Плазматрон

Плазмотрон - это устройство, предназначенное для преобразования энергии электрической дуги в тепловую энергию газовой струи. Первые плазмотроны появились в середине 20-го века в связи с появлением устойчивых в условиях высоких температур материалов и расширением производства тугоплавких металлов. Другой причиной появления плазмотронов явилась элементарная потребность в источниках тепла большой мощности. Замечательными особенностями плазмотрона как инструмента современной технологии являются:

• Получение сверхвысоких температур (до 150 000 °C, в среднем получают 10 000-30 000 °C), не достижимых при сжигании химических топлив.
• Компактность и надежность.
• Легкое регулирование мощности, легкий пуск и остановка рабочего режима плазмотрона.

Первые плазмотроны, предназначенные  для исследования газодинамических параметров, параметров тепло- и массообмена, механизмов разрушения металлических  и композиционных материалов конструкций  были разработаны в 60-х годах прошлого столетия в СССР и США и получили достаточно широкое распространение  в ракетно-космической промышленности.

Принцип действия плазмотрона  достаточно простой: поскольку электрическая  дуга имеет очень высокую температуру,  достигающую десятков тысяч градусов,  то при взаимодействии дуги с рабочим  газом происходит его интенсивный  нагрев. 

Для электропитания дуги может  использоваться как постоянный, так  и переменный ток. В настоящее  время подавляющее большинство  плазмотронов работает на постоянном токе. Эта ситуация обусловлена тем  фактором, что дуга постоянного тока в принципе горит более устойчиво  по сравнению с дугой переменного  тока. Действительно,  протекающий  через дугу переменный ток два  раза за период проходит через нуль. Иными словами, можно считать, что  дуга периодически погасает и зажигается вновь. Поэтому для устойчивого  горения дуги переменного тока необходимо обеспечить условия для ее повторного зажигания после перехода тока через  нуль.Самым распространенным способом обеспечения устойчивого горения  дуги переменного тока является включение  последовательно с дугой катушки  индуктивности. В то же время идея питания дуги в плазмотроне переменным током выглядит весьма привлекательной по следующим причинам:

•Источниками постоянного  тока являются,  как правило,  выпрямительные устройства,  снабженные специальными электронными регуляторами,  которые  обеспечивают устойчивое горение дуги. Для плазмотронов мегаваттного и  мультимегаваттного уровней такие  устройства превращаются в очень  сложные и главное, дорогие сооружения, стоимость которых намного превышает  стоимость самих плазмотронов.  Плазмотроны переменного тока не требуют для питания никаких  специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфазной сети через  катушки индуктивности. Коммутационная аппаратура этих сетей проста и надежна, а их мощность практически не ограничена.

•  Известно,  что в  плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в несколько раз  ниже ресурса анода. В плазмотронах переменного тока катод и анод меняются местами с частотой сети (50Гц), поэтому при прочих равных условиях ресурс электродов плазмотрона  переменного тока примерно в два  раза выше ресурса электродов плазмотрона  постоянного тока.

ФГУП  «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша» разрабатывает  и изготавливает плазмотроны  типа  «Звезда». Такие плазмотроны  выполнены по модульному принципу и  по сути состоят из трех отдельных  однодуговых плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой с  выходным соплом, что наглядно демонстрирует  фотография такого плазмотрона мощностью 1МВт. Каждый плазмотрон питается от одной  фазы трехфазной сети. Одинаковые условия  горения каждой дуги обеспечивают равномерную  загрузку трехфазной сети. Основной отличительной  особенностью плазмотронов типа «звезда» является то, что все три дуги замыкаются между собой в центре смесительной камеры по схеме  «звезда», образуя плазменную нуле-вую точку. Таким образом, в этом плазмотроне  горят три дуги, однако он содержит только три электрода вместо шести. Все узлы плазмотрона охлаждаются  водой. Дальнейшим развитием плазмотронов этого типа является схема «шестилучевая  звезда». Такой плазмотрон состоит  из шести отдельных однофазных плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой, внутри которой все шесть дуг  замыкаются между собой. Преимущество такой схемы заключается в  том, что при одинаковой мощности величина тока в каждой дуге шестилучевого  плазмотрона вдвое меньше по сравнению  с трехлучевой схемой.

Основные преимущества плазмотронов типа «Звезда» следующие:       • Однородные распределения температур и давлений в выходном сечении  сопла.

•  Симметричная загрузка трехфазной сети.

•  Модульная конструкция  позволяет увеличивать мощность плазмотрона за счет роста числа  модулей. В процессе создания и отработки  плазмотронов  «Звезда» был решен  ряд проблем, обеспечивающих их устойчивую работу в широком диапазоне выходных параметров.

1) Была изучена задача  о вращении приэлектродного участка  дуги (ножки дуги) под действием  магнитного поля катушки. Показано, что электромагнитная сила,возникающая  при взаимодействии постоянного  магнитного поля катушки с  переменным током дуги, каждый  полупериод дуги меняет знак. При этом меняется направление  вращения ножки дуги. В те полупериоды,  когда ножка дуги и газовый  вихрь вращаются в разные стороны,  действующая на ножку аэродинамическая  сила возрастает и замедляет  ее вращение вплоть до ее  остановки.  Такое встречное взаимодействие  может приводить к ослаблению  газового вихря и ухудшению  стабилизации дуги на оси.  2) Исследовалась газодинамическая  структура потока как внутри  камеры смешения, так и за срезом  сопла. Показано, что при движении  в соседних электродах потоков  воздуха,  вращающихся в противоположных  направлениях,  суммарное движение  в камере смешения формируется  в виде парных вихрей и является  устойчивым. При одинаковом направлении  вращения возникает режим интенсивного  перемешивания потоков, что в  определенных случаях приводит  к срыву дуги.При организации  устойчивого течения в камере  смешения формируется устойчивая  выходная струя.  При этом в  процессе эксперимента наблюдается  четкая стационарная система  скачков уплотнения. 

В электродуговом плазмотроне  газ, нагреваемый в разряде постоянного  тока в цилиндрическом канале, истекает через сопло, образуя высокоскоростную струю с температурой в ядре потока до 40000ºС, что намного выше, чем  в методах активации газа с  помощью СВЧ плазмы или горячей  нити. Вследствие высокой степени  разложения газа-реагента, высокой  концентрации атомарного водорода скорости осаждения алмаза достигают больших  величин. Впервые дуговой плазмотрон был использован для синтеза алмаза Курихарой в 1988 г. Были достигнуты скорость роста более 900 мкм/час и коэффициент конверсии углерода из метана в алмаз около 8%, однако, лишь на подложках небольшой площади (несколько кв. мм). Тем не менее, среди всех прочих методов синтеза именно в дуговом плазмотроне впервые были получены толстые алмазные пластины. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, к которому подмешивается метан и водород. Вместо метана можно использовать пары спирта . Увеличение площади осаждения и снижение себестоимости процесса синтеза лежит на пути повышения мощности установок. В Пекинском научно-технический университете для роста алмазных пластин используется плазмотрон мощностью 100 кВт. Плазмотрон мощностью 500 кВт создан в Питтсбурге специалистами научно-технологического центра корпорации «Вестингхаус электрик», США . В обоих реакторах предусмотрено, что рабочий газ не выбрасывается из камеры, а направляется повторно в неё для максимально полного использования реагентов. В 90-х годах фирма «Нортон» (США) на основе дуговых плазмотронов освоила промышленное производство алмазных дисков диаметром до 175 мм.

В плазмогенераторе в стандартной  конфигурации с межэлектродными вставками при мощности, вкладываемой в разряд 3-8 кВт, давлении 50-100 Торр и расходе газа 30 л/мин получены скорости осаждения до 25 мкм/час на площади до 10 см². Интересный метод увеличения площади осаждения при относительно небольшой мощности, основанный на идее внешнего расширения плазменной струи после выхода из сопла плазмотрона посредством организации дополнительного разряда ниже по направлению применен в работе.

