Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 1 02;05 Сублимация частиц углерода в плазменном потоке, генерируемом в высокочастотном индукционном плазмотроне й В.И. Власов, Г.Н. Залогин, А.Л. Кусов Центральный научно-исследовательский институт машиностроения, 141070 Королев, Московская область, Россия e-mail: zalogin.gn@mail.ru, kusov.al@mail.ru (Поступило в Редакцию 22 марта 2006 г.) Описана кинетика процесса образования пара углерода в потоке плазмы, генерируемом в высокочастотном индукционном плазмотроне (ВЧ-плазмотроне). Проведен анализ исходной системы уравнений, описывающей процесс сублимации частиц в потоке высокотемпературного газа, выявлены основные безразмерные комплексы, характеризующие поставленную задачу, и возможные диапазоны их изменения. Решение поставленной задачи проводится с использованием метода прямого статистического моделирования МонтеКарло. Численное решение задачи проведено для различных плазмообразующих газов и широкого диапазона условий (давления, скорости и температуры) в плазменном потоке. Результаты расчетов могут быть использованы с целью оптимизации процесса промышленного получения углеродных (возможно, и других) наноструктур в электродуговых или ВЧ-плазмотронах большой мощности.

PACS: 52.75.Hn Введение задач [5Ц7]. Возможности использования мощных ВЧплазмотронов для получения углеродных наноструктур В настоящее время наиболее отработанными высокои первые результаты исследований были приведены в [8].

температурными способами получения углеродных наПреимуществами установок такого типа для получения ноструктур (фуллеренов, нанотруб и др.), основанными наночастиц, по сравнению с наиболее распространеннына сублимации углеродных материалов (графита), являми электродуговыми, являются:

ются электродуговой и метод лазерного испарения. Оба Ч отсутствие ограничений по вкладываемой мощности способа имеют целый ряд недостатков, основной из кои связанное с этим существенное увеличение произвоторых Ч малая производительность. Кроме того, в пердительности;

вом из способов отсутствует возможность наращивания Ч возможность работы с исходными химическими вемощности установки, а во втором из-за поглощения изществами в различных агрегатных состояниях (порошки, лучения парами необходимо или использование лазеров газы, жидкости);

в импульсно-периодическом режиме, или сканирование Ч простота подготовки смесей исходных материалов с луча по поверхности мишени. Весьма перспективным катализаторами;

в этом отношении является плазмохимический способ Ч прохождение процесса формирования наноструктур синтеза углеродных (возможно, и не только углеродных) на значительном удалении от зоны воздействия вынаноструктур с использованием нагрева и сублимации сокочастотного электромагнитного поля и излучения или разложения углеродсодержащих веществ в потоках разряда;

плазмы, генерируемых в электродуговых (ЭДУ) или Ч возможность дистанционной диагностики основных высокочастотных (ВЧ) индукционных плазмотронах [1].

параметров, определяющих процесс формирования наВозможны также так называемые гибридные схемы номатериалов, в частности, спектральные измерения нагрева, включающие в себя последовательно распосостава и температуры газа фуллеренсодержащей смеси ложенные плазмотроны различных типов [2]. Следует (через окна, имеющиеся в рабочей части установки);

отметить, что работа ЭДУ в той или иной степени Ч возможность оптимизации процесса за счет независивсегда сопровождается загрязнением потока плазмы мого регулирования давления, энерговклада, соотношепродуктами эрозии электродов, что во многих случаях ний расходов плазмообразующего газа, углеродсодержанежелательно.

щего вещества и катализатора;

Поток плазмы, генерируемый в ВЧ-плазмотроне, в сиЧ квазиодномерность течения смеси газа и паров углелу конструктурных особенностей установки (отсутствия электродов) может содержать только примеси, поступа- рода (течение в канале или осесимметричной струе), в отличие от веерной струи в электродуговой установке, ющие в разрядную камеру с плазмообразующим газом.

дает возможность формирования потока с использоваЭто особенно важно при исследовании гетерогенных каталитических реакций [3,4]. нием различных дополнительных устройств Ч сопла и ВЧ плазмотроны средней мощности (до 100 kW) ис- теплообменников для формирования областей с оптипользуются в технологических процессах, а большей мальной температурой и изменения геометрических па(до 1000 kW и выше) Ч для решения аэрофизических раметров (расстояние от индуктора до сажеуловителя).

Сублимация частиц углерода в плазменном потокe... Рис. 1. Линии тока и температура газа в разрядной камере ВЧ-плазмотрона при работе на аргоне (P = 15 000 Pa, N = 150 kW).

