Разработка плазменной электротехнологии переработки хлорорганических соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Образцов Никита Владимирович

• Образцов Никита Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Образцов Никита Владимирович

Введение

ГЛАВА 1. Анализ существующих электротехнологических установок по переработке хлорорганических соединений

1.1 Источники плазмы для установок по переработке хлорорганических соединений

1.2 Анализ электротехнологических установок переработки хлорорганических соединений

1.2.1 Установки с тлеющим и барьерным разрядом

1.2.2 Установки с высокочастотными индукционными и

сверхвысокочастотными ёмкостными плазмотронами

1.2.3 Установка с применением скользящего плазменного разряда

1.2.4 Установки с плазмотронами постоянного и переменного тока

1.3 Обоснование выбранного направления исследований

ГЛАВА 2. Определение расходных и энергетических параметров плазменной электротехнологии

2.1 Методика расчёта процесса разложения хлорорганических соединений

2.2 Параметры термодинамической модели разложения

2.3 Результаты моделирования

2.4 Применение плазмотрона переменного тока для разложения хладонов

2.5 Выводы

ГЛАВА 3. Численная модель электротехнологической установки для переработки хлорорганических соединений

3.1 Постановка задачи моделирования дуги переменного тока с учётом состава и свойств

3.1.1 Реализация модели дуги переменного тока в среде Comsol Multiphysics

3.1.2 Дискретизация расчётной области и выбор схемы решения

3.1.3 Результаты численного моделирования дуги переменного тока

3.2 Модель однофазного плазмотрона

3.2.1 Результаты численного моделирования однофазного плазмотрона

3.3 Численная модель плазменной системы для переработки хлорорганических отходов

3.3.1 Модель разложения хлорорганических соединений в плазмохимическом реакторе

3.3.2 Уравнения. Начальные и граничные условия

3.3.3 Результаты численного моделирования предварительного прогрева

реактора

3.3.4 Результаты численного моделирования разложения хлорорганических соединений

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования на электротехнологической установке

4.1.1 Плазмотрон переменного тока и источник питания с системой измерений электрических параметров

4.1.2 Экспериментальное исследование разложения модельного вещества

4.1.3 Результаты

4.2 Верификация расчётных моделей

4.2.1 Модель однофазного плазмотрона

4.2.2 Модель реактора

4.3 Выводы

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1 Теплофизические свойства огнеупорного бетона марки Алкор-90

Приложение 2 Теплофизические свойства огнеупорного бетона марки Алакс-1

Приложение 3 Теплофизические свойства огнеупорной плиты МКРП-340

Приложение 4 Теплофизические свойства стали 12Х18Н10Т

Приложение 5 Свойства смеси Воздух+Н20

Приложение 6 Свойства смеси CO2+ H20

Приложение 7 Свойства смеси C02+CH4+H20

Приложение 8 Свойства смеси C02+CH4+H20+CCl4

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка плазменной электротехнологии переработки хлорорганических соединений»

Актуальность темы

Хлорорганические соединения (ХОС) используются во многих отраслях промышленности в большом объёме. В химической отрасли ХОС используются как целевые продукты и интермедиаты, в нефтедобывающей и электротехнической используются как растворители и обезжириватели. Как следствие, на всех технологических этапах образуются хлорсодержащие отходы. Помимо этого, в мире имеется огромный накопленный запас хлорорганических соединений, которые использовались как диэлектрики, охлаждающие жидкости и пестициды. Эти вещества приводят к возникновению серьёзных экологических проблем [1-4], например, таких как глобальное потепление [5] и истощение озонового слоя [6]. Хлорированные углеводороды являются одними из основных загрязнителей грунтовых вод и активно накапливаются в тканях живых организмов [7]. К настоящему моменту разработано большое количество различных технологий для переработки таких соединений: каталитическое разложение, различные типы дехлорирования, реакции восстановления, адсорбция, биологические методы [810].

Отдельного внимания заслуживают термические процессы деструкции ХОС с использованием воздушной [11] или паровой плазмы [13,14].

Применение низкотемпературной плазмы в качестве источника тепловой энергии позволяет разлагать ХОС при температурах свыше 1200°С без образования таких соединений, как диоксины и фураны, ставших настоящей проблемой неплазменных термических установок, сформировавшим отрицательное общественное мнение к термическим системам переработки отходов вообще.

Другим преимуществом применения плазмы в процессах уничтожения опасных отходов является существенное снижение капитальных и эксплуатационных затрат в системах газоочистки.

Кроме того, термическая плазма при уничтожении ХОС может выступать не только как источник тепловой энергии, но и быть реагентом. Например,

применение в качестве плазмообразующего газа смеси из углекислого газа, водяного пара и метана [15] позволит в результате плазменной деструкции ХОС исключить образование токсичных азотных соединений и получить ценное энергетическое и химическое сырьё — синтез-газ.

Поэтому разработка новейших плазменных методов уничтожения ХОС на основе высоковольтных плазмотронов переменного тока является актуальной задачей.

Вместе с тем разработка таких технологий связана с повышенной опасностью при проведении испытаний лабораторных и опытно-промышленных образцов оборудования, поскольку даже при использовании в качестве модельных веществ ХОС, не представляющих непосредственной опасности для персонала, в результате технологического процесса образуются опасные вещества, представляющие угрозу жизни и здоровью при возникновении нештатных ситуаций во время экспериментальной отладки оборудования.

Развитие численных экспериментов, включающих в себя моделирование процессов как в самих источниках плазмы, так и в плазмохимических реакторах с учётом состава и свойств перерабатываемых токсичных отходов, снизит количество экспериментов и связанные с этим опасности, а также положительно скажется на итоговой стоимости разработки и внедрения установок.

На сегодняшний день создано большое количество численных моделей плазменных генераторов постоянного тока [16-19] и высокочастотных плазмотронов [20-23]. Данные модели могут быть представлены в стационарной постановке, что значительно их упрощает.

Модели дуги переменного тока менее изучены. При моделировании же высоковольтных трёхфазных плазмотронов переменного тока главной трудностью является необходимость рассматривать задачу во времени и в трёхмерной постановке.

Особенностью данной работы является то, что для достижения результатов был использован комплексный подход, в котором были объединены численное моделирование и экспериментальные исследования. Научная школа, созданная в

1970 годах д.т.н. заслуженным деятелем науки России Дресвиным С.В. в Санкт-Петербургском Политехническом университете Петра Великого, внесла значительный вклад в развитие численного моделирования плазмогенерирующих устройств. Под руководством профессора Высшей школы электроэнергетических систем, д.т.н. Фролова В. Я. и учеников Дресвина С.В. (директора ВШЭС Зверева С.Г., доцента ВШЭС Иванова Д.В. и доцента ВШЭС Мурашова Ю.В.) школа получила дальнейшее развитие в создании численных моделей электротехнологического оборудования, электротехнологии и электрических аппаратов.

В Институте электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН) под руководством академика Рутберга Ф.Г. были разработаны плазмотроны переменного тока, основанные на них плазменные технологии, создана научная школа. Развитие в области экспериментальных исследований плазмотронов переменного тока и технологий плазменной переработки получено в работах д.т.н. Сафронова А.А., к.т.н. Попова В.Е., к.т.н. Попова С.Д., к.т.н. Сурова А.В., к.х.н. Субботина Д.И. и многих других.

Благодаря совместной работе двух научных школ стала возможна разработка электротехнологии с применением высоковольтного плазмотрона переменного тока для уничтожения хлорорганических соединений на основе численных и экспериментальных исследований.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является электротехнологический комплекс для переработки хлорорганических соединений при помощи термической плазмы.

Предметом исследования является процессы преобразования электрической энергии в тепловую с целью переработки хлорорганических соединений с применением углекислого газа, водяного пара и метана в качестве плазмообразующей смеси и получения ценного энергетического сырья на выходе.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка электротехнологии плазменного уничтожения хлорорганических соединений на основе установления

закономерностей, связывающих эффективность технологического процесса с параметрами режимов работы оборудования. Путем применения комплексного подхода, объединяющего численное моделирование и экспериментальные исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Определить эффективные расходные и энергетические параметры плазмотрона для разложения модельного хлорорганического соединения.

