Плазмалы технологиялық үрдістері бар қондырғылар

 

Тө мен температуралы плазманы алу ү шін қ олданылатын қ ұ рылғ ылар жә не оларды қ олдану аймақ тары. Вакуумды плазмалық технология қ иындығ ына қ арамай материалдарғ а тиіспей ө ң деу ә дістерін толтыруғ а мү мкіндік береді.

Химиядағ ы плазмалық технологиялық ү рдістер келесі негізгі сатылардан тұ рады:

1) қ ысым мен температура бойынша плазманың қ ажетті қ ұ рамы мен параметрлерді генера-плазмалық қ иялау;

2) Реагент - затты қ атты, сұ йық немесе газ тә різді кү йінде енгізіп, олардың қ ажетті уақ ыт бойы ә серлеуін қ амтамасыз ету;

3) Реакция аймағ ынан бірнеше ө німдер алу немесе маң ызды ө нім шығ ару.

 

3.25-сурет. Трансформаторлы тү зеткіштің сұ лбасы

 

Плазма алу ү шін ә р тү рлі сұ лбадағ ы плазматрондар қ олданылады. Плазма-химиялық реакциялар екі ә діспен жү зеге асырылады: плазма компонентерін электр разряд аймағ ына енгізеді, ә серлесетін плазма арқ ылы ток ө туі керек жә не разряд аймағ ынан тыс плазма легіне реагенттер енгізіледі. Бірінші жағ дайда плазматрон реакциялық кө лемді реактормен қ осылады, екіншісінде плазмалық токпен енгізілетін материал араласатын суытқ ыш цилиндр ыдысы бар плазмалы реактор қ олданылады.

Реакция ө німдерін суыту мен қ атыру разряд аймағ ына плазмасыз технологиялық ү рдістер келесімен сипатталады:

1. қ ондырғ ының технологиялық бө лігінің кү рт қ ысқ аруын (ә сер ету уақ ыты 10^-2 -10^-5 сек) қ амтамасыз ететін ү рдістің жылдамдығ ы ү лкен жә не температурасы жоғ ары;

2. плазма-химиялық ү рдістер бір сатылы. Мысалы, плазмада, химиялық ө неркә сіп ү шін белил, ацетилин ө ндіруде титон оксиді пигметтерін алу раекциясы, таза металдарды оксидтен, азот оксидін тың айтқ ыш ө ндірісінен алу жатады;

3. қ иын ө нделетін шикізатты (табиғ и газ, ауа, шикі мұ най, қ иын еритин металлды минерал) ү рдісте пайдалану мү мкіндігі;

4. плазмадан алынғ ан заттар тазалығ ын анық тау.

Реакцияның қ осалқ ы ө німдері, мысалы, хлор қ ымбат компонент.

Егер де кө мірсутек гидролизиндегі плазмада реакция ө німдерінің жылдам суытылуы ұ йымдастырылмаса, кө мірсутегі ыдырауы жоғ ары сапалы кү йі мен техникалық сутегі тү зілуімен аяғ ына дейін жү реді. Бұ л ү рдіс 1, 5 (5-6) 10⁸ К дейінгі температурада жү реді.

Су буы плазма ағ ыны ә р тү рлі органикалық заттардан мақ сатты алуда энергия тасымалдағ ыш. Азот тың айтқ ыштар ө ндірісінде қ ажетті азот оксидін алу ү шн (20-30)10⁴ Па қ ысымда, 3000-3500 К температуралы ауа плазмасы қ олданылады, ү рдіс суытқ ышы 10⁸ кс жылдамдық пен 2000-1800 К дейін суытып, жылу алмастырғ ышқ а жібереді.

Плазма алудың бар тә сілдерін келесі тү рде жіктеуге болады:

1) электр желісіндегі ө ткізгіштің жарылысы;

2) электр шоғ ы;

3) жоғ ары жиілікті факельді разряд;

4) короналы разряд;

5) доғ алық разряд.

