RU2558728C1 - Combined induction-arc plasma generator and induction discharge ignition method - Google Patents
Combined induction-arc plasma generator and induction discharge ignition method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2558728C1 RU2558728C1 RU2014121897/07A RU2014121897A RU2558728C1 RU 2558728 C1 RU2558728 C1 RU 2558728C1 RU 2014121897/07 A RU2014121897/07 A RU 2014121897/07A RU 2014121897 A RU2014121897 A RU 2014121897A RU 2558728 C1 RU2558728 C1 RU 2558728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge
- electrodes
- plasma
- gas
- induction
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазмотронам, использующимся в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов, например проведения плазмохимических реакций, нанесения покрытий, обработки материалов, и т.д.The invention relates to plasma technology, namely, plasmatrons used in plasmochemistry and metallurgy for various plasma-chemical processes, for example, carrying out plasma-chemical reactions, coating, processing of materials, etc.
Область применения плазменных технологий непрерывно расширяется.The scope of plasma technology is constantly expanding.
В плазмохимических методах используют как электродуговые (электродные), так и безэлектродные плазмотроны, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими области их применения.In plasma-chemical methods, both electric arc (electrode) and electrodeless plasmatrons are used, each of which has its own advantages and disadvantages that determine their field of application.
В настоящее время наибольшее распространение и применение получили электродуговые плазмотроны [Клименко Г.К., Ляпин А.А. Конструкции электродуговых плазмотронов. Учебное пособие по дисциплине «Генераторы плазмы». МОСКВА (С), 2010 год, МГТУ им. Баумана, Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет. М.: «Машиностроение», 1993. 295 с. ]. К достоинствам электродуговых нагревателей плазмы относится простота конструкции плазмотрона и источника питания, высокий КПД устройства (до 80%), большая достигнутая мощность (мегаватты). Основными недостатками мощных электродуговых плазмотронов являются: малый срок службы электродов (~100 часов), загрязнение синтезируемых материалов продуктами эрозии электродов, а также быстрое разрушение электродов в агрессивных средах. Малый ресурс работы электродов существенно ограничивает области применения электродуговых плазмотронов в промышленности, поскольку непрерывность технологического процесса является одним из важнейших требований промышленного производства.Currently, the most widely used and widely used are electric arc plasmatrons [Klimenko G.K., Lyapin A.A. Designs of arc plasma torches. The manual on the discipline "Generators of plasma." MOSCOW (C), 2010, MSTU. Bauman, Koroteev A.S., Mironov V.M., Svirchuk Yu.S. Plasmatrons. Designs, characteristics, calculation. M.: "Engineering", 1993.295 s. ]. The advantages of plasma electric arc heaters include the simplicity of the design of the plasma torch and the power source, the high efficiency of the device (up to 80%), and the high power achieved (megawatts). The main disadvantages of powerful electric arc plasmatrons are: short electrode life (~ 100 hours), contamination of synthesized materials with electrode erosion products, and also fast destruction of electrodes in aggressive environments. The small life of the electrodes significantly limits the application of electric arc plasmatrons in industry, since the continuity of the process is one of the most important requirements of industrial production.
Для возбуждения разряда в электродуговых плазмотронах применяют в основном три способа: закорачивание или замыкание электродов, высоковольтный и высокочастотный пробой и заполнение межэлектродного промежутка плазмой от вспомогательного источника плазмы [Клименко Г.К., Ляпин А.А. Конструкции электродуговых плазмотронов. Учебное пособие по дисциплине «Генераторы плазмы». МОСКВА (С), 2010 год, МГТУ им. Баумана].Three methods are mainly used to initiate a discharge in electric arc plasmatrons: shorting or shorting the electrodes, high-voltage and high-frequency breakdown, and filling the interelectrode gap with plasma from an auxiliary plasma source [G. Klimenko, A. A. Lyapin Designs of arc plasma torches. The manual on the discipline "Generators of plasma." MOSCOW (C), 2010, MSTU. Bauman].
Зажигание разряда закорачиванием электродов осуществляют:Ignition of the discharge by shorting the electrodes is carried out:
- перемещением одного из основных электродов до касания с другим с последующим разведением электродов. Этот способ применяют для небольших плазмотронов, например для плазмотронов микроплазменной сварки;- moving one of the main electrodes until it touches another, followed by dilution of the electrodes. This method is used for small plasmatrons, for example for plasmatrons of microplasma welding;
- перемещением дополнительного подвижного электрода до касания с основным с последующим их разведением. Этот способ применяют для мощных плазмотронов, используя дополнительный электрод, который вводят в зазор с помощью привода, а при зажигании разряда быстро выводят, в результате чего образуется вспомогательный разряд на один из основных электродов, который затем переходит на другой основной электрод. В качестве привода электрода используют электромагниты или пневматику;- moving an additional movable electrode until it touches the main one with their subsequent dilution. This method is used for high-power plasmatrons using an additional electrode, which is introduced into the gap by means of a drive, and when the discharge is ignited, it is quickly discharged, as a result of which an auxiliary discharge is formed on one of the main electrodes, which then transfers to the other main electrode. As an electrode drive, use electromagnets or pneumatics;
- проволочкой, которая, сгорая, образует плазменный мостик. Способ наиболее простой, но его целесообразно применять при редких включениях плазмотрона из-за эксплуатационных неудобств. При этом возможно загрязнение плазмы материалом проволочки.- a wire, which, burning, forms a plasma bridge. The method is the simplest, but it is advisable to use it with rare plasmatron inclusions due to operational inconveniences. In this case, plasma contamination with the wire material is possible.
