Электродуговые плазмотроны для работы на окислительных и углеводородных газовых средах для плазмохимических приложений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дудник Юлия Дмитриевна

• Дудник Юлия Дмитриевна
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Дудник Юлия Дмитриевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ. ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1 Классификация электродуговых плазмотронов и описание конструктивных решений

1.2 Обзор областей применения плазмотронов

1.3 Обзор плазменных методов получения порошковых материалов

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Принципиальные конструктивные схемы плазмотронов переменного тока

2.2 Конструктивное исполнение электродугового плазмотрона с кольцевыми электродами

2.3 Конструктивное исполнение электродугового плазмотрона со стержневыми электродами

2.4 Конструктивное исполнение электродугового двухкорпусного плазмотрона со стержневыми электродами

2.5 Описание экспериментального стенда. Методика исследований

2.6 Приборы и методы измерений

2.7 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ КАМЕРАХ ПЛАЗМОТРОНОВ

3.1 Внешние и динамические характеристики разработанных плазмотронов

3.2 Режимы горения электрических дуг в углеводородных средах в разрядной камере двухкорпусного плазмотрона

3.3 Режимы горения электрических дуг в окислительной среде в плазмотроне с кольцевыми электродами

3.4 Анализ процесса инициирования дуги в камере плазмотрона

3.5 Анализ процессов в электроразрядных камерах и основных характеристик разработанных плазмотронов

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ПРИМЕНЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ В СОСТАВЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

4.1 Описание установок по плазмохимическому синтезу порошковых

материалов

4.2 Приборы и методы измерений

4.3 Результаты экспериментальных исследований по получению оксида железа

(III) Fe2Ü3

4.4 Результаты экспериментальных исследований по получению карбида

вольфрама WC

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Видеограммы, покадровые изображения,

фотографии разрядов

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Диплом победителя конкурса грантов Санкт-Петербурга

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электродуговые плазмотроны для работы на окислительных и углеводородных газовых средах для плазмохимических приложений»

Актуальность темы исследования

Плазменные технологии нашли широкое применение в различных областях, включая металлургию, машиностроение, энергетику, медицину, экологию и др. Среди перспективных направлений выделяются пиролиз природного газа; получение водорода из углеводородного сырья; переработка бытовых отходов; получение порошкообразных материалов, имеющих уникальные свойства. Мелкодисперсные металлические порошки пользуются большим спросом и применяются в различных высокотехнологичных секторах экономики.

Применение плазмохимических методов для синтеза порошков металлов имеют ряд преимуществ перед традиционными методами - обеспечивает высокую чистоту с минимальным содержанием примесей, позволяет синтезировать ультрадисперсные и мелкодисперсные порошки, снижает энергозатраты, предотвращает нежелательный рост размера зерен, позволяет синтезировать как карбиды ^Ю, CrзC2, WC, ТС, ГС), так и оксиды Fe2Oз, SiO2, ТО2, ZnO),

нитриды и сложные композиты. Следовательно, для реализации этих методов необходима разработка устройств, способных генерировать плазму -плазмотронов. Достоинством плазмотронов является обеспечение высокой скорости нагрева плазмообразующего газа и энтальпии потока плазмы, что может быть востребовано в такого рода процессах. Интенсификация химических реакций в газовой среде способна обеспечить уменьшение объема реакционной зоны и габаритов технологического оборудования, одновременно снижая расходы на его изготовление. Выбор газовой среды зависит от особенностей конкретного процесса: окислительные среды применяют для синтеза оксидов металлов, восстановительные - для получения карбидных порошков, в том числе тугоплавких.

Несмотря на распространенность плазмотронов постоянного тока, они имеют существенные ограничения и недостатки, обусловленные высокими эксплуатационными расходами, ввиду наличия сложных систем, например,

магнитной стабилизации дуги, и необходимостью создания специальных источников постоянного тока. В то время как плазмотроны переменного тока, способны эффективно работать, используя стандартное силовое оборудование, а благодаря их конструктивным особенностям различные подходы к проведению технологического процесса могут быть достаточно легко реализованы в рамках одной установки.

Следовательно, особое значение приобретает задача разработки и исследования плазмотронов переменного тока, использующих электродные системы различных типов, способных работать, как на окислительных, так и на восстановительных (углеводородных) газовых средах.

Степень разработанности темы исследования

Различным аспектам решения задач исследования плазмы электрической дуги и разработки плазмотронов посвящены работы Б.Е. Патона, H.H. Рыкалина, К.В. Васильева, B.C. Клубникина, H.A. Соснина, В.Я. Фролова, А.С. Аньшакова, В.С. Чередниченко и др.

Наибольший вклад в развитие электродуговой плазменной техники был внесен М.Ф. Жуковым, под его руководством сформировалась авторитетная научная школа на базе Института магнитогидродинамики Сибирского отделения АН СССР, занимавшаяся изучением свойств плазмы и разработкой теории, сопровождавшейся проведением экспериментов по созданию плазмотронов. Примерно в это же время во ВНИИ Электромаш в Ленинграде под руководством Ф.Г. Рутберга начались исследования и создание плазмотронов переменного тока.

Значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли C.B. Дресвин, О.П. Солоненко и др. Среди иностранных ученых значительный вклад в изучение и разработку генераторов плазмы и технологий на их основе был внесен M. I. Boulos, P. L. Fauchais, E. Pfender и др.

Объектом исследования являются однофазные электродуговые плазмотроны переменного тока, предназначенные для использования в электрофизических установках плазмохимического синтеза порошковых материалов.

Предметом исследования являются физические процессы в электродуговых камерах плазмотронов.

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование однофазных электродуговых плазмотронов переменного тока в диапазоне мощности 1-10 кВт для работы на окислительных и углеводородных средах в составе электрофизических установок.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и создать однофазные электродуговые плазмотроны переменного тока с электродными системами кольцевого и стержневого типов в диапазоне мощности 1-10 кВт, способных работать на окислительных и углеводородных газовых смесях.

2. Провести исследование влияния ключевых параметров на рабочие режимы плазмотронов для выявления оптимальных условий стабильной эксплуатации и установить диапазоны устойчивой работы. Выполнить численные расчеты зависимости напряжения зажигания от величины межэлектродного зазора для обеспечения гарантированного запуска плазмотрона.

3. Провести исследование режимов горения электрической дуги в углеводородных и окислительных газовых средах в электродуговых камерах плазмотронов при атмосферном давлении.

4. Разработать и создать экспериментальные электрофизические установки по плазмохимическому синтезу порошковых материалов на базе разработанных плазмотронов. Выполнить экспериментальные исследования по плазмохимическому синтезу порошковых материалов, провести анализ состава и свойств полученных продуктов.

Научная новизна

Разработан и создан новый тип однофазного электродугового плазмотрона переменного тока двухкорпусного и однокорпусного исполнения со стержневыми электродами, имеющий технологическую возможность использования электродуговой камеры в качестве плазмохимического реактора, способный

работать на углеводородных газах (метане CH4), водороде И2, и их смесях при массовом расходе 0,006-0,11 г/с без использования балластных газов, мощностью до 10 кВт.

Впервые получен диффузно-шнуровой (переходный) режим разряда в камере плазмотрона двухкорпусного исполнения при расходе плазмообразующего газа -водорода Н2 в диапазоне 0,06-0,08 г/с и смеси метана и водорода СИ4:И2 в соотношении 1:6, 1:4, 1:10.

Экспериментально реализован плазмохимический метод получения оксидных порошковых материалов из водных растворов их солей. В результате разложения водного раствора нитрата железа (III) с использованием термической электродуговой плазмы получен кристаллический однофазный оксид железа (III) а-Ре203, определен его состав и размер частиц, который составил (57 ± 6) нм.

Экспериментально реализован плазмохимический метод получения карбидных порошковых материалов на базе плазмотрона однокорпусного исполнения со стержневыми электродами, работающим на углеводородных газах при расходе до 0,1 г/с, в результате получен порошок карбида вольфрама с установленным размером частиц 5-20 мкм.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в разработке численной модели расчета напряжений пробоя, позволяющей определить оптимальное значение межэлектродного расстояния для обеспечения гарантированного инициирования разряда в плазмотроне, что способствует повышению надежности и эффективности работы устройства.

Практическая значимость состоит в разработке и создании однофазных электродуговых плазмотронов переменного тока с кольцевыми и стержневыми электродами мощностью до 10 кВт, работающих в окислительных средах, на углеводородных газах, водороде в широком диапазоне расходов без использования балластных газов. Особенностью конструктивного исполнения двухкорпусного и однокорпусного плазмотронов является технологическая возможность использования электродуговой камеры как плазмохимического реактора.

Определение факторов, влияющих на возникновение диффузно-шнурового и диффузного режимов, которые обеспечивает более высокую мощность и КПД устройства создает предпосылки для дальнейшего развития эффективных решений по увеличению производительности и масштабируемости плазменных установок.

Полученные в ходе исследования результаты возможно использовать для получения ультрадисперсных оксидных и карбидных материалов, применяемых в качестве компонента для производства абразивов, инструментов металлообрабатывающей промышленности, деталей повышенной твердости и прочности, красителей, устройств магнитной записи, катализаторов дегидрирования и производства аммиака и др.

