Yüksek sıcaklıklara ulaşmak farklı yollarla mümkündür yollar. En yaygın olanı yanmadır. Havadaki organik maddelerin teorik yanma sıcaklığı genellikle ~2300 K'dir ve oksitleyici olarak oksijen kullanıldığında 3000 K'yi aşabilir. Bu durumda daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak, yanmanın ayrışmasının endotermik reaksiyonlarının önemli termal etkisi ile sınırlıdır. Yakıtın yanma ısısı ile sağlanmayan, büyük miktarda enerji gerektiren ürünler.

Yüksek sıcaklıklara ulaşmanın bir başka yolu da gazların adyabatik olarak sıkıştırılmasıdır. Şu tarihte: yüksek derece sıkıştırma bunların ayrışmasını ve iyonizasyonunu gerçekleştirebilir. Ancak bu yöntem, bazı reaksiyonlar için umut verici görünse de plazma-kimyasal işlemlerde yaygın kullanım alanı bulamamıştır.

Düşük sıcaklıkta plazma üretimini sağlayan koşullar aynı zamanda bir şok dalgasında da sağlanabilir. yüksek sayılar Maha. Pratikte bunun için, karşıt taraflarında önemli ölçüde gaz bulunan bir membranla ayrılmış bir boru kullanılır. farklı basınç. Membran hasar görürse, borunun içinde bir şok dalgası hareket etmeye başlar ve bu da borunun yüksek başlangıç ​​basınç düşüşlerinde önemli sıcaklıklara ulaşmasını sağlar. Ancak sürekli bir prosesin organize edilmesinin karmaşıklığı nedeniyle bu yöntem uygulamalı plazma kimyasında uygulama alanı bulamamıştır.

Sabit düşük sıcaklıkta plazma üretmenin ana yöntemleri, aşağıdakiler gibi çeşitli elektrik deşarjlarının kullanımına dayanmaktadır: akkor kıvılcım; nabız; bariyer; yüksek frekanslı indüksiyon; yüksek frekanslı kapasitif; ultra yüksek frekans; akışkan yatakta elektrik kıvılcımı; korona, meşale, elektrik arkı; trafo Listelenen bu deşarjların tümü, çoğunlukla elektrik arkı ve mikrodalga torçları olmak üzere uygun plazma torçlarında uygulanır.

Deşarj tipinin ve plazma torcunun tasarımının seçilmesi

Bir plazmatron oluşturmak için bir veya daha fazla elektrik deşarjının kullanılması ve tasarımı, sürecin teknolojisi ve teknik ve ekonomik göstergeleri tarafından belirlenir. Bir plazma torcu seçerken gerekli gücü ve belirli bir gazın plazma oluşturucu gazının çalışma ömrünü dikkate alın. kimyasal bileşim, plazma jetinin parametreleri (sıcaklık, hız, elektrot erozyon ürünleri ile kirlenmenin olmaması), verimlilik (ısıtma gazı için harcanan enerjinin oranı ve kimyasal reaksiyonlar, enerji tüketimine), bakım kolaylığı ve işletme güvenliği. Şu tarihte: verimliliğin belirlenmesi Bir plazma torcu takarken güç kaynağındaki ve besleme hatlarındaki enerji kayıpları dikkate alınmalıdır.

Hedef ürünün saflığı için özel bir gereklilik yoksa, çoğunlukla elektrik ark plazmatronları seçilir ve bu tür gereksinimler mevcutsa elektrotsuz (indüksiyon veya kapasitif) yüksek frekanslı plazmatronlar seçilir. Elektrik ark plazma torçları hemen hemen her gazla çalışır. Gerekli gücün 300-500 kW'ı aştığı durumlarda da kullanılırlar.

Elektrik ark plazma torçları

Çok çeşitli gazları ısıtmak için bir elektrik arkının kullanıldığı plazma torçları en yaygın olarak çeşitli alanlarda kullanılır. teknolojik süreçler. İki atomlu ve çok atomlu gazlar için 4000-6000 K'ye kadar ve tek atomlu gazlar için 10000-20000 K'ye kadar ortalama kütle sıcaklığına sahip düşük sıcaklıkta bir plazma jeti üretirler. Şu anda, birkaç kilowatt'tan onlarca megawatt'a kadar değişen güçlere sahip elektrik ark plazmatronları bulunmaktadır. Plazma oluşturan gazın türüne, çalışma parametrelerine ve plazma torcunun tasarımına bağlı olarak verimliliği %50-97'dir. Yüksek güçlü plazma torçlarının servis ömrü 100-1000 saate ulaşır.

Bir plazmatronun deşarj odasındaki elektrik arkının bazı özelliklerini ele alalım. Duvarlarla sınırlı olmayan ve iki elektrot arasında serbestçe yanan bir arktan geçen akımın artmasıyla birlikte, hafif bir sıcaklık değişimiyle genişler. Ark, su soğutmalı küçük çaplı bir kanalın içine yerleştirilirse, akım arttıkça, genişleyemediği ve uzayda kaotik bir şekilde hareket edemediği için kanal ekseni yakınında stabilize olur ve yüklü parçacıkların sayısı arttıkça artar. sıcaklık ve dolayısıyla iyonlaşma derecesi. Arkın yalnızca boşaltma kanalının soğuk duvarları tarafından stabilize edildiği ve gaz tüketiminin düşük olduğu plazma torçları esas olarak araştırma amaçlı kullanılmaktadır.

Arkı stabilize etmenin, dış katmanlarını uzunlamasına veya dönen bir plazma oluşturucu gaz akışıyla soğutmaya (termal sıkıştırma) dayalı başka yolları da vardır. Son yöntem (gaz-vorteks deşarj stabilizasyonu) pratikte en sık kullanılır.

Bölgede yüksek yoğunluklar akım, arkın sıkıştırılması kendi etkisi altında önemli hale gelir manyetik alan(manyetik sıkışma etkisi), bu da stabilizasyonuna katkıda bulunur.

Plazmatronlardaki elektrik arkının yapısı, gaz akışı ve kanal duvarları ile etkileşimi ile belirlenir. Uzun silindirik bir boşaltma kanalında üç karakteristik bölüm ayırt edilebilir: başlangıç, geçiş ve türbülanslı. Başlangıç ​​bölümü uç katot ile kesişme noktası arasında yer alır dış sınır kanal duvarı üzerinde soğuk plazma oluşturan gazın türbülanslı bir sınır katmanı ile arkın termal katmanı. Bu bölümde arkın önemli enine titreşimleri yoktur ve içindeki akış laminer olarak kabul edilebilir. Boşaltma odasının duvarına olan ısı akışı küçüktür ve esas olarak ark kolonundan gelen radyasyonla belirlenir.

Geçiş bölümünde arkın termal tabakası yok edilir ve ısıtılmış ve soğuk gazın yoğun bir şekilde karışması meydana gelir. Arkın enine salınımları ortaya çıkıyor, aşağı doğru artıyor ve uzunluğunun eksen boyunca ölçülen mesafeyi önemli ölçüde aşmasına yol açıyor. Bu nedenle teknik gerilim Elektrik alanı(ark potansiyeli farkının bu mesafeye oranı) gözle görülür şekilde artar. Kendiliğinden ayarlanan ark uzunluğuna sahip plazma torçlarda, ark ile duvar arasındaki elektrik kesintisi geçiş bölümünde meydana gelir.

Türbülanslı bölüm, önemli titreşimler ve ek gaz kaynağının yokluğunda, başlangıç ​​bölümündeki yoğunluktan birkaç kat daha yüksek olan sabit bir elektrik alan kuvveti ile karakterize edilir.

Bir plazma torcunun ark odasındaki önemli süreçlerden biri manevradır - ark ile duvar arasında (büyük ölçekli manevra) ve kavisli arkın ayrı bölümleri arasında (küçük ölçekli manevra) elektriksel bir arıza olup, bu durum sınırlamaya neden olur. arkın uzunluğu, gücü ve plazma jetinin parametrelerindeki titreşimlerin görünümü.

