ANALIZA NUMERYCZNA MIKROFALOWEGO MODUŁU PLAZMOWEGO DO PRODUKCJI WODORU



Podobne dokumenty
OPTYMALIZACJA TRANSFERU ENERGII W MIKROFALOWYM (915 MHz) GENERATORZE PLAZMY O STRUKTURZE WSPÓŁOSIOWEJ

PL B1. FAKRO PP SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Nowy Sącz, PL BUP 22/ WUP 05/12. WACŁAW MAJOCH, Nowy Sącz, PL

SERI A 93 S E RI A 93 O FLUSH GRID WITHOUT EDGE TAB

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Grupa bezpieczeństwa kotła KSG / KSG mini

Pomiar prędkości dźwięku w metalach

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. ZADANIE TEORETYCZNE 2 CHŁODZENIE LASEROWE I MELASA OPTYCZNA

Metrologia cieplna i przepływowa

Temat: Co to jest optymalizacja? Maksymalizacja objętości naczynia prostopadłościennego za pomocą arkusza kalkulacyjngo.

PRZEPISY KLASYFIKACJI I BUDOWY STATKÓW MORSKICH

DTR.ZL APLISENS PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ INSTRUKCJA OBSŁUGI (DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA)

Standardowe tolerancje wymiarowe

Ćwiczenie: "Ruch harmoniczny i fale"

UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH

WZORU Y1 (2?) Numer zgłoszenia: /TJ\ ]ntc]7-

SPRAWDZIANY Z MATEMATYKI

Kategoria środka technicznego

WYBRANE MODERNIZACJE POMP GŁÓWNEGO OBIEGU PARA-WODA ELEKTROWNI

Rozbudowa domu przedpogrzebowego na cmentarzu komunalnym w Bierutowie. Specyfikacja techniczna wykonania i odbioru robót budowlanych - Okna i drzwi

KOMISJA WSPÓLNOT EUROPEJSKICH. Wniosek DECYZJA RADY

WZORU UŻYTKOWEGO EGZEMPLARZ ARCHIWALNY. d2)opis OCHRONNY. (19) PL (n) Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa, PL

System centralnego ogrzewania

Kategoria środka technicznego

Gruntowy wymiennik ciepła PROVENT- GEO

PREFABRYKOWANE STUDNIE OPUSZCZANE Z ŻELBETU ŚREDNICACH NOMINALNYCH DN1500, DN2000, DN2500, DN3200 wg EN 1917 i DIN V

NOWOŚCI Z ZAKRESU SYSTEMU SWR

Transport Mechaniczny i Pneumatyczny Materiałów Rozdrobnionych. Ćwiczenie 2 Podstawy obliczeń przenośników taśmowych

Opis programu do wizualizacji algorytmów z zakresu arytmetyki komputerowej

Urządzenie do odprowadzania spalin

NACZYNIE WZBIORCZE INSTRUKCJA OBSŁUGI INSTRUKCJA INSTALOWANIA

Skraplanie gazów metodą Joule-Thomsona. Wyznaczenie podstawowych parametrów procesu. Podstawy Kriotechniki. Laboratorium

Instrukcja montażu aparatu w obudowie meblowej

Aparatura Przemysłu Chemicznego Projekt: Wymiennik ciepła

14P2 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - II POZIOM PODSTAWOWY

LABORATORIUM TECHNOLOGII NAPRAW WERYFIKACJA TULEJI CYLINDROWYCH SILNIKA SPALINOWEGO

Regulamin programu "Kredyt Hipoteczny Banku BPH. Obowiązuje od dnia: r.

Od redakcji. Symbolem oznaczono zadania wykraczające poza zakres materiału omówionego w podręczniku Fizyka z plusem cz. 2.

Sterowanie maszyn i urządzeń

Politechnika Białostocka

Wyznaczenie sprawności grzejnika elektrycznego i ciepła właściwego cieczy za pomocą kalorymetru z grzejnikiem elektrycznym

Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

Instrukcja Laboratoryjna

ANALOGOWE UKŁADY SCALONE

Przykład 1.a Ściana wewnętrzna w kondygnacji parteru. Przykład 1.b Ściana zewnętrzna w kondygnacji parteru. Przykład 1.c Ścian zewnętrzna piwnic.