Методология и методы исследований

Проведение исследований осуществлялось в соответствии с системным подходом, в качестве инструмента исследований и проверки достоверности полученных теоретических результатов и аналитических соотношений использовалась современная приборная база и оригинальные расчетные алгоритмы. Измерения электрических и расходных параметров производились посредством специального программного обеспечения, используя аппаратно-программный измерительный комплекс. Форма и вид дугового разряда определялись оптическими методами с помощью фотосъемки и скоростной видеосъемки. Исследование физико-химических свойств полученных порошковых материалов производилось методами рентгенофазовой дифрактометрии для проведения анализа фазового и гранулометрического состава продуктов и сканирующей электронной микроскопии для определения элементного состава и морфологии.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработка и создание однофазного электродугового плазмотрона переменного тока с кольцевыми электродами, работающего на окислительных средах (воздухе) с расходом газа 1-3,5 г/с в диапазоне мощности 3-5,5 кВт. Разработка и создание однофазного электродугового плазмотрона переменного тока со стержневыми электродами, работающего на углеводородных газах (метан ОТ4), водороде И2 и их смесях, регулируемых в пределах 0,006-0,04 г/с в диапазоне

мощности 1-3 кВт. Разработка и создание однофазного электродугового плазмотрона переменного тока двухкорпусного исполнения со стержневыми электродами, работающего на углеводородных газах (метан СН4), водороде Н2 и их смесях, регулируемых в пределах 0,06-0,11 г/с в диапазоне мощности 6-10 кВт.

2. Результаты исследования оптимальных режимов работы электродуговых плазмотронов переменного тока с электродными системами кольцевого и стержневого типа.

3. Результаты исследования режимов горения электрической дуги в электродуговой камере плазмотрона в газовых смесях метан-водорода СН4+Н2 и водорода Н2.

4. Результаты получения методом плазмохимического синтеза порошков однофазного оксида железа (III) а-Ре203 и порошков карбида вольфрама WC.

Степень достоверности результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов основана на значительном объеме накопленных данных, их воспроизводимости. Решение поставленных задач основано на экспериментальных данных и известных теоретических положениях в области плазменной техники и теплофизики, разработанных научной школой академика Ф.Г. Рутберга. Полученные расчетные данные получены на специализированном программном обеспечении, учитывающем фундаментальные законы термодинамики и газодинамики, а также включающего интегрированную базу данных физико-химических характеристик веществ. Полученные результаты не противоречат теоретическим и практическим положениям, известным из научных публикаций отечественных и зарубежных исследователей в рассматриваемой предметной области.

Личный вклад автора

Представленные в работе конструктивные решения электродуговых плазмотронов переменного тока с электродными системами различного типа, нашедших применение в плазмохимических установках по получению порошковых материалов разработаны автором лично. Автор принимала непосредственное участие в постановке задач исследований, выборе методик

расчетов теоретических параметров, разработке плана экспериментальных исследований, сборе полученных материалов. Проводила обработку и анализ полученных результатов экспериментальных исследований. Основные результаты работы получены автором лично.

Реализация результатов работы

Результаты работы, изложенные в диссертации, созданные автором конструкции электродуговых плазмотронов и плазмохимические установки на их основе нашли свое практическое применение в рамках работ по государственному заданию Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института Электрофизики и Электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН). Результаты проведенных исследований послужили основой для проектирования новых моделей электродуговых плазмотронов и плазмохимических установок.

Проект по теме работы «Плазменный метод производства ультрадисперсных порошков на основе плазмотрона переменного тока для промышленных целей» стал победителем конкурса грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2023 году.

Апробация работы и научные публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 14-й международной конференции «Пленки и покрытия» (2019); всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (2020); XLIX, L Международной звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (2022, 2023); ХУШ международной конференции по электромеханике и робототехнике «Завалишинские чтения» (2023); Международной конференции «ФизикА.СПб» (2024).

По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, 7 из которых в рецензируемых журналах из Перечня ВАК по специальности 1.3.13. Электрофизика, электрофизические установки.

Работа соответствует паспорту научной специальности 1.3.13. Электрофизика, электрофизические установки: п. 7 Разработка новых технологических процессов и устройств с использованием электроразрядных, пучковых, плазменных, фотоэлектронных и электромагнитных, в том числе лазерных методов и подходов; п. 9 Разработка технологий экологической и электромагнитной совместимости электрофизических установок с биологическими, физическими, химическими и информационными объектами и устройствами.

Благодарности

Автор выражает благодарность чл.-корр. РАН, д.т.н. Сафронову А.А. за научное руководство и внимание при выполнении работы, сотрудникам отделения плазменных устройств и технологий ИЭЭ РАН за помощь в проведении экспериментальных исследований, обсуждении результатов и за оказанную помощь и поддержку в процессе написания работы. Гаврилову Д.А., Гаврилову М.А. и Снетова В.Н. за помощь в обработке результатов получения порошковых материалов, Сафронову Ю.Ф. за помощь в проведении расчетно-теоретических исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка использованной литературы, включающего 128 наименований, приложений.

Диссертация изложена на 147 страницах, содержит 69 рисунков, 6 таблиц, 2 приложения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в журналах из перечня ВАК

1. Исследование динамики горения дугового разряда в метан-водородосодержащей атмосфере в плазмотроне переменного тока / Ю. Д. Дудник, А. А. Сафронов, В. Н. Ширяев [и др.] // Прикладная физика. - 2025. - № 2. - С. 6975.

2. Особенности водородного электродугового плазмотрона переменного тока и

его применения в экологических приложениях / Ю. Д. Дудник, В. Е. Кузнецов, А. А. Сафронов [и др.] // Письма в Журнал технической физики. - 2024. - Т. 50. - № 24. - С. 49-52.

3. Исследование возможности применения плазмотрона переменного тока для получения ультрадисперсного карбида вольфрама / Ю. Д. Дудник, В. Е. Кузнецов, А. А. Сафронов [и др.] // Прикладная физика. - 2023. - № 5. - С. 103-109.

4. Исследование плазмотрона переменного тока для получения высокодисперсных порошков тугоплавких металлов / В. Е. Кузнецов, Ю. Д. Дудник, А. А. Сафронов [и др.] // Прикладная физика. - 2022. - № 2. - С. 72-77.

5. Плазменное получение ультрадисперсных оксидов железа и алюминия / А. А. Сафронов, В. Е. Кузнецов, Ю. Д. Дудник [и др.] // Прикладная физика. - 2021. - №2 3. - С. 66-71.

6. Плазмотроны переменного тока. Системы инициирования дуги. особенности конструкции и применения / А. А. Сафронов. В. Е., Васильева О. Б., Ю. Д. Дудник [и др.] // Приборы и техника эксперимента. - 2019. - № 2. С. 58-66.

7. Исследование эрозии электродов в плазмотронах постоянного и переменного тока / В. Е. Кузнецов, А. А. Сафронов, Ю. Д. Дудник [и др.] // Прикладная физика. 2019. - № 3. - С. 24-30.

Другие публикации

8. Исследование работы высоковольтных плазмотронов со стержневыми электродами / А. А. Сафронов, О. Б. Васильева, Ю. Д. Дудник [и др.] // Теплофизика высоких температур. - 2018. - Т. 56. - № 6. - С. 926-931.

9. Plasma way for oxide nanoparticles obtaining / A. A. Safronov, V. E. Kuznetsov, Yu. D. Dudnik [et al.] / Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - С. 012066.

Тезисы докладов всероссийских и международных конференций

10. Особенности водородного электродугового плазмотрона переменного тока и его применения в экологических приложениях / Ю. Д. Дудник, В. Е Кузнецов, А. А. Сафронов [и др.] / В книге: ФизикА. СПб. Санкт-Петербург, 2024. - С. 274-276.

11. Особенности плазменного процесса получения карбида вольфрама при использовании плазмотрона переменного тока / Ю. Д. Дудник, В. Е. Кузнецов, А.

А. Сафронов [и др.] // В книге: L Международная., Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу КРАБ-2023. Сборник тезисов докладов, 2023. - С. 180.

12. Генераторы низкотемпературной плазмы: конструктивные особенности, физические процессы, области применения / А. А. Сафронов, В. Е Кузнецов, Ю. Д. Дудник [и др.] // В сборнике: Завалишинские чтения 23. Сборник докладов XVIII Международной конференции по электромеханике и робототехнике. Санкт-Петербург, 2023. - С. 391-395.

13. Исследование плазмотрона переменного тока для получения высокодисперсных порошков тугоплавких металлов / В. Е. Кузнецов, Ю. Д. Дудник, А. А. Сафронов [и др.] // В книге: XLIX Международная звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу ГСРАБ-2022. Сборник тезисов докладов, 2022. - С. 136.

14. Исследование процесса инициирования электрической дуги в плазмотроне при высоком давлении рабочего газа / А. А. Сафронов, В. Е Кузнецов., Ю. Д. Дудник [и др.] // В книге: Физика низкотемпературной плазмы, 2020. - С. 17-18.

15. Плазменный способ получения оксидных наночастиц / А. А. Сафронов, В. Е. Кузнецов Ю. Д. Дудник [и др.] // В сборнике: Пленки и покрытия - 2019. Труды 14-й Международной конференции, 2019. С. 384-387.

Гранты и проекты

Победитель конкурса грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2023 году, диплом серия ПСП № 23166, размещен в Приложении Б.

16. Дудник, Ю. Д. Плазменный метод получения ультрадисперсных порошковых материалов на основе плазмотрона переменного тока для промышленного применения / Ю. Д. Дудник // В книге: Двадцать шестая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. Сборник тезисов. Санкт-Петербург, 2023. - С. 205-206.

ГЛАВА 1 ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ. ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Термин «плазма» впервые был введен И. Ленгмюром в 1928 году как результат исследований, проведенных с газовыми разрядами, хотя происхождение этого слова является предметом спора [1], ведь ранее в 1922 году первые опыты с «плазмой», полученной при интенсивном водяном охлаждении электрической дуги были проведены А. Лотцем и X. Гердиеном.