Erozyonu azaltmak ve plazma torçlarının servis ömrünü uzatmak için ark noktası, plazma oluşturucu bir gazın veya deşarj kanalına eş eksenli olarak yerleştirilmiş bir solenoidin teğetsel olarak sokulması yoluyla elektrotun çevresi etrafında zorla hareket ettirilir (Şekil 2.1, a-e). Bu alanın arkın radyal bölümünün kendi manyetik alanıyla etkileşimi, arkın boşaltma kanalının ekseni etrafında dönmesine neden olan bir kuvvetin ortaya çıkmasına neden olur.

Elektrik ark plazmatronlarının sınıflandırılması. Sınıflandırmanın altında yatan özelliğe bağlı olarak, aşağıdaki elektrik ark plazmatron türleri ayırt edilebilir:

· kalıcı ve alternatif akım;

· tek yaylı ve çok yaylı;

· iç ve dış ark ile; uzunlamasına üflemeli (doğrusal) ve enine üflemeli yay ile;

· kendiliğinden hizalanan ve sabit yay uzunluğuna sahip;

· sıcak ve soğuk katot ile.

Dikkate alınan plazma torç türlerinin her biri tasarım özelliklerine göre sınıflandırılabilir. İncirde. 2.1 sunuldu çeşitli tasarımlar düşük sıcaklıkta plazmanın elektrik ark jeneratörleri.

Şekil 2.1. Elektrik ark plazma torçlarının tasarımları

a – sıcak katotlu tek odacıklı; b – soğuk katotlu ve sabit ortalama ark uzunluğuna sahip tek odacıklı; c – iki odacıklı; d – elektrotlar arası kesici uçlarla; d – gözenekli bir elektrotlar arası ara parça ile; e – koaksiyel; g – iki yönlü çıkış; h – uzatılmış ark ile; ve – çoklu yay; k – çubuk elektrotlu alternatif akım; l – alternatif akım doğrusal devresi; m – bölünmüş nozullu alternatif akım. 1 – çubuk elektrot; 2 - meme (eksenel simetrik elektrot); 3 - diyafram; 4, 5 – izolatörler; 6 - solenoid; 7 – yay; 8 – ana gaz; 9 - koruyucu gaz; 10 – plazma jeti; 11 – MEV bölümleri; 12 – MEV gözenekli malzemeden yapılmış; 13 – hammaddeler; 14 – güç kaynağı

Plazmatronlar doğru akım tasarımı basit, kullanımı güvenilir ve bu nedenle en sık çeşitli teknolojik işlemlerde kullanılır.

Plazma meşaleleri iç düzen yaylar Düşük sıcaklıkta plazma jeti üretmek için kullanılırlar, bu nedenle bazen buna denir. jet(Şekil 2.1, a-g). Bazı durumlarda, elektrotlardan biri işlenen malzemedir, elektrotlar birbirinden mekansal olarak ayrılır ve arkın bir kısmı boşaltma kanalının dışında bulunur (Şekil 2.1, h). Çok Uzatılmış arklı plazma torçları inkjet'ten önemli ölçüde farklıdır.

Katodun malzemesine ve soğutma yoğunluğuna bağlı olarak termal emisyon (termal katot) veya alan emisyonu (soğuk katot) prensibiyle çalışabilir.

Elektron çalışma fonksiyonunu azaltmak için toryumlu (toryum oksit ilavesiyle) veya lantan (lantan oksit ilavesiyle) tungsten kullanılır. Agresif plazma oluşturucu gazlarla çalışırken bu katotların koruyucu bir gazla üflenmesi gerekir (Şekil 2.1, a, d, e). Hidrojen ve nitrojende 1000 A'ya kadar akımlarda toryumlu bir tungsten katodun sürekli çalışma kaynağı 100 saatten fazla, argon ve helyumda ise 200 saatten fazladır. Termal katotlu plazma torçlarının servis ömrünü uzatmak için birçok tungsten kullanılır. çubuklar, ekseni boşaltma kanalının eksenine dik veya paralel olan, su soğutmalı bir bakır tamburun çevresi etrafına lehimlenir. Katotlardan biri belirli bir servis ömrünü tamamladıktan sonra, tambur döndürülerek yeni çubuğun kanal ekseni boyunca takılması sağlanır. Böyle çok konumlu bir katot, katodun servis ömrünü önemli ölçüde artırabilir.

Plazma torcunu oksijen içeren oksitleyici ortamda çalıştırırken, sıcak katoda inert gaz üflemeye gerek yoktur. Zirkonyum veya hafniyumdan yapılan termokimyasal katotlar sıklıkla kullanılır. Bu malzemelerin yüzeyinde elektriksel olarak yeterince iletken olan bir oksit filmi oluşur. yüksek sıcaklıklar ve aynı zamanda metali daha fazla oksidasyondan korur. Zirkonyum katotun erozyonu ~10 -11 kg/C'dir.

Soğuk katotlaröncelikle su soğutmalı bakır cam (Şekil 2.1, b) veya bakır burç (Şekil 2.1, c) şeklinde gerçekleştirilir. Elektrik ark plazmatronlarının anotu aynı zamanda çoğu durumda bakır su soğutmalı bir nozüldür (burç). Bakır katodun erozyonu genellikle anotun erozyonundan 2-3 kat daha fazla olup, 1,2 kA'e kadar akımlarda (0,8-1).10 -9 kg/C tutarındadır.

Uzunlamasına üflemeli arklı plazma torçları(Şekil 2.1, a-e, g), bazen denir doğrusal gaz besleme prensibine göre, tek odacıklı olanlara ayrılır - birinden plazma oluşturucu gazın girmesiyle gaz odası(Şekil 2.1, a, b), iki odacıklı (Şekil 2.1, c) ve elektrotlar arası kesici uçlarla (Şekil 2.1, d, e). Tek odacıklı ve çift odacıklı plazma torçlarında arkın boşaltma odasının ekseni üzerinde stabilizasyonu, dönen bir gaz akışı kullanılarak gerçekleştirilir. Çıkış elektrodu (çoğunlukla anot) bakırdan, manyetik olmayan çelikten veya refrakter malzemeye (örneğin tungsten-bakır) dayalı çeşitli alaşımlardan yapılır.

Solenoidin manyetik alanı ark noktasının elektrot yüzeyi boyunca hareket etmesine izin verir ve cam şeklinde katotlu plazmatronlarda (Şekil 2.1, b) arkın camın ucuna bağlanmasını da önler.

Çıkış elektrotunun silindirik bir kanalına sahip olan tek odacıklı ve iki odacıklı plazma torçları (Şekil 2.1, a, c) jeneratörlerdir kendinden ayarlı ark uzunluğu ile Gaz akışı ve deşarj parametrelerine bağlı olarak. Çıkış elektrodu keskin bir genişlemeye sahipse (Şekil 2.1, b), bu alandaki ayrılmış akışlar nedeniyle geniş bir parametre değişikliği aralığında arkın adımın arkasında tercihli şöntlenmesi için koşullar yaratılır. Bu tür plazmatronlar, kendi kendine hizalanan uzunluktan daha az olan yay uzunluğunu sabitlemenize olanak tanır.

Sabit ortalama yay uzunluğu kendi kendini hizalayanı aşan, elektrotlar arası eklentilere (MEI) sahip plazmatronlar kullanılarak elde edilebilir. Ekler birbirinden ve elektrotlardan elektriksel olarak yalıtılmıştır. Boşaltma kanalına gaz enjeksiyonu ayrı ayrı (Şekil 2.1, d) veya gözenekli bir MEV (Şekil 2.1, e) aracılığıyla gerçekleştirilebilir. Elektronikler arası eklentilere sahip plazma torçları yeterli yüksek verim(özellikle gaz gözenekli bir duvardan enjekte edildiğinde) ve MEV sayısını artırarak güçlerini nispeten basit bir şekilde artırmayı mümkün kılar.

boyutlar MEV'li plazmatronlar küçüktür. Böylece havayı, nitrojeni, hidrojeni ve hidrojen ile metan karışımını ısıtmak için tasarlanmış 1500 kW'lık bir jeneratör 0,8 m uzunluğa ve 40 kg ağırlığa sahiptir. Hidrojen tüketimi 6-10 g/s, nitrojen ve hava tüketimi ise 60 g/s'dir. Hidrojenin maksimum ortalama kütle sıcaklığı 3500 K'ye, nitrojen ve havanın - 6000 K'ye ulaşır. Termal verim 0,75-0,85, maksimum akım - 800 A, soğutma için su tüketimi - 2 kg/s, katot ömrü - 100 saat, anot - 300 saat

Gözenekli MEV'lere sahip 5000 kW'a kadar güce sahip, uzunluğu 1,5 m'ye, çıkış elektrotunun çapı 80 mm'ye ve ağırlığı 100 kg'a kadar olan bir plazmatron geliştirildi. Hidrojenin maksimum ortalama kütle sıcaklığı 4500 K, nitrojen ve havanın - 6000 K'dir. Termal verim 0,75-0,85, maksimum akım - 1000 A, su akışı - 12 kg/s'ye kadar, su basıncı - 1 MPa'ya kadar.

