Устройства для получения низкотемпературной плазмы и области их применения

Лекция 5.

Раздел 5.Плазменные технологические процессы

Устройства для получения низкотемпературной плазмы и области их применения

Предпосылкой для развития плазменной технологии стало развитие космической техники, что потребовало создания различных типов двигателей, в том числе и плазменных, материалов и конструкций космических аппаратов, сохраняющих работоспособность при входе в плотные слои атмосферы. С использованием плазменной технологии созданы не только новые материалы, обладающие высокими технологическими свойствами (огнеупорностью, твердостью, прочностью), но и аппаратура эффективной обработки этих материалов.

Плазменная резка черных и цветных металлов позволяет резать с высокими скоростями стали больших толщин, медь и ее сплавы, алюминий и другие металлы.

Плазменная сварка обеспечивает соединение деталей из меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов. Плазменная наплавка и напыление обеспечивают покрытие деталей износостойким, жаропрочным и антикоррозионным составом с минимальным перемешиванием наносимого и основного материала.

В вакуумных плазменных установках может быть получена плазма всех известных металлов, сплавов, органических и неорганических веществ. При этом плазмы различных веществ могут вступать в интенсивное химическое взаимодействие, которое невозможно в других обстоятельствах.

Для получения плазмы используются плазмотроны с различными принципиальными схемами. Плазмохимические реакции могут осуществляться двумя способами: подача всех компонентов плазмы в зону электрического разряда с прохождением тока его через реагирующую плазму и подача реагентов в струю плазмы вне зоны разряда.

Плазменные технологические процессы в химии характеризуются:

1. Высокими температурами и большими скоростями процессов.

2. Одностадийностью плазмохимических процессов.

3. Возможностью использования в процессах трудно перерабатываемого сырья (природный газ, воздух, сырая нефть, тугоплавкие металлосодержащие минералы).

4. Чистотой получаемых в плазме веществ, определяемой чистотой сырья и не ухудшающейся внесением посторонних примесей.

Существующие способы получения плазмы можно классифицировать: 1) взрыв проводника в электрической цепи; 2) электрическая искра; 3) высокочастотный факельный разряд; 4) коронирующий разряд; 5) дуговой разряд.

Для получения плазмы в плазмотронах используют газы, т.е. плазмообразующую среду. Она может быть одно- и многокомпонентной.

Подбором состава многокомпонентной плазмообразующей среды в плазменно-технологическом реакторе можно получить любую атмосферу: окислительную, восстановительную или нейтральную.

Одним из наиболее важных тепловых параметров плазмы является ее энтальпия, т.е. количество теплоты, содержащееся в единице ее объема или массы.

Рассмотрим характеристики некоторых плазмообразующих газов.

1. Аргон имеет низкое значение энтальпии, что делает его малопригодным для использования в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды. Высокая электропроводность при высоких температурах обусловливает низкую напряженность электрического поля в столбе дугового разряда. Аргон является дефицитным и дорогостоящим газом и применяется в тех случаях, где наибольшую роль играет его химическая инертность.

2. Азот часто применяется в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды. Его теплопроводность и теплоемкость при высоких температурах довольно высоки. По этой причине в атмосфере азота электрический разряд обеспечивает эффективное преобразование электрической энергии в тепловую.

3. Гелий имеет более высокие энергетические характеристики, чем аргон. Однако вследствие дефицитности применение его ограничено. Он применяется в основном как добавка к аргону для улучшения эффективности нагрева в инертной атмосфере рабочего пространства плавильных печей.

4. Водород - самый высокоэнтальпийный плазмообразующий газ. Напряженность электрического поля в водородной дуге в несколько раз выше, чем в аргоновой. Теплопроводность водорода также гораздо выше, чем у других газов. Однако чистый водород при высоких температурах разрушающе действует на электроды плазмообразующего аппарата и поэтому он применяется с аргоном.

Генератор низкотемпературной плазмы или плазмотрон - электротехнический аппарат, в котором происходит нагрев плазмообразующей среды электрическим разрядом.

Дуговые плазмотроны состоят из электродов; разрядной камеры, формирующей поток плазмы; системы впуска плазмообразующего газа; системы управления дуговым разрядом.

Для обеспечения длительного ресурса работы электродных систем дуговых плазмотронов применяют электроды из тугоплавких материалов (С, Mo, W, Zr, Hf) либо перемещают опорные пятна дуги для распределения теплового потока на большую площадь электрода, выполненного из меди и охлаждаемого водой. Поэтому тугоплавкие электроды изготовляют в виде стержней или цилиндров малых размеров, запрессованных или вваренных в медный электрододержатель.

Плазмотроны подразделяют на следующие типы:

1. с водоохлаждаемой стенкой;

2. с вихревым потоком газа или жидкости;

3. с межэлектродными вставками;

4. с магнитной стабилизацией дуги;

5. с кольцевыми электродами.

Для питания плазмотронов используют постоянный и переменный токи одновременно, переменный ток промышленной и высокой частоты.

Также получили применение трехфазные плазмотроны, которые представляют собой комбинации из трех однофазных. Устойчивость дугового разряда обеспечивается применением тугоплавких электродов, сохраняющих высокую эмиссионную способность при перемене полярности тока.

Регулирование мощности в плазмотронах осуществляется изменением сопротивления в цепи питания (регулируемые дроссели), напряжением источника питания, мощностью дуги сопровождения.

Высокочастотные плазмотроны (рис. 8.2) подразделяют на индукционные (а), емкостные (б), факельные (в), сверхвысокочастотные (СВЧ) (г).