В ХХ веке технологии на основе низкотемпературной плазмы претерпели значительную эволюцию, охватив множество отраслей промышленности от металлургии до космических исследований [2-4]. В СССР интерес к электрической дуге и ее применению в технологических процессах возник ввиду необходимости моделирования входа космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет с получением сверхзвуковых струй воздуха, нагретого до высокой температуры. Эту задачу решили с помощью электродуговых устройств, получивших название плазмотроны. Однако их практическое применение оказалось крайне ограниченным в связи с трудностями обеспечения длительного ресурса их работы. Внешняя простота электродугового плазмотрона в действительности связана с глубокими физическими явлениями электромагнитной, тепловой и аэродинамической природы.

Исследования физико-химических взаимодействий электрической дуги и плазмы ведутся десятилетиями благодаря интересу к широкому кругу их практических приложений в науке и технике. Первое устройство для генерации плазмы было создано американским ученым Т. Петерсоном в 1954 году. Предложенный им плазмотрон представлял собой цилиндрическую камеру, в которой электрическая дуга горела в парах воды при высоком давлении до 500 МПа. В результате удавалось получать на выходе сверхзвуковые потоки плазмы. Вскоре после этого, в конце 1950-х годов, фирмы «Линде» и «Плазмадин» (США) начали внедрять плазмотроны в промышленные технологии обработки металлов: резку, сварку и нанесение защитных покрытий (алюминия, вольфрама) [5].

Начиная с этого периода интенсивно развивались научные исследования и инженерные проекты, направленные на разработку и внедрение промышленных плазмотронов, а также совершенствование плазменных технологических процессов. Перед исследователями и разработчиками встала задача создания работоспособных конструкций плазмотронов, что потребовало проведения научных исследований в области электрофизики и газодинамики. Необходимо было подвергнуть тщательному изучению природу физических процессов в камерах плазмотронов, а именно взаимодействие электрической дуги с газовым потоком для поиска новых конструктивных схем и технологических решений.

В 1955-1958 годах в Институте металлургии им. А.А. Байкова И.Д. Кулагин и А.В. Николаев [6] и К.В. Васильев и А.А. Исаченко во ВНИИ Автогенмаш [7] занимались исследованием стабилизированных дуг и плазменных струй для технологических целей, а в Институте электросварки им. Е.О. Патона подобные работы велись А.Д. Дудко и С.П. Лакизой [8]. В ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина в 1958 году был сконструирован испытан Н.П. Глухановым и С.В. Дресвиным дуговой струйный плазмотрон с водяной стабилизацией. [9] Под руководством М. Ф. Жукова была создана научная школа на базе Института магнитогидродинамики Сибирского отделения АН СССР по изучению и применению плазмы. Были изучены особенности проектирования различных конструкций плазмотронов постоянного тока [10]. Кроме того, внимание уделялось разработке плазмотронов повышенной мощности, чему посвятили свои труды Г.Ю. Даутов, О.Б. Ясько и др. Примерно в это же время начались исследования и создание плазмотронов переменного тока во ВНИИ Электромаш в Ленинграде, группой ученых, среди которых был и будущий академик Ф.Г. Рутберг [11].

Эффективность внедрения плазменных технологий в металлургию и химическую промышленность [12] потребовало значительного прогресса в сфере фундаментальных научных исследований, связанных с изучением физической природы плазмы. В частности, были получены термодинамические характеристики газов в работах, выполненных различными исследовательскими организациями в связи с появлением ядерных и космических программ.

В начале 1970-х годов началась разработка плазмотронов с полым катодом, предназначенных для работы в условиях пониженного давления. К ключевым достоинствам таких устройств относится существенно сниженное испарение металлических компонентов и легирующих присадок. Японская компания «Ульвак», к примеру, сконструировала плазменную вакуумную установку мощностью 2,4 МВт, предназначавшуюся для переработки отходов титанового производства [13]. Подобные установки создавались в Советском Союзе -ведущими институтами ВНИИЭТО и МЭИ [5].

Из этого краткого перечня работ следует, что применение низкотемпературной плазмы и генерирующих ее устройств берет начало с первой половины прошлого века, когда были заложены основные принципы стабилизации и удержания электрической дуги, позволяющие получать плазму и управлять ею в широком диапазоне мощностей и температур, что обеспечило качественный скачок в развитии физики низкотемпературной плазмы и ее технологического применения.

1.1 Классификация электродуговых плазмотронов и описание

конструктивных решений

В настоящее время востребованным направлением является создание и совершенствование генераторов плазмы - плазмотронов, получивших широкое распространение как в фундаментальных исследованиях, так и в промышленном производстве. Современная классификация плазмотронов подразделяет их на три главные группы: [14; 15]:

• Высокочастотные индукционные (ВЧИ) и высокочастотные емкостные (ВЧЕ) плазмотроны, работающие на частотах 0,06-50 МГц.

• Плазмотроны сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ), работающие на частотах 900-2450 МГц.

• Электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока с частотой 50 Гц.

На Рисунке 1.1 приведена структурная схема, классифицирующая исследуемые в данной работе электродуговые плазмотроны - генераторы плазмы по ряду признаков.

Рисунок 1.1 - Структурная схема электродуговых плазмотронов

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дудник Юлия Дмитриевна, 2026 год

Источник питания

Электрическая принципиальная схема системы питания высоковольтного однофазного плазмотрона ППТ представлена на Рисунке 2.13 [122]. Она включает в себя силовой трансформатор 380/6000 последовательно к первичной обмотке которого подключен токоограничивающий реактор. Индуктивность которого подобрана таким образом, чтобы при возникновении режима короткого замыкания, ток к.з. трансформатора с реактором превышал рабочий ток не более чем на 10-15%.

Регулировка силы тока дуги производится посредством управления током первичной обмотки трансформатора, реализуемого изменением величины индуктивности токоограничивающего реактора. При включении реактора по низкой стороне напряжения проще компенсировать реактивную мощность, при этом мощность трансформатора будет определяться не активной, а полной мощностью, потребляемой из сети. Так как, что напряжение х.х. трансформатора меньше напряжения на дуге, это обеспечивает устойчивость электрической дуги.

Рисунок 2.13 - Электрическая принципиальная схема системы питания однофазного 1111Т: Т - повышающий трансформатор; С - компенсатор реактивной мощности; Ь1 - токоограничивающий реактор

Технические характеристики источника питания: напряжение х.х. 6000 В; ток к.з. 3-10 А; уровень питающего напряжения первичной цепи 220, 380, 480 В; ток первичной обмотки до 160 А; соб^ изменяется от 0,3 до 0,5.

Другой тип источника, использовавшегося в работе, включал в себя специальный повышающий трансформатор, имеющий большую величину собственной индуктивности обмоток, аналогичный для трансформаторов сварочного типа. Конструкция трансформатора предусматривает наличие специального шунтового устройства, позволяющего изменять величину магнитного потока в сердечнике и тем самым регулировать ток короткого замыкания на стороне первичной обмотки. Таким образом, обеспечение необходимой для стабильной работы плазмотрона падающей вольтамперной характеристики обеспечивалось наличием внутренней индуктивности, заложенной в конструкции питающего трансформатора.

Блок подачи газов

Плазмообразующий газ, использующийся в экспериментах, разнился в зависимости от выбранного типа плазмотрона: воздух, аргон, метан, водород и их смеси.

Газовая система подачи воздуха организована с применением промышленного компрессора фирмы Atlas Copco, к нему подключены два газгольдера емкостью по 63 м3 каждое, предназначенные для накопления сжатого газа при поддерживаемом уровне давления от 5,5 до 6 атмосфер.

Перед подачей газа на испытательный стенд предусмотрено распределительное устройство, оснащенное специализированной трубопроводной арматурой, автоматической фильтрацией подаваемого газа, контрольно-измерительной аппаратурой и датчиками мониторинга технологических параметров (давления, температуры и относительной влажности среды). Эти элементы обеспечивают точную регулировку потоков и поддержание оптимальных условий эксплуатации лабораторного оборудования.

На стенде система газовой подачи воздуха включала в себя коллекторную стойку с установленными на ней регуляторами давления Camozzi C 1202-R00 с манометрами, максимальное входное давление 16 бар, выходное давление 0,5-10 бар, максимальная температура 50 °C, обеспечивающими возможность регулировки подачи газа на каждый из контуров.

Подача инертных и углеводородных газов, водорода осуществлялась через рампу, состоящую из комбинации баллонов. Газ из рампы по системе трубопроводов подавался на стенд, оснащенный системой расхода и распределения. Расходы контролировались контроллерами массового расхода (MFC Bronkhorst) [106]. Для обеспечения равномерной подачи газа по контурам плазмотрона был создан ресивер, представляющий собой цилиндрический корпус с тремя входными и тремя выходными патрубками. Внутри корпуса располагалась специальная камера смешения, в которой происходило равномерное распределение газовой смеси по всем выходам. Для имеющихся оптимальных расходов газовой

смеси длина ресивера выбрана равной 190 мм, диаметр камеры составил 98 мм, объем камеры составил 1,4 10-3 м3.

Для обеспечения устойчивой работы плазмотрона и независимой работы каждого его канала на входе были установлены расходные шайбы. На них был реализован сверхкритический перепад давления. Критический перепад давления определяется по соотношению [107].

Р_ Р

к +1

к-1

, (2.1)

к

где Р* -давление перед шайбой, Р - давление в канале плазмотрона, к-показатель адиабаты. Для водорода k=1,6, для метана k=1,32.

При давлении перед шайбой выше критического, расход газа (водорода) находится по формуле:

к+1

( 2 ^2(к-1) г- Р

=Гк4РЖ, (2.2)

где: к - коэффициент расхода, Cq= 1, Р - давление водорода перед шайбой >Р*, Ян2 - газовая постоянная, ТН2 - температура водорода, F - площадь отверстия шайбы.

