Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности (стр. 5 из 9)

Активную проводимость плазмы s, а значит, и затухание СВЧ колебаний в ней определяет параметр v, который частотой соударений — это количество соударений заряженных частиц с нейтральными в единицу времени. Максимальное значение s получается при w=v, а v тем больше, чем больше давление газа p.

Важным для практического применения плазмы параметром является ее температура T, которая характеризуется некоторой средней скоростью движения свободных электронов к ней. Температура плазмы при СВЧ разряде обычно 6000 — 7000K. С другой стороны, и электропроводимость плазмы s, и ее диэлектрическая проницаемость e являются функциями температуры T.

Принцип устройства СВЧ плазмотронов заключается в передаче СВЧ энергии веществу, находящемуся в газообразном состоянии, с целью перевода его в плазму. Обычно газ подается под определенным давлением (может быть выше, ниже или равным атмосферному) по диэлектрической, чаще всего кварцевой или керамической трубке, которая должна быть помещена в область максимальной напряженности электрического поля СВЧ колебаний. В стационарном состоянии выход тепла из плазмы полностью компенсируется поступлением в плазму СВЧ энергии, т.е. плазма является активной нагрузкой для генератора СВЧ.

При расчете плазмотронов основные параметры плазмы, такие, как s, e, T, длина волны СВЧ сигнала l, считаются постоянными, поэтому плазму рассматривают как диэлектрик с потерями и задача расчета заключается в оптимизации передачи СВЧ энергии в этот диэлектрик при одновременном снижении отраженной энергии.

Одним из наиболее простых по конструкции является плазмотрон волноводного типа, схематически изображенный на рис. 7. Разрядная диэлектрическая трубка пропущена через середины широких стенок прямоугольного волновода и перпендикулярно им. Вне волновода разрядная трубка окружена экранирующими металлическими трубками, являющимися запредельными волноводами для СВЧ сигнала, возбуждающего плазму.

Рис. 7. Схема устройства плазмотрона волноводного типа:

1 — прямоугольный волновод (b — размер узкой стенки); 2 — экранирующие запредельные трубки; 3 — разрядная диэлектрическая трубка; 4 — плазменный шнур; 5 — согласованная нагрузка.

Плазма имеет вид шнура или цилиндра с диаметром dпл, на 2 — 3 см меньшим внутреннего диаметра разрядной трубки D, и длиной, лишь немного превышающей размер узкой стенки прямоугольного волновода b. Плазменный шнур ограничен по длине в тех точках запредельных экранных трубок, где СВЧ мощность уже недостаточна для поддержания разряда, т.е. горения плазмы.

Одним концом плазмотрон волноводного типа присоединен к СВЧ генератору, а другим — к согласованной нагрузке или к замкнутому на конце отрезку прямоугольного волновода (короткозамыкателю). Одна часть СВЧ энергии поглощается в плазме, а оставшаяся доля частично проходит за разряд и частично отражается от него.

Для компенсации отраженной волны между генератором и разрядной трубкой включают различные подстраивающие элементы, что эквивалентно подключению разрядной области через трансформатор связи. Плазмотроны с трансформаторами связи принято называть плазмотронами резонаторного типа.

Более однородные по радиусу характеристики плазмы имеют место в плазмотроне на основе радиальной линии, представляющей собой два параллельно расположенных диска, в центре которых перпендикулярно дискам проходит разрядная трубка. В такой радиальной линии должна быть возбуждена радиальная ТЕМ волна, сходящаяся равномерно со всех сторон к плазменному шнуру, находящемуся на оси системы.

Примеры плазмотронов волноводного типа. Изображенный на рис. 7 плазмотрон представляет собой волноводно-коаксиальный переход, причем внутренним проводником коаксиальной линии служит плазменный шнур, а внешним — экранирующие металлические трубки. В данном плазмотроне необходимо учитывать активные потери в плазменном шнуре.

При выбранных геометрических размерах плазмотрона и рабочей частоте СВЧ генератора главным расчетным параметром является температура плазмы. Однако для построения обобщенных характеристик плазмотронов, не зависящих от свойств и термодинамического состояния плазмообразующего газа, а также для удобства математических расчетов оказалось удобнее вместо температуры использовать в качестве основного расчетного параметра отношение радиуса плазменного шнура rпл к глубине поверхностного слоя на плазменном образовании s. При расчете s учитываются свойства и термодинамическое состояние газа, в котором будет образована плазма.

На рис. 8 приведены расчетные кривые Kстv в подводящем волноводе axb=72x34 мм с волной H10 и коэффициента передачи СВЧ энергии в разряд h для плазмотрона с согласованной нагрузкой (пунктирные линии). Рабочая длина волны 12,6 см; внутренний диаметр экранирующих трубок 2R=22 мм; диаметр плазменного шнура 2 rпл =7 мм. Отношение rпл /R в расчетные формулы входит под знаком логарифма, поэтому оно мало влияет на характеристики плазмотрона. В качестве плазмообразующего газа использовался азот при атмосферном давлении.

На рис. 8 приведены также кривые отношения мощности Pпад, подводимой к плазмотрону, к удельной мощности Pпл, поглощаемой в единице длины плазменного столба, находящегося в центре широкой стенки волновода. Эти кривые имеют минимум, в котором потребляемая от СВЧ генератора мощность минимальна. Правые ветви этих кривых соответствуют устойчивым режимам разряда.

Рис. 8. Расчетные зависимости коэффициента передачи h, Kстv и Pпад/Pпл от отношения rпл/s для плазмотронов волноводного типа с согласованной нагрузкой и короткозамыкателем.

Действительно, и при постоянной мощности, подводимой к плазмотрону, в разряде устанавливается определенная температура. Если режим работы соответствует некоторой точке на правой ветви кривой, то случайные малые изменения температуры в разряде вызывают ряд процессов, возвращающих температуру к стационарному значению. Если температура случайно уменьшится, то длина разряда уменьшится, что приведет к увеличению удельной мощности Pпл и разогреву плазмы. Если температура случайно возрастает, то длина разряда возрастает и Pпл уменьшится, что приведет к остыванию плазмы. Этот механизм саморегулирования поддерживает в разряде постоянную температуру, соответствующую СВЧ мощности, подводимой к разряду.

Граница устойчивости разряда соответствует значениям rпл/s @ 0,3¸0,6. При этом, например, температура плазмы азота равна 5500 — 5800K. Удельная мощность Pпл, требуемая для поддержания в плазме заданной температуры, может быть определена по кривой, приведенной на рис. 9. Далее по кривым Pпад/Pпл на рис. 8 можно определить и значение Pпад, при которой в плазме температура равна требуемому значению.

Если проанализировать приведенные на рис. 8 и 9 данные, то можно сделать следующие важные для практики выводы.

В плазмотроне с короткозамыкателем осуществляется значительно более эффективное использование СВЧ энергии, чем в плазмотроне с согласованной нагрузкой: hmax соответственно равны 0,97 и 0,5; минимальные мощности СВЧ генератора, требуемые для поддержания устойчивости разряда, равны соответственно 0,5 и 1,2 кВт. Минимальная температура СВЧ разряда в азоте при атмосферном давлении равна 5500K.

Рис. 9. Зависимость и от температуры СВЧ разряда в азоте при атмосферном давлении.

При экспериментах с рассматриваемыми плазмотронами расход газа подбирался минимально возможным с тем, чтобы сохранить стабильность разряда. В этом случае теплоотвод от разряда определяется в основном теплопроводностью газа на стенки разрядной трубки. Длина плазменного столба в плазмотроне с согласованной нагрузкой равнялась 4 см при поглощаемой в разряде мощности 900 Вт, что меньше расчетного значения на 20% — 30%. Объясняется это тем, что при расчете не учитывался спад температуры на концах плазменного шнура и вынос тепла из плазмы потоком газа при определении значения Pпл в соответствии с кривой, изображенной на рис. 9. Однако приведенные на рис. 8 и 9 расчетные данные дают удовлетворительную точность и могут быть использованы для предварительных расчетов конструктивных параметров плазмотронов.

Рассмотрим пример практического применения плазмотронов.

СВЧ плазменный источник возбуждения спектра. Наиболее часто в качестве источника тепла для разогрева порошков веществ, исследуемых с помощью анализаторов спектра, использовались газовые горелки. Для них характерна достаточная стабильность горения, а главным недостатком является внесение в зону нагрева продуктов горения газа, которые во многих случаях могут загрязнять обрабатываемый или анализируемый материал. Кроме того, температура, даваемая газовыми горелками, для анализа многих элементов недостаточна. С помощью плазмотронов может быть получен в атмосфере защитных газов — азота, гелия или аргона — стабильный нагрев до 8000K без каких-либо загрязнений. Для спектрального анализа применяют и электрические дуги постоянного и переменного токов. Они позволяют получить требуемую температуру, но не дают желаемой стабильности и вносят загрязнения продуктами разрушения электродов. Поэтому при их использовании воспроизводимость и точность анализа недостаточны.