Высоковольтный и высокочастотный пробой используют широко как наиболее удобный в эксплуатации. К электродам, размещенным на расстоянии не более 1-3 мм, подключают высокочастотный источник электропитания с напряжением 3-10 кВ (осциллятор) и основной источник электропитания через высокочастотный фильтр. После пробоя межэлектродного промежутка напряжением осциллятора между электродами зажигается основной дуговой разряд. Использование этого способа запуска требует тщательной отработки конструкции для предотвращения нежелательных пробоев. Применение осцилляторного пуска усложняет систему электропитания, требует использования дросселей на ток разряда, но удобнее и безопаснее в эксплуатации.High-voltage and high-frequency breakdown is widely used as the most convenient in operation. To the electrodes placed at a distance of no more than 1-3 mm, connect a high-frequency power source with a voltage of 3-10 kV (oscillator) and the main power source through a high-pass filter. After the breakdown of the interelectrode gap, the voltage of the oscillator between the electrodes ignites the main arc discharge. Using this startup method requires careful design refinement to prevent unwanted breakdowns. The use of an oscillatory start complicates the power supply system, requires the use of inductors for discharge current, but it is more convenient and safer to operate.
Возбуждение разряда подачей плазмы в межэлектродный промежуток осуществляется с помощью вспомогательного генератора плазмы, в качестве которого в конструкцию плазмотрона встраивают небольшой импульсный генератор плазмы, или рядом с основным электродом предусматривают дополнительный электрод, на который зажигают вспомогательный дуговой разряд. Разряд между основным и вспомогательным электродами генерирует струю плазмы, которая, заполняя канал между электродами, позволяет возбудить основной разряд.The discharge is excited by feeding plasma into the interelectrode gap using an auxiliary plasma generator, in which a small pulsed plasma generator is built into the plasma torch design, or an additional electrode is provided near the main electrode, onto which an auxiliary arc discharge is ignited. The discharge between the main and auxiliary electrodes generates a plasma jet, which, filling the channel between the electrodes, allows the main discharge to be excited.
Безэлектродные плазмотроны (высокочастотные индукционные, высокочастотные емкостные, СВЧ) [С.В. Дресвин, А.А. Бобров, В.М. Лелевкин и др. ВЧ и СВЧ плазмотроны. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1992. - 319 стр. ] полностью лишены присущих дуговым плазмотронам недостатков, позволяют получать чистую плазму практически любого химического состава, имеют ресурс работы порядка тысячи часов. Однако высокая частота генерации разрядов (порядка 10 МГц для ВЧИ и ВЧЕ разрядов, 1 ГГц для СВЧ) затрудняет создание источников питания плазмотронов большой мощности.Electrodeless plasmatrons (high-frequency induction, high-frequency capacitive, microwave) [S.V. Dresvin, A.A. Bobrov, V.M. Lelevkin et al. HF and microwave plasmatrons. - Novosibirsk: Science. Sib. Department, 1992. - 319 p.] completely devoid of the inherent disadvantages of arc plasmatrons, they allow obtaining pure plasma of almost any chemical composition, and have a working life of about a thousand hours. However, the high frequency of the generation of discharges (of the order of 10 MHz for RF and VCH discharges, 1 GHz for microwave) makes it difficult to create high-power plasma torch power sources.
Зажигание безэлектродного индукционного разряда может быть осуществлено при низком давлении за счет электрического поля индуктора, создающего первоначальную ионизацию газа. После зажигания в разрядной камере плазмотрона возникает самоподдерживающий стационарный безэлектродный индукционный разряд низкого давления, затем давление может быть увеличено до атмосферного и выше.Ignition of an electrodeless induction discharge can be carried out at low pressure due to the electric field of the inductor, which creates the initial ionization of the gas. After ignition, a self-sustaining stationary electrodeless low-pressure induction discharge appears in the discharge chamber of the plasma torch, then the pressure can be increased to atmospheric and higher.
Особый интерес представляют плазмотроны трансформаторного типа, в которых эффективную генерацию индукционного разряда осуществляют в диапазоне частот тока 10-100 кГц. Снижение частоты генерации безэлектродного разряда более чем на два порядка дает ряд существенных преимуществ: упрощается конструкция источника питания, упрощается задача согласования источника питания и нагрузки (разряда). В отличие от широко применяемых на практике ВЧИ плазмотронов, для плазмотронов, основанных на индукционных разрядах трансформаторного типа, коэффициент связи между нагрузкой (газовый разряд) и индуктором (первичная обмотка трансформатора) близок к единице. Срок службы трансформаторного плазмотрона составляет десятки тысяч часов, при этом с помощью трансформаторного плазмотрона может быть получена плазма любых молекулярных газов, в том числе и агрессивных (хлор, фтор, кислород).Of particular interest are plasma torches of the transformer type, in which the effective generation of an induction discharge is carried out in the frequency range of the current 10-100 kHz. Reducing the frequency of generation of an electrodeless discharge by more than two orders of magnitude provides a number of significant advantages: the design of the power source is simplified, the task of matching the power source and load (discharge) is simplified. Unlike the widely used in practice HF plasmatrons, for plasmatrons based on transformer-type induction discharges, the coupling coefficient between the load (gas discharge) and the inductor (primary transformer winding) is close to unity. The service life of a transformer plasma torch is tens of thousands of hours, and with the help of a transformer plasma torch plasma of any molecular gases, including aggressive ones (chlorine, fluorine, oxygen) can be obtained.
Известные решения [А.с. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2093459, 1995, С01В 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10, RU 2094961, 20.07.1989, Н05В 7/18 и др.], касающиеся трансформаторных плазмотронов, направленые на снижение удельного расхода электроэнергии, увеличение производительности и увеличение мощности в разряде при расширении диапазона давлений до атмосферного и использовании в качестве рабочего газа как инертных (гелий, аргон), так и молекулярных газов (водород, кислород, СО2) или воздуха.Known solutions [A.S. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2022917, 1989, СВВ 21/24, RU 2093459, 1995, С01В 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10, RU 2094961, 07/20/1989, Н05В 7/18, etc.] related to transformer plasmatrons, aimed at reducing specific energy consumption, increasing productivity and increasing discharge power when expanding the pressure range to atmospheric and using as working gas both inert (helium, argon) and molecular gases (hydrogen, oxygen, CO 2) or air.
Зажигание основного разряда в трансформаторных плазмотронах осуществляют при пониженном давлении 10-1-10-2 мм рт.ст с помощью зажигания тлеющего разряда путем подачи высокого напряжения порядка 2-3 кВ на две противоположно расположенные секции газоразрядной камеры или на дополнительные электроды. После поджига основного трансформаторного разряда высокое напряжение отключают, а давление в разрядной камере может подниматься до 1-10 атм.Ignition of the main discharge in transformer plasmatrons is carried out at reduced pressure of 10 -1 -10 -2 mm Hg by ignition of a glow discharge by applying a high voltage of the order of 2-3 kV to two opposite sections of the gas discharge chamber or to additional electrodes. After ignition of the main transformer discharge, the high voltage is turned off, and the pressure in the discharge chamber can rise to 1-10 atm.
В качестве прототипа устройства выбран предназначенный для использования в различных технологических процессах, например проведение плазмохимических реакций, нанесение покрытий, обработка материалов, и т.д., трансформаторный плазмотрон [RU 2056702, 1996, Н05В 7/18], содержащий замкнутую кольцеобразную разрядную камеру, выполненную в виде электроизолированных одна от другой водоохлаждаемых металлических секций, каждая из которых снабжена узлом тангенциального ввода газа, узлом вывода газа, и трансформатор, содержащий магнитопроводы с индивидуальными обмотками, количество которых равно количеству секций разрядной камеры, причем магнитопроводы установлены радиально по центру каждой секции, а узлы ввода и вывода газа - по противоположным торцам секций и соединены между собой введенными промежуточными диафрагмами. Указанное устройство позволяет осуществлять нагрев плазмообразующего газа либо смеси газов, а также, при необходимости, химических реагентов до температур порядка 5*103-104 К при давлении порядка атмосферного и выше.As a prototype of the device selected intended for use in various technological processes, for example, carrying out plasma-chemical reactions, coating, processing of materials, etc., transformer plasma torch [RU 2056702, 1996, Н05В 7/18], containing a closed annular discharge chamber, made in the form of electrically insulated water-cooled metal sections from one another, each of which is equipped with a tangential gas inlet unit, a gas outlet unit, and a transformer containing magnetic circuits from an individual windings, the number of which is equal to the number of sections of the discharge chamber, the magnetic cores being installed radially in the center of each section, and the gas inlet and outlet nodes at the opposite ends of the sections and interconnected by introduced intermediate diaphragms. The specified device allows heating of a plasma-forming gas or a mixture of gases, as well as, if necessary, chemicals to temperatures of the order of 5 * 10 3 -10 4 K at a pressure of the order of atmospheric and higher.
В качестве прототипа способа поджига индукционного разряда выбран способ [RU 2094961, 20.07.1989, Н05В 7/18], включающий предварительную продувку газа, подачу напряжения порядка 3 кВ от повышающего неонового трансформатора на вспомогательные электроды, зажигание тлеющего разряда при давлении 10-2-10-1 мм рт.ст. Если плазменный трансформатор обеспечивает необходимое напряжение для горения дуги на вторичном витке, то возникает устойчивый разряд. При этом неоновый трансформатор отключается. При подаче газа в завихритель давление газа возрастает до атмосферного и осуществляется стабилизация дуги потоком газа.As a prototype of the method of ignition of an induction discharge, the method [RU 2094961, 07.20.1989, Н05В 7/18] was selected, including preliminary purging of gas, applying a voltage of about 3 kV from a step-up neon transformer to auxiliary electrodes, ignition of a glow discharge at a pressure of 10 -2 - 10 -1 mmHg If the plasma transformer provides the necessary voltage for arc burning on the secondary turn, then a stable discharge occurs. In this case, the neon transformer is turned off. When gas is supplied to the swirl, the gas pressure rises to atmospheric pressure and the arc is stabilized by the gas flow.
Запуск известных трансформаторных плазмотронов осуществляют при низком давлении, порядка 10 Па, что требует изготовления оборудования в вакуумно-плотном исполнении и использования форвакуумных насосов для откачки системы.The launch of the known transformer plasmatrons is carried out at low pressure, of the order of 10 Pa, which requires the manufacture of equipment in a vacuum-tight design and the use of fore-vacuum pumps for pumping the system.
В известных трансформаторных плазмотронах невозможно локально увеличить параметры процесса, а именно напряженность электрического поля и удельную мощность разряда, например, в зоне ввода химических реагентов.In known transformer plasma torches, it is impossible to locally increase the process parameters, namely, the electric field strength and the specific discharge power, for example, in the zone of entry of chemical reagents.
Задачей настоящего изобретения является разработка плазмотрона, объединяющего в себе достоинства дугового (электродного) и трансформаторного (безэлектродного) плазмотронов, а именно простоту конструкции плазмотрона и источника питания, высокий КПД (не менее 60%), большую достигаемую мощность, большой срок службы плазматрона (более 1000 часов), низкую частоту генерации безэлектродного разряда (~30-100 кГц), возможность работы в агрессивных средах, возможность получать чистую плазму, возможность запуска при атмосферном давлении, и при этом обеспечивающего новое положительное свойство, а именно возможность управлять параметрами газового разряда, например локально повышать напряженность электрического поля и мощность разряда в зоне ввода плазмообразующего газа и химических реагентов.The objective of the present invention is to develop a plasma torch that combines the advantages of an arc (electrode) and transformer (electrodeless) plasmatrons, namely the simplicity of the design of the plasma torch and power source, high efficiency (at least 60%), high achievable power, long life of the plasmatron (more 1000 hours), a low frequency of generation of an electrodeless discharge (~ 30-100 kHz), the ability to work in aggressive environments, the ability to obtain clean plasma, the ability to start at atmospheric pressure, and at the same time echivayuschego new positive property, namely the ability to control parameters of a gas discharge, eg locally increase the electric field strength and the discharge capacity in the input area plasma gas and chemical reagents.