лй2

р = ^ , (2.3)

При заданном расходе и температуре Тщ =293 К, применяя соотношения (2.2) и (2.3) находим искомый диаметр отверстия в шайбе:

2(к-1) г- Р • ^

а = ^1925.1-^ , (2.4)

где, 0- расход газа, кг/с; Р - давление, Н/м2 Расчет производился для диапазона давлений от 1,9 105 Н/м2 до 3 105 Н/м2 при расходах газа от 0,0002 кг/с до 0,001 кг/с, оптимальное значение диаметра расходной шайбы составило от 0,4 мм до 1 мм. Блок охлаждения

к

Охлаждающая система стенда сформирована тремя взаимосвязанными контурами: двумя независимыми первичными контурами и одним общим вторичным. Теплоноситель первого контура (циркулирующая вода) аккумулируется в специальном резервуаре и перекачивается к охлаждаемым объектам-потребителям с помощью насосов через разветвленную сеть напорных коллекторов. Обратная циркуляция нагретого теплоносителя организуется через сливной коллектор и направляется в двухконтурный пластинчатый теплообменник. Во внешнем контуре теплообменника циркулирует вода, поступающая из общей внешней системы охлаждения, объединенной с градирней, размещенной отдельно от основного стенда.

2.6 Приборы и методы измерений

Экспериментальный стенд оснащен комплектом контрольно-измерительных приборов, предназначенных для непрерывного наблюдения и фиксации электрических параметров работы плазмотрона, а также для учета расхода жидкостей и газов в вспомогательных системах и оперативного анализа текущих значений. Мгновенные значения токов и напряжений фиксируются посредством включенных в состав системы питания датчиков тока и напряжения. Регулирование и управление работой источника питания реализуется с использованием промышленного микроконтроллера фирмы Advantech. Микроконтроллер осуществляет непрерывный мониторинг осциллограмм тока и напряжения, проводит расчет мгновенных и действующих значений указанных параметров.

Оптимизация режимов функционирования плазмотронов осуществлялась путем комплексного исследования, включающего визуализацию осциллограмм тока и напряжения, оценку действующих величин указанных параметров, определение мощности и теплового коэффициента полезного действия. Параллельно проводились измерения электрических параметров, расходов плазмообразующих сред и воды, построение соответствующих вольтамперных и вольтрасходных

зависимостей. Детализацию конфигурации электрической дуги осуществляли с использованием техники высокоскоростной фотосъемки и видеосъемки плазменного факела.

Измерение электрических параметров

Система контроля электрических параметров плазмотронов предназначена для постоянного мониторинга и регистрации мгновенных значения тока и напряжения с высокой частотой дискретизации 32 кГц. Регистрация, обработка и запись параметров работы плазмотрона выполнялись специализированным аппаратно-программным комплексом. Центральным элементом комплекса являлся промышленный компьютер Advantech IPC-510, оснащенный интегрированными модулями для анализа аналоговых и цифровых сигналов. Программное обеспечение, специально разработанное в среде графического программирования LabVIEW, применяется для расчета среднеквадратичных значений тока и напряжения, измерения потребляемой мощности, вывода оперативной информации в наглядном графическом интерфейсе и записи всех данных на диск компьютера.

Измерение тока выполнялось с использованием трансформаторов тока типа ТОЛ-10, оснащенных стрелочными амперметрами, а также датчиков тока LA 55-P швейцарского производства. Величина напряжения определялась посредством трансформаторов напряжения И50, стрелочных вольтметров и датчиков напряжения серии LEM LV 100/SP51.

Измерение расхода газа

Расход газа контролировался контроллерами массового расхода (MFC Bronkhorst), передающими данные в непрерывном режиме персональному компьютеру.

Скоростная видеорегистрация и фотосъемка

Высокоскоростная регистрация осуществлялась с использованием специализированной видеокамеры Citius Imaging High Speed Video Camera, размещенной ортогонально относительно оси плазмотрона. Данная система позволяла осуществлять непрерывную фиксацию процессов с частотой до 4000

кадров в секунду (fps) при сохранении высокого разрешения изображения. Полученные видеоизображения имели разрешение 320x306 пикселей, представленные в оттенках серого с глубиной цвета 8 бит (256 градаций серого).

Через специализированные интерфейсные разъемы камера подключалась к компьютеру, обеспечивая дистанционное управление процессом съемки и мониторинг записей в реальном времени.

Метод скоростной видеосъемки позволил точно определять местоположение областей места привязки дуги и изучать динамическую структуру дугового разряда в пространственно-временной перспективе. Обобщенная схема плазмотрона ПДСЭ и размещение высокоскоростной фото- и видеокамеры показаны на Рисунке 2.14 [118].

Рисунок 2.14 - Обобщенная схема плазмотрона ПДСЭ и размещение высокоскоростной фото- и видеокамеры: 1-корпус, 2-электрод, 3-наконечник, 4-втулка, 5-подача газа, 6-камера электродуговая, 7-дуга, 8-высокоскоростная

камера

Выполнялась фотосъемка с помощью цифровой зеркальной камеры Nikon D300s. Камера поддерживает регулируемое разрешение снимков - от минимального 2144x1424 пикселей до максимального 4288x2848 пикселей. Размер матрицы составляет 23,6x15,8 мм, светочувствительность 200-3200 ISO, интервал выдержки варьируется от сверхкороткого (1/8000 сек.) до длительного (до 30 сек.). Серийная съемка возможна со скоростью до 7 кадров в секунду.

Методика обработки экспериментальных данных

Электрические параметры

Плазмотроны, описанные в данном исследовании, работают на переменном токе. Для электродуговых плазмотронов переменного тока характерно возникновение пиковых значений при зажигании и затухании дуги, вследствие чего формы кривых напряжения часто имеют несинусоидальный характер.

Описание периодических несинусоидальных сигналов включает четыре основных показателя: амплитудное (максимальное), действующее, среднее (по модулю) и постоянная составляющая. Среди важнейших электрических параметров плазмотронов выделяются действующие (среднеквадратичные) значения силы тока и напряжения. Определение действующих значений основано на условии равенства количества тепла, выделенной согласно закону Джоуля-Ленца на идентичном сопротивлении за равный промежуток времени при пропускании через него постоянного либо переменного тока [108].

I = ^ВД2* , (2.5)

и = , (2.6)

Выражение 2.5 и 2.6 можно преобразовать

I

и - ^¡и-^2 • (28)

где 1(к), и(к) - мгновенные дискретные значения тока и напряжения через промежутки времени Д1:, п=Т/Д1 - количество мгновенных дискретных значений за период.

Определение активной мощности производится следующим образом:

Р = 1/0Ти-1^ , (2.9)

1

Р = 1ЕП=1ц(к)-ВД , (2.10)

Из этого следует, что вычисление действующих значений тока и напряжения

заключается в регистрации и записи их мгновенных значений.

Геометрические параметры дуг

Формирование электрических дуг в плазмотроне начинается между электродами, расположенными в зонах разрядных каналов или в электродуговой камере, откуда дуги распространяются далее, выходя за границы указанных каналов/камеры, замыкаясь между собой. Протяженность внутреннего участка дугового столба, находящегося в канале, задается величиной промежутка между рабочим участком электрода и выходной частью разрядного канала. Внешняя же область дуги продолжается за пределами канала, образуя плазменный факел.

Геометрические размеры внешней зоны дуги (плазменного факела) были изучены посредством методов высокоскоростной видеосъемки и фотосъемки как плазменного факела (для плазмотронов ПКЭ и ПСЭ), так и непосредственно столба дуги (для плазмотрона ПДСЭ).

Процесс фотосъемки плазменного факела плазмотрона ПСЭ проводился с профильного ракурса, а видеосъемка столба дуги плазмотрона ПДСЭ проводилась с фронтального ракурса.

Методика обработки видеоматериала

По результатам высокоскоростной видеосъемки разрядов в электродуговой камере плазмотрона формировались видеофайлы в стандартном формате Обработка каждого индивидуального кадра изображения дугового разряда осуществлялась с использованием программного комплекса Matlab, обеспечивающего последовательное чтение графических файлов и последующий их перевод в форму матриц формата [А^ Aj]. Благодаря этому стало возможным деление всего изображения на фрагменты, совместив их с осциллограммами, что позволило проанализировать аспекты дугового процесса.

Определение интегральной интенсивности излучения дуги /(/), отражающей полный ток, проходящий через дугу в любой момент времени, выполняется по следующей формуле:

уп,т .

где Ау - элементы матрицы изображения дуги, п и т - максимальные размеры матрицы изображения по горизонтали и вертикали соответственно.

Для нахождения интегральной интенсивности светящейся области J(t) (соответствующей плотности тока) для каждого отдельного кадра изображения дуги используется следующая формула:

, (2.12)

где Ау - элементы матрицы изображения дуги, п и т - максимальный размер матрицы по горизонтали и вертикали, к и 1 - область значений, где элементы матрицы Ац > 0. Суммирование проводится только по освещенным участкам изображения, что означает учет энерговыделения и, соответственно, тока [123].

Для устранения фоновых засветок, присутствующих на изображениях непосредственно в приэлектродной зоне, файлы формата .avi подвергались процедуре фильтрации. Выбирались отдельные кадры с наименьшим показателем интегральной светимости, что соответствовало отсутствию разряда. Далее из матриц последующих кадров последовательно вычиталась матрица кадра с минимальной светимостью. Результатом стало формирование нового видеофайла формата .ау^ отличающегося низким уровнем шума и улучшенной четкостью изображения.