Elektrikli ark ısıtıcıları aynı zamanda doğrusal jeneratörler olarak da sınıflandırılabilir. iki yönlü son kullanma tarihi(Şekil 2.1, g). Ancak bu plazma torçları teknolojik işlemlerde nadiren kullanılır, çünkü farklı aerodinamik direnççıkış elektrotlarına yerleştirilen reaktörler, plazma jetlerinin parametrelerinin farklı olduğu ortaya çıkıyor.

Enine üflemeli arklı plazma jeneratörleriçoğunlukla koaksiyel plazma fenerleri şeklinde uygulanır (Şekil 2.1, e) veya uzaktan arklı plazma torçları(Şekil 2.1, h). Koaksiyel bir plazma torcunda ark, elektrotların oluşturduğu boşlukta harici bir manyetik alanın etkisi altında hareket eder. Elektrotların geniş yüzey alanı nedeniyle plazma torcunun kullanım ömrü oldukça yüksek olabilir. Bu durumda boşaltma kanalının çapı büyüktür ve plazma jetinin hızı düşüktür. Plazma akışı oluşturmak için bir nozül takılırsa jeneratörün verimliliği düşer.

Enine üflemeli bir iç ark, boşaltma odasının içine yerleştirilmiş iki toroidal veya çubuk elektrot kullanılarak da gerçekleştirilebilir.

Plazma kimyasal kurulumunun gücünde bir artış, plazmatrondaki elektrik arkının gücünü (yani akım ve voltajı) artırarak, bir reaktöre birkaç plazmatron yerleştirerek veya boşaltma kanalında birkaç ark içeren plazmatronlar oluşturarak elde edilebilir. , farklı kaynaklardan güç alır (Şekil 2.1, i) .

AC plazma fenerleri endüstriyel frekansın DC plazmatronlara kıyasla önemli avantajları vardır: güç kaynağı devresinin yüksek verimliliği, doğrultucuların olmaması ve çalışma akımını sorunsuz bir şekilde düzenleme yeteneği. Ancak elektrotların polaritesi değiştiğinde ve voltaj sıfırdan geçtiğinde deşarj söndüğünden, alternatif akım arkının stabil yanmasını sağlamak için özel önlemler alınması gerekir.

Elektrik arkını stabilize etme yöntemine uygun olarak, üç tip AC plazmatron ayırt edilebilir: elektrotlarla ark stabilizasyonu, yüksek frekans eşliğinde ve kombine (doğru akım kullanılarak).

Çoğu Uygulama endüstride bulunan çubuk elektrotlu plazma torçları(Şekil 2.1, j), refrakter malzemeden (çoğunlukla grafit) yapılmıştır. Üç fazlı akım, plazma oluşturucu gazın teğetsel girişi ve deşarj odası içindeki elektrotların oldukça yakın düzenlenmesi kullanıldığında, elektriksel olarak iletken bir gaz katmanı sürekli olarak korunur ve polarite değiştiğinde plazma torcunun kararlı çalışmasını sağlar.

Ark kanalının uzunluğu boyunca dağıtılmış elektrotlara sahip bir elektrik ark plazmatronunun tasarımı önerilmiştir (Şekil 2.1, l). Transformatörün ortak noktası çubuk elektrota, faz terminalleri ise boru şeklindeki elektrotlara bağlanır. Üç boru şeklinde elektrota sahip plazmatronların üç fazlı açılması da benzer şekilde gerçekleştirilir. Bu tür plazma torçlarının ana dezavantajı, halka elektrotların polaritesi değiştirilirken ark uzunluğundaki değişikliklerden dolayı plazma jet parametrelerinin büyük titreşimidir.

Bölünmüş elektrotlu plazma torçları(Şekil 2.1, l) güç kaynağı devresine göre yukarıda açıklananlara benzer, ancak daha kararlıdır. Önceki plazma torçlarından farklı olarak, ark noktasını elektrot yüzeyi boyunca hızlı bir şekilde hareket ettirmek için solenoidlerin kullanılmasını zorlaştırırlar ve bu da servis ömrünü kısaltır.

Yüksek frekans eşliğinde plazma fenerlerinde kararlı yanma AC ark güç frekansına ulaşıldı paralel bağlantı Güç arkının stabil yüzey ateşlemesini sağlayan HF jeneratörünün elektrotlarına. Böyle bir plazma torçunun dezavantajı, ek (düşük güçlü de olsa) bir RF deşarj güç kaynağı kullanma ve onu kontrol etme ihtiyacıdır.

İÇİNDE Son zamanlarda Gittikçe daha fazla geniş uygulama bulmak kombine tip plazma torçları , Gücün ana katkısının alternatif akım tarafından sağlandığı ve doğru akımın yalnızca sabit plazma jeti üretimi için kullanıldığı yer düşük güç, ana deşarjı yok olmaktan koruyor. Bu tür plazma torçları geniş akım ve gaz akışı aralıklarında kararlı bir şekilde çalışabilir. Böyle bir elektrik ark jeneratörünün bir örneği, eğer 1 ve 3 numaralı elemanlara bir alternatif akım kaynağı bağlanırsa, Şekil 2.1, h'de gösterilen tasarım olabilir. Kombine üç fazlı akım plazma torçu benzer şekilde tasarlanmıştır. Bazı durumlarda çıkış elektrotlarına hem alternatif hem de doğru akım kaynağı bağlanır, bu da servis ömrünün uzatılmasını mümkün kılar. Kombine plazma torçunun başka bir örneği, Şekil 2.1'de gösterilen tasarımdır; burada iki boru şeklindeki elektrota bağlanan ikinci kaynak (14), alternatif akım güç kaynağıyla değiştirilir.

Yüksek frekanslı plazma fenerleri

Yukarıda belirtildiği gibi, yüksek frekanslı deşarjlar (ve buna göre plazmatronlar) elektrotlu (korona, meşale) ve elektrotsuz (HFI - yüksek frekanslı indüksiyon, HF - yüksek frekanslı kapasitif, mikrodalga - mikrodalga) olabilir. Elektrotsuz plazmatronların elektrotlu plazmatronlara (elektrik arklı olanlar dahil) göre başlıca avantajları şunlardır:

Yüksek servis ömrü (binlerce saat);

Plazma kimyasal reaktöründe üretilen malzemelerin elektrot erozyon ürünleriyle kirlenmemesi;

Saf oksijen ve diğer agresif plazma oluşturucu gazlarla çalışma imkanı.

Yüksek frekanslı plazmatronların dezavantajları, tesislerin genel verimliliğinin düşük olmasını ve yüksek güçlü tesisler oluşturmanın zorluğunu içerir. Böylece, HF plazmatronların gücü ~0,5 MW'tır (ve 1 MW'a kadar), mikrodalgaların gücü ~0,1 MW'tır ve verimlilik 0,6'yı aşmaz.

"Mikrodalga plazma" terimi, çeşitli mikrodalga cihazlarında (plazmatronlar) elde edilen plazma oluşumlarını birleştirir. Şu anda, plazma üretmek için çok sayıda mikrodalga cihazı geliştirilmiştir ve ikincisinin özellikleri kaçınılmaz olarak üretim yöntemine bağlıdır. Bu cihazlar yapıyı tanımlar elektromanyetik alan, cihazın enerji verimliliği, geniş bant, plazma özelliklerinin frekansa bağımlılığı, minimum ve maksimum güç seviyeleri. Bu nedenle, böyle bir plazmanın analiz edilmesi gerekiyorsa, belirli bir gaz deşarj cihazında plazmayı temsil eden bir mikrodalga deşarj sisteminin dikkate alınması daha uygundur.