Согласно изобретению указанную задачу решают тем, что комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон содержит замкнутую кольцеобразную газоразрядную камеру, выполненную в виде электроизолированных одна от другой водоохлаждаемых металлических секций, скрепленных фланцами с диэлектрическими прокладками, трансформатор с, по меньшей мере, одним магнитопроводом с первичной обмоткой. Газоразрядная камера включает разрядную секцию, примыкающие к ее торцам поворотные секции, реакционную секцию, примыкающие к ее торцам поворотные секции и боковые секции. Газоразрядная камера установлена относительно поверхности земли так, что разрядная секция находится в верхней части газоразрядной камеры, а противоположно ей, в нижней части газоразрядной камеры, расположена реакционная секция.According to the invention, this problem is solved by the fact that the combined induction arc plasmatron contains a closed annular gas-discharge chamber made in the form of electrically isolated water-cooled metal sections fastened by flanges with dielectric gaskets, a transformer with at least one magnetic circuit with a primary winding. The gas-discharge chamber includes a discharge section, rotary sections adjacent to its ends, a reaction section, rotary sections adjacent to its ends and side sections. The gas discharge chamber is mounted relative to the surface of the earth so that the discharge section is located in the upper part of the gas discharge chamber, and opposite to it, in the lower part of the gas discharge chamber, is the reaction section.
Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон дополнительно снабжен четырьмя подвижными водоохлаждаемыми электродами, которые попарно установлены в противоположно расположенных разрядной и реакционной секциях газоразрядной камеры плазмотрона и запитаны на отдельные источники питания постоянного тока.The combined induction arc plasmatron is additionally equipped with four movable water-cooled electrodes, which are installed in pairs in the oppositely located discharge and reaction sections of the plasma-discharge chamber of the plasma torch and are powered by separate DC power sources.
Узел тангенциального ввода плазмообразующего газа расположен в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона, а узел ввода химических реагентов расположен в реакционной секции. Размеры реакционной секции определяют из условия U<Uпробоя, где U - напряженность электрического поля между соседними секциями, Uпробоя - напряжение пробоя между соседними секциями. Со стороны торцов реакционной секции выполнено сужение диаметра газоразрядной камеры за счет того, что внутренние диаметры фланцев, скрепляющих реакционную секцию с поворотными секциями, примыкающими к ее торцам, меньше диаметра скрепляемых секций, но больше диаметра электродов, которые подведены к этим отверстиям.The plasma gas tangential input unit is located in the discharge section of the gas discharge chamber of the combined induction arc plasma torch, and the chemical input unit is located in the reaction section. The dimensions of the reaction section are determined from the condition U <U breakdown , where U is the electric field strength between adjacent sections, U breakdown is the breakdown voltage between neighboring sections. From the side of the ends of the reaction section, the diameter of the gas discharge chamber was narrowed due to the fact that the inner diameters of the flanges fastening the reaction section with the rotary sections adjacent to its ends are smaller than the diameter of the fastened sections, but larger than the diameter of the electrodes that are connected to these holes.
Электроды могут быть выполнены металлическими или композитными. Количество узлов тангенциального ввода плазмообразующего газа, при необходимости, может быть более одного и составлять два и более. Количество узлов ввода химических реагентов может быть более одного и составлять два и более.The electrodes can be made of metal or composite. The number of nodes of the tangential input of a plasma-forming gas, if necessary, can be more than one and be two or more. The number of input nodes of chemical reagents can be more than one and be two or more.
Задачей настоящего изобретения является также разработка способа поджига индукционного разряда при атмосферном давлении, что исключает необходимость изготовления оборудования в вакуумно-плотном исполнении и использования форвакуумных насосов для откачки системы.The present invention is also the development of a method of ignition of an induction discharge at atmospheric pressure, which eliminates the need to manufacture equipment in a vacuum-tight design and the use of fore-vacuum pumps for pumping the system.
Согласно изобретению указанную задачу решают тем, что для поджига индукционного разряда используют комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон, а поджиг осуществляют при атмосферном давлении одним из ниже описанных способов.According to the invention, this problem is solved in that a combination induction arc plasmatron is used to ignite an induction discharge, and ignition is carried out at atmospheric pressure using one of the methods described below.
Первый вариант.First option.
Способ поджига индукционного разряда включает одновременную подачу плазмообразующего газа в разрядную секцию газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона через узел тангенциального ввода и напряжения на первичную обмотку и электроды, расположенные в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона. Электроды приводят в контакт и разводят, что вызывает инициацию между ними дугового разряда. Плазму дугового разряда выдувают в разрядную камеру, создавая предварительную ионизацию газа. Под воздействием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в предварительно ионизованном газе инициируется основной индукционный разряд трансформаторного типа. После поджига индукционного разряда дуговой разряд отключают.The method of ignition of an induction discharge includes the simultaneous supply of plasma-forming gas to the discharge section of the gas discharge chamber of the combined induction arc plasma torch through the tangential input and voltage node to the primary winding and electrodes located in the discharge section of the gas discharge chamber of the combined induction arc plasmatron. The electrodes are brought into contact and bred, which causes the initiation of an arc discharge between them. An arc discharge plasma is blown into the discharge chamber, creating preliminary ionization of the gas. Under the influence of the voltage applied to the primary winding, a transformer type main induction discharge is initiated in the pre-ionized gas. After ignition of the induction discharge, the arc discharge is turned off.
