مشخصه یابی الکتریکی و ترمودینامیکی مشعل پلاسما غیر انتقالی و جریان مستقیم با گاز کاری هوا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده لیزر و پلاسما، دانشگاه شهید بهشتی تهران

2 گروه مهندسی پلاسما، پژوهشکده لیزر و پلاسما دانشگاه شهید بهشتی

3 فیزیک پلاسما کاربردی و مواد پیشرفته، پژوهشکده لیزر و پلاسما، دانشگاه شهید بهشتی تهران

چکیده

امروزه استفاده صنعتی و تحقیقاتی از تکنولوژی پلاسما حرارتی در فرایند پردازش مواد و امحا زباله‌های خطرناک بسیار کاربردی هستند. این تحقیق، طراحی و ساخت مشعل برای گازی‌سازی مواد کربن پایه مایع است، به نحوی خاص که این مواد باید با زاویه‌ای مشخص به داخل شعله مشعل پلاسما اسپری شود. در این تحقیق فقط به بررسی مشخصات ترمودینامیکی و الکتریکی مشعل پلاسما پرداخته‌ایم که یکی از قسمت‌های دستگاه امحا پسماندهای مایع است. مشعل پلاسما در دو حالت مورد آزمایش قرار گرفته است و در نهایت مشخصه‌های الکتریکی و ترمودینامیکی مشعل پلاسما اندازه‌گیری و تحت مقایسه قرار گرفت. طبق نتایج بدست آمده از آزمایش‌ها، مشعل پلاسما ساخته شده دارای ولتاژ الکتریکی بیشینه 210 ولت و همچنین راندمان حرارتی 86/2 درصد است. مقدار بیشینه آنتالپی پلاسما 21/5 مگاژول بر کیلوگرم و همچنین  بیشینه دمای بالک جت پلاسما در خروجی نازل 3400 کلوین است. با توجه به نتایج بدست آمده مشعل پلاسما طراحی شده در دما بالای 3000 درجه سیلسیوس در فاصله 20 میلی متری از خروجی نازل دارای آنتالپی21/5 مگاژول بر کیلوگرم و راندمان حرارتی مناسب 83 الی 86 درصد بوده است، که می‌تواند ترکیبات عالی و کربن پایه را به صورت کامل تحت فرایند گازی‌سازی قرار دهند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Electrical and Thermodynamic Characteristics of Non-transfer Arc and Electric Direct Current Plasma Torch with Air Working Gas

نویسندگان [English]

  • Parham Firoozi 1
  • Mohammad Reza Khani 2
  • Babak Shokri 3
1 Shahid Beheshti University/ Laser and Plasma Research Institute
2 Laser and Plasma Research Institute, Shahid Beheshti University
3 Applied plasma physics and advanced materials, Shahid Beheshti University, Laser and Plasma Research Institute
چکیده [English]

Industrial and research use of thermal plasma technology for a wide range of applications such as material processing, gasification, and disposing of hazardous waste. In this research, we have designed and manufactured a plasma torch for the gasification of liquid carbon-based materials. In particular, these materials must be sprayed at a certain angle into the plasma. The plasma torch is one of the components of a liquid waste gasification device, in this research, we have only studied the thermodynamic and electrical characteristics of the plasma torch. The plasma torch has been tested in two cases Finally, the electrical and thermodynamic characteristics of the plasma torch were measured and compared to each other. According to the results, the plasma torch has a maximum electrical voltage of 210 V and thermal efficiency of 86.2%. The maximum plasma enthalpy value is 21.5 MJ/kg and the maximum plasma jet temperature at the nozzle outlet is 3400 K. Plasma torch at a distance of 20 mm from the nozzle outlet has a temperature above 3000 degrees Celsius, which can be completely gasified the organic compounds and carbonaceous materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thermal plasma torch
  • Air Plasma
  • Electric direct current
  • Non-transfer electric Arc
  • Electrical and thermodynamic characteristics

مراجع

[1] J. Mostaghimi, M.I. Boulos, Thermal Plasma Sources: How Well are They Adopted to Process Needs?, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 35(3) (2015) 421-436.
[2] A. Vardelle, C. Moreau, N. Themelis, C. Chazelas, A Perspective on Plasma Spray Technology, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 35 (2014).
[3] M. Shigeta, A.B. Murphy, Thermal plasmas for nanofabrication, Journal of Physics D: Applied Physics, 44(17) (2011) 174025.
[4] K.S. Kim, T.H. Kim, Nanofabrication by thermal plasma jets: From nanoparticles to low-dimensional nanomaterials, Journal of Applied Physics, 125(7) (2019) 070901.
[5] A.S. Baskoro, S. Supriadi, Dharmanto, Review on Plasma Atomizer Technology for Metal Powder, MATEC Web Conf., 269 (2019) 05004.
[6] A.B. Murphy, A Perspective on Arc Welding Research: The Importance of the Arc, Unresolved Questions and Future Directions, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 35(3) (2015) 471-489.
[7] F. Fabry, C. Rehmet, V. Rohani, L. Fulcheri, Waste Gasification by Thermal Plasma: A Review, Waste and Biomass Valorization, 4(3) (2013) 421-439.
[8] N. Venkatramani, Industrial plasma torches and applications, Current Science, 83(3) (2002) 254-262.
[9] C. Tendero, C. Tixier, P. Tristant, J. Desmaison, P. Leprince, Atmospheric pressure plasmas: A review, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 61(1) (2006) 2-30.
[10] M.I. Boulos, P.L. Fauchais, E. Pfender, The Plasma State, in:  Handbook of Thermal Plasmas, Springer International Publishing, Cham, 2016, pp. 1-53.
[11] M.I. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender, High-Power Plasma Torches and Transferred Arcs, in: M.I. Boulos, P.L. Fauchais, E. Pfender (Eds.) Handbook of Thermal Plasmas, Springer International Publishing, Cham, 2016, pp. 1-55.
[12] M.I. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender, DC Plasma Torch Design and Performance, in: M.I. Boulos, P.L. Fauchais, E. Pfender (Eds.) Handbook of Thermal Plasmas, Springer International Publishing, Cham, 2017, pp. 1-63.
[13] M.F. Zhukov, I.M. Zasypkin, Thermal Plasma Torches: Design, Characteristics, Application, Cambridge International Science Publishing, 2007.
[14] N.V. Obraztsov, A.A. Safronov, D.I. Subbotin, D. Ivanov, J.D. Dudnik, The usage of low-voltage AC plasma torch for polystyrene gasification, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 643 (2019) 012076.
[15] S.-W. Kim, H.-S. Park, H.-J. Kim, 100kW steam plasma process for treatment of PCBs (polychlorinated biphenyls) waste, Vacuum, 70(1) (2003) 59-66.
[16] H. Nishikawa, M. Ibe, M. Tanaka, T. Takemoto, M. Ushio, Effect of DC steam plasma on gasifying carbonized waste, Vacuum, 80(11) (2006) 1311-1315.
[17] G. Ni, P. Zhao, C. Cheng, Y. Song, H. Toyoda, Y. Meng, Characterization of a steam plasma jet at atmospheric pressure, Plasma Sources Science and Technology, 21 (2012) 015009.
[18] A. Anshakov, A. Aliferov, P. Domarov, Investigation of the characteristics of an electric arc plasma torch with an output step electrode, Journal of Physics: Conference Series, 1661 (2020) 012133.
[19] S.W. Chau, S.Y. Lu, P.J. Wang, Study on arc and flow characteristics of a non-transferred DC steam torch, Journal of the Chinese Institute of Engineers, 44(7) (2021) 646-658.
[20] X. Cao, D. Yu, M. Xiao, J. Miao, Y. Xiang, J. Yao, Design and Characteristics of a Laminar Plasma Torch for Materials Processing, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 36 (2016) 1-18.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 5
مرداد 1401
صفحه 1149-1166

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار