Plazminis elektros generatorius. Kada plazminiai elektros generatoriai taps realybe Kaip veikia naminis plazminis degiklis?

Mokslas tikrai žino: kuo pelningiau šilumą paversti darbu, tuo stipriau įkaista garai. Įprastoje modernioje elektrinėje garų temperatūrą pakėlus iki 1000-1500°C, jos efektyvumas automatiškai padidės pusantro karto. Bet bėda ta, kad to niekaip negalima padaryti, nes toks baisus karštis labai greitai sunaikins bet kurią turbiną.

Taigi, samprotavo mokslininkai, turėtume pabandyti apsieiti be turbinos. Būtina sukurti generatorių, kuris pats karštų dujų srovės energiją paverstų elektros srove! Ir jie jį pastatė. Sparčiai besivystantis mokslas – magnetohidrodinamika, tiriantis skysčių, laidančių elektros srovę magnetiniame lauke, judėjimą, padėjo sukurti plazmos energijos generatorių.

Nustatyta, kad skystas laidininkas, patalpintas į magnetinį lauką, savo elgesiu nesiskiria nuo kieto laidininko, pavyzdžiui, metalo. Tačiau gerai žinome, kas vyksta metaliniame laidininke, jei jis pajudinamas tarp magneto polių: jame indukuojama (indukuojama) elektros srovė. Tai reiškia, kad srovė taip pat atsiras skysčio srovėje, jei ši srovė kirs magnetinį lauką.

Tačiau vis tiek nepavyko sukurti generatoriaus su skysčio laidininku. Skysčio srovę reikėjo pagreitinti iki labai didelio greičio, o tam prireikė milžiniško energijos kiekio, kurio didžioji dalis buvo prarasta pačioje srovėje turbulencijos metu. Tada ir kilo mintis: kodėl nepakeitus skysčio dujomis? Juk jau seniai galime perduoti didžiulius greičius dujų purkštukams – prisiminkite bent reaktyvinį variklį. Tačiau šią mintį reikėjo nedelsiant išmesti: nei vienos dujos nepraleidžia srovės.

Tai pasirodė kaip visiška aklavietė. Kietieji laidininkai neatlaiko aukštos temperatūros; skysti neįsibėgėja iki didelio greičio; dujiniai iš viso nėra laidininkai. Bet…

Esame įpratę manyti, kad materija gali egzistuoti tik trijose būsenose – kietoje, skystoje ir dujinėje. O tai juk vyksta ir ketvirtoje būsenoje – plazmoje. Plazma, kaip žinoma, susideda iš Saulės ir daugumos žvaigždžių. Štai jis – plazminis elektros generatorius!

Plazma yra dujos, bet jonizuotos

Jame, tarp molekulių, susiduria įkrauti jonai, tai yra atomų „fragmentai“ su sutrikusiomis elektroninėmis orbitomis. Taip pat yra laisvųjų elektronų. Jonai ir elektronai – nešėjai elektros krūviai, o tai reiškia, kad plazma yra laidi elektrai.

Bet norint gauti plazmą, dujas reikia kaitinti stipriau. Kylant temperatūrai, dujų molekulės juda vis greičiau, jos dažnai ir stipriai susiduria viena su kita. Ateina momentas, kai molekulės palaipsniui suyra į atomus. Bet dujos nelaidžia srovės. Kaitinkime jį toliau!

Čia termometras rodė 4000°. Atomai įgijo didelę energiją. Jų greičiai milžiniški, o pavieniai susidūrimai baigiasi „katastrofiškai“: lūžta atomų elektronų apvalkalai. To mums reikia – dabar dujose yra jonų ir elektronų – atsirado plazma.

Įkaitinti dujas iki 4000° nėra lengva užduotis. Geriausios veislės anglis, nafta ir gamtinės dujos degimo metu suteikia daug žemesnę temperatūrą. Kaip būti?

Mokslininkai susidorojo su šiuo sunkumu. Išgelbėtas kalis – pigus ir įprastas šarminis metalas. Paaiškėjo, kad esant kaliui, daugelio dujų jonizacija prasideda daug anksčiau. Į įprastas dūmų dujas – anglies ir naftos degimo produktus – verta dėti tik vieną procentą kalio, nes jonizacija juose prasideda 3000 ° ir net šiek tiek žemiau.

Iš krosnies, kurioje gimsta karštos dujos, jos nukreipiamos į atšaką, kur plona srovele nuolat tiekiamas kalis – kalio karbonatas. Yra silpna, bet vis tiek pakankama jonizacija. Tada antgalis sklandžiai plečiasi, sudarydamas purkštuką.

Besiplečiančio antgalio savybės yra tokios, kad judant per jį dujos įgauna didelį greitį, praranda slėgį. Iš purkštuko išeinančių dujų greitis gali konkuruoti su šiuolaikinių orlaivių greičiais – jis siekia 3200 km/val.

