Электродинамика и поля температур струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления

На правах рукописи

Гайнуллин Рустем Нусратуллович

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР

СТРУЙНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Казань 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Кирпичников Александр Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Дресвин Сергей Вячеславович

доктор технических наук,

профессор Кудинов Владимир Владимирович

доктор технических наук,

профессор Кашапов Наиль Фаикович

Ведущая организация: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Защита состоится «25» «сентября» 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68 (зал заседаний Учёного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «______» «__________» 2009 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук А.В. Герасимов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В последние годы постоянно растет интерес к процессам и технологиям, основанным на применении низкотемпературной плазмы. Высокая энергетика плазменных процессов даёт возможность проводить реакции, неосуществимые при обычных условиях с использованием рядовых технологий. Особенно перспективны в этом направлении аппараты и конструкции, использующие высокочастотный нагрев газа. Отсутствие внутренних электродов позволяет получить высокочастотную плазму особо чистой, не загрязнённой продуктами их разрушения.

Для адекватного управления такими процессами, а также для разработки и оптимизации ВЧ плазменных реакторов, необходимо иметь достоверную информацию о структуре ВЧ разряда, о распределении в нём основных электромагнитных и тепловых параметров. Важное значение при разработке новых плазменных технологий имеет также и проблема зависимости параметров ВЧИ разряда от расхода плазмообразующего газа. Однако широкое использование плазмотронов в различного рода технологических процессах сдерживается отсутствием простых и надежных методик расчета их работы.

Несмотря на то, что существующие методы оперативной диагностики ВЧИ разряда позволяют получить информацию о распределении большинства его электромагнитных и тепловых параметрах, очень трудно провести все измерения в рамках единого цикла, когда разряд горит, и его характеристики длительное время не меняются. Это связано с тем, что обычно различные виды измерений требуют и различного набора оборудования, а также времени на его установку и отладку. Вследствие чего к настоящему времени не предложено такого метода контактной диагностики высокочастотной низкотемпературной плазмы, который требовал бы минимального числа измеряемых величин, с тем, чтобы по ним можно было бы с достаточной степенью точности рассчитать все остальные характеристики разряда.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования структуры электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления экспериментально-теоретическим путём, позволяющим получить достоверные данные о распределении основных характеристик разряда и их зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

В диссертации изложены результаты работы автора в период с 1988 по 2009 г.г. по исследованию струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, разработке диагностического оборудования, а также методик и алгоритмов расчёта его основных электромагнитных и тепловых характеристик, позволяющих с достаточной степенью точности определить структуру ВЧИ разряда.

Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в соответствии: с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР на 1986–1990 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» по теме 0182.5011018 «Исследование термодинамических и теплофизических процессов в плазмохимических реакторах»; с Координационным планом научно-исследовательских работ РАН на 1996–2000 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» (п.1.9.1.1.2.1.); с научным направлением “Физика низкотемпературной и неидеальной плазмы и её применение в энергетике и экологически чистых технологиях”, включённым в Постановление Правительства РФ № 2727п-П8 от 21 июля 1996 г. ”Приоритетные направления развития науки и технологий”; разделом 1.5.2 “Физика низкотемпературной плазмы”, включённым в Постановление Президиума РАН № 7 от 13 января 1998 г. “О перечне приоритетных направлений фундаментальных исследований” и планом фундаментальных научных исследований Казанского государственного технологического университета.

Работа выполнена при поддержке АН Татарстана (договора № 06-6.7-298 / 2004 (Ф) и № 06-6.4-357 / 2005 (Ф)).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является создание экспериментально-теоретической модели и методов расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, позволяющих оптимизировать высокотемпературные и плазменные процессы в высокочастотных индукционных плазмотронах и энергоустановках, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработать и создать экспериментально-измерительный комплекс для исследования плазмы высокочастотного индукционного разряда.
2. Изготовить диагностическое оборудование, разработать методику и провести экспериментальные исследования для получения достоверных данных по определению влияния расхода плазмообразующего газа на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда.
3. Разработать двухмерную математическую модель, описывающую структуру квазистационарного электромагнитного поля ВЧИ разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.
4. Аналитически исследовать структуру ВЧИ разряда и поведение его электромагнитных характеристик вблизи оси плазмоида.
5. Построить численную модель для расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда с использованием в качестве входной информации экспериментально полученных данных о структуре разряда.
6. Провести обобщение экспериментально-теоретических результатов с целью выдачи рекомендаций по оптимизации высокотемпературных технологических процессов в установках, использующих ВЧ индукционный нагрев газа.