Обработанные кадры преобразовывались следующим образом: суммируя интенсивность всех пикселей каждого отдельного кадра j-го кадра размером 320^306, было получено численное значение, которое заносилось в j-ую позицию нового вектора. По завершении обработки видеофайлов строился график, наглядно демонстрирующий изменение относительной интенсивности свечения во времени для каждого отдельного кадра. Можно предположить, что данная интенсивность коррелирует с мощностью разряда. Основываясь на векторе относительной интенсивности свечения конкретного разряда, применялось быстрое преобразование Фурье, позволяющее выявить спектр частот [118].

Измерение светового диаметра дуг проводилось следующим образом: для каждого режима работы плазмотрона выбиралась серия изображений,

соответствующих периоду горения дуги. Графическим методом, используя специализированный редактор, производились замеры светового диаметра дуги на различных поперечных сечениях каждого кадра в периоде горения. Это позволило установить значения диаметра дугового столба, синхронизированные с мгновенными величинами тока дуги. Затем, исходя из собранных массивов мгновенных значений, рассчитывались усредненные величины диаметра дуги за один период горения дуги.

Для обработки полученных результатов использовались программные продукты Matlab, Origin, MS Excel и программы для обработки видеофайлов ImageJ, Photron Viewer, CorelDraw.

Отдельные результаты работы [118-122] представленные в главе получены в соавторстве с коллегами, что сопровождается соответствующими ссылками.

2.7 Выводы по главе

1. Разработан и создан однофазный электродуговой плазмотрон переменного тока с кольцевыми медными электродами (ПКЭ), работающий на окислительных средах - воздухе и инертных средах - аргоне. Расход плазмообразующих газов варьировался в диапазоне 1-3,5 г/с при мощности 3-5,5 кВт.

2. Разработан и создан однофазный электродуговой плазмотрон переменного тока со стержневыми электродами (ПСЭ) с укороченным корпусом с медными или вольфрамовыми наконечниками, работающий на инертных, углеводородных газах, метане, водороде и их смесях. Расход плазмообразующих газов: аргон 0,5-1 г/с, водород 0,006-0,01 г/с, метан 0,02 г/с, при мощности 1-3 кВт.

3. Разработан и создан однофазный электродуговой плазмотрон переменного тока двухкорпусного типа со стержневыми электродами (ПДСЭ) с медными или вольфрамовыми наконечниками, работающий на инертных, углеводородных газах, метане, водороде и их смесях, регулируемых в диапазоне 0,006-0,5 г/с при мощности 6-10 кВт. Особенностью конструкции является возможность организации плазмохимического синтеза непосредственно внутри электродуговой камеры, не прибегая к созданию сложного дополнительного оборудования.

4. Оборудован стенд, позволяющий проводить экспериментальные исследования разработанных плазмотронов с измерением и регистрацией физических параметров в автоматическом режиме, включающий в себя систему питания, систему подачи плазмообразующего газа, систему охлаждения, вытяжной фильтр и диагностический измерительный комплекс.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ

КАМЕРАХ ПЛАЗМОТРОНОВ

Настоящая глава охватывает исследования физических процессов, протекающих в электродуговых каналах и камерах плазмотронов с электродными системами кольцевого и стержневого типа. В результате проведенных экспериментальных исследований были получены зависимости электрических параметров дуги плазмотронов в широком диапазоне расходов при работе на окислительных средах - воздухе, углеводородных газах, метане, водороде, и их смесях, а также инертных газах - аргоне. Проведены измерения основных параметров электрической дуги, работающей в атмосферах углеводородных газов при атмосферном давлении в плазмотроне ПДСЭ, а также параметров дуги, действующей в окислительных газовых средах при тех же условиях в плазмотроне ПКЭ. Исследованы особенности инициации дугового разряда в камере плазмотрона ПКЭ. Проведена приближенная оценка геометрических параметров разряда. Приведена оценка температуры дуги исходя из условий термодинамического равновесия. Приведенные значения параметров являются средними, а напряжение на дуге и значение силы тока представлены как действующие значения за период горения дуги.

3.1 Внешние и динамические характеристики разработанных плазмотронов

При разработке плазмотронов с заданными техническими характеристиками, подборе оптимального режима работы плазмотрона в составе экспериментальной установки производились исследования внешних характеристик, рассматривались как статические характеристики, отражающие усредненные во времени соотношения изменяющихся параметров, так и динамические характеристики, связанные с изменениями процесса горения дуги во времени.

Рассмотрим ряд общих закономерностей, характерных для происходящего процесса горения дуг в камере плазмотрона. Тангенциальный поток рабочего газа,

подаваемый в дуговую камеру, создает относительно холодный слой у стенок электродуговой камеры плазмотрона, что вследствие резкого спада концентрации заряженных частиц в этой зоне предотвращает замыкание дуг на корпус электродуговой камеры. Дуги испытывают вытягивающее действие потока рабочего газа и по мере роста напряжения на дуге в течение одного полупериода общая длина дуги увеличивается, и дуга вытягивается потоком рабочего газа либо в направлении среза выходного отверстия электродуговой камеры для случая стержневых электродов, либо до края оконечного электрода для случая кольцевых электродов.

Изменение полярности вызывает повторное возникновение дуги в зоне, где сохраняется достаточно заряженных частиц от предыдущего полупериода тока. В случае затухания дуги процесс ее зажигания возобновляется в зоне первичного пробоя. Образующийся в канале закрученный спиральный поток газа обеспечивает эффективный отвод избыточного тепла от области центральной оси дуги, предотвращая формирование возможных нестабильностей плазменного канала, связанных с резкими температурными градиентами.

Рассмотрим далее основные характеристики разработанных плазмотронов переменного тока в широком диапазоне расходов и типов плазмообразующих газов. При проведении экспериментов определялись и фиксировались устойчивые рабочие режимы по величине подачи, соотношений газов в смеси и др. В результате были получены электрические и энергетические характеристики в широком диапазоне параметров, рассматривались как статические характеристики, отражающие усредненные во времени соотношения изменяющихся параметров, так и динамические характеристики, связанные с изменениями процесса горения дуги во времени.

а) Электродуговой плазмотрон с кольцевыми электродами ПКЭ

Исследования проводились при мощности плазмотрона ПКЭ до 6 кВт с расходом плазмообразующего газа воздуха до 3 г/с. Динамика горения дуги была зафиксирована на соответствующих осциллограммах: ток во времени изменялся

синусоидально, а кривая напряжения отражала отчетливые пики зажигания и погасания при переходе через нуль. На Рисунке 3.1 представлены типичные осциллограммы тока и напряжения на дуге плазмотрона для различных расходов плазмообразующего газа.

ш

2000

1500

1000

X

ф

£

к ^р

с

го

500

-500

-1000

-1500

-2000

2,32

2,36

10 8

2,40 Время, с

2,44

2,48

Рисунок 3.1 - Осциллограмма напряжения и тока на дуге, расход газа воздуха

1,5 г/с

0

Как видно из осциллограммы, изменение величины тока во времени синусоидально, а напряжение при повторном зажигании дуги после прохождения тока через нуль при однофазном режиме происходит скачком. Наличие дуги, т.е. нелинейного активного сопротивления несколько искажает форму тока. Осциллограмма напряжения по форме несколько похожа на трапецию. Полупериод напряжения можно разбить на три характерных участка: первый и третий участки - это боковые грани трапеции, где напряжение имеет участки подъема и спада на межэлектродном промежутке, дуга в это время не горит. Второй участок характеризуется тем, что напряжение плавно спадает, однако в отдельные полупериоды наблюдается небольшой рост напряжения.

Для обеспечения устойчивого горения дуги необходимо определить ее статические и динамические характеристики. По полученным осциллограммам была построена динамическая вольтамперная характеристика для плазмотрона с

кольцевыми электродами для временного диапазона 0-0,2 с, из Рисунка 3.2 следует, что характеристика является падающей при значениях напряжения до 900 В, причем прямая и обратная ветви характеристики идут по различному пути.

2000

ш 1000

ш"

I

О) п

0

I -1000

-2000

-10

■

-5 0

Ток, А

2000

10

т

ш"

I

ш

го X

1000-

■1000-

-2000

-10

Л. ^•ЖЗИЧИ фИс.'нжх:

ь >'мш..н......

-5

0

Ток, А

10

а

б

Рисунок 3.2 - Динамическая ВАХ с расходом воздуха: а -1 г/с, б - 1,5 г/с

0

5

5

Исследование динамических ВАХ на воздухе при амплитуде тока до 10 А показало наличие растущего участка напряжения, а после превышения тока величины 6-8 А, наклон кривой изменялся от 0,01 до 0,1 В, причем с уменьшением скорости продува газа через дугу наклон растет. Наличие практически независимой ВАХ при небольших расходах и малой плотности газа наблюдаемой при однофазном режиме работы объясняется наличием в около электродном пространстве областей, обладающих достаточно высокой степенью ионизации, при которой протекание рабочего тока возможно при сравнительно низких значениях напряжения. С ростом тока увеличивается сечение проводящего канала столба дуги, сопротивление его падает и напряжение практически не увеличивается.

Приведены внешние характеристики плазмотрона, к которым относятся статическая вольтамперная характеристика дуги плазмотрона, построенная по действующим значениям, и зависимость действующего напряжения на дуге от расхода газа, показаны на Рисунке 3.3 а и 3.3 б соответственно.

1000-

% 750-

500-

250

1 г/с 1,5 г/с

- у=1306-75,6х1+2,2х2 у=1426-81,2х,+2,53х2

8 10 Ток, A

а

12

14

1400-, 1300 -1200 -11001000 -900800700600500400-

- у=170,4+1775,5хг530,4х2+81х3 Р=0,77

1,5 2,0 2,5

Расход газа, г/с

б

Рисунок 3.3 - а - Статическая ВАХ, б - зависимость напряжения на дуге от

расхода газа - воздуха

6

Вольтамперные характеристики являются падающими, построены при расходах воздуха 1 г/с и 1,5 г/с, с увеличением расхода газа величина падения напряжения на дуге также будет расти.