Технологиялық мақ сатта жоғ ары жиілікті жә не доғ алы разрядтың кө мегімен плазма алу ө те қ олайлы. Қ азіргі кезде соң ғ ы тә сіл бірнеше жетістіктерге ие:

1) кез келген химиялық қ ұ рамды газ тә різді, қ атты жә не сұ йық тан жоғ ары пайдалы ә сер коэффициенті барынша пайдаланып ұ зақ уақ ыт бойы плазма алу мү мкіндігі;

2) жоғ ары қ ысымда вакуумды плазма алу мү мкіндігі;

3) электр қ оректің стандартты тү рлерін пайдалану мү мкіндігі.

Плазматроннан плазма алу ү шін газдар қ олданылады. Ол бір жә не кө п компонентті болуы мү мкін. Бір компонентті плазма тү згіш орта ретінде аргон, гелий, азот жә не сутегі қ олданылады.

Плазманың негізгі жылу параметрлерінің бірі оның энтальпиясы, оның кө лемі немесе массасы бірлігіндегі жылу мө лшері жатады.

3.26-суретте атмосфералық қ ысымдағ ы кейбір плазма тү зеуші газдардың меншікті энтальпиясының температурадағ ы тә уелділігі кө рсетілген. Бұ л-суретте келесі тә уелділіктер байқ алады:

1. диссоциациясына молекула кеткен энергия есебінен (4-8) · 10³ К температурадағ ы екі атомды газ энтольпиясы бір атомды газ энтольпиясынан артық. Мысалы, Т = 8 · 10³ К температурада азот энтольпиясы аргоннан 5 есе кө п;

2. қ ыздыру аппараттарында плазма қ олдану кезіндегі жоғ ары энтольпиялы молекулярлы плазма тү згіш саз пайдалану тиімді, себебі аз температурада ү лкен жылу тиімділігі болады.

Аргон энтальпиясы тө мен мә нге ие, сондық тан бір компонентті плазма тү згіш орта бола алмайды.

 

 

1 - сутегі; 2 – азот; 3 – аргон

 

3.26-сурет. Газ энтальпияларының температурадан тә уелділігі

 

Жоғ ары температурада аргонның электр ө ткізгіштігі жоғ ары доғ алық разряд бағ анындағ ы электр ө рісінің кернеуі тө мен. Аргон қ ымбат, ә рі сирек кездесетін газ болғ андық тан, оның химилық инерттілігі қ ажет кезде қ олданылады (3.27-сурет, 4-қ исық).

 

 

3.27-сурет. Сутегі (1), гелий (2), азот (3), аргон (4) ү шін жылу беру коэффициенттерінің температурағ а тә уелділігі

 

 

Азот кө бінесе бір компонентті плазма тү згіш орта ретінде қ олданылады. Жоғ ары температурада жылу ө ткізгіштігі мен жылу сыйымдылығ ы жоғ ары. Осы себептен атмосферада азоттың электр разрядында электр энергиясы жылу энергиясына тиімді тү рде ауыстырылады (3.27-сурет, 3-қ исық).

Гелий аргоннан жоғ ары энергетикалық сипатқ а ие (3.27-сурет, 2-қ исық). Бірақ жоғ ары қ ұ ны мен сирек кездесуі плазма қ ондырғ ысында қ олданылуын шектейді.

Сутегі – ең жоғ ары энтольпиясы плазма тү згіш газ (3.27-сурет, 1-қ исық). Сутегі доғ асындағ ы электр ө рісінің кернеуі аргоннан бірнеше есе жоғ ары. Сутегінің жылу ө ткізгіштігі басқ а газдардан жоғ ары. Салыстырмалы тү рде арзан жә не кең інен таралғ ан. Бірақ таза сутегі жоғ ары температурада плазма тү згіш аппарат электронды бұ зады. Сондық тан, ол аргонмен қ оспа тү рінде қ оланылады.

