RU187848U1

RU187848U1 - THREE PHASE AC PLASMA GENERATOR

Info

Publication number: RU187848U1
Application number: RU2018141705U
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Сафронов; Василий Николаевич Ширяев; Владимир Евгеньевич Кузнецов
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2019-03-20

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, предназначена для получения низкотемпературной плазмы и может быть использована в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также установках по утилизации токсичных и бытовых отходов. Трехфазный генератор плазмы переменного тока включает электродный блок (1), в корпусе которого закреплены начальные части (2) трех электродов и инжектор (8) плазмы, и сопловой блок (9), соединенный с электродным блоком (1) таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру (10), при этом на выходе соплового блока (9) установлено сопло (11) для выхода плазмы, а на входе в электродный блок (1) смонтировано кольцо (12) для подачи плазмообразующего газа, причем рабочие части (4) электродов введены в полость соплового блока (9), при этом в электродном блоке (1) и в сопловом блоке (9) установлены дополнительные кольца (13,14,15) для подачи плазмообразующего газа; согласно полезной модели, инжектор (8) плазмы выполнен в виде регулируемого источника газоразрядной плазмы, который, преимущественно, выполнен на основе газовой горелки с регулируемым количеством подаваемого углеводородного топлива. Повышается технический ресурс генератора за счет обеспечения возможности увеличения количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, что позволяет обеспечить пробой межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора и износа основных электродов.

The utility model relates to electrical engineering, designed to produce low-temperature plasma and can be used in physical experiments, plasma chemistry, metallurgy, as well as installations for the disposal of toxic and household waste. A three-phase alternating current plasma generator includes an electrode block (1), in the housing of which the initial parts (2) of three electrodes and a plasma injector (8) are fixed, and a nozzle block (9) connected to the electrode block (1) in such a way that their cavities form a single electric discharge chamber (10), while at the output of the nozzle block (9) a nozzle (11) is installed to exit the plasma, and at the entrance to the electrode block (1) a ring (12) is mounted for supplying a plasma-forming gas, and the working parts (4 ) electrodes are introduced into the cavity of the nozzle block (9), while in the electric native block (1) and in the nozzle block (9) are mounted additional rings (13,14,15) for supplying a plasma gas; according to a utility model, the plasma injector (8) is made in the form of an adjustable source of gas-discharge plasma, which, mainly, is made on the basis of a gas burner with an adjustable amount of supplied hydrocarbon fuel. The technical resource of the generator is increased due to the possibility of increasing the number of ionized atoms in the jet of high-temperature ionized gas supplied to the electric discharge chamber, which allows for the breakdown of the interelectrode gap, which increases as a result of the operation of the generator and wear of the main electrodes.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, предназначена для получения низкотемпературной плазмы и может быть использована в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также установках по утилизации токсичных и бытовых отходов.The utility model relates to electrical engineering, designed to produce low-temperature plasma and can be used in physical experiments, plasma chemistry, metallurgy, as well as installations for the disposal of toxic and household waste.

Известен трехфазный генератор плазмы переменного тока, US 5081489 С, включающий электродный блок, в корпусе которого размещены, как начальные, так и рабочие части электродов, а также плазменный инжектор, в частности, плазмотрон, который позволяет осуществить ионизацию пространства между электродами; с электродным блоком соединен сопловой блок таким образом, что полости образуют общее пространство - электроразрядную камеру; на выходе соплового блока имеется сопло, через которое выходит генерированная плазма; на входе в электродный блок имеется кольцо для подачи плазмообразующего газа в электроразрядную камеру.Known three-phase alternating current plasma generator, US 5081489 C, comprising an electrode unit, in the housing of which are located both the initial and working parts of the electrodes, as well as a plasma injector, in particular, a plasma torch, which allows ionization of the space between the electrodes; a nozzle block is connected to the electrode block in such a way that the cavities form a common space — an electric discharge chamber; at the exit of the nozzle block there is a nozzle through which the generated plasma leaves; at the entrance to the electrode block there is a ring for supplying a plasma-forming gas to the electric discharge chamber.

Недостатками этого устройства является невысокий технический ресурс генератора и малая зона, которая осуществляет взаимодействие электрической дуги, возникающей между электродами и плазмообразующего газа.The disadvantages of this device are the low technical resource of the generator and the small zone that interacts with the electric arc arising between the electrodes and the plasma gas.

Известен трехфазный генератор плазмы переменного тока, RU 2225686 С, включающий электродный блок, в корпусе которого закреплены начальные части трех электродов и плазменный инжектор, и сопловой блок, соединенный с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, при этом на выходе соплового блока установлено сопло для выхода плазмы, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа, рабочие части электродов введены в полость соплового блока, при этом в электродном блоке и в сопловом блоке установлены, по меньшей мере, по одному дополнительному кольцу для подачи плазмообразующего газа.Known is a three-phase alternating current plasma generator, RU 2225686 C, comprising an electrode unit, in the housing of which the initial parts of three electrodes and a plasma injector are fixed, and a nozzle unit connected to the electrode unit in such a way that their cavities form a single electric discharge chamber, with the output a nozzle block has a nozzle for plasma exit, and a ring for supplying a plasma-forming gas is mounted at the entrance to the electrode block, the working parts of the electrodes are inserted into the cavity of the nozzle block, while in the electrode block ke and in the nozzle unit installed at least one additional ring for supplying a plasma gas.

Данное техническое решение принято за прототип настоящей полезной модели.This technical solution is taken as a prototype of this utility model.

Недостатком этого устройства является невысокий технический ресурс генератора, обусловленный невозможностью увеличения плазменным инжектором количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, что необходимо для пробоя межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора и износа основных электродов. Кроме того, недостатком является низкий cos ϕ источника питания инжектора, что требует большой установочной мощности источника питания, и требуется компенсация реактивной мощности, что существенно удорожает трехфазный генератор плазмы переменного тока.The disadvantage of this device is the low technical resource of the generator, due to the impossibility of increasing the number of ionized atoms in the jet of high-temperature ionized gas supplied to the electric discharge chamber by the plasma injector, which is necessary for the breakdown of the interelectrode gap, which increases as a result of the operation of the generator and wear of the main electrodes. In addition, the disadvantage is the low cos ϕ of the injector power source, which requires a large installation power of the power source, and reactive power compensation is required, which significantly increases the cost of a three-phase AC plasma generator.

В основу настоящей полезной модели положено решение задачи повышения технического ресурса генератора за счет обеспечения возможности увеличения количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, что необходимо для пробоя межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора и износа основных электродов. Кроме того, необходимо значительно удешевить стоимость трехфазного генератора плазмы переменного тока и уменьшить класс электробезопасности электроустановок (не более 600 В).The present utility model is based on solving the problem of increasing the technical resource of the generator by providing the possibility of increasing the number of ionized atoms in the jet of high-temperature ionized gas supplied to the electric discharge chamber, which is necessary for the breakdown of the interelectrode gap, which increases as a result of generator operation and wear of the main electrodes. In addition, it is necessary to significantly reduce the cost of a three-phase alternating current plasma generator and reduce the electrical safety class of electrical installations (not more than 600 V).

Эта задача решается за счет того что в трехфазном генераторе плазмы переменного тока, включающем электродный блок, в корпусе которого закреплены начальные части трех электродов и инжектор плазмы, и сопловой блок, соединенный с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, при этом на выходе соплового блока установлено сопло для выхода плазмы, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа, причем рабочие части электродов введены в полость соплового блока, при этом в электродном блоке и в сопловом блоке установленыдополнительные кольца для подачи плазмообразующего газа, согласно полезной модели, инжектор плазмы выполнен в виде регулируемого источника газоразрядной плазмы.This problem is solved due to the fact that in a three-phase alternating current plasma generator including an electrode block, in the housing of which the initial parts of three electrodes and a plasma injector are fixed, and a nozzle block connected to the electrode block in such a way that their cavities form a single electric discharge chamber, a nozzle for plasma exit is installed at the exit of the nozzle block, and a ring for supplying plasma-forming gas is mounted at the entrance to the electrode block, and the working parts of the electrodes are introduced into the cavity of the nozzle block, p In this case, additional rings for supplying a plasma-forming gas are installed in the electrode block and in the nozzle block, according to a utility model, the plasma injector is made in the form of an adjustable source of gas-discharge plasma.

Регулируемый источник газоразрядной плазмы может быть выполнен на основе газовой горелки с регулируемым количеством подаваемого углеводородного топлива.An adjustable source of gas-discharge plasma can be made on the basis of a gas burner with an adjustable amount of supplied hydrocarbon fuel.

Реализация отличительных признаков полезной модели, в совокупности с признаками в ограничительной части формулы, обеспечивает важное, принципиальное новое свойство объекта: обеспечивается возможность регулировки количества ионизированных атомов в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру, и его увеличения при износе основных электродов путем регулировки подаваемого углеводородного топлива, что необходимо для пробоя межэлектродного зазора, увеличивающегося в результате работы генератора. При этом обеспечивается возможность длительное время поддерживать на выходе генератора постоянную мощность, что значительно увеличивает технический ресурс генератора. Кроме того, в процессе горения углеводородного топлива в инжекторе на основе газовой горелки исключается процесс теплообмена между электрической дугой и плазмообразующим газом, уменьшается количество подаваемого воздуха, существенно упрощается и удешевляется конструкция;The implementation of the distinguishing features of the utility model, together with the signs in the restrictive part of the formula, provides an important, fundamentally new property of the object: it is possible to adjust the number of ionized atoms in the jet of high-temperature ionized gas supplied to the electric discharge chamber and increase it when the main electrodes are worn by adjusting the supplied hydrocarbon fuel, which is necessary for the breakdown of the interelectrode gap, increasing as a result of the operation of the generator ora. At the same time, it is possible to maintain constant power at the generator output for a long time, which significantly increases the technical resource of the generator. In addition, during the combustion of hydrocarbon fuel in a gas burner-based injector, the heat exchange process between the electric arc and the plasma-forming gas is excluded, the amount of air supplied is reduced, the structure is greatly simplified and cheapened;

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен трехфазный генератор плазмы переменного тока, разрез по продольной оси.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows a three-phase alternating current plasma generator, a section along the longitudinal axis.

Трехфазный генератор плазмы переменного тока включает электродный блок 1 и сопловой блок 9, соединенные посредством фланцевого соединения таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру 10, представляющую собой единое пространство, ограниченное стенками корпусов указанных блоков. В корпусе электродного блока 1 укреплен инжектор 8, выполненный в виде регулируемого источника газоразрядной плазмы. В конкретном примере исполнения инжектор 8 выполнен на основе газовой горелки с регулируемым количеством подаваемого углеводородного топлива.The three-phase alternating current plasma generator includes an electrode unit 1 and a nozzle unit 9 connected by means of a flange connection so that their cavities form a single electric discharge chamber 10, which represents a single space bounded by the walls of the housings of these blocks. An injector 8, made in the form of an adjustable source of gas-discharge plasma, is fixed in the housing of the electrode unit 1. In a specific embodiment, the injector 8 is made on the basis of a gas burner with an adjustable amount of hydrocarbon fuel supplied.

В корпусе электродного блока 1 закреплены начальные части 2 трех электродов, рабочие части 4 которых введены в полость соплового блока 9. Начальные части 2 трех электродов жестко соединены с подводящими штуцерами 3, в частности, они спаяны в единое целое. В начальной 2 и рабочей частях 4 электродов выполнен канал 5 для подачи охлаждающей жидкости. Канал 5 в конце рабочей части 4 электрода соединен с каналом 6 отводящего штуцера 7.In the housing of the electrode unit 1, the initial parts 2 of three electrodes are fixed, the working parts 4 of which are inserted into the cavity of the nozzle block 9. The initial parts 2 of the three electrodes are rigidly connected to the supply fittings 3, in particular, they are soldered into a single unit. In the initial 2 and working parts 4 of the electrodes made channel 5 for supplying coolant. Channel 5 at the end of the working part 4 of the electrode is connected to channel 6 of the outlet fitting 7.

На выходе соплового блока 9 установлено сопло 11 для выхода плазмы. На входе электродного блока 1 смонтировано кольцо 12 для подачи плазмообразующего газа. Кроме того, для подачи плазмообразующего газа в электродном блоке 1 установлено дополнительное кольцо 13, а в сопловом блоке 9 установлены дополнительные кольца 14 и 15. В конкретном примере исполнения плазмообразующим газом является воздух.At the output of the nozzle block 9, a nozzle 11 is installed for the exit of the plasma. At the input of the electrode unit 1, a ring 12 is mounted for supplying a plasma-forming gas. In addition, to supply the plasma-forming gas in the electrode unit 1, an additional ring 13 is installed, and in the nozzle block 9 additional rings 14 and 15 are installed. In a specific embodiment, the plasma-forming gas is air.

Инжектор 8 плазмы, выполненный на основе газовой горелки, содержит корпус 16, патрубок 17 канала 18 подачи углеводородного топлива (например, пропана), патрубок 19 канала 20 подачи кислорода, патрубок 21 кольцевого канала 22 и отверстия 23 подачи кислорода для регулирования температуры плазменного потока. В корпусе 16 образована кольцевая смесительная камера 24 с выходными отверстиями 25. В центре корпуса 16 проходит канал 26 для размещения устройства 27 поджига смеси, которая подается в сопло 28 горелки.A plasma injector 8 based on a gas burner comprises a housing 16, a pipe 17 of a hydrocarbon fuel supply channel 18 (for example, propane), a pipe 19 of an oxygen supply channel 20, a pipe 21 of an annular channel 22 and an oxygen supply port 23 for controlling the temperature of the plasma stream. An annular mixing chamber 24 with outlet openings 25 is formed in the housing 16. A channel 26 extends in the center of the housing 16 to accommodate the mixture ignition device 27, which is supplied to the burner nozzle 28.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

От газовых баллонов с регуляторами подачи топлива к патрубку 17 подводят углеводородное топливо (например, пропан), к патрубкам 19 и 21 подают кислород от двух разных баллонов с регуляторами подачи кислорода. По патрубку 19 и по каналу 20 в смесительную камеру 24 подают кислород и в эту же камеру по патрубку 17 и каналу 18 подают углеводородное топливо. В смесительной кольцевой камере 24 происходит перемешивание газов и смесь через отверстие 25 подается в сопло 28 горелки. Включают устройство 27 поджига смеси, смесь воспламеняется. В результате горения смеси создается струя высокотемпературного ионизированного газа, который направлен к основным электродам трехфазного генератора плазмы. По патрубку 21 и кольцевому каналу 22 с отверстиями 23 подают кислород для повышения и регулирования температуры струи высокотемпературного ионизированного газа.From gas cylinders with fuel supply regulators, hydrocarbon fuel (for example, propane) is supplied to pipe 17, oxygen is supplied to pipes 19 and 21 from two different cylinders with oxygen supply regulators. Oxygen is supplied through the nozzle 19 and through the channel 20 to the mixing chamber 24, and hydrocarbon fuel is supplied to the same chamber through the nozzle 17 and the channel 18. In the annular mixing chamber 24, mixing of the gases takes place and the mixture through the opening 25 is supplied to the nozzle 28 of the burner. The device 27 for igniting the mixture is turned on, the mixture ignites. The combustion of the mixture creates a jet of high-temperature ionized gas, which is directed to the main electrodes of a three-phase plasma generator. Oxygen is supplied through the nozzle 21 and the annular channel 22 with openings 23 to increase and control the temperature of the jet of high-temperature ionized gas.

Струя высокотемпературного ионизированного газа подается в электроразрядную камеру 10 и вызывает электрический пробой промежутка между рабочими частями 4 трех электродов, к которым приложено напряжение 480 В. Электрическая дуга возникает в месте, где электроды наиболее близко находятся друг к другу. Рельсотронный эффект заставляет электрическую дугу двигаться вдоль электродов в сторону сопла 11, что увеличивает ее длину. Через кольца 12, 13, 14, 15 в камеру 10 поступает плазмообразующий газ (воздух), который нагревается от электрической дуги и переходит в состояние плазмы. Трехфазная плазма (от трех электродов) движется вдоль продольной оси устройства и выходит через сопло 11. Как только напряжение на дуге достигает величины пробоя межэлектродного промежутка в самом узком месте, происходит повторный пробой, а первая дуга гаснет, цикл повторяется, получается трехфазная плазма переменного тока. Благодаря тому, что рабочие части 4 электродов введены в полость соплового блока 9 и наличию дополнительных колец 13, 14, 15 для подачи плазмообразующего газа, значительно увеличивается зона, в которой происходит взаимодействие электрической дуги и газа.A jet of high-temperature ionized gas is supplied to the electric discharge chamber 10 and causes an electric breakdown of the gap between the working parts 4 of the three electrodes, to which a voltage of 480 V is applied. An electric arc arises at the place where the electrodes are closest to each other. The railgun effect causes the electric arc to move along the electrodes toward the nozzle 11, which increases its length. Through the rings 12, 13, 14, 15, a plasma-forming gas (air) enters the chamber 10, which is heated from an electric arc and goes into a plasma state. Three-phase plasma (from three electrodes) moves along the longitudinal axis of the device and exits through nozzle 11. As soon as the voltage on the arc reaches the breakdown of the interelectrode gap in the narrowest place, a repeated breakdown occurs, and the first arc goes out, the cycle repeats, and a three-phase AC plasma . Due to the fact that the working parts 4 of the electrodes are introduced into the cavity of the nozzle block 9 and the presence of additional rings 13, 14, 15 for supplying a plasma-forming gas, the zone in which the interaction of the electric arc and gas occurs is significantly increased.

В процессе работы трехфазного плазмотрона переменного тока и износа основных электродов увеличивается минимальный межэлектродный зазор, для пробоя которого необходимо увеличить количество носителей (ионизированных атомов) в струе высокотемпературного ионизированного газа, подаваемого в электроразрядную камеру 10. Степень ионизации повышают путем увеличения подачи углеводородного топлива, которую регулируют регуляторами подачи топлива к патрубку 17 и регуляторами подачи кислорода к патрубкам 19 и 21, что в целом увеличивает ресурс работы трехфазного генератора плазмы переменного тока.During operation of a three-phase plasma torch of alternating current and wear of the main electrodes, the minimum interelectrode gap increases, for the breakdown of which it is necessary to increase the number of carriers (ionized atoms) in the jet of high-temperature ionized gas supplied to the electric discharge chamber 10. The degree of ionization is increased by increasing the supply of hydrocarbon fuel, which is regulated regulators of the fuel supply to the pipe 17 and regulators of the oxygen supply to the pipes 19 and 21, which generally increases the working life You alternator plasma AC.

Для изготовления трехфазного генератора плазмы переменного тока использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данная полезная модель соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».For the manufacture of a three-phase alternating current plasma generator, conventional structural materials and factory equipment were used. This circumstance, according to the applicant, allows us to conclude that this utility model meets the patentability condition “Industrial Applicability”.

Claims

1. A three-phase alternating current plasma generator comprising an electrode block, in the housing of which the initial parts of three electrodes and a plasma injector are fixed, and a nozzle block connected to the electrode block in such a way that their cavities form a single electric discharge chamber, while the nozzle block is installed at the output of the nozzle block a nozzle for the exit of the plasma, and a ring for supplying a plasma-forming gas is mounted at the entrance to the electrode block, and the working parts of the electrodes are introduced into the cavity of the nozzle block, while in the electrode block and in the nozzles The th block contains additional rings for supplying a plasma-forming gas, characterized in that the plasma injector is made in the form of an adjustable source of gas-discharge plasma.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the adjustable source of gas-discharge plasma is made on the basis of a gas burner with an adjustable amount of supplied hydrocarbon fuel.