Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Типы плазмотронов мощностью более 100 кВт . 11
1.1. Область применения плазмотронов 11
1.2. Классификация плазмотронов 12
1.2.1. Плазмотроны постоянного тока 13
1.2.2. Плазмотроны переменного тока 19
1.2.2.1. Однофазные плазмотроны переменного тока 20
1.2.2.2. Многофазные многокамерные плазмотроны переменного тока 23
1.2.2.3. Многофазные однокамерные плазмотроны переменного тока 26
1.3. Примеры использования плазмотронов в технологических приложениях 35
1.4. Выводы 40
ГЛАВА 2. Особенности конструкций многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа 41
2.1. Описание развития модельного ряда многофазных однокамерных плазмотронов с электродами рельсового типа. 42
2.2. Плазмотрон ИПЭ- 13т 52
2.2.1. Особенности конструкции плазмотрона ИПЭ- 13т . 53
2.2.2. Система охлаждения плазмотрона ИПЭ-13т 56
2.2.3. Система подачи рабочего газа плазмотронов с рельсовыми электродами. 60
2.3. Инжектор. 63
2.4. Выводы. 66
ГЛАВА 3. Методы проведения исследований, экспериментальный стенд и контрольно-измерительное оборудование . 67
3.1. Методы исследований 67
3.2. Описание экспериментального стенда 71
3.2.1.. Состав и назначение элементов стенда 73
3.2.2. Измерительные устройства. 80
3.2.3. Система сбора и регистрации физических параметров 85
3.3. Выводы 86
ГЛАВА 4. Режимы горения дуг, основные механизмы теплообмена в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа и параметры плазмы на выходе . 87
4.1. Высокоскоростная видеосъемка горения дуг в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа и компьютерная обработка видеоматериала 87
4.2. Режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа 96
4.3. Спектральная диагностика параметров плазмы, генерируемой многофазным плазмотроном переменного тока с электродами рельсового типа 98
4.4. Выводы 104
ГЛАВА 5. Анализ электрических процессов и внешние характеристики многофазного стационарного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, работающего на воздухе с мощностью 100 - 300кВт. 106
5.1. Анализ электрических процессов в цепи энергопитания плазмотронов с электродами рельсового типа
5.2. Внешние характеристики многофазного стационарного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, работающего на воздухе с мощностью
100-ЗООкВт. 114
5.3 Выводы 123
Заключение 125
Список литературы
- Классификация плазмотронов
- Особенности конструкции плазмотрона ИПЭ- 13т
- Состав и назначение элементов стенда
- Режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа
Введение к работе
В последнее время во всем мире возрос интерес к разработке новых методов переработки отходов, представляющих чрезвычайный интерес с точки зрения энергетики как один из источников возобновляемой энергии. Однако, существующие в настоящее время методы освоения этих ресурсов неудовлетворительны. Одним из наиболее перспективных направлений является плазменная переработка. Плазменный пиролиз и газификация позволяют при переработке отходов, содержащих органические соединения, получать горючий синтез-газ, пригодный как сырье для производства энергии. Использование низкотемпературной плазмы (термической плазмы) так же перспективно для методов переработки токсичных и опасных отходов, в частности, в качестве дополнительного источника тепловой энергии при реализации метода высокотемпературной минерализации [1-6].
Наиболее эффективным методом генерирования термической плазмы для рассматриваемых задач является электродуговой, это обусловлено высокой плотностью передачи энергии в дуге. Поэтому практически во всех плазменных установках для переработки отходов используются сильноточные дуговые разряды или электродуговые плазмотроны, способные обеспечить необходимую плотность энергии при достаточно большой мощности [7-10]. В разрядной камере плазмотрона электрическая энергия, вложенная в дугу, преобразуется во внутреннюю энергию рабочего газа. Использование плазмотронов для решения данных задач имеет целый ряд преимуществ. Хорошо известно [1], что ионы плазмы сами являются химически активными и способны генерировать химически активные частицы (радикалы) при столкновении с нейтральными молекулами. Это приводит к интенсификации химических процессов. При использовании плазмотронов можно гарантированно обеспечивать температуру процессов свыше 1200С, что позволяет практически избежать образования таких особо вредных выбросов, как диоксины, цианиды и фураны. (Наиболее интенсивно особо вредные выбросы образуются при протекании процессов в диапазоне температур от 800 до 1000С.) Использование электрической энергии в ряде случаев выгоднее по стоимостным показателям для автономных установок небольшой производительности, это исключает проблемы доставки, хранения и подачи топлива, а также повышает безопасность процесса сжигания. Достигаемая высокая температура может быть использована для закалки, позволяющей создать метастабильные и неравновесные состояния. При использовании плазмотронов так же упрощается процесс регулирования температурного режима за счет возможности изменения тепловой мощности плазменной струи [11].
