ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 100-101
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 533.9
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПЛАЗМОТРОН
© 2014 г. А. Г. Жерлицын, В. В. Буянтуев, В. С. Косицын, В. П. Шиян
Физико-технический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: schijan@tpu.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г. После доработки 10.02.2014 г.
Разработан с.в.ч.-плазмотрон волноводного типа на основе волноводно-коаксиального перехода (в.к.п.). В качестве плазмообразующей среды использован азот. Разработан и экспериментально проверен инициатор с.в.ч.-разряда на основе разупорядоченной укладки из вольфрамовых спиралек, размещенной на торце внутреннего проводника коаксиальной линии в.к.п. При атмосферном давлении и мощности с.в.ч.-генератора 1.5 кВт получен устойчивый плазменный факел. Разработанный плазмотрон ориентирован на применение в установке для утилизации попутного нефтяного газа с получением метано-водородной смеси и углеродного наноматериала.
DOI: 10.7868/S0032816214050243
Необходимость рационального использования природных ресурсов ставит задачу глубокой переработки природного и попутного газа нефтедобычи. Среди методов реализации данного процесса особый интерес представляет использование плазмы с.в.ч.-разряда. Многими авторами отмечается высокая эффективность применения данного типа разрядов для осуществления целого ряда эндотермических плазмохимических реакций [1].
В данной работе описан с.в.ч.-плазмотрон волноводного типа с вольфрамовым инициатором разряда, являющийся основным узлом установки, реализующей процесс утилизации углеводородных газов, согласно технологии, описанной в работе [2].
Структурная схема разработанного авторами с.в.ч.-плазмотрона представлена на рис. 1. Конструктивно он представляет собой волноводно-коаксиальный переход (в.к.п.), состоящий из прямоугольного волновода 1 и коаксиальной линии 2 с полым внутренним проводником 3 и внешним проводником 4, образующим разрядную камеру.
Данный в.к.п. относится к переходам "пуговичного типа" с широкой полосой (около 20%) и высокой электропрочностью, допускающей использование в.к.п. при высоких уровнях мощности. Прямоугольный волновод 1 сечением 90 х 45 мм2 выполнен из нержавеющей стали толщиной 2 мм. Внутренний проводник 3 коаксиальной линии 2 диаметром 16 мм и внешний проводник 4 с внутренним диаметром 40 мм также выполнены из нержавеющей стали.
Волновод 1 снабжен трубопроводом 5 для подачи плазмообразующего газа. В выходном конце волновода установлен подвижный короткозамы-катель 6 для подстройки режима плазмотрона. Для инициирования с.в.ч.-разряда на торце внутреннего проводника 3 коаксиальной линии 2 размещен инициатор 7 в виде разупорядоченной укладки вольфрамовых спиралек.
Питание плазмотрона осуществляется от с.в.ч.-генератора на основе магнетрона М-143-1 (производство ОАО "Тантал", Саратов) с выходной регулируемой мощностью до 1.5 кВт в непрерывном режиме и рабочей частотой 2450 ± 50 МГц. Защита магнетрона от отраженной волны, в случае срыва разряда, обеспечивается применением ферритового вентиля ВФВВ2-13 (производство НПО "Феррит", С.-Петербург), рассчитанного
Рис. 1. Структурная схема с.в.ч.-плазмотрона. 1 — волновод; 2 — коаксиальная линия; 3 — внутренний проводник коаксиальной линии; 4 — внешний проводник коаксиальной линии; 5 — трубопровод; 6 — короткозамыкатель; 7 — инициатор разряда.
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫИ ПЛАЗМОТРОН
101
К.с.в.н.
2200 2450
4400 f МГц
а, дБ
2200 2450
4400 f, МГц
Рис. 2. Частотная зависимость к.с.в.н. и коэффициента ослабления а волноводной системы с.в.ч.-плазмотрона.
на использование при уровне непрерывной с.в.ч.-мощности до 3 кВт.
На начальном этапе исследования с.в.ч.-плазмотрона предварительно были проведены холодные измерения параметров согласования и ослабления его волноводной системы с помощью панорамного измерителя коэффициентов стоячей волны по напряжению (к.с.в.н.) и ослабления (а) Р2-56 в диапазоне частот от 2200 до 4400 МГц. Измерения проводились без ферритового вентиля. Частотные зависимости к.с.в.н. и коэффициента ослабления а приведены на рис. 2. Как следует из приведенных зависимостей, на рабочей частоте 2450 МГц величина к.с.в.н. = 1.3, а коэффициент ослабления а = 2 дБ, что вполне приемлемо для нормальной работы плазмотрона.
С.в.ч.-плазмотрон работает следующим образом. Через трубопровод 5, полый внутренний проводник 3 коаксиальной линии 2 и газопроницаемый инициатор разряда 7 в охлаждаемую разрядную камеру подается плазмообразующий газ (азот) с расходом до 20 л/мин, а по волноводу 1 и коаксиальной линии 2 подается с.в.ч.-энергия от генератора с.в.ч. Коаксиальная линия 2 с укороченным внутренним проводником 3 переходит в своем продолжении в круглый волновод, являющийся внешним проводником 4 коаксиальной линии.
По мере повышения подаваемой в разрядную камеру с.в.ч.-мощности и достижения пробивного значения напряженности электрического поля зажигается с.в.ч.-разряд. Потоком газа в разряд-
ной камере формируется плазменный факел. При указанном выше расходе плазмообразующего газа длина факела за срезом разрядной камеры составляла ~50 мм. Для уменьшения уровня с.в.ч.-мощности, необходимой для зажигания и поддержания стабильного с.в.ч.-разряда, применен вольфрамовый инициатор. За счет возникновения микроразрядов между его частями создается начальная концентрация плазмы, облегчающая поджиг с.в.ч.-разряда.
В процессе работы плазмотрона контролировались уровни падающей и отраженной от плазмы с.в.ч.-мощности. Так при падающей мощности 1.5 кВт уровень отраженной мощности составлял около 30 Вт, что свидетельствует о достаточно хорошем согласовании системы.
Таким образом, разработанный с.в.ч.-плазмот-рон при экспериментальной проверке показал свою работоспособность, что дает основание считать возможным его использование для создания установки по переработке углеводородных газов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабарицкий А.И., Герасимов Е.Н., Демкин С.А., Животов В.К., Книжник А.А., Потапкин Б.В., Русанов В.Д., Рязанцев Е.И., Смирнов Р.В., Шолин Г.В. // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 11. С. 36.
2. Медведев Ю.В., Жерлицын А.Г., Гюнтер В.Э., Галанов С.И., Шиян В.П., Рябчиков А.И., Сидорова О.И., Яковлев В.Г., Полыгалов Ю.И., Степанов В.П., Ахмедов А.Ю., Лидер Д. В. Патент на изобретение № 2317943 РФ. 2008. Бюл. № 6; http://www. fips.ru
2
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 6 2014
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.