1tom347

13. ELEKTROTERMIA 696

cieplnej właściwej, zapakowanych w materiały przepuszczające mikrofale oraz wymagających zachowania struktury, co jest istotne w odniesieniu do substancji sypkich. Z bardziej znanych zastosowań wymienić należy nagrzewanie w procesach: wulkanizacji profili gumowych (stosuje się je także w skojarzeniu z konwencjonalnym nagrzewaniem ciepłym powietrzem lub z metodą promiennikową), pasteryzacji środków spożywczych (m.in. chleba), liofilizacji produktów spożywczych oraz preparatów medycznych, suszenia wyrobów cienkowarstwowych (forniry, skóry) oraz substancji proszkowych (przemysł chemiczny i farmaceutyczny), sterylizacji nasion, rozmrażania (także przechowywanych organów ciała do celów chirurgicznych), kruszenia (skał, betonu). W tym ostatnim przypadku są stosowane promienniki mikrofalowe. Najbardziej powszechne zastosowanie znalazły mikrofalowe urządzenia grzejne w gospodarstwie domowym i gastronomii do przygotowywania potraw oraz rozmrażania.

13.11. Nagrzewanie plazmowe

13.11.1.    Istota metody

Nagrzewanie plazmowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na wykorzystaniu energii strumienia izotermicznej niskotemperaturowej plazmy gazowej.

Plazma jest stanem materii, w którym częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz zawiera praktycznie taką samą liczbę swobodnych jonów dodatnich i elektronów. Tak więc pod względem elektrycznym jej stan jest quasineulralny. Plazmę niskotemperaturową (zimną) cechują energie cząstek 0,4-^6,5 eV (1 eV w skali energetycznej w odniesieniu do cząstek jednoatomowych o trzech stopniach swobody ruchu odpowiada ok. 7700 K). Wiąże się to z częściową jonizacją gazu. Jeśli średnia energia kinetyczna elektronów, jonów i cząstek obojętnych, a więc i ich temperatury są w przybliżeniu jednakowe, to plazmę nazywa się izotermiczną lub quasirównowagową. Cechuje ją duża konduktywność, a więc można ją nagrzewać elektrycznie [13.6], [13.23).

Plazmę często dzieli się na nisko- oraz wysokociśnieniową (omawianą w niniejszym punkcie), przy czym wartością graniczną jest ciśnienie atmosferyczne p = 98 kPa. Gaz roboczy może być czynnikiem wykorzystywanym wyłącznie do przekazywania energii cieplnej do wsadu (nagrzewanie pośrednie), może to być też substrat reakcji chemicznych realizowanych w plazmie (nagrzewanie bezpośrednie).

13.11.2.    Generacja strumienia plazmy niskotemperaturowej

Proces ten realizuje się najczęściej metodami elektrycznymi, a służą do tego plazmotrony. Zc względu na metodę podtrzymywania plazmy wyróżnia się plazmotrony lukowe, indukcyjne, pojemnościowe, mikrofalowe oraz indukcyjno-łukowe, a także paliwo-wo-elektrycznc (rys. 13.40). Najbardziej są rozpowszechnione plazmotrony łukowe, a wśród nich: z katodą prętową (zasilanie napięciem stałym), z elektrodami wnękowymi (zasilanie napięciem stałym lub przemiennym), z elektrodami pierścieniowymi (zasilanie napięciem przemiennym) oraz z elektrodami w wykonaniu specjalnym (zasilanie stało- lub przemiennonapięciowe, a także mieszane) [13.15].

Parametry plazmy łukowej: zakres temperatur roboczych 4000-t- 50 000 K, koncentracja mocy do 40 kW,/cm³, gęstość prądu w kolumnie łukowej do 10⁸ A/m², wydatek gazu 5 — 1500 m³/h. Sprawność plazmotronów łukowych 50 -r- 90%.

Plazmotrony z katodą prętową mają geometrię cylindryczną. Anoda jest wykonywana najczęściej z Cu lub ze stopu Cu—Ag w kształcie krótkiego bądź wydłużonego kanału o wylocie tworzącym dyszę. Koniec katody — wykonanej na ogół z wolframu lub wolframu torowanego —jest umieszczony w komorze wyładowczej. Gaz roboczy (Ar, lecz także He, H, N) jest wprowadzany do komory równolegle do osi plazmotronu (rys. 13.40a). bądź prostopadle (stycznie do powierzchni wewnętrznej), co powoduje odpowiednio osiowy bądź wirowy opływ kolumny łukowej. Przy pracy z gazami zawierającymi tlen, doprowadza się je do komory wyładowczej, zaś katoda jest omywana niezależnie gazem

Rys. 13.40. Plazmotrony; a) łukowy z katodą prętową (hik zewnętrzny); b) lukowy z katodą wnękową (łuk wewnętrzny); c) z elektrodami pierścieniowymi (łuk wewnętrzny); d) indukcyjny; e) pojemnościowy z elektrodami pierścieniowymi

1 — anoda, 2 katoda, 3 — komora, 4 — cewka, 5 łuk (strumień plazmy), 6 dysza. 7 elektrody pierścieniowe, 8 — głowica, 9 — rura kwarcowa, 10 — wzbudnik, 11 elektrody cylindryczne,

12 — generator wielkiej częstotliwości