Тө мен температуралы плазма генераторы немесе плазматрон – электр техникалық аппарат. Доғ алық плазматронның компоненттері:

- электродтар;

- плазма ағ ынын реттегіш электродтпен бірге немесе бө лек разряд камерасы;

- плазма тү згіш газды шығ ару жү йесі;

- доғ а разрядының басқ ару жү йесі.

Доғ алық плазматронның электродтық жү йесінің жұ мысы ресурсын ұ зақ уақ ыт қ амтамасыз ету ү шін қ иын балқ итын материалдар (С, Mo, W, Zr, Hf) электродтары қ олданылады.

Плазматрон класында бір бірінен электр доғ асын реттеу бойынша ө згеше екі типке бө лінеді: қ абырғ амен су арқ ылы суытылатын жә не газ немесе сұ йық біркелкі емес газ ағ ымы арқ ылы суытылатын.

Плазматронда (3.28-сурет) доғ алық разряд оқ шаулатқ ышпен бө ліктенген мыс секциялы сумен суытылатын қ абырғ амен бө ліктенген (-) мен (+) электрод арасында орналасқ ан.

 

3.28-сурет. Доғ а қ абырғ асын реттегіш плазматрон сұ лбасы

 

Суытылудан қ абырғ ада тө мен электр ө ткізгішті сұ йық газ қ абаты тү зіледі, сондық тан доғ аның тек қ аналдық қ иылысуы болады.

Егер ұ зын қ аналда секция болмаса, одан ө тетін газ қ ызып, диэлектрлік беріктілігінен айырылады. Сонымен бірге қ ызғ ан газ қ абатында доғ а бағ анымен су суытқ ыш қ абырғ а арасында ақ ау пайда болады. Бұ л қ ұ былыс «доғ аны қ абырғ амен тү зету» деген атауғ а ие болды. Тү зету плазматрон жұ мысына ә сер етеді, доғ аның ВАС тү суін реттеп, плазма температурасын шектейді де, плазматрон қ уатымен ПЭК азайтады.

3.29-суретте біркелкі емес газды доғ а плазматронының сұ лбасы келтірілген. Тангенциалды каналы 6 арқ ылы берілген газ тегіс емес камерағ а тү седі де, плазматрон каналында газ қ ойыртпағ ын туғ ызады, ал екі жә не тө рт элетродтар арасындағ ы электр доғ асының ү ш жануы кө рініп тұ р.

 

 

1 - тегіс емес камера; 2 - ішкі стерженьді электрод; 3 - доғ а; 4 - шығ атын труба сияқ ты электрод; 5 - тұ здық; 6 - тангенциал канал

 

3.29-сурет. Біркелкі емес газды доғ а плазматроны

 

Жылу алмасудың интенсивті ү рдісінен газ қ ызып, плазма электродтан ағ ып шығ ады. Тегіс емес камерамен электрод каналында тө рт газ тығ ыздық градиенті туындайды, оның негізгі бө лігі қ абырғ амен сырғ иды. Азот пен ауа жұ мысында плазматронның орташа массалық температурасы мұ ндай плазматронда 5·10³-6·10³ К аспайды. Пайдалы ә сер коэффициенті , (мұ ндағ ы - қ ызғ ан жә не суық газдың энтальпиясының ө згерісі; G - газдың секундтық шығ ыны; N_эл – плазматронның электрлік қ уаты), η =0, 75-0, 85 жетеді. Ең жақ сы дамығ ан электродтарғ а секцияланғ ан жә не плазма тү згіш газды беру секциялары таратылғ ан плазматрон жатады, ол доғ адағ ы кернеуді кө теруге мү мкіндік береді.

Тегіс емес реттегішті плазматрондар электродтың тоттануын азайту доғ а аймағ ында осьтік магнит ө рісінің ық палымен жү зеге асады. Қ ұ рылыстық жұ мыс ресурсы бар плазматрон кең інен пайдаланылуда. Қ абырғ алық доғ амен газ ағ ымын реттеу плазматронының модификациясы электрод арасында қ осымша қ ойылады. Мұ ндай плазматронның доғ алық аумақ тық қ ұ рылысы 3.30-суретте келтірілген.

 

3.30-сурет. Электрод арасындағ ы секциялық плазматрон ПЭН-6

 

Доғ а 8 жә не 12 электродтары арасында жә не оқ шауланғ ан қ осымша 3, 4 электродтары арасында арасында жанып тұ р. Доғ а бағ аны каналының қ иылысуы қ осымша бетінің диаметрімен шектелген.

Мұ ндай плазматронның доғ а бағ анының диаметрі шектелгендіктен, доғ а разрядының ө сетін ВАС-ны алуғ а болады. Кө лденең - ү рілетін доғ аны жә не электроды коаксилды орналасқ ан плазматронды басқ ару сипаттамасы осьтік магнит ө рісімен жү зеге асады.

Доғ аны магниттік реттейтін плазматрон сұ лбасы 3.31-суретте кө рсетілген. 1 жә не 2 электродтар арасында электр доғ асы жанып тұ р. Магнит ө рісі 3 тұ здық пен жасалады. Газ электрод арасымен кіріп, электрод арасындағ ы қ уыста доғ асымен қ ыздырылып, жоғ ары температуралы ағ ын 5 ретінде шығ ады.

Мұ ндай плазматронда доғ аның кең істікте тұ руы 3 фактормен анық талады:

- электродтың геометриялық орналасуынан жә не магнит ө рісінің қ озғ алысынан туындалатын аэродинамикалық кү ш;

- доғ а магнит катушканың осінің ортасына жақ ын ұ сталады жә не келген лектің ә серінің оның ағ ысы жағ ына ауытқ иды. Доғ аның айналу жылдамдығ ы магнит ө рісінің кернеуімен ток разрядына пропорционал;

- қ иын балқ итын материалдан орталық электрод жасауда плазматрон ПӘ К 0, 52 -0, 76 қ ұ райды жә не цилиндр электродындағ ы шығ ынғ а тә уелді.

Сақ иналы электродты (3.31-сурет) доғ алық разряд бағ аны кө лденең ү рлеу жү йесіне қ атысты. Плазма тү згіш газды плазматрон корпусының 4 ішіне ү рлейді жә не сақ иналы электрод 6 арасындағ ы кең істікпен ө тетін доғ алық разряд сопло 2 арқ ылы плазма иініне 1 шығ ады. Тұ здық тар 3 электрод қ уысында магнит ө рісін туғ ызып, доғ ада магнит ө рісінің индукциясының векторы алынады. Ү лкен токты камера қ ұ рылымы жоғ ары қ ысымда жұ мыс істеуге мү мкіндік береді. Бір фазалы айнымалы токпен жұ мыс істейтін плазматронғ а ұ қ сас келетін ү ш бір фазалы комбинациядан қ ұ ралғ ан ү ш плазмалы плазматрон плазма технологиясында кең інен қ олданылады.

 

 

1 - орталық электрод, 2 - сыртқ ы электрод, 3 - тұ здық, 4 - доғ а бағ аны, 5- плазма легі, 6- газ ә келгіш, 7- оқ шаулатқ ыш (изолятор)

 

3.31-сурет. Доғ аны магниттік реттейтін плазматрон сұ лбасы

 

Қ ұ рылыс ерекшелігі бойынша плазматрондар бір жә не кө п камералы ү ш фазалы плазматрон деп бө лінеді. Бір камералы плазмарон жағ дайында ү ш доғ а бір кө лемде жанады. Доғ алық разряд тұ рақ тылығ ының ток полярлығ ы ө згергенде, жоғ ары элипс қ абілетін сақ тайтын қ иын балқ итын электродтар арқ ылы жү зеге асады.

Барлық айнымалы ток плазматрондары азаятын ВАС-қ а ие болады. Тә жірибеде қ арастырылғ ан плазматроннан басқ а, қ оректендіру ү шін тұ рақ ты жә не айнымалы токты пайдаланатын плазматорндар да бар. Ілеспелі доғ аның қ уаты кү штік доғ аның 5-8 % қ ұ райды. 3.32-суретте тороидты плазматрон сұ лбасы кө рсетілген.

Плазматрондағ ы қ уатты реттеу. Қ оректендіру тізбегінде кедергімен (реттейтін дроссель, қ орек кө зі кернеуі, ілеспе) доғ а қ уатын ө згертуге болады.

Жоғ ары жиілікті плазматрондар индукциялы алаулы жә не жоғ ары жиілікті болып бө лінеді. Жоғ ары жиілікті плазматрон электр магниттік катушка-индуктрон немесе жоғ ары жиілікті энергияғ а қ осылғ ан электродтардан, разряд камерасынан, қ ыздырылатын газ енгізу жерінен (тү йінінен), разряд аймағ ынан, камера корпусынан тұ рады.

Жоғ ары жиілікті индукциялы плазматрон біркелкі емес токпен қ ыздырылады, индуктордың айнымалы электрмагнит ө рісі 6, 3 КГц-тен 20 МГц-ке дейін жетеді. Ү рдіс басында орнатылғ ан қ айнар нысаны доғ алық разряд кө мегімен ө тетін газдың жоғ ары температуралық аймақ жасалып, индуктор аймағ ының тү зеуі болады. Бұ л ү рдіс оталу деп аталады.

 

 

1 - қ ызғ ан газ легі, 2 - шығ ыс соплосы, 3 - тұ здық, 4 - камера корпусы, 5 - жақ қ ыш доғ а механизмі, 6 - электродтар, 7- экран.

 

3.32-сурет. Тороидты плазматрон сұ лбасы

 

Оталғ ан соң камерада ө зін ө зі қ амтитын станционарлы электродсыз разряд 2 туындайды. Біркелкі емес бұ жыр токтың плазмага ену терең дігі (δ, см) келесі формуламен анық талады:

 

,

 

мұ ндағ ы - плазманың меншікті электр кедергісі; f - жиілік, Гц; - магниттік ө тімділік, плазма ү шін =1.

 

Аргон, азот жә не сутегінің меншікті кедергісі 15000 К кезінде сә йкесінше 0, 01; 0, 25 жә не 0, 1 Ом/см.

Газды разряд камерасы арқ ылы ү ріп, плазма легінің температурасы (жуық шамамен 7, 5 15, 0 · 10³ К), 10 60 м/с жылдамдық пен алынады. 3.33-суретте цилиндрлік стерженьді электроды бар ү ш фазалы плазматрон кө рсетілген.

Жоғ ары жиілікті кө лемдік плазмотрон (3.34-сурет) жоғ ары вольтті жә не жерленген электродтар арасында жоғ ары жиілікті электр ө рісі туындайды. Газдағ ы электрондар жоғ ары жиілікті электр ө рісінен энергия алады жә не соқ тысқ анда бейтарап бө лшектермен ауысып, газдың температурасын кө тереді.

 

1 - оқ шаулау блогы, 2- электрлік камера, 3- доғ алық камера

 

3.33-сурет. Цилиндрлік стерженьді электроды бар ү ш фазалы плазматрон

 

 

3.34-сурет. Жоғ ары жиілікті плазмотронның сұ лбасы

 

Жоғ ары жиілікті алаулы плазматрон атмосфералық қ ысымғ а жақ ын қ ысымда алау разряды жанғ ан шырақ секілді болады. Алау разряды электродта ү лкен қ исық бетпен электр ө рісінің жиілігі 10 МГн-ден жоғ ары болғ анда тү зіледі. Ө те жоғ ары жиілікті плазматронда энергия қ оректен разряд аймағ ына толқ ынмен беріледі.