Несмотря на то, что и в нашей стране и за рубежом в истории создания плазмотронов существует достаточно большой задел, тем не менее, в условиях развития новых технологий возникает необходимость создания устройств, способных обеспечить высокую эффективность передачи энергии при продолжительной работе на окислительных средах, прежде всего - на воздухе. Кроме того, с практической точки зрения наряду с экономичными эксплуатационными качествами немаловажным является достижение достаточно низкой коммерческой стоимости плазмотронов и систем обеспечения. Предъявленным требованиям наиболее полно могут соответствовать однокамерные многофазные плазмотроны переменного тока с электродами рельсового типа, разработка которых началась в ИПЭФ РАН в 80-х годах XX века. Учитывая то, что для достижения оптимальных технологических характеристик, в качестве плазмообразующего газа требуется использовать воздух и другие окислительные среды, возникла необходимость проведения дополнительных исследований.
Изучение физических процессов внутри разрядной камеры однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока при работе на воздухе, а также изучение влияния способа подачи и расхода плазмообразующего газа на внешние характеристики с целью выявления оптимальных режимов работы в составе плазмохимических установок является актуальной научно-технической задачей. Настоящая работа посвящена исследованиям, проводившимся при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт, В качестве плазмообразующего газа при проведении экспериментов использовался воздух с расходом от 15 до 70 г/с.
Целью диссертационной работы является исследование электрофизических процессов в разрядной камере стационарных многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт, работающих на окислительных средах (прежде всего - на воздухе в диапазоне расхода от 15 до 70 г/с); и определение оптимальных режимов работы для их использования в составе плазмохимических установок. Для достижения этой цели в работе поставлены задачи: создать экспериментальный стенд с автоматизированной системой измерения и регистрации параметров для исследования плазмотронов; исследовать физические процессы и характер горения дуг в разрядной камере плазмотрона; установить зависимости внешних характеристик плазмотрона от расхода плазмообразующего газа; определить пределы регулирования параметров плазмотрона, в частности -теплосодержания рабочего газа на выходе, а также, определить оптимальные режимы работы для использования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в составе плазмохимических установок.
Для решения поставленных в работе задач использовались следующие методы исследований: При испытании плазмотронов на экспериментальном стенде в автоматическом режиме проводились измерения электрических параметров, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а также мощность и КПД, Для определения физических параметров в разрядной камере проводились спектроскопические измерения и высокоскоростная видеосъемка. Данные автоматически регистрировались и обрабатывались на ЭВМ, по ним строились аппроксимационные кривые. Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.
Научная новизна определяется тем, что впервые экспериментально исследована работа однокамерных многофазных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт с использованием окислительной среды (воздуха) в качестве плазмообразующего газа. Для этого был создан испытательный стенд с диагностической камерой, позволяющий проводить оптические исследования, оснащенный автоматизированной системой измерения и регистрации физических параметров.
Исследован характер поведения дуг в разрядной камере плазмотрона данного типа, определены условия существования диффузного и контрагированного режимов горения дуг при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа.
Проведены исследования работы многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт в диапазоне токов от 400 до 1100 А и напряжения до 500 В, получены зависимости внешних характеристик от расхода плазмообразующего газа для воздуха в диапазоне от 15 до 70 г/с, дано объяснение характера вольтамперных характеристик плазмотрона.
Достигнуты широкие пределы изменения теплосодержания рабочего газа на срезе сопла многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт. При использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа с расходом от 15 до 70 г/с, его теплосодержание на выходе можно регулировать в диапазоне от 2 до 12 МДж/кг. Определены оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе плазмохимических технологических установок.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в создании экспериментального стенда для исследования плазмотронов мощностью до 300 кВт, в оснащении стенда измерительными устройствами и автоматизированной системой измерения. Автор занимался разработкой программного обеспечения для системы сбора и регистрации физических параметров. Проводил исследования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, изучил характер поведения дуг в разрядной камере при работе на воздухе. Выявил зависимости внешних характеристик от расхода воздуха в качестве плазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с. Определил оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе технологических плазмохимических установок.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные методы могут быть использованы для дальнейших исследований генераторов термической плазмы переменного тока.