Второй вариант.The second option.
Способ поджига индукционного разряда включает одновременную подачу плазмообразующего газа в разрядную секцию газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона через узел тангенциального ввода, напряжения на первичную обмотку, напряжения на электроды, расположенные в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона, и на электроды, расположенные в реакционной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона. Подачу напряжения на пары электродов, расположенные в разрядной и реакционной секциях, осуществляют от разных источников питания постоянного тока. Электроды приводят в контакт и разводят, что вызывает инициацию двух дуговых разрядов, в разрядной и реакционной секциях. Под воздействием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в предварительно ионизованном газе инициируется основной индукционный разряд трансформаторного типа. После поджига индукционного разряда дуговой разряд, горящий между электродами разрядной секции, отключают.The method of ignition of an induction discharge includes the simultaneous supply of plasma-forming gas to the discharge section of the gas discharge chamber of the combined induction arc plasma torch through the tangential input assembly, voltage to the primary winding, voltage to the electrodes located in the discharge section of the gas discharge chamber of the combined induction arc plasmatron, and to electrodes located in the reaction section of the gas discharge chamber of a combined induction arc plasma torch. The voltage supply to the pairs of electrodes located in the discharge and reaction sections is carried out from different DC power sources. The electrodes are brought into contact and bred, which causes the initiation of two arc discharges, in the discharge and reaction sections. Under the influence of the voltage applied to the primary winding, a transformer type main induction discharge is initiated in the pre-ionized gas. After ignition of the induction discharge, the arc discharge burning between the electrodes of the discharge section is turned off.
Таким образом, второй вариант способа поджига индукционного разряда осуществляется аналогично первому варианту, с тем отличием, что зажигают дополнительный дуговой разряд в реакционной секции плазмотрона, создающий дополнительную ионизацию газа, и вместе с дуговым разрядом в разрядной секции обеспечивающий требуемую предварительную ионизацию газа для зажигания индукционного разряда.Thus, the second version of the method of ignition of an induction discharge is carried out similarly to the first option, with the difference that they ignite an additional arc discharge in the reaction section of the plasma torch, which creates additional gas ionization, and together with the arc discharge in the discharge section provides the required preliminary ionization of the gas to ignite the induction discharge .
Предлагаемый комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон иллюстрируют чертежом, представленным на фиг. 1, где все элементы показаны схематично и в произвольном масштабе. Где: 1 - замкнутая газоразрядная камера; 2 - диэлектрические прокладки; 3 - ферритовые магнитопроводы; 4 - первичные обмотки; 5 - разрядная секция; 6 - узел ввода плазмообразующего газа; 7 - электроды разрядной секции; 8 - реакционная секция; 9 - узел ввода химических реагентов; 10 - «диафрагмирующие отверстия»; 11 - электроды реакционной секции; 12 - боковые секции; 13 - поворотные секции; 14 - фланцы.The proposed combined induction arc plasmatron is illustrated by the drawing shown in FIG. 1, where all elements are shown schematically and at an arbitrary scale. Where: 1 - closed gas discharge chamber; 2 - dielectric gaskets; 3 - ferrite magnetic cores; 4 - primary windings; 5 - bit section; 6 - node input plasma-forming gas; 7 - electrodes of the discharge section; 8 - reaction section; 9 - node input chemical reagents; 10 - "diaphragm holes"; 11 - electrodes of the reaction section; 12 - side sections; 13 - rotary sections; 14 - flanges.
Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон представляет собой индукционный плазмотрон трансформаторного типа, в газоразрядную камеру которого дополнительно введены металлические или композитные электроды, которые выполнены подвижными и водоохлаждаемыми.The combined induction arc plasmatron is a transformer-type induction plasmatron, in the gas discharge chamber of which metal or composite electrodes are additionally introduced, which are made movable and water-cooled.
Замкнутая кольцеобразная газоразрядная камера 1 состоит из водоохлаждаемых металлических секций: разрядной секции 5, реакционной секции 8, боковых секций 12 и поворотных секций 13. Секции газоразрядной камеры скреплены фланцами 14. При соединении секций между фланцами прокладывают диэлектрические прокладки 2. Таким образом, все секции газоразрядной камеры электрически изолированы друг от друга с помощью диэлектрических прокладок 2. Фланцы вдавливаются (при развертывании болтов) в диэлектрические прокладки, и так достигается герметичность стыка.The closed annular gas discharge chamber 1 consists of water-cooled metal sections: discharge section 5, reaction section 8, side sections 12 and pivot sections 13. The sections of the gas discharge chamber are fastened by flanges 14. When connecting the sections between the flanges, dielectric gaskets 2 are laid. Thus, all gas discharge sections the chambers are electrically isolated from each other by means of dielectric gaskets 2. The flanges are pressed (when the bolts are deployed) into the dielectric gaskets, and thus tightness is achieved junction.
Газоразрядная камера относительно поверхности земли установлена вертикально так, что реакционная секция 8 находится в нижней части газоразрядной камеры, а противоположно ей, в верхней части газоразрядной камеры, расположена разрядная секция 5. При таком расположении газоразрядной камеры достигается устойчивость вихревого потока плазмообразующего газа, подаваемого через узел тангенциального ввода плазмообразующего газа 6 в разрядную секцию 5. В плазмотроне может быть предусмотрено более одного узла тангенциального ввода плазмообразующего газа. Возможно использование в качестве плазмообразующих газов воздуха или других молекулярных газов.The gas discharge chamber relative to the surface of the earth is mounted vertically so that the reaction section 8 is located in the lower part of the gas discharge chamber, and opposite to it, in the upper part of the gas discharge chamber, there is a discharge section 5. With this arrangement of the gas discharge chamber, the vortex flow of the plasma-forming gas supplied through the assembly is stable tangential input of plasma-forming gas 6 into the discharge section 5. More than one node of tangential input of the plasma image can be provided in the plasmatron burning gas. It is possible to use air or other molecular gases as plasma-forming gases.
