BR102021020543A2 - Arranjos para equalização de ionização em reatores de plasma e disposição de eletrodos - Google Patents

Abstract

Arranjos equalizadores formados por pelo menos um transformador de alta tensão com “N” enrolamentos, todos com mesma quantidade de espiras, conectado entre uma fonte de alta tensão e pelo menos “N” eletrodos. Quando a corrente que passa pelos eletrodos tem a mesma intensidade, nenhuma diferença de potencial é gerada pelo transformador, visto que os fluxos magnéticos gerados nos enrolamentos são contrários e, portanto, se cancelam. Quando a ionização entre os eletrodos está desbalanceada, existe também o desbalanço nas correntes que passam por eles, gerando então um fluxo magnético resultante diferente de zero, que ao ser enlaçado nos outros enrolamentos, gera tensão adicional no respectivo eletrodo, aumentando a ionização em suas adjacências e equilibrando a ionização. Para o caso de o número de eletrodos ser maior do que o número de saídas independentes do arranjo equalizador, dois ou mais eletrodos são conectados em cada saída sendo que os eletrodos devem ser dispostos fisicamente de modo que haja um intercalamento entre as saídas de forma que um eletrodo acionado por uma determinada saída tenha em suas adjacências somente eletrodos acionados por outras saídas.

Description

ARRANJOS PARA EQUALIZAÇÃO DE IONIZAÇÃO EM REATORES DE PLASMA E DISPOSIÇÃO DE ELETRODOS

[001] A presente invenção se situa no campo da eletricidade, especificamente das técnicas elétricas, mais especificamente das técnicas de plasma, exatamente arranjos eletromagnéticos para equalização de ionização em múltiplos eletrodos de reatores de plasma.

[002] Reatores são arranjos onde as reações de interesse acontecem. Os reatores de plasma mantêm a ionização do gás em seu interior ou adjacências durante tempo suficiente para que essas reações aconteçam. Os reatores funcionam em conjunto com as fontes elétricas que são os dispositivos externos que fornecem a energia para iniciar e manter a ionização através da passagem de corrente elétrica, que precisa ser controlada.

[003] A variação da condutividade elétrica do gás entre os estados de repouso e plasma pode ser extremamente rápida (microssegundos). Isto faz com que seja difícil manter a descarga num valor de corrente desejado e, com frequência, aparecem arcos voltaicos dentro do reator, o que é indesejável visto que eles podem danificar o sistema (reator e fonte) e ainda atrapalhar a reação de interesse, além de representar um gasto desnecessário de energia.

[004] Várias pesquisas foram feitas com o objetivo de criar meios que consigam equilibrar a ionização e limitar a ocorrência de arcos ou limitar os danos ocasionados por eles. Uma das técnicas é colocar uma barreira isolante entre os eletrodos para que a corrente fique sempre limitada pela resistência do dielétrico, que é bastante grande. Os reatores deste tipo são chamados de DBD ("Dielectric Barrier Discharge"). Existem outras formas de limitar a corrente de arco, como colocar impedâncias no eletrodo de alta tensão ou ainda fazer a leitura da corrente que passa no reator e, caso se identifique que ela esteja num valor alto demais, desligar ou abaixar momentaneamente a tensão da fonte de alimentação. A desvantagem de introduzir impedâncias no circuito é que elas dissipam energia desnecessariamente. A desvantagem da leitura do valor da corrente é que são necessários sensores e controladores adicionais, o que diminui a robustez do sistema por conta do acréscimo de componentes. Além disso, os componentes eletrônicos não conseguem atuar instantaneamente de forma que os danos não são completamente eliminados.

[005] Em aprofundada análise do estado da arte percebe-se uma lacuna em arranjos para equalização de tensões em reatores de plasma, como se pode perceber pela proteção FR2842389, "Modular device for generating multiple sliding high voltage discharges between multiple electrodes in the form of single or double bladed daggers arranged around each injection nozzle", depositada por Physiques ECP et Chimiques, em 09 de julho de 2002, que apresenta eletrodos encaixados em tríades semelhantes a estrelas com três braços a 120° entre si e colocados em bicos de injeção múltipla, de modo que o conjunto de eletrodos + bico forma uma célula em favo de mel. Um único gerador trifásico de alta tensão alimenta todos os eletrodos, diretamente ou por meio de resistências. As células são colocadas lado a lado e empilhadas em um reator: Os três polos (fases) R, S e T do gerador são conectados diretamente a alguns eletrodos principais (r, s, t) e por meio de resistências a alguns eletrodos intermediários (r', s', t') para iniciar, manter e reiniciar três descargas deslizantes ao longo do comprimento dos três lados dos eletrodos em cada célula. Duas descargas deslizam entre um lado do eletrodo principal e dois lados dos dois eletrodos intermediários formando o favo de mel. A terceira descarga desliza entre os dois lados dos eletrodos intermediários no favo de mel. Muitos elementos em favo de mel são colocados lado a lado para formar um conjunto móvel que pode ser colocado no mesmo reator para tratar o material diluído. Uma série de conjuntos móveis podem ser conectados na forma de estruturas complexas chamadas clusters, grupos e/ou células que preenchem um espaço, como dentro de um reator de plasma. O gerador produz uma tensão entre 5 e 21 kV para todos os eletrodos simultaneamente. As resistências estão entre 0,2 e 2 MW (normalmente 0,5 MW) e uma potência de dissipação entre 0,5 e 5 W (normalmente 2 W). A corrente de cada descarga não ultrapassa 5A. Todos os eletrodos principais são conectados diretamente ao respectivo polo (r para R, s para S, t para T) e todos os eletrodos intermediários são conectados ao respectivo polo por meio de uma resistência. Apenas um eletrodo de cada tríade é um eletrodo principal e os outros dois eletrodos intermediários são conectados aos outros dois polos, então uma tríade contém (r, s', t' ou r', s, t' ou r', s', t). Cada eletrodo é dupla face e parte de duas células adjacentes em favo de mel. Cada eletrodo na célula está em um potencial alternativo diferente da mesma alimentação trifásica, com as diferenças atingindo amplitudes máximas de 7 a 30 kV antes que as descargas ocorram. Se uma célula não estiver rodeada por outras células, o(s) eletrodo(s) na parte externa são unilaterais.

[006] Ainda, a patente US2004007985, "Apparatus for producing and sustaining a glow discharge plasma under atmospheric conditions", de De Vries Hindrik Willem; Mori Fuyuhiko; Aldea Eugen; Van De Sanden Mauritius Cornelius Maria; Fuji Photo Film B.V, depositada em 11 de julho de 2002, revela um aparelho para produzir e sustentar um plasma de descarga luminescente em um espaço de descarga de plasma compreendendo pelo menos dois eletrodos opostos espaçados, meios para fornecer um gás ou uma mistura de gases sob condições de pressão atmosférica no espaço de descarga, meios de alimentação AC para energizar os eletrodos e meios elétricos de estabilização para estabilizar as variações da corrente no plasma (R9 - circuito eletrônico de indução). Os meios de estabilização se conectam entre os eletrodos e os meios de fornecimento de energia e são dispostos para fornecer um feedback negativo em oposição a um feedback positivo do plasma para instabilidades no plasma.

[007] Por fim, o documento US2010065215, "Plasma generating apparatus", de Samsung Electronics, com prioridade de 17 de setembro de 2008, mostra um aparelho gerador de plasma incluindo uma pluralidade de módulos de fonte de plasma. Cada módulo de fonte de plasma inclui um núcleo de ferrite com alta permeabilidade magnética e um canal de plasma através do qual o plasma pode passar. O aparelho gerador de plasma pode efetivamente gerar e distribuir uniformemente plasma de grande área e alta densidade sem uma janela dielétrica.

[008] Frente às lacunas da técnica, a invenção que se propõe são arranjos eletromagnéticos para equalização de ionização em reatores de plasma. Os arranjos são compostos por uma fonte de alimentação de alta tensão (que pode ser CC, CA ou pulsada), um ou mais transformadores de alta tensão e dois ou mais eletrodos. A quantidade de transformadores e de eletrodos varia de acordo com a configuração do arranjo. A quantidade de eletrodos pode variar também caso cada saída do transformador esteja ligada em mais de um eletrodo.

[009] Em sua forma mais básica, o arranjo é formado pela fonte de alimentação, um transformador de alta tensão e dois eletrodos. O transformador tem dois enrolamentos com quantidade igual de espiras, ou seja, relação de transformação 1:1. O condutor que vem da fonte de alimentação é conectado nos dois enrolamentos do transformador, em um dos terminais, de acordo com a polaridade do mesmo. Os outros terminais dos enrolamentos são ligados nos eletrodos do reator de plasma.

[010] A figura 1 apresenta a configuração básica do arranjo. A fonte de alimentação está indicada com o número 9. O eletrodo “terra” está marcado com 0 número 10. O transformador está indicado com o número 11 e os eletrodos estão marcados com os números 1 e 2. Ao haver circulação de corrente pelo eletrodo 1, há a geração de fluxo magnético dentro do transformador, que é representado na figura pelo número 5. Da mesma forma, a passagem de corrente pelo eletrodo 2 também gera o fluxo magnético marcado na figura com o número 6. Quando a ionização perto de ambos os eletrodos for igual, as correntes que circulam neles também serão iguais. Desta forma, os fluxos magnéticos gerados pelas respectivas correntes também terão a mesma intensidade, já que o transformador tem relação de espiras 1:1. Como os fluxos estão em sentidos opostos, eles se cancelam e não há indução de tensão em nenhum dos enrolamentos. Por outro lado, quando houver desbalanço na ionização entre os eletrodos, haverá passagem de corrente de intensidade diferente entre eles, gerando um fluxo magnético resultante diferente de zero, que causará aumento na tensão no eletrodo menos ionizado e diminuição na tensão no eletrodo mais ionizado, gerando, portanto, equilíbrio na ionização.

[011] A Figura 2 mostra o mesmo esquema básico do arranjo da Figura 1, porém trocando o desenho do transformador por uma representação esquemática do mesmo onde o “ponto” denota a polaridade da bobina.

[012] A configuração mais geral do arranjo é composta por uma fonte de alimentação, um transformador de alta tensão com “N” enrolamentos (onde N pode variar na prática entre 2 e 10) e “N” eletrodos independentes. Para exemplificar, a figura 3 mostra um transformador com N=4 onde os números 1, 2, 3 e 4 representam os eletrodos independentes e os números 5, 6, 7 e 8 representam os fluxos magnéticos gerados pela passagem da corrente em seus respectivos eletrodos. A forma de atuação do arranjo para “N” eletrodos independentes é similar ao arranjo com transformador com 2 enrolamentos. Ou seja, caso a corrente que circula em todos os eletrodos tenha a mesma intensidade, nenhuma tensão é induzida. Caso haja desbalanço nas intensidades de corrente, os eletrodos de menor corrente têm suas tensões aumentadas e os eletrodos de maior corrente tem suas tensões diminuídas.

[013] Em uma configuração alternativa, faz-se um “cascateamento” de transformadores, onde as saídas de um transformador vão alimentar outros transformadores, aumentando assim a quantidade final de eletrodos independentes. A figura 4 mostra um arranjo com capacidade para 4 eletrodos que utiliza transformadores de 2 enrolamentos.

[014] Em outras configurações alternativas, é possível fazer o “cascateamento” de transformadores de 3 ou mais enrolamentos.

[015] Geralmente a quantidade de eletrodos de alta tensão é maior do que a quantidade de saídas independentes do transformador ou do arranjo de transformadores “cascateados”. Então faz-se necessário ligar vários eletrodos por saída do transformador. No entanto, caso a distribuição dos eletrodos não siga a distribuição explanada a seguir, o resultado será inferior. O modo de distribuição inventado é caracterizado pela alternância das diferentes saídas do(s) transformador(es) de modo que nas adjacências de um eletrodo haja somente eletrodos acionados por outra(s) saída(s) independente do arranjo equalizador.

[016] A invenção pode ser mais bem compreendida com o auxílio da figura 5 onde é mostrada a vista superior de uma matriz de 4x4 eletrodos (16 ao total) sendo que os números 1’ e 2’ indicam as saídas do transformador que alimentaria os eletrodos mostrados na Figura 1 e explanados em [010] . Percebe-se que 8 eletrodos estão ligados no que seria o “eletrodo 1” e outros 8 eletrodos estão ligados no que seria o “eletrodo 2” e que os mesmos estão intercalados.

[017] A figura 6 apresenta a vista superior de um reator com 6x8 eletrodos (48 ao total), porém utilizando um arranjo equalizador com 4 saídas independentes (que poderia ser um transformador com 4 enrolamentos ou um “cascateamento” de transformadores de 2 enrolamentos, tal qual explanado em [013] ). Os números 1, 2, 3 e 4 indicam o número da saída onde o respectivo eletrodo está ligado. Percebe-se que cada saída independente está ligada em 12 eletrodos e que os mesmos estão intercalados.

[018] Pelo benefício de equilibrar a ionização entre os vários eletrodos, naturalmente ocorre a diminuição da quantidade de arcos voltaicos dentro do reator.

[019] Esta invenção não se limita às representações aqui comentadas ou ilustradas, devendo ser compreendida em seu amplo escopo. Muitas modifícações e outras representações da invenção virão à mente daquele versado na técnica à qual essa invenção pertence, tendo o benefício do ensinamento apresentado nas descrições anteriores e desenhos anexos. Além disso, é para ser entendido que a invenção não está limitada à forma específica revelada, e que modificações e outras formas são entendidas como inclusas dentro do escopo das reivindicações anexas. Embora termos específicos sejam empregados aqui, eles são usados somente de forma genérica e descritiva e não como propósito de limitação.

Claims (3)

1. ARRANJO PARA EQUALIZAÇÃO DE IONIZAÇÃO EM REATORES DE PLASMA caracterizado por ser constituído por uma fonte de alimentação de alta tensão (9), um eletrodo terra (10), um transformador de alta tensão e eletrodos no qual o transformador construído por 2 a 10 enrolamentos, todos com mesma quantidade de espiras e tendo um dos terminais ligados a fonte de alimentação e o outro terminal ligado a um ou mais eletrodos.
2. ARRANJO PARA EQUALIZAÇÃO DE IONIZAÇÃO EM REATORES DE PLASMA caracterizado por ser constituído por uma fonte de alimentação de alta tensão (9), um eletrodo terra (10), um conjunto de transformadores de alta tensão e eletrodos no qual o conjunto de transformadores é ligado em cascata sendo que no último estágio há de um a dez eletrodos para cada enrolamento do transformador.
3. DISPOSIÇÃO DE ELETRODOS caracterizada por alternância das diferentes saídas de modo que nas adjacências de um eletrodo há somente eletrodos acionados por outras saídas do arranjo equalizador.

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