Į pagrindinį generatoriaus kanalą įsiveržia kaitrinė plazmos srovė

Jo sienos ne metalinės, o kvarco arba ugniai atsparios keramikos. Išorėje stipriausio magneto poliai atnešami prie sienų. Esant įtakai magnetinis laukas plazmoje, kaip ir bet kuriame laidininke, indukuojama elektrovaros jėga.

Dabar reikia, kaip sako elektrikai, „nuimti“ srovę, nunešti ją vartotojui. Norėdami tai padaryti, į plazmos generatoriaus kanalą įvedami du elektrodai - taip pat, žinoma, nemetaliniai, dažniausiai grafitas. Jei juos uždaro išorinė grandinė, grandinėje atsiras nuolatinė srovė.

Jau įmontuoti maži plazminiai elektros generatoriai skirtingos salys, naudingumo koeficientas siekė 50% (šilumos elektrinės naudingumo koeficientas ne didesnis kaip 35-37%). Teoriškai galite gauti 65% ir net daugiau. Su plazmos generatoriumi dirbantys mokslininkai susiduria su daugybe iššūkių, susijusių su medžiagų pasirinkimu, ilgėjant generatoriaus eksploatavimo laikui (dabartinės konstrukcijos kol kas veikia tik minutes).

Beveik visi, kurie domėjosi energetika, yra girdėję apie MHD generatorių perspektyvas. Tačiau tai, kad šie generatoriai buvo perspektyvūs daugiau nei 50 metų, žino nedaugelis. Straipsnyje aprašytos problemos, susijusios su plazminiais MHD generatoriais.

Istorija su plazma, arba magnetohidrodinaminiai (MHD) generatoriai nepaprastai panaši į situaciją su . Atrodo, tereikia vieno žingsnio ar šiek tiek pastangų, o tiesioginis šilumos pavertimas elektros energija taps pažįstama realybe. Tačiau kita problema šią realybę atideda neribotam laikui.

Pirmiausia apie terminologiją. Plazminiai generatoriai yra viena iš MHD generatorių veislių. O tie, savo ruožtu, gavo savo pavadinimą dėl išvaizdos poveikio elektros srovė judant elektrai laidžiams skysčiams (elektrolitams) magnetiniame lauke. Šie reiškiniai aprašomi ir tiriami viename iš fizikos skyrių - magnetohidrodinamika. Iš čia generatoriai gavo savo pavadinimą.

Istoriškai pirmieji generatorių kūrimo eksperimentai buvo atlikti su elektrolitais. Bet rezultatai parodė, kad labai sunku pagreitinti elektrolitų srautus iki viršgarsinio greičio, o be to generatorių efektyvumas (našumo koeficientas) yra itin žemas.

Tolesni tyrimai buvo atlikti su greitaeigiais jonizuotų dujų srautais arba plazmomis. Todėl šiandien kalbame apie naudojimo perspektyvas MHD generatoriai, reikia turėti omenyje, kad kalbame tik apie jų plazmos įvairovę.

Fiziškai potencialų skirtumo atsiradimo ir elektros srovės poveikis, kai krūviai juda magnetiniame lauke, yra panašus. Tie, kurie yra dirbę su Hallo jutikliais, žino, kad srovei einant per puslaidininkį, įdėtą į magnetinį lauką, kristalų plokštelėse atsiranda potencialų skirtumas, statmenas magnetinio lauko linijoms. Tik MHD generatoriuose vietoj srovės praleidžiamas laidus darbinis skystis.

MHD generatorių galia tiesiogiai priklauso nuo medžiagos, einančios per jos kanalą, laidumo, jo greičio kvadrato ir magnetinio lauko stiprumo kvadrato. Iš šių ryšių aišku, kad kuo didesnis laidumas, temperatūra ir lauko stiprumas, tuo didesnė galia.

Visi teoriniai praktinio šilumos pavertimo elektra tyrimai buvo atlikti praėjusio amžiaus 50-aisiais. O po dešimtmečio pasirodė bandomosios gamyklos „Mark-V“ JAV, kurių galia siekia 32 MW, ir „U-25“ SSRS – 25 MW. Nuo tada buvo išbandytos įvairios generatorių konstrukcijos ir efektyvūs darbo režimai, išbandomi įvairių tipų darbiniai korpusai ir konstrukcinės medžiagos. Tačiau plazmos generatoriai nebuvo plačiai naudojami pramonėje.

Ką mes turime šiandien? Viena vertus, Ryazanskaya GRES jau veikia kombinuotas maitinimo blokas su MHD generatoriumi, kurio galia 300 MW. Paties generatoriaus naudingumo koeficientas viršija 45%, o įprastų šiluminių elektrinių efektyvumas retai pasiekia 35%. Generatorius naudoja 2800 laipsnių temperatūros plazmą, gaunamą deginant gamtinių dujų, Ir.

Atrodytų, kad plazmos energija tapo realybe. Tačiau panašius MHD generatorius pasaulyje galima suskaičiuoti ant pirštų, o jie buvo sukurti antroje praėjusio amžiaus pusėje.