Достоверность полученных данных. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерению амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля и измерения температуры плазмы с помощью оптического метода малой монохроматизации обеспечивались применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.

Достоверность теоретических результатов достигается применением современных методов математического моделирования, базирующихся на использовании уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле в индукторе, апробированных аналитических и численных методов решения, обоснованностью используемых допущений.

Достоверность полученных результатов подтверждается путём сравнения полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также путём сравнения с известными экспериментальными данными и с результатами расчётов других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

2. Предложены и реализованы новые численные алгоритмы решения задачи о структурах электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления.

3. Впервые экспериментально получено пространственное распределение амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля в плазме струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления при различной величине расхода плазмообразующего газа.

4. Впервые обнаружено явление коаксиальности струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, которое заключается в том, что внутри плазмоида в каждом его поперечном сечении максимум проводимости находится ближе к оси разряда, чем максимум плотности вихревого тока, а максимум плотности вихревого тока располагается ближе к оси, чем максимум удельной мощности тепловыделения.

5. Изучено влияние величины расхода плазмообразующего газа на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда и проанализирован парадокс фон Энгеля-Штеенбека применительно к струйному высокочастотному индукционному разряду.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• Разработаны новый метод диагностики плазмы струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления и методики расчёта, позволяющие по минимальному числу измеряемых величин рассчитать все остальные характеристики разряда.
• Реализованы методики расчёта основных характеристик струйного ВЧИ разряда атмосферного давления в зависимости от величины расхода плазмообразующего газа, прокачиваемого через плазмотрон.
• Реализована методика расчета проводимости, плотности вихревого тока, удельной мощности тепловыделения и температуры плазмы струйного ВЧИ разряда атмосферного давления с целью обеспечения оптимальных условий при проведении плазмохимических реакций.
• Предложенные методики расчёта использованы при создании и оптимизации работы плазмохимического реактора для получения наноразмерных порошков оксидов металлов, а также при создании опытно-промышленной ВЧ плазменной установки по получению сорбентов для сбора нефтепродуктов из гидросферы.

Полученные в диссертации результаты, были использованы при разработке и создании технологического оборудования в ОАО «Мединструмент» (г. Казань) и НПГ «РЕНАРИ» (г. Москва).

На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных исследований структуры квазистационарного электромагнитного поля и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда в условиях термической плазмы.

Экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.

Двухмерная модель постоянной проводимости высокочастотного индукционного разряда и аналитическое исследование структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда в приосевой области плазмоида.

Методы и алгоритмы численно-экспериментального определения электромагнитных и тепловых полей на основании имеющихся экспериментальных данных по результатам измерений амплитуды продольной компоненты магнитного поля ВЧИ разряда.

Результаты экспериментальных исследований, связанных с определением порога устойчивости разряда в зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

Результаты проведения исследований плазмохимического метода получения наноразмерных частиц оксидов металлов.

