ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В ЗАПЫЛЁННЫХ СРЕДАХ

Е.А. Баранов, Ю.Ю. Луценко

НИ ТПУ г. Томск, Россия

evr-2007@mail.ru

Высокочастотные емкостные разряды, и в особенности высокочастотный факельный разряд, имеют ряд преимуществ по сравнению с высокочастотными индукционными разрядами. Они более устойчивы при запылении разрядной плазмы, могут легко зажигаться в любых средах, включая водород, а также имеют большой объём разрядной плазмы при относительно малой величине мощности, вкладываемой в разряд. Вышеназванные особенности емкостных разрядов делают перспективным их применение в технике и технологии.

Высокочастотный факельный разряд используется [1] в качестве генератора плазмы при проведении различных плазмохимических процессов. В частности, высокочастотные плазменные установки на базе факельного разряда используются для утилизации [2] отработанного ядерного топлива. Целесообразно также использование плазмы факельного разряда в процессах нанесения покрытий различного функционального назначения.

В настоящей работе рассмотрены особенности запылённой плазмы факельного разряда. Схема экспериментальной установки представлена на рис.1. Горение разряда осуществлялось в воздухе и аргоне. Разряд возбуждался в кварцевой трубке диаметром 28 мм. Мощность разряда составляла 1…2 кВт. Дисперсность материала, запыляющего разряд, находилась в пределах от 20 до 60 мкм. Использовались вещества с различным ионизационным потенциалом. Твёрдые частицы дисперсного материала подавались в центральную зону разряда посредством пневматического питателя.

Проводились измерения вольтамперных характеристик разряда в режиме свободного горения и в случае запыления плазмы разряда диэлектрическими и проводящими частицами. Степень запыления плазмы разряда, определяемая как отношение объёма распыляемого вещества к общему объёму разрядной камеры, изменялась от 0 до 10^-4. Измерение степени запыления разряда проводилось путём определения изменения веса распыляемого дисперсного материала за определённый промежуток времени работы экспериментальной установки. Измерение напряжения осуществлялось вольтметром 3-52/1, снабжённым дополнительным емкостным делителем. Измерение тока проводилось поясом Роговского.

В результате измерений нами было установлено увеличение высокочастотного тока в разряде при запылении его такими веществами, как Al₂O₃, Na₂SO₃, Ca(CH₃COO)₂. При запылении разряда веществами, имеющих потенциал ионизации больший чем потенциал ионизации [1] кальция, изменение характеристик разряда не наблюдается. В частности при запылении разряда проводящими веществами, такими как Ni и Fe изменение тока в разряде находится в пределах погрешности измерений.

Рис.1. Схема экспериментальной установки. 1- электрод ВЧ факельного разряда; 2 - питатель; 3 -емкостной зонд

Заметим, что увеличение тока в разряде сопровождается соответствующим уменьшением напряжения на высоковольтном электроде. Так при запылении разряда окисью алюминия ток возрастает на 15%, в тоже время напряжение уменьшается на 15%. Следовательно, мощность разряда не меняется при его запылении. Степень

запыления и дисперсность запыляющего материала незначительно влияют на сопротивление разрядной плазмы.

Результаты экспериментов показали высокую устойчивость высокочастотного факельного разряда к запылению как диэлектрическим, так и проводящим материалом. Из результатов измерений, приведенных на рис.2, следует, что изменения в осевом распределении радиальной компоненты электрического поля разряда при его запылении несущественны.

При запыления разряда проводящим материалом наблюдается незначительный рост амплитуды электромагнитного поля вдоль оси разряда. В случае же запыления диэлектрическим материалом - некоторое увеличение.

Рассмотрим процесс распространенияэлектромагнитной волны вдоль канала высокочастотного факельного разряда. Коэффициент затухания можно определить из выражения для волнового числа.

Выражение, описывающее волновое число h поперечно-магнитной волны, распространяющейся вдоль канала разряда приведено в статье [3].

Комплексную диэлектрическую проницаемость ε запылённой плазмы разряда можно определить [4] по формуле Лоренца-Лорентца:

(1) Здесь: ε₁, ε₂ – соответственно комплексные диэлектрические проницаемости запыляющего материала и плазмы; ν – отношение объёма запыляющего материала к общему объёму запылённой плазмы.

Результаты расчёта коэффициента затухания электромагнитной волны, распространяющейся в плазме высокочастотного емкостного разряда мощностью 1 кВт в зависимости от степени её запыления, представлены на рис.3.

Как видно из рисунка величина коэффициента затухания электромагнитного поля существенно меняется лишь при степенях запыления ν > 0,1...0,01.

Однако реальные степени запыления разряда, составляют ν < 10^-4.

Таким образом, результаты расчётов и экспериментальных измерений электродинамических характеристик запылённого факельного разряда говорят об устойчивости его горения в широком диапазоне изменения степени его запыления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тихомиров И.А., Власов В.А., Луценко Ю.Ю.Физика и электрофизика высокочастотного факельного разряда и плазмотроны на его основе.. − М.: Энергоатомиздат, 2002. – 196 С.

2. В.А. Власов, А.Г. Каренгин, А.А.Каренгин, О.Д.Шахматова. Моделирование процесса плазменной утилизации отходов переработки отработанного ядерного топлива.// Известия вузов. Физика. – 2012. – № 11.

4. Нетушил А.В.,Жуховицкий Б.Я.,Кудин В.Н., Парини Е.П. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. – М., Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 480С.