В разрядной секции 5 газоразрядной камеры плазмотрона установлены подвижные водоохлаждаемые электроды 7. С их помощью создают дуговой разряд для предварительной ионизации газа и поджига плазмотрона при атмосферном давлении.In the discharge section 5 of the gas-discharge chamber of the plasma torch, mobile water-cooled electrodes 7 are installed. Using them, an arc discharge is created for preliminary ionization of the gas and ignition of the plasma torch at atmospheric pressure.
На боковых секциях 12 газоразрядной камеры смонтированы ферритовые магнитопроводы 3 с первичными обмотками 4. Количество первичных обмоток может быть более одной, при этом каждая обмотка может содержать один или более витков. Обмотки могут быть включены параллельно или последовательно, образуя общую первичную обмотку трансформатора с любым необходимым значением коэффициента трансформации по напряжению.On the side sections 12 of the gas discharge chamber, ferrite magnetic circuits 3 with primary windings 4 are mounted. The number of primary windings may be more than one, each winding may contain one or more turns. The windings can be connected in parallel or in series, forming a common primary winding of the transformer with any desired value of the voltage transformation coefficient.
Химические реагенты в твердом, жидком или газообразном состоянии вводят в реакционную секцию 8 через узел ввода химических реагентов 9. Узлов ввода химических реагентов в реакционную секцию газоразрядной камеры плазмотрона может быть несколько. Для того чтобы химические реагенты не выходили за пределы реакционной секции 8, со стороны торцов реакционной секции предусмотрено сужение диаметра газоразрядной камеры. Сужение диаметра газоразрядной камеры достигается за счет того, что внутренние диаметры фланцев, скрепляющих реакционную секцию 8 с поворотными секциями 13, так называемых, «диафрагмирующих отверстий» 10, меньше, чем диаметр скрепляемых секций (диаметр газоразрядной камеры).Chemical reagents in a solid, liquid or gaseous state are introduced into the reaction section 8 through the chemical reagent input unit 9. There can be several chemical reagent input nodes in the reaction section of the gas discharge chamber of the plasma torch. In order for the chemical reagents not to go beyond the reaction section 8, narrowing the diameter of the gas discharge chamber is provided from the side of the ends of the reaction section. The narrowing of the diameter of the gas discharge chamber is achieved due to the fact that the inner diameters of the flanges fastening the reaction section 8 with the rotary sections 13, the so-called “diaphragm holes” 10, are smaller than the diameter of the fastened sections (diameter of the gas discharge chamber).
К «диафрагмирующим отверстиям» 10 подведены подвижные водоохлаждаемые электроды 11, которые используют для достижения требуемого локального повышения мощности разряда и повышения температуры реагентов в плазмохимической реакции. Также электроды 11 при необходимости могут использоваться для поджига основного индукционного разрядаMovable water-cooled electrodes 11 are connected to the “diaphragm holes” 10, which are used to achieve the required local increase in the discharge power and increase the temperature of the reagents in the plasma-chemical reaction. Also, the electrodes 11, if necessary, can be used to ignite the main induction discharge
Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон может работать в одном из трех режимов: в режиме индукционного разряда, в режиме комбинированного индукционно-дугового разряда и в режиме дугового разряда.The combined induction arc plasmatron can operate in one of three modes: in the induction discharge mode, in the combined induction arc discharge mode, and in the arc discharge mode.
Поджиг индукционного разряда в комбинированном индукционно-дуговом плазмотроне осуществляют при атмосферном давлении.Ignition of an induction discharge in a combined induction arc plasmatron is carried out at atmospheric pressure.
В первом варианте поджиг индукционного разряда осуществляют путем одновременной подачи плазмообразующего газа через узел тангенциального ввода плазмообразующего газа 6 и напряжения на первичную обмотку 4 и на электроды 7. Электроды 7, расположенные в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона, запитаны отдельным источником питания постоянного тока (на схеме не показано). Электроды приводят в контакт и разводят, что вызывает инициацию между ними дугового разряда. Дуговой разряд, горящий в газоразрядной камере 1, создает ионизацию газа, обеспечивающую поджиг основного индукционного разряда. После поджига индукционного разряда, дуговой разряд, создаваемый электродами 7, отключают. Затем подают напряжение на электроды 11 для поджига дугового разряда с целью использования его в проведении плазмохимических реакций.In the first embodiment, the induction discharge is ignited by simultaneously supplying a plasma-forming gas through the tangential input unit of the plasma-forming gas 6 and voltage to the primary winding 4 and to the electrodes 7. The electrodes 7 located in the discharge section of the gas-discharge chamber of the combined induction-arc plasma torch are powered by a separate constant power supply current (not shown in the diagram). The electrodes are brought into contact and bred, which causes the initiation of an arc discharge between them. The arc discharge burning in the gas discharge chamber 1 creates ionization of the gas, providing ignition of the main induction discharge. After ignition of the induction discharge, the arc discharge created by the electrodes 7 is turned off. Then a voltage is applied to the electrodes 11 for ignition of the arc discharge in order to use it in carrying out plasma-chemical reactions.
