Sådan Ignite en Atmosfærisk tryk Mikroovn Plasma Torch uden yderligere Tændrørene
Summary
This movie shows how an atmospheric plasma torch can be ignited by microwaves with no additional igniters and provides a stable and continuous plasma operation suitable for plenty of applications.
Abstract
Denne film viser, hvordan et atmosfærisk tryk plasmabrænder kan antændes af mikrobølgeeffekt uden ekstra tændere. Efter antændelse af plasmaet, en stabil og kontinuerlig drift af plasmaet er muligt og plasmabrænderen kan anvendes til mange forskellige applikationer. På den ene side kan den varme (3.600 K gastemperatur) plasma anvendes til kemiske processer og på den anden side kold efterglød (temperaturer ned til næsten RT) kan anvendes for overfladevand processer. For eksempel kemiske synteser er interessante volumen processer. Her mikrobølgeovn plasmabrænderen kan anvendes til nedbrydning af røggasser, som er skadelige og bidrage til global opvarmning, men er nødvendige som ætsning gasser voksende industrisektorer som halvleder gren. En anden anvendelse er dissociation af CO 2. Overskud elektrisk energi fra vedvarende energikilder kan anvendes til at adskille CO2 til CO og O2. CO kan yderligere proforarbejdet til gasformige eller flydende højere kulbrinter og derved leverer kemisk lagring af energien, syntetiske brændstoffer eller kemikalier platform for den kemiske industri. Anvendelser af efterglød af plasmabrænderen er behandling af overflader for at forøge vedhæftningen af lak, lim eller maling, og sterilisering eller dekontaminering af forskellige slags overflader. Filmen vil forklare, hvordan at antænde plasma alene ved mikrobølgeeffekt uden yderligere sprængkapsler, f.eks elektriske gnister. Mikrobølgeovnen plasmabrænder er baseret på en kombination af to resonatorer – en koaksial en, der giver antændelse af plasmaet og en cylindrisk, som garanterer en kontinuerlig og stabil drift af plasma efter tændingen. Plasmaet kan betjenes i en lang mikrobølgetransparent rør til volumen processer eller formet af åbninger til overfladebehandling formål.
Introduction
Atmosfærisk tryk mikroovn plasmabrændere tilbyder en række forskellige anvendelser. På den ene side kan de bruges til kemiske volumen processer og på den anden side deres efterglød plasma kan anvendes til behandling af overflader. Som overfladebehandling behandling til at øge vedhæftning af lim, maling eller lak eller dekontaminering eller sterilisation af overflader kan navngives. Den varme og reaktiv plasma selv kan anvendes til volumen processer som nedbrydning af affaldsgasser 1-7. Disse spildgasser er skadelige, bidrage til den globale opvarmning, og kan næppe nedbrydes konventionelt. Men de er nødvendige i voksende industrisektorer såsom halvleder filial. Andre anvendelser er kemisk syntese som dissociation af CO 2 til CO og O 2 eller CH 4 til kulstof og brint 8,9. Overskud elektrisk energi fra vedvarende energikilder kan anvendes til at adskille CO <sub> 2 i CO og O2. CO kan forarbejdes yderligere til højere carbonhydrider, der kan anvendes som syntetiske brændstoffer til transport, da kemikalier til den kemiske industri eller som kemisk oplagring platform.
Der er nogle mikroovn plasmabrændere men de fleste af dem har ulemper: De har kun meget små mængder plasmaferese, brug for yderligere sprængkapsler, behøver køling af plasma reaktor eller kan kun betjenes i pulserende tilstand 10-18. Mikrobølge plasmabrænder præsenteres i denne film tilbyder en antændelse af plasmaet udelukkende den medfølgende mikrobølgeeffekt uden yderligere tændere samt en stabil og kontinuerlig drift uden køling af plasma reaktor til en bred vifte af driftsparametre og kan bruges for alle de ovennævnte applikationer. Mikrobølgeovnen plasmabrænder er baseret på en kombination af to resonatorer: en koaksial en og en cylindrisk. Den cylindriske resonator har en lav kvalitet og er DRIFTed i den kendte E 010 -mode med den højeste elektriske felt i midten. Den koaksiale resonator er placeret under den cylindriske resonator og består af en bevægelig metallisk dyse i kombination med en tangential gasforsyning. Den høje kvalitet af den koaksiale resonator udviser en meget snæver, men dyb resonans kurve. På grund af den høje kvalitet af den koaksiale resonator en høj elektrisk felt kan nås, som er nødvendig for tænding af plasmaet. Imidlertid er den høje kvalitet af den koaksiale resonator forbundet med en meget smal resonans kurve og derfor resonansfrekvensen har passer perfekt til frekvensen af den tilførte mikrobølgeovn. Da resonansfrekvensen skift efter antændelse af plasmaet på grund af permittivitet af plasmaet, kan mikrobølgeovnen ikke længere trænge ind i koaksiale resonator. For kontinuerlig drift af plasmaet er behov for cylindrisk resonator med en lav kvalitet og en bred resonans kurve.
En yderligere aksial gasforsyning via metalliske dyse af koaksial resonator er mulig. Plasmaet antændes og indesluttet i en mikrobølgeovn-gennemsigtigt rør, for eksempel et kvartsrør. Permittiviteten af kvartsrøret påvirker også resonansfrekvensen. Da kvarts har en permittivitet> 1, mængden af det cylindriske resonator er næsten forstørret hvilket fører til en lavere resonansfrekvens. Dette fænomen skal overvejes, når dimensionerne af de cylindriske resonator er udformet. En detaljeret diskussion om, hvordan resonansfrekvens er påvirket af det indsatte kvartsrøret kan findes i reference 23. Hvis der anvendes en lang og udvidet kvartsrør, kan det også fungere som reaktionskammeret for volumen processer. Men for overfladebehandlinger plasmaet kan også være udformet forskelligt af forskellige slags åbninger. Mikrobølgeovnen tilføres via en rektangulær bølgeleder fra magnetronen. For at undgå støjgener anvendelse af en lav ripple magnetron er anbefasluttede. Den magnetron som anvendes i filmen er en lav ripple én.
For antændelse af plasmaet den høje kvalitet koaksial resonator bruges, mens en stabil og kontinuerlig drift er leveret af den cylindriske resonator. For at opnå antændelse af plasmaet med den høje kvalitet koaksial resonator resonansfrekvens denne resonator har passer perfekt frekvensen af mikrobølgeovnen, som den anvendte magnetron. Eftersom alle magnetroner ikke afgiver deres mikrobølgefrekvens på nøjagtigt den nominelle frekvens, og da frekvensen er afhængig af udgangseffekten, magnetronen skal måles med en spektrumanalysator. Resonansfrekvensen af den koaksiale resonator kan justeres ved at bevæge det metalliske dysen op og ned. Kan måles Denne resonansfrekvens og dermed også tilpasset til at sende frekvens af det anvendte magnetron med et netværk analysatoren. For at nå det høje elektriske felt på spidsen af dysen, der kræves for tændingenaf plasma, er der behov for en tre stub tuner ud. Denne tre stub tuner er et almindeligt anvendt mikrobølge komponent. De tre stub tuner er monteret mellem mikrobølge plasmabrænderen og magnetronen. Efter resonansfrekvens koaksial resonator justeres, er den fremadgående effekt maksimeres, og den reflekterede effekt minimeres ved iterativt at justere stubs af de tre stub tuner.
Efter at have justeret resonansfrekvens koaksial resonator samt have maksimeret forward beføjelser ved hjælp af de tre stub tuner kan plasmaet af mikrobølge plasmabrænderen antændes, når mikrobølgeovnen plasmabrænderen er forbundet med en magnetron. Til antændelse af plasmaet en mikrobølgeeffekt på ca. 0,3 til 1 kW minimum er tilstrækkelig. Plasmaet antænder i koaksial resonator. Efter antændelse af plasmaet resonansfrekvens koaksialresonatoren forskydes på grund af den dielektriske permittivitet af plasmaet og mikrobølgeovnen kan ikkelængere trænge ind i koaksiale resonator. Således plasma skifter fra den koaksiale tilstand i dens meget mere udvidet cylindrisk tilstand brændende frit stående over metallisk dyse i centrum af den cylindriske resonator. Da kvaliteten af den cylindriske tilstand er meget lav, og derfor udviser en bred resonans kurve kan mikrobølgeovnen stadig trænge ind i den cylindriske resonator trods af forskydning af resonansfrekvensen på grund af den dielektriske permittivitet af plasmaet. Således er en kontinuerlig og stabil drift af plasmaet i den cylindriske tilstand fra mikrobølgeovnen plasmabrænderen. Men for at nå frem til en fuldstændig absorption af den medfølgende mikrobølgeeffekt, de stubbe i tre stub tuner skal justeres. Ellers tilføres mikrobølgeeffekt er ikke fuldstændig absorberet af plasma, men en vis procentdel af billede mikrobølge reflekteres og absorberes af vand belastning.
For at undersøge antændelse af plasmaet i koaksialmode og derefter sin overgang til den udvidede cylindriske tilstand er plasma tænding observeret af en høj hastighed kamera.
De præsenterede filmen vil vise, hvordan frekvensen afhængighed af magnetronen måles, er resonansfrekvens koaksial resonator justeret, hvordan fremdrift er maksimeret, og hvordan plasmaet antændes af den medfølgende mikrobølgeeffekt. Den høje hastighed kamera optagelse vises også.
Protocol
Representative Results
Discussion
De præsenterede filmen forklarer, hvordan en antændelse af et atmosfærisk tryk mikrobølgeovn plasma uden yderligere tændere kan realiseres, de grundlæggende principper i denne mikrobølgeovn plasmabrænder, dens indstilling, tændingen processen med plasma og dets stabile og vedvarende drift. Som beskrevet i indledningen, der allerede forskellige typer af mikrobølgeovne plasmabrændere, men ingen af dem giver en antændelse af plasmaet uden yderligere tændere samt stabil og vedvarende plasma drift.
<p …Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V., AiF (German Federation of Industrial Research Associations) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG (German Research Foundation) for partly funding the presented work under contract number 14248 and STR 662/4-1, respectively.
Materials
| 2 kW magnetron | Muegge | MH2000S 211BA | |
| 2 kW power supply | Muegge | ML2000D-111TC | |
| insulator – circulator with water load | Muegge | MW1003A-210EC | |
| water load | Muegge | MW1002E-260EC | |
| three stub tuner | Muegge | MW2009A-260ED | |
| orifices | homemade | ||
| microwave plasma torch | homemade | ||
| spectrum analyzer | Agilent | E4402B | |
| network analyzer | Anritsu | MS4662A | |
| calibration kit | Anritsu | model 3753 | |
| directional coupler | homemade | ||
| 20 dB attenuator | Weinschee engineering | 20 dB AA57u8 | |
| coaxial to rectangular wave guide transition | Muegge | MW5002A-260YD | |
| adaptor 7-16 to N connector | Telegärtner | 7-16/N Adaptor | |
| coaxial cable | Rosenberger Hochfrequenztechnik | LU7_070_800 | |
| high speed camera | Photron | fastcam SA5 | |
| lens | Revueflex | makro revuenon 1:3.5/28mm | |
| local gas ventilation | Industrievertrieb Henning | ACD220 | |
| UV protection glasses | uvex | HC-F9178265 | |
| microwave leakage tester | conrad electronic | not available | |
| microwave survey meter | Holaday industries inc. | 81273 |
References
- Hong, Y. C., et al. Microwave plasma torch abatement of NF3 and SF6. Phys. Plasma. 13, 033508 (2006).
- Kabouzi, Y., et al. Abatement of perfluorinated compounds using microwave plasmas at atmospheric pressure. J. Appl. Phys. 93 (12), 9483-9496 (2003).
- Kabouzi, Y., Moisan, M. Pulsed Microwave Discharges Sustained at Atmospheric Pressure: Study of Contraction and Filamentation Phenomena. IEEE Transaction on Plasma Science. 33, 292-293 (2005).
- Hong, Y. C., Uhm, H. S. Abatement of CF4 by atmospheric-pressure microwave torch. Phys. Plasma. 10 (8), 3410-3414 (2003).
- Leins, M., et al. Development and Characterisation of a Microwave-heated Atmospheric Plasma Torch. Plasma Process. Polym. 6, 227-232 (2009).
- Alberts, L., Kaiser, M., Leins, M., Reiser, M. über die Möglichkeit des Abbaus von C-haltigen Abgasen mit atmosphärischen Mikrowellen-Plasmen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , 217-221 (2008).
- Leins, M., et al. Entwicklung und Charakterisierung einer Mikrowellen-Plasmaquelle bei Atmosphärendruck für den Abbau von VOC-haltigen Abgasen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , (2008).
- Fridman, A. . Plasma Chemistry. , (2008).
- Azizov, R. I., et al. The nonequilibrium plasma chemical process of decomposition of CO2 in a supersonic SHF discharge. Sov. Phys. Dokl. 28, 567-569 (1983).
- Moisan, M., Zakrzewski, Z., Pantel, R., Leprince, P. A. Waveguide-Based Launcher to Sustain Long Plasma Columns Through the Propagation of an Electromagnetic Surface Wave. IEEE Transaction on Plasma Science. 3, 203-214 (1984).
- Moisan, M., Pelletier, J. . Microwave Excited Plasmas. , (1992).
- Moisan, M., Sauvé, G., Zakrzewski, Z., Hubert, J. An atmospheric pressure waveguide fed microwave plasma torch: the TIA design. Plasma. Sources Sci. Technol. 3, 584-592 (1994).
- Jin, Q., Zhu, C., Borer, M. W., Hieftje, G. M. A microwave plasma torch assembly for atomic emission spectrometry. Spectorchim. Acta Part B. 46, 417-430 (1991).
- Baeva, M., Pott, A., Uhlenbusch, J. Modelling of NOx removal by a pulsed microwave discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 135-141 (2002).
- Korzec, D., Werner, F., Winter, R., Engemann, J. Scaling of microwave slot antenna (SLAN): a concept for efficient plasma generation. Plasma Sources Sci. Technol. 5, 216-234 (1996).
- Tendero, C., Tixier, C., Tristant, P., Desmaison, J., Leprince, P. h. Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectorchimica Acta Part B. 61, 2-30 (2006).
- Ehlbeck, J., Ohl, A., Maaß, M., Krohmann, U., Neumann, T. Moving atmospheric microwave plasma for surface and volume treatment. Surface and Coatings Technology. 174-175, 493-497 (2003).
- Pipa, A. V., Andrasch, M., Rackow, K., Ehlbeck, J., Weltmann, K. -. D. Observation of microwave volume plasma ignition in ambient air. Plasma Sources Sci. Technol. 21 (3), 035009 (2012).
- Baeva, M., et al. Puls microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 1-9 (2002).
- Pott, J. . Experimentelle und theoretische Untersuchung gepulster Mikrowellenplasmen zur Abgasreinigung in Gemischen aus Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid. , (2002).
- Rackow, K., et al. Microwave-based characterization of an athmospheric pressure microwave-driven plasma source for surface treatment. Plasma Sources Sci. Technol. 20, 1-9 (2011).
- Nowakowska, H., Jasinski, M., Mizeraczyk, J. Electromagnetic field distributions waveguide-based axial-type microwave plasma source. Eur. Phys. J. D. , 1-8 (2009).
- Leins, M., Walker, M., Schulz, A., Schumacher, U., Stroth, U. Spectroscopic Investigation of a Microwave-Generated Atmospheric Pressure Plasma Torch. Contrib. Plasma Phys. 52 (7), 615-628 (1002).
- Leins, M. . Development and Spectroscopic Investigation of a Microwave Plasma Source for the Decomposition of Waste Gases. , (2010).
- Langbein, C. . Entwicklung und Optimierung eines mikrowellenbasierten Atmosphärendruck-Mikroplasmas für lokale Oberflächenbehandlungen. , (2008).
- Kamm, C. . Spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Mikroplasma-Brenners. , (2011).
- Weinrauch, I. . Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. , (2012).
