Свч-плазменный реактор для проведения химических процессов

СВЧ-ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, содержащий металлическую разрядную камеру в виде цилиндра с торцовыми днищами к боковой поверхности которой через равномерно расположенные по периметру окна подсоединено не менее двух прямоугольных волноводов, формирователь ввода - закрученного потока газа, установленный у одного из днищ, и приходящие сквозь второе днище выходные сопла, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона использования реактора путем создания неравновесной плазмы при атмосферном давлении, широкие стенки волноводов расположены параллельно оси камеры, количество сопел выбрано не менее четырех, одно из сопел расположено по оси камеры, а остальные - по периферии равномерно на расстоянии от оси, равном r = (0,6 - 0,8)D_р.к/2, высота камеры выбрана из условия а h < 2а, а диаметр камеры определен из соотношения
D_р.к ln ,
где N - число волноводов;
D_р.к - диаметр разрядной камеры, см;
h - высота разрядной камеры, см;
а - размер широкой стенки волновода, см;
- коэффициент затухания электромагнитной волны, распространяющейся вокруг плазменного образования, см^-1;
P_i - отношение мощности, вводимой в (i + 1)-й волновод, к мощности, попадающей в соседний i-й волновод.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к СВЧ-плазмотронам, предназначенным для проведения плазмохимических процессов, и наиболее эффективно при реализации неравновесных химических процессов в атомно-водородной энергетике.
Цель изобретения - расширение диапазона использования реактора путем создания неравновесной плазмы при атмосферном давлении.
На чертеже показан предлагаемый реактор.
Реактор содержит металлическую разрядную камеру 1 в виде цилиндра с торцовыми днищами 2. В зависимости от мощности диаметр D_р.к. камеры 1 превышает ее высоту h в 2-4 раза. К боковой поверхности камеры 1 подсоединено N прямоугольных волноводов 3, подводящих СВЧ-энергию в камеру реактора через равномерно распределенные по периметру окна 4 ввода энергии с диэлектрическими пористыми вставками 5.
Широкие стенки волноводов 3 с размером а ориентированы параллельно оси разрядной камеры 1. В верхнем днище выполнено отверстие 6 для подсоединения устройства предварительной ионизации плазменного потока. Однако поджиг разряда в реакторе может осуществляться также кратковременным вводом тугоплавкого стержня в центральную область камеры через ее боковую стенку.
В районе верхнего днища у боковой поверхности камеры реактора размещен формирователь 7 ввода закрученного потока плазмообразующего перерабатываемого газа.
На противоположном днище размещены выходные сопла 8: центральное и ряд периферийных, расположенных на расстоянии r от оси камеры: r = (0,60,8)D_р.к./2, в количестве не менее трех.
Продукты реакции выводятся в сборник 9.
Реактор работает следующим образом.
Первоначально и независимо сформированный плазменный инициирующий поток газа через отверстия 6 направляется в камеру 1, где этот поток образует радиально расходящуюся структуру течения. Над выходными соплами 8 этот поток встречается с основным холодным закрученным потоком, образуемым формирователем 7. В этот момент возбуждается мощный объемный разряд в камере с развитым тором рециркуляции, обеспечивающим устойчивое и стабильное горение разряда. Конструкция реактора позволяет создать сверхмощное устройство путем суммирования в единой разрядной камере СВЧ-мощности нескольких СВЧ-генераторов. Суммирование осуществляется вводом мощности через равномерно расположенные на боковой стенке камеры окна ввода СВЧ-энергии.
При достаточном удалении окон ввода друг от друга волны, возбуждаемые через каждое отдельное окно, обегая плазменное образование, затухают, обеспечивая развязку каналов ввода энергии, необходимую для устойчивой работы N генераторов. Плазменный поток формируется не вдоль волноводно-резонаторного устройства, как в линейных схемах СВЧ-плазмотронов, а в радиальной волноводной линии, которая представляет собой металлический цилиндр с диаметром, значительно большим его высоты. При этом граница разряда формируется на радиусе r = (0,6-0,8)D_р.к./2, а зона реактора r (0-6-0,8)D_р.к./2 практически вся заполнена плазменным образованием.
