Высокочастотные плазмотроны
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
µльно отличаются от соответствующих параметров индуктивно нагреваемых материалов или диэлектриков и могут быть сопоставимы с внутренним сопротивлением и межэлектродными емкостями генераторной лампы. Поэтому применение промышленных ВЧ-генераторов в плазменных установках с ВЧЕ- и ВЧИ-плазмотронами требует переделки генератора (в основном его колебательной системы). Итак, плазменные ВЧ-установки в основном эксплуатируются на частотах:
ВЧИ: в диапазоне от 66 кГц до 27,12 МГц;
ВЧЕ: в диапазоне от 5,28 до 152,5 МГц.
С точки зрения способа подачи напряжения возбуждения диапазон частот можно разделить на два: от 0,66 до 5,28 МГц и от 13,56 до 152,5 МГц. При частотах первого диапазона напряжение возбуждения снимается с какого-либо элемента колебательной системы кондуктивно или индуктивно. При более высоких частотах (второй диапазон) обратная связь осуществляется за счёт междуэлектродных емкостей генераторной лампы. Колебательные системы вплоть до частоты 40 МГц выполняются преимущественно из элементов с сосредоточенными параметрами (двухпроводные или коаксиальные линии).
Схемы многих автогенераторов могут быть сведены к эквивалентной схеме, называемой трёхточечной. Трёхточечная система состоит из трёх элементов. Одним из элементов может являться межэлектродная ёмкость лампы. Два других представляют более или менее сложные двухполюсники, один из которых реактивный, а второй кроме реактивных элементов включает в себя основное сопротивление нагрузки. В зависимости от того, к какому электроду присоединены оба двухполюсника, различают три вида схем автогенераторов. В схемах с общим катодом и общим анодом двухполюсник, содержащий сопротивление нагрузки, присоединён между катодом и анодом лампы, а в схемах с общей сеткой - между анодом и сеткой. Схемы с общим катодом, как правило, используются в автогенераторах с рабочей частотой до 13 МГц, с общим анодом - в диапазоне частот 13-150 МГц, с общей сеткой - более 150 МГц.
Итак, ламповые генераторы в диапазоне частот от 0,44 до 40 МГц и выше являются на сегодня незаменимыми источниками питания для ВЧ-плазмотронов. Теоретические основы их создания разработаны не только в применении их к электротермическим установкам, но и обусловлены развитием радиопередающих средств. Однако специфические особенности применяемых в плазменных установках ламповых генераторов, обусловленные сильной нагрузкой с сильно меняющимися электрическими параметрами, требуют создания специальных плазменных высокочастотных генераторов в широкой области частот и мощностей с обеспечением их серийного выпуска.[1]
4. Применение высокочастотных плазмотронов
4.1 Общие принципы применения ВЧ-плазмотронов
Многообразие вариантов режимов и конструктивных особенностей ВЧ-плазмотронов позволяет, с одной стороны, сделать практически любой технологический процесс эффективным путём выбора подходящего ВЧ-плазмотрона. С другой стороны, отсутствие универсальности ВЧ-плазмотронов предъявляет достаточно высокие требования к уровню владения этой техникой.
Таблица 4.1
Стоимость нагрева аргона и воздуха до одинаковой температуры в дуговом и высокочастотном плазмотронах при одинаковой мощности электрического разряда
ХарактеристикаВоздух, Т до 104КАргон, Т до 104КВЧИ-плазмотронДуговой плазмотронВЧИ-плазмотронДуговой плазмотронМощность разряда, кВт650650650650Установленная мощность, кВт1180100011801445Мощность плазменной струи, 655545Амортизация за 5 лет, $/час12,52,7512,53,3Эксплуатационные расходы, $/час:- горелка0,50,50,50,5- замена электродов-100-100- конденсаторы3,2-3,2-- выпрямитель1,471,471,471,47- генераторная лампа9,4-9,4-Стоимость газа, $/час--3030Стоимость электроэнергии, $/час7,066,07,078,68Стоимость простоя, $/час-40-20Общая стоимость, $/час34,14157,7264,1450,95
Существующие методы расчётов дают возможность квалифицированно определить характеристики ВЧ-плазмотронов, в наибольшей степени отвечающие параметрам оптимального технологического процесса. Помимо технических параметров немаловажным обстоятельством, которое нужно учитывать, является оценка экономичности плазменного процесса.
В таблице 4.1 приведён сравнительный анализ стоимости нагрева воздуха и аргона до одинаковой температуры на дуговых и ВЧИ-плазмотронах с учётом капитальных, а также эксплуатационных затрат. Стоимость нагрева аргона в дуговых плазмотронах составила $50,95 в час, в то время как в высокочастотном - $64,14 в час, то есть на 21% выше. Однако стоимость нагрева воздуха в дуговых плазмотронах обходится дороже $150,72 в час, в то время как в ВЧИ-плазмотроне - только $34,14 в час, то есть в 4,6 раза дешевле, чем в дуговых. При нагреве кислорода, хлора и любых других агрессивных газов и паров веществ это соотношение ещё больше меняется в пользу ВЧ-плазмотронов, несмотря на более низкий по сравнению с дуговыми плазмотронами электрический КПД.
При рассмотрении конкретного технологического процесса нередко решает вопрос в пользу выбора того или иного типа плазмотрона не стоимость нагрева плазмообразующего газа и не электрический КПД плазмотрона. Например, при сфероидизации гранулированного порошка в плазме основной показатель - производительность процесса при 100%-й обработке порошка. При одинаковой мощности плазмотронов в зависимости от их типа значительно различается скорость частиц в плазме. В таблице 4.2 приведены данные о скорости частиц в плазме для некоторых типов плазмотронов. Скорость частиц в ВЧ-плазме может быть в десятки раз меньше, чем в дуговой, что и определяет преиму