close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследования процессов взаимодействия дисперсных частиц с потоками низкотемпературной электродуговой плазмы.

код для вставкиСкачать
Естественные науки
11. Dobbins М., Sherrell I. Significant developments in dry rareearth magnetic separation // Society for Mining. Metallurgy, and
Exploration Annual Meeting and Exhibit, February 22–25.
Denver, 2009.
12. Доббинс М., Данн П., Шерелл Я. Последние достижения
в области проектирования и применения магнитных сепараторов // Цветные металлы. 2010. № 2. Outotec(USA) Inc.,
Джексонвилль, США.
13. Dobbins M., Hearn S. SLon* magnetic separator: A new
approach for recovering and concentrating iron ore fines // Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum Conference
and Exhibition, April 29 - May 2. - Montreal, 2007.
14. Чижевский В.Б. Исследование процесса сухой магнитной
сепарации мелкого материала во взвешенном состоянии
(Магнитогорский государственный технический университет
им. Г. И. Носова) // Обогащение руд. 2007. № 4.
15. Баранов В. Ф., Сеитемова В. А., Ядрышников А. О. О
модернизации технологии рудоподготовки отечественных
железорудных фабрик // Обогащение руд. 2005. № 1.
16. А. с. 26450 РФ. МПК7 В 03 С 1/18. Устройство для извлечения магнитных частиц из сыпучего материала / B.Б. Чижевский, Р.С. Тахаутдинов, И. П. Захаров. № 2002111712/20;
Заявл. 29.04.2002 // БИПМ. 2002. № 34. C.390.,
17. Чижевский В.Б. [и др.] Сухая магнитная сепарация во
взвешенном состоянии — высокоэффективный способ обогащения мелкого материала // Материалы V Конгресса обогатителей стран СНГ. М.: Альтекс, 2005. Т. ГУ. С. 38-39.
18. Азбель Ю.И. Электромагнитные и магнитные сепараторы
института Механобр // Обогащение руд. 1995. № 1 С. 89.
19. Патент RU 2392068 С1, 2009.
20. Чижевский В. Б. Исследование процесса сухой магнитной сепарации мелкого материала во взвешенном состоянии // Обогащение руд. 2006. № 2.
21. Новые направления в обогащении руд Кольского полуострова и Северной Карелии, проблемы их комплексной
переработки и экологии в современных экономических условиях / А.Д. Маслов [и др.] Обогащение руд. 1995. № 4-5. С.
95.
22. Очистка кварцевой крупки с помощью барабанного сепаратора / В.И. Ревнивцев [и др.] // Обогащение руд. 1989. №4.
С. 28–30.
23. Месеняшин А.И., Кравец И.М., Логачева Н.А. Электростатическая сепарация минерального и техногенного сырья
// Обогащение руд. 2005. № 6. С. 23–28.
24. Богданович А. В., Васильев А. М. Исследование работы
гравитационных сепараторов для обогащения тонкозернистых материалов // Обогащение руд. 2005. № 1. С. 12–15.
25. Авторское свидетельство СССР
по заявке №
4414996/31-26, 1988.
26. Авторское свидетельство СССР по заявке № 4838161/33,
1990 кл. С 03 С 1/02.
27. Патент RU 2198138 С2,2003.
28. Патент RU 2041173 С1,1995.
29. Авт. Свид. СССР № 1791383 ,кл С 01 В 33/12, 1990.
30. Патент RU 2220117 С1,2003.
31. Патент RU 2385299 С1,2008.
32. Данилевская Л.А., Скамницкая Л.С., Щипцов В.В. Минералого-технологическая оценка и перспективы использования сырья кварцевой жилы Меломайс (Карелия) // Обогащение руд. 2006. № 3. С. 15.
УДК 539.9
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ С
ПОТОКАМИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ
А.Е. Балановский1, Н.А. Иванов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предложена математическая модель двухслойной низкотемпературной дуговой плазмы для процессов диспергирования и сфериодизации, представлены экспериментальные данные по исследованию скорости движения
частиц в плазме.
Ил. 8. Табл. 1. Библиогр. 15 назв.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма; плазмотрон; диспергирование; кремний.
RESEARCHES OF THE INTERACTION PROCESSES OF DISPERSE PARTICLES WITH THE STREAMS OF
LOW-TEMPERATURE ELECTROARC PLASMA
A.E. Balanovsky, N.A. Ivanov
National Research Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors propose a mathematical model of two-layer low-temperature arc plasma for the processes of dispersion and
spheroidization. They also present experimental data on the study of particle movement speed in plasma.
8 figures. 1 table. 15 sources.
Key words: low-temperature plasma; plasmatron; dispersion; silicon.