Результаты исследования влияния величины расхода плазмообразующего газа на распределение основных электромагнитных и тепловых характеристик внутри ВЧИ разряда.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное значение и заключающуюся в создании экспериментально-теоретической модели, служащей для расчёта электромагнитных и тепловых параметров струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления с целью разработки плазмохимических реакторов и оптимизации работы энергоустановок, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на: V - Всесоюзном совещании «Процессы в металлургии и технологии неорганических материалов» (Москва, 1988); II – Всесоюзной школе-семинаре «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Киев, 1989); VII – Всесоюзной конференции по современным проблемам электрометаллургии стали (Челябинск, 1990); IV – Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1991); XI – Всесоюзной конференции «Применение токов высокой частоты в электротехнологии» (Ленинград, 1991); Всероссийских межвузовских научно-технических семинарах и конференциях “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика” (Казань, 1992 - 2005); Второй Международной теплофизической школы (Тамбов, 1995); Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1995); Международных научных конференциях “Математические методы в технике и технологиях” (Владимир, 1998; Ярославль, 2007); Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1999); Международном симпозиуме “Heat and Mass Transfer under Plasma Conditions” (Анталья, 1999); Международной конференции «Плазмотехнология – 99» (Запорожье, 1999); Всероссийской конференции по физике газового разряда (Рязань, 2000); Конференции Европейского общества исследования материалов (European Materials Research Society) (Страсбург, 2002); IV – международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии «ISTAPC-2005» (Иваново, 2005); Международной конференции по инновационной деятельности (Москва, 2005); Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ-2006» (Казань, 2006); V Российском Семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 2006); Конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007 (Петрозаводск, 2007); Вавиловских чтениях “Мировое сообщество и Россия на путях модернизации” (Йошкар-Ола, 2007); V – международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт – Петербург, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008); V Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2008 (Махачкала, 2008), научных семинарах КГТУ (КХТИ), КГТУ(КАИ) им. А. Н. Туполева, КГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 1 монография и 7 публикаций в центральных изданиях, включённых в перечень периодических изданий ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 184 наименований и приложения.

Содержание диссертации изложено на 257 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 4 таблицы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, излагается основная цель, ставятся задачи, а также описывается структура диссертации.

В первой главе выполнен аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию ВЧИ разряда. Глава состоит из пяти разделов.

В первом разделе представлен обзор основных монографий и обзорных статей по исследованию плазмы ВЧ индукционного разряда.

Во втором разделе сделан обзор существующих методов контактной диагностики электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда. Показано, что выбор того или иного метода обусловлен, прежде всего, требуемой точностью при проведении измерений, а также наличием диагностического оборудования и условий при которых они проводятся.

На основе сравнительного анализа различных методов диагностики тепловых параметров ВЧИ разряда показано, что наиболее точными из них являются оптические методы, в частности, метод малой монохроматизации. Рассмотрены достоинства этого метода и дано обоснование выбора его в качестве контрольного для определения поля температур в зоне разряда.

В третьем разделе дан анализ работ, выполненных другими авторами и посвящённых экспериментальному исследованию параметров ВЧИ разряда.

В четвёртом разделе представлен обзор работ, посвящённых математическому моделированию высокочастотного индукционного разряда. При этом отмечено, что большинство авторов, стараясь избежать измерений в самом разряде, в качестве входной информации для своих расчётов и задания граничных условий используют параметры, измеряемые в первичной цепи плазмотрона, например силу тока индуктора. Это приводит к необходимости привлекать дополнительные уравнения для замыкания системы уравнений Максвелла, описывающей электромагнитное поля ВЧИ разряда. Этого можно избежать, если в качестве входной информации использовать, найденные экспериментально, значения амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля. В этом случае, ограничиваясь только рамками системы уравнений Максвелла, можно получить распределения электромагнитных и тепловых характеристик в зоне ВЧ индукционного разряда.

В пятом разделе сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены основные этапы построения двухмерной математической модели, описывающей структуру квазистационарного электромагнитного поля струйного высокочастотного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

На первом этапе, для проверки основных положений построения математической модели и принимаемых при этом допущений, рассмотрена идеализированная одномерная модель (модель идеального индуктора), позволяющая качественно решить задачу определения электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда.

Показано, что модель идеального индуктора не может быть использована для количественных расчётов параметров ВЧИ разряда, так как она не учитывает граничные эффекты, возникающие в промышленных плазмотронах, у которых диаметр индуктора соизмерим с их длиной.

Поэтому следующим этапом стал переход к построению полной двухмерной математической модели, описывающей электромагнитное поле струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.