Результаты, полученные для плазмотронов мощностью от 100 до 300 кВт, используются при создании плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в следующем по мощности диапазоне (свыше 300 кВт), востребованных для развития плазмохимических технологий.
Результаты могут быть использованы при выборе оптимальных плазмотронов и режимов эксплуатации для использования в составе плазмохимических технологических установок.
Результаты исследований, разработанные методики и созданные экспериментальные стенды используются в ИЭЭ РАН (Санкт-Петербург) для проведения испытаний при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока и при создании плазмохимических реакторов для переработки отходов, а также в работах по данной тематике, проводимых в БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, СПбГПУ и ОИВТ РАН.
Результаты проведенных исследований использовались также при проектировании ряда крупных плазмохимических перерабатывающих установок в России и за рубежом.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты исследования режимов горения дуг и характера теплообмена с рабочим газом в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха, регулируемом в диапазоне от 15 до 70 г/с.
Установлены оптимальные режимы работы плазмотрона для использования в составе плазмохимических установок. Диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа при работе многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с расходом плазмообразующего воздуха лежит в пределах от 2 до 12 МДж/кг.
Результаты исследования внешних характеристик многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха от 15 до 70 г/с.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. В первой главе описана область применения плазмотронов, выполнен обзор плазмотронов мощностью свыше 100 кВт, разработанных в нашей стране и за рубежом, приведены их технические характеристики. Во второй главе описан принцип работы многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, стационарно работающих на окислительных средах. Представлен модельный ряд таких плазмотронов, разработанных в ИПЭФ РАН, приведены расходные характеристики систем газовой подачи (для воздуха), а также дано описание конструктивных особенностей и принципа работы высоковольтного инжектора, Основное внимание уделено плазмотрону ИПЭ-13т, как наиболее универсальной и совершенной модели, работающей в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт с расходом воздуха от 15 до 70 г/с. Третья глава посвящена описанию методик измерения физических параметров, в ней представлен экспериментальный стенд для проведения исследований многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока мощностью до 300 кВт и использованные приборы и измерительные устройства. В четвертой главе рассматриваются режимы горения дуг, изученные при проведении экспериментов с использованием высокоскоростной видеосъемки и спектроскопических измерений. Дано описание основных механизмов теплообмена, реализующихся при данных режимах, а также описаны разработанные элементы методики обработки видеоматериала. С использованием спектральных методов определена температура в плазменном факеле плазмотрона. В пятой главе представлен анализ электрических процессов, происходящих в электродуговой системе, и внешние характеристики многофазного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами. Представлены зависимости мощности, теплосодержания рабочего газа и среднемассовой температуры от расхода плазмо образующего газа. Определено, что у плазмотронов данного типа широкий диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа - от 2 до 12 МДж/кг, что может позволить обеспечить оптимальное регулирование технологических процессов для плазмохимических установок. Построены зависимости мощности и напряжения на дуге от тока, объяснен растущий характер вольтамперной характеристики. Согласно проведенным исследованиям, термический КПД многофазного однокамерного плазмотрона с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа в рассмотренном диапазоне расходов имеет значения близкие к 70%.
Классификация плазмотронов
Для того, чтобы было удобнее ориентироваться среди большого многообразия моделей плазмогенераторов, разработанных на сегодняшний день, их принято рассматривать по группам с теми или иными общими свойствами. По роду тока электродуговые плазмотроны можно классифицировать на плазмотроны постоянного тока [10, 47-57] и плазмотроны переменного тока [8, 10, 46, 47, 58-80]. По продолжительности работы - на импульсные, либо стационарные; по характеру рабочего тела - на работающие с нейтральными, с восстановительными, либо с окислительными средами. Кроме того, в каждом из семейств плазмотронов, выделенных по перечисленным выше признакам, можно отметить группы, отличающиеся конструктивными и другими особенностями. Например, по типу разрядных камер, материалу и форме электродов, способу подачи рабочего газа или принципу стабилизации дуги.
