CC BY
43УДК 533.9.07
DOI: 10.21779/2542-0321-2018-33-1-50-56
М.Х. Гаджиев, А. С. Тюфтяев, Э.Х. Исакаев, Н.А. Демиров
Генератор низкотемпературной воздушной плазмы для исследования взаимодействия плазменной струи с термостойкими материалами
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Объединенный институт высоких температур РАН»; Россия; 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2; [email protected]
Для исследования теплофизических, электродинамических и оптических свойств газов, а также осуществления различных плазмохимических реакций и исследования сублимации термостойких теплозащитных материалов создан генератор постоянного тока высоко-энтальпийной плазменной струи воздуха с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом выходного электрода. Для повышения КПД и тем самым уменьшения тепловых потерь в водоохлаждаемые части в конструкции генератора низкотемпературной плазмы предусмотрено совмещение анода с соплом, что позволило повысить КПД плазмотрона до 80 %. Для разработанного генератора низкотемпературной плазмы вольт-амперная характеристика имеет практически не меняющееся с увеличением силы тока напряжение горения дуги, в отличие от плазмотронов с цилиндрическим каналом газоразрядного тракта, где вольт-амперная характеристика преимущественно падающая. Это способствует повышению ресурса электродов и снижает требования к схеме управления источником электрического питания для стабилизации параметров дуги. Электрические, калориметрические и спектральные исследования показали, что созданный генератор низкотемпературной плазмы обеспечивает формирование на выходе из газоразрядного канала слабо расходящейся (2а = 120) плазменной струи воздуха диаметром от 10 до 12 мм, с энтальпией 16^40 кДж/г, среднемас-совой температурой 8^11 кК и с концентрацией электронов в приосевой плазме на срезе сопла ne~1016 см-3 (при электрической мощности дугового разряда 20^50 кВт и расходе плазмообразующего газа 1^2 г/с). В зависимости от начальных условий на расстоянии 0^30 мм от среза сопла генератора низкотемпературной плазмы скорость потока плазмы меняется в пределах от 990 до 300 м/с.
Ключевые слова: генератор низкотемпературной плазмы, плазмотрон, ВАХ, спектроскопия.
Введение
Исследования сублимации материала тепловой защиты в химически активной среде являются весьма актуальными и представляют большой интерес для современной науки и техники [1, 2]. Особый интерес представляет исследование интенсивного, разрушающего воздействия высокоэнтальпийного плазменного потока на теплозащитный материал [3, 4]. При этом необходимо иметь надежный генератор низкотемпературной плазмы (ГНП), в разрядном промежутке которого создается вы-сокоэнтальпийный воздушный плазменный поток со среднемассовой температурой до десятков тысяч градусов, что представляет несомненный интерес для исследования теплофизических, электродинамических и оптических свойств газов, а также для осуществления различных плазмохимических реакций.
Методика эксперимента и результаты
В качестве источника плазмы был разработан ГНП с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом выходного электрода (рис. 1), обеспечивающий высокие расходные характеристики и ресурс плазмотрона, эффективный нагрев рабочей среды и малые тепловые потери в водоохлаждаемые части ГНП. Выбор в пользу данной конструкции плазмотрона связан с тем, что обеспечивается горение дуги в ламинарном потоке при достаточно большой скорости газа на входе, распределение электрического тока, соответственно и магнитного поля, по поверхности электрода, что способствует повышению устойчивости положительного столба дуги [5]. При этом длина дуги уменьшается, тепловые потоки в стенки становятся более равномерными.
Рис. 1. Конструкция плазмотрона: 1 - сопло, 2 - корпус, 3 - анодная вставка, 4 - изолятор, 5 - катод, 6 - вставка из тугоплавкого материала, 7 - катододержатель, 8 - трубка охлаждения катода
При профилировании газоразрядного тракта и выходного сопла необходимо учитывать явления, связанные с высокоскоростными потоками (ударные волны и скачки уплотнения), и множество молекулярных реакций, в том числе диссоциацию и ионизацию, процессы взаимодействия излучения с веществом и его влияния на процессы теп-лопереноса, а также плазменную турбулентность [6]. На основе методики итерационно-
го профилирования сопла был спрофилирован выходной электрод с углом расхождения 120 и входным диаметром 4 мм. Для повышения КПД и тем самым уменьшения тепловых потерь в конструкции плазмотрона предусмотрено совмещение анода с соплом, благодаря чему плазмотрон постоянного тока с расширяющимся анодным каналом обеспечивает формирование на выходе плазмотрона в атмосферу слабо расходящейся (2а = 120) азотной или воздушной плазменной струи диаметром D = 10-12 мм с энтальпией 16-40 кДж/г (при полной электрической мощности дугового разряда 20-50 кВт, расходе плазмообразующего газа 1.0-2.0 г/с и среднемассовой температуре плазмы на выходе 8000-11000 К).
Основной характеристикой разряда в ГНП является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Падающий характер ВАХ для ГНП с продольным потоком газа и самоустанавливающейся длиной дуги влечет за собой жесткие требования к источнику электрического питания для стабилизации дуги, кроме этого, с увеличением тока напряжение горения дуги падает, соответственно для достижения необходимой мощности дуги необходимо увеличивать ток, что уменьшает ресурс ГНП [7-9]. На рис. 2 приведена ВАХ разработанного ГНП, из которой видно, что ВАХ имеет практически не меняющееся с увеличением силы тока напряжение горения дуги.
200 п 180160-
PQ 140£
12010080
150
200
250
I, A
300
■ 1,8 г/с
■ 1,5 г/с
350
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики разряда воздуха
Для оценки КПД плазмотрона были определены тепловые потоки в водоохлажда-емые части плазмотрона по результатам измерения расходов и температуры воды на входах и выходах основных узлов ГНП. КПД плазмотрона составил ~ 80 %.
В работе также выполнены и калориметрические измерения тепловых потоков, отводимых водой при охлаждении медного цилиндрического торца калориметра (табл. 1). С помощью калориметра (водоохлаждаемый торец медного цилиндра диамет-
ром = 20 мм с расположенным в плоскости торца «охранным» диском, обеспечивающим «неразрывность» набегающего плазменного потока) в «установившемся» режиме теплообмена «струя-калориметр» выполнены калибровочные измерения тепловой мощности WQ = СрЦН20(1вых — сообщаемой плазменным потоком поверхности
^кал 0/4 при варьируемых значениях мощности дуги, расхода газа и расстояния И
от среза сопла плазмотрона до поверхности образца. При изменении мощности плазмотрона от 20 до 50 кВт и расстояния И от 10 до 30 мм плазменная струя при нормальном ее падении на калориметр обеспечивала удельные тепловые потоки от 0.1 до 10 кВт/см2.
Таблица 1. Результаты калориметрических измерений плазмы воздуха
Плазма воздуха (расход - 1.5 г/с)
И = 30 мм I, А и, В Т 0С х вх, ^ Т 0С х вых, ^ 0, кВт
150 132 12.2 16.2 2.1
200 117 15.9 1.9
250 107 15.7 1.8
300 100 16.2 2.1
И = 25 мм 150 124/136 12 15.8 2.2
200 118 16.5 2.5
И = 20 мм 150 130 12 16.5 2.6
200 115 18.1 3.2
И = 15 мм 150 127 12 18 3.1
200 115 18.3 3.3
Скорость плазменного потока определялась измерением полного давления с помощью трубки Пито [6]. Измерения показали, что в зависимости от начальных условий на расстоянии 0-30 мм от среза сопла скорость потока плазмы меняется в пределах 990-300 м/с.
Для определения плазмохимического состава и параметров потока высокоэнталь-пийной плазмы применялись спектральные методы [10-13] с использованием трехка-нального оптоволоконного спектрометра АуаБрес 2048 со спектральным разрешением 0.2-0.5 нм, который выполнял мониторинг излучения (с периодичностью 3-4 спектр/с) вдоль оси потока плазмы в спектральном диапазоне 240-1000 нм. Примеры характерных спектров воздуха представлены на рис. 3.
Рис. 3. Характерные спектры излучения плазмы воздуха (ток дуги 150 А)
Переносные и излучательные свойства низкотемпературной электродуговой плазмы азота и воздуха при атмосферном давлении детально исследованы экспериментально и теоретически [9, 10, 14]. При степени ионизации более 10-2 % к такой плазме применимы приближение частичного локального термодинамического равновесия [12, 13], позволяющее использовать закон Больцмана при анализе относительных заселен-ностей возбужденных состояний излучающих атомов, и формула Саха с электронной температурой при анализе ионизационного состава плазмы. Наличие в исследуемых спектрах плазмы воздуха большого числа линий атомарного азота NI и кислорода OI позволяет использовать метод «больцмановской экспоненты» для определения Те [15]. Концентрацию электронов в приосевой области плазменной струи можно оценить по полуширине линий Ha и Hp, которые позже сравнивались с уширением линий из работ Конжевика [16]. Так, например, на срезе сопла при силе тока 150 А и расходе воздуха 1.5 г/c температура и концентрация электронов в приосевой плазме Те = 8 кК, ne = 1016 см-3.
Заключение
Для моделирования процессов взаимодействия плазмы воздуха с поверхностью теплозащитных материалов разработан высокоресурсный ГНП постоянного тока с расширяющимся каналом выходного электрода, обладающий высоким КПД и стабильностью работы в широком диапазоне изменения силы тока и расхода плазмообразую-щего газа.
