РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
А.Ф. Булат, Б.Д. Алымов, В.В. Шумриков,
В.Я. Осенний, Л.Т. Холявченко
Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск
Приведені результати досліджень фізико-хімічних та технічних характеристик електродугових генераторів водяної плазми. Розроблені схеми конструкцій плазмових генераторів з більш досконалими енергетичними та термодинамічними показниками, які забезпечують значну інтенсифікацію процесу тепломасообміну. Показана принципова можливість створення на основі генераторів водяної плазми екологічно чистих технологій для руйнування мінерального середовища.
Приведены результаты исследований физико-химических и технических характеристик электродуговых генераторов водяной плазмы. Разработаны схемы конструкций плазменных генераторов с улучшенными энергетическими и термодинамическими характеристиками, обеспечивающих интенсификацию процессов тепломассообмена. Показана принципиальная возможность создания на основе генераторов водяной плазмы экологически чистых плазменных технологий для разрушения минеральных сред.
электродуговой генератор водяная плазма
The results of study of physical and technical characteristics of electric arc water plasma generators are presented. Design diagrams of the plasma generators with improved power and thermodynamic characteristics providing intensification of heat and mass exchange process are developed. A principal possibility of creation of ecologically pure plasma technologies for mineral mediums destruction on the base of water plasma generators is shown.
В различных отраслях промышленности нашли широкое применение плазменные технологии - при термомеханической обработке сверхтвердых материалов, сварке и резке металлов, упрочнении поверхностного слоя изделий, нанесения защитных покрытий [1,2,3,4]. Ведутся работы по созданию плазменных технологий для обработки и разрушения горных пород, термической газификации углей [5,6].
Существенным недостатком плазменных технологий, использующих в качестве плазмообразующего газа электродуговых генераторов сжатий воздух, является токсичность плазменных струй. В отходящих газах воздушной плазменной струи содержатся оксиды азота, концентрация которых на два порядка превышает допустимые санитарные нормы.
Для исключения этих недостатков в настоящее время разрабатываются и создаются плазменные технологии на основе использования электродуговых генераторов водяной плазмы [7,8]. К достоинствам таких плазменных генераторов можно отнести нетоксичность плазменных потоков, более высокие значения коэффициентов тепломассообмена плазменных струй по сравнению с воздушной плазмой.
Целью данной работы является установление физико-химических, энергетических и термодинамических параметров электродуговых генераторов водяной плазмы для разработки конструкций, обеспечивающих экологически чистый процесс технологического разрушения минеральных сред.
Выполненные в ИГТМ НАНУ аналитические и экспериментальные исследования газового состава и термодинамических характеристик водяной плазмы в диапазоне температур 2000-6000 К и давлении 0.1-0.5 МПа показали, что основными компонентами термически диссоциированного водяного пара являются атомарные и молекулярные водород и кислород, а также радикалы ОН. Спектр водяной плазмы состоит из большого количества возбужденных молекул и радикалов и характеризуется высокими значениями коэффициентов тепломассообмена - плотности и мощности излучения, энтальпии, теплоемкости и теплопроводности газа.
Физическое моделирование спектрального состава водяной реальной плазмы позволило установить, что кроме полосатого спектра радикалов ОН, линий Н2, а также линейчатых спектров водорода серии Бальмера - Нг , Нв Нд в спектре регистрировались резонансные возбужденные линии ОН и Hf, присущие как положительным, так и отрицательным ионам .
Сравнительный анализ спектров излучения воздушной и водяной плазм показал, что для воздушной плазмы суммарное излучение, обусловленное количеством возбужденных атомов и молекул, лежит в инфракрасной области (~2000 см-1); в водяной плазме высокая степень интенсивности излучения простирается вплоть до 6000 см-1, а максимальная плотность излучения в диапазоне частот 4000-6000 см-1 связана с излучением радикалов ОН, ОН+ и молекул Н2.
Высокая плотность излучения водяной плазмы предполагает наличие механизма (кроме переизлучения [9]) электронного удара. В этой связи в работе приведены результаты измерений концентрации электронов по уширению спектральных линий водорода серии Бальмера с целью оценки ее влияния на суммарное излучение водяной плазмы в диапазоне среднемассовых температур 2000-5000 К.