Mikrodalga deşarjları(mikrodalga deşarjları) genellikle frekansı 300 MHz'i aşan elektromanyetik dalgalar kullanılarak oluşturulan deşarjlara denir. Endüstriyel, tıbbi ve bilimsel uygulamalar için izin verilen frekanslar 460, 915, 2450, 5800, 22125 MHz'dir. En yaygın kullanılan frekans 2450 MHz'dir.

Mikrodalga deşarjları diğer plazma jeneratörleri arasında güçlü bir yer edinmiştir. Bu tür deşarjların ve bunlarda üretilen plazmanın özellikleri, plazma fiziği, plazma kimyası ve plazma teknolojileriyle ilgili tüm yönlerde dikkate alınır.

Mikrodalga plazma üretmek için kullanılan üretim yöntem ve teknikleri, mikrodalga aralığına karşılık gelir ve daha fazla mikrodalga için kullanılanlardan farklıdır. düşük frekanslar. Plazma, darbeli ve sürekli modlarda 1.33.10 -2 Pa'dan atmosferik basınca kadar basınçlarda oluşturulabilir; kullanılan ortalama güçler birkaç watt'tan yüzlerce kilowatt'a kadar değişir.

Mikrodalga deşarjının ana elemanı, elektromanyetik enerjinin deşarj hacmine verilmesini sağlayan bir cihazdır. Tüm mikrodalga tasarımlarının şartlı olarak bölünebileceği yaklaşık 10 grup vardır.

Mikrodalga deşarjlarının başlıca avantajları şunlardır:

· Spesifik enerji girişi yüksek (> 1 W/cm3) plazma elde etme kolaylığı.

· Düşük enerji girdisi ile plazma elde etme kolaylığı (<< 1Вт/см 3).

· Geniş çalışma basıncı aralığı (1.33.10 -2 Pa'dan atmosfer basıncını aşan basınçlara kadar).

· Hem yarı-dengeli hem de büyük ölçüde dengesiz plazma yaratma imkanı.

· Mikrodalga enerjisini plazmaya veren cihazın elektrodinamik özelliklerini değiştirerek deşarjın iç yapısının kontrolünün kolaylığı.

· Elektrotsuz ve elektrotlu sistemlerde plazma oluşturma imkanı (ikinci durumda hacmin ve numunelerin elektrot erozyon ürünleriyle kirlenmesi yoktur).

· Boş alan (Dünya atmosferi) dahil olmak üzere küçük ve büyük hacimlerde plazma oluşturma imkanı.

· Küçük boyutlu plazma oluşumu alanını tarayarak geniş yüzeyleri işleme imkanı.

· Prosesin verimliliğini artırmak için plazma ve elektromanyetik alanın plazmadaki nesneler üzerindeki birleşik etkisinin olasılığı.

· Çeşitli verimli mikrodalga plazma jeneratörlerinin geliştirilmiş aileleri, herhangi bir uygulama için bir tasarım seçmenize olanak tanır.

Düşük sıcaklıkta plazma oluşturmanın temeli, özellikle plazmatronlar veya plazma jeneratörleri olmak üzere gaz deşarj teknolojisidir. Tipleri, içlerinde ne tür deşarjın kullanıldığına bağlıdır. Ark, yüksek frekans, mikrodalga ve bazı durumlarda optik deşarj kullanan cihazlarda pratik uygulamalar bulunur. Şu anda en yaygın olarak elektrik arkı ve yüksek frekanslı plazma torçları kullanılmaktadır.

Ark plazma meşaleleri. Yüksek akımlarda (amper birimlerinden onlarca kiloampere ve daha fazlasına kadar) ark deşarjı uygularlar. Yayın boyutu birkaç milimetreden 1 m veya daha fazlasına kadar değişebiliyor ve gücü onlarca megavata ulaşabiliyor. Ark plazma torçunun çalışma prensibi basittir - elektrotlar arasında, üzerine üflenen gazı yüksek bir sıcaklığa ısıtan bir deşarj ateşlenir. Bir DC ark plazma torçu aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur: bir (katot) veya iki (katot ve anot) elektrot, bir deşarj odası ve bir plazma oluşturucu madde besleme ünitesi.

Yapısal olarak plazma torçları düzenlenebilir Farklı yollar. Bunların başlıcaları şunlardır:

Elektrotların geleneksel eksenel düzeniyle (doğrusal). Ark 1, iki su soğutmalı elektrot 3 arasında yanar (Şekil 4.6.1, a). Boşaltıma teğetsel olarak sağlanan plazma oluşturucu gaz /, plazma jetini boşaltma aralığının ötesine taşır. Doğrusal plazma torçları, kimyasal maddelerin aktif bölgede ortalama kalış süresinin arttırılmasını mümkün kılan ve plazma-kimyasal reaksiyonların yürütülmesi için koşulların değiştirilmesi olasılığını genişleten, en yüksek düzeyde plazma deşarjına ulaşır. Ark, bir girdaplı gaz oluşturma kafası kullanılarak ark odasına (4) teğetsel olarak sağlanan plazma oluşturucu gazın akışıyla stabilize edilir. Deşarj yanarken ark noktası sürekli hareket eder.
anotun nispeten geniş yüzeyi boyunca bu tür yapıların servis ömrü artar;

Elektrotların koaksiyel düzeniyle (Şekil 4.6.1, b) ve toroidal elektrotlarla (Şekil 4.6.1, c). Kompakt tasarımlarla ayırt edilirler, ancak nispeten küçük bir aktif bölgeye ve bir yandan hizmet ömrünü kısaltan, diğer yandan erozyon ürünleriyle plazmayı yoğun bir şekilde kirleten elektrot malzemelerinin önemli ölçüde aşınmasına sahiptirler. Elektrotların hızlı tahribatını azaltmak için, bu tür devrelere genellikle bir manyetik ark döndürme cihazı eklenir. Bu tür plazma torçları, geniş bir plazma gazı akış hızı aralığında deşarj yanmasının artan stabilitesi ile karakterize edilir;

Bilateral plazma çıkışı ile (Şekil 4.6.1, d). Bunlar, eksenel elektrot düzenine sahip bir plazma torçlarının bir analogudur ve plazma oluşturucu gazı, iki taban tabana zıt yönde yayıldığı boşaltma bölgesine vermenin simetrik bir yöntemiyle ayırt edilirler. Bu durumda anot ve katotun ark noktalarının sürekli hareketi sağlanır, bu da hizmet ömrünün uzamasına yol açar;

Sarf malzemesi elektrotları ile

(Şekil 4.6.1, d. f). Plazma-kimyasal reaksiyonun reaktiflerinden biri, plazma torçunun elektrotunun malzemesi olabildiği zaman kullanılırlar.

Elektrik ark plazmatron elektrotlarının üretimi için tungsten, molibden, zirkonyum, hafniyum gibi refrakter metaller veya özel alaşımlar kullanılır. Bir tungsten katodun 1000 A'ya kadar olan akımlarda hizmet ömrü birkaç yüz saattir ve esas olarak plazma oluşturucu gazın doğasına göre belirlenir. Katotlar, oksitleyici ortamlarda ark plazma torçlarını çalıştırırken en dayanıklı malzemeler olan zirkonyum veya hafniyumdan yapılmıştır. Bu malzemelerin yüzeyinde, bir yandan elektrik akımını yüksek sıcaklıklarda iyi ileten, diğer yandan metali daha hızlı oksidasyondan koruyan bir oksit filmi oluşur.

Çoğu zaman, bir ark plazma torçunun elektrotları, bakır su soğutmalı yapılar şeklinde yapılır. Aynı koşullar altında bakır elektrotların erozyonu, örneğin zirkonyum elektrotlardan yaklaşık iki kat daha yüksektir.