Pirmoji priežastis akivaizdi: generatoriai reikalauja karščiui atsparaus Statybinės medžiagos. Kai kurios medžiagos buvo sukurtos termobranduolinės sintezės programose. Kiti naudojami raketų moksle ir yra klasifikuojami. Bet kokiu atveju šios medžiagos yra labai brangios.

Kita priežastis – MHD generatorių veikimo ypatumai: jie gamina išskirtinai nuolatinę srovę. Todėl reikalingi galingi ir ekonomiški inverteriai. Net ir šiandien, nepaisant puslaidininkių technologijos pažangos, ši problema nėra iki galo išspręsta. O be šito neįmanoma perduoti didžiulių pajėgumų vartotojams.

Itin stiprių magnetinių laukų kūrimo problema taip pat nebuvo iki galo išspręsta. Netgi superlaidžių magnetų naudojimas neišsprendžia problemos. Visos žinomos superlaidžios medžiagos turi kritinį magnetinio lauko stiprumą, kurį viršijus superlaidumas tiesiog išnyksta.

Galima tik spėlioti, kas gali nutikti staigiai pereinant į normalią laidininkų būseną, kai srovės tankis viršija 1000 A/mm2. Apvijų sprogimas arti beveik iki 3000 laipsnių įkaitintos plazmos pasaulinės katastrofos nesukels, tačiau brangus MHD generatorius tikrai ją išjungs.

Išlieka plazmos kaitinimo iki aukštesnės temperatūros problemos: prie 2500 laipsnių ir priedų šarminių metalų(kalio) plazmos laidumas išlieka labai mažas, nesuderinamas su vario laidumu. Tačiau norint padidinti temperatūrą, vėl reikės naujų karščiui atsparių medžiagų. Ratas užsidaro.

Todėl visi iki šiol sukurti jėgos agregatai su MHD generatoriais demonstruoja pasiektų technologijų lygį, o ne ekonominis pagrįstumas. Šalies prestižas yra svarbus veiksnys, tačiau šiandien kurti brangius ir kaprizingus MHD generatorius yra labai brangu. Todėl net ir patys galingiausi MHD generatoriai lieka bandomųjų gamyklų statusu. Juose inžinieriai ir mokslininkai rengia ateities projektus, išbando naujas medžiagas.

Sunku pasakyti, kada šis darbas baigsis. Įvairių konstrukcijų MHD generatorių gausa leidžia manyti, kad anksčiau optimalus sprendimas dar toli. O informacija, kad termobranduolinės sintezės plazma yra ideali darbo terpė MHD generatoriams, atideda jų platų naudojimą iki mūsų amžiaus vidurio.

Aukštą temperatūrą galima pasiekti naudojant skirtingus būdai. Dažniausias yra deginimas. Teorinė degimo temperatūra organinės medžiagos ore paprastai būna ~2300 K, o kai oksidatorius naudojamas deguonis, gali viršyti 3000 K. Aukštesnės temperatūros pasiekimą šiuo atveju riboja didelis endoterminių degimo produktų disociacijos reakcijų terminis efektas, kuriam reikalingas dideli energijos kiekiai, kurių nesuteikia kuro degimo šiluma.

Kitas būdas pasiekti aukštą temperatūrą yra adiabatinis dujų suspaudimas. Esant dideliam suspaudimo laipsniui, jie gali būti atskirti ir jonizuoti. Tačiau šis metodas nebuvo plačiai pritaikytas plazmos cheminiuose procesuose, nors atrodo, kad jis yra perspektyvus kai kurioms reakcijoms atlikti.

Sąlygos, užtikrinančios žemos temperatūros plazmos gamybą, taip pat gali būti pasiektos smūgio banga esant dideliam Macho skaičiui. Praktiškai tam naudojamas vamzdis, atskirtas membrana, kurios priešingose ​​pusėse yra dujos, kurių slėgis labai skiriasi. Jei membrana sunaikinama, vamzdyje pradeda judėti smūginė banga, kuri leidžia pasiekti reikšmingą temperatūrą esant dideliam pradinio slėgio kritimui. Tačiau šis metodas dėl nuolatinio proceso organizavimo sudėtingumo nebuvo pritaikytas taikomojoje plazmos chemijoje.

Pagrindiniai stacionarios žematemperatūrinės plazmos gavimo būdai yra pagrįsti įvairių elektros išlydžių panaudojimu, pavyzdžiui: švytinčia kibirkštimi; impulsas; barjeras; aukšto dažnio indukcija; aukšto dažnio talpinė; mikrobangų krosnelė; elektros kibirkštis verdančiojoje lovoje; vainikas, žibintuvėlis, elektros lankas; transformatorius. Visi šie išvardyti išlydžiai realizuojami atitinkamuose plazminiuose degikliuose, daugiausia elektros lanko ir mikrobangų krosnelėse.

Iškrovos tipo ir plazminio degiklio konstrukcijos pasirinkimas

Vienos ar kitos elektros iškrovos panaudojimas plazminiam degikliui sukurti, taip pat jo konstrukcija nulemta proceso technologijos ir techninių bei ekonominių rodiklių. Renkantis plazminį degiklį, atsižvelgiama į reikiamą galią, į tam tikros plazmos dujų tarnavimo laiką cheminė sudėtis, plazmos srovės parametrai (temperatūra, greitis, užteršimo elektrodų erozijos produktais nebuvimas), naudingumo koeficientas (dujiniam šildymui sunaudotos energijos santykis ir cheminės reakcijos, iki sunaudotos energijos), priežiūros paprastumas ir naudojimo saugumas. At lemiantis efektyvumąĮrengiant plazminį degiklį reikia atsižvelgti į energijos nuostolius maitinimo šaltinyje ir maitinimo linijose.

Jei nėra specialių reikalavimų tikslinio produkto grynumui, tai dažniausiai pasirenkami elektriniai lankiniai plazminiai degikliai, o jei tokie reikalavimai – beelektrodiniai (indukciniai arba talpiniai) aukšto dažnio plazminiai degikliai. Elektriniai lankiniai plazminiai degikliai veikia beveik bet kokiomis dujomis. Jie taip pat naudojami tais atvejais, kai reikalinga galia viršija 300-500 kW.

Elektriniai lankiniai plazminiai degikliai

Plazminiai degikliai, kuriuose elektros lankas naudojamas įvairioms dujoms šildyti, plačiausiai naudojami įvairiose technologiniai procesai. Jie gamina žemos temperatūros plazmos srovę, kurios vidutinė masės temperatūra yra iki 4000–6000 K dviatominėms ir daugiaatomėms dujoms ir iki 10000–20000 K – vienaatominėms dujoms. Šiuo metu yra elektrinių lankinių plazminių žibintuvėlių, kurių galia nuo kelių kilovatų iki dešimčių megavatų. Priklausomai nuo plazmą formuojančių dujų tipo, veikimo parametrų ir plazminio degiklio konstrukcijos, jo efektyvumas yra 50-97%. Didelės galios plazminių žibintuvėlių tarnavimo laikas siekia 100-1000 valandų.

Panagrinėkime kai kurias elektros lanko ypatybes plazminio degiklio išleidimo kameroje. Padidėjus srovei, einančiai per lanką, kurio neriboja sienos ir laisvai dega tarp dviejų elektrodų, ji plečiasi šiek tiek pasikeitus temperatūrai. Jei lankas dedamas į mažo skersmens vandeniu aušinamą kanalą, tada didėjant srovei, jis, negalėdamas plėstis ir atsitiktinai judėti erdvėje, stabilizuojasi šalia kanalo ašies, o įkrautų dalelių skaičius didėja didėjant. temperatūra ir atitinkamai jonizacijos laipsnis. Plazminiai degikliai, kuriuose lanką stabilizuoja tik šaltos išleidimo kanalo sienelės, o dujų srautas mažas, daugiausia naudojami moksliniams tyrimams.

Yra ir kitų būdų, kaip stabilizuoti lanką, pagrįstą jo išorinių sluoksnių aušinimu (terminiu suspaudimu) išilginiu arba sūkuriu plazmos dujų srautu. Paskutinis metodas (išleidimo stabilizavimas dujų sūkuriu) dažniausiai naudojamas praktikoje.

Teritorijoje didelio tankio srovė, lanko suspaudimas veikiant jo paties magnetiniam laukui (magnetinio suspaudimo efektas) tampa reikšmingas, o tai taip pat prisideda prie jo stabilizavimo.

Elektros lanko struktūrą plazminiuose degikliuose lemia jo sąveika su dujų srautu ir kanalo sienelėmis. Ilgame cilindriniame išleidimo kanale galima išskirti tris būdingas dalis: pradinę, pereinamąją ir turbulentinę. Pradinė dalis yra tarp galinio katodo ir susikirtimo taško išorinė siena terminis lanko sluoksnis su turbulenciniu šaltų plazmą formuojančių dujų ribiniu sluoksniu ant kanalo sienelės. Šioje atkarpoje lankas neturi reikšmingų skersinių pulsacijų, o srautą jame galima laikyti laminariniu. Šilumos srautas į išleidimo kameros sienelę yra mažas ir daugiausia priklauso nuo lanko kolonėlės spinduliuotės.

Pereinamojoje atkarpoje sunaikinamas lanko šiluminis sluoksnis ir intensyviai maišosi šildomos ir šaltos dujos. Atsiranda skersiniai lanko svyravimai, kurie sustiprėja pasroviui ir lemia tai, kad jo ilgis žymiai viršija atstumą, išmatuotą išilgai ašies. Todėl techninė įtampa elektrinis laukas(lanko potencialų skirtumo ir šio atstumo santykis) ženkliai padidėja. Plazminiuose degikliuose, kurių lanko ilgis reguliuojasi, pereinamojoje dalyje įvyksta elektros gedimas tarp lanko ir sienos.

Turbulentinė sekcija pasižymi ryškiomis pulsacijomis ir, nesant papildomo dujų tiekimo, elektrinio lauko stiprumo pastovumu, kuris kelis kartus viršija intensyvumą pradinėje atkarpoje.

Vienas iš svarbių procesų plazminio degiklio lanko kameroje yra manevravimas – elektros gedimas tarp lanko ir sienos (didelio masto manevravimas) ir tarp lanko. atskiri skyriai lenktas lankas (mažo masto šuntavimas), dėl kurio ribojamas lanko ilgis, jo galia ir atsiranda pulsacijų plazmos srovės parametruose.

Siekiant sumažinti eroziją ir pailginti plazminių degiklių tarnavimo laiką, lanko taškas priverstinai perkeliamas aplink elektrodo perimetrą, tangentiškai įpurškiant plazmą formuojančias dujas arba solenoidą, esantį koaksialiai iškrovos kanalui (2.1 pav., a-d). Šio lauko sąveika su radialinės lanko dalies vidiniu magnetiniu lauku sukelia jėgos, dėl kurios lankas sukasi aplink išleidimo kanalo ašį, atsiradimą.

Elektrinių lankinių plazminių žibintuvėlių klasifikacija. Priklausomai nuo klasifikacijos atributo, galima išskirti šiuos elektrinio lanko plazminių žibintuvėlių tipus:

· nuolatinis ir kintamoji srovė;

· vieno lanko ir kelių lankų;

· su vidiniu ir išoriniu lanku; su išilgai pūstu (tiesiniu) ir su skersai pūstu lanku;

· su savaime susireguliuojančiu ir fiksuotu lanko ilgiu;

· su karštais ir šaltais katodais.

Kiekvienas iš nagrinėjamų plazmatronų tipų gali būti klasifikuojamas pagal jų konstrukcijos ypatybes. Ant pav. 2.1 pateikta įvairaus dizainožemos temperatūros plazmos elektros lanko generatoriai.

2.1 pav. Elektrinių lankinių plazminių žibintuvėlių konstrukcijos

a - vienos kameros su karštu katodu; b - vienos kameros su šaltu katodu ir fiksuotu vidutiniu lanko ilgiu; c - dviejų kamerų; d - su tarpelektrodiniais įdėklais; e - su porėtu tarpelektrodiniu įdėklu; e - bendraašis; g - dvipusis ištekėjimas; h - su išplėstu lanku; ir - kelių lankų; k - kintamoji srovė su strypo elektrodais; l - linijinės grandinės kintamoji srovė; m - AC su padalintu antgaliu. 1 - strypo elektrodas; 2 – antgalis (ašimetrinis elektrodas); 3 - diafragma; 4, 5 - izoliatoriai; 6 - solenoidas; 7 - lankas; 8 - pagrindinės dujos; 9 - apsauginės dujos; 10 - plazmos srovė; 11 - sekcijos MEV; 12 - MEA iš akytos medžiagos; 13 - žaliavos; 14 - maitinimo šaltinis

DC plazminiai degikliai paprastos konstrukcijos, patikimos eksploatacijos, todėl dažniausiai naudojamos įvairiuose technologiniuose procesuose.

Plazmatronai su vidiniu lanku yra naudojami žemos temperatūros plazmos srovei gaminti, todėl kartais jie vadinami reaktyvinis(2.1 pav., a-g). Kai kuriais atvejais vienas iš elektrodų yra apdorojama medžiaga, elektrodai yra erdviškai atskirti vienas nuo kito, o dalis lanko yra už išlydžio kanalo ribų (2.1 pav., h). Toks Plazminiai degikliai su išplėstu lankužymiai skiriasi nuo rašalinių.

Priklausomai nuo katodo medžiagos ir jo aušinimo intensyvumo, jis gali veikti šiluminės emisijos (terminis katodas) arba lauko emisijos (šaltasis katodas) principu.

Elektronų darbinei funkcijai sumažinti naudojamas toriuotas (su torio oksido priedais) arba lantanizuotas (su lantano oksido priedais) volframas. Dirbant su agresyviomis plazmą formuojančiomis dujomis, šie katodai turi būti išpūsti apsauginėmis dujomis (2.1 pav., a, d, e). Toriato volframo katodo nepertraukiamo veikimo ištekliai, esant srovėms iki 1000 A vandenilyje ir azote, yra daugiau nei 100 valandų, o argone ir heliu - daugiau nei 200 valandų arba lygiagrečiai išleidimo kanalo ašiai. Po to, kai vienas iš katodų apdoroja nurodytą išteklius, būgnas pasukamas taip, kad naujas strypas būtų sumontuotas išilgai kanalo ašies. Toks kelių padėčių katodas leidžia žymiai padidinti katodo tarnavimo laiką.

Kai plazminis degiklis veikia oksiduojančioje terpėje, kurioje yra deguonies, karšto katodo pūsti inertinėmis dujomis nebūtina. Dažnai naudojami vadinamieji termocheminiai katodai, pagaminti iš cirkonio arba hafnio. Šių medžiagų paviršiuje susidaro oksido plėvelė, kuri aukštoje temperatūroje yra pakankamai laidi elektrai ir kartu apsaugo metalą nuo tolesnio oksidacijos. Cirkonio katodo erozija ~10 -11 kg/C.

Šaltieji katodai atlikti pirmiausia vandeniu aušinamo vario puodelio (2.1 pav., b) arba varinės movos (2.1 pav., c) pavidalu. Elektrinių lankinių plazminių degiklių anodas taip pat daugeliu atvejų yra varinis vandeniu aušinamas antgalis (rankovė). Vario katodo erozija dažniausiai būna 2-3 kartus didesnė už anodo eroziją ir yra (0,8-1).10 -9 kg/C esant srovėms iki 1,2 kA.

Plazmatronai su išilgai pūstu lanku(2.1 pav., a-e, g), kartais vadinamas linijinis, pagal dujų tiekimo principą skirstomi į vienkameres – įvedant plazmą formuojančias dujas per vieną dujų kamerą (2.1 pav., a, b), dvikameres (2.1 pav., c) ir su tarpelektrodiniais įdėklais (2.1 pav., d, e). Lanko stabilizavimas ant išleidimo kameros ašies vienos kameros ir dviejų kamerų plazmatronuose atliekamas naudojant sūkurinį dujų srautą. Išėjimo elektrodas (dažniausiai anodas) pagamintas iš vario, nemagnetinio plieno arba įvairių lydinių, kurių pagrindą sudaro ugniai atspari medžiaga (pavyzdžiui, volframas-varis).

Solenoido magnetinis laukas leidžia perkelti lanko vietą virš elektrodo paviršiaus, o plazminiuose degikliuose su stiklo formos katodu (2.1 pav., b) taip pat neleidžia lankui prisirišti prie stiklo galo. .

Vienkameriai ir dviejų kamerų plazminiai degikliai su cilindriniu išėjimo elektrodo kanalu (2.1 pav., a, c) yra generatoriai. su savaime besireguliuojančiu lanko ilgiu, priklausomai nuo dujų srauto greičio ir išleidimo parametrų. Jei išvesties elektrodas turi staigų išsiplėtimą (2.1 pav., b), sudaromos sąlygos lengvatiniam lanko manevravimui už atbrailos, esant įvairiems parametrų pokyčiams dėl atskirtų srautų šioje srityje. Tokie plazminiai degikliai leidžia fiksuoti lanko ilgį, kuris yra mažesnis už savaime susireguliuojantį ilgį.

Fiksuotas vidutinis lanko ilgis, viršijantį savaime besireguliuojančią, galima gauti plazminiuose degikliuose su interelektrodiniais įdėklais (MEI). Įdėklai yra elektra izoliuoti vienas nuo kito ir nuo elektrodų. Dujų įpurškimas į išleidimo kanalą gali būti atliekamas diskretiškai (2.1 pav., d) arba per porėtą MEW (2.1 pav., e). Plazmatronai su tarpelektroniniais įdėklais pasižymi pakankamai dideliu efektyvumu (ypač kai dujos pučiamos per porėtą sienelę) ir leidžia sąlyginai paprastai padidinti jų galią didinant MEV skaičių.

matmenys plazmatronai su MEI yra maži. Taigi 1500 kW galios generatoriaus, skirto šildyti orą, azotą, vandenilį ir vandenilio bei metano mišinį, ilgis yra 0,8 m, o masė - 40 kg. Vandenilio debitas yra 6-10 g/s, azoto ir oro - 60 g/s. Maksimali vidutinė vandenilio masės temperatūra siekia 3500 K, azoto ir oro - 6000 K. Šiluminis naudingumo koeficientas 0,75-0,85, maksimali srovė 800 A, vandens sąnaudos aušinimui 2 kg/s, katodo resursas 100 val. , anodas - 300 val

Sukurtas iki 5000 kW galios plazminis degiklis su porėtu MEI, jo ilgis iki 1,5 m, išėjimo elektrodo skersmuo iki 80 mm, svoris iki 100 kg. Maksimali vidutinė vandenilio masės temperatūra 4500 K, azoto ir oro - 6000 K. Šiluminis naudingumo koeficientas 0,75-0,85, maksimali srovė 1000 A, vandens debitas iki 12 kg/s, vandens slėgis iki 1 MPa.

Elektrinius lanko šildytuvus taip pat galima priskirti tiesiniams generatoriams. dvišalis galiojimo laikas(2.1 pav., g). Tačiau šie plazminiai degikliai retai naudojami technologiniuose procesuose, nes dėl skirtingų prie išėjimo elektrodų pritvirtintų reaktorių aerodinaminių varžų skiriasi plazmos purkštukų parametrai.

Plazmos generatoriai su skersai pučiamu lanku dažniausiai įgyvendinami bendraašių plazminių žibintuvėlių pavidalu (2.1 pav., e) arba Plazminiai degikliai su išplėstu lanku(2.1 pav., h). Koaksialiame plazminiame degiklyje lankas juda veikiamas išorinio magnetinio lauko elektrodų suformuotame tarpelyje. Dėl didelio elektrodų paviršiaus plazminio degiklio tarnavimo laikas gali būti gana ilgas. Šiuo atveju išleidimo kanalo skersmuo yra didelis, o plazmos srovės greitis mažas. Jei įrengiamas antgalis plazmos srautui formuoti, generatoriaus efektyvumas krenta.

Skersai išpūstas vidinis lankas taip pat gali būti įgyvendintas naudojant du toroidinius arba strypinius elektrodus, esančius išleidimo kameros viduje.

Plazminio cheminio įrenginio galią galima padidinti padidinus plazminio degiklio elektros lanko galią (t. y. srovę ir įtampą), viename reaktoriuje sumontavus kelis plazminius degiklius arba sukūrus plazminius degiklius su keliais lankais. išleidimo kanalas, maitinamas įvairių šaltinių(2.1 pav., i).

Kintamosios srovės plazminiai degikliai pramoninis dažnis turi didelių pranašumų, palyginti su nuolatinės srovės plazminiais degikliais: didelis maitinimo grandinės efektyvumas, lygintuvų nebuvimas ir galimybė sklandžiai reguliuoti darbo srovę. Tačiau kadangi iškrova užgęsta pasikeitus elektrodų poliškumui ir įtampai pereinant per nulį, būtinos specialios priemonės, užtikrinančios stabilų kintamosios srovės lanko degimą.

Pagal elektros lanko stabilizavimo metodą galima išskirti tris kintamosios srovės plazminių deglių tipus: su lanko stabilizavimu elektrodais, su aukšto dažnio sekimu ir kombinuotu (naudojant nuolatinę srovę).

Plačiausiai naudojamas pramonėje plazminiai degikliai su strypo elektrodais(2.1 pav., j), pagaminti iš ugniai atsparios medžiagos (dažniausiai grafito). Naudojant trifazę srovę, tangentinį plazmą formuojančių dujų įpurškimą ir pakankamai arti elektrodų išsidėstymą iškrovos kameros viduje, nuolat palaikomas elektrai laidus dujų sluoksnis, užtikrinantis stabilų plazminio degiklio veikimą keičiant poliškumą.

Siūloma elektrinio lankinio plazminio degiklio su elektrodais, paskirstytais išilgai lankinio kanalo (2.1 pav., l), konstrukcija. Bendras transformatoriaus taškas yra prijungtas prie strypo elektrodo, o faziniai laidai yra prijungti prie vamzdinių elektrodų. Panašiai atliekamas trifazis plazmatronų su trimis vamzdiniais elektrodais įtraukimas. Pagrindinis tokių plazminių degiklių trūkumas yra didelis plazmos srovės parametrų pulsavimas dėl lanko ilgio pasikeitimo, kai keičiasi žiedinių elektrodų poliškumas.

Plazmatronai su padalintu elektrodu(2.1 pav., m) pagal maitinimo schemą yra panašūs į aukščiau aprašytus, tačiau yra stabilesni. Skirtingai nei ankstesniuose plazminiuose degikliuose, juose sunku naudoti solenoidus, kad lanko taškas būtų greitai perkeltas virš elektrodo paviršiaus, o tai sumažina tarnavimo laiką.

Plazminiuose degikliuose su aukšto dažnio sekimu pasiekiamas stabilus pramoninio dažnio kintamosios srovės lanko degimas lygiagretus ryšys prie RF generatoriaus elektrodų, kurie užtikrina stabilų galios lanko paviršinį užsidegimą. Tokio plazminio degiklio trūkumas yra būtinybė naudoti papildomą (nors ir mažos galios) maitinimo šaltinį RF iškrovimui ir jo valdymui.

IN Pastaruoju metu naudojami vis dažniau kombinuoto tipo plazmatronai , kuriame pagrindinį energijos indėlį suteikia kintamoji srovė, o nuolatinė srovė naudojama tik stacionariai plazmos srovės generavimui mažai energijos, kuris apsaugo pagrindines iškrovas nuo išnykimo. Tokie plazminiai degikliai gali stabiliai veikti esant įvairiems srovės ir dujų srautams. Tokio elektros lanko generatoriaus pavyzdys gali būti 2.1 pav. h pavaizduotas dizainas, jei prie 1 ir 3 elementų prijungtas kintamosios srovės šaltinis. Panašiai išdėstytas ir kombinuotas trifazis srovės plazminis degiklis. Kai kuriais atvejais prie išėjimo elektrodų prijungiami ir kintamosios srovės, ir nuolatinės srovės šaltiniai, o tai leidžia pailginti tarnavimo laiką. Kitas kombinuoto plazminio degiklio pavyzdys yra 2.1 pav. parodyta konstrukcija, kurioje antrasis šaltinis 14, sujungtas su dviem vamzdiniais elektrodais, yra pakeistas kintamosios srovės maitinimo šaltiniu.