Во втором варианте поджиг индукционного разряда осуществляют путем одновременной подачи плазмообразующего газа через узел тангенциального ввода плазмообразующего газа 6 и напряжения на первичную обмотку 4, на электроды 7 и на электроды 11. Между электродами 7 и 11 зажигают дуговые разряды, один - в реакционной секции, второй - в разрядной, которые вместе обеспечивают требуемую для поджига индукционного разряда ионизацию газа. После поджига индукционного разряда дуговой разряд, создаваемый электродами 7, отключают.In the second embodiment, the induction discharge is ignited by simultaneously supplying a plasma-forming gas through the tangential input unit of the plasma-forming gas 6 and voltage to the primary winding 4, to the electrodes 7 and to the electrodes 11. Arc discharges are ignited between the electrodes 7 and 11, one in the reaction section, the second - in the discharge, which together provide the required gas ionization for ignition of the induction discharge. After ignition of the induction discharge, the arc discharge created by the electrodes 7 is turned off.
В проведении плазмохимических реакции используют дуговой разряд, горящий между электродами 11, находящимися в реакционной секции 8 комбинированного индукционно-дугового плазмотрона.In carrying out plasma-chemical reactions, an arc discharge is used that burns between the electrodes 11 located in the reaction section 8 of the combined induction arc plasmatron.
В реакционную секцию 8 через узел 9 вводят химические реагенты. При необходимости можно вводить одновременно несколько химических реагентов, например порошкообразный и газообразный, их вводят в реакционную секцию через разные узлы ввода реагентов. При необходимости, реагенты могут вводиться и в другие секции плазмотрона, однако, основная идея устройства заключается в том, что химические реагенты сосредоточены в небольшой относительно общей длины индукционного разряда реакционной секции 8, где резко возрастает напряженность электрического поля и выделяемая мощность, а дополнительный дуговой разряд, создаваемый электродами 11, позволяет поднять локально напряженность электрического поля и энерговклад до нужного уровня. Таким образом, обеспечивается возможность проведения широкого спектра плазмохимических процессов, требующих повышенной мощности и повышенного значения напряженности электрического поля в зоне ввода химических реагентов.Chemical reactants are introduced into reaction section 8 through unit 9. If necessary, several chemical reagents can be introduced at the same time, for example, powdery and gaseous, they are introduced into the reaction section through different reagent injection units. If necessary, the reagents can be introduced into other sections of the plasma torch, however, the main idea of the device is that the chemical reagents are concentrated in a small relative to the total length of the induction discharge of the reaction section 8, where the electric field strength and the released power sharply increase, and an additional arc discharge created by the electrodes 11, allows you to locally raise the electric field strength and energy input to the desired level. Thus, it is possible to carry out a wide range of plasma-chemical processes that require increased power and a higher value of the electric field in the input zone of chemical reagents.
В местах сужения диаметра плазмообразующей камеры «диафрагмирующими отверстиями» 10 скорость движения плазмообразующего газа резко возрастает, что защищает электроды 11 от контакта с химическими реагентами. Таким образом, электроды работают в среде плазмообразующего газа, что предотвращает их разрушение и загрязнение плазмы продуктами эрозии электродов (при использовании в качестве плазмообразующего газа инертных газов).In places where the diameter of the plasma-forming chamber is narrowed by “diaphragm holes” 10, the speed of the plasma-forming gas increases sharply, which protects the electrodes 11 from contact with chemical reagents. Thus, the electrodes operate in a plasma-forming gas environment, which prevents their destruction and plasma pollution by the products of electrode erosion (when using inert gases as a plasma-forming gas).
Кроме того, поскольку часть энергии в реакционной зоне уже вкладывается за счет индукционного разряда, то для достижения нужного плазмотрона практически не ограничена сверху, а максимальная мощность дугового плазмотрона составляет несколько МВт. Максимальная мощность дугового плазмотрона ограничена процессами эрозии электродов.In addition, since part of the energy in the reaction zone is already invested due to induction discharge, to achieve the desired plasmatron it is practically unlimited from above, and the maximum power of the arc plasmatron is several MW. The maximum power of the arc plasma torch is limited by the processes of erosion of the electrodes.
Основные технические преимущества заявленного устройства, достигаемые за счет генерации дугового разряда совместно с основным индукционным разрядом трансформаторного типа:The main technical advantages of the claimed device, achieved by generating an arc discharge together with the main induction discharge of the transformer type:
1) возможность запуска плазмотрона при атмосферном давлении, что исключает необходимость изготовления плазмотрона в вакуумно-плотном исполнении и использования откачных систем;1) the ability to start the plasma torch at atmospheric pressure, which eliminates the need for manufacturing a plasma torch in a vacuum-tight design and the use of pumping systems;
2) возможность локально регулировать параметры газового разряда, повышать напряженность электрического поля и удельную мощность разряда непосредственно в зоне ввода химических реагентов, где требуются большие напряженности электрического поля для поддержания горения разряда и высокие удельные мощности для полной переработки реагентов.2) the ability to locally adjust the parameters of the gas discharge, to increase the electric field strength and specific power of the discharge directly in the zone of chemical reagent entry, where large electric field strengths are required to maintain the discharge burning and high specific powers for the complete processing of the reagents.
Основные экономические преимущества:Key economic benefits:
1) дешевизна изготовления, что достигается за счет исключения необходимости изготовления вакуумного оборудования;1) the cheapness of manufacturing, which is achieved by eliminating the need for manufacturing vacuum equipment;
2) энергоэффективность, достигаемая за счет комбинированного использования основного безэлектродного и вспомогательного дугового разряда, при котором появляется возможность регулировать параметры плазмы газового разряда в зоне ввода химических реагентов или обрабатываемых материалов и выбирать наиболее оптимальный режим проведения реакции или обработки материала;2) energy efficiency achieved through the combined use of the main electrodeless and auxiliary arc discharge, in which it becomes possible to adjust the parameters of the gas discharge plasma in the zone of input of chemical reagents or materials to be processed and choose the most optimal reaction or processing mode of the material;
3) расширение области использования за счет возможности проведения широкого спектра плазмохимических процессов, требующих повышенной мощности и повышенного значения напряженности электрического поля в зоне ввода химических реагентов.3) expanding the scope of use due to the possibility of carrying out a wide range of plasma-chemical processes that require increased power and increased electric field strength in the zone of chemical reagent entry.
Практическая применимость плазмотрона для проведения плазмохимических реакций подтверждается выполненными научно-исследовательскими работами и проведенными экспериментальными исследованиями. The practical applicability of the plasmatron for carrying out plasmochemical reactions is confirmed by the performed scientific research and experimental studies.
Источники информацииInformation sources
1. Ulanov I.M. Isupov M.V. Induction transformer coupled discharges: investigation and application. Applied Physics in the 21st century. New York: Nova Science Publishers, 2010. P. 113-167. ISBN: 978-1-60876-074-9.1. Ulanov IM Isupov MV Induction transformer coupled discharges: investigation and application. Applied Physics in the 21 st century. New York: Nova Science Publishers, 2010. P. 113-167. ISBN: 978-1-60876-074-9.
2. I M Ulanov, M V Isupov, A Yu Litvincev and P A Mischenko. Plasma-chemical synthesis of oxide powders using transformer coupled discharge. Plasma science and technology. 2013. V.15. N. 4. P. 386-390.2. I M Ulanov, M V Isupov, A Yu Litvincev and P A Mischenko. Plasma-chemical synthesis of oxide powders using transformer coupled discharge. Plasma science and technology. 2013. V.15. N. 4. P. 386-390.
3. И.М. Уланов, М.В. Исупов, А.Ю. Литвинцев, П.А. Мищенко. Трансформаторный плазмотрон - плазмохимический реактор // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. №02. С.175-180.3. I.M. Ulanov, M.V. Isupov, A.Yu. Litvintsev, P.A. Mishchenko. Transformer plasmatron - plasmochemical reactor // Thermophysics of high temperatures. 2010.V. 48. No. 02. S.175-180.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014121897/07A RU2558728C1 (en) | 2014-05-29 | 2014-05-29 | Combined induction-arc plasma generator and induction discharge ignition method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014121897/07A RU2558728C1 (en) | 2014-05-29 | 2014-05-29 | Combined induction-arc plasma generator and induction discharge ignition method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2558728C1 true RU2558728C1 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53796003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014121897/07A RU2558728C1 (en) | 2014-05-29 | 2014-05-29 | Combined induction-arc plasma generator and induction discharge ignition method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2558728C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2056702C1 (en) * | 1990-07-09 | 1996-03-20 | Уланов Игорь Максимович | Transformer-type plasmatron |
| RU2094961C1 (en) * | 1989-07-20 | 1997-10-27 | Уланов Игорь Максимович | Transformer-type plasmatron |
| US6150628A (en) * | 1997-06-26 | 2000-11-21 | Applied Science And Technology, Inc. | Toroidal low-field reactive gas source |
-
2014
- 2014-05-29 RU RU2014121897/07A patent/RU2558728C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2094961C1 (en) * | 1989-07-20 | 1997-10-27 | Уланов Игорь Максимович | Transformer-type plasmatron |
| RU2056702C1 (en) * | 1990-07-09 | 1996-03-20 | Уланов Игорь Максимович | Transformer-type plasmatron |
| US6150628A (en) * | 1997-06-26 | 2000-11-21 | Applied Science And Technology, Inc. | Toroidal low-field reactive gas source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10076020B2 (en) | Apparatus and method for plasma ignition with a self-resonating device | |
| US5243169A (en) | Multiple torch type plasma generation device and method of generating plasma using the same | |
| US7411353B1 (en) | Alternating current multi-phase plasma gas generator with annular electrodes | |
| CN107801286B (en) | Microwave plasma excitation system based on dielectric barrier discharge pre-ionization | |
| US5418430A (en) | Plasma generator with field-enhancing electrodes | |
| US9997322B2 (en) | Electrode assemblies, plasma generating apparatuses, and methods for generating plasma | |
| CN111970807A (en) | Device for exciting microwave plasma based on sliding arc discharge | |
| CN111479376B (en) | Atmospheric pressure injection frequency thermal plasma generator based on preionization ignition device | |
| RU2094961C1 (en) | Transformer-type plasmatron | |
| US20190185770A1 (en) | Modular Hybrid Plasma Gasifier for Use in Converting Combustible Material to Synthesis Gas | |
| RU2171554C2 (en) | Method of plasma generation and device for its realization | |
| RU2558728C1 (en) | Combined induction-arc plasma generator and induction discharge ignition method | |
| KR20160082971A (en) | Ozone generator | |
| JP3237450U (en) | Combined plasma source | |
| RU2522636C1 (en) | Microwave plasma converter | |
| Pacheco-Sotelo et al. | A universal resonant converter for equilibrium and nonequilibrium plasma discharges | |
| Harry et al. | Production of a large volume discharge using a multiple arc system | |
| JPH06290896A (en) | High frequency plasma heater and its operating method | |
| RU2379860C1 (en) | Transformer plasma generator with dielectric discharge chamber | |
| RU2749668C1 (en) | Ion source | |
| RU2593147C1 (en) | Device and method for producing high-temperature plasma and euv radiation | |
| JP3243780U (en) | Hollow cathode discharge auxiliary transformer coupling plasma source | |
| JPH03211284A (en) | Multistage thermal plasma reaction apparatus | |
| CN219759522U (en) | Hollow cathode discharge assisted transformer coupled plasma source | |
| RU2407249C2 (en) | Device for production of plasma with open magnetic conductor and method for electric charge realisation and production of plasma in it |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180530 |