Plazmanın aktığı boşaltma odasının açıklığına plazma memesi adı verilir.
Motrona. Bazı ark plazma torç türlerinde nozül sınırı halka şeklinde veya toroidal bir anottur. Harici bir plazma arkı oluşturmak ve bir plazma jeti oluşturmak için iki grup ark plazmatronu vardır. Birinci grubun cihazları yalnızca bir elektrota (katot) sahiptir ve işlenmiş gövdenin kendisi anot görevi görür (Şekil 4.6.1, c)). İkinci grubun plazmatronlarında, plazma iki elektrot (katot ve anot) arasında yanar ve gelen plazma oluşturucu gaz nedeniyle dar uzun bir jet şeklinde boşaltma odasından dışarı akar.

Ark plazmatronlarında deşarj stabilizasyonu, manyetik alan, gaz akışları ve deşarj odasının ve nozulun duvarları tarafından gerçekleştirilir. Katoda eş eksenli, halka veya simit şeklinde bir anotla jet plazma torçlarının manyetik stabilizasyonunun yaygın yöntemlerinden biri, bir solenoid kullanarak anot düzlemine dik güçlü bir manyetik alan oluşturmaktır. ark akımı kanalını anotun etrafında dönerek sürekli dönmeye zorlar. Bu durumda arkın anot ve katot noktaları sürekli değişmektedir.

Elektrotların erimesini veya yoğun erozyonunu önleyen bir daire şeklinde fırçalanırlar.

Deşarjın gaz stabilizasyonu, deşarj boşluğuna stabilize edici gazın teğetsel beslenmesi ile gerçekleştirilir, bu sırada sıcak ark, tahliye odasının duvarlarından uzağa itilir ve ikincisi aşırı ısınmadan ve öfkeden korunur. Bununla birlikte, ark deşarjının girdap stabilizasyonu sırasında, plazma akışının bir miktar sıkıştırılması da meydana gelir, bu da reaksiyon bölgesinin hacminde bir azalmaya yol açar, bu nedenle bazı durumlarda stabilize edici gaz akışı bükülmez, ancak paralel olarak yönlendirilir. yay sütunu. Tipik olarak stabilize edici gaz aynı zamanda plazma oluşturucu bir maddedir. Doğrusal devreli bir ark plazmatronunun hesaplanmasına ilişkin bir örnek ele alınmıştır.

Ark plazmatronlarının gücü 0,1...104 kW arasında değişir; nozul çıkışındaki jet sıcaklığı 3000...25.000 K; jet çıkış hızı 1...104 m/s; endüstriyel verimlilik %50...90; hizmet ömrü birkaç yüz saate ulaşır; Plazma oluşturucu maddeler olarak hava, N2, Ar, H2 kullanılır. NH4, 02, H20, gaz halindeki hidrokarbonlar.

Ark plazma torçlarının dezavantajları arasında safsızlıklardan arınmış temiz plazma elde etmenin imkansızlığı yer alır. Ark plazma torçunun elektrotlarının sürekli imhası ve plazma erozyonunun ürünleriyle kirlenmesi, bu cihazların, elde edilen ürünlerin saflığı için yüksek gereksinimler gerektiren plazma-kimyasal işlemlerde kullanılmasına izin vermez.

Yüksek frekanslı plazmatronlar korona, torç deşarjları kullanan elektrotlar veya elektrotsuz yüksek frekanslı indüksiyon (HFI), kapasitif (HF), mikrodalga (mikrodalga) olabilir. Elektrotsuz plazma torçlarının elektrotlu torçlara (elektrik arklı torçlar dahil) göre başlıca avantajları şunlardır: uzun servis ömrü (birkaç bin saat); plazma-kimyasal reaktörde elde edilen malzemelerin elektrot erozyon ürünleriyle kirlenmemesi durumunda; saf oksijen veya diğer agresif plazma oluşturucu gazlar üzerinde çalışma yeteneği.

Yüksek frekanslı torç plazma torçları, gazı parçalamak ve içine gazın yerleştirildiği bir plazma torçu (Şekil 4.6.2) oluşturmak için yeterli olan RF potansiyelinin uygulandığı tek bir sivri elektrota sahiptir.

Plazma kimyasal reaksiyonlarını gerçekleştirmek için toz benzeri hammaddeler. Böyle bir plazma torcunun elektrotu (1) deşarjla doğrudan temas halinde olduğundan belirli bir erozyona maruz kalır. 20...40 kW gücündeki bu tür cihazların çalışma ömrü yaklaşık 1000 saattir. RF enerjisi doğrudan deşarj bölgesine verildiğinden deşarj odasının dielektrik malzemelerden imalatına gerek yoktur. metalden.

Yüksek frekanslı indüksiyon (HFI) plazmatronları, elektrotsuz plazmatronların en yaygın olanıdır. Operasyonda yüksek güvenilirlik, göreceli tasarım basitliği ve uzun hizmet ömrü ile ayırt edilirler. Çalışma prensibi, su soğutmalı bakır borudan yapılmış çok turlu bobin formundaki özel bir endüktör tarafından bir deşarjın uyarılmasına dayanmaktadır. İndüktörün içine, bir deşarjın uyarıldığı bir deşarj odası yerleştirilmiştir. Deşarj odasının malzemesi genellikle kuvars olmak üzere RF elektromanyetik alanına karşı şeffaf olmalıdır. İncirde. 4.6.3, içinde açıklanan kuvars deşarj odasına sahip bir metalurjik RF plazmatronunun tasarımını göstermektedir.

Aynı zamanda, iki fazlı akışların kullanıldığı plazma-kimyasal reaksiyonlar durumunda, sıcak katı fazla temas nedeniyle kuvars deşarj odalarının hizmet ömrü çok sınırlı hale gelir. Bu durumda, genellikle oda duvarlarında erir ve bu da plazmatron çalışma modunun kademeli olarak bozulmasına yol açar.

Elektriksel olarak iletken malzemeden yapılmış kapalı bir silindirin elektromanyetik alanı geçirmediği bilinmektedir ancak bu silindirde en az bir boylamasına kesim yaparsanız alan içeriye serbestçe nüfuz edecektir. Bu nedenle, RF plazmatronları için metal gaz deşarj odaları bölünmüş veya kesitli yapılmıştır. Özel bölünmüş su soğutmalı metal boşaltma odaları genellikle bakırdan, yani iyi elektrik iletkenliğine sahip bir malzemeden yapılır. İncirde. 4.6.4, kesit sayısı ve şekilleri bakımından farklılık gösteren, kesit metal gaz deşarj odaları için tasarım çözümleri için farklı seçenekler sunmaktadır.

RF plazmatronların çalışma frekansı 200 kHz...40 MHz'dir, güç 1 MW'a ulaşabilir, endüstriyel tesislerin verimliliği %50... 60'tır.

HF'ye ek olarak, teknolojide başka bir tür HF elektronsuz plazma torçları kullanılmaktadır - HF plazma torçları. Kapasitif RF plazmatronları, deşarj odasına göre sayısı ve konumu değişebilen harici elektrotlara sahiptir. Plazma oluşturucu gazın uzunlamasına üflenmesine sahip HF plazma torçları arasında en basit tasarım üç elektrotlu olanıdır. Bu durumda yüksek voltaj elektrodu iki topraklanmış elektrot arasına yerleştirilir (Şekil 4.6.5). RF plazmatronların dezavantajları kurulumun düşük verimliliğini (%30... 50) içerir.

İndüksiyon ve kapasitif yüksek frekanslı deşarjlar elektrotsuz olduğundan, bunlara dayalı plazmatronlar aktif gazları (02, C12, hava vb.), agresif maddelerin buharlarını (klorürler, florürler vb.) ısıtmak için ve ayrıca olayda kullanılır. özellikle saf plazma üretilmesinin gerekli olduğu.

Düşük sıcaklıklı bir plazma jeneratörü seçerken, gerekli güç, belirli bir kimyasal bileşime sahip plazma oluşturucu gazın servis ömrü, plazma jeti parametreleri (sıcaklık, hız, elektrot erozyon ürünleriyle kirlenmeye izin verilebilirlik vb.) dikkate alınır. . Bu nedenle, hedef ürünün saflığı için özel bir gereklilik yoksa, elektrik ark plazmatronlarına dayalı kurulumlar çoğunlukla seçilir. Ayrıca gerekli gücün 300...500 kW'ı aştığı durumlarda da kullanılırlar, bu da uygulanması çok daha kolaydır.