Исследования, связанные с определением концентрации электронов ne по уширению спектральных линий Нв ( л = 4860 Е ) и Нг ( л = 4350 Е ) показали, что с увеличением среднемассовой температуры дуги наблюдается рост электронной электропроводности, и при температуре 3000 К величина ne достигала значения 2•1015 см-3.
В случае преобладания лучистой электропроводности ее коэффициент пропорционален величине жл ~ [u(T)]6,5 [10], и уравнение теплопроводности при этом записывается в виде:
= [a(ж)]2 • div(uу• grad u) + ц(u),
где - функция, характеризующая скорость нарастания температуры; [a(ж)] - коэффициент теплопроводности; у - показатель степени; ц(u) - функция, характеризующая внешний тепловой поток.
В явном виде это уравнение перепишется в следующем виде:
= [a(ж)]2 • [у+ uу] + Ш(u)
Отсюда видно, что нелинейность данного уравнения связана со степенной зависимостью коэффициента теплопроводности - как от среднемассовой температуры, так и от величины концентрации электронов, входящей в это уравнение в неявном виде. При этом коэффициент суммарного излучения (при ne = 2•1015 см-3 и с учетом свободно связанного излучения при максвелловском распределении электронов по энергиям), рассчитанный по формуле [10,11]:
Eн = 6,46•1047•о (н,T)•,
был близок к величине ~ 3, а при возрастании ne до величины 1016 см-3, увеличивался на порядок.
Экспериментально было установлено, что доля тормозного излучения в водяной плазме значительно (в 1,5-2) раза превышает долю излучения в воздушной плазме, а плотность лучистого (суммарного) потока водяной плазменной струи (измеренной радиальной термопарой РТН-10С на расстоянии 5 см от плазменного факела в зоне ядра струи) составило величину 4•103 Вт/м2, что примерно в 2 раза превышала плотность мощности излучения воздушной плазмы при идентичных энергетических характеристиках работы плазменных генераторов. Установленные физико-химические и технические параметры водяной плазмы предопределили два основных направления экспериментальной проверки полученных результатов при взаимодействии плазменных потоков (как воздушной, так и водяной плазмы) с минеральными средами с позиций интенсификации их разрушения. К первому направлению были отнесены эксперименты, касающиеся интенсификации процессов, протекающих непосредственно в разрядных камерах плазменных генераторов. Второе направление было связано с физическим моделированием процессов взаимодействия экологически чистых водяных плазменных потоков с минеральными средами.
Конструкции генераторов водяной плазмы с непосредственным вводом воды в виде водяного вихря в разрядную камеру, разработанные фирмами General Electric (USA), Lonza ltd (Швейцария) и др., характеризуются громоздкостью и сложностью, трудностью зажигания дуги, а также неустойчивостью процесса горения.
Исследования, проведенные в ИГТМ НАНУ и ИТФ СО РАН, НИИЭ Казахстан показали, что для уменьшения эрозии электродов, улучшения процесса стабилизации дуги целесообразно вводить воду в разрядную камеру плазмотрона в виде сухого перегретого пара с температурой Т = 500-570 К, а температура стенок входного электрода должна быть выше температуры насыщенного пара.
На основании анализа и обобщения результатов исследований в области разрушения горных пород и минеральных сред плазменными потоками предложены схемы электродуговых генераторов водяной плазмы с улучшенными энергетическими характеристиками и высоким КПД ввода энергии в разрушающую среду.
Для повышения энергетических и ресурсных характеристик в предложенных схемах использовано регенеративное охлаждение начальных участков (межэлектродной вставки) разрядного канала - водяным паром, эффект расщепления электрического столба дуги.
Установлено, что для увеличения теплового КПД плазменного генератора, снижения энергетических затрат на нагрев его до высоких температур, ввод водяного пара в плазмотрон (начальный участок электрода) можно осуществлять с температурой 380-400 К, а его перегрев до температур 500-570К производить в полости охлаждения начального участка электрода с последующим вводом его в разрядную камеру плазменного генератора.
