EA037157B1 - Device for production of glow-discharge plasma - Google Patents
Device for production of glow-discharge plasma Download PDFInfo
- Publication number
- EA037157B1 EA037157B1 EA201900234A EA201900234A EA037157B1 EA 037157 B1 EA037157 B1 EA 037157B1 EA 201900234 A EA201900234 A EA 201900234A EA 201900234 A EA201900234 A EA 201900234A EA 037157 B1 EA037157 B1 EA 037157B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- plasma
- increase
- gas
- power supply
- collisions
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА(54) DEVICE FOR OBTAINING GLOW DISCHARGE PLASMA
037157 В1037157 B1
037157 Bl (57) Изобретение относится к области машиностроения, в частности к газоразрядным устройствам, и может быть использовано в системах конверсии углеводородного сырья, плазмохимии, лазерной техники, модификации порошковых материалов и др. Задачей заявляемого технического решения является повышение КПД устройства за счет повышения плотности плазмы. Поставленная задача решается тем, что устройство для получения плазмы тлеющего разряда, содержащее вертикально установленную рабочую камеру, анодный узел, расположенный в ее верхней части, и катодный узел, расположенный в ее нижней части и выполненный в виде мелкоячеистой решетки со слоем электропроводного порошка на ней, систему подачи и отвода газов и систему электропитания, дополнительно содержит электромагнитную систему, охватывающую полюсами рабочую камеру так, что вектор индукции магнитного поля перпендикулярен направлению потока газа, и источник ее электропитания переменным током. Сущность заявляемого технического решения заключается в увеличении количества столкновений между частицами за счет увеличения длины их траектории. Увеличение общего количества столкновений приводит к увеличению числа результативных столкновений и обеспечивает повышение КПД.037157 Bl (57) The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to gas-discharge devices, and can be used in systems for the conversion of hydrocarbons, plasma chemistry, laser technology, modification of powder materials, etc. The task of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the device by increasing the density plasma. The problem is solved by the fact that a device for producing a glow discharge plasma containing a vertically installed working chamber, an anode assembly located in its upper part, and a cathode assembly located in its lower part and made in the form of a fine-mesh lattice with a layer of electrically conductive powder on it, the system for supplying and removing gases and the power supply system, additionally contains an electromagnetic system covering the working chamber with poles so that the magnetic field induction vector is perpendicular to the direction of the gas flow, and its power supply source with alternating current. The essence of the proposed technical solution is to increase the number of collisions between particles by increasing the length of their trajectory. An increase in the total number of collisions leads to an increase in the number of effective collisions and provides an increase in efficiency.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к газоразрядным устройствам, и может быть использовано в системах конверсии углеводородного сырья, плазмохимии, лазерной технике, модификации порошковых материалов и др.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to gas-discharge devices, and can be used in systems for the conversion of hydrocarbon feedstock, plasma chemistry, laser technology, modification of powder materials, etc.
Известно устройство для получения плазмы при атмосферном давлении, содержащее камеру, анодный узел, катодный узел с диэлектриком и капиллярами, систему подачи газа, источник питания. Расстояние между электродами составляет не более 1 см, а плазма зажигается в каналах капилляров, выполненных из диэлектрика.A device for producing plasma at atmospheric pressure is known, comprising a chamber, an anode assembly, a cathode assembly with a dielectric and capillaries, a gas supply system, and a power source. The distance between the electrodes is no more than 1 cm, and the plasma is ignited in the capillary channels made of dielectric.
Недостатком аналога является слишком малый объем генерируемой плазмы, что накладывает существенные ограничения на область его использования. Увеличение межэлектродного расстояния требует подачи высоких напряжений для получения газового разряда и, соответственно, достаточно сложного электронного оборудования. Малый объем получаемой плазмы предопределяет чрезвычайно низкую производительность аналога, например, при конверсии углеводородов, и низкий коэффициент полезного действия (КПД) устройства.The disadvantage of the analogue is the too small volume of generated plasma, which imposes significant restrictions on the area of its use. An increase in the interelectrode distance requires the application of high voltages to obtain a gas discharge and, accordingly, rather sophisticated electronic equipment. The small volume of the produced plasma predetermines the extremely low productivity of the analogue, for example, in the conversion of hydrocarbons, and the low efficiency of the device.
Известно также устройство для получения плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении, содержащее рабочую камеру, анодный и катодный узлы, систему охлаждения катода, систему подачи и отвода газов и систему электропитания. Как следует из его описания, плазма зажигается посредством соприкосновения электродов. После зажигания плазмы электроды разводятся на требуемое расстояние, при этом потребляемая мощность устройства может достигать 5 кВт.It is also known a device for producing glow discharge plasma at atmospheric pressure, containing a working chamber, anode and cathode assemblies, a cathode cooling system, a system for supplying and removing gases and a power supply system. As follows from his description, the plasma is ignited by contacting the electrodes. After plasma ignition, the electrodes are separated to the required distance, while the power consumption of the device can reach 5 kW.
Недостатком рассматриваемого аналога также является его низкий КПД, обусловленный малым объемом генерируемой плазмы при большой потребляемой мощности. В корне данных недостатков лежат особенности электрического разряда в газах. Объем генерируемой плазмы определяется расстоянием между электродами и поперечным сечением разряда. Поскольку для пробоя газового промежутка длиной 1 см при атмосферном давлении требуется напряжение порядка ~10 кВ, что налагает существенные ограничения на конструкцию источника электропитания по электроизоляции, то на практике используют небольшие межэлектродные расстояния. Для получения требуемой эффективности плазмы повышают рабочие токи, что, в свою очередь, приводит к ее неконтролируемому разогреву и контракции газового разряда, т.е. шнурованию тока и последующему возникновению электрической дуги. Использование системы охлаждения отчасти решает данную проблему, однако это еще больше снижает КПД устройства, т.к. большая часть его мощности расходуется на нагрев деталей.The disadvantage of this analogue is also its low efficiency, due to the small volume of generated plasma at high power consumption. At the root of these shortcomings are the features of the electric discharge in gases. The volume of the generated plasma is determined by the distance between the electrodes and the cross section of the discharge. Since the breakdown of a gas gap 1 cm long at atmospheric pressure requires a voltage of the order of ~ 10 kV, which imposes significant restrictions on the design of the power supply for electrical insulation, then in practice small interelectrode distances are used. To obtain the required plasma efficiency, the operating currents are increased, which, in turn, leads to its uncontrolled heating and contraction of the gas discharge, i.e. lacing of the current and the subsequent occurrence of an electric arc. The use of a cooling system partly solves this problem, but this further reduces the efficiency of the device, since most of its power is spent on heating parts.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является устройство для получения плазмы тлеющего разряда, содержащее рабочую камеру, размещенные в ней анодный и катодный узлы, систему подачи и отвода газов и систему электропитания, при этом рабочая камера установлена вертикально, катодный узел расположен в ее нижней части и выполнен в виде мелкоячеистой решетки с расположенным на ней слоем электропроводного порошка.The closest to the claimed technical solution, its prototype is a device for producing glow discharge plasma, containing a working chamber, placed in it anode and cathode units, a gas supply and exhaust system and a power supply system, while the working chamber is installed vertically, the cathode unit is located in it the lower part and is made in the form of a fine-mesh lattice with a layer of electrically conductive powder located on it.
Подача рабочего газа приводит к закипанию слоя электропроводного порошка на катоде, что позволяет существенно снизить рабочее напряжение и многократно увеличить объем генерируемой плазмы. Использование кипящего катода позволяет значительно увеличить КПД устройства по сравнению с приведенными выше аналогами и за счет этого значительно расширить его технические возможности.The supply of the working gas leads to the boiling of the layer of electrically conductive powder at the cathode, which makes it possible to significantly reduce the operating voltage and multiply the volume of the generated plasma. The use of a boiling cathode makes it possible to significantly increase the efficiency of the device in comparison with the above analogs and, due to this, significantly expand its technical capabilities.
Недостатком прототипа является недостаточно высокий КПД устройства, связанный с особенностями траектории движения заряженных частиц в межэлектродном пространстве. КПД, например, процесса конверсии газов определяется долей результативных столкновений атомов, т.е. таких столкновений, которые приводят к возникновению их химического взаимодействия с образованием продукта конверсии. В общем случае доля результативных столкновений зависит от энергии ионов, определяемой напряжением между электродами, и возрастает при повышении напряжения. Однако повышение напряжения между электродами приводит к контракции разряда, разогреву плазмы и снижению КПД за счет уменьшения объема плазмы и протекания обратной химической реакции. Общее количество столкновений зависит от длины траектории ионов в межэлектродном пространстве. Перемешивание кипящего слоя восходящим потоком газа заметно увеличивает эту длину за счет турбулентности, что дает преимущества прототипу перед аналогами. Однако постоянное напряжение между электродами в процессе работы устройства приводит к минимизации длины пути заряженных частиц при их движении от катода к аноду, ионы стремятся преодолеть это расстояние по прямой. Плотность плазмы, определяемая количеством заряженных частиц на единицу ее объема, оказывается ниже реально возможной, что не позволяет достичь максимального КПД.The disadvantage of the prototype is the insufficiently high efficiency of the device associated with the features of the trajectory of charged particles in the interelectrode space. The efficiency, for example, of the gas conversion process is determined by the fraction of effective collisions of atoms, i.e. such collisions, which lead to the occurrence of their chemical interaction with the formation of a conversion product. In the general case, the fraction of effective collisions depends on the ion energy, determined by the voltage between the electrodes, and increases with increasing voltage. However, an increase in the voltage between the electrodes leads to contraction of the discharge, heating of the plasma, and a decrease in the efficiency due to a decrease in the plasma volume and the occurrence of a reverse chemical reaction. The total number of collisions depends on the length of the ion trajectory in the interelectrode space. Stirring the fluidized bed with an ascending gas flow noticeably increases this length due to turbulence, which gives the prototype advantages over analogues. However, the constant voltage between the electrodes during the operation of the device leads to the minimization of the path length of charged particles as they move from the cathode to the anode, the ions tend to overcome this distance in a straight line. The plasma density, determined by the number of charged particles per unit of its volume, turns out to be lower than the realistically possible one, which does not allow reaching the maximum efficiency.
Таким образом, особенности траектории заряженных частиц в процессе работы прототипа не позволяют достичь максимальной эффективности горения плазмы и приводят к снижению КПД.Thus, the peculiarities of the trajectory of charged particles during the operation of the prototype do not allow achieving the maximum efficiency of plasma combustion and lead to a decrease in the efficiency.
Задачей заявляемого технического решения является повышение КПД устройства за счет повышения плотности плазмы.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the device by increasing the plasma density.
Поставленная задача решается тем, что устройство для получения плазмы тлеющего разряда, содержащее вертикально установленную рабочую камеру, анодный узел, расположенный в ее верхней части, и катодный узел, расположенный в ее нижней части и выполненный в виде мелкоячеистой решетки со слоем электропроводного порошка на ней, систему подачи и отвода газов и систему электропитания, дополнительно содержит электромагнитную систему, охватывающую полюсами рабочую камеру так,The problem is solved by the fact that a device for producing a glow discharge plasma containing a vertically installed working chamber, an anode assembly located in its upper part, and a cathode assembly located in its lower part and made in the form of a fine-mesh lattice with a layer of electrically conductive powder on it, a gas supply and exhaust system and a power supply system, additionally contains an electromagnetic system, covering the working chamber with poles so,
- 1 037157 что вектор индукции магнитного поля перпендикулярен направлению потока газа, и источник ее электропитания переменным током.- 1 037157 that the vector of the magnetic field induction is perpendicular to the direction of the gas flow, and the source of its power supply is alternating current.
Сущность заявляемого технического решения заключается в увеличении количества столкновений между частицами за счет увеличения длины их траектории. Увеличение общего количества столкновений приводит к увеличению числа результативных столкновений и обеспечивает повышение КПД.The essence of the proposed technical solution is to increase the number of collisions between particles by increasing the length of their trajectory. An increase in the total number of collisions leads to an increase in the number of effective collisions and provides an increase in efficiency.
Оснащение рабочей камеры электромагнитной системой с вектором индукции магнитного поля, перпендикулярным направлению потока газа, приводит к возникновению дополнительного воздействия на движущиеся заряженные частицы плазмы рабочего газа. Траектория их движения в переменном магнитном поле становится спиралеобразной и за счет этого удлиняется. Это приводит к увеличению количества столкновений между отдельными ионами и радикалами, количества элементарных актов взаимодействия и, соответственно, к повышению плотности плазмы. В результате этого КПД устройства возрастает. Дополнительным преимуществом заявляемого устройства является повышение стойкости разряда к контракции, что позволяет использовать более высокие плотности тока и тем самым повысить производительность процесса конверсии.Equipping the working chamber with an electromagnetic system with a magnetic field induction vector perpendicular to the direction of the gas flow leads to an additional effect on the moving charged particles of the working gas plasma. The trajectory of their movement in an alternating magnetic field becomes spiral-shaped and, due to this, lengthens. This leads to an increase in the number of collisions between individual ions and radicals, the number of elementary acts of interaction and, accordingly, to an increase in the plasma density. As a result, the efficiency of the device increases. An additional advantage of the inventive device is an increase in the discharge resistance to contraction, which allows the use of higher current densities and thereby increase the productivity of the conversion process.
Конкретные характеристики переменного магнитного поля задаются на основании размеров рабочей камеры, вида и состава рабочего газа, а также в зависимости от материала (магнитных свойств) и дисперсности частиц порошка. Положительный эффект достигается уже при значениях напряженности магнитного поля H~0.5 А-м-1. С увеличением H положительный эффект усиливается. Верхняя граница значений H ограничивается лишь конструктивными особенностями электромагнитов, совместимых с конкретными рабочими камерами. Частота магнитного поля также особой роли не играет, поскольку положительный эффект наблюдается уже на достаточно низких частотах (порядка нескольких десятков Гц). Высокие частоты, требующие специальных источников питания, могут быть использованы в особых случаях формирования плазмы. Магнитная система при этом может содержать один и более электромагнитов, как снабженных магнитопроводами (полюсными наконечниками), так и без них.The specific characteristics of the alternating magnetic field are set on the basis of the dimensions of the working chamber, the type and composition of the working gas, as well as depending on the material (magnetic properties) and dispersion of the powder particles. A positive effect is achieved already at values of the magnetic field strength H ~ 0.5 A-m -1 . With increasing H, the positive effect is enhanced. The upper limit of the H values is limited only by the design features of the electromagnets compatible with specific working chambers. The frequency of the magnetic field also does not play a special role, since a positive effect is observed already at rather low frequencies (on the order of several tens of Hz). High frequencies requiring special power supplies can be used in special cases of plasma formation. In this case, the magnetic system can contain one or more electromagnets, both equipped with magnetic circuits (pole pieces), and without them.
С практической точки зрения наиболее удобны электромагниты, питающиеся от стандартной сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц через понижающий трансформатор. В подавляющем большинстве случаев это позволяет создавать простые и достаточно эффективные устройства для получения стабильной плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении.From a practical point of view, the most convenient electromagnets are powered by a standard AC 220 V and 50 Hz through a step-down transformer. In the overwhelming majority of cases, this makes it possible to create simple and rather effective devices for obtaining a stable glow discharge plasma at atmospheric pressure.
Таким образом, переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитной системой, увеличивает длину траектории заряженных частиц в межэлектродном пространстве и увеличивает количество столкновений между ними, приводящими к увеличению выхода продукта конверсии, т.е. к повышению КПД.Thus, the alternating magnetic field created by the electromagnetic system increases the length of the trajectory of charged particles in the interelectrode space and increases the number of collisions between them, leading to an increase in the yield of the conversion product, i.e. to increase efficiency.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами фиг. 1 и 2, где приведено схематическое изображение устройства (вид сбоку и сверху, соответственно). На чертежах приняты следующие обозначения:The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawings of FIG. 1 and 2, which shows a schematic representation of the device (side and top views, respectively). The following designations are adopted in the drawings:
- рабочая камера;- working chamber;
- решетка;- lattice;
- порошок;- powder;
- анод;- anode;
- источник электропитания;- power supply;
- штуцер подачи газа;- gas supply fitting;
- штуцер отвода газа;- gas outlet fitting;
- основание;- base;
- полюсный наконечник;- pole piece;
- электромагнит;- electromagnet;
- источник питания электромагнита;- electromagnet power supply;
- магнитопровод.- magnetic circuit.
Как видно из чертежей, заявляемое устройство состоит из установленной вертикально рабочей камеры 1, в нижней части которой смонтированы решетка 2 с расположенным на ней порошком 3 и совместно образующие катод, а в верхней части расположен анод 4. Анод 4 с учетом конкретного применения может быть выполнен как сплошным, так и в виде решетки. В случае сплошного анода между ним и стенками рабочей камеры оставляют канал для выхода газов. На решетку 2 и анод 4 подается напряжение от источника электропитания 5. Рабочий газ подается через штуцер подачи газа 6, расположенный в нижней части рабочей камеры 1. После обработки газ удаляется из рабочей камеры 1 через штуцер отвода газа 7, расположенный за анодом 4. Во избежание перегрева тонкой решетки 2 в процессе работы она снабжена массивным металлическим основанием 8, служащим теплоотводом. Рабочая камера 1 установлена между полюсными наконечниками 9 электромагнитов 10, на которые подается переменное напряжение от источника питания электромагнита 11. Полюсные наконечники 9 соединены магнитопроводом 12 (на фиг. 1 не показан во избежание загромождения) для формирования замкнутой магнитной системы.As can be seen from the drawings, the inventive device consists of a vertically installed working chamber 1, in the lower part of which a grating 2 is mounted with a powder 3 located on it and together forming a cathode, and an anode 4 is located in the upper part. both solid and in the form of a lattice. In the case of a solid anode, a channel is left between it and the walls of the working chamber for the gases to escape. The grid 2 and the anode 4 are supplied with voltage from the power supply 5. The working gas is supplied through the gas supply 6 located in the lower part of the working chamber 1. After processing, the gas is removed from the working chamber 1 through the gas outlet 7 located behind the anode 4. In to avoid overheating of the thin lattice 2 during operation, it is equipped with a massive metal base 8, which serves as a heat sink. The working chamber 1 is installed between the pole pieces 9 of the electromagnets 10, which are supplied with an alternating voltage from the power source of the electromagnet 11. The pole pieces 9 are connected by a magnetic circuit 12 (not shown in Fig. 1 to avoid obstruction) to form a closed magnetic system.
Устройство работает следующим образом. Решетка 2 присоединяется к отрицательному электроду источника электропитания, а анод 4 - к положительному. В первом варианте включением источника электропитания 5 на электроды подается рабочее напряжение, порошок 3 при этом заряжается отрицательно. Поскольку расстояние между решеткой 2 со слоем порошка 3 и анодом 4 в данный момент вели- 2 037157 ко, ток через устройство не протекает. Затем через штуцер подачи газа 6 в рабочую камеру 1 подается газ (газовая смесь). Под действием потока газа порошок 3 закипает, расстояние между порошком 3, несущим отрицательный заряд, и анодом 4, заряженным положительно, значительно сокращается, и возникает электрический пробой, который ионизирует обрабатываемый газ. В следующий момент времени вследствие лавинной ионизации газа в межэлектродном пространстве рабочей камеры 1 загорается плазма. Во втором варианте вначале через штуцер подачи газа 6 в рабочую камеру 1 подается газовая смесь, а после закипания порошка 3 на электроды подается импульс высокого напряжения, обеспечивающий пробой газового промежутка. Возникший разряд за счет наличия кипящего слоя приводит к последующей ионизации всего межэлектродного пространства и зажиганию плазмы. После этого напряжение на электродах падает до стационарного значения. Режим горения плазмы задается в соответствии с требованиями техпроцесса и регулируется расходом газа, напряжением между электродами и силой протекающего тока. После прохождения анода продукты реакции через штуцер отвода газа 7 выбрасываются в атмосферу (например, в случае дожигания выхлопных газов), либо подаются в рабочую зону другого техпроцесса (например, при озонировании), либо собираются в специальную емкость (на чертеже не показана) для дальнейшего использования. Выделяемое тепло утилизируется за счет протока газовой смеси и нагрева основания 8, что предупреждает выгорание решетки 2. Переменное магнитное поле, создаваемое в объеме рабочей камеры 1 между полюсными наконечниками 9 электромагнитами 10, приводит к увеличению длины траектории заряженных частиц в межэлектродном пространстве. На электрические заряды, например электроны е, расположенные в объеме рабочей камеры 1, действует вектор постоянного электрического поля E, определяемый рабочим напряжением и направленный от анода к катоду, и вектор переменной магнитной индукции B, определяемый частотой рабочего напряжения электромагнитов 10 и направленный перпендикулярно E от южного полюсного наконечника к северному. Это приводит к изменению траектории электронов из прямолинейной в спиралевидную, повышению плотности плазмы и стабилизации ее горения в течение всего технологического цикла. Управление характеристиками переменного магнитного поля осуществляется при помощи источника питания электромагнита 11. В простейшем случае в качестве этого источника может быть использован понижающий лабораторный трансформатор (ЛАТР), снабженный вольтметром и амперметром.The device works as follows. Lattice 2 is connected to the negative electrode of the power supply, and the anode 4 is connected to the positive one. In the first version, by turning on the power supply 5, an operating voltage is applied to the electrodes, while the powder 3 is charged negatively. Since the distance between the grating 2 with the layer of powder 3 and the anode 4 is currently large - 2 037157 ko, the current does not flow through the device. Then, gas (gas mixture) is supplied to the working chamber 1 through the gas supply connection 6. Under the action of the gas flow, the powder 3 boils, the distance between the negatively charged powder 3 and the positively charged anode 4 is significantly reduced, and an electrical breakdown occurs, which ionizes the processed gas. At the next moment in time, due to avalanche ionization of the gas in the interelectrode space of the working chamber 1, plasma ignites. In the second version, a gas mixture is first fed through the gas supply nozzle 6 into the working chamber 1, and after the powder 3 has boiled, a high voltage pulse is supplied to the electrodes, providing a breakdown of the gas gap. The resulting discharge due to the presence of a fluidized bed leads to the subsequent ionization of the entire interelectrode space and the ignition of the plasma. After that, the voltage across the electrodes drops to a stationary value. The plasma combustion mode is set in accordance with the requirements of the technical process and is regulated by the gas flow rate, voltage between the electrodes and the strength of the flowing current. After passing the anode, the reaction products through the gas outlet 7 are discharged into the atmosphere (for example, in the case of afterburning of exhaust gases), or fed into the working area of another technical process (for example, during ozonation), or collected in a special container (not shown in the drawing) for further use. The released heat is utilized due to the flow of the gas mixture and heating of the base 8, which prevents burnout of the grating 2. The alternating magnetic field created in the volume of the working chamber 1 between the pole pieces 9 of the electromagnets 10 leads to an increase in the length of the trajectory of charged particles in the interelectrode space. Electric charges, for example, electrons e, located in the volume of the working chamber 1, are affected by a constant electric field vector E, determined by the operating voltage and directed from the anode to the cathode, and a variable magnetic induction vector B, determined by the frequency of the operating voltage of electromagnets 10 and directed perpendicularly to E from from the south pole to the north pole. This leads to a change in the trajectory of electrons from rectilinear to spiral, an increase in the plasma density and stabilization of its combustion during the entire technological cycle. The control of the characteristics of the alternating magnetic field is carried out using the power source of the electromagnet 11. In the simplest case, a laboratory step-down transformer (LATR) equipped with a voltmeter and an ammeter can be used as this source.
Заявляемое устройство изготавливали и испытывали следующим образом. В нижней части полого кварцевого цилиндра внутренним диаметром 29 мм впаивали основание катода, выполненное из нержавеющей стали, на котором была смонтирована решетка, изготовленная из ниобия. Решетка содержала 35x35 рядов отверстий размером 50x50 мкм. Затем припаивали воронку также из кварцевого стекла со штуцером для подачи газа. В верхней части цилиндра впаивали решетку из ниобия, служащую анодом, с размером ячеек 1x1 мм. Размер ячеек этой решетки выбран с тем условием, чтобы через нее была возможность беспрепятственного заполнения рабочей камеры электропроводным порошком. Расстояние между верхней и нижней решетками составило 50 мм. Затем поверх решетки в верхней части цилиндра припаивали штуцер отвода газа. Электрические выводы решеток выведены на внешнюю поверхность кварцевого цилиндра. Через штуцер отвода газа полученную рабочую камеру заполняли порошком никеля марки ПНЭ ГОСТ 9722-79 на высоту слоя, равную 25 мм. Нижняя решетка со слоем порошка никеля и металлическим основанием при этом образовали катодный узел. К электрическим выводам решеток присоединены электроды источника электропитания соответствующей полярности. Максимальное напряжение источника питания составило 15000 В, максимальный ток 0,1 А. В качестве электромагнитов использовали катушки, содержащие по 2000 витков провода ПЭВ 0,2, намотанных на каркас из диэлектрического материала. Магнитопровод изготавливали наборным из листовой электротехнической стали марки 2212 толщиной 0,5 мм. Выводы катушек присоединяли к выводам ЛАТРа, снабженного вольтметром и амперметром. ЛАТР подключали к сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.The inventive device was manufactured and tested as follows. In the lower part of a hollow quartz cylinder with an inner diameter of 29 mm, a stainless steel cathode base was soldered, on which a niobium grating was mounted. The lattice contained 35x35 rows of 50x50 µm holes. Then, a funnel, also made of quartz glass, with a nozzle for gas supply was soldered. In the upper part of the cylinder, a niobium grating serving as an anode with a mesh size of 1x1 mm was soldered. The size of the cells of this lattice is chosen so that through it there is the possibility of unhindered filling of the working chamber with electrically conductive powder. The distance between the upper and lower grilles was 50 mm. Then, a gas outlet fitting was soldered over the grating in the upper part of the cylinder. The electrical leads of the gratings are brought out to the outer surface of the quartz cylinder. Through the gas outlet fitting, the resulting working chamber was filled with nickel powder of PNE GOST 9722-79 grade to a layer height of 25 mm. The lower lattice with a layer of nickel powder and a metal base formed the cathode assembly. Electrodes of the power supply of the corresponding polarity are connected to the electrical terminals of the grids. The maximum voltage of the power source was 15000 V, the maximum current was 0.1 A. As electromagnets, we used coils containing 2000 turns of 0.2 PEV wire wound on a frame made of dielectric material. The magnetic core was made of type 2212 sheet electrical steel with a thickness of 0.5 mm. The leads of the coils were connected to the leads of a LATR equipped with a voltmeter and an ammeter. The LATR was connected to an alternating current network with a voltage of 220 V and a frequency of 50 Hz.
Через входной штуцер с помощью компрессора подавали атмосферный воздух с расходом 1,5-10 л/мин. После образования кипящего слоя высотой от 30 до 48 мм для зажигания плазмы на электроды устройства подавали кратковременный импульс напряжением 12000 В и подхватывающее напряжение 1000 В. После этого добивались максимальной яркости горения плазмы, регулируя скорость подачи газа и силу тока, который составил 0,07 А. Потребляемая мощность, таким образом, составила 70 Вт. Объем светящейся области составил ~33 см3. На выводы электромагнитов подавали напряжение от ЛАТРа и выбирали такое его значение, при превышении которого яркость свечения плазмы не увеличивалась. В этом случае достигалась максимально возможная плотность плазмы, обеспечивающая максимальный КПД устройства.Atmospheric air was supplied through the inlet connection using a compressor at a flow rate of 1.5-10 l / min. After the formation of a fluidized bed with a height of 30 to 48 mm, a short-term pulse with a voltage of 12000 V and a pick-up voltage of 1000 V was applied to the electrodes of the device to ignite the plasma. After that, the maximum brightness of the plasma combustion was achieved by adjusting the gas flow rate and current strength, which was 0.07 A The power consumption is thus 70 W. The volume of the luminous region was ~ 33 cm 3 . The voltage from the LATR was applied to the terminals of the electromagnets and its value was chosen such that, when exceeded, the brightness of the plasma glow did not increase. In this case, the maximum possible plasma density was achieved, providing the maximum efficiency of the device.
Конвертируемую газовую смесь с полученным оксидом азота далее подавали в абсорбер и пропускали через барботер с эталонным объемом водного раствора гидрооксида натрия с добавкой фенолфталеина в качестве индикатора рН. КПД устройства оценивали по скорости нейтрализации эталонного раствора оксидами азота и определяли по времени его обесцвечивания (при взаимодействии оксидов азота с гидрооксидом натрия образуется натриевая селитра, что приводит к обесцвечиванию малинового раствора щелочи). Время обесцвечивания эталонного объема раствора щелочи составило 0,50-0,55 мин при использовании прототипа и 0,35-0,40 мин при использовании заявляемого технического решения.The gas mixture to be converted with the obtained nitrogen oxide was then fed into the absorber and passed through a bubbler with a reference volume of an aqueous solution of sodium hydroxide with the addition of phenolphthalein as a pH indicator. The efficiency of the device was evaluated by the rate of neutralization of the standard solution with nitrogen oxides and was determined by the time of its discoloration (when nitrogen oxides react with sodium hydroxide, sodium nitrate is formed, which leads to discoloration of the raspberry alkali solution). The bleaching time of the reference volume of the alkali solution was 0.50-0.55 minutes when using the prototype and 0.35-0.40 minutes when using the proposed technical solution.
- 3 037157- 3 037157
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет существенно повысить КПД устройства за счет увеличения плотности плазмы.Thus, the proposed technical solution in comparison with the prototype can significantly increase the efficiency of the device by increasing the plasma density.
Источники информации:Sources of information:
1. Kunhardt E.E. Generation of Large Volume, Atmospheric Pressure, Nonequilibrium Plasmas//IEEE1. Kunhardt E.E. Generation of Large Volume, Atmospheric Pressure, Nonequilibrium Plasmas // IEEE
Transactions on Plasma Science. - V. 28. No 1. February 2000.Transactions on Plasma Science. - V. 28.No 1. February 2000.
2. Архипенко В.И., Згировский С.М., Симончик Л.В. Устройство для получения неравновесной плазмы тлеющего разряда при атмосферном явлении. Патент РБ 10597. Опубл. 30.04.2008.2. Archipenko V.I., Zgirovsky S.M., Simonchik L.V. A device for obtaining a nonequilibrium glow discharge plasma in an atmospheric phenomenon. Patent RB 10597. Publ. 30.04.2008.
3. Мартынюк В.И., Зеленин В.А., Сенько С.Ф., Яковлева М.А. Устройство для получения плазмы тлеющего разряда. Патент РБ 22302. Опубл. 30.12.2018.3. Martynyuk V.I., Zelenin V.A., Senko S.F., Yakovleva M.A. A device for producing glow discharge plasma. Patent RB 22302. Publ. 12/30/2018.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA201900234A EA037157B1 (en) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | Device for production of glow-discharge plasma |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA201900234A EA037157B1 (en) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | Device for production of glow-discharge plasma |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA201900234A1 EA201900234A1 (en) | 2020-11-30 |
EA037157B1 true EA037157B1 (en) | 2021-02-12 |
Family
ID=73649825
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA201900234A EA037157B1 (en) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | Device for production of glow-discharge plasma |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA037157B1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4287040A (en) * | 1979-05-08 | 1981-09-01 | G.D. Societa Per Azioni | Production of nitric oxides |
GB2344212A (en) * | 1998-11-24 | 2000-05-31 | Imperial College | Plasma generator |
RU2333619C2 (en) * | 2006-06-13 | 2008-09-10 | Институт систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) | Multibeam generator of gas-discharge plasma |
RU2397948C2 (en) * | 2008-03-03 | 2010-08-27 | Открытое акционерное общество "КуйбышевАзот" | Apparatus for producing nitrogen oxide via direct oxidation |
US20190135633A1 (en) * | 2011-10-03 | 2019-05-09 | NitricGen, Inc. | Apparatus and Method for Generating Nitric Oxide in Controlled and Accurate Amounts |
-
2019
- 2019-05-17 EA EA201900234A patent/EA037157B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4287040A (en) * | 1979-05-08 | 1981-09-01 | G.D. Societa Per Azioni | Production of nitric oxides |
GB2344212A (en) * | 1998-11-24 | 2000-05-31 | Imperial College | Plasma generator |
RU2333619C2 (en) * | 2006-06-13 | 2008-09-10 | Институт систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) | Multibeam generator of gas-discharge plasma |
RU2397948C2 (en) * | 2008-03-03 | 2010-08-27 | Открытое акционерное общество "КуйбышевАзот" | Apparatus for producing nitrogen oxide via direct oxidation |
US20190135633A1 (en) * | 2011-10-03 | 2019-05-09 | NitricGen, Inc. | Apparatus and Method for Generating Nitric Oxide in Controlled and Accurate Amounts |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA201900234A1 (en) | 2020-11-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kogelschatz | Collective phenomena in volume and surface barrier discharges | |
US5198677A (en) | Production of N+ ions from a multicusp ion beam apparatus | |
US3883413A (en) | Ozone generator using pulsed electron beam and decaying electric field | |
EP0184812A2 (en) | High frequency plasma generation apparatus | |
KR101595686B1 (en) | Toroidal plasma chamber for high gas flow rate process | |
JP2010541167A5 (en) | ||
CN207638962U (en) | Atmospheric pressure dielectric barrier discharge enhanced direct-current alternating electrode low-temperature plasma jet array | |
Brown et al. | Vacuum arc ion sources: Recent developments and applications | |
Shao et al. | Nanosecond repetitively pulsed discharge of point–plane gaps in air at atmospheric pressure | |
CN107979907A (en) | Atmospheric pressure dielectric barrier discharge enhanced direct-current alternating electrode low-temperature plasma jet array | |
EP4426478A1 (en) | Device and method for gas conversion | |
Goncharov et al. | Manipulating large-area, heavy metal ion beams with a high-current electrostatic plasma lens | |
EA037157B1 (en) | Device for production of glow-discharge plasma | |
RU87065U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS | |
RU143138U1 (en) | CONTROLLED VACUUM DISCHARGE | |
RU187270U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
Boulos et al. | Basic concepts of plasma generation | |
JP2015088218A (en) | Ion beam processing apparatus and neutralizer | |
CN107770939A (en) | Polar-capacity tandem type plasma generator | |
KR20130120577A (en) | Plasma generation apparatus and plasma generation method | |
CN216391496U (en) | Plasma generating device and ion source | |
JPH01243349A (en) | Plasma extreme ultraviolet light generator | |
US4135093A (en) | Use of predissociation to enhance the atomic hydrogen ion fraction in ion sources | |
RU2333619C2 (en) | Multibeam generator of gas-discharge plasma | |
WO2010074195A1 (en) | Pulse discharge generating method and apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU |