Plazma generator električne energije. Kada će plazma generatori električne energije postati stvarnost Kako radi domaća plazma baklja
Znanost sigurno zna: pretvaranje topline u rad je to isplativije, što se para jače zagrijava. Ako se temperatura pare podigne na 1000-1500°C u konvencionalnoj modernoj elektrani, njezina će se učinkovitost automatski povećati jedan i pol puta. Ali nevolja je u tome što se to ne može učiniti ni na koji način, jer takva strašna vrućina vrlo brzo uništi svaku turbinu.
Dakle, zaključili su znanstvenici, trebali bismo pokušati uopće bez turbine. Potrebno je izgraditi generator koji bi sam pretvarao energiju mlaza vrućeg plina u električnu struju! I izgradili su ga. Znanost koja se brzo razvija, magnetohidrodinamika, koja proučava kretanje tekućina koje provode električnu struju u magnetskom polju, pomogla je u izradi generatora plazme.
Utvrđeno je da se tekući vodič postavljen u magnetsko polje ne razlikuje u ponašanju od čvrstog vodiča, poput metala. Ali dobro znamo što se događa u metalnom vodiču ako se pomiče između polova magneta: u njemu se inducira (inducira) električna struja. To znači da će se struja pojaviti iu mlazu tekućine ako ovaj mlaz prelazi magnetsko polje.
Međutim, još uvijek nije bilo moguće izgraditi generator s tekućim vodičem. Mlaz tekućine trebalo je ubrzati do vrlo velike brzine, a za to je bila potrebna ogromna količina energije, od koje se većina gubila u samom mlazu u turbulencijama. Tada se javila misao: zašto ne zamijeniti tekućinu plinom? Uostalom, dugo smo bili u mogućnosti priopćiti ogromne brzine plinskim mlaznicama - sjetite se barem mlaznog motora. Ali ovu misao je trebalo odmah odbaciti: niti jedan plin ne provodi struju.
Ispalo je kao potpuna slijepa ulica. Čvrsti vodiči ne podnose visoke temperature; tekući ne ubrzavaju do velikih brzina; plinoviti uopće nisu vodiči. Ali…
Navikli smo misliti da materija može postojati samo u tri stanja - čvrstom, tekućem i plinovitom. A to se, uostalom, događa i u četvrtom stanju – plazmi. Plazma se, kao što je poznato, sastoji od Sunca i većine zvijezda. Evo ga - plazma generator struje!
Plazma je plin, ali ioniziran
U njemu među molekulama nailaze nabijeni ioni, odnosno "fragmenti" atoma s poremećenim elektronskim orbitama. Postoje i slobodni elektroni. Ioni i elektroni – prijenosnici električni naboji, što znači da je plazma električki vodljiva.
Ali da bi se dobila plazma, potrebno je jače zagrijati plin. Kako temperatura raste, molekule plina se kreću sve brže i brže, često se i snažno sudaraju jedna s drugom. Dolazi trenutak kada se molekule postupno raspadaju na atome. Ali plin ne provodi struju. Idemo dalje zagrijavati!
Ovdje je termometar pokazivao 4000 °. Atomi su stekli veliku energiju. Njihove brzine su ogromne, a pojedinačni sudari završavaju "katastrofalno": razbijaju se elektronske ljuske atoma. To je ono što nam treba - sada u plinu ima iona i elektrona - pojavila se plazma.
Zagrijavanje plina na 4000° nije lak zadatak. Najbolje sorte ugljen, nafta i prirodni plinovi daju znatno nižu temperaturu pri izgaranju. Kako biti?
Znanstvenici su se nosili s ovom poteškoćom. Spašeni kalij - jeftin i uobičajeni alkalni metal. Pokazalo se da u prisutnosti kalija ionizacija mnogih plinova počinje mnogo ranije. Vrijedno je dodati samo jedan posto kalija običnim dimnim plinovima - proizvodima izgaranja ugljena i nafte, jer ionizacija u njima počinje na 3000 °, pa čak i malo niže.
Iz peći, gdje se rađaju vrući plinovi, oni se preusmjeravaju u granu cijevi, gdje se potaša - kalijev karbonat - kontinuirano dovodi u tankom mlazu. Postoji slaba, ali ipak dovoljna ionizacija. Mlaznica se zatim glatko širi i oblikuje mlaznicu.
Svojstva ekspandirajuće mlaznice su takva da kada se kreće kroz nju, plin dobiva veliku brzinu, gubi pritisak. Brzina plinova koji izlaze iz mlaznice može se natjecati s brzinama modernih zrakoplova - doseže 3200 km / h.
Mlaz užarene plazme izbija u glavni kanal generatora
Njegove stijenke nisu od metala, već od kvarca ili vatrostalne keramike. Vani su polovi najjačeg magneta dovedeni do zidova. Pod utjecajem magnetsko polje u plazmi, kao i u svakom vodiču, inducira se elektromotorna sila.
Sada je potrebno, kako kažu električari, "skinuti" struju, odvesti je do potrošača. Da biste to učinili, u kanal generatora plazme uvode se dvije elektrode - također, naravno, nemetalne, najčešće grafitne. Ako su zatvoreni vanjskim krugom, tada će se u krugu pojaviti istosmjerna struja.
Već ugrađeni mali plazma generatori različite zemlje, učinkovitost je dosegla 50% (učinkovitost termoelektrane nije veća od 35-37%). Teoretski, možete dobiti 65%, pa čak i više. Znanstvenici koji rade na generatoru plazme suočavaju se s mnogim izazovima vezanim uz izbor materijala, s produljenjem vijeka trajanja generatora (trenutni dizajni do sada rade samo nekoliko minuta).
Gotovo svi koji su bili zainteresirani za energiju čuli su za perspektivu MHD generatora. Ali činjenica da su ti generatori u statusu obećavajućih više od 50 godina, malo je poznata. U članku su opisani problemi povezani s plazma MHD generatorima.
Povijest s plazmom, odn magnetohidrodinamički (MHD) generatori nevjerojatno slična situaciji s . Čini se da je potreban samo jedan korak ili malo truda i izravna pretvorba topline u električnu energiju postat će poznata stvarnost. Ali jedan drugi problem odgađa ovu stvarnost na neodređeno vrijeme.
Prije svega o terminologiji. Generatori plazme jedna su od varijanti MHD generatora. A one su, pak, dobile ime po efektu izgleda električna struja pri kretanju elektrovodljivih tekućina (elektrolita) u magnetskom polju. Ovi fenomeni su opisani i proučavani u jednom od odjeljaka fizike - magnetohidrodinamika. Odatle su generatori dobili ime.
Povijesno gledano, prvi eksperimenti za stvaranje generatora provedeni su s elektrolitima. No, rezultati su pokazali da je vrlo teško ubrzati tokove elektrolita do nadzvučnih brzina, a bez toga je učinkovitost (faktor učinkovitosti) generatora iznimno niska.
Daljnja istraživanja su provedena s strujanjem ioniziranog plina velike brzine, odnosno plazmom. Stoga, danas, govoreći o izgledima za korištenje MHD generatori, mora se imati na umu da je riječ isključivo o njihovoj plazma vrsti.
Fizički, učinak pojave razlike potencijala i električne struje pri kretanju naboja u magnetskom polju je sličan. Oni koji su radili s Hallovim senzorima znaju da kada struja prolazi kroz poluvodič smješten u magnetskom polju, pojavljuje se potencijalna razlika na kristalnim pločama okomito na linije magnetskog polja. Samo se kod MHD generatora umjesto struje propušta vodljivi radni fluid.
Snaga MHD generatora izravno ovisi o vodljivosti tvari koja prolazi kroz njegov kanal, kvadratu njezine brzine i kvadratu jakosti magnetskog polja. Iz ovih je odnosa jasno da što su veća vodljivost, temperatura i jakost polja, to je veća preuzeta snaga.
Sve teorijske studije o praktičnoj pretvorbi topline u električnu energiju provedene su još 50-ih godina prošlog stoljeća. A desetljeće kasnije pojavile su se pilot elektrane "Mark-V" u SAD-u s kapacitetom od 32 MW i "U-25" u SSSR-u s kapacitetom od 25 MW. Od tada su testirani različiti dizajni i učinkoviti načini rada generatora, ispitani su različiti tipovi radnih tijela i konstrukcijskih materijala. Ali plazma generatori nisu dosegli široku industrijsku upotrebu.
Što imamo danas? S jedne strane, kombinirana energetska jedinica s MHD generatorom kapaciteta 300 MW već radi na Ryazanskaya GRES. Učinkovitost samog generatora prelazi 45%, dok učinkovitost konvencionalnih termoelektrana rijetko doseže 35%. Generator koristi plazmu temperature 2800 stupnjeva, dobivenu izgaranjem prirodni gas, i .
Čini se da je energija plazme postala stvarnost. No slični MHD generatori u svijetu se mogu nabrojati na prste, a nastali su u drugoj polovici prošlog stoljeća.
Prvi razlog je očit: generatori zahtijevaju otpornost na toplinu građevinski materijali. Neki od materijala razvijeni su u okviru programa termonuklearne fuzije. Drugi se koriste u raketnoj znanosti i klasificirani su. U svakom slučaju, ovi materijali su izuzetno skupi.
Drugi razlog leži u osobitostima rada MHD generatora: oni proizvode isključivo istosmjernu struju. Stoga su potrebni snažni i štedljivi pretvarači. Ni danas, unatoč napretku tehnologije poluvodiča, ovaj problem nije u potpunosti riješen. A bez toga je nemoguće prenijeti ogromne kapacitete potrošačima.
Također nije u potpunosti riješen problem stvaranja superjakih magnetskih polja. Čak ni upotreba supravodljivih magneta ne rješava problem. Svi poznati supravodljivi materijali imaju kritičnu jakost magnetskog polja, iznad koje supravodljivost jednostavno nestaje.
Može se samo nagađati što se može dogoditi pri naglom prijelazu u normalno stanje vodiča u kojima gustoća struje prelazi 1000 A/mm2. Eksplozija namota u neposrednoj blizini plazme zagrijane na gotovo 3000 stupnjeva neće uzrokovati globalnu katastrofu, ali će je skupi MHD generator sigurno onesposobiti.
Ostaju problemi zagrijavanja plazme na više temperature: na 2500 stupnjeva i aditivi alkalijski metali(kalijeva) plazma vodljivost, međutim, ostaje vrlo niska, nemjerljiva s vodljivošću bakra. Ali povećanje temperature ponovno će zahtijevati nove materijale otporne na toplinu. Krug se zatvara.
Stoga sve jedinice snage s MHD generatorima stvorene do danas pokazuju razinu dostignutih tehnologija, a ne ekonomska izvedivost. Prestiž zemlje je važan faktor, ali danas je vrlo skupo graditi skupe i kapriciozne MHD generatore. Stoga i najjači MHD generatori ostaju u statusu pilot postrojenja. Na njima inženjeri i znanstvenici razrađuju buduće dizajne, testiraju nove materijale.
Teško je reći kada će ovaj posao završiti. Obilje raznih izvedbi MHD generatora sugerira da prije optimalno rješenje još daleko. A informacija da je plazma termonuklearne fuzije idealan radni medij za MHD generatore odgađa njihovu široku upotrebu do sredine našeg stoljeća.
Postizanje visokih temperatura moguće je različitim načine. Najčešći je izgaranje. Teoretska temperatura izgaranja organska tvar u zraku obično iznosi ~2300 K, a kada se kao oksidacijsko sredstvo koristi kisik može prijeći 3000 K. Postizanje viših temperatura u ovom je slučaju ograničeno značajnim toplinskim učinkom endotermnih reakcija disocijacije produkata izgaranja, za koje je potrebno velike količine energije koje se ne osiguravaju toplinom izgaranja goriva.
Drugi način postizanja visokih temperatura je adijabatska kompresija plinova. S visokim stupnjem kompresije mogu se disocirati i ionizirati. Međutim, ova metoda nije našla široku primjenu u plazma-kemijskim procesima, iako se čini obećavajućom za izvođenje nekih reakcija.
Uvjeti koji osiguravaju proizvodnju niskotemperaturne plazme mogu se postići iu udarnom valu pri visokim Machovim brojevima. U praksi se za to koristi cijev odvojena membranom, na čijim se suprotnim stranama nalazi plin znatno različitih tlakova. Ako je membrana uništena, tada se u cijevi počinje kretati udarni val, što omogućuje postizanje značajnih temperatura pri visokim početnim padovima tlaka. Međutim, ova metoda, zbog složenosti organizacije kontinuiranog procesa, nije našla primjenu u primijenjenoj kemiji plazme.
Glavne metode za dobivanje stacionarne plazme niske temperature temelje se na korištenju različitih električnih pražnjenja, kao što su: užarena iskra; impuls; prepreka; visokofrekventna indukcija; visokofrekventni kapacitivni; mikrovalna pećnica; elektroiskra u fluidiziranom sloju; korona, baklja, električni luk; transformator. Sva ova navedena pražnjenja ostvaruju se u odgovarajućim plazma bakljama, uglavnom elektrolučnim i mikrovalnim.
Izbor vrste pražnjenja i dizajna plazma plamenika
Korištenje jednog ili drugog električnog pražnjenja za stvaranje plazma baklje, kao i njegov dizajn, određeni su tehnologijom i tehničkim i ekonomskim pokazateljima procesa. Prilikom odabira plazma plamenika uzima se u obzir potrebna snaga, životni vijek na plazma plinu zadanog kemijski sastav, parametri plazma mlaza (temperatura, brzina, odsutnost kontaminacije produktima erozije elektroda), faktor učinkovitosti (omjer energije utrošene na zagrijavanje plina i kemijske reakcije, na utrošenu energiju), jednostavnost održavanja i sigurnost rada. Na određivanje učinkovitosti Ugradnja plazma baklje treba uzeti u obzir gubitke energije u izvoru struje i opskrbnim vodovima.
Ako ne postoje posebni zahtjevi za čistoću ciljanog proizvoda, tada se najčešće biraju elektrolučne plazma baklje, a ako postoje, biraju se bezelektrodne (indukcijske ili kapacitivne) visokofrekventne plazma baklje. Plazma baklje s električnim lukom rade na gotovo svim plinovima. Također se koriste u slučajevima kada potrebna snaga prelazi 300-500 kW.
Električni lučni plazma baklje
Plazma baklje, u kojima se električni luk koristi za zagrijavanje raznih plinova, najčešće se koriste u raznim tehnološki procesi. Oni proizvode mlaz niskotemperaturne plazme s prosječnom temperaturom mase do 4000-6000 K za dvoatomne i poliatomske plinove i do 10000-20000 K za jednoatomne plinove. Trenutno postoje elektrolučne plazma baklje snage od nekoliko kilovata do desetaka megavata. Ovisno o vrsti plina koji stvara plazmu, radnim parametrima i dizajnu plazma plamenika, njegova učinkovitost je 50-97%. Životni vijek plazma baklji velike snage doseže 100-1000 sati.
Razmotrimo neke značajke električnog luka u komori za pražnjenje plazma baklje. S povećanjem struje koja prolazi kroz luk koji nije ograničen zidovima i slobodno gori između dvije elektrode, širi se uz malu promjenu temperature. Ako se luk postavi unutar vodom hlađenog kanala malog promjera, tada se s povećanjem struje on, nesposoban širiti i nasumično kretati u prostoru, stabilizira u blizini osi kanala, a broj nabijenih čestica raste povećanjem temperatura i, posljedično, stupanj ionizacije. Plazma baklje, kod kojih je luk stabiliziran samo hladnim stijenkama kanala za pražnjenje, a protok plina je nizak, uglavnom se koriste u istraživačke svrhe.
Postoje i drugi načini stabilizacije luka, koji se temelje na hlađenju njegovih vanjskih slojeva (toplinska kompresija) uzdužnim ili vrtložnim strujanjem plazma plina. U praksi se najčešće koristi posljednja metoda (plinsko-vrtložna stabilizacija pražnjenja).
U području velike gustoće struje, kompresija luka pod djelovanjem vlastitog magnetskog polja (magnetic pinch effect) postaje značajna, što također pridonosi njegovoj stabilizaciji.
Struktura električnog luka u plazma bakljama određena je njegovom interakcijom s protokom plina i stijenkama kanala. U dugom cilindričnom kanalu pražnjenja mogu se razlikovati tri karakteristična dijela: početni, prijelazni i turbulentni. Početni dio nalazi se između krajnje katode i sjecišta vanjska granica toplinski sloj luka s turbulentnim graničnim slojem hladnog plina koji stvara plazmu na stijenci kanala. U ovom dijelu luk nema značajnih poprečnih pulsacija, a protok u njemu se može smatrati laminarnim. Toplinski tok na stijenku komore za pražnjenje je mali i određen je uglavnom zračenjem iz stupca luka.
U prijelaznom dijelu dolazi do razaranja toplinskog sloja luka i intenzivnog miješanja zagrijanog i hladnog plina. Pojavljuju se transverzalne oscilacije luka koje se pojačavaju nizvodno i dovode do toga da njegova duljina znatno premašuje udaljenost mjerenu duž osi. Dakle, tehnička napetost električno polje(omjer potencijalne razlike luka prema ovoj udaljenosti) značajno raste. U plazma bakljama sa samopodešavanjem duljine luka dolazi do električnog proboja između luka i stijenke u prijelaznom dijelu.
Turbulentni dio karakteriziraju značajne pulsacije i, u nedostatku dodatnog opskrbe plinom, konstantnost jakosti električnog polja, koja nekoliko puta premašuje intenzitet u početnom dijelu.
Jedan od važnih procesa u komori luka plazma baklje je ranžiranje - električni slom između luka i stijenke (veliko ranžiranje) i između odvojene sekcije zakrivljeni luk (small-scale shunting), što dovodi do ograničenja duljine luka, njegove snage i pojave pulsacija u parametrima plazma mlaza.
Kako bi se smanjila erozija i produžio radni vijek plazma baklji, točka luka se prisilno pomiče po obodu elektrode tangencijalnim ubrizgavanjem plina koji stvara plazmu ili solenoida koji se nalazi koaksijalno na kanal za pražnjenje (slika 2.1, a-e). Interakcija ovog polja s intrinzičnim magnetskim poljem radijalnog presjeka luka dovodi do pojave sile koja uzrokuje rotaciju luka oko osi kanala pražnjenja.
Klasifikacija elektrolučnih plazma baklji. Ovisno o atributu koji je u osnovi klasifikacije, mogu se razlikovati sljedeće vrste elektrolučnih plazma baklji:
· trajno i naizmjenična struja;
· jednolučni i višelučni;
· s unutarnjim i vanjskim lukom; s uzdužno upuhanim (linearnim) i s poprečno upuhanim lukom;
· sa samopodešavanjem i fiksnom duljinom luka;
· s toplom i hladnom katodom.
Svaki od razmatranih tipova plazmatrona može se klasificirati prema njihovim značajkama dizajna. Na sl. 2.1 predstavljeno raznih dizajna generatori električnog luka niskotemperaturne plazme.
sl.2.1. Konstrukcije elektrolučnih plazma baklji
a - jednokomorni s vrućom katodom; b - jednokomorni s hladnom katodom i fiksnom prosječnom duljinom luka; c - dvokomorni; d - s međuelektrodnim umetcima; e - s poroznim međuelektrodnim umetkom; e - koaksijalni; g - dvosmjerni odljev; h - s produženim lukom; i - višestruki luk; k - izmjenična struja sa štapnim elektrodama; l - izmjenična struja linearnog kruga; m - AC s podijeljenom mlaznicom. 1 - štapna elektroda; 2 – mlaznica (osnosimetrična elektroda); 3 - dijafragma; 4, 5 - izolatori; 6 - solenoid; 7 - luk; 8 - glavni plin; 9 - zaštitni plin; 10 - mlaz plazme; 11 - odjeljci MEV; 12 - MEA od poroznog materijala; 13 - sirovine; 14 - napajanje
DC plazmatroni jednostavan u dizajnu, pouzdan u radu i stoga se najčešće koristi u različitim tehnološkim procesima.
Plazmatroni s unutarnjim lukom koriste se za proizvodnju mlaza niskotemperaturne plazme, zbog čega se ponekad nazivaju mlaznica(Sl. 2.1, a-g). U nekim slučajevima, jedna od elektroda je materijal koji se obrađuje, elektrode su prostorno odvojene jedna od druge, a dio luka je izvan kanala za pražnjenje (slika 2.1, h). Takav plazma baklje s produženim lukom značajno razlikuje od inkjet.
Ovisno o materijalu katode i intenzitetu njezina hlađenja, može raditi na principu toplinske emisije (termalna katoda) ili emisije polja (hladna katoda).
Za smanjenje izlaznog rada elektrona koristi se torirani (s dodacima torijevog oksida) ili lantanizirani (s dodacima lantanovog oksida) volfram. Kod rada s agresivnim plinovima koji stvaraju plazmu, ove katode moraju biti propuhane zaštitnim plinom (slika 2.1, a, d, e). Resurs neprekidnog rada torirane volframove katode pri strujama do 1000 A u vodiku i dušiku je više od 100 sati, au argonu i heliju - više od 200 sati ili paralelno s osi kanala za pražnjenje. Nakon što jedna od katoda odradi zadani resurs, bubanj se okreće tako da se nova šipka postavlja duž osi kanala. Takva katoda s više položaja omogućuje značajno povećanje životnog vijeka katode.
Kada plazma plamenik radi u oksidirajućem mediju koji sadrži kisik, nije potrebno propuhivati vruću katodu inertnim plinom. Često se koriste takozvane termokemijske katode od cirkonija ili hafnija. Na površini ovih materijala stvara se oksidni film koji je dovoljno elektrovodljiv pri visokim temperaturama i ujedno štiti metal od daljnje oksidacije. Erozija cirkonijeve katode je ~10 -11 kg/C.
Hladne katode izvesti prvenstveno u obliku vodeno hlađene bakrene čaše (slika 2.1, b) ili bakrene čahure (slika 2.1, c). Anoda elektrolučnih plazma baklji također je u većini slučajeva bakrena vodom hlađena mlaznica (čahura). Erozija bakrene katode obično je 2-3 puta veća od erozije anode i iznosi (0.8-1).10 -9 kg/C kod struja do 1.2 kA.
Plazmatroni s uzdužno upuhanim lukom(Sl. 2.1, a-e, g), ponekad se naziva linearni, prema principu opskrbe plinom, dijele se na jednokomorne - s uvođenjem plina koji stvara plazmu kroz jednu plinsku komoru (Sl. 2.1, a, b), dvokomorne (Sl. 2.1, c) i s međuelektrodnim umetcima (slika 2.1, d, e). Stabilizacija luka na osi komore za pražnjenje u jednokomornim i dvokomornim plazmatronima provodi se pomoću vrtložnog toka plina. Izlazna elektroda (najčešće anoda) izrađena je od bakra, nemagnetskog čelika ili raznih legura na bazi vatrostalnog materijala (na primjer, volfram-bakar).
Magnetsko polje solenoida omogućuje vam pomicanje točke luka preko površine elektrode, au plazma bakljama s katodom u obliku stakla (slika 2.1, b) također sprječava da se luk veže na kraj stakla .
Jednokomorne i dvokomorne plazma baklje s cilindričnim kanalom izlazne elektrode (sl. 2.1, a, c) su generatori sa samopodešavanjem duljine luka, ovisno o brzini protoka plina i parametrima pražnjenja. Ako izlazna elektroda ima oštru ekspanziju (slika 2.1, b), stvaraju se uvjeti za preferirano ranžiranje luka iza ruba u širokom rasponu promjena parametara zbog odvojenih tokova u ovom području. Takve plazma baklje omogućuju fiksiranje duljine luka, koja je manja od duljine samopodešavanja.
Fiksna prosječna duljina luka, veći od samopodešavajućeg, može se dobiti na plazma plamenicima s međuelektrodnim umetcima (MEI). Umetci su međusobno električno izolirani i od elektroda. Ubrizgavanje plina u kanal za pražnjenje može se izvesti diskretno (Slika 2.1, d) ili kroz porozni MEW (Slika 2.1, e). Plazmatroni s međuelektroničkim umetcima imaju dovoljno visoku učinkovitost (osobito kada se plin upuhuje kroz poroznu stijenku) i omogućuju relativno jednostavno povećanje njihove snage povećanjem broja MEV-ova.
dimenzije plazmatroni s MEI su mali. Dakle, generator kapaciteta 1500 kW, namijenjen za zagrijavanje zraka, dušika, vodika i mješavine vodika i metana, ima duljinu od 0,8 m i masu od 40 kg. Brzina protoka vodika je 6-10 g / s, dušika i zraka - 60 g / s. Maksimalna prosječna temperatura mase vodika doseže 3500 K, dušika i zraka - 6000 K. Toplinska učinkovitost je 0,75-0,85, maksimalna struja je 800 A, potrošnja vode za hlađenje je 2 kg / s, resurs katode je 100 h. , anoda - 300 sati
Razvijen je plazma plamenik snage do 5000 kW s poroznim MEI, duljine do 1,5 m, promjera izlazne elektrode do 80 mm, težine do 100 kg. Maksimalna prosječna temperatura mase vodika je 4500 K, dušika i zraka - 6000 K. Toplinska učinkovitost je 0,75-0,85, maksimalna struja je 1000 A, protok vode je do 12 kg / s, tlak vode je do 1 MPa.
Električni lučni grijači također se mogu pripisati linearnim generatorima. bilateralni istek(Slika 2.1, g). Međutim, ove plazma baklje se rijetko koriste u tehnološkim procesima, jer zbog različitih aerodinamičkih otpora reaktora pričvršćenih na izlazne elektrode, parametri mlaznice plazme su različiti.
Generatori plazme s poprečno upuhanim lukom najčešće se provodi u obliku koaksijalnih plazma baklji (slika 2.1, e) ili plazma baklje s produženim lukom(Slika 2.1, h). U koaksijalnom plazma baklji, luk se kreće pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja u rasporu koji čine elektrode. Zbog velike površine elektroda, radni vijek plazma plamenika može biti prilično visok. Promjer kanala pražnjenja je u ovom slučaju velik, a brzina mlaza plazme mala. Ako je ugrađena mlaznica za stvaranje protoka plazme, učinkovitost generatora pada.
Poprečno upuhani unutarnji luk također se može implementirati pomoću dvije toroidalne ili štapićaste elektrode smještene unutar komore za pražnjenje.
Povećanje snage plazma-kemijske instalacije može se postići povećanjem snage električnog luka u plazma baklji (tj. struje i napona), ugradnjom nekoliko plazma baklji u jedan reaktor ili stvaranjem plazma baklji s nekoliko lukova u kanal za pražnjenje, napajan razni izvori(Slika 2.1, i).
AC plazma baklje industrijske frekvencije imaju značajne prednosti u usporedbi s plazma bakljama istosmjerne struje: visoka učinkovitost kruga napajanja, odsutnost ispravljača i mogućnost glatke regulacije radne struje. Međutim, budući da se pražnjenje gasi kada se polaritet elektroda promijeni i napon prođe kroz nulu, potrebne su posebne mjere kako bi se osiguralo stabilno gorenje izmjeničnog luka.
U skladu s metodom stabilizacije električnog luka, razlikuju se tri vrste izmjeničnih plazma baklji: sa stabilizacijom luka elektrodama, s visokofrekventnim praćenjem i kombinirane (koristeći istosmjernu struju).
Najviše se koristi u industriji plazma baklje sa štapnim elektrodama(Sl. 2.1, j), izrađen od vatrostalnog materijala (najčešće grafita). Pri korištenju trofazne struje, tangencijalnog ubrizgavanja plina koji stvara plazmu i dovoljno bliskog položaja elektroda unutar komore za pražnjenje, stalno se održava električno vodljivi sloj plina, što osigurava stabilan rad plazma baklje pri promjeni polariteta.
Predlaže se dizajn elektrolučne plazma baklje s elektrodama raspoređenim duž duljine kanala luka (slika 2.1, l). Zajednička točka transformatora spojena je na štapnu elektrodu, a fazni izvodi spojeni su na cjevaste elektrode. Slično se izvodi trofazno uključivanje plazmatrona s tri cjevaste elektrode. Glavni nedostatak takvih plazma baklji je velika pulsacija parametara mlaza plazme zbog promjene duljine luka kada se promijeni polaritet prstenastih elektroda.
Plazmatroni s podijeljenom elektrodom(Sl. 2.1, m) prema shemi napajanja slični su gore opisanim, ali su stabilniji. Za razliku od prethodnih plazma plamenika, u njima je teško koristiti solenoide za brzo pomicanje točke luka preko površine elektrode, što smanjuje životni vijek.
U plazma bakljama s visokofrekventnim praćenjem postiže se stabilno izgaranje izmjenične struje industrijske frekvencije paralelna veza na elektrode RF generatora, što osigurava stabilno površinsko paljenje energetskog luka. Nedostatak takve plazma baklje je potreba za korištenjem dodatnog (iako male snage) napajanja za RF pražnjenje i njegovu kontrolu.
U U zadnje vrijeme sve više se koriste kombinirani tip plazmatrona , u kojoj glavni doprinos snage daje izmjenična struja, a istosmjerna se koristi samo za stacionarno stvaranje mlaza plazme mala snaga, koji štiti glavni iscjedak od izumiranja. Takve plazma baklje mogu raditi stabilno u širokom rasponu protoka struje i plina. Primjer takvog generatora električnog luka može biti dizajn prikazan na slici 2.1, h, ako je izvor izmjenične struje spojen na elemente 1 i 3. Kombinirani trofazni strujni plazma plamenik je slično raspoređen. U nekim slučajevima, izvori izmjenične i istosmjerne struje spojeni su na izlazne elektrode, što omogućuje produljenje vijeka trajanja. Drugi primjer kombinirane plazma baklje je dizajn prikazan na slici 2.1, u kojem je drugi izvor 14, spojen na dvije cjevaste elektrode, zamijenjen izvorom izmjenične struje.
Plazma baklje visoke frekvencije
Kao što je gore navedeno, visokofrekventna pražnjenja (i, prema tome, plazmatroni) mogu biti elektrodna (korona, baklja) i bez elektrode (HF - visokofrekventna indukcija, RF - visokofrekventna kapacitivnost, mikrovalna - mikrovalna). Glavne prednosti plazma plamenika bez elektrode u odnosu na one s elektrodom (uključujući i električne lučne) su sljedeće:
Visok resurs rada (tisuće sati);
Nema kontaminacije materijala proizvedenih u plazma-kemijskom reaktoru produktima erozije elektrode;
Sposobnost rada na čistom kisiku i drugim agresivnim plazma plinovima.
Nedostaci visokofrekventnih plazma baklji uključuju nisku ukupnu učinkovitost instalacija i složenost stvaranja instalacija velike snage. Tako je snaga RF plazmatrona ~0,5 MW (i do 1 MW), za mikrovalove je ~0,1 MW, a učinkovitost ne prelazi 0,6.
Pojam "mikrovalna plazma" objedinjuje plazma formacije dobivene u različitim mikrovalnim uređajima (plazma baklje). Trenutno su razvijeni brojni mikrovalni uređaji za dobivanje plazme, a svojstva potonje neizbježno ovise o načinu njezine proizvodnje. Ovi uređaji određuju strukturu elektromagnetskog polja, energetsku učinkovitost uređaja, propusnost, ovisnost svojstava plazme o frekvenciji, razine minimalne i maksimalne snage. Stoga, ako je potrebno analizirati takvu plazmu, svrsishodnije je razmotriti sustav mikrovalnog izboja koji predstavlja plazmu u određenom uređaju za izbijanje plina.
mikrovalna pražnjenja(mikrovalna pražnjenja) obično se nazivaju pražnjenja koja stvaraju elektromagnetski valovi s frekvencijom većom od 300 MHz. Frekvencije dopuštene za industrijske, medicinske i znanstvene primjene su 460, 915, 2450, 5800, 22125 MHz. Najčešće korištena frekvencija je 2450 MHz.
Mikrovalna pražnjenja zauzela su čvrsto mjesto među ostalim generatorima plazme. Svojstva takvih izboja i plazme dobivene u njima razmatraju se u svim aspektima vezanim uz fiziku plazme, kemiju plazme i plazma tehnologije.
Proizvodne metode i tehnike koje se koriste za dobivanje mikrovalne plazme odgovaraju mikrovalnom području i razlikuju se od onih koje se koriste na nižim frekvencijama. Plazma se može stvoriti pri tlaku od 1.33.10 -2 Pa do atmosferskog u pulsirajućem i kontinuiranom načinu rada, prosječna korištena snaga kreće se od nekoliko vata do stotina kilovata.
Glavni element mikrovalnog pražnjenja je uređaj koji omogućuje uvođenje elektromagnetske energije u volumen pražnjenja. Postoji oko 10 skupina u koje se sve strukture mikrovalnog područja mogu uvjetno podijeliti.
Glavne prednosti mikrovalnog pražnjenja su:
· Jednostavno dobivanje plazme s visokim specifičnim unosom energije (> 1 W/cm 3 ).
Lakoća dobivanja plazme s malim unosom energije (<< 1Вт/см 3).
· Širok raspon radnih tlakova (od 1.33.10 -2 Pa do tlakova iznad atmosferskog).
· Mogućnost stvaranja i kvazi-ravnotežne i suštinski neravnotežne plazme.
· Jednostavno upravljanje unutarnjom strukturom pražnjenja promjenom elektrodinamičkih karakteristika uređaja za uvođenje mikrovalne energije u plazmu.
· Mogućnost stvaranja plazme u bezelektrodnim i elektrodnim sustavima (u potonjem slučaju nema kontaminacije volumena i uzoraka produktima erozije elektrode).
· Sposobnost stvaranja plazme u malim i velikim količinama, uključujući slobodni prostor (zemljinu atmosferu).
· Mogućnost obrade velikih površina skeniranjem područja stvaranja plazme, koje ima male dimenzije.
· Mogućnost zajedničkog djelovanja plazme i elektromagnetskog polja na objekte u plazmi za povećanje učinkovitosti procesa.
· Razvijene obitelji različitih učinkovitih mikrovalnih plazma generatora omogućuju odabir dizajna za bilo koju primjenu.