В настоящее время для увеличения ресурса работы электродов используют эффект расщепления электрического столба дуги. Известны способы расщепления электрической дуги на основе использования термоэмиссионных вставок, установленных во внутренней поверхности цилиндрических электродов, секционированного анодного узла, включающего группу секций, которые являются дополнительными электродами, турбулизаторов плазменного потока [12]. При этом установлено, что характер течений газа в полости электрода оказывает определяющее влияние на формирование вольт - амперных характеристик, обеспечивающих электрическую устойчивость параллельно горящих дуг, образование электрического пробоя «дуга - холодная стенка». Показано, что причиной появления новых токоведущих каналов является наличие вихревых возмущений потока газа в приэлектродной области дуги [12].
Исследования, проведенные в ИГТМ НАНУ показали, что эффект расщепления дуги может быть осуществлен более простым способом за счет применения разрядных каналов диффузорной формы (выходного участка электрода) в генераторах аксиальной схемы или кольцевого диффузорного канала переменного сечения в генераторах коаксиальной схемы. Специфика газодинамики течения газа в каналах диффузорной формы, обеспечивающих создание областей с положительными и отрицательными избыточными давлениями, обратных течений, замкнутых вихревых областей в совокупности с магнитной стабилизацией обеспечивает стабильную стационарность в работе расщепленной дуги [13].
На рисунке 1 представлены СФР - граммы столба расщепленной дуги в разрядном канале диффузорной формы плазменных генераторов коаксиальной (а) и аксиальной (б) схем.
Фотосъемка дугового разряда осуществлялась с помощью фоторегистратора СФР-2М в режиме лупы времени со скоростью съемки 2,5•104 - 1,2•105 кадр/с.
а) U = 200 В, I = 180 A 6,2•104 кадр/с, G = 3 г/с
б) U = 300 В, I = 250 A 6,2•104 кадр/с, G = 5 г/с
Рисунок 1 - СФР - граммы столба расщепленной дуги в разрядных каналах диффузорной формы плазменных генераторов коаксиальной (а) и аксиальной (б) схем
Исследования показали, что в плазмотроне коаксиального типа с разрядным каналом, выполненным в виде кольцевого диффузора, расширяющегося к выходу, электрическая дуга расщеплена на ряд токопроводящих каналов с катодными и анодными пятнами (рисунок 1a). Наблюдается одновременное существование 10 - 15 электрических дуг. Время жизни опорных пятен дуги (катодных и анодных) колеблется в пределах 10-3 - 10-5 с при индукции магнитного поля 0,06 - 0,08 Тл [13].
Установлено, что форма и количество расщепленных дуг зависит от величины тока, полярности подключения электродов, схемы ввода плазмообразующего ввода в разрядную камеру плазменного генератора. Эрозия электродов при этом снижается в 3 - 5 раз по сравнению с эрозией электродов при воздействии на них стационарной электрической дуги и достигает значений 10-8 г/Кл.
При работе с термохимическими катодами было экспериментально установлено, что увеличение ресурса работы плазменных генераторов связано с наложением на приэлектродную область дуги магнитного поля напряженностью ~ 0,04 Тл, которое жестко фиксировало опорное пятно на вставке. При этом, как показали исследования, удельная эрозия термохимических катодов (ТХК) с магнитной стабилизацией составила ~ 3•10-8 г/Кл, а без стабилизации ~ 8•10-8 г/Кл. Таким образом, магнитная стабилизация опорного пятна дуги на вставке позволила повысить ресурс работы катода в 2-2,5 раза [14].
Отличительной особенностью процесса горения дуги рассмотренных схем плазменных генераторов является то, что стабилизация ее осуществляется на выходных участках электродов. Вывод опорного пятна дуги за критическое сечение канала в плазменных генераторах аксиальной схемы способствует образованию высокоэнтальпийного ядра потока, энтальпия в котором в 1,5-2 раза выше среднемассовой [15].
Совместное воздействие на разрушающую среду излучения плазмы открытого электрического дугового разряда и высокотемпературного плазменного потока (плазменно-дугового способа нагрева) обеспечивает увеличение КПД передачи энергии разрушающей среды. Как показали результаты исследований процесса нагрева образцов горных пород (джеспилитов, нетермобуритых гранитов) при идентичных режимах работы плазменных генераторов (I = 200 A, U = 100 - 105 B, G = 4 г/с) КПД передачи энергии горной породе при ее нагреве плазменно-дуговым способом составлял 0,25 - 0, 38 и в 1,5 - 2 раза превышал КПД передачи энергии горной породе при ее нагреве плазменной струей (рисунок 2).