3.3. Төмен температуралы плазма

Төмен температуралы плазманы алу үшін қолданылатын құрылғылар және оларды қолдану аймақтары.

Вакуумды плазмалық технология қиындығына қарамай материалдарға тиіспей өңдеу әдістерін толтыруға мүмкіндік береді.

Химиядағы плазмалық технологиялық үрдістер келесі негізгі сатылардан тұрады:

1) қысым мен температура бойынша плазманың қажетті құрамы мен параметрлерді генера-плазмалық қиялау;

2) Реагент - затты қатты, сұйық немесе газ тәрізді күйінде енгізіп, олардың қажетті уақыт бойы әсерлеуін қамтамасыз ету;

3) Реакция аймағынан бірнеше өнімдер алу немесе маңызды өнім шығару.

 

3.5-сурет. Трансформаторлы түзеткіштің сұлбасы

 

Плазма алу үшін әр түрлі сұлбадағы плазматрондар қолданылады.

Плазма-химиялық реакциялар екі әдіспен жүзеге асырылады: плазма компонентерін электр разряд аймағына енгізеді, әсерлесетін плазма арқылы ток өтуі керек және разряд аймағынан тыс плазма легіне реагенттер енгізіледі. Бірінші жағдайда плазматрон реакциялық көлемді реактормен қосылады, екіншісінде плазмалық токпен енгізілетін материал араласатын суытқыш цилиндр ыдысы бар плазмалы реактор қолданылады.

Реакция өнімдерін суыту мен қатыру разряд аймағына плазмасыз технологиялық үрдістер келесімен сипатталады:

1. қондырғының технологиялық бөлігінің күрт қысқаруын (әсер ету уақыты 10^-2 -10^-5 сек) қамтамасыз ететін үрдістің жылдамдығы үлкен және температурасы жоғары;

2. плазма-химиялық үрдістер бір сатылы. Мысалы, плазмада, химиялық өнеркәсіп үшін белил, ацетилин өндіруде титон оксиді пигметтерін алу раекциясы, таза металдарды оксидтен, азот оксидін тыңайтқыш өндірісінен алу жатады;

3. қиын өнделетін шикізатты (табиғи газ, ауа, шикі мұнай, қиын еритин металлды минерал ) үрдісте пайдалану мүмкіндігі;

4. плазмадан алынған заттар тазалығын анықтау.

Реакцияның қосалқы өнімдері, мысалы, хлор қымбат компонент.

Егер де көмірсутек гидролизиндегі плазмада реакция өнімдерінің жылдам суытылуы ұйымдастырылмаса, көмірсутегі ыдырауы жоғары сапалы күйі мен техникалық сутегі түзілуімен аяғына дейін жүреді. Бұл үрдіс 1,5 (5-6) 10⁸ К дейінгі температурада жүреді.

Су буы плазма ағыны әр түрлі органикалық заттардан мақсатты алуда энергия тасымалдағыш. Азот тыңайтқыштар өндірісінде қажетті азот оксидін алу үшн (20-30)10⁴ Па қысымда, 3000-3500 К температуралы ауа плазмасы қолданылады, үрдіс суытқышы 10⁸ кс жылдамдықпен 2000-1800 К дейін суытып, жылу алмастырғышқа жібереді.

Плазма алудың тәсілдерін келесі түрде жіктеуге болады:

1)электр желісіндегі өткізгіштің жарылысы;

2)электр шоғы;

3)жоғары жиілікті факельді разряд;

4)короналы разряд;

5)доғалық разряд.

Технологиялық мақсатта жоғары жиілікті және доғалы разрядтың көмегімен плазма алу өте қолайлы.

Қазіргі кезде соңғы тәсіл бірнеше жетістіктерге ие:

1)кез келген химиялық құрамды газ тәрізді, қатты және сұйықтан жоғары пайдалы әсер коэффициенті барынша пайдаланып ұзақ уақыт бойы плазма алу мүмкіндігі;

2)жоғары қысымды вакуумды плазма алу мүмкіндігі;

3)электр коректің стандартты түрлерін пайдалану мүмкіндігі.

Плазматроннан плазма алу үшін газдар қолданылады. Ол бір және көп компонентті болуы мүмкін. Бір компонентті плазма түзгіш орта ретінде аргон, гелий, азот және сутегі қолданылады.

Плазманың негізгі жылу параметрлерінің бірі оның энталпиясы, оның көлемі немесе массасы бірлігіндегі жылу мөлшері жатады.