Зависимость мощности от расхода газа представлена на Рисунке 3.4. Мощность при увеличении величины расхода газа также показывает стабильный рост, при расходах газа 1-3 г/с мощность достигает значений 4-5,3 кВт.

8 -|

со

84 I

о

у=2,29+2,04х1-0,34х2 К=0,93

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Расход газа, г/с

Рисунок 3.4 - Зависимость мощности от расхода газа - воздуха

6

2

0

б) Электродуговой плазмотрон со стержневыми электродами ПСЭ

Рассмотрим основные характеристики плазмотрона ПСЭ с укороченным и удлиненным корпусом. На Рисунке 3.5 представлена осциллограмма силы тока и падения напряжения на дуге, на Рисунке 3.5а - для плазмотрона с удлиненным корпусом, работающего на воздухе [120], на Рисунке 3.5б и 3.5в - для плазмотрона с укороченным корпусом, работающего на смеси метана и водорода [119].

0»0вг*

ш

1000

I 0

о.

с

-1000

-2000 0,00

-10 0,04

Время, с

Время, с

в

а б Рисунок 3.5 - Осциллограммы силы тока и падения напряжения с массовым расходом: а - воздуха 0,9 г/с, б - водорода 0,008 г/с и метана 0,01 г/с,

в - водорода 0,006 г/с

2000

На Рисунках 3.6 и 3.7 [120] показана зависимость действующего падения напряжения на дуге от массового расхода газа и вольтамперная характеристика дуги плазмотрона, построенная также по действующим значениям.

Рисунок 3.6 - Зависимости действующего падения напряжения на дуге от массового расхода воздуха при разных токах уставки (короткого замыкания)

Ток, А

Рисунок 3.7 - Статическая ВАХ для разных значений расхода газа воздуха

У плазмотронов типа ПСЭ изменение геометрических характеристик оказывает влияние на рабочие параметры устройства. Например, варьирование длины электродных каналов ведет к изменению величины падения напряжения на дуге, что непосредственно сказывается на мощности плазмотрона [120]. Для укороченного корпуса мощность плазмотрона достигала величины 3 кВт, для удлиненного корпуса максимальное значение мощности составило 7,5 кВт, зависимость мощности от расхода газа представлена на Рисунке 3.8.

а

б

m

о о

X

^ 3 о 3

2-

■ И2+СН4

• Н2

-y=1,86+21,85x R= 0 91

-y=1,74+60,78x R= 0 88

0,02 0,04 0,06

Расход газа, г/с

0,08

в

Рисунок 3.8 - Зависимости мощности от расхода газа: а - воздуха при разных токах уставки [120], б - Н2+СН4, Аг+Н2, в - Н2+СН4, Н2

5

4

1

в) Электродуговой плазмотрон двухкорпусного типа со стержневыми электродами ПДСЭ

В экспериментах расход водорода варьировался в пределах до 0,08 г/с, расход метана до 0,03 г/с, мощность плазмотрона находилась в диапазоне 5-10 кВ. Динамика горения дуги была зафиксирована на соответствующих осциллограммах, приведенных на Рисунке 3.9 - изменение тока во времени изменялось синусоидально, а кривая напряжения демонстрировала отчетливые пики зажигания и погасания при переходе через нуль [118].

5000 4000 3000 2000

ш

£ 1000-

0! X

0,01 г/с СИ4 и 0,03 г/с Н2 0,5 г/с Аг и 0,06 г/с Н2

12 10 8 6 4

2 С

0 ё н

-2 -4 -6

-10

0,00 0,01 0,02

Время, с

0,03

0,04

Рисунок 3.9 - Характерные осциллограммы напряжений и токов при различных

расходах газов

На Рисунке 3.10 [118] показана зависимость напряжения от расхода водорода, имеющая ярко выраженный растущий характер.

Рисунок 3.10 - Зависимости действующего падения напряжения на дуге от

массового расхода водорода

Зависимость мощности от расхода газа представлена на Рисунке 3.11.

Расход газа, г/с

Рисунок 3.11 - Зависимости мощности от массового расхода газа

Пуск плазмотрона производился на аргоне с расходом 0,5 г/с, при этом уровень мощности составлял ~ 0,82 кВт. Добавление водорода с расходом 0,06 г/с способствовало увеличению мощности до значения ~ 4,28 кВт, далее при отключении аргона, плазмотрон выходил на рабочий режим и при рабочих расходах водорода до 0,08 г/с, характеристика являлась линейно возрастающей при межэлектродном расстоянии 30 мм, на Рисунке 3.11 представлена синими треугольниками. При расходах водорода до 0,08 г/с и межэлектродном расстоянии 40 мм характеристика, аппроксимирована квадратичным полиномом, тот же вид наблюдается и на смесях водорода и метана в массовом диапазоне расходов от 0,04 г/с до 0,12 г/с. Максимальная величина мощности составила 10 кВт при расходе водорода 0,21 г/с и метана 0,01 г/с.

Из анализа многочисленных экспериментов можно заключить, что присутствие метана в плазмообразующем газе оказывает некоторое возмущающее воздействие на горение дуги в электродуговой камере плазмотрона.

3.2 Режимы горения электрических дуг в углеводородных средах в разрядной

камере двухкорпусного плазмотрона

Интенсивное использование плазмотронов в промышленном производстве требует всестороннего изучения фундаментальных механизмов формирования и устойчивой стабилизации дуговых разрядов. Стандартные диагностические подходы, фокусирующиеся на измерении электрических параметров, недостаточны для полного описания поведения горящей дуги, особенно в условиях, характеризующихся высокими скоростями изменения временных и пространственных параметров.

Решением проблемы становится применение методов скоростной фото- и видеосъемки, позволяющих визуально наблюдать процессы развития и распространения дуговых разрядов непосредственно в рабочем объеме разрядной камеры. Такой подход обеспечивает регистрацию практически мгновенных изменений конфигурации дуги, отслеживание траектории ее движения и деформационных эффектов, а также выявление важнейших закономерностей взаимодействия дуги с поверхностью рабочих элементов конструкции.

Основными параметрами, значительно влияющими на динамику горения электрической дуги, служат температура, плотность тока, давление и состав плазмообразующей среды. Процесс горения дуги прямо воздействует на распределение температурных полей и концентраций заряженных частиц. Нестабильность заданных параметров может приводить к отклонениям в кинетике химических реакций, снижая качество конечного продукта.

Настоящий раздел посвящен представлению результатов экспериментального изучения процессов зарождения и эволюции дугового разряда в рабочей зоне электродуговой камеры плазмотрона ПДСЭ [124]. Экспериментально установлены основные временные и пространственные параметры разряда, включающие форму и размеры дугового канала, интенсивность излучения дуги. Исследование проводилось с применением электродных наконечников из графита и вольфрама при нормальном атмосферном давлении. Диапазон расхода плазмообразующих

газов составил: водород до 0,08 г/с, метан до 0,04 г/с, их смесей, а также аргона расходом 0,5 г/с; мощность 4-10 кВт, продолжительность эксперимента не превышала 30 минут.

На Рисунке 3.12 представлены интенсивности излучения в разряде при расходе: смеси водород 0,06 г/с и аргон 0,5 г/с; смеси водород 0,06 г/с и метан 0,01 г/с.

Рисунок 3.12 - Интенсивность излучения в разряде при расходе: а - смеси водород 0,06 г/с и аргон 0,5 г/с; б - смеси водород 0,06 г/с и метан 0,01 г/с

Рисунки 3.13-3.15 содержат последовательность изображений, полученных с помощью скоростной камеры со скоростью регистрации 4000 fps и временем экспозиции 10 мкс, направленной перпендикулярно плоскости разряда. Приведенные кадры позволяют зафиксировать наружный контур графитовой вставки, наконечник электрода погружен внутрь на расстояние 5 мм от кромки вставки. Выбор представленных кадров производился согласно предварительно рассчитанному вектору относительной интенсивности светимости, исходя из следующего принципа: кадры расположены последовательно, начиная с момента минимальной светимости разряда (момент инициации) и продолжаясь до достижения максимального уровня интенсивности. Затем представлены кадры с постепенным уменьшением интенсивности светимости до завершения текущего периода разряда. Полный период разряда составляет 20 мс, следовательно, каждый полупериод включает 40 кадров. Под каждым кадром размещено его изображение

после обработки в программе МаНаЬ, состоящей в построении линий равной интенсивности (пикселей) для данного изображения с возможностью выбора необходимого числа контурных линий.

В ходе работы было зафиксировано три типа разряда: контрагированный; диффузный с плазменным шлейфом; диффузно-шнуровой или переходный.

На Рисунке 3.13б представлен фрагмент диаграммы, соответствующий случаю диффузно-шнурового (переходного) разряда, где точками обозначены порядковые номера избранных кадров из видеоматериала, начиная с кадра номер 235. Следует отметить, что нумерация кадров здесь не связана началом временного периода разряда. Подобный принцип выбора кадров применялся аналогичным образом и для представления Рисунков 3.14 и 3.15.