Введение. Основные перспективы в создании
новых материалов, по мнению большинства исследователей, сегодня связаны с созданием в них нано- или
микрокристаллической структуры. Одним из путей
создания наноматериалов является использование
ультрадисперсных и дисперсных порошков. Работы в
этой области идут широким фронтом, сейчас известно
большое количество различных способов получения
___________________________
1
Балановский Андрей Евгеньевич, докторант, кандидат технических наук, тел.: 723988.
Balanovsky Andrey, Competitor for a Doctor’s degree, Candidate of technical sciences, tel.: 723988.
2
Иванов Николай Аркадьевич, кандидат физико-математических наук, зам. директора физико-технического института ИрГТУ,
тел.: 723988.
Ivanov Nikolay, Candidate of physical and mathematical sciences, Deputy Director of Physical-Technical Institute of ISTU, tel.:
723988.
ВЕСТНИК ИрГТУ №7 (47) 2010
289
Естественные науки
наноматериалов, не считая их модификации. Среди
плазменных процессов с использованием особенностей дуговых плазмотронов особый интерес представляет технология очистки и сфероидизации мелкодисперсных частиц порошковых материалов. Такие
порошки применяются в разных областях техники: при
изготовлении фильтров различного назначения, композиционных материалов и материалов для нанесения покрытий, наплавки и сварки, а также в качестве
дисперсионных упрочнителей сплавов, наполнителей
пластмасс, твердого топлива, смазок и для многих
других целей. При плавке и сфероидизации дисперсных материалов коэффициент использования может
составлять 90% и более.[ 1- 10].В последнее время
большой интерес наблюдается и к ультрадисперсным
порошкам двуокиси кремния SiO2 диаметром 2…10
мкм. В частности, в медицине: стоматологические материалы, производство сорбентов, «биоснарядов» в
биотехнологии и микробиологии. Для производства
таких порошков широко используется высокочастотная индукционная плазма, которая позволяет получать термически обработанные и химически чистые
порошки сферической формы[7-10]. В процессе плазменной обработки происходит эффективное рафинирование силикатных порошковых материалов, при
этом предварительной очистки исходного материала
не требуется. Также с помощью стеклошариков производят струйную обработку медицинских инструментов,
благодаря чему исчезают все микротрещины, возникающие на поверхности инструментов, а сами они
приобретают матовый оттенок, исключающий блики,
так мешающие хирургу во время операции.
Следует заметить, что техника плазменной обработки порошка двуокиси кремния SiO2 диаметром
2…10 мкм очень сильно отличается от техники обработки частиц диаметром 50…150 мкм. Требуется специальная конструкция порошкового питателя и системы транспортировки частиц в плазму, а также усовершенствованная система сбора и фиксации частиц как
готового продукта. Это связано с особенностями ультрадисперсного порошка. Порошок с размером частиц
2…10 мкм представляет собой обычно комкующиеся,
электролизующиеся и плохо транспортируемые системы, поэтому основная проблема – это подготовка и
транспортировка таких порошков в плазму. Скорости
проплавления порошков такого малого размера весьма велики, поэтому в отличие от частиц 50…150 мкм,
для которых основная задача продержать эти частицы
подольше в плазме, для частиц 2…10 мкм нужно ограничить время их контакта с плазмой. Большой процент испарившегося материала, конденсация, силы
термофореза, разбрасывающие порошок по стенкам,
делают этот процесс плохо управляемым.
С учетом вышесказанного для повышения эффективности обработки дисперсных частиц в плазме
дугового разряда необходимо проведение всестороннего исследования процесса сфероидизации порошкового материала с целью выявления различных факторов, влияющих на технологию.
Несмотря на многочисленные исследования в
этом направлении, в научно-технической литературе
не имеется исчерпывающей информации об исследо-
290
ваниях по определению рациональных режимов технологического процесса термообработки дисперсного
материала. К тому же, в целом отсутствует методика
расчета взаимодействия между плазмой и обрабатываемой группой частиц. Практически существует мало
сведений о влиянии режима работ дугового плазмотрона на степень неравновесности плазмы, которая, в
свою очередь, может влиять на технологические свойства плазмотрона, уже как интрумента для проведения сфериодизации и диспергирования вещества..
Мало работ посвящено изучению вопроса о нагрузочных параметрах источников питания плазмотронов,
которые могут меняться при изменении режима работы плазмотрона, что важно учитывать при проектировании источников питания плазмотронов. Все это определяет актуальность проведения расчетных и экспериментальных исследований электродуговых плазмотронов, применительно к процессам сфероидизации. Данная работа продолжает развивать теоретическую модель двухслойной низкотемпературной плазмы, представленную в [11 ] , с добавлением в теорию
в качестве элемента реагентов, взаимодействующих с
плазмой.
Постановка задачи. Целью исследования было
провести
моделирование взаимодействия между
плазменным потоком газа и
частицей порядка
15…100 и более мкм. Параметры плазмы, такие как
распределение температуры, скорости, давления и
электромагнитного поля, предварительно рассмотрены в [11]. Физические свойства плазмы в зависимости
от температуры – вязкость, теплопроводность, потери
на излучение, энтальпия, плотность, теплоемкость –
взяты из справочной литературы[6].Другим важным
вопросом исследований является разработка экспериментальной методики диагностики процессов сферодизации частиц в плазме.
Основное содержание. В случае обработки и
синтеза ультрадисперсных порошков плазмохимическим методом исходные сырьевые компоненты используются в различных агрегатных состояниях, а
плазмохимическая реакция происходит в газовой среде с последующей конденсацией твердого порошка
при охлаждении. При этом следует учитывать энергию, затрачиваемую на фазовые превращения в сырье (если они происходят внутри реактора – плавление металла, испарение капель жидкого сырья) и на
нагрев транспортирующего газа до температуры реакции. Под транспортирующим газом понимают вспомогательную газовую струю, обеспечивающую образование аэрозольного пылевого облака из порошкообразного сырья (эмпирически найденная норма расхода 0,3–0,4 м3/ч на 1 кг порошка[3-5,7-10]). Исходя из
необходимой полезной мощности и принятой единичной мощности плазмотрона, находят число плазмотронов и, следовательно, определяют количество реакторов и выделяемую в них мощность согласно[1-5]
Для обеспечения передачи мощности из плазмотрона
в реактор рассчитывают количество плазмообразующего газа (с учетом его энтальпии при температуре
реакции). При вычислении объема реактора необходимо учитывать увеличение суммарного объема газов
при обработке исходного сырья.
ВЕСТНИК ИрГТУ №7 (47) 2010
Естес
ственные науки
Разрабоотка исходных требованийй к плазмоххимическому реаактору состоиит из вычисл
ления следую
ющих
величин: раасхода сырьяя, теплового эффекта преевращения сырьья в целевой продукт, кол
личества плаазмообразующегго и транспоортирующего газа, мощнности
плазмотроноов, объема реакторов,
р
кол
личества плаазмотронов и реаакторов, геом
метрических параметров
п
р
реактора, парам
метров охлаж
ждения реакттора, парамеетров
закалочногоо устройстваа, параметроов плазмотррона.
Указанные расчеты
р
базиируются на даанных заданиия на
проектироваание [1-4], котторые включаают в себя:
– составв и свойства исходного
и
сырья (темпераатура
подачи сыррья, скоростьь движения в трубопровводе,
наличие фаазовых перехходов); темпеературу плаззменной струи и состав плазм
мообразующеего газа; темппературу охлажд
дающей воды
ы (воздуха) – начальную и на
выходе; даввление газов на входе и выходе
в
из реаактора; состав транспортиру
т
ующего газа (для порошкоовых
материалов);время реаакции; скороость плазменной
струи; темпеературу реакц
ции и ее кпд; скорость заккалки
и температууру пара газоовой смеси после закалкии; состав продуктта и его годоовой выпуск; время непреерывной работы реактора;
– параметры работы
ы плазмотрона. Расчет мощности плазмоттрона начинаю
ют с вычислеения затрат тепла
т
на проведение целевойй физическойй и химичееской
реакции[1-4,,11 ].
При расссмотрении процесса
п
наггревания твердой
частицы в плазме
п
необхходимо рассм
матривать в совос
купности всее фазы нагреева: сначала нагрев до теемпературы плаввления, далее плавление, затем нагреев до
температуры
ы кипения с одновременнным испареннием,
кипение (рис.1). В процеессе расчета мы сделалии ряд
допущений: рассматриваается толькоо безградиенттный
нагрев частиицы, давлениие в плазме берется
б
равным 1
атм., не расссматриваетсся влияние паров
п
кремниия на
свойства пл
лазмы, пренеебрегается вл
лиянием чаастиц
на температтуру и скоростть плазмы.
−QПлавлл
где QР – удел
льная мощноость тепловогго потока отт
плаззмы на нагреев частицы заа счет теплоппроводности;;
QИззл – удельнаяя мощность ппотерь за сче
ет излучения;;
QПл
лавл , QИспаар , QКип , QП
Пар– потери при плавле-нии,, при испареении, потери при кипении
и, потери наа
нагр
рев парового облака до теемпературы плазмы
п
соот-ветсственно.
Согласно маатематической модели[11]] и работ [5-7,12
2], был разраб
ботан алгориитм расчета траектории
т
и
скор
рости движенния частицы в плазменной струе. Прии
этом
м используюттся следующиие уравнения:
G
ρp G G G G
dVs 3
G
ρs ⋅
= ⋅ CD ⋅
⋅ (V p − Vs ) ⋅ V p − Vs + ρ s ⋅ g ;
ds
dT
4
Cd =
Таким об
бразом, уравнение нагревва частицы моожно
записать, с учетом всех фаз нагреваа, следующим
м образом:
16, 6
+ 0, 2;
Re 0,75
t
z (t ) = ∫ vsz (t ) ⋅ dt ;
0
t
r (t ) = ∫ vsr (t ) ⋅ dt.
0
Процесс нагрревания часттицы в плазм
менной струее
(рисс. 3) описывается формуулой, связыввающей ско-ростть нагрева с массой m s, удельной теплоемкостью
ю
cps и мощностью, передаваемой в частицу:
ms ⋅ C ps ⋅
dTs
= ∑ Pi
dt
i
Учитываютсяя следующиие источники
и и потерии
мощ
щности для частицы: мощ
щность конвекктивно - кон-дукттивной теплоопередачи отт плазмы Pp; мощностьь
излуучения Prad; мощность,
м
заатрачиваемаяя на плавле-ние Pmelt; мощноссть, затрачивваемая на исппарение Pvap;
мощ
щность, затраачиваемая наа нагрев паро
ового облакаа
Pcloud; мощность,, затрачиваемая на кипение Pboil. . В
расссматриваемой методике ттакже учитывваются поте-ри массы
м
частицей при испаррении и кипении:
dms
p
(
) vap = hm ⋅ S пов − ти ⋅ ρ ⋅ ln(
)
dt
p − pv (T )
(
Рис. 1. Стадии нагр
рева частицы
ы в плазме: I – наицы до темпеературы плавлегревание твердой части
ния; II – пл
лавление част
тицы; III – наггревание жидккой
частицы
ы до температ
туры кипения
я; IV – кипени
ие
чаастицы
dTs
= ∑ Qi = Q p − QИзлл −
dt
i
− QИспар − QКип − QПар
ms ⋅ C pps ⋅
Pp − Prad
dms
)boil =
)
G
∆H boil + c pvapor (Tp ) ⋅ (Tp − Tboil )
dt
Для расчетаа движения и нагреван
ния частицы
ы
крем
мния были выбраны след
дующие нача
альные пара-метр
ры: диаметр частицы крем
мния 100 и 300 мкм, такк
как для этих диааметров имеются экспери
иментальныее
значчения, с которрыми мы мож
жем сравнитьь полученныее
резуультаты; начальная скороость частицы
ы 12 м/с; на-чалььная темперратура 300 К
К. Ввод часттиц кремнияя
прин
нимается пооперек плазмеенного потока
а. Результа-ты расчета
р
предсставлены на рис. 2–5.
На графикахх (рис.2 и 4), отражающихх температу-ру частицы,
ч
мы можем наблю
юдать все фазы нагрева..
м, что скоро
На графике скоорости видим
ость частицы
ы
сначчала увеличиивается, а заттем падает, так
т как в кон-це струи
с
скоростть плазмы сттановится ме
еньше скоро-сти частицы и чаастица тормоззится плазмой.
В
ВЕСТНИК
ИрГТУ №7
№ (47) 2010
291
Естес
ственные науки
небо
ольшой его рост
р
связан с изменение
ем плотностии
часттицы при плаавлении и дал
льнейшем на
агреве, далеее
испа
арение становится преообладающим и диаметрр
умен
ньшается. Ниже предстаавлено сравн
нение экспе-риментальных даанных и даннных расчета (ттаблица).
Рис. 2. Температура
Т
и скорость частицы
ч
крем
мния
вдо
оль траектор
рии движения
я плазмы
Рис.
Р
4 . Темпер
ратура части
ицы вдоль тр
раектории
движения: Tss – для диамет
тра 100 мкм; Ts2 – для
диаметра 40 мкм
Рис.3. Тем
мпература чаастиц кремни
ия диаметро
ом
15мкм, дв
вигающихся вдоль
в
оси плаазмотрона пр
ри
различны
ых расходах транспортир
т
рующего газа,, и
температ
тура на оси плазмы:
п
1, 2 – температур
ра
частицы и плазмы
п
соот
тветственно при G1 =1 л/м
/мин;
3, 4 – температуура частицы и плазмы
твенно при G22 =2 л/мин; 5, 6 – температ
тура
соответст
частицы и плазмы соот
тветственно
о при G3 =3л/м
/мин
Был прооанализироваан баланс мощностей для частицы; показаано, что болььшая часть подводимой к частице мощноости затрачиввается на исспарение (илии кипение) частиицы. В резул
льтате расчеттов показано, что
при расходее G1 =1 л/м
мин происход
дит существеенное
рассеяние частиц
ч
по рад
диусу, что прииводит к их осажо
дению на стенку реактторной насад
дки плазмотррона;
при увеличеении расходаа до G2 =2 и G3 =3 л/минн радиальное раассеяние ввод
димых частиц
ц уменьшается. В
то же времяя газ с расхоодом G3 =3 л/мин чрезмерно
охлаждает приосевую
п
зоону плазмы, из-за
и
чего исппарение частиц происходит
п
м
менее
эффекттивно (см. рисс. 3).
Рассматтривая графиик диаметра частицы (риис.5),
видим, что в начале нагррева полный диаметр часттицы
и диаметр его
е твердого ядра
я
одинакоовые; затем начин
нается проц
цесс плавленния и диаметтр твердого ядра
уменьшаетсся до нуля, когда
к
процессс плавленияя закончен. Уменьшение диааметра при пл
лавлении, а затем
292
Рис
с. 5. Диаметр частицы креемния вдоль траектории
т
движения: dss – для диамеетра 100 мкм; ds – для
диа
аметра 40мкм
м ; dcor, dcor2 – диаметр тве
ердого ядра
Сравнительн
С
ные данныее диаметра частицы
кремния на расстоянии от
т среза сопл
ла плазмотрон
на
Диаметрр частицы на расстоянии
от среза сопла плазмо
отрона, z,см
Данные
5
10
15
5
20
150 ± 4 146 ± 5 142 ± 2 142 ± 2
1. ЭксперименЭ
тал
льные, мкм
2.Р
Расчетные, мкм 148,7 144,8 143,65 143,24
Для постаноовки эксперим
ментальной части
ч
иссле-дова
аний, с целью
ю проверки аадекватности математиче-ской
й модели, использовали
и
ись в качествве методоло-гиче
еского обоснования рабооты[13-15] .О
Общая схемаа
В
ВЕСТНИК
ИрГТУ №7
№ (47) 2010
Естес
ственные науки
установки для
д исследоввания взаимоодействия чаастиц
кремния с низкотемператтурным потокком была вы
ыполнена на базе работ ОИ
ИВТ РАН, экссперименталььный
комплекс с диагностической аппараатурой предсставлен на рис. 6 [14,15]. Оттрабатывалсяя режим работы
плазмотронаа для сферооидизации кремния,
к
котоорый
характеризоовался следую
ющими парам
метрами: ток дуги
500А, энергговыделение в канале около 20кВт, суммарный рассход аргона 8г/c,
8
расход газа через канал
к
подачи пороошка – 1г/c, расход частиц
ц с размерами 60120 мкм – около
о
1,5 г/с. Подача пороошка осущесттвлялась двумя способами : соосно с катодом (оссевое
отверстие, выполненноее в катоде, и впаянная в катод
к
трубка обраазуют канал, по которому порошок из дозад
тора переноосится трансппортирующим
м газом непоссредственно в дууговой разряд
д (рис.5) и поперек
п
плаззменпоного потока.. При такой конструкции
к
п
плазмотрона
рошок подаеется в электррическую дугуу осесимметррично
и компактноой струей нее распыляеттся по стороонам,
дуга за счеет слабого виихревого двиижения не имеет
выраженнойй привязки к электродам.. В случае вдува
в
порошка в струю
с
поперек потока проиисходит торм
можение частиц согласно раасчетам, приведенным вы
ыше.
Плазмотрон ПЛ подклю
ючается к иссточнику питтания
ИП, системее охлажденияя, системе гаазоснабженияя БЛ.
Через дозаттор ДЗ посрредством траанспортирующего
газа плазмоотрон обеспеччивается поррошком. Упраавление установвкой осущесттвляется ЭВМ
М. В центральном
пульте упраавления ЦПУ
У расположенны датчики и исполнительны
ые устройствва, позволяю
ющие изменяять и
поддерживать технологгический реж
жим напылеения.
При такой коонструкции поорошок подаеется в электррическую дугу осесимметрич
о
чно и компаактной струей не
распыляетсяя по сторонам, и дуга за счет
с
слабого вихревого движ
жения не им
меет выражеенной привяззки к
электродам.. Для поддерржания оптим
мальных парааметров технолоогического реежима и анал
лиза поля сккоростей частиц в плазменноой струе на выходе из плаазмотрона испол
льзуется «лаззерный нож» ЛН и скоростные
видеокамеры ВК1 и ВК2.