Enerjiyle ilgilenen hemen hemen herkes MHD jeneratörlerinin geleceğini duymuştur. Ancak çok az kişi bu jeneratörlerin 50 yılı aşkın bir süredir umut verici bir durumda olduğunu biliyor. Makalede plazma MHD jeneratörleriyle ilgili sorunlar anlatılmaktadır.

Plazma içeren hikaye veya Manyetohidrodinamik (MHD) jeneratörler ile olan duruma şaşırtıcı derecede benzer. Görünüşe göre sadece bir adım ya da çok az çaba gerekiyor ve ısının doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi ortak bir gerçeklik haline gelecek. Ancak başka bir sorun bu gerçeği sonsuza kadar geri itiyor.

Her şeyden önce terminoloji hakkında. Plazma jeneratörleri MHD jeneratör türlerinden biridir. Ve bunlar da isimlerini, elektriksel olarak iletken sıvılar (elektrolitler) manyetik bir alanda hareket ettiğinde elektrik akımının ortaya çıkmasının etkisinden almıştır. Bu fenomenler fiziğin dallarından birinde tanımlanmış ve incelenmiştir - manyetohidrodinamik. Jeneratörlerin adı buradan alınmıştır.

Tarihsel olarak jeneratör yaratmaya yönelik ilk deneyler elektrolitlerle gerçekleştirilmişti. Ancak sonuçlar, elektrolit akışlarını süpersonik hızlara çıkarmanın çok zor olduğunu ve bu olmadan jeneratörlerin verimliliğinin (verimliliğinin) son derece düşük olduğunu gösterdi.

Yüksek hızlı iyonize gaz akışları veya plazma ile daha ileri çalışmalar yapıldı. Bu nedenle, bugün kullanım umutları hakkında konuşuyoruz MHD jeneratörleri, yalnızca plazma çeşitlerinden bahsettiğimizi unutmamalısınız.

Fiziksel olarak, yükler manyetik alanda hareket ettiğinde potansiyel farkın ve elektrik akımının ortaya çıkmasının etkisi benzerdir. Hall sensörleri ile çalışmış olanlar, manyetik alana yerleştirilmiş bir yarı iletkenden akım geçtiğinde, kristalin manyetik alan çizgilerine dik plakaları üzerinde potansiyel bir fark oluştuğunu biliyorlar. Yalnızca MHD jeneratörlerinde akım yerine iletken bir çalışma sıvısı geçirilir.

MHD jeneratörlerinin gücü doğrudan kanalından geçen maddenin iletkenliğine, hızının karesine ve manyetik alan kuvvetinin karesine bağlıdır. Bu ilişkilerden iletkenlik, sıcaklık ve alan kuvveti ne kadar yüksek olursa, alınan gücün de o kadar yüksek olduğu açıktır.

Isının elektriğe pratik dönüşümü ile ilgili tüm teorik çalışmalar geçen yüzyılın 50'li yıllarında gerçekleştirildi. Ve on yıl sonra, ABD'de 32 MW kapasiteli “Mark-V” ve SSCB'de 25 MW kapasiteli “U-25” pilot tesisleri ortaya çıktı. O zamandan beri jeneratörlerin çeşitli tasarımları ve verimli çalışma modları test edildi, çeşitli çalışma sıvıları ve yapısal malzemeler test edildi. Ancak plazma jeneratörleri hiçbir zaman yaygın endüstriyel kullanıma ulaşmadı.

Bugün neyimiz var? Bir yandan, Ryazan Eyalet Bölge Elektrik Santrali'nde 300 MW MHD jeneratörlü birleşik bir güç ünitesi halihazırda çalışıyor. Jeneratörün verimliliği %45'i aşarken, geleneksel termik istasyonların verimliliği nadiren %35'e ulaşır. Jeneratör, doğal gazın yanmasından elde edilen 2800 derece sıcaklıktaki plazmayı kullanır.

Görünüşe göre plazma enerjisi gerçek oldu. Ancak dünyadaki benzer MHD jeneratörleri bir yandan sayılabilir ve bunlar geçen yüzyılın ikinci yarısında yaratıldı.

Birinci neden açıktır: Jeneratörlerin çalışması için ısıya dayanıklı yapı malzemelerine ihtiyaç vardır. Bazı malzemeler termonükleer füzyon programlarının bir parçası olarak geliştirildi. Diğerleri roket biliminde kullanılır ve sınıflandırılır. Her durumda, bu malzemeler son derece pahalıdır.

Diğer bir neden ise MHD jeneratörlerinin çalışma şeklidir: yalnızca doğru akım üretirler. Bu nedenle güçlü ve ekonomik invertörlere ihtiyaç vardır. Bugün bile yarı iletken teknolojisindeki gelişmelere rağmen bu sorun tam anlamıyla çözülmüş değil. Ve bu olmadan tüketicilere muazzam bir güç aktarmak imkansızdır.

Süper güçlü manyetik alanlar yaratma sorunu tam olarak çözülmedi. Süperiletken mıknatısların kullanılması bile sorunu çözmüyor. Bilinen tüm süperiletken malzemeler kritik bir manyetik alan kuvvetine sahiptir ve bunun üzerine çıkıldığında süperiletkenlik ortadan kalkar.

Akım yoğunluğunun 1000 A/mm2'yi aştığı iletkenlerin normal durumuna ani bir geçiş sırasında ne olabileceği ancak tahmin edilebilir. Neredeyse 3000 dereceye kadar ısıtılan plazmanın yakınındaki sargıların patlaması küresel bir felakete neden olmayacak, ancak pahalı bir MHD jeneratörü kesinlikle başarısız olacaktır.

Plazmayı daha yüksek sıcaklıklara ısıtmanın sorunları devam ediyor: 2500 derecede ve alkali metallerin (potasyum) eklenmesiyle plazmanın iletkenliği çok düşük kalıyor ve bakırın iletkenliğiyle kıyaslanamaz. Ancak artan sıcaklıklar yine ısıya dayanıklı yeni malzemeler gerektirecek. Çember kapanıyor.

Bu nedenle bugüne kadar üretilen MHD jeneratörlü tüm güç üniteleri, ekonomik fizibiliteden ziyade, ulaşılan teknolojinin düzeyini göstermektedir. Ülkenin prestiji önemli bir faktör ama günümüzde devasa ölçekte pahalı ve kaprisli MHD jeneratörleri yapmak çok pahalı. Bu nedenle en güçlü MHD jeneratörleri bile pilot endüstriyel kurulum statüsünde kalmaktadır. Mühendisler ve bilim insanları bunlar üzerinde gelecekteki tasarımlar üzerinde çalışıyor ve yeni malzemeleri test ediyor.

Bu çalışmanın ne zaman biteceğini söylemek zor. MHD jeneratörlerinin farklı tasarımlarının çokluğu, en uygun çözümün hala çok uzakta olduğunu gösteriyor. MHD jeneratörleri için ideal çalışma akışkanının termonükleer füzyon plazması olduğu bilgisi ise bunların yaygın kullanımını yüzyılımızın ortalarına kadar erteliyor.

Kalın bir metal iş parçasını kesmek için üç alet kullanabilirsiniz: bir öğütücü, bir gaz oksijen meşalesi ve bir plazma kaynak makinesi. Birincisinin yardımıyla eşit ve düzgün bir kesim elde edersiniz, ancak yalnızca düz bir çizgide; ikinciyle desenleri kesebilirsiniz, ancak kesim metalik ve yırtık çıkıyor. Ancak üçüncü seçenek, ek işlem gerektirmeyen düzgün kesilmiş kenarlardır. Ayrıca bu sayede metal herhangi bir eğri çizgi boyunca kesilebilir. Doğru, plazma meşalesi ucuz değil, pek çok ev ustası bu cihazı kendilerinin yapmanın mümkün olup olmadığını merak ediyor. Elbette yapabilirsiniz, asıl önemli olan plazma meşalesinin çalışma prensibini anlamaktır.

