BADANIA POLA TEMPERATURY W KOMORZE WYŁADOWCZEJ REAKTORA PLAZMOWEGO

Transkrypt

1 BADANIA POLA TEMPERATURY W KOMORZE WYŁADOWCZEJ REAKTORA PLAZMOWEGO Opracował: mgr inż.. Jarosław Diatczyk Opiekun: prof. dr hab. inż. Henryka D. Stryczewska Lublin, 11 grudnia 2008 r.

2 Obszary prac badawczych i wdrożeniowych Instytutu Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki Lubelskiej Technologie Plazmowe w Inżynierii Ochrony Środowiska - przemysłowe systemy generacji ozonu i obróbki wody, - plazmowe metody usuwania zanieczyszczeń powietrza, ścieków - układy zasilania ozonatorów i reaktorów nietermicznej plazmy, - modelowanie matematyczne reaktorów plazmowych Zastosowania nadprzewodnictwa - magnesy nadprzewodnikowe - ograniczniki prądów zwarciowych, - systemy gromadzenia energii SMES, - badania materiałów nadprzewodnikowych - modelowanie matematyczne zjawisk i urządzeń Kompatybilność elektromagnetyczna - wpływ pól elektromagnetycznych na organizmy żywe, - monitorowanie zakłóceń elektromagnetycznych i akustycznych Odnawialne źródła energii Energo-oszczędne technologie elektromagnetyczne dla ochrony zdrowia i środowiska

3 Główne osiągnięcia i zastosowania przemysłowe projekt i budowa układów zasilania generatorów ozonu ze statycznymi magnetycznymi przekształtnikami częstotliwości Wytwórnia Wód Mineralnych w Grodzisku Wlkp. (1985) przenośne układy zasilania dla reaktorów wieloelektrodowych do badań skuteczności plazmowych metod unieszkodliwiania toksycznych zanieczyszczeń powietrza - 3 patenty krajowe No: PL (1993), PL (1997), PL (2000), umowa licencyjna z Sunnen Technology SARL w Paryżu na wytwarzanie i sprzedaż zasilaczy reaktorów plazmy ślizgającego się łuku elektrycznego, Francja (1995) wdrożenie instalacji obróbki lotnych substancji organicznych w lakierni odlewni w Lublinie (1996)

4 POLITECHNIKA LUBELSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI European Centre of Excel l ence f or the Appl i cati on of Superconducti ng and Pl asma Technol ogi es i n Power Engi neeri ng Nadbystrzycka 38A Lublin - POLAND Tel./fax: asppect@hostingpro.pl Dyrektor centrum: Tadeusz Janowski PhD (Eng), DSc, prof. Dyrektor menedżer Henryka Danuta Stryczewska PhD, DSc Eng. Prof. of LUT Centrum ASPPECT prowadzi badania w zakresie zastosowań technologii plazmowych i nadprzewodnikowych w energetyce, upowszechnia wyniki badań poprzez: proces edukacyjny, kursy, studia podyplomowe, studia doktoranckie warsztaty, seminaria, konferencje tematyczne. Zadaniem centrum jest prowadzenie badań na bazie współpracy międzynarodowej oraz przyspieszanie rozwoju regionu i kraju, poprzez zacieśnianie współpracy ośrodków badawczych z przemysłem.

5 Temat i teza pracy doktorskiej Temat pracy: BADANIE POLA TEMPERATURY W KOMORZE WYŁADOW DOWCZEJ REAKTORA PLAZMOWEGO Cel pracy: Celem pracy doktorskiej jest opracowanie algorytmu symulacji numerycznej pola temperatury w komorze wyładowczej reaktora plazmowego oraz stworzenie stanowiska laboratoryjnego do weryfikacji wyników otrzymanych za pomocą analizy numerycznej. Teza: Analiza numeryczna rozkładu pola temperatury w komorze wyładowczej reaktora plazmowego pozwoli określić korzystne parametry pracy reaktora oraz wymagania stawiane układowi zasilania.

6 Pojęcie temperatury W celu scharakteryzowania stanu energetycznego cząstek występujących w plazmie wprowadzono energetyczną skalę temperatur, której podstawową jednostką jest 1 ev. Modelem dla tak dobranej skali jest gaz dwuwymiarowy, którego cząsteczki mają jedynie dwa stopnie swobody. Dla cząsteczki takiego gazu słuszne jest równanie: gdzie: E energia, k stała Boltzmanna, T temperatura. Z równania tego otrzymujemy: T = E k = E = kt 19 1eV 1, J 4 = 1,16 10 K k 23 J 1, K co oznacza, że temperaturze 1eV w skali energetycznej odpowiada K.

7 Klasyfikacja plazmy Plazmą niskotemperaturową (nietermiczną) nazywamy plazmę, w której średnia energia elektronów nie przekracza energii jonizacji podstawowego komponentu ośrodka tworzącego plazmę (ok. 10 ev). Oznaczając Te, Tj i Tg odpowiednio temperaturę elektronów, jonów i cząstek obojętnych można wyróżnić dwa skrajne przypadki: T e co oznacza, że średnia energia kinetyczna wszystkich cząstek plazmy jest w przybliżeniu jednakowa. Układ znajduje się w stanie zbliżonym do równowagi termodynamicznej. Ten rodzaj plazmy niskotemperaturowej określa się jako plazmę kwazirównowagową albo izotermiczną. T j co oznacza, że średnia energia kinetyczna elektronów i jonów oraz cząstek obojętnych jest na tyle różna, że nie można mówić o stanie równowagi termodynamicznej między cząstkami układu. Ten rodzaj plazmy niskotemperaturowej nazwano plazmą nierównowagową albo nieizotermiczną nawet wtedy, gdy lokalnie równowaga może występować albo w odniesieniu do wszystkich cząstek, albo do cząstek określonego rodzaju. T > T > e j T T g g

8 Porównanie parametrów plazmy Parametry plazmy Stan równowagi Gęstość elektronów, n e (elektrony/m 3 ) Ciśnienie, p (Pa) Temperatura elektronów, T e (ev) Temperatura gazu, T g (ev) Prąd łuku, I (A) Promieniowanie Stopień jonizacji plazma nietermiczna równowaga kinetyczna < n e < < p < ,2 < T e < 2,0 0,025 < T g < 0,5 1 < I < 50 nieokreślone nieokreślony plazma termiczna równowaga termiczna < n e < < p < ,0 < T e < 10 T g = T e 50 < I < 10 4 równowagowe Saha Właściwości plazmy są najczęściej obliczane przy założeniu równowagi termicznej, które dla wielu przypadków jest prawdziwe. Ponieważ obliczenia właściwości plazmy nierównowagowej są bardzo złożone, a w plazmotronach łukowych odchylenia od stanu równowagi są niezbyt duże, stąd do wyznaczenia właściwości plazmy często stosuje się zależności prawdziwe dla stanów równowagi

9 Reaktor ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym (Glid-Arc) Rys. 1. Konstrukcja reaktora Glid-Arc Rys. 2. Reaktor Glid-Arc w trakcie pracy

10 Budowa reaktora Glid-Arc Parametry konstrukcyjne reaktora plazmowego Długość elektrod roboczych Długość elektrody zapłonowej Średnica elektrody zapłonowej Średnica dyszy wlotowej Średnica komory wyładowczej Materiał elektrod roboczych Materiał elektrody zapłonowej 141 mm 15 mm 0,8 mm 3 mm 80 mm stal 0H18N9 wolfram Rys. 3. Trójfazowy reaktor plazmowy z dodatkową elektrodą zapłonową: 1 komora wyładowcza, 2 dysza wlotu gazu, 3, 4 elektroda zapłonowa z zasilaniem, 5, 6 elektroda robocza z zasilaniem Przepustowość dyszy 8 m 3 /h Przerwa międzyelektrodowa (regulowana) W strefie zapłonu 1-6 mm W strefie gaśnięcia mm

11 Cykl pracy reaktora plazmowego Przebicie przerwy międzyelektrodowej pod wpływem pola elektrycznego. Prąd łuku rośnie bardzo szybko, a napięcie maleje. Łuk jest przesuwany pod wpływem przepływu gazu (powietrza). Ze względu na kształt elektrod rośnie długość łuku. Do utrzymania łuku potrzeba coraz więcej mocy. W chwili, gdy Z łuku =Z zewn, łuk pobiera ½ mocy dostarczanej z układu zasilania. Jest to maksymalna moc, która może być przekazana z układu zasilania. Długość łuku nadal rośnie, ale mocy dostarczanej z układu zasilania brakuje, aby zbalansować stratę energii na skutek termicznej jonizacji gazu. Łuk zmienia mechanizm jonizacji na nietermiczny (plazma nierównowagowa). Nietermiczny mechanizm jonizacji utrzymuje się do chwili zgaśnięcia łuku. Łuk gaśnie. Rys. 4. Cykl pracy reaktora GlidArc Rys. 5. Charakterystyka zewnętrzna

12 Transmisja energii w reaktorze Glid-Arc Zasadniczą rolę odgrywają dwa procesy: jonizacja termiczna (wrażliwa na temperaturę gazu) bezpośrednia jonizacja elektronowa (wrażliwa na pole elektryczne) Uzasadnienie: Temperatura gazu i temperatura elektronowa stabilizują się na poziomie 300K i 10000K odpowiednio. (na podstawie analizy spektroskopowej widma). Rys. 6. Rozwój wyładowania w reaktorze Glid-Arc

13 Długość łuku Następnym celem jest wyznaczenie krytycznej długości łuku. W tym celu należy rozpatrzyć geometrię łuku w reaktorze Glid-Arc. Długość łuku w reaktorze plazmowym zależy od: prędkości przepływu gazu przez komorę wyładowczą kształtu i materiału elektrod parametrów elektrycznych układu zasilania l = X Ł X P f '( x) 2 2 dx f`(x) - równanie krzywej opisującej kolumnę łukową (w chwili zapłonu wyładowania równanie to ma postać y=0) Rys. 7. Geometria łuku w reaktorze Glid-Arc

14 Długość łuku - uproszczenia Straty energii związane są wyłącznie z jonizacją termiczną i bezpośrednią jonizacją elektronową. Poprzeczna prędkość przepływu gazu jest dużo mniejsza od prędkości podłużnej (do 5%). Pomijana jest elektroda zapłonowa. Można rozpatrzyć model dwuwymiarowy (dwie elektrody robocze). l( t) = l + α l 0 - długość łuku w chwili t=0, v - prędkość gazu, t - czas. 0 v t Rys. 8. Uproszczone wyznaczanie długości łuku

15 Równanie Mayra: g( t) I 1 dg dt Wymuszenie sinusoidalne: Dla jednostki długości łuku: + Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Wyznaczanie długości krytycznej łuku 1 1 G = i 2 ( t ) τ τ P M cos 2ω t + 2τ 1 + (2τ M O i( t) = I m sin ω t 2 m M = 2 2PO M ω ) ϖ sin 2ω t Uwzględniając zmienną w czasie długość łuku: g( t) I 1 cos 2ω t + 2τ 1 + (2τ 2 m M = 2 2l( t) PO M ω ) Moc tracona w łuku: ~ G arc T 1 = g t t = T ( ) d 0 2 i ( t) p arc ( t) = g( t) I 2l 2 m crit P O ϖ sin 2ω t Od strony układu zasilania (śr. konduktancja): Rys. 9. Uproszczony model do wyznaczania długości krytycznej Porównując susceptancje: l crit = ω LI 2P 2 m O 1 ω = ~ G arc L Otrzymujemy długość łuku przy której następuje zmiana sposobu jonizacji:

16 Weryfikacja wyników Przy wykorzystaniu symulacji komputerowych szczególne miejsce zajmuje praktyczna weryfikacja otrzymanych wyników. Metody spektroskopowe (analiza stosunku linii widmowych). Metody obrazowe (analiza za pomocą szybkiej kamery). Technika mikrofalowa radiometria. Rys. 10. Wyniki analizy numerycznej Rys. 11. Pomiary termowizyjne

17 Metody spektroskopowe Spektrum promieniowania charakteryzuje się zależnością intensywności promieniowania od długości fali. Z kolei, długość fali promieniowania jest ściśle określoną wielkością i wyznaczana jest wprost z różnicy energii początkowego i końcowego stanu przejścia, a intensywność promieniowania wyznacza się obsadzeniem górnego energetycznego poziomu i prawdopodobieństwem takiego przejścia. Zdolność promieniowania w linii spektralnej odpowiadającej określonemu przejściu w atomie (molekule) jest wprost proporcjonalna do obsadzenia górnego poziomu energetycznego. Jeśli znane jest prawdopodobieństwo przejścia i system jest wykalibrowany tak, że znany jest stosunek intensywności sygnału do liczby fotonów podających można wyznaczyć obsadzenie górnego poziomu, a na tej podstawie temperaturę. Rys. 12. Spektrum emisyjne argonu

18 Spektrometr SL USB Linear sensor: Number of pixels: Width of pixels, µm: Height of pixels, mm: Spectral response, nm: Min. exposure time, ms: Max. exposure time at 20 C, s: Min. time between scans, µs Dynamic range for 1 scan: Analog to digital converter: Synchronization: Computer interface: TCD 1304AP , ,4 0,5 1,0 1100:1 12 bit, 4096 counts internal, external USB

19 Wyznaczanie T e (Ar) Zakładamy Boltzmanowskie obsadzenie wzbudzonych poziomów, aby wprowadzić pojęcie temperatury. Stosując wzór na obsadzenie wzbudzonych poziomów budujemy zależność graficzną i sprawdzamy czy jest liniowa Na podstawie kąta nachylenia charakterystyki wyznaczmy Te Linie emisyjne Ar (NAST): λ, µm E 2, ev g 1 f 12 Ln(I)+B ,7635 0, , , ,214 0, ,852 13, , y = -2,6159x + 53,509 0,912 0, ,9 14, ,142 0,00363 R ,9898 = E, ev 12, , , ,5 0, , , , , ,48 15, , ,0173 T e, ev = 0,382278

20 Wyznaczanie T e (0 2 ) v E 2, ev (g1*f12)eff G (czułość spektr) i i fon I=(i-i fon )/G 777, , , , , , , , , , , , , , ,687 10, , ,5 39 Ln(I)+B y = -2,8633x + 69,65 T e, ev = 0, E, ev

21 Modelowanie multipletów Rys. 13. Multiplet molekuły tlenu

22 Technologiczne zastosowania plazmy Dekompozycja tlenków siarki i azotu oraz lotnych substancji organicznych (VOCs) w gazach wylotowych generowanych w przemysłowych procesach wytwarzania energii, spalania, lakierownia - wzbudzone cząstki plazmy, elektrony, rodniki, jony oraz promieniowanie UV aktywnie uczestniczą w reakcjach plazmo-chemicznych Wytwarzanie wodoru i siarki z siarkowodoru H 2 S Konwersja gazów cieplarnianych (CO 2, C 2 H 4 ) w gaz syntezowy i paliwa ciekłe, Oczyszczanie wody pitnej, usuwanie zanieczyszczeń organicznych ze ścieków, Procesy dezynfekcji i pasteryzacji w medycynie, przemyśle rolnym i spożywczym. Generacja promieniowania UV i VUV, ekscymery, optyczna spektroskopia emisyjna Obróbka powierzchniowa materiałów, procesy wytrawiania Elektronika i mikroelektronika żywice poliamidowe, wolfram, tantal, tlenki krzemu, fotorezystory, oczyszczanie powierzchni, procesy łączenia, substancje powierzchniowo czynne, barwniki, usuwanie powłok malarskich Synteza nowych materiałów Otrzymywanie nano-materiałów węgłowych (włókna, rurki), fulerenów, organicznych, o unikalnych właściwościach wytrzymałościowych, optycznych, magnetycznych, elektrycznych.

23 Podsumowanie Technologie plazmowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle i ochronie środowiska Nierównowagową plazmę niskotemperaturową można wytwarzać w reaktorach ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym Nierównowagowe warunki występują po przekroczeniu pewnej krytycznej długości łuku. Metody spektroskopowe pozwalają określić temperatury obsadzenia wzbudzonych poziomów energetycznych T e, T vib, T rot (np. dla Ar, Cu, O 2,, N 2+ ) Dla plazmy nierównowagowej wystarczy zachowanie Boltzmanowskiego obsadzenia poziomów energetycznych. Znajomość powyższych temperatur pozwoli ocenić stopień nierównowagi termodynamicznej wytwarzanej plazmy i dobrać wymagane parametry układu zasilania.