Разряд поддерживался  между дополнительным кольцевым  электродом (анодом), сквозь который  проходила плазменная струя и  собственно струёй (катодом). Ниже кольца узкий высокотемпературный плазменный керн расширялся в несколько раз. Дополнительная мощность, вложенная  во вторичный разряд, составляла 2,5 кВт. При линейной скорости осаждения 40 мкм/час на площади 12 см² удельная (на единицу мощности) осаждения достигала 16 мг/час·кВт, что сравнимо с эффективностью для 100 кВт системы.

Разработанные плазмотроны  условно делятся на два класса - малой мощности (до 100кВт) и большой  мощности (100кВт - 50МВт).

Плазмотроны малой мощности

Это однодуговые плазмотроны  с двумя соосными цилиндрическими  электродами и вихревой стабилизацией  дуги. Источником электропитания дуги является специальное устройство, преобразующее  трехфазное напряжение 380В частотой 50Гц в однофазное напряжение 500В  частотой несколько кГц.

Плазмотроны охлаждаются  водой.

Рабочим телом плазмотрона  может быть практически любой  газ (воздух, азот, аргон и т.д.), рабочее  давление в камере плазмотрона не более 0,2МПа. При работе на воздухе  средняя температура выходящего из плазмотрона газа составляет примерно 6000К, тепловой КПД превышает 80%, ресурс работы сменных медных электродов не менее 500 час.

Плазмотроны большой мощности

Это трехфазные плазмотроны  типа "Звезда." Источником электропитания является промышленная трехфазная сеть напряжением 6 или 10кВ. Выпрямители, трансформаторы или другие преобразователи не используются.

Конструктивно плазмотрон типа "Звезда" выполнен в виде трех отдельных однофазных плазмотронов с вихревой стабилизацией дуги, объединенных общей смесительной камерой с  выходным соплом. Отличительной особенностью плазмотронов этого типа является то, что все три дуги замыкаются между  собой в центре смесительной камеры, образуя "висячую" нулевую точку. Таким образом, количество электродов уменьшается с шести до трех, что  существенно повышает надежность плазмотрона . Другими преимуществами плазмотронов этого типа являются симметричная нагрузка трехфазной сети и равномерные поля температур и давлений в выходном сечении сопла.

При мощности плазмотрона  более 20МВт используется конструктивная схема с шестью дугами, замыкающимися  между собой в смесительной камере в висячей нулевой точке. Увеличение числа дуг позволяет уменьшить  величину тока в каждой дуге и тем  самым повысить ресурс электродов и  надежность плазмотрона.

Плазмотроны охлаждаются  водой.

Рабочее тело - воздух и другие газы.  
Максимальное давление в камере - 10 МПа.  
Максимальная температура газа при работе на воздухе - 6000К.

Ресурс медных электродов плазмотрона мощностью 1 МВт при  работе на воздухе превышает 500 час.

Типы применяемых плазмотронов.                                                                                                                                                   Электродуговые:

С прямой дугой.

• С косвенной дугой.
• С электролитическим электродом (электродами).
• С вращающейся дугой.
• С вращающимися электродами.

Высокочастотные:

• Индукционные (нагрев движущихся металлических паров).
• Электростатические.

Комбинированные:

Работают при совместном действии токов высоких частот (ТВЧ) и при горении дугового разряда, в том числе с сжатием разряда магнитным полем.

• Для производства плазменной и микроплазменной сварки в настоящее время применяются следующие установки: УПС-501, УПС-804 и УПС-301 для плазменной сварки и установка А-1342 для микроплазменной сварки

Области применения плазмотронов

• сварка и резка металлов и тугоплавких материалов
• нанесение ионно-плазменных защитных покрытий на различные материалы
• нанесение керамических термобарьерных, электроизоляционных покрытий на металлы
• подогрев металла в ковшах при мартеновском производстве
• получение нанодисперсных порошков металлов и их соединений для металлургии
• двигатели космических аппаратов
• термическое обезвреживание высокотоксичных органических отходов
• Синтез химических соединений (например синтез оксидов азота и др.,
• Накачка мощных газовых лазеров.
• Плазменная проходка крепких горных пород.
• Безмазутная растопка пылеугольных котлов электростанций.
• Расплавление и рафинирование (очистка) металлов при плазменно-дуговом переплаве.