Стабилизация разряда может быть осуществлена различными способами, например, организацией газового потока путем осевой или тангенциальной подачи рабочего газа в электродуговую камеру плазмотрона. Метод стабилизации стенками электродуговой камеры предполагает обжатие дуги охлаждаемыми цилиндрическими вставками, изолированными от электродов. При стабилизации электрической дуги методом наложения магнитного поля дуги вращаются под действием магнитного поля, создаваемого соленоидами. Расположение соленоидов (нескольких или одного) зависит от конструктивных особенностей плазмотрона. Плазмотроны этого типа получили значительное распространение. В большинстве конструкций плазмотронов используют комбинацию методов стабилизации дугового разряда. Электродные системы плазмотронов постоянного и переменного тока могут быть стержневыми, тороидальными, кольцевыми и трубчатыми, причем сама электродная система в некоторых случаях одновременно является и электродуговой камерой. Среди многообразия встречающихся моделей плазмогенераторов постоянного и переменного тока остановимся на образцах, представляющих наибольший интерес с точки зрения технологических приложений.
Плазмотроны постоянного тока
В устройствах постоянного тока с осесимметричным расположением катода и анода электрическая дуга стабилизируется охлаждаемой стенкой и реализуется установившееся движение в канале (если не рассматривать узкие приэлектродные зоны). Другой класс плазмотронов постоянного тока - с цилиндрическими и расширяющимися анодными каналами. В этих устройствах электрическая дуга, начинающаяся на оси канала - катоде, может самопроизвольно замыкаться в любом месте на аноде. Движение потока и поперечный обдув рабочим газом замыкающегося на стенку участка дуги приводят к растяжению, обрыву и перезамыканию дуги на новое место на аноде. Хотя перезамыкание генерирует колебания напряжения горения дуги, оно способствует более эффективному нагреву газа и повышает КПД плазмотрона. Ряд работ [48-52] посвящен исследованию особенностей работы плазмотронов такого типа (Рис. 1.1). В [52] приведены следующие рабочие параметры для аргона атмосферного давления: ток (80-3 00)А, напряжение порядка (100-120)В, расход газа (0.4-1.43)г/с; и для азота атмосферного давления: ток (100 и 500)А, напряжение порядка (Ю0-120)В, расход газа (0.4-1.43)г/с.
Температура нагреваемого газа: (1500-5000)С, номинальная мощность (5-300)кВт, рабочий газ: воздух, кислород, азот, СО, водород и др., ресурс: 200-1000 часов (зависит от типа рабочего газа). Модель MARC-11 подходят для таких приложений, как литейное и сталеплавильное производство. Электродуговая система - самоустанавливающаяся, плазмотрон работает в режиме с дутой косвенного действия. Температура нагреваемого газа: (1500-10000)С, номинальная мощность (ЗОО-ЗООО)кВт, рабочий газ: воздух, кислород, азот, СО, водород и др., ресурс: 750-3500.
Конструкция плазмотрона представлена на Рис. 1.4. В его состав входят два водоохлаждаемых цилиндрических электрода с внутренней рабочей поверхностью, стоящих соосно на небольшом расстоянии. Дуговой разряд вращается внутри с большой скоростью под действием магнитного поля, создаваемого соленоидами. Рабочий газ подается в межэлектродный зазор (размер « 1 мм). При подаче электропитания между электродами инициируется искра, выдуваемая рабочим газом во внутреннее пространство. Ток дуги взаимодействует с магнитным полем, устанавливаемым соленоидами, расположенными вокруг обоих электродов, и дуга вращается со скоростью (1000-3600) об/мин. Большая скорость вращения дути в комбинации с большим расходом рабочего газа способствуют хорошему теплообмену между дугой и рабочим газом, а также увеличивают ресурс электродов. Корпус плазмотрона со стороны выхода газа, прогретого до высокой температуры, выполнен с фланцем для крепления и может быть так же оснащен выступом для встраивания в огнеупорную футеровку печи или специализированного реактора. Плазмотрон подключается к тиристорному источнику питания постоянного тока с регулируемым токовым выходом. Основные элементы источника питания: трансформатор, тиристорный мост, индуктор (сглаживающий реактор), управляющая и защитная автоматика, а также система контроля и управления. Силовые элементы систем питания могут быть исполнены с воздушным или водяным охлаждением. Система охлаждения замкнутого типа с насосами, обеспечивающими высокое давление, включает в себя теплообменники и рассчитана на поглощение 30% мощности плазмотрона. Рабочий газ подается под давлением более 6 бар.
Особенности конструкции плазмотрона ИПЭ- 13т
Он создает поток плазмы, обеспечивающей достаточную для зажигания основных дуг концентрацию электронов в зоне минимального межэлектродного промежутка при сравнительно низком напряжении силового питания. Это позволяет стабильно инициировать дуги между электродами, установленными с минимальным зазором порядка (8 - 20)мм при питании от промышленной электросети с напряжением порядка (300 - 500) В. Инициированные дуги перемещаются по расходящимся основным электродам. Дуги заполняют большую часть разрядной камеры, совершая движение в продольном и поперечном направлениях. В пристеночной зоне, куда подается холодный газ, образуется изолирующий слой, в котором концентрация заряженных частиц резко падает и происходит погасание дуг. Описанный выше процесс непрерывно повторяется, образуя на выходе из сопла плазмотрона струю низкотемпературной плазмы со ереднемассовой температурой порядка (1500-5500) К.
На Рис. 2.11 представлена схема плазмотрона ИПЭ-13т, его конструкция подобна конструкции ИПЭ-4тм (наружный диаметр 390 мм). Отличительной особенностью является разъемное исполнение разрядной камеры, состоящей из двух модулей: заднего (электродного) и переднего (соплового).
Корпуса обоих модулей выполнены из нержавеющей стали и охлаждаются водой, их фотографии представлены на Рис.2.12. В каждом из модулей имеется по два кольцевых контура тангенциальной газовой подачи. Электродный модуль имеет форму усеченного конуса, в его тыльной части установлен высоковольтный плазмотрон-инжектор, выходное сопло которого направлено в зону минимального промежутка между основными электродами. Сопловой модуль имеет цилиндрическую форму и заканчивается выходным соплом.
Электродный узел расположен в заднем модуле и сконструирован так же, как у плазмотрона ИПЭ-4тм. Электроды имеют изогнутую форму и могут быть выполнены из медного прутка диаметром (20-40) мм с внутренним отверстием диаметром 8 мм. На каждом электроде есть два штуцера с резьбой, они позволяют зафиксировать положение электрода в разрядной камере плазмотрона. Электрод вводится этими штуцерами в две параллельно вставленные в корпус камеры электроизолирующие втулки, где к ним крепятся два ответных штуцера со шлангами системы охлаждения, введенные с наружной стороны корпуса. Таким образом, установленный электрод имеет одну степень свободы для перемещения в радиальном направлении, ограниченную регулировочным болтом, расположенным между штуцерами с наружной стороны корпуса. Это позволяет изменять межэлектродный зазор по желанию пользователя в рабочем режиме без переналадки и снятия силового питания с плазмотрона. Крепление токоподводящей шины на каждом из электродов осуществляется на штуцере, расположенном ближе к инжектору.
Сопловой и электродный модули корпуса плазмотрона ИПЭ-13т изготовлены из нержавеющей стали и имеют внутренние рубашки охлаждения. Объемная конфигурация полостей рубашки охлаждения плазмотрона представлена на Рис. 2.13.
Рубашка охлаждения соплового модуля представляет собой герметичный внутренний объем, находящийся в теле цилиндрической части корпуса и его сопловой крышки. Цилиндрическая часть рубашки ограничена в радиальном направлении поверхностями внешней стенки плазмотрона и внутренней стешш его разрядной камеры, эти стенки изготовлены из листовой нержавеющей стали. В осевом направлении она с одной стороны переходит в рубашку сопловой крышки, а с другой стороны - ограничена фланцем для крепления к заднему модулю. Внутри цилиндрической части рубашки находится кольцо соплового контура тангенциальной подачи рабочего газа, которое разделяет ее на две части в продольном направлении, обе эти части объединены перепускными отверстиями. Полость сопловой крышки ограничена изнутри спрофилированной поверхностью сопла разрядной камеры, а снаружи - частью цилиндрической поверхности стенки корпуса и плоской стенкой, расположенной перпендикулярно продольной оси плазмотрона. Вся рубашка соплового модуля разделена изнутри перегородкой, лежащей в вертикальной меридиональной плоскости, в рубашке сопловой крышки эта перегородка содержит отверстия для сообщения разделяемых ею частей рубашки. Вода подается в рубашку через входной штуцер, находящийся с одной стороны от вертикальной перегородки, охлаждает стенку разрядной камеры и сопла, а затем отводится через выходной штуцер с другой стороны. Кроме входного и выходного штуцеров на внешней стенке корпуса соплового модуля расположены еще два дополнительных, позволяющих обеспечить отвод воды на охлаждение электродного модуля. Один из них соответственно на входной части рубашки, а другой - на выходной.
