаметре Р2 расход газа QОГ, охлаждающего кварцевую разрядную камеру. При помощи узла «поджига» возбудить ВЧФразряд в разрядной камере ВЧФ-плазмотрона и позиционерами на лицевой панели шкафа ВЧ-генератора довести заданный режим работы генератора (JА = 2,0…5,0 А, JС = 1,2…1,5 А).
3. Через 10 минут, после установления режимов, провести замеры
температуры охлаждающей воды на водоохлаждаемых элементах плазменного стенда.
4. Используя данные, полученные в лабораторной работе «Граду-
ировка датчиков расхода жидкости и газа», рассчитать потери тепловой
мощности, выделяемые на водоохлаждаемых элементах системы
«ВЧ-генератор – ВЧФ-плазмотрон».
5. Определить мощность плазменной струи, генерируемой ВЧФ-
плазмотроном, при различных значениях анодного тока JА, расхода
плазмообразующего газа QПГ и расхода газа QОГ, охлаждающего кварцевую разрядную камеру ВЧФ-плазмотрона.
6. Определить КПД ВЧФ-плазмотрона.
7. Провести математическую обработку полученных результатов.
Построить графические зависимости КПД ВЧФ-плазмотрона от анодного тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ и расхода газа QОГ,
охлаждающего кварцевую разрядную камеру ВЧФ-плазмотрона. Результаты измерений занести в табл. 4.4.
8. Провести анализ полученных результатов. Определить опти-
мальные режимы работы ВЧФ-плазмотрона с максимальной среднемассовой температурой и КПД. Сделать выводы.
Таблица 4.2
Начальные параметры плазмообразующего газа и воды
Плазмообр.
газ
Анод
Сетка
Электрод
Корпус
плазмотрона
t
нач
, °C
Q, г/с
36
Таблица 4.3
Режимы работы плазменной установки
№
Jа, А Jс, А Uа,
кВ
Qг,
г/с
Qа,
г/с
Δtа,
°C
Qс,
г/с
Δtс,
°C
Qэ,
г/с
Δtэ,
°C
Qк,
г/с
Δtк,
°C 1 2 … 7
Mср
ΔM
4.5. Расчетные формулы
1. Мощность, потребляемая ВЧ-генератором от сети:
0 aa
P J U
, кВт,
где Ja – ток анода, А; Ua – напряжение на аноде генераторной лампы, кВ.
2. Мощность, выделяемая на аноде генераторной лампы:
3
4,186 10
а a p a
P m c t
, кВт,
где ma – массовый расход воды для охлаждения анода генераторной
лампы, кг/с; Cp – теплоемкость воды, ккал/кг; Δta – разность начальной
и конечной температур охлаждающей воды, °C.
3. Мощность, выделяемая на сеточной и анодной индуктивности:
3
4,186 10
с с p с
P m c t
, кВт,
где mс – массовый расход воды для охлаждения сеточной и анодной индуктивности, кг/с; Δtс – разность начальной и конечной температур
охлаждающей сеточную и анодную индуктивность воды, °C.
4. Мощность, выделяемая на электроде ВЧ-плазмотрона:
3
э э э
4,186 10
p
P m c t
, кВт,
где mэ – массовый расход воды для охлаждения электрода, кг/с; Δtэ –
разность начальной и конечной температур охлаждающей воды, °C.
5. Мощность, выделяемая на корпусе ВЧ-плазмотрона:
3
кп кп кп
4,186 10
p
P m c t
, кВт,
где mкп – массовый расход воды для охлаждения корпуса, кг/с; Δtкп –
разность начальной и конечной температур воды, °C.
6. Мощность ВЧФ-разряда:
разр 0 э
()
ac
P P P P P
, кВт.
37
7. Мощность воздушной плазменной струи, генерируемой
ВЧФ-плазмотроном:
стр разр кп
P P P
, кВт.
8. КПД ВЧФ-плазмотрона:
стр
пл
разр
100
P
P
, %.
9. Энтальпия плазменной струи:
стр
3
298
г
10
T
P
HH
Q
, кДж/кг,
где Qг – массовый расход плазмообразующего газа (воздуха), кг/с; Н
298
–
энтальпия воздуха при 298 К.