235 239 241 243

•

"ЯГ 1 ■ ■ | Н ■

245 250 252 255

щЦ ■ ■

х т

«мга<

(Ж

* жш

хш

' 11Ш

Я131

ч! т

Ш !» П »

м ж м ш » ло

Кадры

а б

Рисунок 3.13 - а - режим диффузно-шнурового разряда в зависимости от номера кадра, б - картина распределения интенсивности излучения в зависимости от номера кадра, расход водорода Н2 0,06 г/с, ток 6 А, мощность 6 кВт

Исходя из предположения, что интенсивность излучения газа связана с его температурой, следует, что более яркие области, зарегистрированные на видеофайлах, соответствуют областям с более высокой температурой и, соответственно, с более высокой теплопроводностью. Последовательность видеофайлов представляет собой картину распределения плотностей тока в газе, поэтому далее при обсуждении полученных результатов, видеоряды будут

трактоваться на языке распределения тока, исходя из предположения, что электрическое поле в разряде также распределено неоднородно.

На Рисунке 3.13а представлен процесс формирования и развития диффузно-шнурового (переходного) разряда, сопровождающийся зарождением плазменного облака вблизи наконечника электрода, где инициируется дуговой разряд, не достигающий изначально противоположного электрода. Впоследствии развивающаяся дуга деформируется, изгибаясь в сторону торца электрода, и вытягивается по направлению течения потока плазмообразующего газа, приближаясь к торцу противоположного электрода. По мере достижения максимальной интенсивности свечения (кадры 245 и 250) начинается постепенное уменьшение свечения и последующее погасание разряда. Наблюдается окружающее дугу плазменное облако диаметром ~ 25-30 мм.

Приведенный режим горения разряда реализуется при следующих условиях: расход водорода до 0,06 г/с, первоначальный нагрев электродуговой камеры производится в течение кратковременного промежутка, исчисляемого ~ 1 мин. После установления стационарного режима работы отчетливо проявляется представленная динамика разряда. Аналогичную картину можно наблюдать на начальном этапе при работе в смеси водород-метан в соотношении 6:1 в течение первых минут работы, а также для соотношений смеси водород-метан 10:1, 8:1.

145

147

156

166

170

174

177

179

180 186

Рисунок 3.14 - Режим контрагированного разряда в зависимости от номера кадра, расход водорода Н2 0,06 г/с, ток 6 А, мощность 6 кВт

На Рисунке 3.14 приведено изображение последовательности стадий контрагированного разряда, характерного для режимов с расходом аргона 0,5 г/с,

смеси водорода 0,04-0,08 г/с и аргона 0,5 г/с, а также водородом с расходом 0,040,08 г/с в условиях «холодной» электродуговой камеры.

Непосредственно после пуска образуется отчетливо видимая электрическая дуга, в которой давление собственного магнитного поля превышает газокинетическое, вызывая явление контракции (сжатия). По мере продолжения нарастания разряда наблюдается увеличение поперечного сечения дуги, обусловленное смещением баланса между давлением магнитного поля и газокинетическим давлением в пользу последнего. Это служит причиной последующей деформации формы дуги под воздействием рабочего газа.

Необходимо подчеркнуть, что начало формирования дуги (кадр 145) и ее погасание в рамках одного полупериода (кадр 180) происходят на правом электроде. В следующем полупериоде, характеризующемся изменением полярности, дуга инициируется на левом электроде (кадр 186). Одновременно незначительное свечение сегмента дуги регистрируется также рядом с противоположным электродом. Однако между двумя указанными зонами отсутствуют следы излучения от дуги. Вероятной причиной такого эффекта является низкая чувствительность фотоприемника камеры, не позволяющего зафиксировать свечение на данном участке ввиду его низкого уровня относительно пороговой светочувствительности прибора. Применение более чувствительной, цветной матрицы фотоприемника и цветовым разрешением могло бы позволить раздельно проанализировать каналы красного (R), зеленого (G) и синего (B) цветов матрицы и, возможно, выделить интересующие детали более подробно.

На Рисунке 3.15 продемонстрировано развитие вида разряда, известного в зарубежных научных публикациях как plasma plume [113], то есть обладающего структурой диффузного разряда с протяженным плазменным шлейфом (плазменное облако).

228 4 230 € 232 • 234 • 237 • 241 »

ШИП Ш4 ■ ■

244 » 247 » 250 253 ; • 267 » 281 •

¡КЗ Е ■ .о И

Рисунок 3.15 - Режим диффузного (плазменный шлейф) разряда в зависимости от номера кадра, расход смеси водород Н2 0,08 г/с и метан СН4 0,01 г/с, ток 6 А,

мощность 7 кВт

Регулярное выявление газопылевых плазменных структур наблюдалось в экспериментах с дуговыми разрядами на графитовых электродах. Было зафиксировано поэтапное распространение плазменного шлейфа кадр за кадром в пространство до средней точки межэлектродного промежутка ~ 30 мм. После достижения максимума светимости разряда, соответствующей пиковой мощности (кадры 241 и 244), происходило обратное явление - сжатие плазменного облака вплоть до полного исчезновения. Особое внимание привлекает участок повышенной яркости в непосредственной близости от электрода, визуально сходный с формированием дугового канала. Вместе с тем, анализ изолиний интенсивности показывает отсутствие четкой структуры самой дуги. Обнаружение присутствия плазменного облака стало возможным только при сочетании двух видов плазмообразующих газов - метана и водорода в соотношении 1:8, 1:6 и 1:3 соответственно. Водород, выступающий основным компонентом, подавался в диапазоне расходов 0,06-0,08 г/с, с добавлением метана с расходом 0,01 г/с.

Анализ представленных изображений позволяет сделать вывод, что при низких расходах плазмообразующего газа в электродуговой камере образуется обширная область ионизированного газа, сохраняющая остаточную проводимость достаточную для последующего зажигания дуги. Горение дуг носит выраженный диффузный характер.

На основе изученных осциллограмм выделены числовые значения токов и напряжений, соответствующие синхронным сигналам камеры. Так был сформирован набор данных, строки которого связаны с номерами кадров записанного видеоролика. Благодаря этому появилась возможность сопоставления геометрических параметров дуги, таких как длина и диаметр, с соответствующими величинами тока и напряжения. На Рисунке 3.16 представлена видеограмма разряда при расходе водорода 0,08 г/с.

Время. С х|0'

Рисунок 3.16 - Видеограмма при расходе водорода 0,08 г/с, числа под кадрами -время кадра в секундах, отсчитываемого от начала видеограммы

Кадры в первом ряду на Рисунке 3.16 представлены без обработки, то фактическое изображение, которое было снято на видеокамеру, диаметр смотрового окна составлял 50 мм, расстояние между двумя выходными гранями корпусов плазмотрона составило 40 мм, расстояние между торцами электродов, утопленных в каналы 50 мм. Второй ряд представляет обработку кадров первого ряда и сопоставление моментов развития разряда с характерной осциллограммой мгновенных значений тока и напряжения, нумерация позиций на осциллограмме соответствует кадрам, представленным выше. Теперь имея возможность сопоставить данные, можно заключить, что после пробоя межэлектродного промежутка в электродной зоне возникает светящееся облако ионизованного газа, которое постепенно перемещается в зону электродуговой камеры. Облако, расширяясь постепенно от торца электрода, имеет форму шара с диаметром и яркостной структурой, зависящей от расхода плазмообразующего газа - водорода, который варьировался в пределах 0,06-0,1 г/с. Картина развития такого разряда длится до 7,3 10-3 с, что можно видеть из третьего кадра в ряду, далее к ~10 мс происходит видоизменение типа разряда в контрагированный, наблюдается горение дуги между двумя торцами электродов до ее полного погасания к концу полупериода на 12,3 10-3 с. С течением разряда происходит его незначительное искривление под действием газодинамических и электромагнитных сил.

Следует уточнить, ввиду особенностей измерительного оборудования, начало полупериода не начинается с точки нуль, но длительность каждого полупериода составляет 10 10-3 с.

При добавлении в плазмообразующий газ водород метана можно наблюдать иную картину развития разряда, ее видеограммы при расходах смеси водород-метан в соотношении 1:8 и 1:10 представлены на Рисунках 3.17 и 3.18 соответственно.

В обоих случаях качественная картина разряда имеет схожий вид, наблюдается свечение из канала к 3,2 10-3 с после начала пробоя, газ в межэлектродной зоне разряда разогревается и ионизуется, так как расход газа невысок, можно предположить, что ускорение частиц в струе также незначительна и подведенная к

разряду мощность идет на подогрев и ионизацию газа. К 6 10-3 с происходит вытягивание дуги в сторону противоположного канала на торец электрода. Наблюдается ярко выраженный шлейф дуги, разряд переходит в диффузный, скорость этого перехода зависит от соотношения метана в смеси газов. С увеличением пропорционального соотношения разряд стремится к контрагированному виду, имея незначительный шлейф вокруг тела шнура разряда.

Рисунок 3.17 - Видеограмма разряда при расходе смеси метан-водород в соотношении 1:8, числа под кадрами - время кадра в секундах, отсчитываемого от

начала видеограммы

ш

0,0043с 0,0053с 0,0075с 0,0100с 0.0125с

II, 0.1 г/с + СН. «.(»I г/с

2 4

Время, с х 10'

Рисунок 3.18 - Видеограмма разряда при расходе смеси метан-водород в

соотношении 1:10

Характер горения газа в аргоне отличается в качественном отношении от горения дуги в водороде, в первую очередь при развитии разряда в зоне электродуговой камеры, где возникает ярко светящийся шнур между торцами электродов, который вытягивается вверх в поперечном направлении, загораясь и погасая каждый полупериод. При добавлении в аргон водорода, характер горения незначительно отличается от горения в чистом аргоне в качественном соотношении. Картины развития разряда при соотношении водород-метан 1:3 и водороде 0,08 г/с представлены в Приложении А.

Поскольку в ходе проведенных экспериментов конструктивные особенности установки оставались неизменными, различия в характере возникающих разрядов объясняются уровнем ионизации используемых рабочих газов и соответствующим им разным уровнем давления. Процесс трансформации разряда от переходного состояния, характеризующегося начальной локализацией плазменного облака вблизи наконечника электрода, к контрагированному режиму и дальнейшей стадии формирования плазменного шлейфа (плазменного облака) объясняется влиянием указанных выше факторов. В приложении A содержится подробное покадровое представление развития этапов разряда и цифровую обработку изображений в формате RGB (Red, Green, Blue).

3.3 Режимы горения электрических дуг в окислительной среде в плазмотроне

с кольцевыми электродами

На Рисунке 3.19 приведены кадры видеосъемки электрической дуги на выходе из плазмотрона ПКЭ модификации П-038 расходе газа воздуха 3 г/с.

Рисунок 3.19 - Кадры дуги плазмотрона ПКЭ при расходе газа 3 г/с

На Рисунке 3.20 приведены кадры фотосъемки плазменного факела плазмотрона ПКЭ и их обработка. Кадры сняты при различных расходах воздуха, под каждым из них представлено контурирование ЯОВ-изображения на отдельные цветовые картины красного Я-геё, зеленого 0-§гееп и голубого В-Ь1ие цветов. Масштабный

коэффициент, соответствующий миллиметрам, составляет 1:0,75. Таким образом возможно оценить длину и диаметр факела дуги, представленными далее.

а б в

Рисунок 3.19 - Фотографии факела плазмотрона ПКЭ при расходе воздуха: а - 1,5

г/с, б - 2,5 г/с, в - 3,5 г/с, шкала в пикселях

Анализ морфологии плазменного факела (дуги) плазмотрона позволяет выделить два ключевых режима течения. Так, при расходе рабочего газа до 2 г/с наблюдается устойчивое однородное распространение плазменного факела из выходного сопла устройства. Повышение расхода приводит к значительному увеличению поперечного сечения плазменного канала, дальнейший рост расхода газа свыше 3 г/с характеризуется существенным усилением пространственно-временных неоднородностей потока, сопровождаемых выраженными пульсациями.

Оценка геометрических размеров электрических дуг

Определение геометрических размеров дуг, зарегистрированных на видеограммах, потребовало установления масштабных коэффициентов, необходимых для измерения световых диаметров и длины дуг. Для этого были специально отобраны кадры, на которых очертания дугового канала выделяются наиболее отчетливо. Имея численные данные о диаметрах смотрового канала и выходных графитовых втулок или сопла, возможно рассчитать искомые масштабные коэффициенты. Воспользовавшись специальной программой 1ша§е1, был измерен диаметр сопла в относительных единицах (пикселях), что позволило измерить световые диаметры дуг, используя полученные коэффициенты.

Средняя длина электрической дуги была определена экспериментально. Для плазмотрона ПДСЭ она составила ~ 50-52 мм. Световой диаметр дуги также измерялся и оказался равным ~ 1,7 мм для режима контрагированной дуги. Длину дуги вычисляли как среднее значение за один период колебаний, суммируя длину от торцов электродов в канале разряда и протяженность видимой части дуги.

Средняя длина электрической дуги для плазмотрона ПКЭ модификации П-025 при установленном сопле составила ~ 200 мм, для ПКЭ модификации П-038 без соплового блока составила ~ 295 мм. Длину выходной части плазменного факела ПКЭ модификации П-038 составила 55 мм, диаметр факела ~ 13,7 мм.

Плотность тока в электрическом разряде находилась исходя из предположения однородности распределения электрического тока по поперечному сечению. Для определения плотности использовался световой диаметр разряда, который, согласно проведенным исследованиям, достаточно точно отражает истинный токовый диаметр при установленных параметрах эксперимента.

Плотность тока в дуге, рассчитывается по соотношению:

(А/см2), (3.1)

Зпр

где Sпр, см2 - площадь сечения проводящей области.

Допуская приближенное соответствие светового диаметра токовому и равномерном распределении тока по радиусу разряда, рассчитанная величина

плотности тока составила ~ 212 А/см2 для плазмотрона ПДСЭ при контрагированном режиме работы.

3.4 Анализ процесса инициирования дуги в камере плазмотрона

Одной из основных проблем, решаемых при создании высоконадежных и простых в обслуживании плазмотронов в составе электрофизических установок различного назначения, является задача инициирования дуги в электродуговой камере плазмотрона.

Начальный поджиг дуги в плазмотронах постоянного тока возможно произвести несколькими способами [17]: закорачиванием электродов проволочкой, самопробоем в межэлектродном промежутке при достаточно высоком напряжении источника питания, посредством закорачивания межэлектродного промежутка газоразрядным каналом.

Первым способом инициирования дуги, применяемым для широкого интервала начальных давлении и разрядных промежутков, является установка взрывающейся проволочки между электродами. При инициировании разряда поджигающей проволочкой процесс включения может осуществляться как при атмосферном, так и при более высоком давлении. После подачи напряжения через проволочку протекает ток, происходит ее сублимация и образуется токопроводящий канал дуги, носителями заряда в котором, являются ионизованные частицы вещества проволочки. Используется для этой цели и дополнительный выдвижной электрод, который располагается в одном из рабочих электродов и с помощью электромагнита или пневматического привода выдвигается до соприкосновения со старым рабочим электродом. Образуемая после возвращения электрода в первоначальное положение дуга потоком рабочего газа и наложенным вращающим электромагнитным полем перемещается в рабочую зону.

Инициирование разряда также возможно реализовать посредством инжекции сгустка плазмы в межэлектродный промежуток. Инжекторы, генерирующие эти образования, используют в качестве плазмообразующего газа как рабочий газ

самих плазмотронов, так и материал стенок инжектора, испаряющегося в процессе разряда. Например, в плазмотронах серии MARC [22] высоковольтный дуговой блок питания соединен с плазмотроном, чтобы обеспечить достаточную энергию для пробоя зазора между верхним и нижним электродами в момент поджига. Инжекция плазмы в электроразрядный промежуток с использованием высоковольтного разряда обладает рядом недостатков, основными среди которых является существенная стоимость источника питания и то, что использование высокого напряжения, существенно ужесточает требования к обеспечению безопасности при эксплуатации установки.

В ИЭЭ РАН [110; 111] для исключения использования высокого напряжения, снижения стоимости системы питания установки и перевода электропитания установок на базе мощного трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами на низкое напряжение до 1 кВ был разработан и опробован ряд конструкций плазмотронов постоянного тока в качестве инжектора. В ходе экспериментов плазмотроны продемонстрировали устойчивую работу, при этом эрозия катода составила величины порядка 10-6 г/Кл, анода 10-7 г/Кл. Для обеспечения зажигания основных дуг необходимо получить поток плазмы с концентрацией электронов ne ~ 1014-1016 см-3 [120]. Их назначение состоит в том, чтобы обеспечить надежный поджиг основной дуги мощного трехфазного плазмотрона.

Следовательно, для стабильной работы плазмотрона важно правильно подобрать величину напряжения зажигания либо оптимальный воздушный зазор между электродами плазмотрона, ориентируясь на номинальное значение напряжения холостого хода используемого источника питания. В данной работе ввиду особенностей конструкции плазмотронов установка дополнительных технических приспособлений исключена, плазмотрон ПКЭ проектировался таким образом, чтобы обеспечить возможность изменения расстояния между электродами для обеспечения самостоятельного пробоя. Для определения межэлектродного расстояния были выполнены расчеты для определения уровня напряжения пробоя при величине межэлектродного промежутка 1,2-1,6 мм, радиус загиба электрода 4,5 мм. Для упрощения задачи на первом этапе расчета принимаем наличие одного

промежутка. На Рисунке 3.21 представлено взаимное расположение кольцевых электродов с упрощенной геометрией и воздушная область для моделирования. Обозначения: GR - заземленный электрод, HV - высоковольтный электрод. Для расчета использовался метод лавинно-стримерного перехода (ЛСП) с критерием на число ионизационных столкновений вдоль силовой линии равным 15, для расчетов использовался пакет конечно-элементного моделирования Comsol Multiphysics.

Для определения влияния диэлектрической стенки камеры при моделировании рассматривались две ситуации: с учетом диэлектрика (Рисунок 3.21 б) с дополнительной прямоугольной областью с некоторым 8^1 и без учета диэлектрика (Рисунок 3.21а). Для обеих ситуаций использовалась одна геометрия: изменялась только диэлектрическая проницаемость прямоугольника справа от электродов. Рассматривалась осевая симметрия, к границе области высоковольтного электрода прикладывалось постоянное напряжение U0, к границе заземленного электрода - нулевой потенциал, на внешней границе модели использован бесконечный элемент «Infinite Element Domain». Диэлектрическая проницаемость диэлектрика варьировалась в зависимости от его материала. Также менялось напряжение U0 на высоковольтном электроде и расстояние между

электродами. Для выбранных параметров рассчитывалась электростатическая задача. Наиболее «опасная» линия напряженности электрического поля в данном случае лежит между центрами закруглений обоих электродов.

Проверялась сеточная сходимость модели. Рассматривалось три варианта с разной плотностью сетки на Рисунке 3.22. Установлено, что погрешность, вносимая размерами элементов сетки, лежит в пределах ~ 10 В, т.е. 0,18%. В итоге для расчета напряжений пробоя был выбран вариант сетки Рисунке 3.22в.

мм 19 17 15 13 11 9 7

15

20

19 17 15 13

рляФПкш

11

9 7

15

19 17 15 13 11 9 7

20

15

20

Рисунок 3.22 - Изображения различных вариантов сетки

Результаты расчета напряжений пробоя для одного межэлектродного промежутка представлены в Таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Результат расчета напряжения пробоя

мм

мм

мм