 |
|
ВЧЕ-плазмотроны с коаксиальной геометрией электродов
Существенное продвижение в область высоких значений расходов газа возможно с использованием ВЧЕ-плазмотронов, имеющих коаксиальную геометрию электродов (рис. 2.5). ВЧЕ-плазмотрон коаксиальной схемы состоит из двух коаксиальных друг другу диэлектрических труб – внешней и внутренней. Вокруг внешней трубы располагается цилиндрический электрод. Он может быть закреплён непосредственно на трубе либо находиться на некотором расстоянии от неё. Второй электрод, тоже цилиндрический, располагается во внутренней трубе. Таким образом, оба электрода тоже коаксиальны друг другу и изолированы от разряда электрическими стенками труб, образующих разрядный промежуток и составляющих так называемую разрядную камеру плазмотрона. Основной материал для разрядной камеры – кварц, обладающий высокой теплостойкостью и способностью выдерживать резкие изменения температуры (градиент порядка 1000 К) при достаточно высокой электрической прочности. Электроды, как правило, медные. Они могут быть сплошными, сделанными в виде спирали или перфорированными различного рода отверстиями (с целью получения возможности наблюдать разряд).
2. источники питания высокочастотных плазмотронов
В высокочастотных плазменных установках, как правило, применяются ламповые генераторы с самовозбуждением - автогенераторы.
Автогенератор - это генератор, у которого переменное напряжение на сетку подаётся из анодной цепи через цепь обратной связи. Частота и амплитуда колебаний у автогенератора определяются лишь его собственными параметрами. В зависимости от типа плазмотрона и его технологического предназначения автогенераторы могут работать в диапазоне частот от 60 кГц до 80 МГц. В последнее время значительные изменения произошли в конструкциях выпрямителей, а также в системах управления генераторов, которые теперь строятся с использованием микропроцессорной техники. Однако принципиальная схема высокочастотного блока практически не изменилась и, как правило, делается на базе ламповых триодов. Колебательная система, присоединяемая к генераторной лампе, должна обеспечить условия, при которых генератор работал бы вполне устойчиво, отдавал требуемую колебательную мощность при достаточно высоком КПД, а частота генерирующих электромагнитных колебаний находилась бы в заданном диапазоне.
В настоящее время для питания ВЧ-плазмотронов используются ВЧ-генераторы с частотой 440 кГц - 30 МГц, основное назначение которых - индукционный и диэлектрический нагрев материалов. При этом непосредственное подключение плазмотрона к генератору без изменения его колебательной системы не позволяет передать плазме номинальную высокочастотную мощность, что приводит к снижению КПД установки. Колебательная система выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую величину вкладываемой в разряд мощности на рабочей частоте, величина которой вместе с тем поддерживалась бы с заданной точностью при любых изменениях параметров системы, вызванных изменением режима работы плазмотрона и генератора. Выбор схемы зависит главным образом от необходимой частоты автоколебаний и требований к её стабильности.
В таблице 2.1 приведены основные типы установок, применяемых для питания ВЧ-плазмотронов.
Таблица 2.1 – Некоторые типы генераторов для получения ВЧ-плазмы
| Тип установки | Мощность, кВт | Частота, МГц | Мощность потребления, кВ·А | Занимаемая площадь, м2 | Фирма |
| ВЧИ-10/0,44 | 0,44 | 1,3×1,0 | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | ||
| ВЧИ-60/1,76 | 1,76 | 3,5×1,3 | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | ||
| ВЧИ2-160/1,76 | 1,76 | – | – | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | |
| ВЧГЗ-160/0,066 | 0,066 | "Интуктор" | |||
| ВЧС2-600/0,44 | 0,44 | 15,2×1,2 | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | ||
| ВЧС2-1000/0,44 | 0,44 | 24×1,8 | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | ||
| "Плазма-401" в комплекте с плазмотроном | 1,76 | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | |||
| "Плазма-701" | 2,5 | 27,12 | ТагЗЭТО | ||
| R 3/400 | 0,4 | 1,2×1,0 | "Radyne" | ||
| R 5/600 | 0,15-0,3 | 1,2×1,0 | "Radyne" | ||
| R 1000 | 0,15-0,25 | 1,9×1,6 | "Radyne" | ||
| GIV 20025LEV | 0,6 | 1,0×1,1 | "Elphiac" | ||
| GIV 20100LEV | 0,26 | 1,1×1,8 | "Elphiac" | ||
| EJH-60 | 0,38-0,48 | 1,0×2,0 | "Elma" | ||
| GH 30 | 0,36 | 1,0×2,0 | "Elma" | ||
| ВЧГ2-4/27 | 27,12 | 7,5 | 1,0×1,0 | ТагЗЭТО | |
| ВЧГ8-60/13 | 13,56 | 2,6×1,3 | ЛОЭЗ ВНИИТВЧ | ||
| Плазмохимические установки | 0,5 | 13,56 | 1,0 | 1,34×0,2 | "International Plazma Electrotech" |
В диапазоне частот 0,066-5,28 МГц для питания ВЧИ-плазмотронов можно использовать промышленные генераторы типа ВЧИ, которые разработаны и применяются для индукционного нагрева различных материалов. Выбор этих генераторов определяется тем, что они рассчитаны на нагрев в поле индуктора, эквивалентная схема которого подобна эквивалентной схеме индукционного плазмотрона.
Аналогично обстоит дело и с ламповыми генераторами для питания емкостных плазмотронов. В диапазоне частот 13-50 МГц применяются промышленные генераторы типа ВЧГ, которые разработаны и применяются для нагрева диэлектриков. Нагрузка таких генераторов емкостная и близка к эквивалентной схеме ВЧЕ-плазмотрона.
Использование промышленных ВЧ-генераторов для питания ВЧИ- и ВЧЕ-плазмотронов путём их непосредственного подключения невозможно, так как параметры эквивалентной схемы плазмотрона (как индукционного, так и емкостного) значительно отличаются от соответствующих параметров индуктивно нагреваемых материалов или диэлектриков и могут быть сопоставимы с внутренним сопротивлением и межэлектродными емкостями генераторной лампы. Поэтому применение промышленных ВЧ-генераторов в плазменных установках с ВЧЕ- и ВЧИ-плазмотронами требует переделки генератора (в основном его колебательной системы). Итак, плазменные ВЧ-установки в основном эксплуатируются на частотах:
- ВЧИ: в диапазоне от 66 кГц до 27,12 МГц;
- ВЧЕ: в диапазоне от 5,28 до 152,5 МГц.
С точки зрения способа подачи напряжения возбуждения диапазон частот можно разделить на два: от 0,66 до 5,28 МГц и от 13,56 до 152,5 МГц. При частотах первого диапазона напряжение возбуждения снимается с какого-либо элемента колебательной системы кондуктивно или индуктивно. При более высоких частотах (второй диапазон) обратная связь осуществляется за счёт междуэлектродных емкостей генераторной лампы. Колебательные системы вплоть до частоты 40 МГц выполняются преимущественно из элементов с сосредоточенными параметрами (двухпроводные или коаксиальные линии).
 |
Схемы многих автогенераторов могут быть сведены к эквивалентной схеме, называемой трёхточечной (рис. 2.1). Трёхточечная система состоит из трёх элементов. Одним из элементов может являться межэлектродная ёмкость лампы. Два других представляют более или менее сложные двухполюсники, один из которых реактивный, а второй кроме реактивных элементов включает в себя основное сопротивление нагрузки. В зависимости от того, к какому электроду присоединены оба двухполюсника, различают три вида схем автогенераторов. В схемах с общим катодом и общим анодом двухполюсник, содержащий сопротивление нагрузки, присоединён между катодом и анодом лампы, а в схемах с общей сеткой - между анодом и сеткой. Схемы с общим катодом, как правило, используются в автогенераторах с рабочей частотой до 13 МГц, с общим анодом - в диапазоне частот 13-150 МГц, с общей сеткой - более 150 МГц.
Итак, ламповые генераторы в диапазоне частот от 0,44 до 40 МГц и выше являются на сегодня незаменимыми источниками питания для ВЧ-плазмотронов. Теоретические основы их создания разработаны не только в применении их к электротермическим установкам, но и обусловлены развитием радиопередающих средств. Однако специфические особенности применяемых в плазменных установках ламповых генераторов, обусловленные сильной нагрузкой с сильно меняющимися электрическими параметрами, требуют создания специальных плазменных высокочастотных генераторов в широкой области частот и мощностей с обеспечением их серийного выпуска.
3 применение высокочастотных плазмотронов
Многообразие вариантов режимов и конструктивных особенностей ВЧ-плазмотронов позволяет, с одной стороны, сделать практически любой технологический процесс эффективным путём выбора подходящего ВЧ-плазмотрона. С другой стороны, отсутствие универсальности ВЧ-плазмотронов предъявляет достаточно высокие требования к уровню владения этой техникой.
Таблица 3.1 – Стоимость нагрева аргона и воздуха до одинаковой температуры в дуговом и высокочастотном плазмотронах при одинаковой мощности электрического разряда
| Характеристика | Воздух, Т до 104К | Аргон, Т до 104К | ||
| ВЧИ-плазмотрон | Дуговой плазмотрон | ВЧИ-плазмотрон | Дуговой плазмотрон | |
| Мощность разряда, кВт | ||||
| Установленная мощность, кВт | ||||
| Мощность плазменной струи, % | ||||
| Амортизация за 5 лет, $/час | 12,5 | 2,75 | 12,5 | 3,3 |
| Эксплуатационные расходы, $/час: | ||||
| - горелка | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| - замена электродов | - | - | ||
| - конденсаторы | 3,2 | - | 3,2 | - |
| - выпрямитель | 1,47 | 1,47 | 1,47 | 1,47 |
| - генераторная лампа | 9,4 | - | 9,4 | - |
| Стоимость газа, $/час | - | - | ||
| Стоимость электроэнергии, $/час | 7,06 | 6,0 | 7,07 | 8,68 |
| Стоимость простоя, $/час | - | - | ||
| Общая стоимость, $/час | 34,14 | 157,72 | 64,14 | 50,95 |
Существующие методы расчётов дают возможность квалифицированно определить характеристики ВЧ-плазмотронов, в наибольшей степени отвечающие параметрам оптимального технологического процесса. Помимо технических параметров немаловажным обстоятельством, которое нужно учитывать, является оценка экономичности плазменного процесса.
В таблице 3.1 приведён сравнительный анализ стоимости нагрева воздуха и аргона до одинаковой температуры на дуговых и ВЧИ-плазмотронах с учётом капитальных, а также эксплуатационных затрат. Стоимость нагрева аргона в дуговых плазмотронах составила $50,95 в час, в то время как в высокочастотном - $64,14 в час, то есть на 21% выше. Однако стоимость нагрева воздуха в дуговых плазмотронах обходится дороже $150,72 в час, в то время как в ВЧИ-плазмотроне - только $34,14 в час, то есть в 4,6 раза дешевле, чем в дуговых. При нагреве кислорода, хлора и любых других агрессивных газов и паров веществ это соотношение ещё больше меняется в пользу ВЧ-плазмотронов, несмотря на более низкий по сравнению с дуговыми плазмотронами электрический КПД.
При рассмотрении конкретного технологического процесса нередко решает вопрос в пользу выбора того или иного типа плазмотрона не стоимость нагрева плазмообразующего газа и не электрический КПД плазмотрона. Например, при сфероидизации гранулированного порошка в плазме основной показатель - производительность процесса при 100%-й обработке порошка. При одинаковой мощности плазмотронов в зависимости от их типа значительно различается скорость частиц в плазме. В таблице 3.2 приведены данные о скорости частиц в плазме для некоторых типов плазмотронов. Скорость частиц в ВЧ-плазме может быть в десятки раз меньше, чем в дуговой, что и определяет преимущества ВЧИ-плазмотронов, их более высокий тепловой КПД нагрева порошка (см. таблицу 3.3).
В данном случае под тепловым КПД процесса понимают отношение тепловой мощности плазмы, переданной в порошок, к мощности электрического разряда. Следствием этого является высокая производительность ВЧИ-плазмотронов при 100%-й сфероидизации гранулированных порошков.
Таблица 3.2 – Скорость и время пребывания частиц в плазме
| Тип плазмотрона | Длина струи, мм | Скорость частиц, м/с | Время пребывания в плазме, мс |
| Дуговой односекционный | 0,5 | ||
| Дуговой многосекционный | 4,0 | ||
| ВЧ индукционный | 100,0 |
Таблица 3.3 – Тепловой КПД нагрева порошка
| Способ сфероидизации | Тепловой КПД нагрева порошка, % |
| Дуговая плазма, нейтральная проволока | 1–1,5 |
| Дуговая плазма, гранулированный порошок | 1–5 |
| Дуговая плазма, токоведущая проволока | 8–10 |
| Высокочастотная плазма | 25–30 |
ВЧ-плазмотроны можно использовать в тех технологических процессах, которые уже освоены с использованием дуговых плазмотронов, например резка, стружка, переплав, рафинирование металлов. Однако каких-либо преимуществ ВЧ-плазмотронов перед дуговыми в данных процессах обнаружено не было. При решении вопроса о выборе типа плазмотрона (дуговой или ВЧ) предпочтение следует отдавать ВЧ-плазмотронам лишь в том случае, когда они оказываются эффективнее дуговых в реализации конкретного технологического процесса.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. - М., Наука. 1987. 592 с., 2-е изд. – 1992. -536с.
2. В.Г.Грановский. Электрический ток в газе. Установившийся ток. - М., Наука. 1971. -543с.
3. И.М.Каганов. Ионные приборы. - М., Энергия, 1972. - 526с.
4. В.Е.Голант, А. П. Жилинский, И. Е. Сахаров. Основы физики плазмы. - М., Атомиздат, 1977. - 384с.
5. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М., 1991.-719с.
6. Энциклопедия низкотемпературной плазмы // Под ред. В.Е.Фортова. Вводный том (в 4 книгах). М., Физматлит. 2000. Разделы:
«2.Элементарные процессы в плазме» (Кн.1), «4.Генерация плазмы и газовые разряды» (Кн.2), «10.Плазменная электроника»(Кн.4).
7. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том XI-4 «Газовые и плазменные лазеры» // Под ред. С.И.Яковленко. М., Физматлит. 2005.- 825с.