Plasmasoihtu teollisissa lämpöprosesseissa
Ruokoniemi, Essi (2025)
Kandidaatintyö
2025
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251112107277
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251112107277
Tiivistelmä
Tämän kirjallisuuskatsauksena toteutetun kandidaatintyön tavoitteena on selvittää DC-plasmasoihdun eri soihtutyyppien rakennetta ja toimintaperiaatetta. Lisäksi tavoitteena on tarkastella valokaaren muodostumista ja siihen vaikuttavia tekijöitä sekä selvittää teollisten lämpöprosessien asettamia vaatimuksia plasmasoihdun toiminnalle.
DC-plasmasoihtujen peruskomponentit ovat anodi ja katodi sekä näiden välille syntyvän valokaaren avulla plasmaksi ionisoituva työkaasu. DC-plasmasoihdut jaetaan työskentelyn aikaisen valokaaren sijainnin perusteella siirtokaarisiin ja ei-siirtokaarisiin soihtuihin. Valokaaren muodostamiseksi vaaditaan elektrodien kontaktiin, kipinäväliin tai resonoivaan puolisiltakonvertteriin perustuvan sytytyspiirin käyttöä. Valokaaren ominaisuuksiin vaikuttavat muun muassa työkaasun tyyppi ja virtaus, soihdun rakenne, magneettikentät sekä elektrodien materiaali ja kulumisaste. Plasman ylläpito vaatii vakaata jännitettä ja valokaaren hallintaa, mikä asettaa vaatimuksia laitteen päävirtapiirin ja sytytyspiirin yhteistoiminnalle, jotta plasman sammuminen kesken laitteen käytön estetään. Keskeisiksi rajoitteiksi tunnistettiin elektrodien kuluminen ja järjestelmän alttius sähköisille häiriöille.
Tehdyn tutkimuksen perusteella todetaan DC-plasmasoihdun soveltuvan teollisiin lämpöprosesseihin hyvin, sillä se tuottaa suuren määrän energiaa hyvällä hyötysuhteella pienessä tilassa. Plasmasoihtujen käytön lisääminen voi myös tarjota yhden potentiaalisen keinon teollisuuden CO₂-päästöjen merkittävään vähentämiseen. The aim of this bachelor’s thesis, conducted as a literature review, is to examine the structure and operating principles of different types of DC plasma torches. The study also explores the formation of the electric arc, the factors affecting it, and the operational requirements of industrial thermal processes.
A DC plasma torch consists of an anode, a cathode, and a working gas, which is ionized into plasma by an electric arc generated between the electrodes. Torches are classified into transferred and non-transferred arc types based on the arc location during operation. Forming the arc requires an ignition circuit based on direct contact of the electrodes, using spark gaps or a resonant half-bridge converter. The characteristics of the arc depend on factors such as the working gas, gas flow, magnetic fields, the structure of the torch, and the electrode materials and erosion of the electrodes. Maintaining the plasma requires a stable voltage and precise control of the arc behavior, which demands coordination between the main power circuit and the ignition circuit to prevent plasma extinction during operation. The main limitations identified are electrode erosion and the torch’s susceptibility to electrical interference.
Based on the conducted research, it can be stated that DC plasma torches are well suited for industrial thermal processes, as they can produce a large amount of energy in a small space with high efficiency. Plasma torches may also provide one potential method to significantly decrease CO₂ emissions in industry.
DC-plasmasoihtujen peruskomponentit ovat anodi ja katodi sekä näiden välille syntyvän valokaaren avulla plasmaksi ionisoituva työkaasu. DC-plasmasoihdut jaetaan työskentelyn aikaisen valokaaren sijainnin perusteella siirtokaarisiin ja ei-siirtokaarisiin soihtuihin. Valokaaren muodostamiseksi vaaditaan elektrodien kontaktiin, kipinäväliin tai resonoivaan puolisiltakonvertteriin perustuvan sytytyspiirin käyttöä. Valokaaren ominaisuuksiin vaikuttavat muun muassa työkaasun tyyppi ja virtaus, soihdun rakenne, magneettikentät sekä elektrodien materiaali ja kulumisaste. Plasman ylläpito vaatii vakaata jännitettä ja valokaaren hallintaa, mikä asettaa vaatimuksia laitteen päävirtapiirin ja sytytyspiirin yhteistoiminnalle, jotta plasman sammuminen kesken laitteen käytön estetään. Keskeisiksi rajoitteiksi tunnistettiin elektrodien kuluminen ja järjestelmän alttius sähköisille häiriöille.
Tehdyn tutkimuksen perusteella todetaan DC-plasmasoihdun soveltuvan teollisiin lämpöprosesseihin hyvin, sillä se tuottaa suuren määrän energiaa hyvällä hyötysuhteella pienessä tilassa. Plasmasoihtujen käytön lisääminen voi myös tarjota yhden potentiaalisen keinon teollisuuden CO₂-päästöjen merkittävään vähentämiseen.
A DC plasma torch consists of an anode, a cathode, and a working gas, which is ionized into plasma by an electric arc generated between the electrodes. Torches are classified into transferred and non-transferred arc types based on the arc location during operation. Forming the arc requires an ignition circuit based on direct contact of the electrodes, using spark gaps or a resonant half-bridge converter. The characteristics of the arc depend on factors such as the working gas, gas flow, magnetic fields, the structure of the torch, and the electrode materials and erosion of the electrodes. Maintaining the plasma requires a stable voltage and precise control of the arc behavior, which demands coordination between the main power circuit and the ignition circuit to prevent plasma extinction during operation. The main limitations identified are electrode erosion and the torch’s susceptibility to electrical interference.
Based on the conducted research, it can be stated that DC plasma torches are well suited for industrial thermal processes, as they can produce a large amount of energy in a small space with high efficiency. Plasma torches may also provide one potential method to significantly decrease CO₂ emissions in industry.