Reaktor plazmowy

Reaktory plazmowe są wykonywane jako urządzenia wielo-elektrodowe, często z dodatkową elektrodą zapłonową. Konstrukcje instytutowego reaktora plazmowego typu GlidArc (rys. 1) oparte są na wykorzystaniu czterech (3+1) lub siedmiu (6+1) elektrod. Trzy stalowe, duże i płaskie elektrody robocze rozmieszczone są symetrycznie wewnątrz rurowej komory wyładowczej co 120 stopni. Centralnie, na wysokości podstaw elektrod roboczych umieszczona jest czwarta, krótka elektroda zapłonowa. Analogiczny układ zrealizowany jest jako 6 symetrycznie rozmieszczonych elektrod roboczych i jedna zapłonowa. Powstające w reaktorze quasi-łukowe wyładowanie wytwarza plazmę w stanie nierównowagowym, przy

ciśnieniu atmosferycznym, która wypełnia część przestrzeni komory wyładowczej, dzięki czemu reakcje chemiczne mogą zachodzić w znacznej objętości poddawanych obróbce plazmochemicznej gazów, w warunkach takich, jak są emitowane do atmosfery. Istotą procesu neutralizacji i likwidacji aktywnych substancji chemicznych jest wykorzystanie strefy plazmy do jonizacji, utleniania oraz destrukcji bądź przekształcenia aktywnych chemicznie zanieczyszczeń na neutralne dla środowiska.

Na właściwości wytwarzanej plazmy mają istotny wpływ parametry zasilania.

Właściwy cykl pracy reaktora plazmowego odbywa się przy napięciach rzędu 1÷2 kV. Takie wartości napięcia nie zapewniają jednak zapłonu wyładowania w reaktorze. Napięcie zapłonowe, przy stosowanych kilku-milimetrowych odstępach międzyelektrodowych, ma wartość około 10 kV.

Rys. 1. Reaktor plazmowy z elektrodą zapłonową

ZASILANIE

autotransformator

Tor zasilania elektrod roboczych Tor zasilania

elektrody zapłonowej

Moduł kontrolno pomiarowy

Reaktor plazmowy Układ podawania i regulacji gazów plazmotwórczych

Układ regulacji

gazów

Powietrze

Azot

ZASILANIE L1

N

L1 L2 L3

N ^Arg

on

Rys. 2. Schemat blokowy układu zasilania, kontroli i pomiarów trójfazowego reaktora plazmowego ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym

Zastosowanie elektrody zapłonowej pozwala oddzielić w reaktorze plazmowym zapłon wyładowania od właściwego cyklu pracy reaktora. Takie rozwiązanie wymaga stosowania specjalnych konstrukcji układów zasilania. Do zasilania plazmotronu znajdującego się w instytucie stosuje się specjalne i zintegrowane układy zasilania.

Systemy zasilania zostały opatentowane przez pracowników instytutu. Przykładowy układ posiada cztery transformatory jednofazowe odpowiednio włączone do sieci trójfazowej, czteroprzewodowej. Trzy transformatory połączone po stronie pierwotnej i wtórnej w układ gwiazdy z przewodem neutralnym, włączone są na poszczególne fazy i zasilają elektrody robocze plazmotronu. Czwarty transformator połączony z przewodem neutralnym zasila elektrodę zapłonową plazmotronu.

L1 L2 L3 N

Układ zapłonowy

Rys. 3. Przykładowy układ zasilania reaktora plazmowego GlidArc w Instytucie IPEiE

Gdy napięcie między elektrodą zapłonową, a jedną z elektrod roboczych osiągnie wartość wystarczającą do przebicia przerwy międzyelektrodowej następuje zapłon łuku elektrycznego.

Przed zapłonem łuku elektrycznego, a więc w stanie jałowym pracy układu zasilania, następuje jonizacja obszarów międzyelektrodowych. Wyróżnić można sześć stref jonizacji (trzy pomiędzy parami elektrod roboczych oraz trzy pomiędzy elektrodą zapłonową a każdą z elektrod roboczych). Napięcie 1,5 kV występujące na elektrodach roboczych nie jest w stanie zjonizować przerwy międzyelektrodowej na tyle by nastąpiło jej przebicie a tym samym zapłon wyładowania łukowego.

Wystarczająca do tego wartość napięcia występuje pomiędzy elektrodą zapłonową a jedną z elektrod roboczych i tu następuje przebicie przerwy międzyelektrodowej – a więc zapłon wyładowania łukowego. Jako że przestrzeń pomiędzy elektrodami roboczymi a elektrodą zapłonową jest silnie zjonizowana oraz istnieje już częściowy kanał łukowy wobec tego może nastąpić przebicie pomiędzy elektrodami roboczymi z wykorzystaniem tego kanału. Tym sposobem wyładowanie rozwija się na każdej elektrodzie roboczej. Od tej chwili palący się łuk jest podtrzymywany przez trzy elektrody robocze i zaczyna się właściwy cykl pracy plazmotronu. Elektroda zapłonowa nie bierze w nim udziału aż do chwili ponownego zapłonu wyładowania w strefie zapłonu.

Początkowo w sytuacji kiedy odległość między elektrodami jest niewielka, palący się łuk jest łukiem krótkim znajdującym się w stanie równowagi termodynamicznej.

Stan ten nie trwa długo gdyż pod wpływem przepływającego przez komorę

wyładowczą reaktora gazu wyładowanie przesuwa się wzdłuż rozchodzących się elektrod. Towarzyszy temu wzrost długości i objętości wyładowania z równoczesnym przejściem wyładowania do fazy nierównowagowej. W tej fazie wyładowanie przybiera charakter zbliżony do wyładowania jarzeniowego, oraz wyzwalane jest 80-90 % energii ślizgającego się wyładowania. Na czas palenia się wyładowania w plazmotronie typu GlidArc duży wpływ ma prędkość gazu przepływającego przez komorę wyładowczą reaktora. Przy elektrodach o długości 150 mm i prędkości gazu równej 1,5 m/s czas jednego cyklu pracy reaktora wynosi ok. 140 ms. Przy prędkości gazu 2,5 m/s czas ten zmniejsza się do ok. 70 ms. Istotny wpływ ma tu również ciśnienie, rodzaj i temperatura gazu oraz rozmiary i kształt elektrod. Zgaszenie wyładowania w reaktorze następuje gdy energia dostarczana ze źródła nie jest w stanie kompensować strat energetycznych rozszerzającego się wyładowania. Po zgaszeniu wyładowania w strefie gaśnięcia, łuk odbudowuje się natychmiast w strefie zapłonu i rozpoczyna się kolejny cykl pracy reaktora.

Cykl pracy plazmotronu zaczyna się z chwilą wystąpienia zapłonu wyładowania elektrycznego pomiędzy elektrodą zapłonową a elektrodami roboczymi. Pod wpływem przepływającego przez komorę wyładowczą gazu wyładowanie unosi się wzdłuż elektrod. W chwili gdy energia dostarczana ze źródła nie jest już w stanie zrównoważyć strat rozwijającego się wyładowania elektrycznego następuje zgaszenie wyładowania. Charakter pracującego reaktora plazmowego jest okresowy, a dzięki wyładowaniom elektrycznym jest to również odbiornik silnie nieliniowy.

W konsekwencji, w torze zasilania występują duże zmiany obciążenia oraz znaczna asymetria. Wyładowanie elektryczne jakie pali się w trójelektrodowym plazmotronie typu GlidArc z elektrodą zapłonową jest trudne do opisu ze względu na swój zmienny charakter.