Атмосфералық қысымдағы кейбір плазма түзеуші газдардың меншікті энтальпиясының температурадағы тәуелділігі бойынша мына тәуелділіктер байқалады:

1. Диссоциациясына молекула кеткен энергия есебінен (4-8) 10 3 К температурадағы екі атомды газ энтальпиясы бір атомды газ энтальпиясынан артық. Мысалы, азот энтальпиясынан аргоннан 5 есе көп;

2. Қыздыру аппараттарында плазма қолдану кезіндегі жоғары энтальпиясы молеулярлы плазма түзгіш саз пайдалану тиімді, себебі аз температурада үлкен жылу тиімділігі болады.

Аргон энтальпиясы төмен мәнге ие, сондықтан бір комоненті плазма түзгіш орта бола алмайды.

1 - сутегі; 2 – азот; 3 – аргон

 

3.6-сурет. Газ энтальпияларының температурадан тәуелділігі

 

Жоғары температурада аргонның электр өткізгіштігі жоғары доғалық разряд бағанындағы электр өрісінің кернеуі төмен. Аргон қымбат, әрі сирек кездесетін газ болғандықтан, оның химиялық инерттілігі қажет кезде қолданылады (8-сурет, 4-қисық).

3.7-сурет. Сутегі (1), гелий (2), азот (3), аргон (4) үшін жылу беру коэффициенттерінің температураға тәуелділігі

 

 

Азот көбінесе бір компонентті плазма түзгіш орта ретінде қолданылады. Жоғары температурада жылу өткізгіштігі мен жылу сыйымдылығы жоғары. Осы себептен атмосферада азоттың электр разрядында электр энергиясы жылу энергиясына тиімді түрде ауыстырылады (8-сурет, 3-қисық).

Гелий аргоннан жоғары энергетикалық сипатқа ие (8-сурет, 2-қисық). Бірақ жоғары құны мен сирек кездесуі плазма қондырғысында қолданылуын шектейді.

Сутегі – ең жоғары энтольпиясы плазма түзгіш газ (8-сурет, 1-қисық). Сутегі доғасындағы электр өрісінің кернеуі аргоннан бірнеше есе жоғары. Сутегінің жылу өткізгіштігі басқа газдардан жоғары. Салыстырмалы түрде арзан және кеңінен таралған. Бірақ таза сутегі жоғары температурада плазма түзгіш аппарат электронды бұзады. Сондықтан, ол аргонмен қоспа түрінде қоланылады.

Төмен температуралы плазма генераторы немесе плазматрон – электр техникалық аппарат. Доғалық плазматронның компоненттері:

- электродтар;

- плазма ағынын реттегіш электродтпен бірге немесе бөлек разряд камерасы;

- плазма түзгіш газды шығару жүйесі;

- доға разрядының басқару жүйесі.

Доғалық плазматронның электродтық жүйесінің жұмысы ресурсын ұзақ уақыт қамтамасыз ету үшін қиын балқитын материалдар (С, Mo, W, Zr, Hf) электродтары қолданылады.

Плазматрон класында бір бірінен электр доғасын реттеу бойынша өзгеше екі типке бөлінеді: қабырғамен су арқылы суытылатын және газ немесе сұйық біркелкі емес газ ағымы арқылы суытылатын.

Плазматронда (9-сурет) доғалық разряд оқшаулатқышпен бөліктенген мыс секциялы сумен суытылатын қабырғамен бөліктенген (- ) мен (+) электрод арасында орналасқан.

3.8-сурет. Доға қабырғасын реттегіш плазматрон сұлбасы

 

Суытылудан қабырғада төмен электр өткізгішті сұйық газ қабаты түзіледі, сондықтан доғаның тек қаналдық қиылысуы болады.

Егер ұзын қаналда секция болмаса, одан өтетін газ қызып, диэлектрлік беріктілігінен айырылады. Сонымен бірге қызған газ қабатында доға бағанымен су суытқыш қабырға арасында ақау пайда болады. Бұл құбылыс «доғаны қабырғамен түзету» деген атауға ие болды. Түзету плазматрон жұмысына әсер етеді, доғаның ВАС түсуін реттеп, плазма температурасын шектейді де, плазматрон қуатымен ПЭК азайтады.

10-суретте біркелкі емес газды доға плазматронының сұлбасы келтірілген. Тангенциалды каналы 6 арқылы берілген газ тегіс емес камераға түседі де, плазматрон каналында газ қойыртпағын туғызады, ал екі және төрт электродтар арасындағы электр доғасының үш жануы көрініп тұр.