Aukšto dažnio plazminiai degikliai

Kaip minėta aukščiau, aukšto dažnio iškrovos (ir atitinkamai plazmatronai) gali būti elektrodinės (korona, degiklis) ir be elektrodų (HF - aukšto dažnio indukcija, RF - aukšto dažnio talpinė, mikrobangų krosnelė - mikrobangų krosnelė). Pagrindiniai beelektrodinių plazminių degiklių pranašumai prieš elektrodinius (įskaitant elektros lankinius) yra šie:

Didelis darbo resursas (tūkstančiai valandų);

Plazminiame-cheminiame reaktoriuje pagamintų medžiagų neužterštos elektrodų erozijos produktais;

Gebėjimas dirbti su grynu deguonimi ir kitomis agresyviomis plazmos dujomis.

Aukšto dažnio plazminių žibintuvėlių trūkumai apima žemą bendrą įrenginių efektyvumą ir didelės galios įrenginių kūrimo sudėtingumą. Taigi RF plazmatronų galia ~0,5 MW (ir iki 1 MW), mikrobangėms ~0,1 MW, o naudingumo koeficientas neviršija 0,6.

Terminas „mikrobangų plazma“ apjungia plazmos darinius, gautus įvairiuose mikrobangų prietaisuose (plazminiuose degikliuose). Šiuo metu plazmai gauti yra sukurta daugybė mikrobangų prietaisų, o pastarųjų savybės neišvengiamai priklauso nuo jos gamybos būdo. Šie prietaisai nustato elektromagnetinio lauko struktūrą, įrenginio energinį efektyvumą, pralaidumą, plazmos savybių priklausomybę nuo dažnio, minimalios ir didžiausios galios lygius. Todėl, jei reikia analizuoti tokią plazmą, tikslingiau apsvarstyti mikrobangų iškrovimo sistemą, reprezentuojančią plazmą konkrečiame dujų išlydžio įrenginyje.

mikrobangų iškrovos(mikrobangų iškrovos) paprastai vadinamos elektromagnetinių bangų, kurių dažnis viršija 300 MHz, sukuriamos iškrovos. Pramonės, medicinos ir mokslo reikmėms leidžiami dažniai yra 460, 915, 2450, 5800, 22125 MHz. Dažniausiai naudojamas 2450 MHz dažnis.

Mikrobangų iškrovos užėmė tvirtą vietą tarp kitų plazmos generatorių. Tokių išlydžių ir juose gaunamos plazmos savybės yra įvertinamos visais aspektais, susijusiais su plazmos fizika, plazmos chemija ir plazmos technologijomis.

Gamybos metodai ir metodai, naudojami mikrobangų plazmai gauti, atitinka mikrobangų diapazoną ir skiriasi nuo naudojamų žemesniais dažniais. Plazmą galima sukurti esant slėgiui nuo 1,33,10 -2 Pa iki atmosferos impulsiniu ir nuolatiniu režimu, vidutinė naudojama galia svyruoja nuo kelių vatų iki šimtų kilovatų.

Pagrindinis mikrobangų išlydžio elementas yra įtaisas, leidžiantis į iškrovos tūrį įvesti elektromagnetinę energiją. Yra apie 10 grupių, į kurias sąlygiškai galima suskirstyti visas mikrobangų diapazono struktūras.

Pagrindiniai mikrobangų iškrovimo pranašumai yra šie:

· Lengvai gaunama plazma su dideliu savituoju energijos įėjimu (> 1 W/cm 3 ).

Lengvas plazmos gavimas su mažomis energijos sąnaudomis (<< 1Вт/см 3).

· Platus darbinių slėgių diapazonas (nuo 1.33.10 -2 Pa iki slėgių, viršijančių atmosferinį).

· Galimybė sukurti tiek pusiausvyros, tiek iš esmės nepusiausvyros plazmą.

· Lengvas vidinės iškrovos struktūros valdymas keičiant mikrobangų energijos įvedimo į plazmą įrenginio elektrodinamines charakteristikas.

· Galimybė sukurti plazmą beelektrodinėse ir elektrodinėse sistemose (pastaruoju atveju nėra tūrio ir mėginių užteršimo elektrodų erozijos produktais).

· Galimybė sukurti plazmą mažuose ir dideliuose tūriuose, įskaitant laisvą erdvę (Žemės atmosferą).

· Galimybė apdoroti didelius paviršius skenuojant plazmos susidarymo plotą, kurio matmenys yra maži.

· Galimybė bendrai plazmą ir elektromagnetinį lauką veikti plazmoje esančius objektus, siekiant padidinti proceso efektyvumą.

· Sukurtos įvairių efektyvių mikrobangų plazmos generatorių šeimos leidžia pasirinkti dizainą bet kokiam pritaikymui.