ASFEU – Plazmotermické procesy

Dňa 9. februára 2011 spoločnosť Geothermal Anywhere (teraz už GA Drilling) ako prijímateľ začala implementovať projekt s názvom „Aplikovaný výskum technológie plazmotermických procesov“ a kódom ITMS 26240220070 spolu so svojimi partnermi Ústavom anorganickej chémie Slovenskej akadémie vied a Slovenskou technickou univerzitou v Bratislave.

Hlavným cieľom projektu je výskum elektroplazmatického systému dezintegrácie materiálov plazmotermickými procesmi, výskum a implementácia materiálov pre plazmochemické procesy plazmatrónu ako aj skúmanie procesov pôsobenia plazmy na horniny.

Projekt pozostáva z troch hlavných aktivít a z dvoch podporných aktivít počas doby 36 mesiacov.

Čiastkové výsledky projektu

Silové pôsobenie magnetických šošoviek na pohyb elektrického oblúka

Pre silové pôsobenie lorentzových síl na elektrický oblúk je vhodné riešiť dva príklady:

a) Oblúk sa nachádza blízko horného pólového nádstavca:

Ak uvažujeme, že elektrickým oblúkom preteká prúd I tak potom súčin Io=Idl, je vektorom prúdu,kde dl je jednotkový vektor určujúci smer pretekajúceho prúdu. Axiálna zložka poľa magnetickej indukcie spolu s radiálnym smerom prúdu vytvára tangencialnu silu ,ktorá spôsobuje rotáciu elektrického oblúku. Kedže sa elektrický oblúk pohybuje a má konečné geometricke rozmery pôsobí naňho arodynamický odpor čo má za následok zmenu jeho tvaru (zaoblenie). To to zaoblenie má za následok vznik vektoru tagngencialnej zložky prúdu (dIot). Táto zložka vektora prúdu spolu s radialnou zložkou vektora magnetickej indukcie má za následok vznik axialnej zložky vektora lorentzovej sily, ktorá pôsobí do protismeru jednotkového vektora z-ovej osi.

b) Nasledujúci okrajový prípad nastáva, ak sa elektrický oblúk nachádza v blízkosti dolného pólového nádstavca:

Tu je situácia obdobná ako v predchádzajúcom prípade, no smer radiálnej zložky poľa magnetickej indukcie je opačný čo má za následok zmenu axialneho silového pôsobenia lorentzovej sily smerom rovnobežným s jednotkovým vektorom z-ovej osi. Na základe hore uvedených dvoch okrajových prípadov je zrejmé, že elektrický oblúk rotuje vždy v oblasti kde je pôsobenie radialnej zložky poľa magnetickej indukcie minimálne tzn. v strede magnetickej šosovky. Ak takéto magnetické šošovky umiestnime nad seba, je možné vhodne tvarovať pole magnetickej indukcie reguláciou prúdu do cievok a tím aj regulovať polohu rotácie elektrického oblúku v z-ovej osi:

Jednosmerný oblúkový plazmatrón na priemyselné účely

V rámci projektu sa výskumní pracovníci zaoberali základným a prvotným procesom jednosmerného oblúkového plazmatrónu na priemyselné účely. Skúmali prieraz jednosmerným napätím medzi valcovou katódou a koaxiálnou anódou. Následne sa výskum sústredil na vytvorenie prierazu a generovanie elektrického oblúka medzi elektródami, pričom na mapovanie týchto procesov sa využívali prístroje zakúpené z projektu ako aj naše vlastné zariadenia. Výskumní pracovníci vykonávali experimenty s prietokom plynu v medzielektródovom priestore. Výsledkom experimentov je spoznanie závislostí akým spôsobom sa pracovný plyn prehrieva oblúkom a vzniká vysokoteplotná plazma, ktorá sa vysokou rýchlosťou vynáša z anódovej trysky do okolitého prostredia.

Výskum viacfázového výkonového elektrického zdroja

V projekte výskumu plazmotermických procesov sa úsilie výskumníkov zameriavalo na výskum viacfázového výkonového elektrického zdroja. V prvom kroku návrhu zdroja sa navrhla spínacia charakteristika, čím sa zabezpečí sínosoida charakteristická pre striedavý zdroj potrebná pre stabilný režim vysokoprúdovej plazmy. Cieľom projektového tímu následne bude optimalizácia pre napájanie jednotlivých častí plazmatrónurespektíve na previazanie elektrického oblúka medzi dvomi elektródami.

Elektromagnetický riadený pohyb elektrického oblúka

Výskumní pracovníci spoločnosti Geothermal Anywhere preskúmavali elektromagnetický riadený pohyb elektrického oblúka v oblúkovej komore. Navrhli typy magnetov a magnetizácie pre navodenie magnetodynamických síl ktoré budú pôsobiť proti Lorentzovým silám udržujúcich koreň oblúka rotujúci pozdĺž oblúkovej komory. Výskumní pracovníci overili, že smer magnetizácie pri výrobe týchto magnetov má kľúčový vplyv na udržanie vysokoprúdovej plazmy. Na overenie procesu pohybu oblúka ako aj procesu inicializácie a generácie plazmy bola využitá ICCD kamera.

Simulácie rýchlostných polí

Výskumní pracovníci sa zaoberali CFD simuláciou teplotného rozloženia a prúdenia v plazmatrone s cieľom maximalizovať plazmotermický proces s využitím vírivých účinkov plazmy. Plazmatrón generuje horúcu, čiastočne ionizovanú vodu pod tlakom niekoľko kPa pri vysokej výstupnej rýchlosti. Teplotné a rýchlostné profily plynu boli porovnané a verifikované vďaka experimentom pomocou projektovej infraštruktúry.