2) Разработать методику численного моделирования высоковольтных плазмогенерирующих устройств переменного тока.

3) Разработать численную модель высоковольтного плазмотрона переменного тока.

4) Разработать численную модель экспериментальной установки по переработке хлорорганических соединений с учётом, требуемых состава и свойств плазменной среды.

5) Провести экспериментальные исследования плазменной деструкции хлорорганических соединений в плазме водяного пара, углекислого газа и метана.

Методы исследований

Для решения поставленных задач были применены методы численного анализа и экспериментальные исследования электродуговых и плазменных технологических процессов. Оценка состава продуктов разложения, энергетических и расходных параметров процесса проводилась в приближении термодинамического равновесия с использованием программы Chemical Workbench ® 3.5 [24], код которой основан на принципе максимума энтропии. Численное моделирование дуги переменного тока, однофазного плазмотрона и плазмохимического реактора осуществлялось методом конечных элементов в программном продукте Comsol Multiphysics ® 5.6 [25]. Электрические, тепловые и газодинамические параметры расчётных моделей получены решением системы уравнений, состоящей из: уравнений Навье-Стокса, уравнения неразрывности, уравнения баланса энергии и уравнений Максвелла. Верификация теплового режима осуществлялась путём измерения температур на внутренней и внешней

стенках реактора. Температура внешней стенки плазмохимического реактора измерялась дистанционной оптической системой фиксации, принцип действия которой основан на законе Стефана-Больцмана. В реакционном пространстве и на внутренних стенках реактора температуры измерялись термоэлектрическими преобразователями (платинородий-платиновыми термопарами). Регистрация электрических параметров работы плазмотрона (напряжение, ток) осуществлялась с использованием АЦП, синхронизированной с персональным компьютером. Расчёт активной мощности проводился по методу двух ваттметров. Для анализа составов технологических газов и жидкостей использовались методы масс-спектрометрии, ИК-Фурье спектрометрии, хромато-масс-спектрометрии.

Обоснованность и достоверность научных положений основана на применении фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, плазмохимии, физики плазмы, электротехники и лицензионного программного обеспечения с верифицированным методом конечно-элементного анализа.

Научная новизна

1. Разработана двухмерная нестационарная численная модель высоковольтной дуги переменного тока.

2. Разработана трёхмерная нестационарная численная модель высоковольтного однофазного плазмотрона переменного тока.

3. Разработана нестационарная численная модель экспериментального плазмохимического реактора для разложения хлорорганических соединений с учетом состава и свойств плазмообразующей среды.

4. Впервые использована электродуговая плазма углекислого газа, водяного пара и метана для разложения хлорорганических соединений.

Теоретическая значимость работы

Заключается в исследовании процессов преобразования электрической энергии в тепловую с целью переработки хлорорганических соединений на основе численных моделей. Разработанные модели создают основу для реализации эффективного и экономически целесообразного подхода к разработке новых плазменных технологий переработки отходов, включая высокотоксичные

галогенсодержащие.

Практическая значимость работы

Получены новые данные о работе плазмотронов переменного тока, использующих в качестве плазмообразующей среды смесь водяного пара, углекислого газа, метана и паров хлорорганических веществ. Определены эффективные энергетические и расходные параметры работы плазмотрона переменного тока мощностью ~120 кВт. Выполнена оценка возможности разложения хлорорганических соединений в плазме водяного пара, углекислого газа и метана.

Личный вклад автора состоит в разработке численной модели дуги переменного тока и однофазного плазмотрона, а также в создании нестационарной численной модели плазмохимического реактора для разложения хлорорганических соединений с учетом состава и свойств плазмообразующей среды. Получены и проанализированы экспериментальные данные, выполнена верификация разработанных численных моделей плазмохимического реактора и однофазного плазмотрона.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика численного моделирования нестационарных высоковольтных плазмогенерирующих устройств переменного тока с различными расходами плазмообразующего газа, на основе двухмерной модели.

2. Численная модель однофазного двухканального высоковольтного плазмотрона с различными расходами плазмообразующего газа, устанавливающая закономерности между газодинамическими, электрическими и тепловыми параметрами.

3. Численная модель экспериментальной системы, выявляющая факторы эффективного выхода на рабочий режим с целью переработки хлорорганических соединений плазменным методом с учетом состава и свойств плазмообразующей смеси.

4. Результаты экспериментального исследования применения мощного трёхфазного высоковольтного плазмотрона переменного тока впервые

отражающие результаты разложения четырёххлористого углерода в среде водяного пара, углекислого газа и метана.

Апробация работы и научные публикации

По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:

1. 14th High-tech plasma processes (Мюнхен, Германия, июль 2016)

2. 13-я Международная конференция Пленки и Покрытия -2017. (г. Санкт-Петербург, апрель 2017)

3. Всероссийская (с международным участием) конференция Физика низкотемпературной плазмы ФНТП-2017 (г. Казань, июнь 2017)

4. Международная конференция Современные проблемы теплофизики и энергетики (г.Москва, октябрь 2017)

5. Международная молодежная конференция ФизикА.СПб (г.Санкт-Петербург, октябрь 2017)

6. Международная конференция 2018 IEEE Conference of russian young researchers in electrical and electronic engineering (EICONRUS) (г. Санкт-Петербург, январь 2018)

7. International scientific conference on energy, environmental and construction engineering (EECE-2018) (г. Санкт-Петербург, ноябрь 2018)

8. Международная молодежная конференция ФизикА.СПб (г.Санкт-Петербург, ноябрь 2018)

9. International Scientific Electric Power Conference ISEPC-2019 (г.Санкт-Петербург, май 2019)

10. Advances and Applications in Plasma Physics (AAPP 2019) (г.Санкт-Петербург, сентябрь 2019)

Тема диссертации имела поддержку стипендией Президента РФ в 2019-2021 годах (СП-297.2019.1).

Основной материал диссертации опубликован в 25 работах: 18 статьях в рецензируемых журналах (из них 1 5 из списка ВАК), 7 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы, включающего 92 наименования и 8 приложений. Полный объём диссертации - 162 страницы, содержит 100 рисунков и 12 таблиц.

Список публикаций автора по теме диссертации:

1. Obraztsov N.V. Modelling of heating of plasma-chemical reactor in comsol Multiphysics /Obraztsov N.V., Subbotin D.I., Popov V.E., Frolov V.Y., Surov A.V.// Journal of physics: conference series. V.1038 2018 P. 012137; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

2. Obraztsov N.V. Time dependent 2-dimensional model of an alternating current arc /Obraztsov N.V., Frolov V.Y., Popov V.E., Subbotin D.I., Surov A.V.// Journal of physics: conference series. 2018 P. 012101; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

3. Obraztsov N.V. Analysis of gas dynamics in a single-phase two-channel plasma torch at cold blowing and considering the interaction with the electric arc /Obraztsov N.V., Frolov V.Ya., Korotkikh M.T., Ushomirskaya L.A.// International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE-2018). electronic edition. Сер. "MATEC Web of Conferences" 2018 P. 09003; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

4. Obraztsov N.V. A two-dimensional axisymmetric model of an ac arc /Obraztsov N.V., Frolov V.Y.// Proceedings of the 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2018. 2018. P. 430-432; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

5. Образцов Н.В. Модель горения дуги переменного тока между двумя электродами /Образцов Н.В., Фролов В.Я., Субботин Д.И.// Неделя науки СПбПУ. Материалы научной конференции с международным участием. Лучшие доклады. 2018. С. 28-32

6. Образцов Н.В. Сажеобразование в процессе термической деструкции хлорированных ароматических углеводоровов плазмотроном переменного тока /Образцов Н.В., Фролов В.Я., Субботин Д.И., Попов В.Е., Серба Е.О.// Пленки и

покрытия - 2017. Труды 13-й Международной конференции. 2017. С. 447-451

7. Bykov N.Y. Modeling of an AC Plasma Torch Part II: Gasdynamic Pattern and Effect of Flow Rate /Bykov N.Y., Obraztsov N.V., Kobelev A.A., Surov A.V.// IEEE Transactions on Plasma Science 2021 P.1023-1027; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

8. Obraztsov N.V. Soot Formation during the Decomposition of Chlorine-Containing Hydrocarbons with an AC Plasma Torch /Obraztsov N.V., Subbotin D.I., Surov A.V., Popov V.E., Serba E.O.// Technical Physics V.65 2020 P.2061-2065; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

9. Bykov N.Y. Modeling of an AC Plasma Torch Part I: Electrical Parameters and Flow Temperature/Bykov N.Y., Obraztsov N.V., Kobelev A.A., Surov A.V.// IEEE Transactions on Plasma Science 2020 P. 1017-1022; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

10. Obraztsov N.V. A non-stationary model of the ac plasma torch /Obraztsov N.V., Kadyrov A.A., Surov A.V., Subbotin D.I., Popov V.E.// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Scientific Electric Power Conference 2019, ISEPC 2019. P. 012075; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

11. Kumkova I. Plasma technology based on high-voltage ac plasma torch /Kumkova I., Popov V., Subbotin D., Obraztsov N.// AIP Conference Proceedings. 1. Сер. "Proceedings of the International Conference on Advances and Applications in Plasma Physics, AAPP 2019". 2019 P. 020022; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

12. Surov A.V. The reaction of chlorobenzene with plasma of h2o, co2 and ch4 obtained by an alternating-current plasma torch with a vortex stabilization /Surov A.V., Subbotin D.I., Obraztsov N.V., Popov S.D., Popov V.E., Litvyakova A.I., Pavlov A.V., Serba E.O., Spodobin V.A., Nakonechny Gh.V.// Journal of Physics: Conference Series. 32. Сер. "XXXII International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, ELBRUS 2017" 2018 P. 012168; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

13. Safronov A.A. Use of alternating-current plasma torch for processing potentially hazardous substances /Safronov A.A., Vasileva O.B., Dudnik Yu.D., Kuznetsov V.E., Shiryaev V.N., Subbotin D.I., Obraztsov N.V., Surov A.V., Popov V.E.// Journal of physics: conference series. 2018 P. 012105; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

14. Surov A.V. Steam, methane and carbon dioxide thermal plasma interaction with perhalocarbons /Surov A.V., Popov S.D., Popov V.E., Subbotin D.I., Obraztsov N.V., Kuchina J.A., Serba E.O., Nakonechny Gh.V., Spodobin V.A., Pavlov A.V., Nikonov A.V.// Journal of physics: conference series. V.825 2017 P. 012015; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

15. Surov A.V. Thermal steam plasma decomposition of organochlorine compounds /Surov A.V., Subbotin D.I., Popov V.E., Popov S.D., Litvyikova A.I., Nakonechniy Gh.V., Serba E.O., Obraztsov N.V.// Journal of physics: conference series. V.927 2017 P. 012060; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

16. Surov A.V. High voltage ac plasma torch operating on vapours of organic substances /Surov A.V., Popov S.D., Serba E.O., Spodobin V.A., Nakonechniy Gh.V., Pavlov A.V., Nikonov A.V., Subbotin D.I., Popov V.E., Obraztsov N.V.// Journal of physics: conference series. V.927 2017 P. 012061; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS и WoS)

17. Surov A.V. Powerful high-voltage ac plasma torches for plasma-chemical applications /Surov A.V., Popov S.D., Spodobin V.A., Serba E.O., Nakonechniy Gh.V., Pavlov A.V., Nikonov A.V., Subbotin D.I., Obraztsov N.V.// Journal of physics: conference series. V.891 2017 P. 012309; (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

18. Образцов Н.В. Оценка возможности применения плазмотрона переменного тока для деструкции хлорорганических соединений на примере четыреххлористого углерода /Образцов Н.В., Попов В.Е., Субботин Д.И.// Неделя науки СПбПУ. Материалы научного форума с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем. 2015. С. 144-146.

ГЛАВА 1. Анализ существующих электротехнологических установок по переработке хлорорганических соединений

1.1 Источники плазмы для установок по переработке хлорорганических

соединений

Основным устройством плазменной установки по переработке хлорорганических соединений является источник плазмы. Именно он определяет конструкцию самой установки, системы питания и вспомогательных узлов.

На сегодняшний день создано большое разнообразие источников плазмы:

• Электроразрядные установки с тлеющим, коронным и барьерным разрядами;

• Высокочастотные (200 кГц-50 МГц) плазмотроны индукционные и емкостные;

• Сверхвысокочастотные (900-2450 МГц) плазмотроны;

• Электродуговые плазмотроны постоянного и переменного (50 Гц) тока.

Установки в основе которых лежит барьерный разряд представляют из себя

два электрода к которым приложено высокое высокочастотное напряжение. Между электродов находится диэлектрик. Также созданы установки, работающие на тлеющем разряде, где самостоятельный разряд в газе с холодным катодом, испускает электроны в результате вторичной эмиссии. В тлеющем разряде наблюдается нелинейное распределение потенциала между электродами и отличие напряжения возникновения разряда от напряжения его поддержания [26]. Все установки данного типа являются экспериментальными и могут рассматриваться только как инструмент взаимодействия плазмы с различными хлорорганическими соединениями.

В высокочастотном (ВЧ) плазмотроне получение плазмы происходит путём нагрева среды высокочастотным переменным электромагнитным полем. Отличительной особенностью ВЧ плазмотронов является отсутствие эрозии электродов и высокий ресурс работы, который, тем не менее, зависит от ресурса источника питания, конструкции разрядной камеры и режима работы. ВЧ

плазмотроны бывают индукционные и ёмкостные, с кварцевой или металлической разрядной камерой, с естественным или принудительным воздушным, или водяным охлаждением, с аксиальной или вихревой стабилизацией разряда и др. [27]. Высокочастотные плазмотроны применяются в промышленности в основном для получения чистых или сверхчистых веществ.

Питание данного типа плазмотронов осуществляется от лампового генератора. Типовая система питания состоит из следующих узлов: анодный повышающий трансформатор, управляемый высоковольтный выпрямитель, генераторная лампа (вакуумный триод), колебательный контур, индуктор плазмотрона. Основные потери мощности от всей подводимой приходятся на анод генераторной лампы. Они могут достигать 36% [27]. Также стоит учитывать потери анодного трансформатора и выпрямителя, потери связанные с протеканием тока через контур и индуктор, потери, возникающие в металлической разрядной камере. Таким образом коэффициент передачи энергии от электрической сети к плазме в этих системах может достигать значений не более 65 %, что является их главным недостатком.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны являются, как и ВЧ-плазмотроны источником чистой безэлектродной плазмы. В СВЧ плазмотроне электромагнитная энергия генерируется магнетроном и через волноводы проникает в разрядную камеру, где и формируется стационарный СВЧ разряд [28]. Поддержание разряда осуществляется вихревой или аксиальной стабилизацией. СВЧ плазмотроны можно разделить по подводу энергии от волновода и выделить E- и Н- разряды. К основным типам СВЧ плазмотронов относят: плазмотрон коаксиальный, радиальный, радиально-лучевой, на основе круглых волноводов и на волне типа Н10. В СВЧ плазмотронах возможно создание неравновесной плазмы с температурой электронов ~6000-6500 К, а температура тяжелых частиц (молекул, атомов и ионов) может находиться в диапазоне 1500-5000 К. Основной проблемой в создание СВЧ плазмотронов является создание газодинамических камер, для поддержания плазмы при атмосферном давлении. На сегодняшний день созданы

единичные установки с предельной мощностью 90 кВт. КПД СВЧ плазмотронов не превышает 60%.

Схемы плазмотронов постоянного тока представлены на рисунке 1.1. Они чаще всего работают при атмосферном давлении, низком напряжении (десятки-сотни вольт) и при относительно больших токах (десятки-сотни ампер). Дуга горит между анодом и катодом как правило в цилиндрическом канале.

Рисунок 1.1 - Схемы плазмотронов постоянного тока [29]: а-осевой; б-коаксиальный; в-с тороидальными электродами; г - двустороннего истечения; д-с дугой прямого действия (переносимой); е-с расходуемыми электродами (эрозионный); 1-источник электропитания; 2-дуговой разряд;

3-плазменная струя; 4-электрод; 5-разрядная камера; 6-соленоид; 7-

обрабатываемое тело.

Источник питания плазмотрона постоянного тока (рисунок 1.2) содержит следующие элементы: силовой трансформатор, выпрямительное устройство, силовая коммутационная аппаратура, система управления, балластное сопротивление, дроссели в цепи дуги и система поджига дуги.

Рисунок 1.2 - Пример схем источников питания плазмотрона постоянного тока [30]: а-с активным балластным сопротивлением Rб; б-безбалластная с управлением тиристорным выпрямителем с дросселем Lд.

Величина тока в плазмотронах постоянного тока составляет больше сотни ампер, что обуславливает высокую эрозию электродов, которая влияет на чистоту плазмохимического процесса. Приэлектродное падение напряжения может составлять существенное значение по отношению к общему падению напряжения на дуге и тем самым снижать тепловой КПД процесса. Как показывает практика для многих конструкций плазмотронов постоянного тока ресурс катода обычно в несколько раз ниже ресурса анода. Также сложность и дороговизна компонентов источника питания является недостатком установок постоянного тока.

Электродуговые плазмотроны (рисунок 1.3) переменного тока различаются на однофазные и многофазные, однокамерные и многокамерные. В отличие от плазмотронов постоянного тока полярность электродов меняется каждые полпериода. Для поддержания горения дуги переменного тока необходимо наличие условий для повторного зажигания дуги при проходе тока через ноль на следующем полупериоде.

Рисунок 1.3 - Схемы конструкций плазмотронов переменного тока [31].

Однофазные: 1-с кольцевыми электродами; 2-со стержневым и кольцевым электродами; 3-с цилиндрическими электродами (линейные). Многокамерные многофазные: 4-6-с цилиндрическими электродами; 7-со стержневыми электродами. Однокамерные многофазные: 8, 9-с кольцевыми электродами; 10-с трубчатыми электродами; 11-13-со стержневыми электродами.

Для создания таких условий источником питания, при условии самостоятельного горения дуги, в цепь с плазмотроном включают дополнительную индуктивность, чтобы обеспечить, благодаря сдвигу фаз, необходимые условия для повторного зажигания дуги. Также повторный пробой может быть обеспечен за счёт инжекции носителей тока в разрядный промежуток или наложением слаботочного высокочастотного разряда.

Резюмируя, можно перечислить основные достоинства плазмотронов

переменного тока, благодаря которым их применение в процессах плазменной термической переработки ХОС является предпочтительным:

- горение нескольких длинных дуг снижает максимальную температуру по сравнению с системами постоянного тока и повышает электротермическую эффективность за счет снижения тепловых потерь и увеличения площади взаимодействия электрической дуги с плазмообразующим газом;

- пульсации потока приводят к лучшему перемешиванию плазменной среды;

- каждый электрод действует как катод и анод, что приводит к более симметричному режиму работы, чем в системах постоянного тока, и к равномерной эрозии электродов;

- относительная простота источника питания;

- при масштабировании технологии с увеличением производительности и как следствие мощности источника плазмы системы питания плазмотронов переменного тока становятся значительно дешевле систем питания других плазменных систем той же мощности.

1.2 Анализ электротехнологических установок переработки хлорорганических соединений

1.2.1 Установки с тлеющим и барьерным разрядом

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Образцов Никита Владимирович, 2021 год

- У /

•

Мс^ }ель Э^ сспериме нт

^ Ю (О 1— 1—1— а г- ■ ТА

— - \ Ч Т5 тс

Iг < 1 о

о

1

4

Время,ч

Рисунок 4.14 - Сравнение температур в точках термопар На рисунке 4.15 представлены зависимости суммарных конвективных потерь с поверхности реактора. Из этой зависимости видно, что модельная кривая лежит ниже экспериментальных, это можно связать с неточностью экстраполяции свойств материалов реактора, упрощённой геометрией в модели оценка проводилась со всей поверхности реактора.

Рисунок 4.15 - Конвективные потери с поверхности реактора Расчётные зависимости температуры на цилиндрической части и крышке реактора в пределах погрешности согласуются с экспериментальными (рисунок 4.16-17). Дальнейшая разница температурных зависимостей связана с геометрическим упрощением и упрощением течения непосредственно в самом реакторе.

4

Время,ч

Рисунок 4.16 - Сравнение температур в точках на цилиндрической части реактора

Рисунок 4.17 - Сравнение температур в точках на крышке реактора

Экспериментальное исследование по разложению хлорорганических соединений позволило оценить возможность применения электротехнологической установки с использованием плазмотрона переменного тока, работающего на смеси углекислого газа, водяного пара и метана, верифицировать расчётные методики, необходимые для создания новых электротехнологических установок по переработке хлорорганических соединений и получению ценного энергетического сырья.

В результате получены следующие данные:

- Состав продуктового газа при разложении модельного вещества, состоящий из углекислоты, водорода, соляной кислоты, монооксида углерода.

- Температурные зависимости в реакционном пространстве и на поверхности реактора, согласующиеся с упрощённой моделью в пределах погрешности.

- Мощность плазмотрона, работающего на смеси CO2+H2O+CH4+CQ4 составила 116 кВт.

- Удельные затраты энергии составили порядка 13 кВтч/кг.

- Конвективные потери с поверхности реактора составили менее 1% от общего энерговвода.

Полученные экспериментальные данные послужили основой для верификации расчётных моделей, которые в свою очередь позволят проектировать современное высокотехнологичное оборудование с высоким коэффициентом полезного действия.

Заключение

1. Разработана методика определения расходных и энергетических параметров плазменной электротехнологии. Определены удельные расходы хлорорганического соединения к плазмообразующей среде. Для четыреххлористого углерода - 1:0,3 кг/кг, а для хладона-113 - 1:0,4 кг/кг. Определены требуемые расходные и энергетически параметры электротехнологической установки по переработке четыреххлористого углерода: Ш2-2,9 г/с; Н20-2,9 г/с; СН4-1,21 г/с; СС14-2,44 г/с; электрическая мощность-117,21 кВт; теплосодержание плазмы - 16,44 МДж/кг.

2. Получены зависимости плотности, теплоёмкости, теплопроводности, вязкости для плазмообразующих смесей: воздух+H2O, CO2+H2O, CO2+CH4+H2O, CO2+CH4+H2O+CQ4 от температуры в диапазоне от 500 К до 15000 К.

3. Разработана нестационарная двухмерная модель высоковольтной дуги переменного тока с учётом источника питания (источник тока). Выполнен анализ вольт амперных зависимостей, зависимостей электрической и тепловой мощности, полей температуры и скоростей для различных расходов газа 0,5, 1 и 1,5 г/с и расчётными мощностями 5,7, 7,3 и 8,2 кВт соответственно. На основе двухмерной модели обоснованы упрощения, используемые в трёхмерной модели.

4. Разработана трёхмерная нестационарная модель однофазного высоковольтного двухканального плазмотрона переменного тока, работающего на воздухе при расходе 1,5 и 2,5 г/с и расчётными мощностями 4,9 и 6 кВт соответственно. Получены соотношения объёма дуги от расхода, обоснованы зависимости падения напряжения от течения в канале и проведён анализ тепловых полей в каналах и вне каналов.

5. Разработана нестационарная модель экспериментального плазмохимического реактора для уничтожения модельных хлорорганических соединений. Проанализирован процесс прогрева реактора при работе трёхфазного плазмотрона на различных смесях. Получено, что для данного типа реактора прогрев необходимо производить на смеси углекислого газа и водяного пара в

течение 79 минут. Получены картины распределения температуры в реакционном пространстве и в конструктивных слоях. Проведена оценка тепловых потерь. Получен состав продуктовых газов в результате разложения модельного вещества. Затраты энергии на разложение составили 12,52 кВтч/кг.

6. Проведено экспериментальное исследование по переработке хлорорганических соединений в среде углекислого газа, водяного пара и метана свидетельствовавшее о возможности применения предложенного метода. Мощность плазмотрона, работающего на смеси С02+Н20+СН4+СС14 составила 116 кВт. Удельные затраты энергии составили порядка 13 кВтч/кг.

7. Проведена верификация однофазного плазмотрона по падению напряжения на дуге и спектральным измерениям температуры в характерных точках.

8. Проведена верификация упрощенной модели переработки четыреххлористого углерода. Проанализированы температуры, тепловые потери и полученный продуктовый состав газа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.Brown, C.Volk, M.Schoeberl, C.Boone, P.Bernath. Stratospheric lifetimes of CFC-12, CC14, CH4, CH3C1 and N2O from measurements made by the Atmospheric Chemistry Experiment-Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS) // Atmos. Chem. Phys.-2013.-№°.13.-C.6921-6950.

2. Ravindran Jayaraj, Pankajshan Megha, Puthur Sreedev. Organochlorine pesticides, their toxic effects on living organisms and their fate in the environment // Interdiscip Toxicol.-2016. - №9.-С. 90-100.

3. Sherwen T., Schmidt J. A., Evans M. J., Carpenter L. J., GroBmann K., Eastham S. D., Jacob D. J., Dix B., Koenig T. K., Sinreich R., Ortega I., Volkamer R., Saiz-Lopez A., Prados-Roman C., Mahajan A. S., Ordonez C. Global impacts of tropospheric halogens (Cl, Br, I) on oxidants and composition in GEOS-Chem // Atmos. Chem. Phys.-2016.-№16. - С. 12239-12271.

4. Ozone Layer // ourworldindata.org URL: https://ourworldindata.org/ozone-layer (дата обращения: 20.03.2020).

5. WHO, Environmental Health Criteria 208, [Электронный ресурс] 2004, Режим доступа: http://libdoc.who.int/ehc/WHO EHC 208.pdf

6. J. Laube, A. Keil, H. Boenisch, A. Engel, T. Roeckmann, C. Volk, W. Sturges. Observation-based assessment of stratospheric fractional release, lifetimes, and ozone depletion potentials of ten important source gases//Atmospheric Chemistry and Physics-2013-№13.-C.2779-2791.

7. L.Weber, M.Boll, A.Stampf. Hepatotoxicity and mechanism of action of haloalkanes: carbontetrachlorideas a toxicological model // Critical Reviews in Toxicology-2003.-№33.-C.105-136.

8. Rosana M.Alberici, Wilson F.Jardim Photocatalytic destruction of VOCs in the gas-phase using titanium dioxide // Applied Catalysis B: Environmental.-1997.-№14.-C. 55-68.

9. M.D. Driessen, A.L. Goodman, T.M. Miller, G.A. Zaharias, V.H. Grassian, Gas-phase photooxidation of trichloroethylene on TiO2 and ZnO: influence of

trichloroethylene pressure, oxygen pressure, and the photocatalyst surface on the product distribution // The Journal of Physical Chemistry - 1998. - №102. - C. 549-556.

10. А.В. Терехов, Л.Н. Занавескин, К.Л. Занавескин, О.А. Конорев Каталитическое гидродехлорирование хлоруглеводородов в среде растворов гидроксида натрия // Катализ и охрана окружающей среды. - 2012.-№6.-С. 39-46.

11. T. G. Barton, J. A. Mordy The destruction of halogenated organic chemicals by plasma pyrolysis // Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. -1984.-№62.-C. 976-978.

12. Cафронов А.А., Васильева О.Б., Дудник Ю.Д., Кузнецов В.Е., Ширяев В.Н., Cубботин Д.И., Образцов Н.В., Cуров А.В., Попов В.Е. Применение плазмотрона переменного тока для переработки потенциально опасных веществ // Химия высоких энергий. - 2018. - №4. - C. 301-305.

13. Krzysztof Krawczyk, Bogdan Ulejczyk Decomposition of Chloromethane in Gliding Discharges // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2003. - №23. - C. 265-281.

14. Seok-Wan Kim, Hyun-Seo Park, Hyung-Jin Kim 100 kW steam plasma process for treatment of PCBs (polychlorinated biphenyls) waste // Vacuum. - 2003. -№70. - C. 59-66.

15. Surov A.V., Popov S.D., Popov V.E., Subbotin D.I., Serba E.O., Spodobin V.A., Nakonechny Gh.V., Pavlov A.V. Multi-gas AC plasma torches for gasification of organic substances // Fuel. - 2017. -№ 203. C. 1007-1014.

16. J. P. Trelles Nonequilibrium phenomena in (quasi-)thermal plasma flows // Plasma Chem. Plasma Proces., vol. 40, pp. 727-748, May 2020.

17. M. Shigeta, Turbulence modelling of thermal plasma flows // J. Phys.D: Appl. Phys., vol. 49, Nov. 2016, Art. no. 493001.

18. M. Baeva, M.S. Benilov, N.S. Almeida, D. Uhrlandt Novel nonequilibrium modelling of a DC electric arc in argon // J. Phys. D: Appl.Phys., vol. 49, p. 245205, 2016.

19. S.M. Modirkhazeni and J.P. Trelles, Non-transferred arc torch simulation by a non-equilibrium plasma Laminar-to-Turbulent flow model // J. Thermal Spray Technol., vol. 27, no. 8, pp. 1447-1464, Dec. 2018.

20. D. V. Ivanov and S. G. Zverev Mathematical simulation of processes in air ICP/RF plasma torch for high-power applications // IEEE Trans.Plasma Sci., vol. 48, no. 2, pp. 338-342, Feb. 2020.

21. I. B. Matveev, S. I. Serbin A multitorch RF plasma system as a way to improve temperature uniformity for high-power applications // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 48, no. 2, pp. 332-337, Feb. 2020.

22. Shigeta M Three-dimensional flow dynamics of an argon RF plasma with dc jet assistance: a numerical study // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2013. -№46. - C. 015401.

23. Shigeta M Turbulence modelling of thermal plasma flows // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2016. - №46. - C. 493001.

24. ChemicalWorkbench [Электронный ресурс], Режим доступа:http://www.kintech1ab.com/ru/produkty/chemica1-workbench/, свободный

25. Comsol 5.6 [Электронный ресурс], Режим доступа: https: //www. comsol. ru/products, свободный

26. Фролов В. Я., Лисенков А. А., Барченко В. Т. Физические основы применения низкотемпературной плазмы. - Cro.: Издательство Политехнического университета, 2010. - 220 с.

27. Дресвин, C. В. Плазмотроны: конструкции, параметры, технологии : учеб. пособие для вузов / C. В. Дресвин, C. Г. Зверев ; ОТбЕЛУ. - ОПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 207 с.

28. Энциклопедия низкотемпературной плазмы Вводный том 2 Дресвин СВ.Под ред. Фортова В.Е. - М.: Наука, МАИК Наука, 2000.

29. Жуков М.Ф. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). - М.: Наука, 1973. - 232 с.

30. Мощные генераторы плазмы (плазмотроны) // Энциклопедическая серия «Энциклопедия низкотемпературной плазмы»: Вводный том: В 4 кн. / Рутберг Ф.Г., под ред. Фортова В.Е. - М.: Наука, МАИК Наука, 2000. -C. 219-230.

31. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 153 с.

32. L. Sivachandiran, J. Karuppiah, Ch. Subrahmanyam DBD plasma reactor for oxidative decomposition of Chlorobenzene // International Journal of Chemical Reactor Engineering. - 2012. - №10.

33. Yongjun Liu, Xuanzhen Jiang Plasma-induced Degradation of Chlorobenzene in Aqueous Solution // International Journal of Chemical Reactor Engineering.- 2008. - №28. - C. 15-24.

34. Peter Fazekas, Zsuzsanna Czegeny, Janos Mink, Pal Tamas Szabo, Anna Maria Keszler, Eszter Bodis, Szilvia Klebert, Janos Szepvolgyi, Zoltan Karoly Thermal Plasma Decomposition of Tetrachloroethylene // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2018. - №38. - C. 771-790.

35. Fazekas P, Bodis E, Keszler AM, Czegeny Zs, Klebert Sz, Karoly Z, Szepvo lgyi Decomposition of Chlorobenzene by Thermal Plasma Processing // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2013. - №33. - C. 765-778.

36. Georges Kamgang-Youbi , Karine Poizot, Florent Lemont Inductively coupled plasma torch efficiency at atmospheric pressure for organo-chlorine liquid waste removal: Chloroform destruction in oxidative conditions // Journal of Hazardous Materials. - 2013. - C. 171-179.

37. Katalin A. Foglein, Pal T. Szabo, Andras Dombi, and Janos Szepvo lgyi Comparative Study of the Decomposition of CCl4 in Cold and Thermal Plasma // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2003. - №23. - C. 651-664.

38. Rubio S.J., Quintero M.C., Rodero A. Application of microwave air plasma in the destruction of trichloroethylene and carbon tetrachloride at atmospheric pressure // Journal of Hazardous Materials.- 2011. - №186. - C. 820-826.

39. Rubio S.J., Quintero M.C., Rodero A. Application of a Microwave Helium Plasma Torch Operating at Atmospheric Pressure to Destroy Trichloroethylene // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2008. - №28. - C. 415-428.

40. Rubio S.J., Quintero M.C., Rodero A., Fernandez Rodriguez J.M. Assessment of a new carbon tetrachloride destruction system based on a microwave plasma torch operating at atmospheric pressure // Journal of Hazardous Materials. - 2007. - №148. - C. 419-427.

41. Antonius Indarto, Jae-Wook Choi, Hwaung Lee, Hyung Keun Song Treatment of CC14 and CHC13 emission in a gliding-arc plasma // Plasma Devices and Operations. - 2006. - №14. - C. 1-14.

42. Antonius Indarto, Dae Ryook Yang, Jae-Wook Choi, Hwaung Lee, Hyung Keun Song CC14 Decomposition by Gliding Arc Plasma: Role of C2 Compounds on Products Distribution // Chemical Engineering Communications. - 2007. - №194. - C. 1111-1125.

43. Antonius Indarto, Jae-Wook Choi, Hwaung Lee, Hyung Keun Song Treatment of dichloromethane using gliding arc plasm // International Journal of Green Energy. - 2006. - №3. - C. 309-321.

44. K. Krawczyk, B. Ulejczyk, H. K. Song, A. Lamenta, B. Paluch, K. Schmidt-Szalowski Plasma-catalytic Reactor for Decomposition of Chlorinated Hydrocarbons // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2009. - №29. - C. 27-41.

45. Anelise L.V. Cubas, Eduardo Carasek, Nito A. Debacher, Ivan G. de Souza Development of a DC-plasma torch constructed with graphite electrodes and an integrated nebulization system for decomposition of CCl4 // Journal of the Brazilian Chemical Society. - 2005. - №16. - C. 531-534.

46. Majdi Mabrouk, Mickael Marchand, Aldo Russello, Jean Marie Baronnet, Florent Lemont Development of a Submerged Thermal Plasma Process for Combustion of Organic Liquid Waste // Plasma Chem Plasma Process. - 2015. - №35. - C. 45-60

47. Hidetoshi Sekiguchi, Takuya Honda, Atsushi Kanzawa Thermal Plasma Decomposition of Chlorofluorocarbons // Plasma Chemistry and Plasma Processing. -1993. - №13. - C. 463-478.

48. Tomasz J^drzejczyk, Zbigniew Kolacinski, Dariusz Koza, Grzegorz Raniszewski, Lukasz Szymanski, Slawomir Wiak Plasma recycling of chloroorganic wastes // Open Chemistry. - 2014. - №13. - C. 156-160.

49. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Waste Incineration: Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control) / 15. Frederik Neuwahl, Gianluca Cusano, Jorge Gómez Benavides, Simon Holbrook, Serge Roudier, Publications Office of the European Union, 2019.

50. Rutberg Ph. G., Nakonechny Gh. V., Pavlov A. V., Popov S. D., Serba E. O., Surov A. V. AC plasma torch with a H 2 O/CO 2 /CH 4 mix as the working gas for methane reforming// Journal of Physics D: Applied Physics. -2015 -№. 48, С. 245204 -16

51. Каренгин, Александр Григорьевич. Плазменные технологии переработки веществ [Текст]: [учебное пособие] / А. Г. Каренгин ; ; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Томский политехнический ун-т". - Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2008

52. Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой // ООН URL: https://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/montreal_prot.shtml (дата обращения: 20.03.2020).

53. ГОСТ 23844-79 Хладон 113. Технические условия (с Изменениями N 1, 2) М.: Издательство стандартов, 1995 год официальное издание

54. Gleizes A Perspectives on Thermal Plasma Modelling Plasma // Chemistry Plasma Process. - 2015. - №35. - С. 455-469.

55. Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А., Гончаренко Р.Б., Кузнецов В.Е. К вопросу о влиянии неустойчивости электрической дуги трехфазного плазмотрона переменного тока на его работу // Известия РАН Энергетика. - 1996. - №4. - С. 114-120.

56. Popov S.D., Rutberg A.F., Safronov A.A. The use of AC plasma generators for operation as a part of plasma reactor: Special features // TVT. - 2007. - №45. - С. 511.

57. Surov A.V., Popov S.D., Spodobin V.A., Serba E.O., Nakonechny Gh.V., Pavlov A.V., Nikonov A.V., Subbotin D.I., Obroztsov N. V. / Powerful high-voltage AC plasma torches for plasma-chemical applications. // Conf. Series: Journal of Physics.-2017.-№891-С.012309.

58. Rutberg Ph, Gorbunov V, Nakonechny Gh, Popov S, Safronov A, Serba E, Surov A Investigation of process dynamic of an electric arc burning in single -phase ac

plasma generators // V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-5) . - 2006. - C. 110-113.

59. Anne J. Meier, Prital J. Thakrar, Malay G. Shah, Thad W. Johnson, Jon A. Bayliss , Paul E. Hintze, Tracy L. Gibson, James G. Captain Development of a micro -scale plasma arc gasification system for long duration space mission waste processing // Conference: 47th International Conference on Environmental Systems At: Charleston, South Carolina. - 2017.

60. Rehmet C., Fabry F., Rohani V., Cauneau F., Fulcheri L. A comparison between MHD modeling and experimental results in a 3-phase AC arc plasma torch: influence of the electrode tip geometry // Plasma Chem: Plasma Process . - 2014. - №234.

- C. 975-996.

61. Murashov I, Frolov V, Ivanov D Numerical simulation of DC air plasma torch modes and plasma jet instability for spraying technology // IEEE NW Russia. -2016. - C. 625-628.

62. B. Chiné A 2D Model of a Plasma Torch // Comsol Conference 2016. -

2016.

63. Murphy A. Influence of metal vapour on arc temperatures in gas-metal arc welding: convection versus radiation // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2013. -№46. - C. 224004.

64. Baeva M Non-equilibrium modeling of tungsten-inert gas arcs // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2017. - №37. - C. 341-370.

65. Sun Su-Rong, Zhu Tao, Wang Hai-Xing, Liu Gang, Murphy Anthony B. Three-Dimensional Chemical Non-equilibrium Simulation of an Argon Transferred Arc with Cross-Flow // Journal of Physics D: Applied Physics.- 2020. - №53.

66. Baeva, M., Uhrlandt, D. Nonequilibrium simulation analysis of the power dissipation and the pressure produced by TIG welding arcs // Weld World. - 2019. - .№63.

- C. 377-387.

67. Sen-Hui Liu, Juan Pablo Trelles, Anthony B Murphy, Lu Li, Shan-Lin Zhang, Guan-Jun Yang, Cheng-Xin Li,Chang-Jiu Li Numerical simulation of the flow

characteristics inside a novel plasma spray torch // Journal of Physics D: Applied Physics.

- 2019. - №52. - С. 335203.

68. Frei W. Разбиение сетки для нелинейных статических конечно элементных задач [электронный ресурс].-Режим доступа:https://www.comsol.ru/blogs/meshing-considerations-nonlinear-static-fínite-elementproblems-ru

69. Frei W. Улучшение сходимости мультифизических задач [электронный ресурс].-Режим доступа: https://www.comsol.ru/blogs/improving-convergencemultiphysics-problems-ru

70. Блог Comsol [Электронный ресурс],Режим доступа: https://www.comsol.ru/blogs/solving-multiphysics-problems/, свободный.

71. Решатель Pardiso [Электронный ресурс], Режим доступа: https://software.intel.com/en-us/articles/intel-mpi-library-documentation/, свободный.

72. Проект PARDISO [Электронный ресурс] / www.pardisoproject.org,Режим доступа: http://www.pardiso-project.org/, свободный.

73. Safronov, A. A.; Vasilieva, O. B.; Dudnik, Yu. D.; Kuznetsov, V. E.; Shiryaev, V. N. Operation of High-Voltage Plasma Torches with Rod Electrodes // High Temperature. - 2018. - №56. - С. 849-852.

74. Физика плазмы [Текст]: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров "Техническая физика" / С. В. Дресвин, Д. В. Иванов; М-во образования и науки Российской Федерации, Санкт-Петербургский гос. политехнический ун-т, Нац. исслед. ун-т. - Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. - 542 с

75. Masaya Shigeta Simulating Turbulent Thermal Plasma Flows for Nanopowder Fabrication // Plasma Chemistry and Plasma Processing.- 2020. - №40. -С. 775-794.

76. Zihan PAN, Lei YE, Shulou QIAN, Qiang SUN, Cheng WANG, Taohong YE, Weidong XIA Comparison of Reynolds average Navier-Stokes turbulence models in numerical simulations of the DC arc plasma torch // Plasma Science and Technology.

- 2019. - №22.

77. Obraztsov N V, Frolov V Y, Popov V E, Subbotin D I, Surov A V Time dependent 2-dimensional model of an alternating current arc // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - №1135. - С. 012101.

78. Obraztsov N V, Kadyrov A A, Surov A V, Subbotin D I, Popov V E A non-stationary model of the AC plasma torch // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - №643. - С. 012075.

79. Андерсен Г., Сон Э.Е. Вывод уравнений гидродинамики из уравнения Больцмана. - М.: Физматлит, 2010.

80. Devoto R.S. Simplified expressions for the transport properties of ionized monatomic gases // Physics of Fluids. - 1967. - №10. - С. 2105-2112.

81. Devoto R.S. Transport coefficients of ionized argon // Physics of Fluids. -1973. - №16. - С. 616-623.

82. C Muckenfuss, C F Curtiss Thermal conductivity of multicomponent gas mixtures // J. Chem. Phys. - 1958. - №29. - С. 1636-1643.

83. J N Butler, R S Brokaw Thermal conductivity of gas mixtures in chemical equilibrium // J. Chem. Phys.. - 1957. - №26. - С. 1636-1643.

84. Surov A.V., Popov S.D., Popov V.E., Subbotin D.I., Obraztsov N.V., Kuchina J.A., Serba E.O., Nakonechny Gh.V., Spodobin V.A., Pavlov A.V., Nikonov A.V. Steam, methane and carbon dioxide thermal plasma interaction with perhalocarbons // Journal of Physics: Conference Series.- 2017.- Т. 825.- № 1.- С. 012015.

85. Свойства огнеупорных бетонов [Электронный ресурс], Режим доступа: http://www.aliter.spb.ru/inc/tpl/doc/articles/ogneupornyie(jarostoykie)betonyi.pdf/, свободный.

86. Свойства теплоизоляционных материалов [Электронный ресурс], Режим доступа: http://thermalinfo.ru/publ/tverdye_veshhestva/stroitelnye_materialy/teploprovodnost_pl otnost_temperatura_primenenija_teploizoljacionnykh_materialov/6-1-0-189/, свободный.

87. Плиты огнеупорные муллитокремнеземистые МКРП-340 [Электронный ресурс], Режим доступа: http://tstan.ru/cat/212//, свободный

88. Свойства стали [Электронный ресурс], Режим доступа: http: //metallicheckiy-portal. ru/marki_metallov/stk/ 12X18H10T/,свободный.

89. A V Surov, S D Popov, E O Serba, V A Spodobin, Gh V Nakonechny, A V Pavlov, A V Nikonov, D I Subbotin, V E Popov, N V Obraztsov High voltage AC plasma torch operating on vapours of organic substances // Journal of Physics Conference Series . - 2017. - №927. - С. 012061.

90. Ф.Крейт, У.Блек Основы теплопередачи. - М.: Мир, 1983. - 512 с.

91. Adrian Bejan, Allan D. Kraus Heat transfer handbook. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003. - 1480 с.

92. Сафронов А.А., Кузнецов В.Е.,Васильева О.Б., Дудник Ю.Д.,Ширяев В.Н. Плазмотроны переменного тока. системы инициирования дуги. особенности конструкции и применения// Приборы и техника эксперимента. - 2019. - №2. - С. 58-66.

93. Павлов А.В. Исследование пространственного распределения температуры в потоках воздушной плазмы, генерируемой электродуговыми плазмотронами переменного тока: дис. канд. тех. наук: 01.04.13. - СПб., 2016.

Приложение 1 Теплофизические свойства огнеупорного бетона марки

Алкор-90

4,8 4,6 4,4 4,2

m

3,6

3,2

2,8 2,62,4

1

— -

эоводность мкость

Теплое

1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 b 1150 1100

*

Ct

Q.

О

1000 h 950 900

300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650

Т,к

Рисунок П1 свойства Алкор-90 Приложение 2 Теплофизические свойства огнеупорного бетона марки

Алакс-1.6

1,1

1,0

0,9

■X

CD

0,8

0,7-

0,6- ■

■

^^■»Теплопроводность • Теплоёмкость

- 1250

- 1200

-1150

1-1100 % ъ

CI

1- 1050 El О

- 1000

-950

-900

450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800

Т,К

Рисунок П2 свойства Алакс-1.6

Приложение 3 Теплофизические свойства огнеупорной плиты МКРП-

340

Рисунок П3 свойства МКРП-340 Приложение 4 Теплофизические свойства стали 12Х18Н10Т

30,0

27,5

25,0

•р 22,5 СО

20,0'

17,5

15,0

400

■ ! !

^^"Теплопроводность Теплоёмкость

600

575

550

*

525 В-

О

500

475

450

600 800 т,к

1000

Рисунок П4 свойства стали 12Х18Н10Т

т,к р,кг/м3 Ср, кДж/кгК к, Вт/мК ши, Пас

300 1,047 1,204 0,028 0,0000173

400 0,785 1,228 0,037 0,0000219

500 0,628 1,263 0,047 0,0000262

600 0,523 1,301 0,056 0,0000301

700 0,449 1,338 0,066 0,0000338

800 0,393 1,375 0,075 0,0000371

900 0,349 1,410 0,085 0,0000403

1000 0,314 1,443 0,094 0,0000433

1100 0,286 1,474 0,104 0,0000462

1200 0,262 1,503 0,113 0,0000489

1300 0,242 1,530 0,123 0,0000515

1400 0,224 1,556 0,132 0,0000541

1500 0,209 1,579 0,142 0,0000565

1600 0,196 1,601 0,151 0,0000589

1700 0,185 1,621 0,162 0,0000611

1800 0,174 1,639 0,172 0,0000633

1900 0,165 1,657 0,183 0,0000653

2000 0,157 1,675 0,195 0,0000673

2100 0,149 2,056 0,223 0,0000690

2200 0,142 2,238 0,251 0,0000706

2300 0,136 2,482 0,290 0,0000719

2400 0,130 2,806 0,346 0,0000728

2500 0,124 3,235 0,424 0,0000733

2600 0,118 3,792 0,528 0,0000733

2700 0,112 4,510 0,661 0,0000727

2800 0,107 5,419 0,824 0,0000715

2900 0,101 6,551 1,020 0,0000698

3000 0,096 7,934 1,230 0,0000676

3100 0,090 9,583 1,470 0,0000652

3200 0,084 11,484 1,710 0,0000627

3300 0,078 13,581 1,950 0,0000603

3400 0,072 15,748 2,160 0,0000582

3500 0,066 17,779 2,320 0,0000567

3600 0,060 19,401 2,390 0,0000558

3700 0,055 20,334 2,350 0,0000556

3800 0,050 20,388 2,220 0,0000562

3900 0,046 19,543 2,010 0,0000575

4000 0,043 17,965 1,760 0,0000593

т,к р,кг/м3 Ср, кДж/кгК к, Вт/мК ши, Пас

300 1,20252 1,18964 0,0385 0,0000199

400 0,90189 1,26362 0,05521 0,0000276

500 0,72151 1,33117 0,07259 0,0000349

600 0,60126 1,39311 0,0904 0,0000416

700 0,51537 1,44996 0,10833 0,0000479

800 0,45095 1,50214 0,12629 0,0000538

900 0,40084 1,55002 0,1443 0,0000594

1000 0,36076 1,59397 0,16238 0,0000647

1100 0,32796 1,63433 0,18051 0,0000697

1200 0,30063 1,67146 0,19865 0,0000746

1300 0,2775 1,7057 0,21673 0,0000792

1400 0,25767 1,73739 0,23468 0,0000836

1500 0,24047 1,76688 0,25201 0,0000879

1600 0,22539 1,79368 0,27006 0,0000921

1700 0,21204 1,81754 0,29388 0,0000960

1800 0,20008 1,83896 0,31732 0,0000996

1900 0,18926 1,85828 0,343 0,0001029

2000 0,17933 1,87574 0,3681 0,0001059

2100 0,17011 1,89147 0,42467 0,0001082

2200 0,1614 1,90553 0,48546 0,0001096

2300 0,15306 1,91794 0,55086 0,0001101

2400 0,14495 1,92873 0,63625 0,0001095

2500 0,13699 5,39762 0,73995 0,0001076

2600 0,12911 6,3649 0,86759 0,0001044

2700 0,12128 7,44899 1,0228 0,0001002

2800 0,1135 8,64083 1,2089 0,0000951

2900 0,10581 9,9383 1,4286 0,0000895

3000 0,09822 11,3488 1,6826 0,0000837

3100 0,0908 12,8831 1,9671 0,0000781

3200 0,08358 14,5375 2,2721 0,0000729

3300 0,07664 16,2656 2,5778 0,0000683

3400 0,07003 17,9505 2,8536 0,0000645

3500 0,06386 19,3943 3,0594 0,0000615

3600 0,05823 20,344 3,1531 0,0000596

3700 0,05321 20,5647 3,1053 0,0000587

3800 0,04885 19,9372 2,9146 0,0000589

3900 0,04515 18,5232 2,6144 0,0000603

4000 0,04207 16,5493 2,2602 0,0000625

4100 0,03952 14,317 1,9078 0,0000655

4200 0,03743 12,1009 1,5957 0,0000689

4300 0,03569 10,0891 1,3412 0,0000726

4400 0,03423 8,37382 1,1452 0,00007б2

4500 0,033 б,97393 1,0001 0,000079б

4б00 0,03193 5,8б519 0,89б 0,0000829

4700 0,03098 5,0044 0,82298 0,0000858

4800 0,03014 4,34494 0,77305 0,000088б

4900 0,02938 3,84451 0,74001 0,0000910

5000 0,028б8 3,4б82б 0,71194 0,0000933

5100 0,02804 3,18919 0,70328 0,0000954

5200 0,02743 2,987б5 0,б9945 0,0000974

5300 0,02б8б 2,8503б 0,70232 0,0000993

5400 0,02б32 2,7б9б4 0,70959 0,0001010

5500 0,02581 2,74277 0,72182 0,0001027

5б00 0,02532 2,771б7 0,73934 0,0001043

5700 0,02484 2,8б259 0,7б312 0,0001058

5800 0,02439 3,0259б 0,79457 0,0001073

5900 0,02394 3,27589 0,83548 0,0001088

б000 0,0235 3,б2927 0,88794 0,0001102

б100 0,02307 4,10395 0,954 0,000111б

б200 0,022б4 4,71575 1,0355 0,0001130

б300 0,02221 5,47403 1,1331 0,0001143

б400 0,02178 б,37б23 1,2458 0,000115б

б500 0,02134 7,40225 1,3701 0,00011б9

бб00 0,02089 8,51049 1,4993 0,0001182

б700 0,02043 9,б377б 1,б2б1 0,0001195

б800 0,0199б 10,7044 1,7395 0,0001207

б900 0,0195 11,б24б 1,8297 0,0001219

7000 0,01903 12,32 1,8891 0,0001231

7100 0,01857 12,7332 1,9138 0,0001242

7200 0,01813 12,8373 1,9043 0,0001253

7300 0,0177 12,б394 1,8б48 0,00012б4

7400 0,01729 12,1774 1,8024 0,000127б

7500 0,01б9 11,511 1,7243 0,0001287

7б00 0,01б54 10,71 1,б399 0,0001298

7700 0,01б2 9,84308 1,5548 0,0001309

7800 0,01588 8,9б952 1,4739 0,0001320

7900 0,01559 8,13453 1,4002 0,0001331

8000 0,01531 7,3б833 1,3373 0,0001343

8100 0,01505 б,б8772 1,2817 0,0001354

8200 0,01481 б,09899 1,2353 0,00013б5

8300 0,01458 5,б0095 1,1974 0,0001377

8400 0,0143б 5,18779 1,1б72 0,0001388

8500 0,01415 4,8512б 1,1435 0,0001399

8б00 0,01395 4,58217 1,1255 0,0001411

8700 0,01375 4,3714 1,1123 0,0001422

8800 0,01357 4,21047 1,1031 0,0001433

8900 0,01338 4,09179 1,0971 0,0001444

9000 0,01321 4,00882 1,094 0,0001456

9100 0,01303 3,95594 1,093 0,0001467

9200 0,01286 3,92848 1,094 0,0001478

9300 0,0127 3,92255 1,0964 0,0001489

9400 0,01253 3,93494 1,1001 0,0001501

9500 0,01237 3,96303 1,1049 0,0001512

9600 0,01221 4,00466 1,1105 0,0001523

9700 0,01206 4,0581 1,1168 0,0001534

9800 0,0119 4,12192 1,1237 0,0001545

9900 0,01175 4,19498 1,1311 0,0001556

10000 0,0116 4,27635 1,1388 0,0001568

10100 0,01145 4,36527 1,147 0,0001579

10200 0,01131 4,46115 1,1554 0,0001590

10300 0,01116 4,5635 1,164 0,0001601

10400 0,01102 4,67194 1,1728 0,0001612

10500 0,01087 4,78617 1,1818 0,0001623

10600 0,01073 4,90594 1,1909 0,0001633

10700 0,01059 5,03107 1,2002 0,0001644

10800 0,01045 5,16141 1,2095 0,0001655

10900 0,01031 5,29687 1,2189 0,0001666

11000 0,01017 5,43736 1,2284 0,0001677

11100 0,01003 5,58281 1,2354 0,0001688

11200 0,0099 5,73318 1,2453 0,0001699

11300 0,00976 5,88841 1,2552 0,0001709

11400 0,00963 6,04848 1,2651 0,0001720

11500 0,00949 6,21334 1,2751 0,0001731

11600 0,00936 6,38293 1,285 0,0001741

11700 0,00923 6,55719 1,2949 0,0001752

11800 0,00909 6,73604 1,3048 0,0001763

11900 0,00896 6,91937 1,3148 0,0001773

12000 0,00883 7,10705 1,3247 0,0001784

12100 0,0087 7,29892 1,3346 0,0001795

12200 0,00857 7,49477 1,3446 0,0001805

12300 0,00845 7,69438 1,3545 0,0001816

12400 0,00832 7,89746 1,3644 0,0001826

12500 0,00819 8,10369 1,3744 0,0001837

12600 0,00807 8,31271 1,3843 0,0001847

12700 0,00794 8,52409 1,3943 0,0001858

12800 0,00782 8,73736 1,4042 0,0001868