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

Authors : T. Yaşar Katırcıoğlu, Ahmet Tuğhan Balkan, Erdal Bozkurt

Pages : 29-38

Doi:10.21541/apjes.292612

View : 30 | Download : 10

Publication Date : 2017-05-31

Article Type : Research

Abstract :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.   
Keywords : Plazma, plasmatron, inductively coupled plasma (ICP plasma), kömür ve biyokütle yakma, gazlaştırma, modelleme, simülasyon