Erdal BOZKURT, T. Yaşar KATIRCIOĞLU, A. Tuğhan BALKAN

11928

İndüksiyon Eşlenikli Argon Plazmasında Akış Debisi ve Bobin Lokasyonunun Sistem Çalışma Parametrelerine Etkisi İle İlgili Simülasyonlar

Plazmatronların üretebildikleri yüksek sıcaklıktaki plazma sayesinde kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Yüksek sıcaklıktaki ve hızdaki plazma akışları kömür ve biyokütle atıklarının yakılması, gazlaştırılması, hava araçlarının atmosfere yeniden giriş koşullarının simüle edilmesi, ısı koruma malzemeleri üretimi, plazma metalürjisi, aşınma-kaplama uygulamaları ve bilimsel araştırmalar gibi pek çok yüksek sıcaklık teknolojisinde kullanılmaktadır. Teknik gereksinimleri karşılayacak plazmanın tanımlanabilmesi ve tanımlanan plazma isterlerinin, üretimden önce simülasyonları yapılarak incelenmesi, zaman, maliyet ve teknik risklerin asgariye indirilmesi açısından çok önemlidir. Bu çalışmada düşük basınçta indüksiyon eşlenikli Argon plazması (Inductive Coupled Plasma-ICP) ile ilgili simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyonda kullanılan RF frekansı 13.56 MHz, vakum değeri 1 Torr seçilmiştir. Bu vakum değeri atmosferik yeniden giriş deneysel uygulamalarına uygun olarak seçilmiştir. Çalışmada; gaz akışı simülasyonu, ısı transfer simülasyonu ve plazma simülasyonu eşlenikli olarak gerçekleştirilmiştir. Gaz akış miktarı (Q), düşük ve yüksek debi etkilerinin net gözlenebilmesi için iki farklı değer olarak, Q1=3 mg/s ve Q2= 90mg/s seçilmiştir. Simülasyonlarda toplamda 7 farklı kimyasal reaksiyon hesaba katılmıştır. Sistemde oluşan manyetik alan ve bunlara karşılık gelen elektrik alan çizgileri, manyetik alan büyüklüğü dağılımı, sıcaklık dağılımı, konvektif ısı akış dağılımı, gaz akış hız dağılımı, gaz basıncı değişimi değerleri ve elektron yoğunluğu dağılımı, iki farklı gaz debisi için simülasyonlarda hesaplanmış ve bu iki durum için söz bu değerler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Son olarak sistemi dalgalı-AC akım ile enerjilendiren indüksiyon bobinlerinin yeri simetri ekseni-z boyunca yukarıya, gaz çıkışına doğru kaydırılmış, bobinlerin yeri sistem geometrisine göre ortada ve sonda iken simülasyonlar yapılmıştır. Bu hesaplarda her iki durum için bobin elektriksel gücü ve akış kütle debisi sabit tutulmuştur. Ardından bobinlerin lokasyonundaki değişimin elektron yoğunluğu ve plazma gaz sıcaklığına olan etkisi 1-boyutlu ve 2-boyutlu dağılımlarla incelenmiştir.

Argon ICP Plasma Simulations Related to the Effect of the Gas Flow Rate and the Location of the Coils to the System Working Parameters

The usage areas of the plasmatron has been increasing due to the very high level of temperature which they can reach. They are used widely in the plasma-wind tunnels to create the atmospheric test conditions of high velocity aircrafts and spacecrafts while entering atmosphere. Additionally, most efficient coal and bio-mass burning also, syngas production from burning of the coal and biomass can be achieved with the high temperature plasmatrons. They are also used in the tests of high temperature resistance materials, plasma metallurgy and related scientific researches. The usage of simulation is very important to determination and verification for technical requirements of a plasma and plasmatron system before it's production, the time, cost and technical risks can be minimized before investing money to the production and development by simulating the related plasma system. In this work, a system that is consisted of inductive coupled plasma (ICP) is investigated by making related computer simulations. Investigated simulations are gas flow simulation, heat transfer simulation and plasma simulation and, these simulations are performed as coupled. In these simulations, the RF frequency is chosen as 13.56 MHz and vacuum pressure is chosen as 1 Torr. This vacuum level is selected appropriately for atmospheric re-entry experimental conditions. The mass flow rate is adjusted as a low and a high level, Q1=3 mg/s and Q2= 90 mg/s respectively. With these setting the changes of flow, heat and plasma parameters are investigated. Totally, 7 different chemical reaction is added to the realized simulations. The magnetic field distribution, the electric field induced from this magnetic field, the magnetic field magnitude, flow temperature distribution, convective heat transfer distribution, plasma gas velocity field, plasma gas pressure distribution and plasma electron density distribution is calculated in these simulations and, these results are compared for the different gas mass flow rate. Finally, the location of the coils which gives the RF electrical energy to the ICP plasma are slid to where the plasma gas is leaving from the geometry which respect to symmetry axis-z. The simulations are performed when the coils are in the middle and in the gas exit of the geometry. In these two different configurations, the power which this system is taken and mass flow rates are kept the same. These values are 3500 Watt and 90 mg/s respectively. Afterward with the change of the coils location, the plasma electron temperature and plasma gas temperature are investigated for 1-D and 2-D distribution and they are compared for discussion.
PDF

___

  • [1] T. I. To, K. I. Shida, M. M. Izuno, T. S. Umi, and F. Science, "Construction of a 110kW ICP ( Inductively Coupled Plasma ) -heated Wind Tunnel," Aerospace, vol. 3, pp. 34-35.
  • [2] O. Access et al., "Thermodynamic Characterization of High-Speed and HighEnthalpy Plasma Flows," pp. 155-172, 2014.
  • [3] M. Matsui, M. Auweter-Kurtz, G. Herdrich, and K. Komurasaki, "Enthalpy Measurement in Inductively Heated Plasma Generator Flow by Laser Absorption Spectroscopy," AIAA J., vol. 43, no. 9, pp. 2060-2064, 2005.
  • [4] S. B. Punjabi, N. K. Joshi, H. A. Mangalvedekar, B. K. Lande, A. K. Das, and D. C. Kothari, "A comprehensive study of different gases in inductively coupled plasma torch operating at one atmosphere," Phys. Plasmas, vol. 19, no. 1, 2012.
  • [5] B. Bottin, O. Chazot, M. Carbonaro, V. van der Haegen, and S. Paris, "The VKI Plasmatron Characteristics and Performance," RTO AVT Course Meas. Tech. High Enthalpy Plasma Flows, RhodeSaint-Genèse (Belgium), RTO EN-8, pp. 6- 26, 1999.
  • [6] T. Okumura, "Inductively coupled plasma sources and applications," Phys. Res. Int., vol. 2010, no. 1, 2010.
  • [7] A. A. Warra and W. L. O. Jimoh, "Overview of an inductively coupled plasma (icp) system," Ijcr, vol. 3, no. 2, pp. 41-48, 2011.
  • [8] R. Thomas, Practical Guide to ICP-MS, vol. 53. 2004.
  • [9] F. F. Chen, "Radiofrequency Plasma Sources for Semiconductor Processing," Adv. Plasma Technol., pp. 99-115, 2008.
  • [10] R. Thomas, "A beginner's guide to ICP-MS - Part III: The plasma source," Spectroscopy, vol. 16, no. 6, p. 26-+, 2001.
  • [11] H.-S. Jun and H.-Y. Chang, "Development of 40 MHz inductively coupled plasma source and frequency effects on plasma parameters," Appl. Phys. Lett., vol. 92, no. 2008, p. 41501, 2008.
  • [12] A. Gutsol, J. Larjo, and R. Hernberg, "Comparative Calorimetric Study of ICP Generator with Forward-Vortex and Reverse-Vortex Stabilization," Plasma Chem. Plasma Process., vol. 22, no. 3, pp 351-369, 2002.
  • [13] "index @ www.vki.ac.be." .
  • [14] I. Transactions, O. N. Components, and M. Technology, "A Numerical Model for Thermal Processes," vol. 16, no. 4, 1993.
  • [15] A. Marotta, L. I. Sharakhovsky, and A. M. Essiptchouk, "Erosion of the cold electrode as an ablation process in unsteady arc spots," Heat and Mass Transfer under Plasma Conditions, vol. 891. pp. 36-42, 1999.
  • [16] M. Iwata and M. Shibuya, "Effects of arc current and electrode size on electrode erosion in ac plasma torches," Electr. Eng. Japan, vol. 124, no. 4, pp. 10-17, 2007.
  • [17] S. Xu, K. N. Ostrikov, Y. Li, E. L. Tsakadze, and I. R. Jones, "Low-frequency, highdensity, inductively coupled plasma sources: Operation and applications," Phys. Plasmas, vol. 8, no. 5 II, pp. 2549-2557, 2001.
  • [18] P. D. Blair, "The application of inductively coupled plasma mass spectrometry in the nuclear industry," TrAC Trends Anal. Chem., vol. 5, no. 8, pp. 220-223, 1986.
  • [19] S. J. Hill, "Inductively Coupled Plasma Spectrometry and its Applications, 2nd ed.," pp. 39-40, 2007.
  • [20] C. Kalra, I. Matveev, and A. Gutsol, "Transient Gliding Arc for Fuel Ignition and Combustion Control," Electron. Proc. 2004 Tech. Meet. Cent. States Sect. Combust. Inst., 2004.
  • [21] D. Vanden-Abeele and G. Degrez, "Similarity analysis for the high-pressure inductively coupled plasma source," Plasma Sources Sci. Technol., vol. 13, no. 4, pp. 680-690, 2004.
  • [22] A. Askarova et al., "3-D Modeling of Heat and Mass Transfer during Combustion of Solid Fuel in Bkz-420-140-7C Combustion Chamber of Kazkhstan," vol. 9, no. 2, pp. 699-709, 2016.
  • [23] M. A. GOROKHOVSKI, Z. JANKOSKI, F. C. LOCKWOOD, E. I. KARPENKO, V. E. MESSERLE, and A. B. USTIMENKO, "Enhancement of Pulverized Coal Combustion By Plasma Technology," Combust. Sci. Technol., vol. 179, no. 10, pp. 2065-2090, 2007.
  • [24] V. E. Messerle, E. I. Karpenko, A. B. Ustimenko, and O. A. Lavrichshev, "Plasma preparation of coal to combustion in power boilers," Fuel Process. Technol., vol. 107, pp. 93-98, 2013.
  • [25] V. E. Messerle, A. B. Ustimenko, and O. A. Lavrichshev, "Plasma Gasification of Solid Fuels," pp. 38-43.
  • [26] V. S. Sikarwar et al., "An overview of advances in biomass gasification," Energy Environ. Sci., vol. 9, no. 10, pp. 2939-2977, 2016.
  • [27] M. Rajasekhar, N. V. Rao, G. C. Rao, G. Priyadarshini, and N. J. Kumar, "Energy Generation from Municipal Solid Waste by Innovative Technologies - Plasma Gasification," Procedia Mater. Sci., vol. 10, no. Cnt 2014, pp. 513-518, 2015.
  • [28] P. P. Bumbarger, "ANALYSIS OF A MINIATURE RADIO FREQUENCY ION THRUSTER WITH AN INDUCTIVELY COUPLED by," no. December, 2013.
  • [29] M. W. Blades and B. L. Caughlin, "Excitation temperature and electron density in the inductively coupled plasma-aqueous vs organic solvent introduction," Spectrochim. Acta Part B At. Spectrosc., vol. 40, no. 4, pp. 579-591, 1985.
  • [30] M. A. Sobolewski and J. H. Kim, "The effects of radio-frequency bias on electron density in an inductively coupled plasma reactor," J. Appl. Phys., vol. 102, no. 11, 2007.
  • [31] Y. Sakamoto, S. Maeno, N. Tsubouchi, T. Kasuya, and M. Wada, "Comparison of Plasma Parameters in CCP and ICP Processes Appropriate for Carbon Nanotube Growth," J. Plasma Fusion Res., vol. 8, pp. 587-590, 2009.
  • [32] I. Rafatov, E. A. Bogdanov, and A. A. Kudryavtsev, "On the accuracy and reliability of different fluid models of the direct current glow discharge," Phys. Plasmas, vol. 19, no. 3, 2012.
ACADEMIC PLATFORM-JOURNAL OF ENGINEERING AND SCIENCE-Cover
  • ISSN: 2147-4575
  • Yayın Aralığı: Yılda 3 Sayı
  • Başlangıç: 2013
  • Yayıncı: Akademik Perspektif Derneği
Arşiv
Sayıdaki Diğer Makaleler

Trafik Yoğunluk Harita Görüntülerinin Görüntü İşleme Yöntemleriyle İşlenmesi

G. Çiğdem ÇAVDAROĞLU

İndüksiyon Eşlenikli Argon Plazmasında Akış Debisi ve Bobin Lokasyonunun Sistem Çalışma Parametrelerine Etkisi İle İlgili Simülasyonlar

Erdal BOZKURT, T. Yaşar KATIRCIOĞLU, A. Tuğhan BALKAN

Amberlit XAD-4 Polimerinin Biyosorbent Katkı Malzemesi Badem Kabuğu Kullanılarak Sulu Çözeltiden Cd Giderilmesi

İBRAHİM TEĞİN, Selma AKDENİZ

Soya Bitkisindeki Glutatyon Redüktaz Aktivitesi ve mRNA Seviyesinin Kuraklık Stresinde Salisilik Asit ile Değişimleri

ESEN TAŞĞIN, Hayrunnisa NADAROĞLU, AHMET ADIGÜZEL, M. Özkan BALTACI, Zeynep SÖNMEZ

Kesikli (Kısmi) Aerobik, Hibrit ve Anaerobik Arıtma Yöntemlerinin Atık Yönetiminde Kullanılması

Pınar TOPTAS, ALİYE SUNA ERSES YAY

Yüksek Dayanımlı Betonla Üretilmiş Kirişlerde Plastik Mafsal Boyunun Belirlenmesi

YUSUF SÜMER