ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПЛАЗМОТРОН

Изобретение относится к области плазменной техники и касается конструкции высокочастотного проточного индукционного плазмотрона атмосферного давления для разогрева задымленных продуктов сгорания топлива, отходов, в том числе медицинских инфицированных, и воздуха.

Известны конструкции и принципиальные схемы высокочастотных плазмотронов (плазменных печей, генераторов плазмы, плазменных реакторов). Они применяются в исследовательских и промышленных целях для разогрева газов. Однако известные конструкции плазмотронов индукционных высокочастотных атмосферного давления имеют основные недостатки:

1) Нестабильность (самопроизвольное затухание) горения кольцевого разряда, вызываемое изменением параметров, состава разогреваемого газа, особенно запыленностью конденсированными дымовыми частицами сажи и золы.

2) Невозможность самостоятельного возбуждения кольцевого разряда без вспомогательного поджига с помощью других видов электрических разрядов или ионизирующих устройств.

В качестве инициирующих разрядов используют:

1) Факельный высокочастотный разряд по а.с. (СССР) №150187 с приоритетом от 4.09.1961 «Способ получения безэлектродного кольцевого разряда в воздухе» авторов Бамберга Е.А. и Дресвина С.В.

2) Дуговой разряд на выносных электродах, вставляемых внутрь индуктора и инициируемый механическим соприкосновением и электрическим замыканием для возбуждения электрической дуги. Опубликовано в инструкции по эксплуатации ЗНР.060.252.ИЭ, раздел 6 техдокументации к установке высокочастотной ВЧИ 11-60/1,76.

3) Искровые разряды в области индуктора, как происходит зажжение индукционного разряда плазмы в «Атомном эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой (Isap 6300 duo, производитель США TERM thermo seintific).

Указанные средства инициирования высокочастотного индукционного кольцевого разряда атмосферного давления имеют существенные недостатки из-за которых они не могут быть применены в проточном плазмотроне непрерывного действия установок дожигания задымленных продуктов сгорания ядовитых веществ, так как:

1) Возбуждение разряда требует определенного промежутка времени для перемещения электродов внутри индуктора или зажжения факельного высокочастотного разряда, за который в атмосферу будут выброшены недогоревшие яды.

2) Инициирование искровыми разрядами совершенно невозможно в связи с пониженным электросопротивлением в области индуктора в камере осадками сажистых и зольных частиц.

Наиболее близким техническим аналогом (прототипом) к заявляемой полезной модели является высокочастотная плазменная печь (плазмотрон) по а.с. (СССР) 16641 с приоритетом от 20.03.1963 авторов Донского А.В., Дресвина С.В., Ратникова Д.Г. и опубликованного 25.01.1965, БИ №22.

Плазмотрон содержит газоразрядную камеру с охлаждаемой кварцевой оболочкой, индуктор и металлические водоохлаждаемые профилированные трубки, образующие продольные щели и расположенные внутри газоразрядной камеры, в зоне кольцевого разряда.

Плазмотрон вышеупомянутой конструкции надежно работает в среде воздуха и других газов, не содержащих дымовых частиц.

При работе в задымленных газах сажа оседает на профилированные трубки, замыкая электрически продольные щели между труб и экранируя проникновение в газовую среду высокочастотного поля. Проявляются следующие недостатки.

1) Стабильность горения разряда ухудшается. Происходит самопроизвольное затухание разряда.

2) Инициирование (зажжение) кольцевого разряда затрудняется даже с использованием электродуговых стержневых электродов и замещающего газа-аргона.

Целью изобретения является повышение устойчивости горения кольцевого разряда в задымленных газах и надежное инициирование разряда.

Техническим результатом заявляемого изобретения является:

1) Повышение стабильности, устойчивости горения (отсутствие самопроизвольного затухания) кольцевого разряда в задымленных газах.

2) Надежность инициирования разряда, в том числе в автоматическом режиме, при затухании кольцевого разряда.

Технический результат достигается использованием конструкции высокочастотного плазмотрона, состоящей из индуктора и разрядной камеры, охлаждаемой изнутри трубками с водой, образующими продольные щели, и отличающейся тем, что индуктор с пылезащищенными вводами расположен внутри разрядной камеры соосно и его наружный диаметр (d_u) в два раза меньше внутреннего диаметра (d_тр) камеры по трубкам охлаждения, которые вынесены за пределы кольцевого разряда, а на входе разрядной камеры соосно расположена электродуговая горелка с промежутком до индуктора менее длины плазменной струи горелки и в который (промежуток) производится ввод разогреваемого газа.

Схема высокочастотного плазмотрона по предлагаемому изобретению приведена на фиг.1 и фиг.2 - то же, вид сверху.

Высокочастотный плазмотрон состоит из индуктора 1 диаметром d_и, выполненного из медной трубки, и охлаждаемой водой разрядной камеры 2 из диэлектрического термостойкого материала - кварца, керамики на основе окисей алюминия, циркония, кремния или другого, водоохлаждаемых трубок 8, которые вынесены за пределы кольцевого разряда, образуют щели и не допускают образования кольцевого тока и подключены к водяному коллектору у входа в камеру 3. Индуктор имеет пылезащищенные вводы 4, выполненные из керамических или кварцевых трубок, надетых с зазорами на медную трубку индуктора. Для большей эффективности пылезащиты через трубки прокачивается атмосферный воздух принудительно или за счет разряжения в разрядной камере при наличии дымососа.

Газораспределитель 5 служит основанием для крепления разрядной камеры, равномерной подачи разогреваемого газа (дыма) и крепления дуговой горелки 6. Газораспределитель охлаждается водой по внутренним полостям и охлаждает соединительные фланцы 7 разрядной камеры и дуговой горелки.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что индуктор расположен внутри разрядной камеры и разогревает лишь часть потока газа, что достаточно для получения средней температуры газа около 2000°С. При более высоких температурах в составе разогретых газов появляются цианиды и значительно возрастает количество окислов азота, что не допускает выброс продуктов дожигания в атмосферу. Охлаждение стенок камеры осуществляют водоохлаждаемыми трубками, вынесенными за кольцевой разряд, которые образуют щели для исключения вихревых токов и производят основной съем тепла, идущий от газов и кольцевого разряда к стенкам, ограничивая температуру стенок термостойкостью керамики и кварца (1200-1500°С).

Сечение выходных отверстий 9 газораспределителя 5 больше на 20-30% проходного сечения разрядной камеры d_тр, что позволяет разогреваемым газам не испытывать газодинамического сопротивления на этом участке.

Электродуговая горелка 6 использует в качестве плазмообразующего газа аргон и является частью плазменной установки для резки металла, выпускаемой промышленностью, например, марки УПУ-3Д или Мультиплаз 15000, Мультиплаз 7500. Горелка водоохлаждаема, имеет систему инициирования дуги, источник питания и органы газораспределения. Зажигание дуговой горелки происходит автоматически при затухании разряда. Тепловая мощность горелки составляет 10-15% от тепловой мощности, а замещающий расход аргона не превышает 8-9% от массового расхода газа через разрядную камеру.

Высокочастотный плазмотрон работает следующим образом в двух режимах: инициирование кольцевого разряда (зажигание) и стабилизация кольцевого разряда при разогреве задымленных газов.

При зажигании кольцевого индукционного воздушного разряда включают высокочастотный генератор, например ВЧИ 11-60/1,76 или ВЧГ8-60/13 или другой, с частотой 5,28 МГц на согласованную нагрузку индуктора 1 с колебательной мощностью генератора не менее 30 кВт. На охлаждаемые элементы высокочастотного плазмотрона подают проточную воду. Открывают подачу аргона через электродуговой плазмотрон с расходом 1-6 м³/ч и при установке номинального тока дуговой горелки в 100-200 А производят поджиг дугового разряда. Дуговой разряд в виде струи плазмы ионизирует пространство у индуктора, что приводит к возникновению кольцевого высокочастотного разряда. По возникновении воздушного разряда в высокочастотный плазмотрон через газораспределитель 5 подают воздух до расчетных значений расходов, а дуговую горелку обесточивают и закрывают подачу аргона. Кольцевой разряд переходит на авторегулирование в диапазоне мощности в разряде от 20 до 100 кВт.

При зажжении и стабилизации кольцевого разряда в задымленных газах порядок зажжения разряда сохраняется, только для исключения самопроизвольного затухания кольцевого разряда (стабилизации) дуговая горелка остается включенной постоянно и аргоновая плазма постоянно и дополнительно создает вблизи индуктора пространство с ионизацией, достаточной для возбуждения кольцевого высокочастотного разряда.

Разогрев газа и усреднение температуры происходит за счет перемешивания в разрядной камере плазмы кольцевого разряда и газа, протекающего между индуктором и стенками разрядной камеры. Движущей силой массообмена является градиент давления и плотности газа и плазмы.

Преимущества предлагаемого по изобретению высокочастотного плазмотрона заключаются в следующем.

1) Высокочастотный плазмотрон позволяет разогревать задымленные газы, продукты сгорания различных материалов.

2) Высокочастотный плазмотрон имеет повышенную стабильность горения и инициирования кольцевого разряда при изменении параметров и состава газовой смеси, протекающей через разрядную камеру.

В ООО НПЦ «Технополис» были проведены сравнительные испытания высокочастотного плазмотрона по предлагаемому изобретению и прототипа по а.с. СССР 150187 от 04.09.1961. Результаты испытаний приведены в таблице. Из результатов, приведенных в таблице, видно, при изменении параметров разогреваемого воздуха атмосферного давления стабильность кольцевого высокочастотного разряда у плазмотрона по предлагаемому изобретению выше, чем у прототипа. При разогреве задымленных продуктов сгорания мокрой целлюлозы кольцевой высокочастотный разряд в разрядной камере прототипа по а.с. СССР 150 187 от 4.09.1961 не инициируется и не образуется. В разрядной камере по предлагаемому изобретению, в тех же условиях, разряд инициируется с замещением аргона и устойчиво «горит» одновременно с разрядом в дуговой горелке. Таким образом, высокочастотный плазмотрон по предлагаемому изобретению позволяет производить разогрев задымленных продуктов сгорания топлива, отходов, в том числе медицинских, и других материалов.