1 - тегіс емес камера; 2 - ішкі стерженьді электрод; 3 - доға; 4 - шығатын труба сияқты электрод; 5 - тұздық; 6 - тангенциал канал

 

3.9-сурет. Біркелкі емес газды доға плазматроны

 

Жылу алмасудың интенсивті үрдісінен газ қызып, плазма электродтан ағып шығады. Тегіс емес камерамен электрод каналында төрт газ тығыздық градиенті туындайды, оның негізгі бөлігі қабырғамен сырғиды. Азот пен ауа жұмысында плазматронның орташа массалық температурасы мұндай плазматронда 5·10³-6·10³ К аспайды. Пайдалы әсер коэффициенті, η=0,75-0,85 жетеді. Ең жақсы дамыған электродтарға секцияланған және плазма түзгіш газды беру секциялары таратылған плазматрон жатады, ол доғадағы кернеуді көтеруге мүмкіндік береді.

Тегіс емес реттегішті плазматрондар электродтың тоттануын азайту доға аймағында осьтік магнит өрісінің ықпалымен жүзеге асады. Құрылыстық жұмыс ресурсы бар плазматрон кеңінен пайдаланылуда. Қабырғалық доғамен газ ағымын реттеу плазматронының модификациясы электрод арасында қосымша қойылады. Мұндай плазматронның доғалық аумақтық құрылысы 11-суретте келтірілген.

3.10-сурет. Электрод арасындағы секциялық плазматрон ПЭН-6

 

Доға 8 және 12 электродтары арасында және оқшауланған қосымша 3, 4 электродтары арасында арасында жанып тұр. Доға бағаны каналының қиылысуы қосымша бетінің диаметрімен шектелген.

Мұндай плазматронның доға бағанының диаметрі шектелгендіктен, доға разрядының өсетін ВАС-ны алуға болады. Көлденең - үрілетін доғаны және электроды коаксилды орналасқан плазматронды басқару сипаттамасы осьтік магнит өрісімен жүзеге асады.

Доғаны магниттік реттейтін плазматрон сұлбасы 3.31-суретте көрсетілген. 1 және 2 электродтар арасында электр доғасы жанып тұр. Магнит өрісі 3 тұздықпен жасалады. Газ электрод арасымен кіріп, электрод арасындағы қуыста доғасымен қыздырылып, жоғары температуралы ағын 5 ретінде шығады.

Мұндай плазматронда доғаның кеңістікте тұруы 3 фактормен анықталады:

- электродтың геометриялық орналасуынан және магнит өрісінің қозғалысынан туындалатын аэродинамикалық күш;

- доға магнит катушканың осінің ортасына жақын ұсталады және келген лектің әсерінің оның ағысы жағына ауытқиды. Доғаның айналу жылдамдығы магнит өрісінің кернеуімен ток разрядына пропорционал;

- қиын балқитын материалдан орталық электрод жасауда плазматрон ПӘК 0,52 -0,76 құрайды және цилиндр электродындағы шығынға тәуелді.

Сақиналы электродты (12-сурет) доғалық разряд бағаны көлденең үрлеу жүйесіне қатысты. Плазма түзгіш газды плазматрон корпусының 4 ішіне үрлейді және сақиналы электрод 6 арасындағы кеңістікпен өтетін доғалық разряд сопло 2 арқылы плазма иініне 1 шығады. Тұздықтар 3 электрод қуысында магнит өрісін туғызып, доғада магнит өрісінің индукциясының векторы алынады. Үлкен токты камера құрылымы жоғары қысымда жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Бір фазалы айнымалы токпен жұмыс істейтін плазматронға ұқсас келетін үш бір фазалы комбинациядан құралған үш плазмалы плазматрон плазма технологиясында кеңінен қолданылады.

 

1 - орталық электрод, 2 - сыртқы электрод, 3 - тұздық, 4 - доға бағаны, 5- плазма легі, 6- газ әкелгіш, 7- оқшаулатқыш (изолятор)

 

3.11-сурет. Доғаны магниттік реттейтін плазматрон сұлбасы

 

Құрылыс ерекшелігі бойынша плазматрондар бір және көп камералы үш фазалы плазматрон деп бөлінеді. Бір камералы плазмарон жағдайында үш доға бір көлемде жанады. Доғалық разряд тұрақтылығының ток полярлығы өзгергенде, жоғары элипс қабілетін сақтайтын қиын балқитын электродтар арқылы жүзеге асады.

Барлық айнымалы ток плазматрондары азаятын ВАС-қа ие болады. Тәжірибеде қарастырылған плазматроннан басқа, қоректендіру үшін тұрақты және айнымалы токты пайдаланатын плазматорндар да бар. Ілеспелі доғаның қуаты күштік доғаның 5-8 % құрайды. 13-суретте тороидты плазматрон сұлбасы көрсетілген.