Электродинамические, излучательные и физико-химические свойства низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа

Одним из способов получения низкотемпературной плазмы являются индукционные разряды различных типов. Их преимущество перед дуговыми разрядами заключается в том, что индукционный разряд позволяет получать чистую плазму при неограниченном ресурсе работы. Высокочастотные индукционные разряды (ВЧИР) известны давно. На основе ВЧИР созданы различные конструкции высокочастотных пламотронов (ВЧИ-плазмотроны). ВЧИ-плазмотрон обычно представляет собой воздушный трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой, а безэлектродная ВЧИ-плазма — вторичной обмоткой. Создание мощных ВЧИ-плазмотронов обычно ограничивается сложностью разработки мощных (выше мегаватта) источников питания частотой 1-ИО МГц и компенсацией большой реактивной мощности. Качественно новый подход в получении безэлектродной плазмы мощностью сотни и тысячи киловатт является разработка низкочастотного индукционного плазмотрона трансформаторного типа (НИРТТ) [1 — 6], в котором использование магнитопровода позволяет работать на сравнительно низких частотах (~104 Гц). Трансформаторный плазмотрон не имеет указанные выше недостатки, свойственные ВЧИ-плазмотронам, но при его разработке требуется решать не менее сложные с инженерной точки зрения задачи (например такие, как создание магнитопроводов, работающих в килогерцовом частотном диапазоне на высоких значениях индукции магнитного поля и обладающих при этом малыми потерями мощности).

Существует большое количество работ посвященных исследованию характеристик ВИР как повышенного, так и пониженного давления. Информация же относительно низкочастотных индукционных разрядов трансформаторного типа практически отсутствует, известно лишь несколько работ, посвященных исследованию некоторых характеристик данного типа разряда. При этом данные не систематизированы и получить полную картину, описывающую свойства трансформаторного разряда, не представляется возможным.

Исследование низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа было начато в 1970 г. американским ученым Гансом Эккертом (Eckert H.U.). Им был впервые экспериментально получен низкочастотный разряд (9600 Гц) низкого давления в аргоне [1, 2]. В своей работе Эккерт предложил критерий, выполнение которого необходимо для устойчивого существования низкочастотной плазмы. Согласно этому критерию, устойчивый низкочастотный разряд существует, когда характерное время затухания плазмы (определяемое для низких давлений амбиполярной диффузией) больше периода осцилляции внешнего электромагнитного поля. Критерий того, что характеристики плазмы не меняются за период внешнего поля согласно [1] будут — ©—т>10 (где x=A2/Da — характерное время затухания плазмы, ш — частота внешнего поля). Эккерту не удалось поднять давление аргона в разрядной камере выше 8−104 Па. Также им не был исследован данный тип разряда и в других газах.

Дальнейшее исследование разрядов трансформаторного типа было продолжено в Санкт-Петербургском техническом университете группой Дресвина С. В. и в Институте теплофизики СО РАН Улановым И М.

Санкт-Петербургской группой ученых были изучены электрические характеристики аргонового разряда пониженного давления и исследованы его спектральные свойства [3].

В работе Рыкалина Н. Н., Кулагина И. Д. и др. [4] проведен качественный анализ геометрических и электрических характеристик трансформаторного плазмотрона мощностью 100 МВт.

В ИТФ СО РАН в экспериментальном исследовании низкочастотного разряда трансформаторного типа произошел существенный прогресс. Уланову И. М. удалось достичь атмосферного давления в разрядной камере. Также были изучены электрические характеристики разряда в воздухе, углекислом газе, азоте низкого давления. В работах Уланова И. М., Бегельфора А. И., Когана В. А., Глухих Г. И. [5, 6] сделан вывод о перспективности использования данного типа разряда для создания плазмохимических реакторов высокой мощности с неограниченным ресурсом работы [7, 8]. В [9] были проведены первые исследования излучательных свойств разряда в аргоне и парах ртути и был сделан положительный вывод о возможности создания газоразрядных осветительных устройств высокой мощности на основе данного типа разряда [10].

Математическое моделирование данного типа разряда было развито группой ученых из Бишкекского университета. В работах Кулумбаева Э. Б. и Лелевкина В. М. [11, 12] произведено численное моделирование трансформаторного разряда.

Математическое моделирование производилось в рамках двух температурного приближения плазмы и квазистационарного электродинамического приближения на основе уравнений баланса энергии электронов, баланса энергии тяжелых частиц, непрерывности электронного газа и уравнений Максвелла. Расчет производился как для одномерной, так и для трехмерной модели разряда. Для одномерной модели без учета излучения авторами получено аналитическое решение уравнения баланса энергии стационарного разряда. Решение, найденное в цитируемых работах, определяет электрические характеристики разряда (стабилизированного стенкой) на единицу длины через магнитный поток в магнитопроводе Фт и через зависимость.

Вышеперечисленны практически все основные известные научные работы, посвященные исследованию низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа. Видно, что в исследовании характеристик НИРТТ существует существенный пробел. Более того, изучение плазмохимических процессов, протекающих в данном разряде, вообще не проводилось. Результаты исследования оптических свойств разряда в аргоне и парах ртути носят скорее качественный, чем количественный характер.

Отсутствие систематических данных о свойствах НИРТТ, не позволяет сделать однозначный вывод о целесообразности применения данного типа разряда в технологиях, основанных на использовании низкотемпературной плазмы трансформаторного разряда. Поэтому направление в области исследования характеристик и процессов, происходящих в НИРТТ, является актуальным.

Основной целью настоящей работы является изучение наиболее важных характеристик низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа, а именно: получение новых экспериментальных данных об электродинамических характеристиках разрядаданных о характере протекания таких плазмохимических реакций, как синтез монооксида азота, термический синтез озона, конверсия природного газаисследование излучательных свойств данного типа разряда в парах серы и ртути.

Научная новизна:

1. В работе получены новые экспериментальные данные о зависимости напряженности электрического поля в низкочастотном индукционном разряде трансформаторного типа от определяющих параметров, таких, как давление, расход газа, ток разряда, газодинамика потока (вихревое, безвихревое течение).

2. Обнаружен эффект образования высокой (сверхравновесной) концентрации монооксида азота (до 7%) в разряде на воздухе при вихревой стабилизации трансформаторной дуги" без использования закалочных устройств: зарегистрировано сверхравновесное содержание монооксида азота в периферийной низкотемпературной зоне вихревого потока, стабилизирующего воздушную дугу трансформаторного разряда. Создана физическая модель, объясняющая обнаруженный эффект.

3. Получены новые экспериментальные данные о процессе термического получения озона из кислородно-аргоновой плазмы трансформаторного разряда с использованием рекуперативных методов закалки. Показано, что при охлаждении кислородно-аргоновой плазмы со скоростями ~107 К/с от 5 до 10% кислорода может преобразовываться в озон при содержании кислорода в аргоне от 15 до 3%, соответственно.

4. Впервые получены данные о спектральных и излучательных свойствах низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа в парах серы и ртути. Показана возможность получения высокого светового потока (до 2.5−106 Лм) ртутного разряда умеренного давления (~104 Па) со световой отдачей около 70 Лм/Вт при «неограниченном» ресурсе работы такого излучателя.

Практическая значимость результатов:

• Создана методика расчета конструкции трансформаторного плазмотрона и оптимальных условий его работы.

• Продемонстрирована возможность и найдены условия получения высокой (до 7%) концентрации монооксида азота из воздуха в плазмотроне трансформаторного типа без использования закалочных устройств.

• Экспериментальные результаты по изучению спектральных и излучательных свойств разряда в парах серы и ртути показали перспективность создания мощных (до 50 кВт и выше) газоразрядных источников света на основе низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа. Изготовлен прототип такого источника света мощностью до 50 кВт.

• Показана возможность использования трансформаторного плазмотрона в плазмохимической технологии получения водорода путем конверсии природного газа.

• Результаты экспериментов по термическому синтезу озона могут быть использованы при создании качественно новых устройств получения озона.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального исследования электродинамических характеристик низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа.

2. Методику расчета оптимальных режимов работы трансформаторного плазмотрона и связь этих режимов с внешними параметрами (частота, динамические и диссипативные свойства магнитопровода и т. д.).

3. Экспериментальные результаты о протекании плазмохимических реакций в воздушной, кислородной и метановой плазме низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа.

4. Эффект образования высокой (сверхравновесной) концентрации монооксида азота (до 7%) в разряде на воздухе при вихревой стабилизации «трансформаторной дуги». Физическую модель, объясняющую обнаруженный эффект.

5. Результаты экспериментального исследования излучательных свойств трансформаторного разряда в парах серы и ртути.

Основные результаты данной работы состоят в следующем:

1. Получена и проанализирована связь между основными характеристиками низкочастотного индукционного разряда в рамках каналовой модели «трансформаторной дуги». Получены новые экспериментальные данные о зависимости напряженности электрического поля в разряде различных газов и смесей.

2. Обнаружен эффект образования высокой (сверхравновесной) концентрации монооксида азота (до 7%) в периферийной низкотемпературной зоне вихревого потока, стабилизирующего воздушную «дугу» трансформаторного разряда. Предложена физическая модель, объясняющая обнаруженный эффект.

3. Экспериментально изучен процесс термического получения озона из кислородно-аргоновой плазмы с использованием рекуперативных методов закалки. Показано, что при охлаждении кислородно-аргоновой плазмы со скоростями ~107 К/с от 5 до 10% кислорода может преобразовываться в озон при содержании кислорода в аргоне от 15 до 3% соответственно.

4. Получены новые экспериментальные данные об излучательных свойствах низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа в парах серы и ртути. Показана возможность получения высокого светового потока (до 2.5106 Лм) ртутного разряда умеренного давления (~104 Па) со световой отдачей около 70 Лм/Вт.

Материалы диссертации докладывались и вошли в содержание трудов Пятой европейской конференции по термическим плазменным процессам (Fifh European Conference on Thermal Plasma Processes, St. Petersburg, 1998) — 14го Международного симпозиума по плазмохимии (The 14th International Symposium on Plasma Chemistry, Praha, 1999) — Пятой международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1998).

БЛАГОДАРНОСТИ.

В заключение считаю приятным долгом выразить искреннюю благодарность за постоянное внимание и помощь в работе кандидату тех. наук И М. Уланову, кандидату физ — мат. наук В. Г. Приходько, кандидату тех. наук Бакирову Т. С. а также всем сотрудникам отдела Физики Молекулярных Структур за ценные советы и замечания.

Заключение

.