«Лазернный нож» - лазерный
л
пуччок[13], предсставляющий соб
бой узкую пл
лоскость, парраллельную плазп
менной струуе, которая рассекает этту струю по диа-
метр
ру. Такая геоометрия лазерного пучка формируется
ф
я
при последоватеельном прохоождении исхо
одного лазер-ного
о пучка диааметром окооло 3мм, ге
енерируемогоо
твер
рдотельным лазером ОК
КГ с диодно
ой накачкой,,
(вто
орая гармоника с длиной волны 532 нм)
н через те-лесккоп Т, которы
ый расширяетт близкий к параллельноп
му пучок
п
до диам
метра 25-30м
мм, а затем че
ерез цилинд-риче
ескую линзу ЦЛ с фокуснным расстоян
нием 400 мм,,
кото
орая превращ
щает цилиндррический светтовой пучок в
плосский, с переетяжкой в об
бласти плазм
менной струии
(см. рис.6). Исппользуя интеерференционный фильтрр
ИФ с узкой полосой пропускаания в окресттности длины
ы
волн
ны лазерногоо излучения (фильтр нуже
ен, чтобы поо
возм
можности отссечь собственное излучен
ние плазмы),,
с по
омощью видеокамеры мож
жно наблюдатть треки час-тиц в рассеянноом частицам
ми лазерном свете. Пре-имущ
ществом данного метода является пол
лучение поляя
скор
ростей частиц
ц из одного ээксперимента. К недостат-кам следует отннести сложноость разделен
ния рассеян-ного
о на частицахх лазерного излучения (и
из зоны «ла-зерн
ного ножа») и собственноого («объемн
ного») свече-ния частиц и плазмы.
п
Как видно из исследованийй
спекктра аргоновоой плазмы [66], наименьшуую интенсив-ностть свечения аргоновая пл
лазма имеет на участкахх
500--600 нм и 8500-900 нм, своободных от си
ильных атом-ных и ионных лииний ArI, ArII и ArIII, что и обусловилоо
выбор лазера. Световая
С
ловуушка СЛ улавливает про-шед
дшее сквозь плазму
п
лазеррное излучени
ие.
Измерение скоростей
с
частиц время
япролетным
м
методом. Частицы, двигаясьь в области энерговклада
э
а
дуги
и, нагреваютсся до температур 1000-2
2500 К. Этотт
нагр
рев и делаетт частицу вид
димой на фоне собствен-ного
о излучения плазменной струи. Часттица, быстроо
движ
жущаяся в поле
п
зрения видеокамеры
ы, оставляетт
на снимке
с
отчетл
ливый след (д
далее - трек)). Зная экспо-зици
ию камеры и длину трекаа, можно определить ско-ростть частицы. Для
Д получениия надежных результатовв
необ
бходимо подообрать экспоозицию и масштаб наблю-дени
ия такими, чтобы
ч
нескол
лько треков попадало в
кадр
р полностью Цифровая ссистема ввод
да изображе-ний VS-CCT (фирма VideoScaan) с минима
альной экспо-зици
ией 2,7 мкс регистрируетт одновреме
енно областьь
движ
жения частиц после их вылета из плазмотронаа
Рис. 6. Схем
ма плазменно
ой установки и системы видеонаблюдеений
В
ВЕСТНИК
ИрГТУ №7
№ (47) 2010
293
3
Естес
ственные науки
протяженносстью 8-10 см
м. Таким образом, на од
дном
кадре мы поолучаем болььшое число треков,
т
что поозволяет измеряять скорости на разном раасстоянии от среза сопла. Наа рис.7 и 8 прриведены приимеры наблю
юдаемых треков частиц
ч
в гетеерогенном плазменном поттоке:
слева виднаа струя плазм
мы на выходее из сопла, левее
– многочисл
ленные треки..
диспперсны, экспперименты показали за
аметный раз-бросс скоростей частиц,
ч
измеряемых врем
мяпролетным
м
мето
одом. В сооответствии с аналитичесской работойй
[14],, скорость частиц
ч
в нааблюдаемой зоне (z=80-150м
мм от катодаа плазмотронаа) при увеличчении разме-ра частиц
ч
от 40 до
д 80 мкм уменьшается отт 200-250 м/cc
до 100-140
1
м/с. В нашем сл
лучае скороссть движенияя
Рис.7. Видееограммы треков частиц кремния, вдув
ваемых соосн
но с плазменн
ным потоком
м, полученные
е системой
ВК1. Эккспозиция – 136
1 мкс
Рис.8. Видеограммы
ы треков часстиц кремния
я, вдуваемых поперек
п
плазм
менного потока с разной экспозициэ
ей, полуученной систе
емой ВК1
Предлож
женная матеематическая модель рассчета
скорости движения и плаавления диспперсных часттиц в
потоке плаззмы показываает удовлетвворительные совпадения с эксперимента
э
альными даннными. Показзано,
что для случчая чистого конвективного
к
о теплообменна от
плазмы к чаастице, когда скорость плаазменного поотока
намного бол
льше скоростти частицы Vp>>Vs,
V
спрааведливы толькоо формулы типа
т
критераальных значений
Nu. В тех же
ж случаях, коогда частицаа ускоряется и ее
скорость стаановится соизмеримой соо скоростью плазп
менной струуи – Vp≈Vs, что характеерно для меелких
частиц 50–1100 мкм, и особенно ул
льтрадисперссных,
конвективнаая часть тепл
лообмена сттановится раавной
нулю, так как
к
происход
дит вырождеение числа Рейнольдса и при этом осноовной составл
ляющей тепл
лообмена являеттся кондуктиввный механиззм: Nu=2. Одннако,
применение критериальнной формулы
ы с учетом и кондуктивной, и конвективной составляю
ющих теплоообмена в условииях, когда Vp>>Vs, привод
дит к завышеению
значения теплового потоока в 2–5 разз и существеннным
погрешностяям в конечны
ых результаттах из-за конндуктивного члеена Nu=2. Поолучено, чтоо если Vp≈Vss, то
преобладаетт кондуктивнный теплооб
бмен, где число
Nu=2, а есл
ли Vp≠Vs, то – конвективвный теплооб
бмен.
Данные рассчета можно использовать для проекттирования электродуговых пл
лазмотронов в плазмохим
мических реакторрах для получчения наномаатериалов.
Эксперииментальные исследованиия по оценке скорости частиц в плазме дугового
д
разряда в зависсимости от систеемы ввода пооказали значиительный раззброс
скоростей чаастиц. Кромее того, т.к. частицы
ч
нем
моно-
294
часттиц, согласноо оценкам, составляет 100-200 м/c,,
набл
людаемая дл
лина плазмеенной струи около 4 см;;
поэттому временаа экспозициии варьировались в диапа-зоне
е 30-100 мккс. Измереннные скорости
и частиц соо
сред
дним размерром 100-150 мкм соответтствуют ука-занн
ным выше значениям
з
сккорости из [14].Скорость
[
ь
движ
жения частиц
ц при поперречном вдуве
е составлялаа
35-5
50 м/с,что согласуется
с
с расчетным
ми данными..
Способ ввода поорошка в пл
лазму оказыввает сущест-венн
ное влияниее на кинетичческие свойсства частиц..
Это,, в свою очерредь, влияет на время сфероидизациии
часттиц. Помимо этого, неообходимо учи
итывать, чтоо
при сфероидизаации материаалов происхо
одит конку-ренц
ция двух прооцессов: ускоорение и нагр
ревание час-тиц в плазменноой струе и од
дновременно торможениее
и охлаждение плазменной
струи частицами. Даль-п
нейш
шие экспериименты по ооценке влиян
ния скоростии
движ
жения частиц
ц в плазменноой среде необходимо ужее
провводить с уччетом констрруктивных особенностей
о
й
плаззмохимическоого реактораа. Таким образом, прове-денн
ные предваррительные иисследованияя
вопросаа
взаи
имодействия диспергировванных части
иц с потоком
м
низккотемпературрной плазмы выявили не
есколько на-праввлений, которрые будут уччтены в дал
льнейшей ра-боте
е.
Выводы:
1. Предлож
женная моддель двухслоойной низко-темппературной электродуговвой плазмы позволяетт
расссчитывать сккорость частииц и темпера
атуру в зави-симо
ости от их места
м
расположения в поттоке плазмы..
В результате прроведенного исследовани
ия показано,,
В
ВЕСТНИК
ИрГТУ №7
№ (47) 2010
Естественные науки
что влияние кондуктивного и конвективного теплообменов определяется соотношением скоростей частицы и плазмы, т.е. при расчетах движения и нагревания
различных частиц в плазменной струе определяющей
при нахождении теплового потока является скорость
набегающего потока –относительная скорость плазмы
и частицы: Vp–Vs.
2. Скорость движения и температура частиц в
потоке низкотемпературной плазмы в сильной степени
определяется способом ввода порошка, что предъявляет особые требования к конструкции плазмотрона.
Библиографический список
1. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные про10. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Дьячков С.А. Моделицессы и установки в машиностроении. Л.: Машиностроение.
рование и оптимизация процесса синтеза мелкодисперсных
1979. 221с.
порошков оксидов, кремния и диэлектрического стекловид2. Полак Л.С. Низкотемпературная плазма. 3. Химия плазмы.
ного материала состава SiO2 – Al2O3 - BaO в высокочастотНовосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1991. 328 с.
ной индукционной воздушной и аргон-кислородной плазме
3. Моссэ А.Л., Буров И.С. Обработка дисперсных материа// Теоретические основы химичеcкой технологии. 2002. Т.36,
лов в плазменных реакторах. Минск: Наука и техника,1980.
№5. С. 500–505.
212 с.
11. Балановский А.Е. Математическая модель проектирова4. Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературная плазния электрического режима работы плазмотрона // Вестник
ма в процессах восстановления. М.: Наука, 1980. 360 с.
ИрГТУ. 2005. № 4. С. 35–38.
12. Зверев С.Г., Фейгенсон О.Н., Дресвин С.В. Расчет дина5. Dresvin S.V., Feygenson O.N., Zverev S.G., Amouroux J.
мики движения и нагревания мелкодисперсных частиц в
Velocity and temperatureevolution of plasma jet with the increasструе ВЧИ-плазмы // XXIX Неделя науки СПбГТУ. Ч.I: Матеing of SiO2 particles concentration / Proc. Of the 15-th Int. Symриалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во
posium on Plasma Chemistry, Orlean. 2001. V.6. P. 2539–2544.
СПбГТУ, 2001. С. 91–93.
6. Boulos M., Fauchais P., Pfender E. Thermal plasmas: funda13. Спектроскопический анализ пространственных распреmentals and application. Vol. 1. New York, Plenum press, 1994.
делений параметров плазмы в высокоэнтальпийных потоках
7. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Особенности термичеаргона и азота / А.А. Белевцев [и др.] // ТВТ. 2002. Т. 40, №1.
ской обработки частиц BaO, SiO2, Al2O3 в воздушной и аргон-кислородной высокочастотной индукционной плазме //
С.533.
Материаловедение. 1999. № 1. С.54–60.
14. Численное моделирование течения газа и нагрева час8. Петрова В.З., Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Исследотиц корунда в канале плазмотрона / Э.Х. Исакаев [и др.]
вание плазменного процесса получения сплошных стекло// Тезисы докл. на IV Всероссийской конференции по физивидных диэлектрических слоев на поверхности подложек
ческой электронике ФЭ-2006.
кремния // Химия высоких энергий. 1999. Т. 33, № 6. С.471–
15. Исследование поля скоростей частиц в гетерогенном
475.
трансзвуковом плазменном потоке / Е.Н. Андреенко [и др.]
9. Петрова В.З., Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Экспери// Докл. на IV Всероссийской конференции по физической
электронике ФЭ-2006. С. 77–81.
мент: синтез диэлектрических порошков SiO2 - Al2O3 - BaO
в плазме // Петербург. журн. электроники. 1999. № 1. С.17–
23.
УДК 517.977.5
АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ КАНОНИЧЕСКИХ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ
УРАВНЕНИЙ С ГЛАДКИМИ ОГРАНИЧЕННЫМИ УПРАВЛЕНИЯМИ
О.Н.Кочеткова1, А.В. Бурдуковская2
1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2
Байкальский государственный университет экономики и права,
664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 11.
Рассматривается задача оптимального управления системой канонических гиперболических уравнений с частными производными. Допустимые управления представляют собой дифференцируемые функции, стесненные
интегрально-амплитудными ограничениями. Предлагается необходимое условие оптимальности и строится алгоритм оптимизации, обладающий свойством релаксации и сходимости к выполнению условий оптимальности.
На двух произвольных допустимых управлениях выписывается формула приращения целевого функционала.
Она рассматривается на такой вариации управления, которая гарантирует допустимость варьируемого управления при изменении параметров вариации и служит основой для построения релаксационного алгоритма оптимизации, сходящегося к выполнению необходимых условий оптимальности.
Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: оптимальное управление; система канонических уравнений; формула приращения; допустимый процесс; алгоритм.
___________________________
1
Кочеткова Ольга Николаевна, старший преподаватель кафедры математики, тел.: 89025669336.
Kochetkova Olga, Senior Lecturer of the chair of Mathematics, tel.: 89025669336.
2
Бурдуковская Анна Валерьевна, кандидат физико-математических наук, тел.: 89086412112, e-mail: buran-baikal@mail.ru.
Burdukovskaya Anna, Candidate of Physical and Mathematical sciences, tel.: 89086412112, e-mail: buran-baikal@mail.ru.
ВЕСТНИК ИрГТУ №7 (47) 2010
295
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа