CZ2008620A3

CZ2008620A3 - Plasmachemical reactor

Info

Publication number: CZ2008620A3
Application number: CZ20080620A
Authority: CZ
Inventors: Bálek@Rudolf; Pekárek@Stanislav
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-04-28
Also published as: CZ301986B6

Abstract

Reaktor je tvoren výbojovou komorou (1), do které je z jedné strany zaústena elektricky vodivá uzemnená kónická tryska (2) s vnitrním trnem (4), jejíž druhý konec je uzpusoben pro prívod stlaceného pracovního plynu (3), obvykle vzduchu. Z druhé strany, proti trysce (2) a souose s ní je do výbojové komory (1) vyústena elektricky vodivá elektroda tvorená rezonátorem (6), jehož válcová rezonancní dutina je opatrena ostrou hranou (7). Rezonátor (6) je elektricky oddelen od horizontálního posuvného mechanismu (9), teflonovým izolantem (8). Horizontální posuvný mechanismus (9) umožnuje presné nastavení vzdálenosti mezi kónickou tryskou (2) a rezonátorem (6). Rezonátor (6) je pres zatežkávací odpor (10) vodive spojen se svorkou záporné polarity vysokonapetového zdroje (11). Elektrický výboj horí mezi kónickou tryskou (2) a ostrou hranou (7) rezonátoru (6).The reactor is formed by a discharge chamber (1) into which an electrically conductive grounded conical nozzle (2) with an internal mandrel (4) is provided, the other end of which is adapted to supply compressed working gas (3), usually air. From the other side, opposite the nozzle (2) and coaxially with it, an electrically conductive electrode formed by a resonator (6), whose cylindrical resonance cavity is provided with a sharp edge (7), opens into the discharge chamber (1). The resonator (6) is electrically separated from the horizontal sliding mechanism (9) by a Teflon insulator (8). The horizontal sliding mechanism (9) allows precise adjustment of the distance between the conical nozzle (2) and the resonator (6). The resonator (6) is connected via a load resistor (10) to a negative polarity terminal of the high voltage source (11). The electrical discharge burns between the conical nozzle (2) and the sharp edge (7) of the resonator (6).

Description

Plazmachemický reaktorPlasmachemical reactor

Oblast technikyTechnical field

Předkládané řešení se týká zařízení pro ovlivňování vlastností elektrického výboje ultrazvukovým polem generovaným supersonickým proudem plynu z trysky určeném pro environmentální aplikace jako generace ozónu, rozklad oxidů dusíku, a dekompozice těkavých uhlovodíků.The present invention relates to a device for influencing the properties of an electric discharge by an ultrasonic field generated by a supersonic jet gas stream intended for environmental applications such as ozone generation, decomposition of nitrogen oxides, and decomposition of volatile hydrocarbons.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Environmentální aplikace jako je generace ozónu, rozklad oxidů dusíku případně dekompozice těkavých uhlovodíků jsou založeny na využití chemických reakcí. Reakční rychlosti těchto reakcí kromě závislosti na teplotě, koncentraci a míšení reakčních komponent, přítomnosti katalyzátorů a podobně, závisí také na tlaku v oblasti, ve které k těmto reakcím dochází. Lokální zvýšení tlaku v této oblasti je možné dosáhnout použitím ultrazvukových vln. Kromě toho lze reakční rychlosti ovlivnit ionizací komponent, do reakcí vstupujících. Ionizace těchto komponent je nejjednodušší dosáhnout elektrickými výboji. K ionizaci zde dochází vtzv. ionizační oblasti. Kombinací použití ultrazvukových vln a elektrického výboje lze dosáhnout synergetického jevu, který přináší nové perspektivy pro řadu výše uvedených praktických aplikací.Environmental applications such as ozone generation, decomposition of nitrogen oxides or decomposition of volatile hydrocarbons are based on the use of chemical reactions. The reaction rates of these reactions, in addition to the temperature, concentration and mixing of the reaction components, the presence of catalysts and the like, also depend on the pressure in the region in which the reactions occur. Local pressure increase in this area can be achieved by using ultrasonic waves. In addition, the reaction rates can be influenced by ionizing the components into the reactions entering. Ionization of these components is easiest to achieve by electric discharges. Ionization takes place here. ionization areas. By combining the use of ultrasonic waves and electric discharge, a synergetic phenomenon can be achieved, which brings new perspectives for a number of practical applications mentioned above.

Je známé řešení podle patentu CZ 295687, kde se výkonovým ultrazvukem buzeným pístovým měničem podstatné zvyšuje generace ozónu elektrickým výbojem, který hoří mezi tryskou a kmitající rovinou ultrazvukového měniče. Takové zařízení je tvořeno výbojovou komorou, do které je z jedné strany zaústěna svým hrotem dutá jehla, jejíž druhý konec je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu, obvykle vzduchu, a je připojen k vysokonapěťovému zdroji a z druhé strany proti duté jehle, je do výbojové komory vyústěna vodivá elektroda tvořená vodivým nástavcem elektricky uzemněným, akusticky svázaným s piezokeramickým měničem, který je připojen na výstup výkonového elektrického generátoru. Dutá jehla je spojena se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje a je uložena v reflektoru. Nevýhodou tohoto řešení je, že pro generaci ultrazvuku musí být použit : . J ’· r: íí ·· • · · · ** ♦· ·· 2 *····* ··· ·· piezoelektrický měnič/generátor což významně komplikuje praktické aplikace, kdy je zapotřebí další přístroj, přizpůsobení přenosu ultrazvukové energie z měniče do plynného prostředí.A solution according to patent CZ 295687 is known, where the power of the ultrasonic excited piston transducer substantially increases the generation of ozone by an electric discharge that burns between the nozzle and the oscillating plane of the ultrasonic transducer. Such a device is formed by a discharge chamber, into which a hollow needle is connected at one end with its tip, the other end of which is adapted to supply compressed working gas, usually air, and is connected to a high voltage source. a conductive electrode formed by a conductive extension electrically grounded, acoustically coupled to a piezo-ceramic transducer, which is connected to the output of a power electric generator. The hollow needle is connected to the negative polarity terminal of the high voltage source and is housed in the reflector. The disadvantage of this solution is that for ultrasound generation:. * 2 * ···· * ··· · piezoelectric transducer / generator which significantly complicates practical applications where additional instrumentation is needed, ultrasonic energy transmission adaptation from the converter to the gaseous environment.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nedostatky odstraňuje plazmachemický reaktor podle předkládaného řešení. Tento plazmový reaktor je tvořen výbojovou komorou, z níž vede výstup plazmového reaktoru. Do výbojové komory je z jedné strany svou zúženou částí zaústěna elektricky vodivá uzemněná kónická tryska, jejíž druhý konec je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu. Z druhé strany, souose proti trysce, je do výbojové komory vyústěna elektricky vodivá elektroda s horizontálním posuvným mechanismem. Podstatou nového řešení je, že elektricky vodivá uzemněná kónická tryska je u svého kónického konce z důvodů zmenšení průtoku stlačeného pracovního plynu opatřena trnem o průměru menším než je průměr ústí trysky, který leží v ose kónické trysky a který je v kónické trysce uchycen pomocí fixačního úchytu s průchody pro pracovní plyn. Elektricky vodivá elektroda je u tohoto nového řešení tvořena rezonátorem, jehož válcová rezonanční dutina je opatřena ostrou hranou. Tento rezonátor je elektricky oddělen od horizontálního posuvného mechanismu teflonovým izolantem a zároveň je pres zatěžovací odpor spojen se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje.The above disadvantages are overcome by the plasmachemic reactor of the present invention. This plasma reactor is formed by a discharge chamber from which the plasma reactor outlet leads. An electrically conductive grounded conical nozzle, the other end of which is adapted for the supply of compressed working gas, opens into the discharge chamber from one side by its tapered part. On the other side, coaxially opposite the nozzle, an electrically conductive electrode with a horizontal sliding mechanism is discharged into the discharge chamber. The essence of the new solution is that the electrically conductive grounded conical nozzle is provided at its conical end with a mandrel smaller than the diameter of the nozzle orifice that lies in the axis of the conical nozzle and which is fixed in the conical nozzle by means of a fixation with working gas passages. In this new solution, the electrically conductive electrode comprises a resonator whose cylindrical resonant cavity is provided with a sharp edge. This resonator is electrically separated from the horizontal sliding mechanism by a Teflon insulator and at the same time it is connected to the negative polarity terminal of the high voltage source via a load resistor.

Ve výhodném provedení je kónická tryska s elektricky nevodivým trnem opatřena prodlužovacím kónickým nástavcem z teflonu, který spojité prodlužuje konickou trysku, jehož délce odpovídá posunutí prvního tlakového maxima pracovního plynu od ústí elektricky vodivé trysky, čímž dojde ke zvětšení vzdálenosti mezi vodivými elektrodami, růstu napětí na výboji a tedy i růstu energie elektronů, které iniciují plazma-chemické reakce.In a preferred embodiment, the conical nozzle with the electrically non-conductive mandrel is provided with a teflon extension conical extension that continuously extends the conical nozzle, the length of which corresponds to the displacement of the first working gas pressure maximum from the electrically conductive nozzle. discharges and therefore energy growth of electrons, which initiate plasma-chemical reactions.

Pro odstranění nevýhod známých řešení je tedy navrženo přímo použít plyn dodávaný do výboje pro vytvoření oscilujících gradientů tlaku, které jsou zdrojem ultrazvukových vln. Nové řešení využívá tedy generaci ultrazvukových vln samotným proudícím plynem a aplikaci těchto vln na elektrický výboj.Thus, to overcome the disadvantages of the known solutions, it is proposed to directly use the gas supplied to the discharge to produce oscillating pressure gradients that are the source of ultrasonic waves. The new solution uses the generation of ultrasonic waves by the flowing gas itself and the application of these waves to the electric discharge.

Velmi výhodné je, že ultrazvuk je generován stlačeným plynem, který má být v reaktoru upravován a reaktor tedy nepotřebuje vnější zdroj výkonového ultrazvuku. Další výhodou je, že změnou tlaku pracovního plynu a změnou vzdálenosti reflektoru od trysky lze ovlivňovat vznik ultrazvukových oscilací, jejich frekvenční spektrum a akustický tlak. V důsledku toho je možné ovlivňovat parametry výboje, jeho strukturu i tvar. Rovněž tak je výhodné, že výboj je stabilizovaný a hoří po celém obvodu ostré hrany rezonátoru, v důsledku čehož dojde ke zvětšení reakčniho objemu a tedy ke zvětšení množství zpracovávaného plynu. Významnou výhodou návrhu je také skutečnost, že reaktor je velmi jednoduchý a zařízení nepotřebuje vnější zdroj výkonového ultrazvuku.It is very advantageous that the ultrasound is generated by the pressurized gas to be treated in the reactor and thus the reactor does not need an external source of power ultrasound. Another advantage is that by varying the pressure of the working gas and by changing the distance of the reflector from the nozzle, the formation of ultrasonic oscillations, their frequency spectrum and the sound pressure can be influenced. As a result, it is possible to influence the discharge parameters, its structure and shape. It is also advantageous that the discharge is stabilized and burns around the periphery of the sharp edge of the resonator, thereby increasing the reaction volume and thus increasing the amount of gas to be treated. An important advantage of the design is also the fact that the reactor is very simple and the device does not need an external source of power ultrasound.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Příklad uspořádání reaktoru podle předkládaného řešení je schematicky naznačen na Obr. 1. Obr. 2 znázorňuje supersonický výtok vzduchu z kónické trysky získaný šlírovou metodou. Světlá místa zobrazují velké změny akustického tlaku respektive hustoty plynu. Na Obr. 3a je výboj v reaktoru s ultrazvukem a na Obr. 3b jsou znázorněny jemu odpovídající oscilace akustického tlaku zobrazené rovněž šlírovou metodou. Pro ilustraci je na Obr. 4a stejnou metodou znázorněn výboj bez ultrazvuku a na obr.4b je vidět jemu odpovídající stacionární výtok vzduchu z rezonátoru.An example of a reactor arrangement according to the present invention is schematically shown in FIG. 1. FIG. 2 shows the supersonic air flow from the conical nozzle obtained by the clinker method. The bright spots show large changes in sound pressure and gas density. In FIG. 3a is a discharge in an ultrasonic reactor; and FIG. 3b shows the corresponding sound pressure oscillations also shown by the loop method. For illustration, FIG. 4a shows the discharge without ultrasound using the same method, and FIG. 4b shows the stationary discharge of air from the resonator.

Příklady provedeni vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Reaktor na Obr.1 je tvořen výbojovou komorou 1, do které je z jedné strany zaústěna elektricky vodivá uzemněná kónická tryska 2 s vnitřním trnem 4 o průměru menším než je průměr ústí kónické trysky 2. Tento vnitrní trn 4 leží v ose kónické trysky 2 a je v ní uchycen pomocí fixačního úchytu 5 s průchody pro pracovní plyn 3. V uvedeném příkladě je fixační úchyt 5 je pevně nasunout do průchodu pro pracovní plyn 3 a po svém obvodu má vyvrtané otvory umožňující průchod pracovního plynu a ve své ose má otvor se zalisovaným teflonovým trnem 4. Druhý konec kónické trysky 2 je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu 3.The reactor in Fig. 1 is formed by a discharge chamber 1 into which an electrically conductive grounded conical nozzle 2 with an inner mandrel 4 with a diameter smaller than the diameter of the conical nozzle 2 is placed on one side. This inner mandrel 4 lies in the axis of the conical nozzle 2. In this example, the fixing bracket 5 is pushed firmly into the working gas passage 3 and has drilled holes along its perimeter to allow the working gas to pass through and has a press-fit hole in its axis The second end of the conical nozzle 2 is adapted to supply compressed working gas 3.

Z druhé strany, souose proti kónické trysce 2, je do výbojové komory 1 vyústěna elektricky vodivá elektroda s horizontálním posuvným mechanismem 9. Tato elektricky vodivá elektroda je tvořena rezonátorem 6, tvořeným válcovou rezonanční dutinou s ostrou hranou 7. Rezonátor 6 je elektricky oddělen od horizontálního posuvného mechanismu 9 teflonovým izolantem 8. Horizontální posuvný mechanismus 9 umožňuje přesné nastavení vzdálenosti mezi kónickou tryskou 2 a rezonátorem 6. Rezonátor 6 je přes zatěžovací odpor 10 vodivě spojen se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje H. Elektrický výboj hoří mezi kónickou tryskou 2 a ostrou hranou 7 rezonátoru 6. Výstup z reaktoru je označen 12.On the other side, coaxial to the conical nozzle 2, an electrically conductive electrode with a horizontal sliding mechanism 9 flows into the discharge chamber 1. This electrically conductive electrode is formed by a resonator 6 formed by a cylindrical resonant cavity with a sharp edge 7. The resonator 6 is electrically separated from the horizontal The horizontal sliding mechanism 9 allows for precise adjustment of the distance between the conical nozzle 2 and the resonator 6. The resonator 6 is conductively connected to the negative polarity terminal of the high voltage source H via a load resistor 10. An electrical discharge burns between the conical nozzle 2 and the sharp edge. 7. The reactor outlet is labeled 12.

Podstata činnosti uvedeného reaktoru spočívá vtom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného ze svorky záporné polarity vysokonapěťového zdroje 11 k rezonátoru 6 a hořící mezi ostrou hranou 7 vstupního otvoru rezonátoru 6 a uzemněnou rovinou, do které je vyústěna kónická tryska 2, se vystaví působení ultrazvukového pole. Toto pole je buzeno oscilujícími gradienty tlaku, s amplitudou dosahující téměř poloviční vzdálenosti mezi rezonátorem 6 a kónickou tryskou 2 a periodou určenou průměrem dutiny v rezonátoru 6, její hloubkou a vzdáleností mezi rezonátorem 6 a kónickou tryskou 2 při konstantním tlaku přiváděného pracovního plynu 3. Ke vzniku ultrazvuku dochází jen v určitých vzdálenostech rezonátoru 6 od kónické trysky 2. K vysvětlení tohoto jevu je třeba uvést, že plyn tryskající z kónické trysky 2 nadzvukovou rychlostí vytváří periodicky se opakující tlaková maxima, viz Obr.2, a jen pň umístění vstupního otvoru tvořeného ostřím 7 rezonátoru 6 do míst nárůstu tlaku, viz světlá místa v ose proudu v Obr.2, dochází k vybuzení rezonátoru 6. Z dutiny rezonátoru 6 je periodicky vyfukován plyn proti původnímu proudu plynu z kónické trysky 2, čímž dochází k oscilacím gradientu tlaku.The operation of said reactor consists in exposing the electrical discharge caused by the high voltage applied from the negative polarity terminal of the high voltage source 11 to the resonator 6 and burning between the sharp edge 7 of the inlet opening of the resonator 6 and the grounded plane into which the conical nozzle 2 effect of ultrasonic field. This field is excited by oscillating pressure gradients, with an amplitude reaching nearly half the distance between resonator 6 and conical nozzle 2 and the period determined by the diameter of the cavity in resonator 6, its depth and distance between resonator 6 and conical nozzle 2 at constant feed gas pressure 3. Ke ultrasonic formation occurs only at certain distances of resonator 6 from conical nozzle 2. To explain this phenomenon, it should be noted that the gas jetting from the conical nozzle 2 at supersonic speed generates periodically repetitive pressure maxima, see Figure 2, and only when the inlet port formed by 2, the resonator 6 is excited. From the cavity of the resonator 6, gas is periodically blown against the original gas stream from the conical nozzle 2, thereby oscillating the pressure gradient.

Na Obr.4a a 3a jsou demonstrovány změny tvaru a struktury výboje bez působení ultrazvukového pole, Obr. 4a, a s působením ultrazvukového pole, Obr. 3a, dle nového řešení.Figures 4a and 3a demonstrate changes in the shape and structure of the discharge without the action of an ultrasonic field; 4a, and with the action of an ultrasonic field, FIG. 3a, according to the new solution.

V případě působení ultrazvukového pole, Obr. 3a, je výboj těsně před ústím rezonátoru radiálně rozšířen oproti situaci bez působení tohoto pole, Obr. 4a.In the case of an ultrasonic field, FIG. 3a, the discharge just in front of the resonator mouth is radially expanded compared to a situation without this field, FIG. 4a.

” ··· . í · · · · · · 1 • ·· · ···* 5 ··· ···’ .........”···. í · 1 · 1 · 5 ··· ··· ’.........

Současně s tím působení ultrazvukového pote mění í strukturu výboje tak, že odstraní jeho fragmentaci světelné emise výboje.At the same time, the action of the ultrasonic potency changes the structure of the discharge by removing its fragmentation of the light emission of the discharge.

Tyto změny jsou podmíněny změnou fyzikálních vlastností prostředí, tedy tlaku respektive hustoty mezi rezonátorem a tryskou, jak ukazují Obr. 4b, kde je uvedeno rozložení gradientu hustoty bez působení ultrazvukového pole a Obr. 3b, kde je znázorněno rozložení gradientu hustoty s působením ultrazvukového pole.These changes are conditioned by a change in the physical properties of the environment, i.e. the pressure or density between the resonator and the nozzle, as shown in FIG. 4b showing the density gradient distribution without the application of an ultrasonic field; and FIG. 3b showing the density gradient distribution under the action of an ultrasonic field.

Za účelem studia ovlivňování výboje v reaktoru spočívající v interakci výboje s oscilacemi tlaku v ionizační oblasti výboje bylo vytvořeno experimentální zařízení, odpovídající schématu na Obr. 1. V tomto uspořádání byla vzdálenost mezi ocelovou kónickou tryskou 2 a ocelovým rezonátorem 6 nastavitelná v rozsahu 0,5-50 mm, průměr výstupního otvoru kónické trysky 2 byl 1.6 mm, průměr dutiny rezonátoru 6 měl velikost 2 mm, hloubka dutiny rezonátoru 6 byla 2,1 mm. Rezonátor 6 byl elektricky izolován teflonovým nástavcem o délce 20 mm. Vzdálenost rezonátoru 6 od kónické trysky 2 byla přesně nastavována mikrometrickým horizontálním posuvemIn order to study the influence of the discharge in the reactor by the interaction of the discharge with the pressure oscillations in the ionization region of the discharge, an experimental device corresponding to the scheme in FIG. In this arrangement, the distance between the steel conical nozzle 2 and the steel resonator 6 was adjustable in the range of 0.5-50 mm, the diameter of the exit opening of the conical nozzle 2 was 1.6 mm, the diameter of the cavity 6 was 2 mm, the depth of the cavity 6 2.1 mm. Resonator 6 was electrically insulated with a 20 mm Teflon adapter. The distance of the resonator 6 from the conical nozzle 2 was precisely adjusted by micrometric horizontal displacement

9. Amplituda výchylky v ionizační oblasti pro vzdálenost 1,9-2,9 mm byla větší než 0,5 mm na frekvenci 24 kHz, což odpovídá amplitudě tlaku P= 92 kPa. Tlak přiváděného vzduchu byl 3.10⁵ Pa.9. The displacement amplitude in the ionization region for a distance of 1.9-2.9 mm was greater than 0.5 mm at a frequency of 24 kHz, which corresponds to a pressure amplitude of P = 92 kPa. The supply air pressure was 3.10 ⁵ Pa.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Kombinací použití ultrazvukových vln generovaných stlačeným plynem, který se má v reaktoru upravovat a elektrického výboje lze dosáhnout synergetického jevu, který přináší nové perspektivy pro uplatněni v environmentálních aplikacích jako je například výroba ozónu, rozklad oxidů dusíku a rozklad těkavých organických uhlovodíků.By combining the use of ultrasonic waves generated by the pressurized gas to be treated in the reactor and the electrical discharge, a synergistic phenomenon can be achieved that brings new perspectives for application in environmental applications such as ozone production, nitrogen oxide decomposition and volatile organic hydrocarbon decomposition.

Claims

PATENT CLAIMS

Plasmachemic reactor consisting of a discharge chamber (1) with an outlet (12), which is an outlet of a plasma reactor, wherein an electrically conductive grounded conical nozzle (2) is connected to the discharge chamber by a constricted portion from one side. The electrically conductive grounded conical nozzle (2) is discharged into the discharge chamber (1) and coaxially opposite the nozzle (2) to the discharge chamber (1). the end of the gas is provided with a mandrel (4) with a diameter smaller than the diameter of the nozzle orifice (2), which lies in the axis of the conical nozzle (2) and is fixed in the conical nozzle (2) by ) and the electrically conductive electrode is formed by a resonator (6), whose cylindrical resonant cavity is provided with a sharp edge (7) and this resonator (6) is electrically separated by d of the horizontal sliding mechanism (9) by a teflon insulator (8) and at the same time connected to the negative polarity terminal of the high voltage source (11) via a load resistor (10).

Plasmachemical reactor according to claim 1, characterized in that the conical nozzle (2) with the electrically non-conductive mandrel (4) is provided with a teflon extension conical extension (11).