Absorpční vlastnosti plazmatu směsí SF 6 a PTFE

HTML
DOWNLOAD

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Absorpční vlastnosti plazmatu směsí SF 6 a PTFE"

Vilém Mašek
před 9 lety
Počet zobrazení:

1 Absorpční vlastnosti plazmatu směsí SF 6 a PTFE N. Bogatyreva, M. Bartlová, V. Aubrecht Faulta eletrotechniy a omuniačních technologií, Vysoé učení technicé v Brně, Technicá 10, Brno Abstrat Článe je věnován výpočtu středních absorpčních oeficientů různých směsí termálního plazmatu SF 6 a PTFE ((-C 2 F4-) n polytetrafluoroetylen) v teplotním intervalu ( ) K a pro různé tlay v rozmezí 0,5 5 MPa. Při výpočtu absorpčního spetra bylo uvažováno spojité i disrétní spetrum produtů disociace a ionizace SF 6 a PTFE atomů a vícenásobných iontů S, F a C a dvouatomových moleul CF, SF, C 2, F 2 a S 2. Vzhledem vysoým teplotám byl zanedbán vliv víceatomových moleul. Střední hodnoty absorpčních oeficientů byly určeny pro různá dělení uvažovaného frevenčního intervalu ( ) s -1. Úvod SF 6 je jedním z nejlepších zhášecích medií ve výonových vypínačích typu self-blast. Záladním mechanismem pro všechny druhy výonových vypínačů je zhášení eletricého oblouu v přirozené nule proudu prostřednictvím onvece plynu. Spínací oblou hoří uvnitř úzé trysy ze synteticého materiálu, PTFE. V důsledu vysoé emise záření z oblouu dochází disociaci a ionizaci plynného média a ablaci materiálu trysy, což způsobuje přetla uvnitř trysy a proud plynu do vypínače. Plazma je směsí produtů rozladu SF 6 a PTFE. Vzhledem vysoé teplotě plazmatu v eletricém oblouu je přenos záření dominantním mechanismem výměny energie během vysooproudové periody vypínacího procesu. Experimentální sledování přenosu záření je spojeno se značnými obtížemi způsobenými extremálními experimentálními podmínami (vysoá teplota, tla a rychlost proudění plynu). Navíc, diagnosticé metody dávají informace pouze o globálním stavu vyzářené energie, nedoážou vša zmapovat detailní rozložení pole záření uvnitř oblouu. Proto se při návrzích a onstruci nových typů spínacích přístrojů hojně využívá matematicé modelování [1]. Každé vantitativní studium radiačního přenosu energie vyžaduje znalost frevenčně závislých absorpčních vlastností oblouového plazmatu. Teoreticé výpočty pole záření jsou založeny na znalosti složení plazmatu a následně absorpčních oeficientů všech láte ve směsi. Vzhledem velmi ompliované závislosti absorpčních oeficientů na frevenci (zejména pro disrétní spetrum), využívají matematicé modely oblouu často různých aproximací uvažují jen spojité záření nebo počítají se středními hodnotami absorpčních oeficientů. Způsob výpočtu středních hodnot závisí na vlastnostech uvažovaného plazmatu. Obecně jsou užívány především Plancova a Rosselandova střední hodnota, teré byly odvozeny pro dva limitní případy - plazma opticy tené a plazma opticy husté.

termálního plazmatu SF 6 a PTFE ((-C 2 F4-) n polytetrafluoroetylen) v teplotním intervalu (1000 30 000) K a pro různé tlay v rozmezí 0,5 5 MPa.

2 V našem příspěvu byly počítány obě tyto střední hodnoty pro různé způsoby rozdělení frevenčního intervalu na jednotlivé oblasti středování, neboť vhodné rozdělení frevenčního intervalu rovněž výraznou měrou ovlivňuje výsledy výpočtů. Absorpční spetrum směsí SF 6 a PTFE Nejprve bylo potřeba určit oncentrace jednotlivých produtů disociace a ionizace SF 6 a PTFE v plazmatu. Při výpočtu složení se vychází z předpoladu existence loální termodynamicé rovnováhy, předpoládali jsme přítomnost moleul SF, S 2, F 2, C 2, CF, atomů S, F a C, iontů S +, S 2+, S 3+, F +, F 2+, F 3+, C +, C 2+, C 3+, a volných eletronů. Rovnovážné složení bylo počítáno programem Tmdgas [2]. Vstupními daty pro výpočet jsou specificá entalpie a standardní termodynamicé funce všech uvažovaných slože. Při výpočtu absorpčních oeficientů bylo uvažováno spojité i disrétní záření. Ke spojitému spetru přispívá především fotoreombinační a brzdné záření atomů a iontů a pásové spetrum moleul. Pro výpočet absorpčních oeficientů brzdného záření a fotoreombinace iontů byla použita Coulombova aproximace pro vodíu-podobné atomy [3], fotoreombinace neutrálních atomů byla řešena pomocí metody vantového defetu [4]. Výpočet pásového spetra dvouatomových moleul byl proveden s užitím aproximačních vztahů [5] vycházejících z Francova - Condonova principu. U disrétního spetra bylo uvažováno Starovo a Dopplerovo rozšíření a posuv a rezonanční rozšíření jednotlivých spetrálních čar. Byl uvažován Voigtův profil spetrálních čar, jemná strutura multipletů i přeryv čar. Při výpočtech byly používány semi-empiricé vztahy uvedené v [6]. Uázy absorpčních speter (závislost absorpčních oeficientů na frevenci záření) jsou uvedeny na Obrázu 1 pro směs 80% SF 6 a 20% PTFE při tlau 2 MPa pro dvě různé teploty plazmatu T = 5000 K a T = K. Obr. 1. Frevenční závislost oeficientů absorpce plazmatu 80% SF 6 a 20% PTFE pro dvě různé teploty při tlau p = 2 MPa.

Při výpočtu složení se vychází z předpoladu existence loální termodynamicé rovnováhy, předpoládali jsme přítomnost moleul SF, S 2, F 2, C 2, CF, atomů S, F a C, iontů S +, S 2+, S 3+, F +, F 2+, F

3 Střední hodnoty absorpčních oeficientů Při výpočtu středních hodnot absorpčních oeficientů se uvažovaný frevenční interval rozdělí na něoli podintervalů, v nichž se předpoládá onstantní hodnota (středního) absorpčního oeficientu κ r r ( r,, T ) κ ( r, T ), 1, = 1 G = +,..., Čím větší je počet podintervalů, tím lépe aproximují střední absorpční oeficienty reálné spetrum. Velý počet zvolených podintervalů vša ompliuje další výpočty radiačních charateristi v matematicých modelech a ztrácí se ta výhodnost (zjednodušení výpočtu) při užití středních absorpčních oeficientů. Je proto nutno v aždém jednotlivém případě (různé typy plazmatu) pečlivě prostudovat reálné spetrum a správně zvolit optimální počet podintervalů ta, aby si výpočty radiačních charateristi zachovaly dostačující přesnost při poměrně značném zrácení výpočetního času. Při volbě podintervalů se zohledňuje především průběh spojitého záření, teré nejvýrazněji přispívá výrazným změnám veliosti absorpčních oeficientů v příslušných podintervalech (fotoionizační hrany). Obvylý počet podintervalů se pohybuje mezi Jedna z možných voleb rozdělení frevenčního intervalu je uvedena v Tabulce 1. interval (1) (10 15 s -1 ) Pro jednotlivé frevenční podintervaly byly spočítány dvě různé hodnoty středních absorpčních oeficientů. Plancova střední hodnota Plancova střední hodnota byla odvozena za předpoladu opticy teného plazmatu (téměř všechno záření odchází z plazmatu) [7] κ B(, T ) d κ P = (2) v B(, T) d de B (, T) je Plancova funce pro rovnovážné záření absolutně černého tělesa 3 2h B(, T ) = (3) 2 h c exp 1 T

Velý počet zvolených podintervalů vša ompliuje další výpočty radiačních charateristi v matematicých modelech a ztrácí se ta výhodnost (zjednodušení výpočtu) při užití středních absorpčních oeficientů.

4 Zde h označuje Plancovu onstantu, je Boltzmannova onstanta, T je teplota. Rosselandova střední hodnota Rosselandova střední hodnota vhodně aproximuje průběh spetra v druhém limitním případě, tj. za předpoladu opticy hustého plazmatu (téměř vešeré záření je pohlceno plazmatem oblouu) [7] κ 1 R = κ 1 db(, T ) d dt db(, T ) d dt (4) Srovnání průběhu teplotní závislosti Plancovy a Rosselandovy střední hodnoty absorpčních oeficientů pro frevenční podinterval (1,71 2,098) s -1 pro směs 80% SF 6 a 20% PTFE je uázáno na Obrázu 2. Obr. 2. Plancova a Rosselandova střední hodnota absorpčních oeficientů plazmatu 80% SF 6 a 20% PTFE jao funce teploty pro frevenční interval (1,71 2,098) s -1. Závěr Byly provedeny výpočty absorpčních oeficientů termálního plazmatu různých směsí SF 6 a PTFE při různých tlacích pro teploty 1000 K K ve frevenčním intervalu ( ) s -1. Plancova a Rosselandova střední hodnota absorpčních oeficientů byla spočítána pro různá dělení frevenčního intervalu. Tyto střední hodnoty se mohou lišit až o něoli řádů v závislosti na průběhu spetra. Rosselandova střední hodnota v podstatě zanedbává vliv absorpčních píů disrétního záření, Plancova střední hodnota naopa přeceňuje jejich vliv na celovou hodnotu absorpce. Použití Plancových nebo Rosselandových středních

střední hodnoty absorpčních oeficientů pro frevenční podinterval (1,71 2,

5 absorpčních oeficientů při dalších výpočtech dává uspoojivé výsledy pouze tehdy, poud plazma splňuje limitní předpolady, na jejichž záladě byly odvozeny vztahy (2) a (4) pro výpočet středních hodnot. To obvyle není splněno pro celý frevenční interval. Jednou z možností, ja se vypořádat s touto situací, je použití různých způsobů středování pro různé podintervaly v závislosti na průběhu spetra. U podintervalů s nízou hodnotou absorpčních oeficientů je vhodné použít Plancovu střední hodnotu, pro podintervaly s velou absorpcí pa Rosselandovu střední hodnotu. Literatura [1] Knobloch H., de Hesselle M., Moeller K.: Technological Trends in High-Voltage Circuit Breaers, CIGRE 2000 Session Papers Group Switching Equipment. [2] Coufal O., Sezemsy P., Zivny O.: Database system of thermodynamic properties of individual substances at high temperatures, Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 38 (2005), pp [3] Sobelman I. I.: Introduction to the theory of atomic spectra. Pergamon, Oxford, [4] Burges A., Seaton M.: Rev. Mod. Phys., vol. 30 (1958), pp [5] Mnacaanjan A. C.: TVT, vol. 6 (1968), pp [6] Liebermann, R.W., Lowe, J.J.: Radiation emission coefficients for sulphur hexafluoride arc plasmas, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, vol. 16 (1976), pp [7] Pomraning G. C.: The Equations of Radiation Hydrodynamics. New Yor: Dover Publications, 1973.

U podintervalů s nízou hodnotou absorpčních oeficientů je vhodné použít Plancovu střední hodnotu, pro podintervaly s velou absorpcí pa Rosselandovu střední hodnotu. Literatura [1] Knobloch H.

Podobné dokumenty

Optické vlastnosti látek

Optické vlastnosti látek Opticé vlastnosti láte Isaac Newton 64 77 Jan Marcus Marci z Kronlandu 595 677 Světlo je eletromagneticé vlnění James Cler Maxwell 83 879 Maxwellovy rovnice E, B B E, t B j E t Energie eletromagneticých