Состав и назначение элементов стенда
В качестве рабочего газа для испытания плазмотронов и для обеспечения тепловой зашиты отдельных элементов диагностической камеры использовался воздух. Система газовой подачи, входящая в состав системы обеспечения стенда (поз. 1 на Рис.3.3), включает в себя компрессоры, газгольдеры и развитую систему распределения с запорно-регулирующей арматурой, автоматическими фильтрами, расходомерами и измерительными преобразователями (температуры, давления и влажности). Для измерения расходов газа в различных точках системы подачи использовались стандартные ротаметры, датчики давления с дроссельными шайбами, расходомеры и счетчики газа с контроллерами, обеспечивающими удаленную передачу информации на систему регистрации, а также специально спроектированное сужающее устройство (поз. 7), позволяющее измерять расход по перепаду давления и оснащенное датчиками, подключенными к автоматической системе измерения (поз. 11).
Система охлаждения стенда состоит из двух контуров: внутреннего и внешнего. Внутренний (стендовый) контур предназначен для обеспечения охлаждения плазмотронов и элементов источников питания, внешний контур замкнут на градирню, расположенную вне стенда, он используется для охлаждения диагностического коллектора и элементов технологических установок. Для определения эффективности работы плазмотронов в систему охлаждения было установлено специально спроектированное устройство для определения теплопотерь (поз. 10), описание этого устройства приведено ниже.
Система электропитания стенда включает в себя силовые трансформаторы 6000/480В, 6000/380В и 6000/220В, источники питания плазмотронов (поз. 8) и компенсатор реактивной мощности. Более подробное описание источника питания мощного плазмотрона с рельсовыми элекетродами так же приведено ниже. На стенде проводились испытания различных моделей плазмотронов мощностью от 100 до 300 кВт. Для исследования поведения дуг в многофазной электродуговой системе были разработаны специальные бескорпусные модели электродуговых систем (поз.9 на Рис.3.3), фотографии таких систем представлены ниже на Рис.3.4.
Фотография диагностической камеры (поз. 5 на Рис.3.3) представлена на Рис.3.5. Диагностическая камера представляет собой горизонтальный цилиндрический коллектор с рубашкой охлаждения на один фланец которого устанавливается плазмотрон, а второй состыкован с вертикальным квенчером, замкнутым на магистраль отвода отработавших газов. В боковых стенках диагностической камеры установлены окна, позволяющие изучать характер движения дуг и электродных привязок, исследовать характер взаимодействия дуг с поверхностью в торцевой области электродов, а также проводить оптическую диагностику параметров плазмы в сопловой зоне разрядной камеры и в факеле плазмотрона.
1 Напротив сопла плазмотрона на квенчере установлено дополнительное окно для визуального наблюдения за работой плазмотрона, проведения оптической диагностики параметров плазмы и исследования характера движения дуг и привязок к электродам в глубине разрядной камеры. Все окна - с кварцевыми стеклами смонтированы в водоохлаждаемых фланцах с задвижками и оборудованы газовой завесой для теплозащиты. В верхней части квенчера установлена газо-жидкостная (воздушно-водяная) форсунка, гасящая температуру отработавших газов, для измерения температуры в разных точках по потоку установлены термопары типа вольфрам-рений (W+5%Re-W+20%Re) и хромель-ал юмель.
Для исследования работы плазмотронов переменного тока в составе технологических установок по переработке различных материалов на стенде использовался опытный образец плазмохимического реактора (ПХР). Он представляет собой вертикальную іщлиндрическуго печь, футерованную высокотемпературной керамикой и жаропрочным кирпичом. Фотография ПХР представлена на Рис.3.6. Для крепления плазмотронов в различных участках ПХР смонтированы водоохлаждаемые фланцы с дополнительным газовым дутьем, плазмотроны устанавливаются горизонтально. В верхней части ПХР переходит в квенчер с газо-жидкостной форсункой для закалки отработавших газов. В различных участках ПХР по высоте установлены термопары, пробоотборники системы газоанализа и насадки для измерения давления. Сигналы от первичных датчиков отображаются на щитовых приборах и передаются для удаленной регистрации.
Магистраль отвода отработавших газов замкнута на систему газоочистки, где отработавшие газы орошаются нейтрализующими растворами в насадочных скрубберах и, разбавляясь атмосферным воздухом, откачиваются регулируемым вентилятором выхлопной системы. Состав газа, состояние нейтрализующих растворов, температура и давление в различных участках системы непрерывно контролируется. Для определения состава газов в различных участках диагностического коллектора, плазмохимического реактора, газовой магистрали и системы газоочистки используются газоанализатор и масспектрограф с регистрирующей графической станцией.
Режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа
Как видно из приведенных рисунков, линии полос излучения значительно уширены, что может быть объяснено резонансным уширением. Обычно резонансное уширение наблюдается в случаях большого ансамбля однотипных атомов или молекул, между которыми имеет место сильное взаимодействие, что с большой достоверностью подходит к нашему случаю. Хорошее совпадение полос с гауссовым контуром также свидетельствует в пользу указанного механизма уширения.
Вместе с тем, наши измерения в широкой области спектра (Рис. 4.10) показывают, что в нем присутствуют и достаточно слабые полосы излучения атомарного кислорода в области 777 нм при токе плазмотрона 500А. Они соответствуют характерным переходам 5Рз - 5.%; 5Pj - J& , 5Pi - 5$2 кислорода в области 777 нм. Однако, учитывая очень слабую интенсивность этой полосы, в данном случае мы можем объяснить ее наличие состояниями, принадлежащими хвосту распределения Максвелла. Поэтому мы можем предположить возможность использования приближения локального температурного равновесия (ЛТР) для расчета температуры свободного плазменного факела. Параметры для расчета температуры ЛТР плазмы по полосам меди 510.5нм, 515.3нм, 521.8нм представлены в таблице 4.1.
Результаты измерений температуры в центре свободного плазменного факела на расстоянии 150 мм от среза сопла многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами (ЙПЭ-13т) при работе на воздухе с мощностью 130 кВт приведены в таблице 4.2.
Используемый метод позволяет определить максимальную температуру в исследуемой области на момент измерения, и как видно из таблицы, она изменяется от 4500 до 6950К, что можно объяснить неоднородностью профиля температуры, вызванной турбулентным характером истечения. Знание максимальной температуры может позволить нам точнее рассчитывать компонентный состав рабочего газа (термической плазмы) на выходе из сопла плазмотрона. Для получения полной информации о параметрах плазмы в истекающей струе, нужно проводить комплексные исследования, включающие совместное проведение спектроскопических измерений и скоростной видеосъемки. Причем требуется проводить многократные, продолжительные эксперименты для набора статистических данных. Для определения температуры проще и удобнее пользоваться результатами калориметрических измерений, то есть определять среднемассовую температуру по теплосодержанию газа, рассчитываемому из отношения полезной мощности к единице расхода газа. Полезная мощность, как это будет объяснено ниже, в первом приближении может быть определена как мощность в дугах за вычетом потерь на систему охлаждения.
На диагностической камере экспериментального стенда были проведены оптические исследования горения дуг в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа. Высокоскоростная видеосъемка позволила определить одновременное горение нескольких дуг (две дуги в трехэлектродной системе) и оценить скорость перемещения дуговых привязок по поверхности электрода (2-20 м/с). Разработана методика компьютерной обработки видеоматериала и элементы программного обеспечения для автоматизации проведения дальнейших оптических исследований плазмотронов.
Определены диффузный (Пе 1014-=-1015см 3, T (5V7)-103K) и контрагированный ( 1016 см"3, Т 104К) режимы горения дуг в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа. Описаны механизмы теплообмена в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа.
Проведена спектральная диагностика параметров плазмы на выходе многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа. По отношению интенсивностей излучения линий меди 510.5, 515,3 и 521.8нм рассчитана температура в центре свободного плазменного факела, находящаяся в диапазоне 4500 - 6950К (для мощности 130 кВт и расхода воздуха 30 г/с). Отмечено, что данный метод позволяет определить максимальную температуру в исследуемой области плазменного факела, имеющего неоднородный профиль температуры при турбулентном истечении, и что в качестве выходной характеристики плазмотрона удобнее использовать среднемассовую температуру, определяемую по теплосодержанию рабочего газа.