Ve prensip oldukça basittir. Kesicinin içine dayanıklı ve ısıya dayanıklı malzemeden yapılmış bir elektrot yerleştirilmiştir. Esas itibariyle elektrik akımının uygulandığı bir teldir. Nozül ile kesici nozül arasında, nozulun içindeki alanı 7000C'ye ısıtan bir ark ateşlenir. Daha sonra nozulun içine basınçlı hava verilir. Isınır ve iyonlaşır, yani elektrik akımının iletkeni haline gelir. Elektrik iletkenliği metalinkiyle aynı olur.

Havanın kendisinin metalle temas ettiğinde kısa devre oluşturan bir iletken olduğu ortaya çıktı. Basınçlı hava yüksek basınca sahip olduğundan yüksek hızda nozuldan çıkmaya çalışır. Yüksek hızdaki bu iyonize hava, sıcaklığı 20.000C'nin üzerinde olan plazmadır.

Bu durumda kesilen metal ile temas halinde plazma ile iş parçası arasında elektrot kaynağında olduğu gibi bir ark oluşur. Metalin ısınması anında gerçekleşir; ısıtma alanı, nozüldeki deliğin kesitine eşittir. Kesilen parçanın metali anında sıvı hale gelir ve plazma tarafından kesilen yerden dışarı üflenir. Kesme işlemi bu şekilde gerçekleşir.

Bir plazma kesme makinesinin çalışma prensibinden, bu işlemi gerçekleştirmek için bir elektrik güç kaynağına, bir basınçlı hava kaynağına, ısıya dayanıklı malzemeden yapılmış bir nozül içeren bir torca, kablolara ihtiyacınız olacağı açıkça ortaya çıkıyor. basınçlı hava sağlamak için elektrik ve hortumların sağlanması.

Kendi elinizle monte edilecek bir plazma meşalesinden bahsettiğimiz için ekipmanın ucuz olması gerektiği gerçeğini dikkate almak gerekir. Bu nedenle güç kaynağı olarak bir kaynak invertörü seçilir. Bu, iyi bir stabil arkı olan ucuz bir cihazdır ve yardımıyla elektrik akımı tüketiminden çok tasarruf edebilirsiniz. Doğru, kalınlığı 25 mm'yi geçmeyen metal iş parçalarını kesebilir. Bu göstergeyi artırmaya ihtiyaç duyulursa invertör yerine kaynak transformatörü kullanmanız gerekecektir.

Basınçlı havanın kaynağına gelince, herhangi bir sorun olmamalıdır. 2-2,5 atmosfer basınca sahip normal bir kompresör, kesme için sabit bir arkı mükemmel şekilde koruyacaktır. Dikkat etmeniz gereken tek şey, salınan havanın hacmidir. Metallerin kesilmesi işlemi uzun sürüyorsa kompresör bu kadar yoğun çalışmaya dayanamayabilir. Bu nedenle arkasına bir alıcı takılması tavsiye edilir. Esasen bu, gerekli basınçta havanın birikeceği bir kaptır. Burada, alıcıdaki basınçtaki bir düşüşün, kompresörün kabı basınçlı havayla doldurmak için hemen açılmasına neden olacak şekilde ayarlama yapılması önemlidir. Günümüzde alıcıyla tamamlanan kompresörlerin tek bir kompleks olarak satıldığı unutulmamalıdır.

Bir plazma torçunun üretilmesi en zor elemanı, nozullu brülördür. En basit seçenek, hazır bir nozul veya daha iyisi, farklı delik çaplarına sahip birkaç tip satın almaktır. Bu şekilde farklı genişliklerde kesim yapmak için nozulu değiştirebilirsiniz. Standart çap 3 mm'dir. Bazı ev ustaları, elde edilmesi o kadar kolay olmayan ısıya dayanıklı metallerden kendi nozüllerini yaparlar. Bu yüzden satın almak daha kolaydır.

Nozül kesicinin üzerine takılır; sadece torcun ucuna vidalanır. Ev yapımı bir plazma torçunda bir invertör kullanılıyorsa, kitinde, satın alınan nozülü takabileceğiniz bir tutamak bulunur.

Bir plazma torcunun gerekli elemanları bir kaynak kablosu ve bir hortumdur. Genellikle tek bir set halinde birleştirilirler, bu da kullanımlarını kolaylaştırır. Çift elemanın yalıtılması, örneğin lastik bir hortumun içine takılması önerilir.

Ve ev yapımı bir plazmatronun bir unsuru daha bir osilatördür. Amacı, işin en başında arkı tutuşturmaktır, yani bu cihaz, tüketilmeyen elektrodu tutuşturmak için birincil kıvılcım oluşturur. Bu durumda sarf malzemesinin ucuyla metal yüzeye dokunmaya gerek yoktur. Osilatörler hem alternatif hem de doğru akımla çalışır. Fabrika cihazlarında bu cihaz ekipman muhafazasının içine monte edilmişse, ev yapımı cihazlarda kablolarla bağlı olarak invertörün yanına monte edilebilir.

Osilatörün yalnızca arkı ateşlemek için tasarlandığını anlamak gerekir. Yani stabil hale geldikten sonra cihazın kapatılması gerekir. Bağlantı şeması, stabilizasyon sürecinin kontrol edildiği bir rölenin kullanımına dayanmaktadır. Cihaz kapatıldıktan sonra ark doğrudan invertörden çalışır.

Gördüğünüz gibi, plazma meşaleyi kendiniz monte etmek için herhangi bir çizime ihtiyacınız yok. Montajın tamamı oldukça basit, asıl önemli olan güvenlik kurallarına uymak. Örneğin kaynak kablosu cıvatalarla, basınçlı hava hortumları fabrika kıvrımları ve kelepçelerle bağlanır.

Ev yapımı bir plazma meşale nasıl çalışır?

Prensip olarak, ev yapımı bir plazmatron, fabrikadakiyle tamamen aynı şekilde çalışır. Doğru, esas olarak nozülün yapıldığı malzemeye bağlı olarak kendi kaynağı vardır.

• İlk olarak, elektroda akımın sağlandığı osilatör ve invertör açılır. Ateşe veriliyor. Ateşleme, brülör sapında bulunan bir düğme ile kontrol edilir.
• 10-15 saniye, bu süre zarfında pilot ark, elektrot ile nozül arasındaki tüm boşluğu dolduracaktır. Artık basınçlı hava sağlayabilirsiniz çünkü bu süre zarfında nozulun içindeki sıcaklık 7000C'ye ulaşacaktır.
• Plazma nozuldan çıkar çıkmaz metali kesme işlemine geçebilirsiniz.
• Torcun amaçlanan kesme yolu boyunca doğru şekilde yönlendirilmesi çok önemlidir. Örneğin, kesicinin ilerleme hızı çok yüksek değilse, bu, kesimin genişliğinin büyük olacağının ve ayrıca kenarların sarkma ve sakarlık nedeniyle kesinlikle dengesiz olacağının garantisidir. Aksine kesicinin hızı yüksekse, erimiş metal kesme bölgesinden zayıf bir şekilde üflenecek, bu da düzensiz bir kesim oluşmasına yol açacak ve sürekliliği kaybolacaktır. Bu nedenle kesme hızının deneysel olarak seçilmesi gerekmektedir.

Elektrodu yapmak için doğru malzemeyi seçmek çok önemlidir. Bunun için çoğu zaman hafniyum, berilyum, toryum veya zirkonyum kullanılır. Yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında yüzeyde bu metallerin refrakter oksitleri oluşur, böylece onlardan gelen elektrot yavaşça yok edilir. Doğru, ısıtılmış berilyum radyoaktif hale gelir ve toryum toksik maddeler salmaya başlar. Bu nedenle en iyi seçenek hafniyum elektrottur.

Alıcının çıkışındaki basıncın stabilizasyonu, takılı bir redüktör ile sağlanır. Ucuzdur, ancak kesici memeye eşit miktarda basınçlı hava sağlanması sorununu çözer.

Ev yapımı bir plazma kesme makinesinin çalıştırılmasıyla ilgili tüm çalışmalar yalnızca koruyucu kıyafet ve ayakkabılarla yapılmalıdır. Eldiven ve gözlük gereklidir.

Memenin boyutuna gelince, çok uzun yapılması tavsiye edilmez. Bu onun hızlı bir şekilde yok olmasına yol açar. Ayrıca kesme modunun doğru ayarlanması çok önemlidir. Mesele şu ki, bazen ev yapımı plazma kesicilerde bir yay değil iki tane ortaya çıkıyor. Bu, cihazın çalışmasını olumsuz yönde etkiler. Ve elbette bu da servis ömrünü kısaltır. Meme daha hızlı bozulmaya başlar. Ve invertör böyle bir yüke dayanamayabilir, dolayısıyla arızalanma olasılığı vardır.

Ve son bir şey. Bu tip metal kesmenin karakteristik özelliği, yalnızca plazma akışından etkilenen yerde erimesidir. Bu nedenle kesim noktasının elektrot ucunun ortasında olmasını sağlamak gerekir. Noktanın minimum düzeyde yer değiştirmesi bile arkın sapmasına neden olacak, bu da yanlış kesimin oluşması için koşullar yaratacak ve buna bağlı olarak sürecin kalitesinde bir düşüşe yol açacaktır.

Gördüğünüz gibi, kesme işleminin şekli birçok faktöre bağlıdır, bu nedenle, bir plazma meşalesini uzmanların yardımı olmadan kendi ellerinizle monte ederken, her eleman ve cihaz için tüm gereksinimlere kesinlikle uymalısınız. Küçük sapmalar bile kesimin kalitesini düşürecektir.

Bilim kesin olarak biliyor: Buhar ne kadar ısıtılırsa, ısının işe dönüştürülmesi o kadar karlı olur. Sıradan bir modern enerji santralinde buhar sıcaklığı 1000-1500°'ye yükseltilirse verimliliği otomatik olarak bir buçuk kat artacaktır. Ancak sorun şu ki bunu yapmanın bir yolu yok çünkü bu kadar korkunç bir ısı herhangi bir türbini çok hızlı bir şekilde yok edecek.

Bilim insanları bunun, türbin olmadan da bunu yapmaya çalışmamız gerektiği anlamına geldiğini düşündü. Sıcak gaz akışının enerjisini elektrik akımına dönüştürecek bir jeneratör inşa etmek gerekiyor! Ve onu inşa ettiler. Manyetik alanda elektrik akımı ileten sıvıların hareketini inceleyen, hızla gelişen manyetohidrodinamik bilimi, bir plazma elektrik jeneratörünün oluşturulmasına yardımcı oldu.

Manyetik alana yerleştirilen iletken sıvının, metal gibi katı bir iletkenden davranış açısından farklı olmadığı keşfedildi. Ancak bir metal iletken bir mıknatısın kutupları arasında hareket ettirildiğinde ne olacağını çok iyi biliyoruz: İçinde bir elektrik akımı indüklenir (indüklenir). Bu, sıvı akışı bir manyetik alanı geçerse, sıvı akışında bir akımın ortaya çıkacağı anlamına gelir.

Ancak sıvı iletkenli bir jeneratör yapmak hala mümkün değildi. Sıvı jetin çok yüksek bir hıza kadar hızlandırılması gerekiyordu ve bu, büyük miktarda enerji gerektiriyordu; bu enerjinin çoğu, türbülans nedeniyle jetin kendisinde kayboluyordu. İşte o zaman şu düşünce ortaya çıktı: Sıvıyı gazla değiştirmemiz gerekmez mi? Sonuçta, uzun zamandır gaz jetlerine muazzam hızlar kazandırabiliyoruz; jet motorunu hatırlayın. Ancak bu düşüncenin derhal bir kenara atılması gerekiyordu: Tek bir gaz akımı iletmiyor.

Tam bir çıkmaz sokak gibi görünüyordu. Katı iletkenler yüksek sıcaklıklara dayanamaz; sıvılar yüksek hızlara ulaşmaz; gazlar kesinlikle iletken değildir. Ancak…

Maddenin yalnızca üç halde (katı, sıvı ve gaz) var olabileceğini düşünmeye alışkınız. Ve sonuçta bu aynı zamanda dördüncü bir durumda da gerçekleşir: plazma. Bilindiği gibi Güneş ve yıldızların çoğu plazmadan yapılmıştır. İşte burada - bir plazma elektrik jeneratörü!

Plazma bir gazdır ancak iyonize olur

İçinde, moleküller arasında yüklü iyonlar bulunur, yani. kırık elektron yörüngelerine sahip atomların "parçaları". Serbest elektronlar da vardır. İyonlar ve elektronlar elektrik yüklerinin taşıyıcılarıdır, bu da plazmanın elektriksel olarak iletken olduğu anlamına gelir.

Ancak plazma elde etmek için gazın daha yoğun ısıtılması gerekir. Sıcaklık arttıkça gaz molekülleri giderek daha hızlı hareket eder ve sıklıkla birbirleriyle şiddetli bir şekilde çarpışırlar. Moleküllerin yavaş yavaş atomlara ayrıldığı bir an gelir. Ancak gaz henüz akımı iletmiyor. Haydi ısıtmaya devam edelim!

Termometre 4000°'yi gösteriyordu. Atomlar yüksek enerji kazandı. Hızları muazzamdır ve bazı çarpışmalar “felaketle” sonuçlanır: atomların elektron kabukları bozulur. İhtiyacımız olan şey bu - artık gazda iyonlar ve elektronlar var - plazma ortaya çıktı.

Gazı 4000°'ye ısıtmak kolay bir iş değildir. En iyi kömür, petrol ve doğal gaz türleri çok daha düşük yanma sıcaklığı sağlar. Ne yapmalıyım?

Bilim insanları da bu zorluğun üstesinden geldi. Ucuz ve yaygın bir alkali metal olan potasyum imdada yetişti. Potasyum varlığında birçok gazın iyonlaşmasının çok daha erken başladığı ortaya çıktı. Sıradan baca gazlarına - kömür ve petrolün yanması sonucu ortaya çıkan ürünlere - sadece yüzde bir potasyum eklediğinizde, içlerindeki iyonlaşma 3000 ° 'de ve hatta biraz daha düşük bir sıcaklıkta başlar.

Sıcak gazların doğduğu fırından, ince bir akış halinde sürekli olarak potas - potasyum karbonatın sağlandığı bir boruya yönlendirilirler. Zayıf ama yine de yeterli bir iyonlaşma meydana gelir. Boru daha sonra düzgün bir şekilde genişleyerek bir ağızlık oluşturur.

Genişleyen nozulun özellikleri, içinden geçerken gazın yüksek hız kazanarak basınç kaybedeceği şekildedir. Memeden çıkan gazların hızı, modern uçakların hızlarıyla yarışabilir; 3200 km/saat'e ulaşır.

Jeneratörün ana kanalına sıcak bir plazma akışı akıyor

Duvarları metalden değil kuvars veya ateşe dayanıklı seramikten yapılmıştır. En güçlü mıknatısın kutupları dışarıdaki duvarlara bağlanır. Manyetik alanın etkisi altında, herhangi bir iletkende olduğu gibi plazmada da bir elektromotor kuvvet indüklenir.

Artık elektrikçilerin dediği gibi akımı “kaldırıp” tüketiciye götürmemiz gerekiyor. Bunu yapmak için, plazma jeneratörünün kanalına iki elektrot yerleştirilir - ayrıca elbette metalik olmayan, çoğunlukla grafit. Harici bir devre tarafından kapatılırlarsa devrede doğru akım görünecektir.

Farklı ülkelerde halihazırda inşa edilmiş olan küçük plazma elektrik jeneratörlerinde verimlilik %50'ye ulaşmıştır (bir termik santralin verimliliği %35-37'den fazla değildir). Teorik olarak %65 ve hatta daha fazlasını elde edebilirsiniz. Plazma jeneratörü üzerinde çalışan bilim insanları, malzeme seçimi ve jeneratörün ömrünün uzatılmasıyla ilgili birçok sorunla karşı karşıyadır (mevcut numuneler yalnızca dakikalarca çalışmaktadır).