PORÓWNANIE WYNIKÓW ANALIZY MES Z WYNIKAMI POMIARÓW TENSOMETRYCZNYCH DEFORMACJI KÓŁ KOLEJOWYCH ZESTAWÓW KOŁOWYCH

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo fotowoltaiczne

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 09/06. ROBERT P. SARZAŁA, Łódź, PL WŁODZIMIERZ NAKWASKI, Łódź, PL MICHAŁ WASIAK, Łódź, PL

Lekcja 173, 174. Temat: Silniki indukcyjne i pierścieniowe.

8. Zginanie ukośne. 8.1 Podstawowe wiadomości

Projekt robót remontowych II pawilonu i łącznika Szkoły Podstawowej w Błażowej

GPD Gumowe wkłady uszczelniaja ce

Zbiorniki hydroforowe

PL B1. SZWAJCA TADEUSZ STOSOWANIE MASZYN, Katowice, PL BUP 10/11. TADEUSZ SZWAJCA, Katowice, PL

Energooszczędne oświetlenie. Maciej Lewandowski Członek Polskiego Komitetu Oświetleniowego, THORN

888 A 888 V 1. ZASTOSOWANIE 2. BUDOWA GENERATOR NAPIĘCIA 3-FAZOWEGO L2 L3 N PE

Spis zawartości Lp. Str. Zastosowanie Budowa wzmacniacza RS485 Dane techniczne Schemat elektryczny

INSTRUKCJA OBSŁUGI WD2250A. WATOMIERZ 0.3W-2250W firmy MCP

HiTiN Sp. z o. o. Przekaźnik kontroli temperatury RTT 4/2 DTR Katowice, ul. Szopienicka 62 C tel/fax.: + 48 (32)

PROJEKT BUDOWLANY PROJEKT ZAGOSPODAROWANIA TERENU

NUMER IDENTYFIKATORA:

WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji. Laboratorium Obróbki ubytkowej materiałów.

Rozdział 1 Postanowienia ogólne

NOWELIZACJA USTAWY PRAWO O STOWARZYSZENIACH

WZÓR PORÓWNANIA OFERT DLA PRZYKŁADOWYCH BANKÓW

Zakłócenia. Podstawy projektowania A.Korcala

Badania (PN-EN A1:2010) i opinia techniczna drzwi zewnętrznych z kształtowników aluminiowych z przekładką termiczną systemu BLYWEERT TRITON

PL B1. POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL BUP 01/11. RAFAŁ TALAR, Kościan, PL WUP 12/13

Rys. 1. Rysunek do zadania testowego

Samochody ciężarowe z wymiennym nadwoziem

Rodzaj środka technicznego

ZASADY WYPEŁNIANIA ANKIETY 2. ZATRUDNIENIE NA CZĘŚĆ ETATU LUB PRZEZ CZĘŚĆ OKRESU OCENY

ZASADY BEZPIECZEŃSTWA W PROJEKTOWANIU I UTRZYMANIU KOMINÓW W ŚWIETLE PRZEPISÓW USTAWY PRAWO BUDOWLANE

SZCZEGÓŁOWE SPECYFIKACJE TECHNICZNE D TYMCZASOWE NAWIERZCHNIE Z ELEMENTÓW PREFABRYKOWANYCH

OPIS PRZEDMIOTU ZAMÓWIENIA. Część VII- meble seminaryjne - Instytut Biologii

Szczegółowe Specyfikacje Techniczne Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych CPV Branża elektryczna

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego 23 marca 2012 r. zawody III stopnia (finałowe)

KIEKRZ-Plaża PARKOWA i PLAŻA ŁABĘDZIA

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Badanie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej

Soczewkowanie grawitacyjne 3

(13) B1 PL B1. (21) Numer zgłoszenia F24H 1/36. Vetter Richard, Peine-Dungelbeck, DE. Richard Vetter, Peine-Dungelbeck, DE

Kategoria środka technicznego

D TYMCZASOWE NAWIERZCHNIE Z ELEMENTÓW PREFABRYKOWANYCH

Badanie silnika asynchronicznego jednofazowego

Rodzaj środka technicznego. Stan techniczny obiektu. Opis działania, przeznaczenie środka technicznego. Podstawa metodologiczna wyceny.

PRAWA AUTORSKIE ZASTRZEŻONE. Kraków, listopad 2010 r

EGZEMPLARZ ARCRMLW 9 OPIS OCHRONNY PL Data zgłoszenia: WZORU UŻYTKOWEGO 13) Y1. (2\J Numer zgłoszenia:

Wykorzystanie energii słonecznej

PODNOŚNIK KANAŁOWY WWKR 2

Wpływ zmian klimatu na sektor rolnictwa

Matematyka z plusemdla szkoły ponadgimnazjalnej WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE TRZECIEJ LICEUM. KATEGORIA B Uczeń rozumie:

3. BADA IE WYDAJ OŚCI SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ

BILANS CIEPLNY AGREGATU GRZEWCZEGO

Sterownik Silnika Krokowego GS 600

DEKLARACJA WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH

UCHWAŁA NR X/143/2015 RADY MIEJSKIEJ WAŁBRZYCHA. z dnia 27 sierpnia 2015 r. w sprawie utworzenia Zakładu Aktywności Zawodowej Victoria w Wałbrzychu

Ć W I C Z E N I E N R O-10

Transkrypt:

Michał SOBAŃSKI Mariusz JASIŃSKI Jerzy MIZERACZYK ANALIZA NUMERYCZNA MIKROFALOWEGO MODUŁU PLAZMOWEGO DO PRODUKCJI WODORU STRESZCZENIE Mikrofalowy moduł plazmowy (MMP) służy do produkcji wodoru poprzez reforming węglowodorów. W pracy przedstawiono wyniki optymalizacji transferu energii w MMP o strukturze współosiowej zasilanym falowodem WR 340. W omawianym MMP wyładowanie mikrofalowe powstaje pod ciśnieniem atmosferycznym, a częstotliwość pracy wynosi 2,45 GHz. Wyniki analizy numerycznej pokazują, że dla wybranej konfiguracji MMP minimalny stosunek mocy fali odbitej do mocy fali padającej osiąga wartości poniżej 5% w szerokim zakresie zmian położenia elementu strojącego. Słowa kluczowe: mikrofalowy moduł plazmowy, mikrofalowy generator plazmy, wyładowanie mikrofalowe, produkcja wodoru 1. WSTĘP Mikrofalowe moduły plazmowe (MMP) znajdują zastosowanie w spektroskopii, oczyszczaniu powierzchni, produkcji nanorurek węglowych, sterylizacji, oraz obróbce gazów i cieczy [1, 2, 3]. Prezentowany MMP jest ulepszoną wersją MMP używanego do produkcji wodoru w procesie konwersji węglowodorów [4, 5]. Omawiany w tym artykule MMP pracuje na częstotliwości 2,45 GHz i jest zasilany falowodem WR 340. Wyładowanie mikrofalowe powstaje w gazie pod ciśnieniem atmosferycznym. mgr inż. Michał SOBAŃSKI 1), dr inż. Mariusz JASIŃSKI 1) e-mail: msobanski@imp.gda.pl; mj@imp.gda.pl prof. dr hab. inż. Jerzy MIZERACZYK 1),2) e-mail: jmiz@imp.gda.pl 1) Ośrodek Techniki Plazmowej i Laserowej, Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego, Polska Akademia Nauk 2) Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w Gdyni PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 261, 2013

106 M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk Optymalizacja prezentowanego MMP polega na obliczeniu wymiarów elementów konstrukcyjnych, które zapewnią minimalny stosunek mocy fali odbitej P R do mocy fali padającej P I w płaszczyźnie wejściowej w możliwie najszerszym zakresie zmian położenia zwieraka falowodowego l s. Zwierak falowodowy stanowi element strojący. Zależność stosunku P R / P I od położenia l s zwieraka falowodowego stanowi tak zwaną charakterystykę strojenia, która jest dobrym wskaźnikiem sprawności energetycznej omawianego MMP. Aby obliczyć optymalne wymiary kluczowych elementów konstrukcyjnych omawianego MMP posłużono się modułem RF programu Comsol Multiphysics, który korzysta z metody elementów skończonych. 2. KONSTRUKCJA MMP Na rysunku 1 przedstawiono szkic omawianego MMP, który składa się z odcinka falowodu prostokątnego WR 340 z wtrąconym prostopadle do szerszego boku falowodu odcinkiem linii współosiowej. Tor falowodowy zakończony jest ruchomym zwierakiem falowodowym, który stanowi główny element strojący. Rys. 1. Szkic konstrukcji Mikrofalowego Modułu Plazmowego do produkcji wodoru

Analiza numeryczna mikrofalowego modułu plazmowego do produkcji wodoru 107 W artykule przedstawiono wyniki obliczeń dla różnych konfiguracji omawianego MMP. Elementy konstrukcyjne występujące w poszczególnych konfiguracjach MMP oznaczono odpowiednimi literami na rysunku 1 i omówiono w dalszej części niniejszego artykułu. Konfiguracja I to MMP z elementem A (klinem i blokiem) i elementem B (wkładką teflonową), bez elementu C (bez rury kwarcowej). Konfiguracja II to MMP z elementem A (klinem i blokiem) i elementem C (rurą kwarcową) bez elementu B (wkładki teflonowej). Konfiguracja III to MMP z elementem B (wkładką teflonową), bez elementu A (bez klina i bloku) i bez elementu C (bez rury kwarcowej). Konfiguracja IV to MMP z elementem C (rurą kwarcową), bez elementu A (bez klina i bloku) i bez elementu B (bez wkładki teflonowej). Gaz roboczy przepływa w centralnym przewodzie odcinka linii współosiowej. Plazma tworzy się na wylocie centralnego przewodu linii współosiowej. Po przeciwnej stronie występowania plazmy linia jest zwarta. Główne parametry omawianego MMP to: a = 86,4 mm, b = 43,2 mm odpowiednio szerokość oraz wysokość standardowego falowodu prostokątnego WR 340, b 1 wysokość falowodu o obniżonej wysokości (zmienna w optymalizacji), λ g = 173,4 mm długość fali w falowodzie prostokątnym WR 340 (mod H 10 ), λ = 122,4 mm długość fali w próżni oraz w linii współosiowej, l s położenie zwieraka falowodowego, l w długość zwartego odcinka linii współosiowej (zmienna w optymalizacji), h w = 72 mm długość odcinka linii współosiowej z plazmą. W konfiguracji I oraz II omawianego MMP falowód prostokątny zawiera między płaszczyzną 2-2 a płaszczyzną 4-4 metalowy blok o wysokości b - b 1, gdzie b oznacza wysokość falowodu WR 340, a b 1 wysokość szczeliny utworzonej przez blok oraz ściankę falowodu. Zastosowanie bloku zapewnia wzrost natężenia pola elektrycznego w obszarze szczeliny. Obszar szczeliny to falowód o obniżonej wysokości. Między płaszczyzną 1-1 a płaszczyzną 2-2 wprowadzono do falowodu metalowy klin o długości λ g /2 (λ g - długość fali w falowodzie WR 340). Odcinek toru falowodowego z klinem tworzy falowód o liniowo zmiennej wysokości, który jest transformatorem admitancji. W konfiguracji II oraz IV omawianego MMP jest obecna cienkościenna (2 mm) rura kwarcowa zamontowana wzdłuż osi wyładowania, która zapobiega przedostawaniu się gazu do falowodu. Generowana plazma ma bardzo wysoką temperaturę i często dochodzi do uszkodzenia rury kwarcowej. W konfiguracji I oraz III omawianego MMP zamiast rury kwarcowej zastosowano wkładkę teflonową z centralnie wyciętym otworem o średnicy zewnętrznego przewodu linii współosiowej. Wkładka teflonowa znajduje się w chłodniejszej części MMP, więc jest mniej narażona na uszkodzenia termiczne. Jednak jej obecność

108 M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk w torze falowodowym silnie wpływa na własności elektryczne całego MMP, co przedstawiono w rozdziale 4 niniejszego artykułu. 3. ZAŁOŻENIA OBLICZENIOWE Celem analizy numerycznej przedstawionej w rozdziale 4 niniejszego artykułu jest obliczenie wartości parametrów konstrukcyjnych omawianego MMP, które zapewnią P R / P I poniżej 5% w możliwie jak najszerszym zakresie zmian znormalizowanego położenia zwieraka falowodowego (l s / λ g ). Parametry konstrukcyjne, które zmieniano w optymalizacji numerycznej to: wysokość falowodu o obniżonej wysokości b 1, długość zwartego odcinka linii współosiowej l w oraz średnica wewnętrznego przewodu linii współosiowej φ 1. Do obliczeń numerycznych przyjęto standardowy model jednolitej plazmy zgodnie z [6], w którym znormalizowana do częstości pola ω częstość zderzeń s wynosi 0,1. Znormalizowaną do koncentracji krytycznej n c koncentrację elektronów n przyjęto z przedziału od 10 do 200. Ponadto przyjęto, że plazma ma kształt walca o średnicy 20 mm i długości 80 mm i znajduje się tuż pod linią pod wewnętrznym przewodem linii współosiowej (rys. 1). Do obliczeń numerycznych przyjęto, że wszystkie ścianki MMP oraz wszystkie przewody toru współosiowego są doskonale przewodzące. Mikrofale o mocy 2 kw doprowadzono w płaszczyźnie 1-1 falowodem WR 340. Moduł RF programu Comsol Multiphysics pozwala obliczyć współczynnik odbicia Γ in w płaszczyźnie wejściowej generatora plazmy. Wartość P R / P I w danym położeniu zwieraka falowodowego można obliczyć za pomocą wzoru: PR ls ( P λ I g 2 in ) Γ. (1) Aby otrzymać pełną charakterystykę strojenia MMP, trzeba wykonać osobne obliczenia dla różnych znormalizowanych położeń zwieraka falowodowego l s / λ g, dlatego posłużono się mniej czasochłonną metodą przedstawioną w [7], gdzie MMP analizuje się jako dwuwrotnik zakończony zwierakiem. W tej metodzie wykorzystuje się moduł RF programu Comsol tylko do obliczenia macierzy rozproszenia dwuwrotnika, natomiast charakterystykę strojenia MMP oblicza się ze wzoru przedstawionego w [7]. Przeprowadzono analizę numeryczną omawianego MMP dla wszystkich konfiguracji MMP przedstawionych w rozdziale 2. Należy jednak zaznaczyć, że obecność cienkościennej rury kwarcowej w MMP została pominięta w analizie numerycznej.

Analiza numeryczna mikrofalowego modułu plazmowego do produkcji wodoru 109 4. WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ W rozdziale 4 niniejszego artykułu przedstawiono obliczone charakterystyki strojenia (rys. 2, rys. 3) przedstawione jako funkcje dwóch zmiennych: znormalizowanego położenia zwieraka falowodowego (l s / λ g ) oraz wysokości zwartego odcinka linii współosiowej l w. Wyniki zaprezentowano w postaci dwuwymiarowej mapy konturowej. Rys. 2. Obliczone numerycznie charakterystyki strojenia omawianego MMP dla różnych konfiguracji i dla różnych długości zwartego odcinka linii współosiowej l w. Wprowadzono średnicę wewnętrznego przewodu linii współosiowej równą 20 mm Charakterystyka strojenia przyjmuje wartości w zakresie od 0 do 1, jednak w artykule wyniki przedstawiono w zakresie od 0 do 0,25, aby skupić się na obszarze najkorzystniejszych wartości P R / P I. Zaprezentowano wyniki analizy numerycznej, w której przyjęto że znormalizowana częstość zderzeń s w plazmie i znormalizowana koncentracja elektronów n wynoszą odpowiednio 0,1 oraz 13,5. Dla modelu plazmy z tymi wartościami parametrów s oraz n, obliczenia numeryczne zgadzają się z wynikami eksperymentu w [8], co przedstawiono na rysunku 4.

110 M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk Rys. 3. Obliczone numerycznie charakterystyki strojenia omawianego MMP dla różnych konfiguracji i dla różnych długości zwartego odcinka linii współosiowej l w. Wprowadzono średnicę wewnętrznego przewodu linii współosiowej równą 25 mm Rys. 4. Charakterystyka omawianego MMP. Porównanie obliczeń numerycznych dla s = 0,1; n = 13,5 z wynikami eksperymentu. Wysokość falowodu o obniżonej wysokości b 1 wynosi 9,6 mm. Wykres pochodzi z pracy [8]

Analiza numeryczna mikrofalowego modułu plazmowego do produkcji wodoru 111 W artykule przedstawiono wyniki obliczeń dla dwóch średnic wewnętrznego przewodu linii współosiowej φ 1 = 20 mm oraz φ 1 = 25 mm. Jak widać na rysunku 2, dla średnicy φ 1 = 20 mm i konfiguracji II (z klinem i blokiem bez wkładki teflonowej), obliczona charakterystyka strojenia osiąga wartość poniżej 0,05 w stosunkowo szerokim zakresie zmian, zarówno znormalizowanego położenia zwieraka falowodowego l s / λ g, jak i długości zwartego odcinka linii współosiowej l w (rys. 2b). Natomiast dla średnicy φ 1 = 25 mm (rys. 3) obliczona charakterystyka strojenia osiąga wartość poniżej 0,05 dla konfiguracji I (z wkładką teflonową z klinem i blokiem) w stosunkowo szerokim zakresie zmian znormalizowanego położenia zwieraka falowodowego l s / λ g, ale w wąskich zakresach zmian l w (rys. 3a). 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE Przeprowadzona analiza numeryczna, której wyniki przedstawiono w niniejszym artykule, może pomóc w zaprojektowaniu MMP, którego charakterystyka strojenia spełni omówione kryteria optymalizacji. W procesie konwersji węglowodorów w MMP najczęściej wprowadza się metan, centralnie wzdłuż toru współosiowego, oraz osłonowy azot stabilizujący, wprowadzany w postaci wiru. W [9] przedstawiono charakterystyki strojenia podobnego MMP zasilanego falowodem WR 430. Charakterystyki strojenia w przypadku, gdy gazem roboczym był azot wprowadzany zarówno do bocznych otworów w torze współosiowym oraz centralnie wzdłuż toru współosiowego (natężenie przepływu 50 litrów na minutę), nie różniły się znacząco od tych, kiedy zamiast azotu wprowadzano metan centralnie wzdłuż toru współosiowego (natężenie przepływu od 88 litrów na minutę do 175 litrów na minutę). Azot w postaci przepływu wirowego osłania płynący centralnie węglowodór. Powstała plazma azotowa na zewnątrz plazmy węglowodorowej stanowi w pewnym stopniu niezmienny warunek brzegowy dla mikrofal w MMP. Wyniki przedstawione w [9] pokazują, że obecność azotu jako gazu osłonowego stabilizuje wyładowanie w MMP, tzn. kształt charakterystyki strojenia nie zależy silnie od gazu roboczego wprowadzanego centralnie wzdłuż toru współosiowego. Można zatem przyjąć, że wprowadzony model plazmy omówiony w rozdziale trzecim niniejszego artykułu, będzie w dużym stopniu poprawny w przypadku, gdy gazem roboczym będzie metan lub inny węglowodór, wprowadzany razem z osłonowym azotem. W używanym magnetronowym generatorze mikrofal około 70% energii elektrycznej pobieranej z sieci energetycznej przekształcana jest na energię

112 M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk mikrofal. Zatem artykuł przedstawia optymalizację transferu tychże 70% energii, na którą mają wpływ omówione parametry konstrukcyjne. Wydajność wytwarzania wodoru rośnie ze wzrostem mocy absorbowanej (P A P I - P R ) mikrofal w plazmie [5]. Zatem należy zadbać, aby moc fali odbitej P R była jak najmniejsza, co było celem przeprowadzonej optymalizacji. Wyniki analizy numerycznej pokazują, że kryterium optymalizacji zostanie spełnione dla konfiguracji II MMP (z blokiem i klinem, bez wkładki teflonowej) dla φ 1 = 20 mm (rys. 2b), oraz dla konfiguracji I MMP (z wkładką teflonową, blokiem i klinem) dla l w = 47 mm i φ 1 = 25 mm (rys. 3a). Należy tutaj podkreślić, że konfiguracje MMP bez wkładki teflonowej muszą posiadać rurę kwarcową, która jak wspomniano w rozdziale drugim niniejszego artykułu, jest podatna na uszkodzenia termiczne. Rozsądnym wydaje się wybór konfiguracji omawianego MMP bez rury kwarcowej. Badania zostały zrealizowane w ramach projektu rozwojowego NCBiR NR14-0091-10/2010. LITERATURA 1. Jasiński M., Mizeraczyk J., Zakrzewski Z.: Measurements of neutral gas temperature in microwave torch plasmas at atmospheric pressure, Czechoslovak Journal of Physics, v. 52, pp. 421-426, 2002. 2. Czylkowski D., Jasiński M., Mizeraczyk J., Zakrzewski Z.: Argon and neon plasma columns in continuous surface wave microwave discharge at atmospheric pressure, Czechoslovak Journal of Physics, v. 56, pp. B684-B689, 2006. 3. Kolacinski Z., Szymanski L., Raniszewski G., Wiak S.: Plasma synthesis of carbon nanotubes for electrical and electronic engineering, Przegląd Elektrotechniczny 12b, 2012. 4. Jasiński M., Dors M., Nowakowska H., Mizeraczyk J.: Hydrogen Production via Methane Reforming using various Microwave Plasma Sources, Chemicke Listy 102, pp. 1332-1337, 2008. 5. Jasiński M., Dors M., Mizeraczyk J.: Applications of atmospheric pressure microwave plasma source for production of hydrogen via methane reforming, European Physical Journal D, 54, n.2, pp. 179-183, 2009. 6. Nowakowska H., Jasiński M., Mizeraczyk J.: Electric Field Distribution and Energy Transfer in Waveguide-Based Axial-Type Microwave Plasma Source, Proceedings of Comsol Conference, Hannover 2008. 7. Nowakowska H., Jasiński M., Mizeraczyk J.: Optymalizacja transferu energii w mikrofalowym generatorze plazmy zasilanym falowodowo, Przegląd Elektrotechniczny, 07, 2010. 8. Sobański M., Jasiński M., Mizeraczyk J.: Optymalizacja mikrofalowego generatora plazmy o strukturze współosiowej zasilanego falowodem, Przegląd Elektrotechniczny,10b, 2012. 9. Hrycak B, Czylkowski D., Jasiński M., Mizeraczyk J.: Charakterystyki strojenia współosiowego mikrofalowego generatora plazmy w argonie, azocie i metanie pod ciśnieniem atmosferycznym, Przegląd Elektrotechniczny, 11b, 2012. Rękopis dostarczono dnia 11.03.2013 r.

Analiza numeryczna mikrofalowego modułu plazmowego do produkcji wodoru 113 NUMERICAL ANALYSIS OF MICROWAVE PLASMA MODULE FOR HYDROGEN PRODUCTION Michał SOBAŃSKI, Mariusz JASIŃSKI Jerzy MIZERACZYK ABSTRACT Microwave plasma module (MPM) is used for hydrogen production via conversion of hydrocarbons. We present optimization of energy transfer in the waveguide-supplied coaxial-line-based MPM. The MPM operates at atmospheric pressure and frequency of 2.45 GHz. The MPM is terminated with movable plunger which plays the role of the tuning element. Tuning characteristics are defined as the dependence of the P R / P I as a function of the position l s of the movable plunger, where P R and P I are power reflected and power incident, respectively. The powers P R and P I are measured in input plane of the MPM. Optimization has been performed using Comsol Multiphysics software. The main construction elements which have been optimized are the length of the shorted coaxial line section, the diameter of the inner conductor of coaxial line and finally the height of the reduced height waveguide section. Keywords: microwave plasma module, microwave plasma source, microwave discharges, hydrogen production Mgr inż. Michał SOBAŃSKI jest absolwentem Wydziału Elektrycznego Akademii Morskiej w Gdyni. Tytuł magistra inżyniera w specjalności Radioelektronika otrzymał w 2010 r. Od 1 stycznia 2010 r. pracuje na stanowisku asystenta w Instytucie Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk. Dr inż. Mariusz JASIŃSKI jest absolwentem Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. Stopień doktora otrzymał w 2003 r. w Instytucie Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk, gdzie aktualnie pracuje. Od 1 stycznia 2006 r. pełni funkcję Kierownika Zakładu Energetyki Wodorowej.

114 M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk Prof. dr hab. inż. Jerzy MIZERACZYK otrzymał dyplom magistra inżyniera na Politechnice Gdańskiej w 1966 r., stopień doktora na Uniwersytecie Gdańskim w 1975 r. oraz doktora habilitowanego na Politechnice Gdańskiej w 1988 r. Stopień naukowy profesora otrzymał z rąk Prezydenta RP w 1997 r. Aktualnie jest Kierownikiem Ośrodka Techniki Plazmowej i Laserowej Instytutu Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku.