RU120309U1

RU120309U1 - MICROWAVE PLASMATRON

Info

Publication number: RU120309U1
Application number: RU2012109522/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Давыдов; Сергей Иванович Грицинин; Игорь Антонович КОССЫЙ
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазма-Про"
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2012-09-10

Abstract

1. Микроволновый плазматрон, характеризующийся тем, что содержит источник микроволнового излучения, прямоугольный резонатор, коаксиальный тракт транспортировки излучения, выполненный виде коаксиального тройника, одно из плеч которого является коаксиальным резонатором, причем длина внешнего электрода коаксиального резонатора превышает длину внутреннего электрода, а внутренний электрод выполняет функцию газоподводящей трубки. ! 2. Микроволновый плазматрон по п.1, характеризующийся тем, что дополнительно содержит рабочую камеру, подсоединенную к коаксиальному резонатору. ! 3. Микроволновый плазматрон по п.1 или 2, характеризующийся тем, что часть внешнего электрода, выступающая за пределы внутреннего электрода, выполнена в виде цилиндрической насадки из сетки с величиной ячейки 1-2 мм. ! 4. Микроволновый плазматрон по п.1 или 2, характеризующийся тем, что размеры плеч тройника подобраны из расчета наилучшего согласования коаксиального и прямоугольного резонаторов. 1. Microwave plasmatron, characterized in that it contains a microwave radiation source, a rectangular resonator, a coaxial path for transporting radiation made in the form of a coaxial tee, one of the arms of which is a coaxial resonator, and the length of the external electrode of the coaxial resonator exceeds the length of the internal electrode, and the internal electrode performs function of the gas supply tube. ! 2. The microwave plasmatron according to claim 1, further comprising a working chamber connected to the coaxial resonator. ! 3. Microwave plasmatron according to claim 1 or 2, characterized in that the part of the outer electrode protruding beyond the inner electrode is made in the form of a cylindrical nozzle made of a mesh with a mesh size of 1-2 mm. ! 4. Microwave plasmatron according to claim 1 or 2, characterized in that the dimensions of the arms of the tee are selected on the basis of the best matching of the coaxial and rectangular resonators.

Description

Полезная модель относится к устройствам для генерации микроволновых плазменных факелов с целью углекислотной, паровой и пароуглекислотной конверсии метана в синтез-газ.The utility model relates to devices for generating microwave plasma torches for the purpose of carbon dioxide, steam and carbon dioxide conversion of methane into synthesis gas.

Известен микроволновый плазматрон, содержащий источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения с внешним и внутренним электродами (RU 83682 U1, 10.02.2009).Known microwave plasmatron containing a source of microwave radiation, a radiation transmission system, a coaxial path for transporting radiation with external and internal electrodes (RU 83682 U1, 02/10/2009).

Недостатком представленной модели можно назвать существенно меньшую компактность и большую стоимость устройства из-за добавления прямоугольного резонатора.The disadvantage of the presented model can be called significantly less compactness and higher cost of the device due to the addition of a rectangular resonator.

В основу полезной модели поставлена задача улучшение надежности работы плазматрона.The utility model is based on the task of improving the reliability of the plasmatron.

Техническим результатом полезной модели является возможность получать синтез-газ из смеси метана с углекислым газом и водяным паром с помощью простого в изготовлении и не включающего дорогостоящих механических и электронных устройств. Конструкция устройства обеспечивает прохождение через плазменный факел всего исходного газового потока и, благодаря этому, достигают высокую степень конверсии углеводородного сырья. Осуществляется возможность разложения метана на водород и углерод.The technical result of the utility model is the ability to produce synthesis gas from a mixture of methane with carbon dioxide and water vapor using a simple to manufacture and not including expensive mechanical and electronic devices. The design of the device ensures the passage through the plasma torch of the entire source gas stream and, due to this, achieve a high degree of conversion of hydrocarbon feedstocks. The possibility of decomposition of methane into hydrogen and carbon.

Кроме того техническим результатом предложенного технического решения является существенное увеличение количества микроволновой энергии, накопленной в резонаторах, и получения большой напряженности электрического поля на сопле, что позволяет работать с широким спектром газов с высоким пробойным напряжением; высокий уровень достижимой температуры факела; большой объем неравновесной плазмы (на два порядка больше, чем в обычных устройствах), в которой могут эффективно протекать плазмохимические реакции; возможность формирования приосевой плазменной струи, оторванной от всех металлических и диэлектрических деталей; простота и дешевизна конструкции, отсутствие настраиваемых элементов, использование широко распространенных дешевых элементов, компактность.In addition, the technical result of the proposed technical solution is a significant increase in the amount of microwave energy accumulated in the resonators, and obtaining a large electric field at the nozzle, which allows you to work with a wide range of gases with a high breakdown voltage; high achievable torch temperature; a large volume of non-equilibrium plasma (two orders of magnitude greater than in conventional devices), in which plasmochemical reactions can occur efficiently; the possibility of forming an axial plasma jet torn off from all metal and dielectric parts; simplicity and low cost of the design, the absence of customizable elements, the use of widespread cheap elements, compactness.

Технический результат достигается тем, что микроволновый плазматрон содержит источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения, внешний и внутренний электроды, резонаторы и узел подачи газа, при этом один резонатор выполнен прямоугольным и размещен между магнетроном и системой передачи излучения, второй резонатор выполнен коаксиальным и составляет часть коаксиального тракта, причем внутренний электрод выполняет функцию газоподводящей трубки, а длина внешнего электрода превышает длину внутреннего электрода.The technical result is achieved in that the microwave plasmatron contains a microwave radiation source, a radiation transmission system, a coaxial radiation transport path, external and internal electrodes, resonators and a gas supply unit, while one resonator is made rectangular and placed between the magnetron and the radiation transmission system, the second resonator made coaxial and forms part of the coaxial path, with the inner electrode acting as a gas supply tube, and the length of the outer electrode is Increases the length of the internal electrode.

Микроволновый плазматрон содержит источник микроволнового излучения, прямоугольный резонатор, коаксиальный тракт транспортировки излучения, выполненный виде коаксиального тройника, одно из плеч которого является коаксиальным резонатором, причем длина внешнего электрода коаксиального резонатора превышает длину внутреннего электрода, а внутренний электрод выполняет функцию газоподводящей трубки.A microwave plasmatron contains a microwave radiation source, a rectangular resonator, a coaxial radiation transport path made in the form of a coaxial tee, one of whose arms is a coaxial resonator, the outer electrode of the coaxial resonator being longer than the inner electrode, and the inner electrode acts as a gas supply tube.

Микроволновый плазматрон дополнительно содержит рабочую камеру, подсоединенную к коаксиальному резонатору.The microwave plasmatron further comprises a working chamber connected to a coaxial resonator.

Часть внешнего электрода, выступающая за пределы внутреннего электрода, выполнена в виде цилиндрической насадки из сетки с величиной ячейки 1-2 мм.The part of the external electrode that extends beyond the internal electrode is made in the form of a cylindrical nozzle made of a mesh with a mesh size of 1-2 mm.

Система передачи выполнена в виде тройника, при этом размеры плеч тройника подобраны из расчета наилучшего согласования коаксиального и прямоугольного резонаторов.The transmission system is made in the form of a tee, while the dimensions of the tee shoulders are selected based on the best matching of coaxial and rectangular resonators.

На чертеже представлен микроволновый плазматрон с подсоединенной нему рабочей камерой.The drawing shows a microwave plasmatron with a working chamber connected to it.

Микроволновый плазматрон содержит прямоугольный резонатор 1, коаксиальный резонатор 2, насадку 3, являющуюся продолжение внешнего электрода коаксиального тракта волновода, выполненная из сетки, рабочую камеру 4, смотровые окна 5, факел 6 микроволнового разряда, магнетрон 7.The microwave plasmatron contains a rectangular resonator 1, a coaxial resonator 2, a nozzle 3, which is a continuation of the external electrode of the coaxial path of the waveguide, made of a grid, a working chamber 4, viewing windows 5, a torch 6 of a microwave discharge, magnetron 7.

Сущность изобретения заключается, в добавлении к существующему коаксиальному тракту прямоугольного резонатора, что существенно увеличивает электрическую добротность системы и в свою очередь улучшает надежность плазматрона.The essence of the invention lies in the addition to the existing coaxial path of a rectangular resonator, which significantly increases the electric quality factor of the system and, in turn, improves the reliability of the plasmatron.

На чертеже приведен вариант устройства, в котором используется магнетрон 7 с частотой микроволнового излучения 2.45 ГТц, средней мощностью Р=600-1500 Вт.The drawing shows a variant of the device, which uses a magnetron 7 with a microwave frequency of 2.45 GHz, average power P = 600-1500 watts.

Коаксиальный резонатор 2 в совокупности с прямоугольным резонатором 1 обеспечивает оптимальную связь между магнетроном и плазменным факелом, а также в некоторой степени защиту магнетрона 7 от мощности, отражаемой от конца волноводного тракта, в случае отсутствия факела.The coaxial resonator 2 in conjunction with the rectangular resonator 1 provides optimal coupling between the magnetron and the plasma torch, as well as to some extent protect the magnetron 7 from the power reflected from the end of the waveguide path in the absence of a torch.

Размеры плеч тройника, через который осуществляется вывод микроволнового излучения, подбираются из условия наилучшей связи между магнетроном 1 и факелом.The dimensions of the shoulders of the tee, through which microwave radiation is output, are selected from the condition of the best connection between magnetron 1 and the torch.

Центральный (внутренний) электрод 7 коаксиальной системы транспортировки микроволнового излучения выполняет также функцию газопровода, подающего рабочий газ к соплу горелки.The central (inner) electrode 7 of the coaxial microwave radiation transport system also performs the function of a gas pipeline supplying the working gas to the burner nozzle.

Коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения состоит из проводящего внешнего электрода 4, представляющего собой цилиндр, а также внутреннего (центрального) электрода 8 из металлической трубки. Коаксиальный тракт представляет собой соединенные коаксиальный резонатор с удлиненным внешним электродом и коаксиальный тройник.The coaxial microwave radiation transport path consists of a conductive external electrode 4, which is a cylinder, as well as an internal (central) electrode 8 from a metal tube. The coaxial path is a connected coaxial resonator with an elongated external electrode and a coaxial tee.

Конечная часть центрального электрода в виде сопла, выполненного из тугоплавкого металла (например, молибдена, вольфрама и т.п.) представляет собой классическое расчетное сопло Лаваля, создающее сверхзвуковой направленный поток газа на выходе из центрального электрода 8, либо просто достаточно протяженный (5-10 диаметров) канал.The final part of the central electrode in the form of a nozzle made of refractory metal (for example, molybdenum, tungsten, etc.) is a classic Laval design nozzle that creates a supersonic directed gas flow at the outlet of the central electrode 8, or simply quite long (5- 10 diameters) channel.

Существенным в конструкции является то, что длина внешнего электрода больше длины внутреннего электрода, а также наличие прямоугольного резонатора, значительно увеличивающего электрическую добротность системы. Расстояние между соплом и замкнутым торцом длинного плеча тройника составляет L=λ/4+nλ/2, где λ - длина волны микроволнового излучения в воздухе, n=0, 1, 2,….It is significant in the design that the length of the external electrode is greater than the length of the internal electrode, as well as the presence of a rectangular resonator, which significantly increases the electric quality factor of the system. The distance between the nozzle and the closed end of the long arm of the tee is L = λ / 4 + nλ / 2, where λ is the wavelength of the microwave radiation in the air, n = 0, 1, 2, ....

Узел подачи рабочего газа состоит из баллона с рабочим газом с регулирующим поток газа клапаном, соединенными с центральным электродом.The working gas supply unit consists of a working gas cylinder with a gas flow control valve connected to a central electrode.

Плазмотрон работает следующим образом.The plasma torch works as follows.

Газ подается через центральный электрод 8. При включении системы питания магнетрона 7 на выходе сопла получают плазменный факел 6.Gas is supplied through the central electrode 8. When the magnetron 7 power system is turned on, a plasma torch 6 is obtained at the nozzle exit.

После запуска магнетрона 7 микроволновое излучение начинает накапливаться в системе прямоугольный резонатор 1 - коаксиальный резонатор 2. По мере работы магнетрона и накопления микроволновой энергии напряженность поля на конце сопла возрастает и, в некоторый момент времени, достигает пробойной величины. При этом на конце сопла в струе рабочего газа образуется пробой и формируется область газоразрядной плазмы. Эта плазма, в силу своей высокой проводимости, фактически становится продолжением внутреннего электрода коаксиальной линии, и электромагнитная волна теперь может распространяться дальше по коаксиалу, до конца области, занятой плазмой, где вновь обеспечиваются пробойные условия для прилегающей области. Таким образом, в струе рабочего газа формируется плазменный факел, длина которого может достигать десятков сантиметров. Поскольку даже при не очень мощных магнетронах напряженность электрического поля на конце сопла за счет накопления микроволновой энергии в коаксиальном резонаторе может достигать значительной величины, возможна работа устройства в широком спектре газов и их смесей.After the start of magnetron 7, microwave radiation begins to accumulate in the system of rectangular resonator 1 - coaxial resonator 2. As the magnetron operates and microwave energy is accumulated, the field strength at the end of the nozzle increases and, at some point in time, reaches the breakdown value. In this case, a breakdown is formed at the end of the nozzle in the jet of working gas and a region of gas-discharge plasma is formed. This plasma, by virtue of its high conductivity, actually becomes a continuation of the internal electrode of the coaxial line, and the electromagnetic wave can now propagate further along the coaxial, to the end of the region occupied by the plasma, where breakdown conditions for the adjacent region are again ensured. Thus, a plasma torch is formed in the working gas stream, the length of which can reach tens of centimeters. Since even with not very powerful magnetrons, the electric field at the end of the nozzle due to the accumulation of microwave energy in the coaxial resonator can reach a significant value, the device can operate in a wide range of gases and their mixtures.

Насадка обеспечивает свободный обзор и доступ к плазме факела. Малая величина ячейки сетки, из которой сделана насадка не позволяет микроволновой энергии излучаться наружу.The nozzle provides easy visibility and access to the plasma torch. The small size of the mesh cell from which the nozzle is made does not allow microwave energy to be radiated out.

Claims

1. A microwave plasmatron, characterized in that it contains a microwave source, a rectangular resonator, a coaxial radiation transport path made in the form of a coaxial tee, one of whose arms is a coaxial resonator, the length of the external electrode of the coaxial resonator exceeding the length of the internal electrode, and the internal electrode performs gas pipe function.

2. The microwave plasmatron according to claim 1, characterized in that it further comprises a working chamber connected to a coaxial resonator.

3. The microwave plasmatron according to claim 1 or 2, characterized in that the part of the external electrode protruding outside the inner electrode is made in the form of a cylindrical nozzle from a grid with a mesh size of 1-2 mm.

4. The microwave plasmatron according to claim 1 or 2, characterized in that the dimensions of the tee arms are selected based on the best matching of the coaxial and rectangular resonators.