Работа выполнена в рамках Госзадания ОИВТРАН по направлению 15 «Исследование электрофизических и тепловых процессов в многофазных и реагирующих средах». ГР01201357834 и при частичной поддержке грантов РФФИ № 16-08-00245 и 17-08-00127.
Литература
1. Гаджиев М.Х., Тюфтяев А.С., Саргсян М.А., Демиров Н.А., Щербаков В.В. Диагностический комплекс для исследования взаимодействия плазменной струи с термостойкими материалами // Вестник Дагестанского государственного университета. Сер.: Естественные науки. - 2016. - Т. 31, вып. 1. - С. 22-27.
2. Ageev A.G., Kavyrshin D.I., Sargsyan M.A., Gadzhiev M.Kh., Chinnov V.F. Détermination of graphite sublimation rate in high enthalpy plasma flow using 'laser knife' method // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2017. - Vol. 107. - Р. 146-153.
3. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. - М., Энергия, 1976. -
392 с.
4. Михатулин Д. С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Теплообмен, термохимическое и термоэрозионное разрушение тепловой защиты. - М.: Янус-К, 2011. - 520 с.
5. Исакаев Э.Х., Синкевич О.А., Тюфтяев А.С., Чиннов В.Ф. Исследование генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода и некоторые его применения // ТВТ. - 2010. - Т. 48, № 1. - С. 105-134.
6. Gadzhiev M. Kh., Kulikov Y.M., Panov V.A., Son E.E. and Tyuftyaev A.S. Supersonic Plasmatron Nozzle Profiling with the Real Properties of High Temperature Working Gas // High Temperature. - 2016. - Vol. 54, № 1 - Р. 38-45.
7. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы. - М.: Энергоатомиз-дат, 1985. - 264 с.
8. ЖуковМ. Ф., Засыпкин И.М., Тимошевский А.Н., Михайлов Б.И., Десятков Г.А. Электродуговые генераторы термической плазмы. Низкотемпературная плазма. Т. 17. -Новосибирск: Наука, 1999. - 712 с.
9. Асиновский Э.И., Кириллин А.В., Низовский В.Л. Стабилизированные электрические дуги и их применение в теплофизическом эксперименте. - М.: Физматлит, 2008. - 264 с.
10. Авилова И.В., Биберман Л.М. и др. Оптические свойства горячего воздуха. -М.: Наука, 1970. - 320 с.
11. Суржиков С.Т. Оптические свойства газов и плазмы. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 576 с.
12. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. - М.: Наука, 2006. -
472 с.
13. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. - М.: Наука, 1982. - 379 с.
14. Низкотемпературная плазма / под ред. Энгельшта В.С., Урюкова Б.А. Т. 1. Теория столба электрической дуги. - Новосибирск: Наука, 1990. - 375 с.
15. Методы исследования плазмы / под ред. В. Лохте-Хольтгревена. - М.: Мир, 1971. - 552 с.
16. Konjevic N., Lesage A., Fuhr J.R and Wise W.L. Experimental Stark Widths and Shifts for Spectral Lines of Neutral and Ionized Atoms // J. Phys. Chem. Ref. Data. - 2002. -Vol. 31, № 3.
Поступила в редакцию 28 февраля 2018 г.
UDK 533.9.07
DOI: 10.21779/2542-0321-2018-33-1-50-56
Low-temperature plasma generator for investigation of plasma jet with heat-resistant
materials
M.Kh. Gadzhiev, A.S. Tyuftyaev, E.Kh. Isakaev, N.A. Demirov
Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT); Russia, 125412, Moscow, Izhorskaya st., 13, Bd. 2; [email protected]
High-enthalpy swirl-stabilized divergent-duct DC air plasma torch has been developed to study the thermal and electro-optical properties of hot reacting gases and plasma and also for refractory materials testing. To increase the efficiency and thereby reduce the heat losses in the water-cooled parts it is provided to combine the anode with the nozzle, which allowed to increase the efficiency of the plasma torch up to 80 %. The current-voltage characteristic appears to be unchangeable with increasing current strength, unlike the cylindrical channel plasma torches where the current-voltage characteristic is predominantly recessive. The former allows to increase electrodes lifetime and to reduce the requirements for power supply arc-stabilizing control systems. Electrical, calorimetric and spectral methods have shown the low-temperature plasma generator providing the following gas properties in the outlet portion: the jet divergence angle of 2a = 120, the jet diameter of 10-12 mm, the enthalpy of 16-40 kJ/g, the average mass temperature of 8-11 kK. At electric arc discharge power of 20-50 kW and a plasma-forming gas flow rate of 1-2 g/s the measured electron concentration reaches approximately ne ~ 1016 cm- . Depending on the initial conditions the plasma flow velocity varies from 990 to 300 m/s with distance being varied in the range of 0-30 mm from the nozzle outlet.
Keywords: low-temperature plasma generators, plasma torch, current-voltage characteristic, spectroscopy.
Received 28 January, 2018
