Содержание к диссертации
Введение
1. ВЧИ-плазмотроны: принцип работы, особенности плазмотронов для спектрального анализа 14
1.1. Принцип работы ВЧИ-плазмотрона 14
1.2. Особенности конструкции и параметров работы ВЧИ-плазмотронов для спектрального анализа 16
1.3. Выводы 27
2. Расчет параметров плазмы в ВЧИ-плазмотроне 29
2.1. Математические модели равновесной и неравновесной плазмы в ВЧИ-плазмотроне : 30
2.2. Основные сведения о методе контрольного объема... 57
2.3. Расчетная сетка 61
2.4. Дискретные аналоги уравнений плазменных моделей.
2.5. Обеспечение устойчивости. Линеаризация источникового члена ... 84
2.6. Алгоритм решения 87
2.7. Обработка результатов моделирования 89
2.8. Выводы 92
3. Результаты расчетов ВЧИ-плазмотрона 94
3.1. Исходные данные 94
3.2. Расчеты по равновесной модели
3 3.3. Расчеты по неравновесной модели 139
3.4. Выводы , 159
4. Экспериментальное изучение ВЧИ-плазмотрона для спектрального анализа 164
4.1. Экспериментальная установка 164
4.2. Визуализация холодного канала 165
4.3. Измерение электронной температуры плазмы 169
4.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.. L .180
4.5. Выводы .182
5. Моделирование движения и нагревания одиночной частицы в плазме 184
5.1. Движение одиночной частицы в плазме 185
5.2. Нагревание одиночной частицы в плазме 192
5.3. Результаты расчета частицы в потоке плазмы 207
5.4. Выводы 213
Заключение
- Особенности конструкции и параметров работы ВЧИ-плазмотронов для спектрального анализа
- Обеспечение устойчивости. Линеаризация источникового члена
- Расчеты по равновесной модели
- Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.. L
Особенности конструкции и параметров работы ВЧИ-плазмотронов для спектрального анализа
Плазмотрон располагается вертикально, с выходом газа снизу вверх. В верхней части плазмотрона расположены витки индуктора, связанные с высокочастотным генератором. Плазма образуется в потоке подаваемого газа и выдувается в виде факела над обрезом трубы, а проба в виде аэрозоли (частицы -пробы с транспортирующим газом) подается по центральной трубе и вдувается внутрь плазменного факела. Внешний (защитный) поток газа экранирует плазму от попадания атмосферных газов и охлаждает стенки плазменной горелки. Очень важен размер зазора между наружной и средней трубками разрядной камеры. Этот зазор должен находиться в пределах 1 ± 0.2 мм [11], или, по другим данным, 0.7 ± 0.1 мм [12], При увеличении зазора невозможно осуществить надежную термозащиту стенок разрядной камеры.
Существенным является расположение средней трубки относительно нижнего витка индуктора. Расстояние между торцом этой трубки и нижним витком индуктора должно быть не более 12 мм [12]. Увеличение этого размера, по утверждению авторов [12], приводит к нестабильности разряда. Не менее важную роль играет также расстояние торца трубки для ввода аэрозоли по отношению к зоне образования плазмы. Теоретически, чем меньше это расстояние, тем больше вероятность попадания аэрозоли і в осевую зону разряда. Практически приближение этой трубки к зоне индуктора приводит к заплавлению выходного отверстия. Регулирование положения плазменного сгустка вдоль оси разрядной камеры осуществляется с помощью потока плазмообразующего газа, подаваемого в среднюю трубку. При расходе плазмообразующего газа порядка 2-3 л/мин (в зависимости от расхода охлаждающего газа) и расстоянии между торцом средней трубки и нижним витком индуктора 7 - І2 мм удается отделить высокотемпературную зону разряда от соприкосновения со средней трубкой. Выходной торец трубки для ввода аэрозоли при этом должен располагаться на расстоянии 2 -3 мм ниже торца средней трубки [12].
Поскольку стабильность и воспроизводимость потоков газа сильно влияют на результаты измерений, точность изготовления и взаимного расположения труб плазменной горелки должна строго выдерживаться. Поэтому в большинстве случаев используется цельносварной кварцевый плазмотрон. С другой стороны, на трубе, через которую проходит аэрозоль, при работе установки образуется осадок, вызывающий появление «эффекта памяти», для удаления которого удобно иметь разборную плазменную горелку.
Сварные кварцевые камеры ВЧИ-плазмотронов показаны на рис. 1.3, разборные варианты конструкции ВЧИ-плазмотрона приведены на рис. 1.4.
Главная сложность в сборке разборного плазмотрона обусловлена требованием необычайно тщательной центровки трубок (как было сказано выше, зазор между наружной и средней трубками должен быть равен 0.6 - 1 мм). В связи с этим предъявляются очень высокие требования к точности изготовления кварцевых труб и точности сборки плазмотрона. Точность крепления центральной трубки определяет условия ввода аэрозоли в осевую зону разряда.
Для эффективной работы плазменного источника возбуждения спектров важен правильный выбор частоты тока. Зарубежные фирмы часто стремятся к повышению частоты до 40 -s- 56 МГц. Это объясняется желанием получить ярко выраженную кольцевую плазму, когда глубина проникновения тока мала, и он протекает в основном в поверхностных слоях плазмы. В средней части плазмы при этом образуется зона с меньшей температурой, которая оказывает меньшее сопротивление вводу исследуемого вещества. Одновременно обеспечивается стабильность плазмы, так как анализируемое вещество, проходя через зону, в которой мощность не выделяется, не влияет на проводимость плазмы и, следовательно, на режим источника питания.
Однако в большинстве установок обычно используется частота тока 27.12 МГц, так как при повышении частоты увеличивается опасность емкостных пробоев, а при ее понижении увеличивается требуемая мощность и глубина проникновения тока в плазму.
Выбор частоты связан с диаметром плазмотрона. При работе с плазмотроном, имеющим наружный диаметр 20 мм, обычно применяют частоту 27.12 МГц, при меньших диаметрах используют частоту 40 МГц [14].
Для .большинства веществ, анализируемых в виде аэрозоли раствора, а также органических веществ достаточно иметь полезную мощность установки в пределах 0.3 ч- 2.5 кВт. При этих мощностях плазмотрон устойчиво работает при внутреннем диаметре наружной трубки, равном 18 мм.
Увеличение диаметра наружной трубки влечет за собой необходимость увеличения мощности генератора и расхода охлаждаемого потока. Уменьшение этого диаметра приводит к опасности попадания анализируемых веществ в зону выделения мощности [14].
Род плазмообразующего газа В качестве плазмообразующего газа обычно используют аргон, так как его спектр не содержит молекулярных полос, континуум спадает экспоненциально к ультрафиолетовой области, атомные и ионные линии немногочисленны, в силу его инертности не образуются молекулярные соединения с атомами пробы. Высокие потенциалы возбуждения и ионизации атомов аргона, сравнительно низкая теплопроводность приводят к тому, что температура плазмы высока (8000 - 10000 С). Кроме того, при использовании аргона -необходима минимальная мощность для поддержания разряда, что обусловлено низкой энтальпией аргона.
Кроме аргона, для создания внешнего защитного потока относительно редко используются азот и воздух, а также смеси газов Ar-N2, Аг-СЬ, Аг-воздух, Аг-He в различных соотношениях [17].
Обеспечение устойчивости. Линеаризация источникового члена
Кроме того, будут сравниваться изотермы 7000 К при различных режимах работы плазмотрона. Выбор изотермы 7000 К обусловлен тем, что именно при этой температуре аргоновая цлазма начинает испускать излучение. Таким образом, изотерма 7000 К совпадает с видимым контуром плазмы, который может наблюдаться экспериментально.
При анализе результатов используются следующие обозначения: N номер варианта;/ - мощность, вьщеляемая в плазме; Gj, G2, G3 - расходы транспортирующего, плазмообразующего и защитного газов соответственно; Jmax - максимальная плотность тока; гУшах, zJmax - положение точки с максимальной плотностью тока; Дг,, Az, - размеры зоны протекания тока (зона, где плотность тока «/ «/max/e)J Ретгх " максимальная удельная выделяемая мощность; Е9 - максимальная напряженность электрического поля (внутри трубки плазмотрона); Hzmax, Нгтах - максимальные значение осевой и радиальной составляющих напряженности магнитного поля; Fzmax Fr . - максимальные значения осевой и радиальной составляющих -электромагнитной силы; 7 - максимальная температура плазмы; гГпих, zTwjX -положение точки с максимальной температурой; Arwall - минимальное расстояние от точки с температурой 2000 К до стенки плазмотрона; Аг4тк, Az4000K - размеры зоны с температурой, превышающей 4000 К; V2max, vrmax -максимальные значения осевой и радиальной составляющих скорости; vzmin, vrmjn - минимальные значения осевой и радиальной составляющих скорости; Prad - потери мощности за счет излучения; Рвых - мощность на выходе из плазмотрона; Pwall - мощность кондуктивных потерь в стенку плазмотрона; РЯвх - мощность кондуктивных потерь через вход плазмотрона; Рт - мощность, вносимая через вход плазмотрона потоком газа; Р + Р — Р — Р — Р — Р АР = м = !=- 100 % - баланс мощностей в процентах от вьщеляемой в плазме мощности Рт (должен быть близок к 0); 1С - ток индуктора; 12 - полный ток плазмы; R2 - активное сопротивление плазмы; R - радиус плазмотрона.
Характерные особенности плазмы в ВЧИ-плазмотроне удобно рассмотреть на основе результатов варианта расчета с двумя потоками газа: Gt=0, G2=2.5 л/мин, G=20 л/мин, мощность в плазме 2 кВт, частота 27.12 МГц. -Распределения температуры, потока, плотности тока и напряженности электрического поля показаны на рис. 22 и 2.3.
Максимальная температура ( 10000 К для аргона) наблюдается в зоне " вьщеления энергии примерно на одинаковом расстоянии от оси и стенки. На выходе плазмотрона температура плазмы снижается до 8-9 тыс. К.
В результате воздействия электромагнитного поля в плазме наводится кольцевой ток. Несмотря на то; что максимальная напряженность электрического поля расположена на стенке плазмотрона, максимальная плотность тока плазмы формируется на некотором расстоянии от стенки. Это объясняется тем, что условием прохождения тока является наличие электропроводимости плазмы, которая имеет место при температуре не меньше 6000 К, что, в свою очередь, возможно лишь на некотором расстоянии от стенки. Вблизи оси плазмотрона плотность тока падает, что объясняется поверхностным эффектом, т.е. вытеснением переменного электромагнитного поля из глубины электропроводящей среды на ее поверхность.
На входе плазмотрона наблюдается зона обратного течения плазмы (лобовой вихрь). Передняя граница лобового вихря четко совпадает с границей плазмы, задняя граница находится примерно в середине индуктора. В зоне лобового вихря линии потока замкнуты, т.е. некоторое количество плазмы постоянно вращается в этой зоне, не выходя из нее. Холодный газ, идущий от входа, отбрасывается к стенке плазмотрона и не проникает в эту зону.
Главную роль в образовании зоны обратного течения плазмы играет электромагнитная сила Fr. Несмотря на то, что в зоне лобового вихря некоторое количество плазмы находится постоянно, в то время как остальная часть плазмы движется от входа к выходу, максимальная температура находится не в этой зоне, а в зоне выделения энергии.
Холодный газ, отброшенный лобовым вихрем к стенке плазмотрона, постепенно нагревается плазмой, становится электропроводящим, и на него начинает действовать электромагнитная сила. В результате примерно в середине индуктора поданный газ начинает проникать в плазму. Однако основная масса газа протекает вдоль стенки, минуя плазму.
Подача транспортирующего газа с расходом G, приводит к значительным изменениям в распределениях температуры и функции потока, которые приведены на рис. 3.4 и 3.5 для расходов Gj=l и 3.5 л/мин. Видно, что подача транспортирующего газа приводит к резкому охлаждению приосевой зоны плазмотрона; поток G, «пробивает» лобовой вихрь плазмы, в результате чего
вблизи оси плазмотрона образуется зона прямоструйного течения газа с низкой температурой - так называемый «холодный канал». Транспортирующий газ с расходом Gj=l л/мин пробивает лобовой вихрь, но холодный канал быстро нагревается плазмой, и в верхней половине индуктора его уже нет. При этом наружные слои потока транспортирующего газа вовлекаются в вихревое движение, что при подаче пробы приведет к ее осаждению на стенки.
Расчеты по равновесной модели
При сравнении режимов без подачи (Gy=0) и с подачей транспортирующего газа с расходом Gx-\ л/мин видно, что подача транспортирующего газа приводит к некоторому смещению всей лобовой части плазмы (не только вблизи оси) в направлении выхода плазмотрона. Это приводит к уменьшению длины зоны протекания тока (зоны, где плотность тока «/ «/.„ах/е). При этом для поддержания постоянного значения выделяемой в плазме мощности увеличивается ток индуктора, что приводит к росту максимальных значении распределенных электромагнитных величин, небольшому росту температуры и скорости плазмы.
Распределения температуры вдоль оси плазмотрона при изменении расхода Gt транспортирующего газа: 1 - Gj=0; 2 - Gj=l л/мин; 3 (j, =2 л/мин; 4 - G, =3 л/мин; 5 - G, =3.5 л/мин; 6 - Gt =5 л/мин
При дальнейшем росте расхода Gl транспортирующего газа лобовая часть плазмы (исключая приосевую зону) остается практически без изменений, наблюдается небольшое смещение плазмы к стенке плазмотрона, что при условии постоянства выделяемой в плазме мощности приводит к уменьшению тока индуктора. Это приводит к уменьшению максимальных значений распределенных электромагнитных величин, температуры и скорости плазмы. Температура на оси плазмотрона определяется расходом транспортирующего газа. Рис. 3.7 и 3.8 показывают, что в режиме без подачи транспортирующего газа температура 7000 К наблюдается уже на расстоянии примерно 3 мм от входа плазмотрона. При Gx=l л/мин газ нагревается до 7000 К только на расстоянии примерно 16 мм; при Gx=3 л/мин — на расстоянии примерно 57 мм. При увеличении Gl до 5 л/мин температура газа на выходе расчетной области равна только 4000 К. Минимальное расстояние от изотермы 2000 К до стенки плазмотрона при Gj=0 составляет Ar l.04 мм, и при увеличении расхода транспортирующего газа до Сг,=5 л/мин - уменьшается до Arwatt =0.92 мм. Зона, в которой возможны плазмохимические реакции (Т 4000 К), при увеличении расхода Gx транспортирующего газа уменьшается по длине, а по радиусу остается неизменной. Увеличение расхода Gx транспортирующего газа приводит к: уменьшению доли мощности, теряемой за счет излучения плазмы, с 17 до 9 %; увеличению доли мощности плазменной струи, с 85 до 94 %; доля мощности, теряемая в стенке плазмотрона, меняется очень слабо (1.5-1.9 %).
Относительно малое изменение электромагнитных величин при образовании холодного канала говорит о том, что транспортирующий газ, проходя через приосевую зону, минует плазменную область протекания тока и выделения энергии. -Поток транспортирующего газа «пробивает» зону рециркуляции плазмы, тем самым обеспечивая возможность подачи частиц в осевую зону плазмы. Однако при увеличении расхода Gv резко уменьшается время нагрева и испарения частицы. Так, при 3.5 л/мин невозможно производить спектроскопию непосредственно за индуктором.
Изотермы 7000 К для рассмотренных вариантов показаны на рис. 3.9. Результаты изучения влияния расхода G2 плазмообразующего газа на параметры плазмы приведены в табл. 3.8 - ЗЛО. Анализ результатов, приведенных на рис. 3.9 и в табл. 3.8 - 3.10, позволяет сделать следующие выводы: 1. При увеличении расхода G2 плазмообразующего газа происходит смещение лобовой части плазмы в сторону выхода плазмотрона. При этом часть плазмы выше индуктора остается, практически без изменений. 2. Смещение" лобовой части плазмы при увеличении расхода G2 приводит к тому, что для поддержания постоянного значения выделяемой в плазме мощности Рт=2 кВт требуется увеличить ток индуктора: /с=34 А при G2=0, 1е =40 А при G2=10 л/мин. В свою очередь это приводит к увеличению полного тока 12 плазмы, активного сопротивления R2 плазмы, а также к увеличению максимальных значений распределенных электромагнитных величин (таких как -119-плотность тока, напряженность электрического и магнитного поля, электромагнитная сила, удельная выделяемая мощность). При этом положение точки с максимальной плотностью тока практически не меняется. 3. Зона протекания электрического тока в плазме (зона, где плотность тока J Jmax/e) при увеличении расхода G2 увеличивается в радиальном направлении, но сокращается в осевом. 4. Рост интенсивности электромагнитных процессов, вызванный увеличением расхода G2, приводит к увеличению максимального значения температуры плазмы (примерно на 300 К при росте G2 от 0 до 10 л/мин). При этом положение максимума температуры меняется слабо. В свою очередь рост температуры приводит к увеличению скорости плазмы в осевом направлении (с 23 до 28 м/с при росте Gz от 0 до 10 л/мин). 5. Минимальное расстояние от изотермы 2000 К до стенки плазмотрона при расходе G2=0 составляет Arwa//=0.92 мм, и при увеличении расхода плазмообразующего газа до G2=10 л/мин - увеличивается до Arwa]l =1.53 мм. 6. Увеличение расхода G2 плазмообразующего газа приводит к: увеличению доли мощности, теряемой за счет излучения плазмы, с 17 до 20 % (что объясняется ростом температуры плазмы); уменьшению доли мощности, теряемой в стенке плазмотрона, с 2 до 0.08 %; увеличению доли мощности плазменной струи, с 77 до 86 %.
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.. L
В ряде технологий плазма используется в качестве инструмента, производящего необходимые действия над мелкими частицами порошка или каплями. Это такие технологии, как спектральный анализ, напыление тугоплавких покрытий, сфероидизация порошков [4,44].
В частности, при спектральном анализе с использованием ВЧИ-плазмы технологической целью является получение спектра исследуемого материала. Для этого необходимо, чтобы частицы материала, подаваемые в плазму, полностью испарились, и полученный пар нагрелся до температуры, при которой возможна регистрация его излучения. Отличительными особенностями данной технологии являются: малая мощность и объем, плазмы, малое количество подаваемого материала (в виде твердых частиц или жидких капель), осевая подача и малый размер частиц (до 10 мкм) [3,14].
Таким образом, успешное выполнение технологической задачи (испарение частиц) определяется взаимодействием плазмы и частицы. Точнее, здесь нужно говорить о воздействии плазмы на частицу, поскольку при спектральном анализе в плазму вводятся небольшие количества исследуемого материала, воздействие потока частиц на плазму мало, им можно пренебречь и рассматривать одиночную частицу в плазменном потоке.
Данная глава посвящена исследованию поведения мелкой одиночной частицы в плазме с помощью математического моделирования.
Исследование поведения мелкой одиночной частицы в плазме состоит из двух задач [44]. Первая - исследование динамики движения частицы в плазме -включает в себя расчет траектории и скорости движения частицы. Вторая задача - исследование нагревания частицы в плазме - включает в себя расчет изменения температуры и массы частицы. Очевидно, что эти задачи взаимосвязаны, и решать их необходимо совместно [46].
Движение одиночной частицы в потоке плазмы подчиняется второму закону Ньютона, который в общем случае движения частицы в потоке может быть записан следующим образом [47]: .J=E = + + ++4+. (5.1) где ms - масса частицы, кг; V, - скорость частицы, м/с; FD - сила газодинамического напора плазмы, Н; F - сила, возникающая вследствие градиента давления в граничном слое, окружающем частицу, .Н; FB - сила Бассета, Н; Fr - сила, связанная с вращением частицы, Н; Fm - сила термофореза, Н; Fe - внешние силы, Н; t - время, с.
Как показано в [44, 47], наибольшее влияние на движение частицы в плазме оказывает сила газодинамического напора FD. Кроме того, для частиц малого размера ( 10 мкм) значительное влияние оказывает сила термофореза [47]. Из внешних сил, действующих на частицу, будет рассматриваться только сила тяжести. В случае плазменного потока, плотность которого значительно ниже плотности частицы, остальные силы (Fp,FB,Fr), действующие на частицу в потоке, часто пренебрежимо малы.
Существует большое количество полуэмпирических формул зависимостей коэффициента лобового сопротивления Cd от числа Рейнольдса Re [5,47,49]. В работе [50] было показано, что с экспериментальными данными хорошо согласуется формула, предложенная авторами работы [49]: С, = + 0.2. (5.6) По рекомендации [50] формула (5.6) будет использоваться в расчетах. Учет изменения свойств плазмы в пограничном слое Обычно температура плазмы значительно больше температуры частицы, поэтому температура плазмы резко падает в пограничном слое, окружающем частицу, и, как следствие, в пограничном слое происходит изменение свойств плазмы. В работе [47] на основе анализа литературных данных предложена следующая формула для расчета Cd с учетом изменения свойств плазмы в пограничном слое:
В ряде случаев плазменной обработки частиц средняя длина свободного пробега в плазме имеет тот же порядок величины, что и размеры обрабатываемых частиц. Это справедливо для малых частиц ( 10 мкм) в плазме атмосферного давления (например, при спектральном анализе), либо в случае плазмы пониженного давления и частиц большего диаметра.
В этом случае допущение о сплошной среде недействительно, и в формуле для определения Cd необходимо учесть нарушение сплошности среды.
В работе [47] показана важность учета этого фактора для изменения числа Кнудсена в пределах 10"2 Кп 1 и предложена следующая поправка к формуле определения С/. где Cdcon - значение Cd, рассчитанное по формуле (5.6); а - коэффициент теплового согласования; у - отношение теплоємкостей при постоянном давлении и объеме; Рг, - число Прандтля плазмы, отцесенное к температуре частицы; Кп - число ІСнудсена, основанное на эффективной средней длине свободного пробега.
Похожие диссертации на Исследование высокочастотного индукционного плазмотрона с тремя независимыми потоками газа