10. Среднемассовая температура воздушной плазменной струи
определялась с помощью графической зависимости, представленной
на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Влияние температуры на энтальпию воздуха
38
Таблица 4.4
Распределение потерь мощности на элементах плазменной установки
№
P0,
кВт
Pа,
кВт
Pс,
кВт
Pэ,
кВт
Pк,
кВт
P
раз
,
кВт
P
стр
,
кВт
ηпл, % HT,
кДж/кг
T
стр
,
K
1
2
…
7
Mср
ΔM
4.6. Математическая обработка и представление результатов экспериментальных исследований
Проводятся в следующей последовательности:
1. Для каждой серии измерений (n = 7) вычислить среднее значение:
_
1
1
.
n
i
i
tt
n
2. Определить погрешности отдельных измерений:
_
0
.
ii
t t t
3. Для контроля правильности вычислений отклонений результа-
тов измерений от среднего арифметического вычислить:
0
1
,
n
i
it
если результаты равны нулю, следовательно, ошибок в расчетах не было.
4. Вычислить квадраты погрешностей отдельных измерений. Для
контроля правильности вычисления сумм квадратов отклонений воспользоваться тождеством:
_
_
2 2 2
11
( ) .
nn
ii
ii
t t t nt
5. Вычислить среднюю квадратичную погрешность результата се-
рии измерений (среднего арифметического):
0
2
1
()
.
( 1)
n
i
i
x
t
S
n
39
6. Для определения границ доверительного интервала воспользо-
ваться неравенством Чебышева:
2
1
( ) 1 ,
xx
P x k S x x k S
k
для доверительной вероятности α = 0,95 коэффициент kα = 4,4.
7. Вычислить границы доверительного интервала:
0
.
x
t k S
8. Вычислить относительную погрешность результата серии изме-
рений:
0
0
100 %.
t
t
t
9. Построить по итогам проведенной обработки результатов изме-
рений графические зависимости КПД ВЧФ-плазмотрона от анодного
тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ и расхода охлаждающего
кварцевую разрядную камеру газа QОГ.
4.7. Требования к содержанию отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Цель проведения работы.
2. Схему плазменной установки на базе ВЧФ-плазмотрона и ее
краткое описание.
3. Табличные данные и графические зависимости КПД ВЧФ-
плазмотрона от анодного тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ
и расхода газа QОГ, охлаждающего кварцевую разрядную камеру
ВЧФ-плазмотрона.
4. Анализ полученных результатов. Оптимальные режимы работы
ВЧФ-плазмотрона с максимальным КПД. Выводы.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите основные узлы плазменной установки.
2. Опишите последовательность включения установки.
3. Опишите последовательность выключения установки.
4. Перечислите требования безопасности перед началом, во время
и по окончании работы установки.
5. Перечислите требования безопасности при аварийных ситуаци-
ях на установке.
6. Как определяется среднее значение для каждой серии измерений?
7. Как определяется погрешность отдельных измерений?
40
8. Как осуществляется правильность вычислений отклонений ре-
зультатов измерений от среднего арифметического?
9. Как осуществляется контроль правильности вычисления сумм
квадратов отклонений результатов измерений?
10. Как осуществляется правильность вычислений отклонений ре-
зультатов измерений от среднего арифметического?
11. Как определяется среднеквадратичная погрешность результата
серии измерений (среднего арифметического)?
12. Что означает доверительная вероятность α = 0,95?
13. Назовите размер серии измерений, чтобы доверительная веро-
ятность составляла α = 0,95.
14. Назовите величину коэффициента kα для α = 0,95.
15. Как вычисляются границы доверительного интервала?
16. Как определяется относительная погрешность результата серии
измерений?
Список литературы
1. Дресвин С.В. Физика и техника низкотемпературной плазмы /
С.В. Дресвин. – Москва : Атомиздат, 1972. – 352 с.
2. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы /
С.А. Крапивина. – Ленинград : Химия, 1981. – 248 с.
3. Артамонов А.Г. Математическое моделирование и оптимизация
плазмохимических процессов / А.Г. Артамонов, В.М. Володин,
В.Г. Авдеев. – Москва : Химия, 1989. – 224 с.
4. Пархоменко В.Д. Технология плазмохимических производств /
В.Д. Пархоменко, П.Н. Цыбулев, Ю.И. Краснокутский. – Киев : Выща
школа, 1991. – 253 с.
5. Каренгин А.Г. Плазменные техника и технологии в ядерном топ-
ливном цикле. Часть 1 : учебное пособие / А.Г. Каренгин, И.Ю. Новоселов, А.А. Каренгин. – Томск : Изд-во ТПУ, 2020. – 149 с.
6. Кондрашов А.П. Основы физического эксперимента и матема-
тическая обработка результатов измерений / А.П. Кондрашов,
Е.В. Шестопалов. – Москва : Атомиздат, 1977. – 195 с.
7. Ясельский В.К. Обработка результатов измерений : учебное по-
собие / В.К. Ясельский, А.И. Кузнецов, В.Ф. Дядик. – Томск : ТПИ,
1977. – 95 с.