CZ2008620A3 - Plazmachemický reaktor - Google Patents

Abstract

Reaktor je tvoren výbojovou komorou (1), do které je z jedné strany zaústena elektricky vodivá uzemnená kónická tryska (2) s vnitrním trnem (4), jejíž druhý konec je uzpusoben pro prívod stlaceného pracovního plynu (3), obvykle vzduchu. Z druhé strany, proti trysce (2) a souose s ní je do výbojové komory (1) vyústena elektricky vodivá elektroda tvorená rezonátorem (6), jehož válcová rezonancní dutina je opatrena ostrou hranou (7). Rezonátor (6) je elektricky oddelen od horizontálního posuvného mechanismu (9), teflonovým izolantem (8). Horizontální posuvný mechanismus (9) umožnuje presné nastavení vzdálenosti mezi kónickou tryskou (2) a rezonátorem (6). Rezonátor (6) je pres zatežkávací odpor (10) vodive spojen se svorkou záporné polarity vysokonapetového zdroje (11). Elektrický výboj horí mezi kónickou tryskou (2) a ostrou hranou (7) rezonátoru (6).

Description

Plazmachemický reaktor

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení pro ovlivňování vlastností elektrického výboje ultrazvukovým polem generovaným supersonickým proudem plynu z trysky určeném pro environmentální aplikace jako generace ozónu, rozklad oxidů dusíku, a dekompozice těkavých uhlovodíků.

Dosavadní stav techniky

Environmentální aplikace jako je generace ozónu, rozklad oxidů dusíku případně dekompozice těkavých uhlovodíků jsou založeny na využití chemických reakcí. Reakční rychlosti těchto reakcí kromě závislosti na teplotě, koncentraci a míšení reakčních komponent, přítomnosti katalyzátorů a podobně, závisí také na tlaku v oblasti, ve které k těmto reakcím dochází. Lokální zvýšení tlaku v této oblasti je možné dosáhnout použitím ultrazvukových vln. Kromě toho lze reakční rychlosti ovlivnit ionizací komponent, do reakcí vstupujících. Ionizace těchto komponent je nejjednodušší dosáhnout elektrickými výboji. K ionizaci zde dochází vtzv. ionizační oblasti. Kombinací použití ultrazvukových vln a elektrického výboje lze dosáhnout synergetického jevu, který přináší nové perspektivy pro řadu výše uvedených praktických aplikací.

Je známé řešení podle patentu CZ 295687, kde se výkonovým ultrazvukem buzeným pístovým měničem podstatné zvyšuje generace ozónu elektrickým výbojem, který hoří mezi tryskou a kmitající rovinou ultrazvukového měniče. Takové zařízení je tvořeno výbojovou komorou, do které je z jedné strany zaústěna svým hrotem dutá jehla, jejíž druhý konec je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu, obvykle vzduchu, a je připojen k vysokonapěťovému zdroji a z druhé strany proti duté jehle, je do výbojové komory vyústěna vodivá elektroda tvořená vodivým nástavcem elektricky uzemněným, akusticky svázaným s piezokeramickým měničem, který je připojen na výstup výkonového elektrického generátoru. Dutá jehla je spojena se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje a je uložena v reflektoru. Nevýhodou tohoto řešení je, že pro generaci ultrazvuku musí být použit : . J ’· r: íí ·· • · · · ** ♦· ·· 2 *····* ··· ·· piezoelektrický měnič/generátor což významně komplikuje praktické aplikace, kdy je zapotřebí další přístroj, přizpůsobení přenosu ultrazvukové energie z měniče do plynného prostředí.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje plazmachemický reaktor podle předkládaného řešení. Tento plazmový reaktor je tvořen výbojovou komorou, z níž vede výstup plazmového reaktoru. Do výbojové komory je z jedné strany svou zúženou částí zaústěna elektricky vodivá uzemněná kónická tryska, jejíž druhý konec je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu. Z druhé strany, souose proti trysce, je do výbojové komory vyústěna elektricky vodivá elektroda s horizontálním posuvným mechanismem. Podstatou nového řešení je, že elektricky vodivá uzemněná kónická tryska je u svého kónického konce z důvodů zmenšení průtoku stlačeného pracovního plynu opatřena trnem o průměru menším než je průměr ústí trysky, který leží v ose kónické trysky a který je v kónické trysce uchycen pomocí fixačního úchytu s průchody pro pracovní plyn. Elektricky vodivá elektroda je u tohoto nového řešení tvořena rezonátorem, jehož válcová rezonanční dutina je opatřena ostrou hranou. Tento rezonátor je elektricky oddělen od horizontálního posuvného mechanismu teflonovým izolantem a zároveň je pres zatěžovací odpor spojen se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje.

Ve výhodném provedení je kónická tryska s elektricky nevodivým trnem opatřena prodlužovacím kónickým nástavcem z teflonu, který spojité prodlužuje konickou trysku, jehož délce odpovídá posunutí prvního tlakového maxima pracovního plynu od ústí elektricky vodivé trysky, čímž dojde ke zvětšení vzdálenosti mezi vodivými elektrodami, růstu napětí na výboji a tedy i růstu energie elektronů, které iniciují plazma-chemické reakce.

Pro odstranění nevýhod známých řešení je tedy navrženo přímo použít plyn dodávaný do výboje pro vytvoření oscilujících gradientů tlaku, které jsou zdrojem ultrazvukových vln. Nové řešení využívá tedy generaci ultrazvukových vln samotným proudícím plynem a aplikaci těchto vln na elektrický výboj.

Velmi výhodné je, že ultrazvuk je generován stlačeným plynem, který má být v reaktoru upravován a reaktor tedy nepotřebuje vnější zdroj výkonového ultrazvuku. Další výhodou je, že změnou tlaku pracovního plynu a změnou vzdálenosti reflektoru od trysky lze ovlivňovat vznik ultrazvukových oscilací, jejich frekvenční spektrum a akustický tlak. V důsledku toho je možné ovlivňovat parametry výboje, jeho strukturu i tvar. Rovněž tak je výhodné, že výboj je stabilizovaný a hoří po celém obvodu ostré hrany rezonátoru, v důsledku čehož dojde ke zvětšení reakčniho objemu a tedy ke zvětšení množství zpracovávaného plynu. Významnou výhodou návrhu je také skutečnost, že reaktor je velmi jednoduchý a zařízení nepotřebuje vnější zdroj výkonového ultrazvuku.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad uspořádání reaktoru podle předkládaného řešení je schematicky naznačen na Obr. 1. Obr. 2 znázorňuje supersonický výtok vzduchu z kónické trysky získaný šlírovou metodou. Světlá místa zobrazují velké změny akustického tlaku respektive hustoty plynu. Na Obr. 3a je výboj v reaktoru s ultrazvukem a na Obr. 3b jsou znázorněny jemu odpovídající oscilace akustického tlaku zobrazené rovněž šlírovou metodou. Pro ilustraci je na Obr. 4a stejnou metodou znázorněn výboj bez ultrazvuku a na obr.4b je vidět jemu odpovídající stacionární výtok vzduchu z rezonátoru.

Příklady provedeni vynálezu

Reaktor na Obr.1 je tvořen výbojovou komorou 1, do které je z jedné strany zaústěna elektricky vodivá uzemněná kónická tryska 2 s vnitřním trnem 4 o průměru menším než je průměr ústí kónické trysky 2. Tento vnitrní trn 4 leží v ose kónické trysky 2 a je v ní uchycen pomocí fixačního úchytu 5 s průchody pro pracovní plyn 3. V uvedeném příkladě je fixační úchyt 5 je pevně nasunout do průchodu pro pracovní plyn 3 a po svém obvodu má vyvrtané otvory umožňující průchod pracovního plynu a ve své ose má otvor se zalisovaným teflonovým trnem 4. Druhý konec kónické trysky 2 je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu 3.

Z druhé strany, souose proti kónické trysce 2, je do výbojové komory 1 vyústěna elektricky vodivá elektroda s horizontálním posuvným mechanismem 9. Tato elektricky vodivá elektroda je tvořena rezonátorem 6, tvořeným válcovou rezonanční dutinou s ostrou hranou 7. Rezonátor 6 je elektricky oddělen od horizontálního posuvného mechanismu 9 teflonovým izolantem 8. Horizontální posuvný mechanismus 9 umožňuje přesné nastavení vzdálenosti mezi kónickou tryskou 2 a rezonátorem 6. Rezonátor 6 je přes zatěžovací odpor 10 vodivě spojen se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje H. Elektrický výboj hoří mezi kónickou tryskou 2 a ostrou hranou 7 rezonátoru 6. Výstup z reaktoru je označen 12.

Podstata činnosti uvedeného reaktoru spočívá vtom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného ze svorky záporné polarity vysokonapěťového zdroje 11 k rezonátoru 6 a hořící mezi ostrou hranou 7 vstupního otvoru rezonátoru 6 a uzemněnou rovinou, do které je vyústěna kónická tryska 2, se vystaví působení ultrazvukového pole. Toto pole je buzeno oscilujícími gradienty tlaku, s amplitudou dosahující téměř poloviční vzdálenosti mezi rezonátorem 6 a kónickou tryskou 2 a periodou určenou průměrem dutiny v rezonátoru 6, její hloubkou a vzdáleností mezi rezonátorem 6 a kónickou tryskou 2 při konstantním tlaku přiváděného pracovního plynu 3. Ke vzniku ultrazvuku dochází jen v určitých vzdálenostech rezonátoru 6 od kónické trysky 2. K vysvětlení tohoto jevu je třeba uvést, že plyn tryskající z kónické trysky 2 nadzvukovou rychlostí vytváří periodicky se opakující tlaková maxima, viz Obr.2, a jen pň umístění vstupního otvoru tvořeného ostřím 7 rezonátoru 6 do míst nárůstu tlaku, viz světlá místa v ose proudu v Obr.2, dochází k vybuzení rezonátoru 6. Z dutiny rezonátoru 6 je periodicky vyfukován plyn proti původnímu proudu plynu z kónické trysky 2, čímž dochází k oscilacím gradientu tlaku.

Na Obr.4a a 3a jsou demonstrovány změny tvaru a struktury výboje bez působení ultrazvukového pole, Obr. 4a, a s působením ultrazvukového pole, Obr. 3a, dle nového řešení.

V případě působení ultrazvukového pole, Obr. 3a, je výboj těsně před ústím rezonátoru radiálně rozšířen oproti situaci bez působení tohoto pole, Obr. 4a.

” ··· . í · · · · · · 1 • ·· · ···* 5 ··· ···’ .........

Současně s tím působení ultrazvukového pote mění í strukturu výboje tak, že odstraní jeho fragmentaci světelné emise výboje.

Tyto změny jsou podmíněny změnou fyzikálních vlastností prostředí, tedy tlaku respektive hustoty mezi rezonátorem a tryskou, jak ukazují Obr. 4b, kde je uvedeno rozložení gradientu hustoty bez působení ultrazvukového pole a Obr. 3b, kde je znázorněno rozložení gradientu hustoty s působením ultrazvukového pole.

Za účelem studia ovlivňování výboje v reaktoru spočívající v interakci výboje s oscilacemi tlaku v ionizační oblasti výboje bylo vytvořeno experimentální zařízení, odpovídající schématu na Obr. 1. V tomto uspořádání byla vzdálenost mezi ocelovou kónickou tryskou 2 a ocelovým rezonátorem 6 nastavitelná v rozsahu 0,5-50 mm, průměr výstupního otvoru kónické trysky 2 byl 1.6 mm, průměr dutiny rezonátoru 6 měl velikost 2 mm, hloubka dutiny rezonátoru 6 byla 2,1 mm. Rezonátor 6 byl elektricky izolován teflonovým nástavcem o délce 20 mm. Vzdálenost rezonátoru 6 od kónické trysky 2 byla přesně nastavována mikrometrickým horizontálním posuvem

9. Amplituda výchylky v ionizační oblasti pro vzdálenost 1,9-2,9 mm byla větší než 0,5 mm na frekvenci 24 kHz, což odpovídá amplitudě tlaku P= 92 kPa. Tlak přiváděného vzduchu byl 3.10⁵ Pa.

Průmyslová využitelnost

Kombinací použití ultrazvukových vln generovaných stlačeným plynem, který se má v reaktoru upravovat a elektrického výboje lze dosáhnout synergetického jevu, který přináší nové perspektivy pro uplatněni v environmentálních aplikacích jako je například výroba ozónu, rozklad oxidů dusíku a rozklad těkavých organických uhlovodíků.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Plazmachemický reaktor tvořený výbojovou komorou (1) s výstupem (12), který je výstupem plazmového reaktoru, kde do výbojové komory je z jedné strany svou zúženou částí zaústěna elektricky vodivá uzemněná kónická tryska (2), jejíž druhý konec je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu (3) a z druhé strany souose proti trysce (2) je do výbojové komory (1) vyústěna elektricky vodivá elektroda s horizontálním posuvným mechanismem (9) vyznačující se tím, že elektricky vodivá uzemněná kónická tryska (2) je u svého kónického konce plynu opatřena trnem (4) o průměru menším než je průměr ústí trysky (2), který leží v ose kónické trysky (2) a je v kónické trysce (2) uchycen pomocí fixačního úchytu (5) s průchody pro pracovní plyn (3) a elektricky vodivá elektroda je tvořena rezonátorem (6), jehož válcová rezonanční dutina je opatřena ostrou hranou (7) a tento rezonátor (6) je elektricky oddělen od horizontálního posuvného mechanismu (9) teflonovým izolantem (8) a zároveň je přes zatěžovací odpor (10) spojen se svorkou záporné polarity vysokonapěťového zdroje (11).
2. 2. Plazmachemický reaktor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kónická tryska (2) s elektricky nevodivým trnem (4) je opatřena prodlužovacím kónickým nástavcem (11) z teflonu.