высокочастотный плазмотрон
Классы МПК: | H05B7/00 Нагрев электрическими разрядами |
Автор(ы): | Абдуллин Ильдар Шаукатович (RU), Миронов Михаил Михайлович (RU), Гребенщикова Марина Михайловна (RU), Усенко Виталий Александрович (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-11-17 публикация патента:
27.02.2013 |
Изобретение относится к области плазменной техники и касается конструкции высокочастотного проточного индукционного плазмотрона атмосферного давления, в частности к плазмотронам для разогрева задымленных продуктов сгорания топлива, отходов, в том числе медицинских, и воздуха. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стабильности горения и инициирования кольцевого высокочастотного разряда в разрядной камере плазмотрона, что позволяет разогревать задымленные продукты сгорания топлива и отходов. Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в конструкции высокочастотного плазмотрона, состоящей из индуктора и разрядной камеры, охлаждаемой изнутри трубками с водой, которые вынесены за зону кольцевого разряда и образуют продольные щели, индуктор с пылезащитными вводами расположен внутри разрядной камеры соосно и его наружный диаметр в два раза меньше внутреннего диаметра камеры по трубкам, 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. 2 ил., 1 табл.
![высокочастотный плазмотрон, патент № 2477026](/images/patents/292/2477026/2477026.jpg)
![высокочастотный плазмотрон, патент № 2477026](/images/patents/292/2477026/2477026-2.jpg)
Формула изобретения
Высокочастотный плазмотрон, включающий индуктор, разрядную камеру, охлаждаемую внутри трубками с водой, образующими продольные щели, отличающийся тем, что индуктор с пылезащищенными вводами расположен внутри разрядной камеры соосно и его наружный диаметр в два раза меньше внутреннего диаметра камеры по трубкам, которые вынесены из зоны кольцевого разряда, а на входе разрядной камеры соосно расположена электродуговая горелка с промежутком до индуктора менее длины плазменной струи горелки, в который (промежуток) производится ввод разогреваемого газа.
Описание изобретения к патенту
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 (du ) в два раза меньше внутреннего диаметра (dтр) 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 dи, 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 dтр, 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.
Таблица | ||||||
Сравнительные испытания высокочастотных плазмотронов. | ||||||
Наименование плазмотрона | Характеристика газовой среды для разогрева | Электропитание индуктора | Характеристика разряда | |||
Давление, МПа | Состав | Задымленность | Частота, МГц | Анодное напряжение, кВ | ||
| 0,1 | воздух | нет | 1,76 | 7,0 | Стационарный разряд |
По а.с. 150187 (прототип) | 0,1 | аргон | нет | 1,76 | 7,0 | Стационарный разряд |
0,1 | продукты горения | дым | 1/76 | 7,0 | Разряда нет, возбуждения нет | |
| 0,1 | воздух | нет | 1,76 | 7,0 | Стационарный разряд |
| 0,1 | продукты горения | дым | 1,76 | 7,0 | Возбуждение, прерывистый разряд |
По предлагаемому изобретению | 0,1 | продукты горения | дым | 1,76 | 8,0 | Стационарный разряд |
| 0,1 | продукты горения | дым | 1,76 | 9,0 | Надежное возбуждение, мощный стационарный разряд |
Класс H05B7/00 Нагрев электрическими разрядами