Постигането на високи температури е възможно по различни начини начини. Най-често срещаното е изгарянето. Теоретичната температура на изгаряне на органични вещества във въздуха обикновено е ~ 2300 K, а когато кислородът се използва като окислител, тя може да надвиши 3000 K. Постигането на по-високи температури в този случай е ограничено от значителния топлинен ефект на ендотермичните реакции на дисоциация на горенето продукти, които изискват голямо количество енергия, която не се осигурява от топлината на изгаряне на горивото.

Друг начин за постигане на високи температури е адиабатното компресиране на газове. При висока степенкомпресията може да извърши тяхната дисоциация и йонизация. Въпреки това, този метод не е намерил широко приложение в плазмено-химичните процеси, въпреки че изглежда обещаващ за някои реакции.

Условия, осигуряващи производството на нискотемпературна плазма, могат да бъдат постигнати и при ударна вълна високи числаМаха. На практика за това се използва тръба, разделена с мембрана, от противоположните страни на която има газ със значително различно налягане. Ако мембраната се разруши, в тръбата започва да се движи ударна вълна, което й позволява да достигне значителни температури при големи начални падове на налягането. Въпреки това, поради сложността на организирането на непрекъснат процес, този метод не е намерил приложение в приложната плазмена химия.

Основните методи за получаване на стационарна нискотемпературна плазма се основават на използването на различни електрически разряди, като: светеща искра; пулс; бариера; високочестотна индукция; високочестотен капацитивен; ултра висока честота; електрическа искра в кипящ слой; корона, факла, електрическа дъга; трансформатор Всички тези изброени разряди се реализират в подходящи плазмени горелки, предимно електродъгови и микровълнови.

Избор на вида на разряда и конструкцията на плазмената горелка

Използването на един или друг електрически разряд за създаване на плазмотрон, както и неговият дизайн се определят от технологията и технико-икономическите показатели на процеса. Когато избирате плазмена горелка, вземете предвид необходимата мощност, експлоатационния живот на плазмообразуващия газ на даден химически състав, параметри на плазмената струя (температура, скорост, липса на замърсяване от продукти от ерозия на електрода), ефективност (съотношение на енергията, изразходвана за нагряване на газ и химически реакции, до консумация на енергия), лекота на поддръжка и безопасност на работа. При определяне на ефективносттаПри инсталиране на плазмена горелка трябва да се вземат предвид загубите на енергия в източника на захранване и захранващите линии.

Ако няма специални изисквания за чистотата на целевия продукт, тогава най-често се избират електродъгови плазмотрони, а ако има такива, се избират безелектродни (индукционни или капацитивни) високочестотни плазмотрони. Електродъговите плазмени горелки работят с почти всеки газ. Те се използват и в случаите, когато необходимата мощност надвишава 300-500 kW.

Електродъгови плазмени горелки

Плазмените горелки, в които електрическа дъга се използва за нагряване на голямо разнообразие от газове, са най-широко използвани в различни технологични процеси. Те произвеждат струя нискотемпературна плазма със средна масова температура до 4000-6000 K за двуатомни и многоатомни газове и до 10000-20000 K за едноатомни газове. В момента съществуват електродъгови плазмотрони с мощност от няколко киловата до десетки мегавати. В зависимост от вида на плазмообразуващия газ, работните параметри и дизайна на плазмената горелка, нейната ефективност е 50-97%. Срокът на експлоатация на мощните плазмени горелки достига 100-1000 часа.

Нека разгледаме някои характеристики на електрическата дъга в разрядната камера на плазмотрон. С увеличаване на тока, преминаващ през дъга, която не е ограничена от стени и гори свободно между два електрода, тя се разширява с лека промяна в температурата. Ако дъгата се постави вътре в канал с водно охлаждане с малък диаметър, тогава с увеличаването на тока, той, неспособен да се разширява и да се движи хаотично в пространството, се стабилизира близо до оста на канала и броят на заредените частици се увеличава чрез увеличаване на температура и следователно степента на йонизация. Плазмените горелки, при които дъгата се стабилизира само от студените стени на изпускателния канал и разходът на газ е малък, се използват предимно за изследователски цели.

Има и други начини за стабилизиране на дъгата, базирани на охлаждане на нейните външни слоеве (термична компресия) с надлъжен или завихрен поток от плазмообразуващ газ. Последният метод (газовихров разрядна стабилизация) се използва най-често в практиката.

В района високи плътноститок, компресията на дъгата става значителна под влиянието на собствената си магнитно поле(магнитен щипков ефект), което също допринася за нейното стабилизиране.

Структурата на електрическата дъга в плазмотроните се определя от нейното взаимодействие с газовия поток и стените на канала. В дълъг цилиндричен изпускателен канал могат да се разграничат три характерни секции: начална, преходна и турбулентна. Първоначалният участък е разположен между крайния катод и пресечната точка външна границатоплинен слой на дъгата с турбулентен граничен слой от студен плазмообразуващ газ върху стената на канала. В този участък дъгата няма значителни напречни пулсации и потокът в нея може да се счита за ламинарен. Топлинният поток към стената на разрядната камера е малък и се определя главно от излъчването на дъговия стълб.

В преходния участък термичният слой на дъгата се разрушава и се получава интензивно смесване на нагрят и студен газ. Появяват се напречни колебания на дъгата, които се увеличават надолу по течението и водят до факта, че нейната дължина значително надвишава разстоянието, измерено по оста. Следователно техническо напрежение електрическо поле(съотношението на потенциалната разлика на дъгата към това разстояние) се увеличава значително. При плазмените горелки със саморегулираща се дължина на дъгата, електрическият пробив между дъгата и стената възниква в преходната част.

Турбулентният участък се характеризира със значителни пулсации и, при липса на допълнително подаване на газ, постоянна напрегнатост на електрическото поле, която е няколко пъти по-висока от интензитета в началния участък.

Един от важните процеси в дъговата камера на плазмената горелка е шунтирането - електрически пробив между дъгата и стената (мащабно шунтиране) и между отделните участъци на извитата дъга (мащабно шунтиране), което води до ограничение в дължината на дъгата, нейната мощност и появата на пулсации в параметрите на плазмената струя.

За да се намали ерозията и да се увеличи експлоатационният живот на плазмените горелки, петното на дъгата се премества принудително около обиколката на електрода чрез тангенциално въвеждане на плазмообразуващ газ или соленоид, разположен коаксиално на канала за разреждане (фиг. 2.1, a-e). Взаимодействието на това поле със собственото магнитно поле на радиалното сечение на дъгата води до възникване на сила, която кара дъгата да се върти около оста на изпускателния канал.

Класификация на електродъговите плазмотрони.В зависимост от характеристиката, залегнала в класификацията, могат да се разграничат следните видове електродъгови плазмотрони:

· постоянно и AC;

· еднодъгови и многодъгови;

· с вътрешна и външна дъга; с надлъжно издухана (линейна) и напречно издухана дъга;

· със самоподравняване и фиксирана дължина на дъгата;

· с горещ и студен катод.

Всеки от разгледаните видове плазмени горелки може да бъде класифициран според конструктивните характеристики. На фиг. 2.1 представени различни дизайниелектродъгови генератори на нискотемпературна плазма.

Фиг.2.1. Конструкции на електродъгови плазмени горелки

а – еднокамерен с горещ катод; б – еднокамерен със студен катод и фиксирана средна дължина на дъгата; в – двукамерен; d – с междуелектродни вложки; d – с пореста междуелектродна вложка; e – коаксиален; g – двупосочен отток; h – с удължена дъга; и – многодъгова; k – променлив ток с пръчковидни електроди; l – линейна верига за променлив ток; m – променлив ток с разделена дюза. 1 – пръчков електрод; 2 – дюза (осесиметричен електрод); 3 - диафрагма; 4, 5 – изолатори; 6 – соленоид; 7 – дъга; 8 – главен газ; 9 – защитен газ; 10 – плазмена струя; 11 – MEV секции; 12 – MEV от порест материал; 13 – суровини; 14 – захранване

Плазматрони DC прост дизайн, надежден при работа и следователно най-често използван в различни технологични процеси.

Плазмени горелки с вътрешно разпределениедъгиизползвани за производство на струя нискотемпературна плазма, така че понякога се наричат струя(Фиг. 2.1, a-g). В някои случаи един от електродите е обработваният материал, електродите са пространствено отделени един от друг и част от дъгата е разположена извън разрядния канал (фиг. 2.1, з). Такива плазмени горелки с удължена дъгазначително различен от мастиленоструйния.

В зависимост от материала на катода и интензивността на охлаждането му, той може да работи на принципа на термична емисия (термичен катод) или полева емисия (студен катод).

За да се намали работата на електрона, се използва ториран (с добавки на ториев оксид) или лантанов (с добавки на лантанов оксид) волфрам. При работа с агресивни плазмообразуващи газове тези катоди трябва да се продухват със защитен газ (фиг. 2.1, а, г, д). Ресурсът на непрекъсната работа на торииран волфрамов катод при токове до 1000 A във водород и азот е повече от 100 часа, а в аргон и хелий - над 200 часа За да се увеличи експлоатационният живот на плазмените горелки с термични катоди, много волфрам пръти са запоени около периметъра на водно охлаждан меден барабан, чиято ос е перпендикулярна или успоредна на оста на изпускателния канал. След като един от катодите изработи даден експлоатационен живот, барабанът се завърта, така че новият прът да се монтира по оста на канала. Такъв многопозиционен катод може значително да увеличи експлоатационния живот на катода.

При работа на плазмената горелка в окислителна среда, съдържаща кислород, не е необходимо продухване на горещия катод с инертен газ. Често се използват така наречените термохимични катоди от цирконий или хафний. На повърхността на тези материали се образува оксиден филм, който е достатъчно електропроводим при високи температурии в същото време предпазва метала от по-нататъшно окисляване. Ерозията на циркониевия катод е ~10 -11 kg/C.

Студени катодиизпълнява се предимно под формата на медно стъкло с водно охлаждане (фиг. 2.1, b) или медна втулка (фиг. 2.1, c). Анодът на електродъговите плазмотрони също в повечето случаи е медна дюза с водно охлаждане (втулка). Ерозията на медния катод обикновено е 2-3 пъти по-висока от ерозията на анода и възлиза на (0.8-1).10 -9 kg/C при токове до 1.2 kA.

Плазмени горелки с надлъжно издухана дъга(Фиг. 2.1, a-e, g), понякога се нарича линеен, според принципа на газоснабдяване, са разделени на еднокамерни - с въвеждане на плазмообразуващ газ през един газова камера(Фиг. 2.1, a, b), двукамерен (фиг. 2.1, c) и с междуелектродни вложки (фиг. 2.1, d, e). Стабилизирането на дъгата по оста на разрядната камера в еднокамерни и двукамерни плазмени горелки се извършва с помощта на завихрен газов поток. Изходният електрод (най-често анодът) е изработен от мед, немагнитна стомана или различни сплави на основата на огнеупорен материал (например волфрам-мед).

Магнитното поле на соленоида позволява на петното на дъгата да се движи по повърхността на електрода, а в плазмотроните със стъклен катод (фиг. 2.1, b) също така предотвратява завързването на дъгата към края на стъклото.

Еднокамерни и двукамерни плазмени горелки с цилиндричен канал на изходния електрод (фиг. 2.1, a, c) са генератори със саморегулираща се дължина на дъгата, в зависимост от газовия поток и параметрите на изпускане. Ако изходният електрод има рязко разширение (фиг. 2.1, b), се създават условия за преференциално шунтиране на дъгата зад стъпалото в широк диапазон от промени на параметрите поради разделени потоци в тази област. Такива плазматрони ви позволяват да фиксирате дължината на дъгата, която е по-малка от дължината на самонастройването.

Фиксирана средна дължина на дъгата, надвишаващ самонастройващия се, може да се получи с помощта на плазмотрони с междуелектродни вложки (MEI). Вложките са електрически изолирани една от друга и от електродите. Инжектирането на газ в изпускателния канал може да се извърши дискретно (фиг. 2.1, d) или чрез порест MEV (фиг. 2.1, e). Плазмените горелки с междуелектронни вложки имат достатъчно висока ефективност(особено когато газът се инжектира през пореста стена) и правят възможно сравнително просто увеличаване на тяхната мощност чрез увеличаване на броя на MEV.

Размериплазмотроните с MEV са малки. Така генератор с мощност 1500 kW, предназначен да загрява въздух, азот, водород и смес от водород и метан, има дължина 0,8 m и тегло 40 kg. Разходът на водород е 6-10 g/s, на азот и въздух - 60 g/s. Максималната средномасова температура на водорода достига 3500 K, на азота и въздуха - 6000 K. Топлинна ефективност е 0,75-0,85, максимален ток - 800 A, разход на вода за охлаждане - 2 kg/s, живот на катода - 100 часа, на анода - 300 часове

Разработен е плазмотрон с мощност до 5000 kW с порести МЕВ, дължината му е до 1,5 m, диаметърът на изходния електрод е до 80 mm, а теглото му е до 100 kg. Максималната средна масова температура на водорода е 4500 K, на азота и въздуха - 6000 K. Топлинна ефективност е 0,75-0,85, максимален ток - 1000 A, воден поток - до 12 kg / s, водно налягане - до 1 MPa.

Електрическите дъгови нагреватели също могат да бъдат класифицирани като линейни генератори двупосочно изтичане(Фиг. 2.1, g). Тези плазмени горелки обаче рядко се използват в технологичните процеси, тъй като поради различни аеродинамично съпротивлениереактори, закачени към изходните електроди, параметрите на плазмените струи се оказват различни.

Плазмени генератори с напречно издухана дъганай-често се изпълнява под формата на коаксиални плазмени горелки (фиг. 2.1, д) или плазмени горелки с дистанционна дъга(Фиг. 2.1, з). В коаксиална плазмена горелка дъгата се движи под въздействието на външно магнитно поле в междината, образувана от електродите. Поради голямата повърхност на електродите, експлоатационният живот на плазмената горелка може да бъде доста висок. Диаметърът на изпускателния канал в този случай е голям, а скоростта на плазмената струя е ниска. Ако е монтирана дюза за образуване на плазмен поток, ефективността на генератора намалява.

Напречно издухана вътрешна дъга може също да се реализира с помощта на два тороидални или пръчковидни електрода, разположени вътре в разрядната камера.

Увеличаването на мощността на плазмохимичната инсталация може да се постигне чрез увеличаване на мощността на електрическата дъга в плазмотрона (т.е. ток и напрежение), инсталиране на няколко плазмотрона на един реактор или създаване на плазмотрони с няколко дъги в изпускателния канал. , захранвани от различни източници (фиг. 2.1, i) .

AC плазмени горелкииндустриална честота имат значителни предимства в сравнение с DC плазмотроните: висока ефективност на захранващата верига, липса на токоизправители и възможност за плавно регулиране на работния ток. Въпреки това, тъй като когато полярността на електродите се промени и напрежението премине през нула, разрядът изгасва, са необходими специални мерки за осигуряване на стабилно изгаряне на дъгата на променлив ток.

В съответствие с метода за стабилизиране на електрическата дъга могат да се разграничат три вида AC плазмотрони: със стабилизиране на дъгата чрез електроди, с високочестотен съпровод и комбинирани (използващи постоянен ток).

Повечето приложениянамерени в индустрията плазмени горелки с пръчковидни електроди(фиг. 2.1, j), изработени от огнеупорен материал (най-често графит). При използване на трифазен ток, тангенциален вход на плазмообразуващ газ и сравнително близко разположение на електродите вътре в разрядната камера постоянно се поддържа електропроводим слой газ, осигуряващ стабилна работа на плазмената горелка при промяна на полярността.

Предложена е конструкцията на електродъгов плазмотрон с електроди, разпределени по дължината на дъговия канал (фиг. 2.1, l). Общата точка на трансформатора е свързана към прътовия електрод, а фазовите клеми са свързани към тръбните електроди. Трифазното включване на плазмотрони с три тръбни електрода се извършва по подобен начин. Основният недостатък на такива плазмени горелки е голямата пулсация на параметрите на плазмената струя поради промени в дължината на дъгата при промяна на полярността на пръстенните електроди.

Плазмени горелки с разделен електрод(Фиг. 2.1, l) според схемата на захранване са подобни на описаните по-горе, но са по-стабилни. За разлика от предишните плазмени горелки, те затрудняват използването на соленоиди за бързо преместване на петното на дъгата по повърхността на електрода, което намалява експлоатационния живот.

В плазмени факли с високочестотен съпровод стабилно изгарянеПостига се честота на променливотокова дъга паралелна връзкакъм електродите на HF генератора, което осигурява стабилно повърхностно запалване на силовата дъга. Недостатъкът на такава плазмена горелка е необходимостта от използване на допълнителен (макар и с ниска мощност) източник на захранване с RF разряд и неговото управление.

IN напоследъквсе повече и повече широко приложениенамери плазмени горелки от комбиниран тип , в който основният принос на мощност се осигурява от променлив ток, а постоянният ток се използва само за стационарно генериране на плазмена струя ниска мощност, предпазвайки главния разряд от изчезване. Такива плазмени горелки могат да работят стабилно в широк диапазон на ток и газов поток. Пример за такъв генератор на електрическа дъга може да бъде конструкцията, показана на фиг. 2.1, h, ако към елементи 1 и 3 е свързан източник на променлив ток. Комбинираната плазмена горелка с трифазен ток е проектирана по подобен начин. В някои случаи източникът на променлив и постоянен ток е свързан към изходните електроди, което позволява да се увеличи експлоатационният живот. Друг пример за комбинирана плазмена горелка е конструкцията, показана на фиг. 2.1, в която вторият източник 14, свързан към два тръбни електрода, е заменен от захранване с променлив ток.

Високочестотни плазмени горелки

Както беше отбелязано по-горе, високочестотните разряди (и съответно плазматроните) могат да бъдат електродни (корона, горелка) и без електроди (HFI - високочестотна индукция, HF - високочестотна капацитивна, микровълнова - микровълнова). Основните предимства на безелектродните плазмени горелки пред електродните (включително електродъговите) са следните:

Висок експлоатационен живот (хиляди часове);

Без замърсяване на материалите, произведени в плазмохимичния реактор, с продукти от електродна ерозия;

Възможност за работа с чист кислород и други агресивни плазмообразуващи газове.

Недостатъците на високочестотните плазмотрони включват ниската обща ефективност на инсталациите и трудността при създаването на инсталации с висока мощност. Така мощността на високочестотните плазмотрони е ~0,5 MW (и до 1 MW), на микровълните е ~0,1 MW, а ефективността не надвишава 0,6.

Терминът "микровълнова плазма" обединява плазмени образувания, получени в различни микровълнови устройства (плазмотрони). Понастоящем са разработени множество микровълнови устройства за производство на плазма, като свойствата на последната неизбежно зависят от метода на нейното производство. Тези устройства определят структурата електромагнитно поле, енергийна ефективност на устройството, широколентов достъп, зависимост на свойствата на плазмата от честота, минимални и максимални нива на мощност. Следователно, ако е необходимо да се анализира такава плазма, е по-целесъобразно да се разгледа система за микровълнов разряд, представляваща плазмата в конкретно газоразрядно устройство.

Микровълнови разряди(микровълнови разряди) обикновено се наричат ​​разряди, създадени с помощта на електромагнитни вълни с честота над 300 MHz. Разрешените честоти за индустриални, медицински и научни приложения са 460, 915, 2450, 5800, 22125 MHz. Най-често използваната честота е 2450 MHz.

Микровълновите разряди заеха силно място сред другите плазмени генератори. Свойствата на такива разряди и произведената в тях плазма се разглеждат във всички аспекти, свързани с физиката на плазмата, плазмохимията и плазмените технологии.

Производствените методи и техники, които се използват за производство на микровълнова плазма, съответстват на микровълновия диапазон и се различават от използваните за повече ниски честоти. Плазмата може да се създава при налягания от 1.33.10 -2 Pa до атмосферно налягане в импулсен и непрекъснат режим; използваните средни мощности варират от няколко вата до стотици киловати.

Основният елемент на микровълновия разряд е устройство, което позволява въвеждането на електромагнитна енергия в обема на разряда. Има около 10 групи, в които всички микровълнови конструкции могат условно да бъдат разделени.

Основните предимства на микровълновите разряди са:

· Лесно получаване на плазма с висока специфична вложена енергия (> 1 W/cm3).

· Лесно получаване на плазма с ниски енергийни вложения (<< 1Вт/см 3).

· Широк диапазон от работни налягания (от 1.33.10 -2 Pa до налягания над атмосферното).

· Възможност за създаване както на квазиравновесна, така и на съществено неравновесна плазма.

· Лесно управление на вътрешната структура на разряда чрез промяна на електродинамичните характеристики на устройството за въвеждане на микровълнова енергия в плазмата.

· Възможност за създаване на плазма в безелектродни и електродни системи (във последния случай няма замърсяване на обема и пробите с продукти от електродна ерозия).

· Възможност за създаване на плазма в малки и големи обеми, включително свободно пространство (атмосфера на Земята).

· Възможност за обработка на големи повърхности чрез сканиране на площ от образуване на плазма с малък размер.

· Възможност за комбинирано въздействие на плазма и електромагнитно поле върху обекти в плазмата за повишаване на ефективността на процеса.

· Разработените семейства от различни ефективни микровълнови плазмени генератори ви позволяват да изберете дизайн за всяко приложение.

Основата за създаване на нискотемпературна плазма е газоразрядна технология, по-специално плазмотрони или плазмени генератори. Техният тип зависи от това какъв тип разряд се използва в тях. Практически приложения се намират в устройства, използващи дъгови, високочестотни, микровълнови и в някои случаи оптични разряди. Понастоящем най-разпространени са електродъговите и високочестотните плазмени горелки.

Дъгови плазмени горелки. Те реализират дъгов разряд при големи токове (от единици ампера до десетки килоампера и повече). Размерът на дъгата може да варира от няколко милиметра до 1 m или повече, а мощността й може да достигне десетки мегавати. Принципът на работа на дъгова плазмена горелка е прост - между електродите се запалва разряд, който загрява газът, който духа над него, до висока температура. Плазмената горелка с постоянен ток се състои от следните основни компоненти: един (катод) или два (катод и анод) електроди, разрядна камера и блок за подаване на вещество, образуващо плазма.

Структурно могат да се организират плазмени факли по различни начини. Основните сред тях са следните:

С традиционно аксиално разположение на електродите (линейно). Дъгата 1 гори между два водоохлаждаеми електрода 3 (фиг. 4.6.1, а). Плазмообразуващият газ /, подаден тангенциално на разряда, пренася плазмената струя извън разрядната междина. Линейните плазмени горелки постигат най-голяма степен на плазмен разряд, което позволява да се увеличи средното време на престой на химичните агенти в активната зона и разширява възможността за промяна на условията за провеждане на плазмохимични реакции. Дъгата се стабилизира от потока от плазмообразуващ газ, подаден тангенциално към дъговата камера 4 с помощта на вихрова газообразуваща глава. Тъй като, когато разрядът гори, петното на дъгата непрекъснато се движи
по сравнително удължената повърхност на анода, такива структури имат увеличен експлоатационен живот;

С коаксиално разположение на електродите (фиг. 4.6.1, b) и с тороидални електроди (фиг. 4.6.1, c). Те се отличават с компактен дизайн, но имат относително малка активна зона и значително износване на електродните материали, което, от една страна, намалява експлоатационния живот, а от друга страна, интензивно замърсява плазмата с продуктите на тяхната ерозия. За да се намали бързото разрушаване на електродите, към такива вериги често се добавя устройство за въртене на магнитната дъга. Такива плазмени горелки се характеризират с повишена стабилност на изгарянето на разряда в широк диапазон от скорости на потока на плазмения газ;

С двустранен плазмен отток (фиг. 4.6.1, d). Те са аналог на плазмените факли с аксиално разположение на електродите и се отличават със симетричен метод за въвеждане на плазмообразуващ газ в зоната на разреждане, в която той се разпространява в две диаметрално противоположни посоки. В този случай се осигурява непрекъснато движение на дъговите петна на анода и катода, което води до увеличаване на техния експлоатационен живот;

С консумативни електроди

(Фиг. 4.6.1, d. f). Те се използват, когато един от реагентите на плазмохимичната реакция може да бъде материалът на електрода на самата плазмена горелка.

За производството на електроди на електродъгови плазмотрони се използват огнеупорни метали като волфрам, молибден, цирконий, хафний или специални сплави. Срокът на експлоатация на волфрамов катод при токове до 1000 А е няколкостотин часа и се определя главно от естеството на плазмообразуващия газ. Катодите са направени от цирконий или хафний, най-стабилните материали при работа с дъгови плазмени горелки в окислителни среди. На повърхността на тези материали се образува оксиден филм, който, от една страна, добре провежда електрически ток при високи температури, а от друга, предпазва метала от по-нататъшно бързо окисляване.

Често електродите на дъгова плазмена горелка са направени под формата на медни конструкции с водно охлаждане. Ерозията на медните електроди е приблизително с два порядъка по-висока от, например, циркониевите електроди при същите условия.

Отворът на разрядната камера, през който протича плазмата, се нарича плазмена дюза
мотрона. При някои видове дъгови плазмени горелки границата на дюзата е пръстеновиден или тороидален анод. Има две групи дъгови плазмотрони - за създаване на външна плазмена дъга и за създаване на плазмена струя. Устройствата от първата група имат само един електрод (катод), а анодът е самото обработвано тяло (фиг. 4.6.1, в)). В плазмените горелки от втората група плазмата гори между два електрода (катод и анод) и поради входящия плазмообразуващ газ изтича от разрядната камера под формата на тясна дълга струя.

Стабилизирането на разряда в дъговите плазмотрони се осъществява от магнитно поле, газови потоци и стените на разрядната камера и дюзата. Един от често срещаните методи за магнитна стабилизация на струйни плазмени горелки с анод под формата на пръстен или тор, коаксиален на катода, е да се създаде, използвайки соленоид, силно магнитно поле, перпендикулярно на равнината на анода, което принуждава токовия канал на дъгата да се върти непрекъснато, преминавайки около анода. В този случай анодните и катодните петна на дъгата непрекъснато се променят

Четкат се в кръг, което предотвратява разтопяването на електродите или интензивното им разяждане.

Газовата стабилизация на разряда се осъществява чрез тангенциално подаване на стабилизиращ газ в изпускателната междина, докато горещата дъга се изтласква от стените на разрядната камера, предпазвайки последната от прекомерно нагряване и бушуване. Въпреки това, по време на вихрова стабилизация на дъговия разряд, се получава и известно компресиране на плазмения поток, което води до намаляване на обема на реакционната зона, следователно в някои случаи стабилизиращият газов поток не е усукан, а насочен успоредно на колоната на дъгата. Обикновено стабилизиращият газ също е плазмообразуващо вещество. Пример за изчисляване на дъгов плазмотрон с линейна верига е разгледан в.

Мощността на дъговите плазмотрони варира от 0,1... 104 kW; температура на струята на изхода на дюзата 3000...25 000 K; скорост на изтичане на струята 1...104 m/s; промишлена ефективност 50...90%; експлоатационният живот достига няколкостотин часа; Като плазмообразуващи вещества се използват въздух, N2, Ar, H2. NH4, 02, H20, газообразни въглеводороди.

Недостатъците на дъговите плазмени горелки включват невъзможността за получаване на чиста плазма без примеси. Постоянното разрушаване на електродите на дъговата плазмена горелка и замърсяването с продуктите на тяхната плазмена ерозия не позволява използването на тези устройства в тези плазмохимични процеси, които изискват високи изисквания за чистота на получените продукти.

Високочестотните плазмотрони могат да бъдат или електродни, използващи корона, факелни разряди, или безелектродни - високочестотни индукционни (HFI), капацитивни (HF), микровълнови (микровълнови). Основните предимства на безелектродните плазмотрони пред електродните (включително дъговите) са: дълъг експлоатационен живот (няколко хиляди часа); при липса на замърсяване на материалите, получени в плазмохимичния реактор, с продукти от електродна ерозия; възможност за работа с чист кислород или други агресивни газове, образуващи плазма.

Плазмените горелки с висока честота имат един заострен електрод, към който се прилага RF потенциал, достатъчен за разграждане на газа и създаване на плазмена горелка (фиг. 4.6.2), в която

Прахообразни суровини за провеждане на плазмохимични реакции. Тъй като електрод 1 на такава плазмена горелка е в пряк контакт с разряда, той е обект на известна ерозия. Срокът на експлоатация на такива устройства с мощност 20...40 kW е около 1000 часа, тъй като радиочестотната енергия се подава директно в зоната на разряд, няма нужда да се произвежда разрядна камера от диелектрични материали и тя може да бъде направена. от метал.

Високочестотните индукционни (HFI) плазмотрони са най-разпространените от безелектродните плазмотрони. Те се отличават с висока надеждност при работа, относителна простота на дизайна и дълъг експлоатационен живот. Принципът им на действие се основава на възбуждане на разряд от специален индуктор под формата на многооборотна намотка, изработена от медна тръба с водно охлаждане. Вътре в индуктора е поставена разрядна камера, в която се възбужда разряд. Материалът на разрядната камера трябва да е прозрачен за радиочестотното електромагнитно поле, обикновено кварц. На фиг. 4.6.3 показва дизайна на металургичен RF плазмотрон с кварцова разрядна камера, описан в.

В същото време, в случай на плазмохимични реакции, използващи двуфазни потоци, експлоатационният живот на кварцовите разрядни камери става много ограничен поради контакт с гореща твърда фаза. В този случай той често се топи в стените на камерата, което води до постепенно нарушаване на режима на работа на плазмотрона.

Известно е, че затворен цилиндър, изработен от електропроводим материал, е непрозрачен за електромагнитното поле, но ако направите поне един надлъжен разрез в този цилиндър, полето ще проникне свободно вътре. Поради това металните газоразрядни камери за радиочестотни плазматрони се правят разделени или секционни. Специалните разделени метални разрядни камери с водно охлаждане обикновено са направени от мед, т.е. материал с добра електропроводимост. На фиг. 4.6.4 са представени различни конструктивни решения за секционни метални газоразрядни камери, различаващи се по броя на секциите и тяхната форма.

Работната честота на RF плазмените горелки е 200 kHz...40 MHz, мощността може да достигне 1 MW, ефективността на промишлените инсталации е 50... 60%.

В допълнение към HF, в технологията се използва друг вид HF безелектронни плазмени горелки - HF плазмени горелки. Капацитивните радиочестотни плазмотрони имат външни електроди, чийто брой и местоположение спрямо разрядната камера може да варира. От високочестотните плазмени горелки с надлъжно издухване на плазмообразуващ газ най-простата конструкция е с три електрода. В този случай високоволтовият електрод се намира между два заземени (фиг. 4.6.5). Недостатъците на RF плазмотроните включват ниската ефективност на инсталацията (30... 50%).

Тъй като индукционните и капацитивните високочестотни разряди са безелектродни, базираните на тях плазмотрони се използват за нагряване на активни газове (O2, C12, въздух и др.), Пари на агресивни вещества (хлориди, флуориди и др.), А също и в случай на че се изисква генериране на особено чиста плазма.

При избора на нискотемпературен плазмен генератор се вземат предвид необходимата мощност, експлоатационен живот на плазмообразуващ газ с даден химичен състав, параметри на плазмената струя (температура, скорост, допустимост на замърсяване с продукти от ерозия на електрода и др.). . По този начин, ако няма специални изисквания за чистотата на целевия продукт, най-често се избират инсталации, базирани на електродъгови плазматрони. Те се използват и в случаите, когато необходимата мощност надвишава 300...500 kW, което е много по-лесно за изпълнение.

Почти всеки, който се интересува от енергия, е чувал за перспективите на MHD генераторите. Но малцина знаят, че тези генератори са в обещаващ статус повече от 50 години. Проблемите, свързани с плазмените MHD генератори, са описани в статията.

Историята с плазмата, или магнитохидродинамични (MHD) генераториизненадващо подобен на ситуацията с . Изглежда, че е необходима само една стъпка или малко усилие и директното преобразуване на топлината в електрическа енергия ще стане обичайна реалност. Но друг проблем отблъсква тази реалност за неопределено време.

На първо място, относно терминологията. Плазмените генератори са един от видовете MHD генератори. А те от своя страна са получили името си от ефекта от появата на електрически ток, когато електропроводими течности (електролити) се движат в магнитно поле. Тези явления са описани и изследвани в един от клоновете на физиката - магнитохидродинамика. Това е мястото, където генераторите получават името си.

В исторически план първите експерименти за създаване на генератори са били проведени с електролити. Но резултатите показаха, че е много трудно да се ускорят електролитните потоци до свръхзвукови скорости и без това ефективността (ефективността) на генераторите е изключително ниска.

По-нататъшни изследвания бяха проведени с високоскоростни йонизирани газови потоци или плазма. Ето защо, днес, говорейки за перспективите за използване MHD генератори, трябва да имате предвид, че говорим изключително за тяхната плазмена разновидност.

Физически ефектът от появата на потенциална разлика и електрически ток при движение на заряди в магнитно поле е подобен. Тези, които са работили със сензори на Хол, знаят, че когато токът преминава през полупроводник, поставен в магнитно поле, се появява потенциална разлика върху плочите на кристала, перпендикулярни на линиите на магнитното поле. Само при MHD генераторите вместо ток се пропуска проводяща работна течност.

Мощността на MHD генераторите зависи пряко от проводимостта на веществото, преминаващо през неговия канал, квадрата на неговата скорост и квадрата на силата на магнитното поле. От тези съотношения става ясно, че колкото по-високи са проводимостта, температурата и напрегнатостта на полето, толкова по-висока е мощността.

Всички теоретични изследвания за практическото преобразуване на топлина в електричество са извършени още през 50-те години на миналия век. А десетилетие по-късно в САЩ се появиха пилотни инсталации „Mark-V” с мощност 32 MW и „U-25” в СССР с мощност 25 MW. Оттогава са тествани различни конструкции и ефективни режими на работа на генератори, тествани са различни видове работни течности и структурни материали. Но плазмените генератори така и не достигнаха широко индустриално приложение.

Какво имаме днес? От една страна, в Рязанската държавна районна електроцентрала вече работи комбиниран енергоблок с 300 MW MHD генератор. Ефективността на самия генератор надвишава 45%, докато ефективността на конвенционалните топлоцентрали рядко достига 35%. Генераторът използва плазма с температура 2800 градуса, получена от изгарянето на природен газ, и.

Изглежда, че плазмената енергия е станала реалност. Но подобни MHD генератори в света могат да се преброят на едната ръка и те са създадени още през втората половина на миналия век.

Първата причина е очевидна: генераторите изискват топлоустойчиви строителни материали, за да работят. Някои материали са разработени като част от програми за термоядрен синтез. Други се използват в ракетната наука и са класифицирани. Във всеки случай тези материали са изключително скъпи.

Друга причина е начинът, по който работят MHD генераторите: те произвеждат изключително постоянен ток. Затова са необходими мощни и икономични инвертори. Дори и днес, въпреки постиженията на полупроводниковата технология, такъв проблем не е напълно решен. И без това е невъзможно да се прехвърли огромна мощност към потребителите.

Проблемът със създаването на свръхсилни магнитни полета не е напълно решен. Дори използването на свръхпроводящи магнити не решава проблема. Всички известни свръхпроводящи материали имат критична сила на магнитното поле, над която свръхпроводимостта просто изчезва.

Човек може само да гадае какво може да се случи при внезапен преход към нормално състояние на проводници, в които плътността на тока надвишава 1000 A/mm2. Експлозия на намотки в непосредствена близост до плазма, нагрята до почти 3000 градуса, няма да причини глобална катастрофа, но скъп MHD генератор със сигурност ще се провали.

Проблемите с нагряването на плазмата до по-високи температури остават: при 2500 градуса и добавяне на алкални метали (калий), проводимостта на плазмата обаче остава много ниска, несъизмерима с проводимостта на медта. Но повишаващите се температури отново ще изискват нови топлоустойчиви материали. Кръгът се затваря.

Следователно всички създадени досега енергийни блокове с MHD генератори демонстрират по-скоро нивото на постигнатата технология, отколкото икономическата осъществимост. Престижът на страната е важен фактор, но масовото изграждане на скъпи и капризни MHD генератори днес е много скъпо. Следователно дори най-мощните MHD генератори остават в статута на пилотни промишлени инсталации. На тях инженери и учени работят върху бъдещи проекти и тестват нови материали.

Трудно е да се каже кога ще приключи тази работа. Изобилието от различни дизайни на MHD генератори предполага, че оптималното решение е все още далеч. А информацията, че идеалната работна течност за MHD генераторите е плазмата от термоядрен синтез, отлага широкото им използване до средата на нашия век.

За да изрежете дебел метален детайл, можете да използвате три инструмента: мелница, газова кислородна горелка и машина за плазмено заваряване. С помощта на първия получавате равномерен и чист разрез, но само в права линия можете да изрежете шарки, но разрезът се оказва метален и разкъсан. Но третият вариант е гладко изрязани ръбове, които не изискват допълнителна обработка. Освен това по този начин металът може да се реже по всяка извита линия. Вярно е, че плазмената горелка не е евтина, така че много домашни занаятчии се чудят дали е възможно сами да направят това устройство. Разбира се, можете, основното е да разберете принципа на работа на плазмената горелка.

А принципът е съвсем прост. Във вътрешността на ножа е монтиран електрод, изработен от здрав и топлоустойчив материал. По същество това е проводник, към който се прилага електрически ток. Между него и дюзата на ножа се запалва дъга, която загрява пространството вътре в дюзата до 7000C. След това в дюзата се подава сгъстен въздух. Той се нагрява и йонизира, тоест става проводник на електрически ток. Електропроводимостта му става същата като тази на метала.

Оказва се, че самият въздух е проводник, който при контакт с метала образува късо съединение. Тъй като сгъстеният въздух има високо налягане, той се опитва да излезе от дюзата с висока скорост. Този йонизиран въздух с висока скорост е плазма, чиято температура е повече от 20 000C.

В този случай при контакт с метала, който се реже, се образува дъга между плазмата и детайла, както е при заваряването с електрод. Нагряването на метала става моментално, площта на нагряване е равна на напречното сечение на отвора в дюзата. Металът на изрязаната част веднага преминава в течно състояние и се издухва от мястото на изрязване от плазмата. Ето как става рязането.

От принципа на работа на машината за плазмено рязане става ясно, че за извършване на този процес ще ви трябва източник на електрическо захранване, източник на сгъстен въздух, горелка, която включва дюза, изработена от топлоустойчив материал, кабели за електроснабдяване и маркучи за подаване на сгъстен въздух.

Тъй като говорим за плазмена горелка, която ще бъде сглобена със собствените си ръце, е необходимо да се вземе предвид факта, че оборудването трябва да е евтино. Следователно като източник на захранване е избран заваръчен инвертор. Това е евтино устройство с добра стабилна дъга, с негова помощ можете да спестите много от консумацията на електрически ток. Вярно е, че може да реже метални детайли с дебелина не повече от 25 mm. Ако има нужда от увеличаване на този индикатор, тогава ще трябва да използвате заваръчен трансформатор вместо инвертор.

Що се отнася до източника на сгъстен въздух, не би трябвало да има проблеми. Обикновен компресор с налягане от 2-2,5 атмосфери перфектно ще поддържа стабилна дъга за рязане. Единственото нещо, на което трябва да обърнете внимание, е обемът на изпускания въздух. Ако процесът на рязане на метали отнема много време, компресорът може да не издържи на такава интензивна работа. Затова се препоръчва да инсталирате приемник след него. По същество това е контейнер, в който ще се натрупва въздух при необходимото налягане. Тук е важно да направите настройката така, че намаляването на налягането в приемника незабавно да доведе до включване на компресора, за да напълни резервоара със сгъстен въздух. Трябва да се отбележи, че днес компресорите в комплект с приемник се продават като един комплекс.

Най-трудният за производство елемент на плазмената горелка е горелката с дюза. Най-лесният вариант е да закупите готова дюза или още по-добре няколко вида с различен диаметър на отвора. По този начин можете да смените дюзата, за да режете различни ширини. Стандартният диаметър е 3 мм. Някои домашни занаятчии правят свои собствени дюзи от топлоустойчиви метали, които не са толкова лесни за получаване. Така че е по-лесно да купувате.

Дюзата се монтира на резачката; тя просто се завинтва на края на горелката. Ако в домашна плазмена горелка се използва инвертор, тогава неговият комплект включва дръжка, върху която можете да прикрепите закупена дюза.

Необходимите елементи на плазмената горелка са заваръчен кабел и маркуч. Обикновено са комбинирани в един комплект, което ги прави удобни за използване. Препоръчително е да изолирате двойния елемент, например да го монтирате вътре в гумен маркуч.

И още един елемент от домашен плазмотрон е осцилатор. Целта му е да запали дъгата в самото начало на работа, тоест това устройство създава първична искра за запалване на неконсумируемия електрод. В този случай няма нужда да докосвате металната повърхност с края на консуматива. Осцилаторите работят както на променлив, така и на постоянен ток. Ако във фабричните устройства това устройство е монтирано вътре в корпуса на оборудването, тогава в домашни устройства може да се монтира до инвертора, свързан с проводници.

Необходимо е да се разбере, че осцилаторът е предназначен само за запалване на дъгата. Тоест, след като се стабилизира, устройството трябва да се изключи. Схемата на свързване се основава на използването на реле, с помощта на което се контролира процесът на стабилизиране. След като устройството е изключено, дъгата работи директно от инвертора.

Както можете да видите, нямате нужда от чертежи, за да сглобите сами плазмена горелка. Целият монтаж е доста прост, основното е да се спазват правилата за безопасност. Например заваръчният кабел е свързан с болтове, маркучи за сгъстен въздух с фабрични гофрове и скоби.

Как работи домашно направена плазмена горелка

По принцип домашният плазмотрон работи точно като фабричния. Вярно е, че има собствен ресурс, в зависимост главно от материала, от който е направена дюзата.

• Първо се включват осцилаторът и инверторът, през които се подава ток към електрода. Запалва се. Запалването се управлява от бутон, разположен на дръжката на горелката.
• 10-15 секунди, през което време пилотната дъга ще запълни цялото пространство между електрода и дюзата. Сега можете да подадете сгъстен въздух, тъй като през това време температурата вътре в дюзата ще достигне 7000C.
• Веднага след като плазмата излезе от дюзата, можете да продължите към процеса на рязане на метала.
• Много е важно да направлявате горелката правилно по предвидения път на рязане. Например, ако скоростта на движение на фрезата не е много висока, това е гаранция, че ширината на среза ще бъде голяма, плюс ръбовете ще бъдат определено неравномерни с увисване и тромави. Ако скоростта на фрезата, напротив, е висока, тогава разтопеният метал ще бъде слабо издухан от зоната на рязане, което ще доведе до образуването на накъсан разрез и неговата непрекъснатост ще се загуби. Следователно е необходимо експериментално да изберете скоростта на рязане.

Много е важно да изберете правилния материал за направата на електрода. Най-често за това се използват хафний, берилий, торий или цирконий. Когато са изложени на високи температури, на повърхността се образуват огнеупорни оксиди на тези метали, така че електродът от тях се разрушава бавно. Вярно е, че нагретият берилий става радиоактивен, а торият започва да отделя токсични вещества. Следователно най-добрият вариант е хафниевият електрод.

Стабилизирането на налягането на изхода на приемника се осигурява от монтиран редуктор. Той е евтин, но решава проблема с равномерното подаване на сгъстен въздух към дюзата на ножа.

Всички работи по работа с домашна машина за плазмено рязане трябва да се извършват само в защитно облекло и обувки. Необходими са ръкавици и очила.

Що се отнася до размера на дюзата, не се препоръчва да я правите много дълга. Това води до бързото му разрушаване. Освен това е много важно да зададете правилно режима на рязане. Работата е там, че понякога в домашните плазмени резачки не се появява една дъга, а две. Това се отразява негативно на работата на самото устройство. И разбира се, това намалява експлоатационния му живот. Дюзата просто започва да се влошава по-бързо. И инверторът може да не издържи на такова натоварване, така че има вероятност да се повреди.

И едно последно нещо. Характерна особеност на този вид рязане на метал е неговото разтопяване само на мястото, засегнато от плазмения поток. Следователно е необходимо да се гарантира, че мястото на изрязване е разположено в центъра на края на електрода. Дори минималното изместване на петното ще доведе до отклонение на дъгата, което ще създаде условия за образуване на неправилен разрез и съответно намаляване на качеството на самия процес.

Както можете да видите, моделът на процеса на рязане зависи от много фактори, следователно, когато сглобявате плазмена горелка без помощта на специалисти със собствените си ръце, трябва стриктно да спазвате всички изисквания за всеки елемент и устройство. Дори малки отклонения ще намалят качеството на рязане.

Науката знае със сигурност: колкото повече се нагрява парата, толкова по-изгодно е превръщането на топлината в работа. Ако в обикновена съвременна електроцентрала температурата на парата се повиши до 1000-1500°, нейната ефективност автоматично ще се увеличи един път и половина. Но проблемът е, че няма начин да направите това, защото такава ужасна топлина много бързо ще унищожи всяка турбина.

Това означава, разсъждават учените, че трябва да се опитаме да се справим изцяло без турбина. Необходимо е да се изгради генератор, който сам да преобразува енергията на поток от горещ газ в електрически ток! И го построиха. Бързо развиващата се наука за магнитохидродинамиката, която изучава движението на течности, които провеждат електрически ток в магнитно поле, помогна за изграждането на плазмен генератор на електричество.

Беше открито, че проводяща течност, поставена в магнитно поле, не се различава по поведение от твърд проводник, като метал. Но ние добре знаем какво се случва в метален проводник, ако се премести между полюсите на магнит: в него се индуцира (индуцира) електрически ток. Това означава, че ще се появи ток в поток от течност, ако този поток пресече магнитно поле.

Все още обаче не беше възможно да се изгради генератор с течен проводник. Течната струя трябваше да се ускори до много висока скорост и това изисква огромно количество енергия, по-голямата част от която се губи в самата струя чрез турбуленция. Тогава се появи мисълта: не трябва ли да заменим течността с газ? В края на краищата ние отдавна сме в състояние да придадем огромни скорости на газови струи - просто си спомнете реактивния двигател. Но тази мисъл трябваше да бъде изхвърлена веднага: нито един газ не провежда ток.

Изглеждаше като пълна задънена улица. Твърдите проводници не могат да издържат на високи температури; течностите не се ускоряват до високи скорости; газовете изобщо не са проводници. но...

Свикнали сме да мислим, че материята може да съществува само в три състояния - твърдо, течно и газообразно. И в края на краищата това се случва и в четвърто състояние - плазма. Както е известно, Слънцето и повечето звезди са направени от плазма. Ето го - плазмен генератор на електричество!

Плазмата е газ, но йонизиран

В него сред молекулите има заредени йони, т.е. "фрагменти" от атоми с нарушени електронни орбити. Има и свободни електрони. Йоните и електроните са носители на електрически заряди, което означава, че плазмата е електропроводима.

Но за да се получи плазма, е необходимо газът да се нагрява по-интензивно. С повишаването на температурата молекулите на газа се движат все по-бързо и по-бързо и често се сблъскват яростно една с друга. Идва момент, в който молекулите постепенно се разпадат на атоми. Но газът все още не провежда ток. Нека продължим да го загряваме!

Термометърът показваше 4000°. Атомите придобиха висока енергия. Техните скорости са огромни и някои сблъсъци завършват "катастрофално": електронните обвивки на атомите се разрушават. Това ни трябва - сега в газа има йони и електрони - появи се плазма.

Загряването на газ до 4000° не е лесна задача. Най-добрите видове въглища, нефт и природни газове дават много по-ниска температура на горене. какво трябва да направя

Учените са преодолели и тази трудност. На помощ идва калият, евтиният и широко разпространен алкален метал. Оказа се, че в присъствието на калий йонизацията на много газове започва много по-рано. Веднага щом добавите само един процент калий към обикновените димни газове - продукти от изгарянето на въглища и нефт, йонизацията в тях започва при 3000 ° и дори малко по-ниска.

От пещта, където се раждат горещи газове, те се отклоняват в тръба, където непрекъснато се подава поташ - калиев карбонат - в тънка струя. Получава се слаба, но все пак достатъчна йонизация. След това тръбата плавно се разширява, за да образува дюза.

Свойствата на разширяващата се дюза са такива, че при движение през нея газът набира висока скорост, губейки налягане. Скоростта на излизащите от дюзата газове може да се конкурира със скоростите на съвременните самолети - достига 3200 км/ч.

Гореща плазмена струя избухва в главния канал на генератора

Стените му не са от метал, а от кварц или огнеупорна керамика. Полюсите на силен магнит са свързани към стените отвън. Под въздействието на магнитно поле в плазмата, както във всеки проводник, се индуцира електродвижеща сила.

Сега трябва, както казват електротехниците, да „премахнем“ тока и да го отведем до потребителя. За да направите това, в канала на плазмения генератор се въвеждат два електрода - също, разбира се, неметални, най-често графитни. Ако те са затворени от външна верига, тогава във веригата ще се появи постоянен ток.

В малките плазмени генератори на електричество, които вече са построени в различни страни, ефективността е достигнала 50% (КПД на топлоелектрическа централа е не повече от 35-37%). Теоретично можете да получите 65% и дори повече. Учените, работещи върху плазмен генератор, са изправени пред много проблеми, свързани с избора на материали и увеличаването на живота на генератора (текущите проби работят само за минути).