Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Электродинамика высокочастотных разрядов емкостного типа. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1513 14 15 > Следующая >>>

ния мощности плазмотрона подбирают соответствующую величину

121

расхода плазмообразующего газа.

С целью устранения явления шунтирования токоведущего канала разряда на стенки разрядной камеры возможно также выполнение разрядной камеры в виде чередующихся металлических и диэлектрических секций. Однако в этом случае возможность регулирования характеристик разряда будет ограничена.

Более широкими возможностями в регулировании параметрами разряда обладает конструкция ВЧ факельного плазмотрона, предложенная автора

ми в работе [117]. Данный плазмотрон представляет собой корпус (рис. 6.8), внутри которого коаксиально с зазором установлена разрядная камера с центральным стержневым электродом, выполненная в виде чередующихся металлических и диэлектрических секций.



p

g

Рис. 6.8. Схема секционированного факельного плазмотрона

При этом в упомянутом зазоре установлены конденсаторы переменной емкости в количестве, равном количеству металлических секций разрядной камеры, каждый из которых подключен между соответствующей металлической секцией разрядной камеры и корпусом.

Плазмотрон такого типа позволяет регулировать мощность разряда в широких пределах как за счет изменения емкостной связи факел«земля», так и путем изменения расхода плазмообразующего газа.

Недостатком такого

плазмотрона является низкий КПД, так как включение дополнительных емкостей между разрядной камерой и заземленным корпусом уменьшает величину емкости факел–«земля» и, как это видно из рис. 6.8, на котором изображена простейшая электрическая схема плазмотрона в виде цепи Неймана, приводит, соответ-

ственно, к увеличению сопротивления для токов смещения. В этом слу-







122

чае комплексное сопротивление для токов смещения будет иметь вид

   

zRj L L

ωω







Уменьшение модуля комплексного сопротивления для тока смещения, а следовательно, и увеличение КПД плазмотрона возможно посредством компенсации емкостей регулировочных конденсаторов дополнительными индуктивностями

Таким образом, повышение КПД плазмотрона достигается тем, что в зазоре между корпусом и разрядной камерой последовательно каждым регулировочным конденсатором устанавливается компенсирующая катушка индуктивности, величина индуктивности которой определяется

как

CCCC L

 



gppg p



гулировочного конденсатора до

. В этом случае уменьшение емкости ре-

C = 0 эквивалентно уменьшению до

нулевой величины диаметра разрядной камеры, что теоретически соответствует 100 % КПД плазмотрона. Однако в реальной конструкции включение дополнительных катушек индуктивности создает условия для дополнительных потерь на излучение, что в свою очередь уменьшает КПД плазмотрона. При этом также присутствуют джоулевы потери в других конструктивных элементах плазмотрона. Однако, даже с учетом вышеуказанных потерь, КПД

плазмотрона при использовании компен-

сирующих катушек индуктивности может составлять 80…85 %.



≈

─

Рис. 6.9. Высокочастотный плазмотрон с электропитанием разряда

гибридной электромагнитной волной

Заметим, что вышеописанный секционированный плазмотрон поз-

123

воляет регулировать плотность источников диссипации электромагнитной энергии вдоль плазмоида разряда. Аналогичными свойствами обладает и предложенный нами [117] высокочастотный плазмотрон с электропитанием разряда гибридной электромагнитной волной (рис. 6.9).

Среди используемых в настоящее время высокочастотных плазмотронов определенное место занимают плазмотроны на основе комбинированных разрядов. Так, например, существует ряд плазмотронов на основе комбиниров

анных ВЧ емкостного (ВЧЕ), ВЧ факельного и ВЧ индукционного разрядов (ВЧИР). Данные конструкции плазмотронов позволяют в некоторых случаях более полно использовать преимущества комбинируемых разрядов.

Заметим, что ВЧ-разряды емкостного типа, в том числе и ВЧФР, представляют собой сильно вытянутый плазменный шнур, горение которого осуществляется за счет диссип

ации энергии распространяющейся вдоль разряда волны типа ТМ. В то же время в плазме ВЧ индукционного разряда присутствуют компоненты поля, соответствующие волне типа ТЕ. При наложении ВЧИР на ВЧФР изменение параметров плазмы в разрядной камере происходит лишь за счет процессов тепломассопереноса, с позиции же электродинамического описания горение разрядов происходит практически независимо друг от друга.

С целью создания условий для распространения в плазме ВЧФР волны типа ТЕ нами предложено изменять характеристики поля, силовые линии которого направлены вдоль оси ВЧ факельного разряда. При этом в качестве источника ТЕ волны может быть использован индуктор для генер

ации ВЧИ разряда.

Таким образом, в замагниченной

плазме ВЧФР будут распространяться как волны ТМ-, так и ТЕ-типа. Изменяя вдоль разрядной камеры напряженность магнитного поля, мы можем изменять условия распространения возникающей при этом гибридной электромагнитной волны, увеличивая тем самым диссипацию электромагнитной энергии в разряде и тем самым КПД плазмотрона.

6.6. Теоретическая оценка параметров и характеристик высокочастотного факельного плазмотрона

У высокочастотного факельного плазмотрона (ВЧФП) рабочим элементом является высокочастотный факельный разряд (ВЧФР). Известно, что ВЧФП может возбуждаться в металлических разрядных камерах. В ВЧФП электрическая энергия, поступающая от ВЧ-генератора, поглощается каналом ВЧФР. Поэтому при расчете ВЧФП надо решить вопрос о теплообмене

между газовым потоком и каналом ВЧФР. Теоретически ВЧФП можно опи-





lr





124

сать системой уравнений, включающих законы сохранения массы, импульса, энергии электромагнитного поля с учетом следующих допущений:

Канал ВЧФР обладает осевой симметрией и является несовер-

шенным проводником, т. е.

ω 1, ω 1,

   

, где

осевая и радиальная составляющие электромагнитного поля, димость канала ВЧФР,

– частота поля,

– диэлектрические про-



– прово-



–

ницаемости вакуума и плазмы.

Уровень интегрального излучения не учитывается. Производные от вязкости по координатам не учитываются.

Зависимостью коэффициентов переноса от давления можно

пренебречь.

Пинч-эффект не существен и в расчет не принимается.

Соблюдается условие

 , где

– радиус и длина канала

,rl

ВЧФР.

С учетом этих допущений продольно-обдуваемым ВЧФР можно описать следующей системой уравнений:

Erv

  



vg r

 

rzrrr



ErE



iH iE

 



rrrr



 

rr r r







; (6.48)



 

; (6.49)



 

. (6.50)



При оценке некоторых параметров ВЧФР можно воспользоваться моделью одномерного статистического разряда, который горит в неподвижном газе внутри металлической или диэлектрической трубы.

В рамках металлического цилиндра область ВЧФР можно разделить на две зоны:

,kTT

да,

меры,

Зона поглощения энергии от ВЧ-поля:

rrT TT



– газовая температура на границе и максимальная в канале разря-

– радиус канала ВЧФР.

Зона отвода энергии за счет теплопроводности на стенку:

Rrr



TTT

ст 0

– радиус разрядной камеры.

, где

– температура газа вблизи разрядной ка-

ст

, где

Такое представление возможно вследствие сильной зависимости проводимости плазмы от температуры. Уравнение энергии (6.48) отражает то, что поток электромагнитной энергии, поступающий в разряд,

за счет теплопроводности отводится через стенку разрядной камеры.

























125

Интегрируя уравнение (6.48) между границей разряда и стенкой разрядной камеры, получаем

dT P R r 



ст

ln 2



, (6.51)

где

– удельная мощность разряда.

Без учета скин-эффекта [62] для первой зоны получим

где

2π 4π

PdTkTI, (6.52)

skk

– постоянная Больцмана; I – потенциал ионизации. С учетом

скин-эффекта находим

где

– толщина скин-слоя.



PrkTI

  , (6.53)

kk k k

Электромагнитная волна, бегущая вдоль слоя ВЧФР, с учетом диссипации энергии в канале разряда обладает удельной мощностью

где

– мощность на входе (на электроде ВЧФП);

PhP hz rQ

 



2exp2

коэффициент затухания электромагнитной волны;

ная мощность плазмы ВЧФР. При

2QhPr

для Q получаем выражение





, (6.54)

– усредненный

– объемная удель-

, (6.55)

r – радиус канала в основании ВЧФР. Подставляя (6.55) в уравне-

где ние (5.54), находим

Для длины





, на которой происходит в основном диссипа-

ция энергии, конечный радиус

exprr hz





. (6.56)



. В случае обеспе-

6,021exp rrr

чения сильного теплоотвода можно добиться уменьшения радиуса канала ВЧФР по длине.

В реальных случаях происходит унос тепла за счет конвекции. Решая уравнение (6.49), можно определить скорость конвективного потока:

где

– вязкость;

vgr

– сила тяжести;

g

, (6.57)

по своей величине равна не-

скольким метрам в секунду, а это вносит изменение в профиль ВЧФР.

В реально используемых ВЧФП применяется вихревая или осевая



















126

стабилизация канал ВЧФР. Воспользуемся дифференциальным уравнением для профиля разряда [119] в случае осевой стабилизации и наличия скин-эффекта:





dr dz h P H v r h z

22exp2



, (6.58)

где

– энтальпия плазмы. Интегрируя уравнение (6.58), получим про-

филь канала для ВЧФР:

1 2

. (6.59)

Для длины канала



   

rrP hzHv



1exp 2







12zh

 

rr PHv

loz

будем иметь

0,2





1 2



. (6.60)



Анализ уравнения (6.60) показывает, что при допустимых значени-

ях

rR P

   на длине

2,5 10 м,510Вт



можно получить

плазменный поток с температурой Т = 6000…7000 К при скоростях потока

v 

40...60



м/с.

Расчет ВЧФП по линии электродинамических уравнений может быть сведен к расчету некоторого волнового узла, элементом которого в качестве несовершенного проводника является плазма ВЧФР. Канал ВЧФР представляет собой присоединенную через электрод нагрузку ВЧ-генератора. При условии полного поглощения ВЧ-энергии канал ВЧФР будет являться согласованной нагрузкой. Для ВЧФП мощностью десятки кВт геометрические размеры кан

ала ВЧФР становятся соизмеримыми с длиной двухпроводной линии анодного контура ВЧ-генератора. Поэтому эквивалентную схему таких ВЧФП можно представить коаксиальной линией с потерями, по которой распространяется поперечная электромагнитная волна, внутренним проводником для которой является канал ВЧФР. При этом существенную роль играет затухание электромагнитной волны в канале ВЧФР. Использование описанной схемы, моделирующей ВЧФП, возможно, если известны некоторые пара здесь

должно играть волновое сопротивление и погонные параметры коак-

сиальной линии ВЧФП. Погонное активное сопротивление ВЧФП чает активное сопротивление разряда

RRR r R

  

12 2 2

12 2



корпуса разрядной камеры



метры. Основную роль



, (6.61)

вклю-

где

– электропроводность и магнитная проницаемость материала

,

разрядной камеры.

Погонная индуктивность L состоит из индуктивности разряда









































127

разрядной камеры

LL L L R Rr

     

123 0 2 2 0

и взаимоиндуктивности



82 2ω ln 2





Для погонной емкости ВЧФП будем иметь

. (6.62)

2ln

CRr



. (6.63)

Поперечная погонная проводимость находится по формуле

где

2ln

GRr

– проводимость холодного газа,



σ 0, 0G

, (6.64)

. Волновое сопротив-



ление и коэффициент распространения поля определяются из выражений





 

hRLC LC

 

z R iL iC







hh ih RiLiC

  



22222 2 1









ωω ω 2

ωω





; (6.65)



ωω



; (6.66)





. (6.67)

Полный ток, протекающий по каналу ВЧФР, равен:

JErdr  (6.68)

Для ВЧФП поле внутри канала разряда описывается следующим

выражением:

33 3

22 2

i kJ r J i kr i t hz J i kr 

zkk



2expω



, (6.69)

,JikrJikr

– функции Бес-



где

k  



– параметр среды;

селя.

Для мощности, поглощаемой всем объемом плазмы, будет иметь

PErdr. (6.70)

Решая (23) совместно с (22), получим

  





r h ber kr bei kr

 

mm m m



 

 

– средний радиус канала

где

1exp 2

kJ h l ber kr bei kr bei kr ber kr

 









,ber kr bei kr

– функции Кельвина;

ВЧФР, который можно определить по формуле (6.59).

, (6.71)

Решение уравнений (6.51)–(6.54) совместно с (6.61)–(6.63), (6.67)



128

дает возможность получить зависимости разряда, подводимой мощности

‐



r∙10

,м

5

4

3

2

1

и радиуса камеры R.

2

от температуры в канале

1

0

5

3

6

4

T∙10

‐3

K

Рис. 6.10. Зависимость радиуса канала разряда от его температуры:

1) σ = 106 См/м, μ = 1 Гн/м; 2) σ = 106 См/м, μ = 1,5 Гн/м;

3) σ = 2,2 106См/м, μ = 1 Гн/м; 4) σ = 2,2 106 См/м, μ = 1,5 Гн/м

Результаты расчета приведены для ВЧФР (см. рис. 6.10), горящего

на воздухе при частоте 13,56 МГц в металлических разрядных камерах



2,2 10 cм/м,1,5  

, и установлено, что каждому значению T

соответствует два режима горения ВЧФР. Проведенные эксперименты подтвердили возможность существования двух режимов горения ВЧФР: в шнуровой и диффузионной формах. В шнуровой форме ВЧФР представляет собой тонкий, ярко выделенный канал, окруженный диффузионной оболочкой. В диффузионной форме ВЧФР занимает практически

все сечение разрядной камеры диаметром 510 мообразования составлял 210

–3

м3 при мощности разряда  2104 Вт, и

такой канал устойчиво существовал при прокачке воздуха до 4 м

–2

м. При этом объем плаз-

/ч.

Контрольные вопросы к главе 6

1. Какие преимущества даёт использование амплитудномодулированной плазмы факельного разряда при проведении плазмохимических процессов?

Какая часть мощности факельного разряда может быть транс-

формирована в акустические колебания?

3. Какие существуют особенности функции распределения элек-

129

тронов по энергиям плазмы высокочастотного факельного разряда, горящего при атмосферном давлении?

Какие процессы происходят при введении капель водносолевых

растворов в плазменный поток?

Какие рекомендации следует выполнять для того чтобы умень-

шить размеры плазмохимического реактора?

Какова доля тепловых потерь в металлическом кожухе факель-

ного плазмотрона?

Какая частота электромагнитного поля является оптимальной

для работы факельного плакзмотрона?

Какие существуют режимы горения факельного разряда?

Заключение

130

В учебном пособии рассмотрены основные физические свойства и особенности высокочастотного факельного разряда. Наибольшее внимание при этом уделено особенностям электродинамики разряда. Впервые предложена электродинамическая модель высокочастотного разряда емкостного типа, учитывающая отражение электромагнитной волны в конце канала разряда. Рассмотрены методы определения волнового числа электромагнитной волны, поддерживающей горение разряда. Приведены экспериментальные материалы, сви

етельствующие о существовании нелинейных электродинамических эффектов в плазме разряда. Рассмотрены практические аспекты использования высокочастотных разрядов емкостного типа.

Разряды емкостного типа имеют ряд преимуществ перед высокочастотными индукционными разрядами. Высокочастотные разряды емкостного типа имеют большой объём плазмы при малой величине подводимой мощности, легко возбуждаются в различных средах, включа водород

. В связи с этим разряды емкостного типа в настоящее время

находят всё большее применение в технике и технологии.

Дальнейшие исследования в этой области науки могут быть направлены на выяснение границ применимости новой электродинамической модели для описания разрядов, горящих в газах малой плотности. Особый интерес представляет собой также изу

чение не

давно обнаруженных нелинейных электродинамических эффектов, в частности исследование их взаимосвязи с концентрацией электронов разрядной плазмы.

Для понимания материала, изложенного в данном учебном пособии, студенту необходимо предварительно изучить некоторые дополнительные аспекты традиционной электродинамики, в частности ознакомиться с решением электродинамической задачи для цилиндрического провода конечной проводимости. Для дальнейшего изучения нелинейных электродинамических явле

ний в плазме раз

ряда необходимо дополнительно ознакомиться с гидродинамической и кинетической моделями плазмы, а также способами решений уравнений, лежащих в их основе.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1513 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]