Кроме того, физические и газодинамические особен- Качественное рассмотрение ности течения газа в таких установках и отдельных ее Принцип действия установок с высокочастотным наэлементах (разрядной камере, струе и в пограничном гревом газа основан на известном физическом явлении слое около моделей) достаточно хорошо изучены [9,10], что позволяет проводить расчетно-теоретические иссле- нагрева проводящих сред электрическим током, индуцидования по оптимизации процесса получения углерод- рованным в них переменным электромагнитным полем.

В ВЧ-плазмотронах подобной нагреваемой проводящей ных наноструктур.

В последнее время применительно к дуговому ме- средой является ионизованный газ. Переменное электромагнитное поле создается внутри индуктора, под тоду производства фуллеренов и углеродных нанотруб воздействием этого поля ускоряются свободные элек(УНТ) в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе троны, имеющиеся в газе. Приобретаемая электронами РАН был проведен широкий спектр экспериментальных энергия достаточно велика, ее часть передается молеи теоретических исследований процесса формирования кулам при столкновениях, вызывая нагрев газа. В связи углеродных наноструктур. Эти исследования касаются с этим в зоне разряда имеется значительное различие как газодинамических аспектов формирования веерной температуры электронов и тяжелых частиц. По мере газоплазменной струи, истекающей из межэлектродного пространства [11], так и вопросов, связанных с кине- удаления от индуктора и увеличения давления это разтикой и механизмами формирования фуллеренов [12] личие уменьшается. Более детальное описание течения и УНТ [13]. Однако результаты этих исследований из- в ВЧ-плазмотроне можно получить путем совместного за иного принципа получения углеродного пара (за решения уравнений газодинамики с учетом реальных счет сублимации мелкодисперсного порошка в плазмен- свойств газа и уравнений Максвелла [9].

ном потоке), другого принципа нагрева газа и совер- Наиболее распространенная конструкция ВЧ-плазмошенно иной геометрической конфигурации установки трона представляет собой цилиндрическую трубу (разне могут непосредственно использоваться для анали- рядную камеру) с проницаемыми для высокочастотного за процесса формирования углеродных наноструктур в электромагнитного поля стенками (как правило, из кварВЧ-плазмотронах. Одной из задач, решение которой цевого стекла), помещенную в индуктор, соединенный не требуется при анализе дугового метода получения с ВЧ-генератором. С одной стороны разрядная камера фуллеренов и УНТ, но которая важна при реализации закрыта и снабжена газоформирователем, через который рассматриваемого плазмохимического способа, является подается рабочий газ, истекающий после прохождения расчет сублимации частиц углерода в плазменном по- зоны разряда в рабочую часть установки, и оптическим токе. При обработке технологии получения УНТ с ис- стеклом для наблюдения за испытываемой моделью пользованием катализаторов аналогичная задача должна через зону разряда (имеется возможность контроля морешаться и для вводимого в плазму катализатора. дели через окна в рабочей части). Конструкция газофорЖурнал технической физики, 2007, том 77, вып. 32 В.И. Власов, Г.Н. Залогин, А.Л. Кусов Рис. 2. Характер течения плазмы в рабочей камере около модели (сажеуловителя).

мирователя позволяет осуществить надежную стабили- пограничном слое и в донной области около модели зацию высокочастотного разряда, управлять плазменной (сажеуловителя).

струей и, в некоторой степени, защищать стенки разряд- При использовании в качестве исходных химических ной камеры от перегрева при их контакте с плазмой, веществ порошков для возможно более полного фазообеспечивая тем самым чистоту потока и высокий ре- вого превращения Ч сублимации углеродных частиц сурс разрядной камеры. Химическая чистота воздушной или плавления и испарения металлов Ч необходимо плазмы подтверждена специальными спектроскопиче- правильно выбрать их размеры, оптимизировать способ скими измерениями. За счет начальной окружной закрут- подачи частиц в плазменный поток. Кроме того, выход ки подаваемого через газоформирователь газа разряд конечного продукта (фуллеренов или УНТ), как поотжимается от стенок разрядной камеры и возникает казывают исследования, проведенные применительно к сложная газодинамическая картина течения с рецирку- электродуговому способу получения углеродных наночаляционной зоной. Типичные распределения температур стиц [11Ц13], может зависеть от состава плазмообразуюи линий тока в разрядной камере (диаметром 200 mm) щего газа и параметров плазменной струи (температуры, ВЧ-плазмотрона мощностью 1000 kW, полученные рас- скорости, давления и т. д.).

четным путем по методике [9], приведены на рис. 1, из которого видно, что температура газа в зоне разряда превышает 10 000 K.

Основные уравнения и метод решения На рис. 2 представлена расчетная картина течения плазмы в концевой части разрядной камеры и около Здесь рассмотрена задача о сублимации частиц угмодели, служащей сажеуловителем. После истечения лерода различных размеров при их движении в плазгаза из разрядной в рабочую камеру его температура менном потоке нейтрального (инертного) газа. Целью в струе несколько снижается, но остается достаточно проведенных исследований является определение оптивысокой ( 8000-9000 K вблизи оси струи) на большом мальных условий работы установки Ч температуры, расстоянии от индуктора. Это делает возможным ввод которая определяется энерговкладом, давления газа, порошков углерода или катализатора на различных соотношения расходов плазмообразующего газа и углеучастках формирования потока как до зоны нагрева родосодержащего вещества, состава газа и геометриче(например, вместе с плазмообразующим газом), так и ских размеров (расстояния от места подачи порошка струю плазмы после индуктора. Конденсация испарен- в плазменный поток до сажеуловителя), при которых ного материала может происходить в зоне смещения, частицы углерода за время прохождения ими рабочей Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. Сублимация частиц углерода в плазменном потокe... T = 10 000 K, P = 104 Pa, длина свободного пробега Ч = 2.5 10-5 m, тогда число Кнудсена для условий задачи меняется в пределах Kn = /D = 0.25-25. При Kn > 3 течение является свободномолекулярным, при 0.01 < Kn < 3 режим течения газа является переходящим от сплошной среды к свободномолекулярному потоку.

Частицы углерода движутся в плазме (температура которой 104 K), где происходит их сублимация. Для Рис. 3. Частица углерода в потоке буферного газа.

тепловых потоков на единицу площади, без учета радиационных потерь и потерь, связанных с сублимацией углерода, в случаях сплошной среды и свободномолекамеры ВЧ-плазмотрона полностью сублимируют в по- кулярного течения могут быть получены аналитические токе плазмы.

зависимости из следующих соображений. Сферическая При движении в высокотемпературном газе частицы частица диаметра D находится в области, заполненной углерода (рис. 3) нагреваются окружающим газом и газом, диаметром L, определяемым из формулы (1).

сублимируют. Сублимация углерода происходит в виде Расчетная область имеет две сферические границы.

фракций от C1 до C16.

Предполагается, что газ на внешней границе имеет Для упрощения решения задачи было сделано предпопараметры невозмущенного потока.

ожение, что сублимирующие молекулы углерода имеют Для больших чисел Кнудсена (Kn > 3) поток падаюпараметры, усредненные по всем фракциям, с молекущих на частицу углерода молекул является свободномолярным весом 24 g/mol (соответствует молекуле C2) и лекулярным, и тепловой поток к поверхности частицы энергией сублимации Es = 1.2 10-18 J на одну частицу, можно определить из следующей формулы [14]:

что соответствует 30 MJ/kg.

Для решения задачи об испарении частиц в плазменw 8KTf Tw q = P 1 -, (2) ном потоке необходимо решить: уравнение движения 2 m Tf частиц переменной массы в неоднородном потоке, уравнение баланса энергии для частицы углерода с учетом где w Ч коэффициент аккомодации поступательной теплообмена с окружающим газом, сублимации и излуэнергии при столкновении молекулы с поверхностью чения, уравнения, моделирующие внешнее обтекание ча(как правило, порядка 1), Tw Ч температура поверхностиц углерода, с учетом их сублимации. Считается, что сти частицы углерода, K Ч постоянная Больцмана, m Ч частицы углерода, подаваемые в поток, имеют нулевую масса молекул буферного газа, Tf и P Ч температура и начальную скорость и комнатную температуру.

давление плазмы.

Для упрощения решения этих уравнений необходимо Унос массы материала с поверхности частипровести оценку безразмерных комплексов для решацы (kg/m2/s), обусловленный процессом сублимации, емой задачи. Среднее расстояние L между частицами можно оценить, используя формулу Кнудсена-Ленгуглерода в потоке определяется как мюра [15]:

1/L p =, (1) Х e 8m P Tw D 6 g f m = Ps(Tw) 1 -, (3) p 4 KTw Ps T где p Ч плотность графита, g Ч плотность буферного газа, f Ч отношение массовых расходов частиц графи- где T и P Ч температура и давление на внешней p та и газа, D Ч диаметр частиц графита. Для характерных границе слоя Кнудсена, e Ч вероятность адсорбции моусловий в ВЧ-плазмотроне f = 0.01-0.3, L/D 100.

екул углерода частицей углерода, Ps (Tw) Чдавление p Плотность частиц в потоке равна насыщенных паров [16,17]:

1 1 D 90 np = =.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам