УДК 621.181.662.9
СВЧ-ПЛАЗМОТРОН СО СВОБОДНО ПАРЯЩИМ ПЛАЗМОИДОМ

В. Ф. Буров,  Ю. В. Стрижко
ЗАО «СибКОТЭС», г. Новосибирск, Россия

Для розжига пылеугольных котлов и стабилизации процессов горения обычно применяют природный газ или  мазут, стоимость которых непрерывно растет. Поэтому актуальным является использование в качестве растопочного  топлива  угольной пыли, которая по сравнению с газом и мазутом требует более высокой температуры воспламенения и более длительного температурного воздействия, вследствие низкого выхода летучих по сравнению с газом и мазутом. Высокую ударную температуру (до 12000 К) способны развивать плазмотроны [1, 2].
   Воздействие плазмы на угольную пыль приводит к ряду положительных изменений в ней, например: частицы угля дробятся на более мелкие части, происходит их интенсивная газификация, вследствие  этого повышаются реакционные свойства топлива,  горение протекает более устойчиво. Это является актуальным при сжигании низкосортных углей (при постоянной работе плазмотрона) и позволяет осуществить растопку котла при кратковременной, необходимой для достижения растопочных параметров котла, работе плазмотрона.  По разным оценкам электрическая мощность, потребляемая плазмотроном, не превышает 2,5% от тепловой мощности пылеугольной горелки [3], и составляет 0,3-0,5% от тепловой мощности котла [4]. Однако применяемые электродуговые плазмотроны обладают существенными недостатками – износом электродов и необходимостью их охлаждения.  
 Представляется перспективным использование в таких горелках СВЧ-плазмотронов, поскольку они не требуют использования специальных угольных и медных электродов, а также потому, что в них возможно создание  критической  концентрации  электронов ~7∙1016 1/м3  [5], это способствует раннему воспламенению холодной углевоздушной смеси и при относительно малых временах взаимодействия угольных частиц с плазменным   факелом (~0,05 с) интенсивному выгораниию пыли. 
В [6] представлен СВЧ-плазмотрон, выполненый на основе разомкнутой коаксиальной линии, питаемой СВЧ-генератором мощностью 5 кВт частотой 2450 МГц. Плазма зажигалась в воздушном промежутке, образованном электродами конца коаксиальной линии, куда подавалась углевоздушная смесь. Полученные авторами результаты  показали существенное повышение интенсивности плазменного воспламенения и горения по сравнению с традиционными промышленными горелками.
Образование СВЧ-плазмы между электродами вызывает проблемы,  характерные для  электродуговых плазмотронов, а также с известным отрицательным эффектом смещения точки горения по волноводу в направлении к СВЧ-генератору. Недостаток может быть решен зажиганием плазменного свободно парящего плазмоида  в ограниченном пространстве  путем фокусировки СВЧ энергии до уровня напряженности поля, близкого к пробойному (~30 кВ/см), однако для этого требуется система зеркальных, линзовых и других антенн размерами не менее 10 длин волн и высокая пиковая мощность СВЧ-генератора: 10 МВт [7], что трудно реализуется.
 Другим способом зажигания и поддержания стабильного состояния «безэлектродной» СВЧ-плазмы  является возбуждение электромагнитного поля СВЧ высокой напряженности в объемном  резонаторе  генератором  разумной мощности. В [8] представлено устройство, предназначенное для получения высокотемпературной плазмы в резонаторе с таким типом колебаний, чтобы плазменный разряд зажигался и поддерживался в центре резонатора. Вывод плазмы наружу из такого резонатора технически сложен.  В [9] описан плазменный двигатель для  силовых установок космических кораблей.  В нем  использован объемный цилиндрический резонатор с размерами, позволяющими возбуждение в нем  СВЧ-колебаний типа E011 .

Рис.1. Структура электрического и магнитного полей типа E011 в цилиндрическом резонаторе; система координат.

Радиус цилиндра резонатора a выбирается из условия λкр > λo [10],
где λкр=2π∙a/u01 - критическая длина волны волновода, на котором построен резонатор, параметр  u01 =2,405 - корень функции Бесселя Ј0(u)=0.
Длина резонатора определяется выражениями:
L=λв/2,  λв =1/∙((1/λo)2-(1/λкр)2)1/2;
Объем пустого резонатора Vo в длинах волн:  
Vo/(λo) 3=πa2L /(λo) 3= π(a/λo) 2/2/(1- (u01 λo/2/π/a) 2)1/2 ,
λo,  λв – длина волны СВЧ-поля в свободном пространстве и в резонаторе.
Взаимосвязь между геометрическими размерами резонатора, а также объемом резонатора,  показаны на рис. 2. 

Рис. 2. Зависимость длины L  и объема Vo цилиндра от его радиуса a  резонатора типа E01  (все размеры  нормированы на длину волны λo) .

Видно, что при увеличении радиуса цилиндра длина резонатора уменьшается и стремится к L/λo→0,5. Объем резонатора имеет минимум, равный Vo/(λo) 3=0,598 при  a/λo=0,467, этому соответствует L/λo =0,877.
Резонатор имеет две пучности стоячей волны у центров торцевых стенок (рис.1). Расположив в одной пучности возбуждающий элемент СВЧ-генератора, можно получить такую напряженность поля, при которой возможна инициация электрического пробоя воздуха с образованием свободно парящего плазмоида у  противоположного торца. Выполнив отверстие в этом месте, плазма под напором плазмообразующего газа (воздуха), расширяющегося под действием тепла, может быть выведена  наружу в виде струи.  Схема такого СВЧ-плазмотрона  приведена на рис.3.  

Рис.3. Схема СВЧ-плазмотрона со свободно парящим плазмоидом.

Перегородка 6 выполнена из газонепроницаемого  диэлектрического материала и делит полость   резонатора  на две камеры,   одна из  которых - вводная 7 заполнена  газом под давлением и вмещает антенну 2 СВЧ-генератора, а другая - выводная 8 подсоединена к системе подачи плазмообразующего газа 11. Для обеспечения электрической прочности резонатора перед началом эксплуатации плазмотрона в его вводную камеру закачивается газ под избыточным давлением. В течение приблизительно одной микросекунды после включения магнетрона напряженность СВЧ-поля в области выводного отверстия достигает значения близкого к пробойному, инициируется безэлектродный СВЧ-разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменный сгусток- плазмоид 13. Для подпитки разряда и вывода плазмы из камеры тангенциально подают плазмообразующий газ, который закручивается с образованием вихря 14, смещающегося  в направлении выводного отверстия. Газовый слой вихревого потока удерживает  плазменный сгусток на оси резонатора, препятствуя его контакту со стенками, выдувая  через сопло  наружу  с образованием плазменной струи 15.
В полость между перегородками 6 и 9 подается дополнительный газовый поток, который обтекает перегородки, обеспечивая их эффективное охлаждение, и через  отверстие 10 поступает в камеру 8, компенсирует разрежение в приосевой области камеры 8, обусловленное вихревым характером движения основного потока, препятствуя затягиванию плазмы из свободно парящего плазменного сгустка в основной поток газа. Как следствие, повышается стабильность СВЧ-разряда, уменьшается нагрев пристеночного газового слоя основного потока и сопла, увеличивается к.п.д. плазмотрона. Этим элементом плазмотрон отличается от аналога [9]. 

Рис. 4. Фотография СВЧ-плазмотрона в действии

В экспериментальном образеце СВЧ-плазмотрона (рис.4) цилиндрический резонатор 2 имел внутренние размеры: диаметр 103 мм, длину 148 мм, был изготовлен из листовой латуни, сопло - металлическое диаметром 9 мм длиной 8 мм.  В качестве СВЧ-генератора применен магнетрон 1 от бытовой микроволновой печи фирмы «SAMSUNG» СВЧ-мощностью 800 Вт.  Для воздушного охлаждения магнетрона использовался центробежный вентилятор 3.
По четырем гибким трубкам 4 диаметром 6  мм от компрессора (не показан) подавался плазмообразующий газ – воздух. По одной из трубок газ подавался в пространство между перегородками. При отработке плазмотрона выявилось  предпочтительное распределение количества подаваемого газа по трубкам в отношении  слева направо: 20%, 10%, 30%, 40%. Общий расход плазмообразующего газа составлял в 0,5 л/с.
Расчеты по [11] показали, что разрядная мощность ненагруженного резонатора с добротностью Qн =2000 оценивается Pр =5 кВт и в почти 6 раз превышает мощность СВЧ-генератора,  применяемого в микроволновых печах. Увеличить СВЧ-мощность вдвое (до 1500 Вт) удалось, включив дополнительный источник питания от второй микроволновой печи параллельно основному штатному, но в противофазе. 
Недостаточная мощность СВЧ-генератора потребовала первичной  принудительной инициации плазменного разряда металлической проволокой диаметром 0,2 - 0,5 мм длиной 22 - 30 мм, которая перед включением  магнетрона вводилась внутрь резонатора через сопло. В течение первых 1-2 с после включения магнетрона инициатор сгорал, возбуждая испарившимся металлом возле сопла плазмоид, устойчивость которого в дальнейшем обеспечивалась СВЧ-энергией, вывод плазмы через сопло поддерживался поступлением плазмообразующего газа внутрь резонатора.  
Наблюдение за характером движения плазмоида велось визуально по свечению, видимому через ряд отверстий, выполненных  в боковой стенке резонатора и закрытых снаружи светопрозрачной пленкой. Отмечалась устойчивость плазмоида. Длина плазменной струи 5 и поперечные размеры плазмоида внутри резонатора регулировались количеством подаваемого плазмообразующего газа. С увеличением расхода плазмообразующего газа от 0,2 до 0,6 л/с длина  плазменной  струи возрастала и достигала длины 60 мм диаметра 4…5 мм, а при расходе 0,7-1,0 л/с плазмоид распадался. При расходах плазмообразующего газа менее 0,2 л/с  плазма сосредотачивалась внутри резонатора, приводя к заметному нагреву стенок. 
Начальное давление внутри резонатора было 50-70 Па, после возбуждения плазмоида возрастало до 270 Па. 
 Устойчивость состояния СВЧ плазмоида объясняется переходом плазмотрона в автотермический режим после инициации в нем плазмы. Так, в начальный момент, пока в резонаторе нет плазмы, добротность резонатора Qн и напряженность электрического поля Eр в нем – максимальны. Это способствует инициации в резонаторе электрического пробоя. При возникновении  плазменного разряда добротность резонатора уменьшается и становится близкой к 1, резонатор переходит в режим хорошо согласованного нагруженного волновода. При погасании плазмоида добротность резонатора резко увеличивается, возрастают напряженность электрического поля и токи смещения. Плазмоид восстанавливается. 
Для проверки возможностей плазмотрона в струю плазмы вносилась стальная проволока диаметром 1 мм, которая за время не более 2 с перерезалась плазменной струей. 

Рис.5. Схема установки для зажигания угольной пыли.

Наблюдения за процессом зажигания и горением угольной пыли проводились на установке, изображенной на схеме рис. 5, в которой плазменная струя из сопла плазмотрона вводилась в муфель. Туда же через отверстие подавалась пыль из бункера шнеком, приводимым во вращение электродвигателем. Вторичный воздух для горения эжектировался в просвет между соплом и муфелем за счет скоростного истечения плазмы. Для лучшей визуализации муфель был выполнен из прозрачного стекла. Кадр видеофильма горения пыли каменного угля под действием  плазмы экспериментального СВЧ-плазмотрона показан на рис. 6. Аналогичный кадр приведен для  горения пыли бурого угля на рис. 7. 

Рис. 6. Горение пыли каменного угля (кадр видеофильма).

Рис. 7. Горение пыли бурого угля (кадр видеофильма).

Наблюдения показали, что пыль бурого угля горит более ровным пламенем по сравнению с горением каменноугольной пыли.  Это объясняется  большим количеством летучих, выделяемых из бурого угля при термическом воздействии.  
Граница зоны допустимой по санитарным нормам плотности потока энергии СВЧ-излучения, равной 10 мкВт/см2, расположена на расстоянии 1,5 м от плазменной струи.  Аналогичный уровень излучения производят бытовые микроволновые печи на расстоянии 0,5 м. Столь низкий уровень СВЧ-излучения наружу говорит о высоком КПД преобразования микроволнового излучения в тепловую энергию плазмы. 
На устройство оформлена заявка на изобретение [12].

Выводы.  
1.	Представлен СВЧ-плазмотрон, плазма в котором образуется в свободно парящем плазмоиде, формирующимся внутри резонатора типа Е011.  Плазма выдувается наружу организованным потоком плазмообразующего газа- воздуха. Плазмотрон, работает при атмосферном давлении. 
2.	Плазмотрон имеет полезную мощность преобразования  СВЧ-энергии в плазму 1,5 кВт.  Рабочая частота СВЧ магнетрона – 2450 МГц. 
3.	Плазменная струя достигает длины 60 мм, режет металл, вызывает горение угольной пыли.
4.	Уровень допустимого по санитарным нормам СВЧ-излучения (10 мкВт/см2) расположен расстоянии не далее  1,5 м от плазмотрона.
5.	Представлен график для выбора размеров резонатора для плазмотрона на произвольную частоту. Минимальный объем резонатора соответствует отношению радиуса цилиндра a/λo=0,467 длине резонатора L/λo =0,877 и составляет Vo/(λo) 3=0,598. 
6.	Дальнейшее увеличение мощности плазмотрона до 50-100 кВт возможно при переходе  с частоты 2450 МГц на частоту 915 МГц, для которой  выпускаются серийные магнетроны. При этом размеры резонатора должны быть увеличены пропорционально длине волны, ожидаемые длина и диаметр поперечного сечения плазменной струи увеличатся пропорционально корню квадратному от мощности плазмотрона.
7.	Рассмотренные результаты дают основание считать возможность использования разработки  СВЧ-плазмотронов данной конструкции как для безмазутной растопки пылеугольных котлов в энергетике, так и для получения плазмы,  свободной от примесей продуктов эрозии, необходимой для  иных технологических целей, например,  плазмохимии.

Список литературы.
1. Жуков М. Ф. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела /Жуков М. Ф., Карпенко Е. И., Перегудов В. С. и др. –Новосибирск: Наука, 1995. -304 с.
2. Иманкулов Э. Р. Плазменный розжиг и стабилизация горения факела донецкого АШ / Иманкулов Э. Р., Мессерле В. Е., Закипов З. Е., Сейтимов Т. М., Устименко А. Б. // Теплоэнергетика. -1990. -№1. –С. 51-53. 
3. Канило П. М. СВЧ-плазменная технология сжигания низкосортных углей / П. М. Канило, В. Е. Костюк, А. В. Тымчик и др. //Пробл. машиностроения. - 2004. - Т. 7, № 2. - С.72-77.
4. Аскарова А. С. Плазмохимическая активация горения твердых топлив /Аскарова А. С., Карпенко Е. И., Мессерле В. Е., Устименко А. Б. //ХВЭ. - 2006. - Т.40, № 2. - С.141-148.
5. Туманов Ю. Н., Туманов Д. Ю. Плазменные технологии в формировании нового облика промышленного производства в ХXI столетии //Новые промышленные технологии. -2006, №1. - С. 14-28.
6. Казанцев В.И. Исследование СВЧ-плазменной технологии сжигания низкосортных углей/ В. И. Казанцев, Д. М. Ваврив, П. М. Канило, С. В. Грицаенко, А. В. Тымчик, В. Е. Мессерле //Теплоэнергетика. - 2002. - № 12. - С. 39-44.
7. Шибков В.М., А.Ф. Александров, А. А. Кузовников. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе// Сб.ст.   под   ред. акад.   РАЕН   Р.Ф. Авраменко  "Шаровая молния в лаборатории". - М.: Изд. "Химия", 1994,  -С. 137-153.
8. Изобр.СССР №333890, МПК H05h 1/18, G21b 1/00. Устройство для получения высокотемпературной плазмы/ П. Л. Капица; Заявл. 22.08.66 (№1347761/26-25); Опубл. в Б.И № 6 08.03.67
9. Brandenburg J. E., Kline J., Sullivan D. The Microwave Electro-Thermal (MET) Thruster Using Water Vapor Propellant// JEEE transactions on plasma science. -2005 - Vol. 33, No.2, - April. - Р.776-781.
10. Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. - М.: Гос. изд. лит-ры по вопр. связи и радио,  1959. - 380 с.
11. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники. – М., - Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 360 с.
12. Заявка РФ на изобретение №2006122590.20(024531) от 23.06.2006. СВЧ-плазмотрон.