Величина а h < 2а, т. е. высота реактора, выбирается из условия обеспечения минимальной величины напряженности электрического поля между днищами и плазменным образованием.
Минимальный диаметр реактора D_р.к. выбирается из условия обеспечения равномерного энерговыделения по азимуту, при этом подводимая СВЧ-мощность затухает между соседними окнами ввода не менее чем в 2 е раз, где е - разряд электрона.
Таким образом, минимальный диаметр реактора должен выбираться из соотношения
D_р.к ( ln ), где - отношение мощности, вводимой в (i + 1)-й волновод, к мощности, попадающей в соседний i-й волновод.
Необходимо отметить, что ввиду того, что коэффициент зависит от абсолютной величины вводимой мощности, от расхода газа и давления в камере, в процессе проектирования и экспериментальной обработки указанный диаметр может быть определен более точно по верхнему пределу.
Отношение P_i+1/P_i определяется конструкцией применяемых СВЧ-генераторов.
Диаметр выходных сопел выбирается, с одной стороны, из условия запредельности по СВЧ-мощности, а с другой - из условия отсутствия кризиса течения при заданном расходе газа и давления в реакторе.
Как показали экспериментальные исследования, выбранные соотношения размеров разрядной камеры реактора и схема суммирования СВЧ-мощности от N отдельных волноводов позволяет получить разряд большого объема и мощности при атмосферном давлении в условиях сильноразвитой неравновесности плазменного образования.
В реакторе диаметром 50 мм и высотой h = 200 мм с двумя вводами СВЧ-мощности (общая мощность порядка 100 кВт) получена воздушная плазма с температурой 1500 К, при этом электронная температура 0,4-1,0 эВ.
По-видимому, этот новый эффект (аналог тлеющего разряда) возникает благодаря тому, что при большом диаметре разрядной камеры реактора и бегущем режиме электромагнитных волн, сильно затухающих на пути между окнами энерговвода при движении вокруг плазменного образования, отсутствуют эффекты концентрации удельного энерговвода в объеме разряда, приводящие к ионизационно-перегревной неустойчивости и ограничению энерговклада из-за недопустимой величины отражения вводимой мощности.
Данный реактор позволяет осуществлять управляемый распределенный энерговвод с заданной плотностью потока энергии через поверхность разряда и тем самым обеспечить эффективное проведение неравновесных процессов. (56) Батенин В. М. , Климоновский Н. И. , Лысов Г. В. , Троицкий В. Н. СВЧ-генераторы плазмы. Физика, техника, применение. М. , Энергоиздат, 1988.
Лысов Г. В. СВЧ-поазмотроны. Основные достижения. Изв. СО АН СССР, кн. техн. наук, 1984, N 16, вып. 3, с, 59-64.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в атомно-водородной энергетике. Целью изобретения является расширение диапазона использования реактора путем создания неравновесной плазмы при атмосферном давлении. Металлическая разрядная камера 1 реактора выполнена в виде цилиндра с торцовыми днищами 2, причем диаметр камеры значительно превышает ее высоту. К боковой поверхности камеры подсоединены азимутно равномерно подводящие СВЧ-энергию прямоугольные волноводы 3, широкие стенки которых параллельны оси камеры. В одном из днищ выполнено центральное отверстие 6 для подсоединения устройства предварительной ионизации плазменного потока, а у боковой стенки этого днища размещен формирователь 7 ввода закрученного потока газа. В противоположном днище размещены выходные сопла 8. Геометрия разрядной камеры и схема подсоединения водноводов обеспечивают получение неравновесной плазмы большой мощности при атмосферном давлении. 1 ил.