Generator električne energije s plazma katodom. Kada će plazma generatori električne energije postati stvarnost?
Osnova za stvaranje niskotemperaturne plazme je tehnologija pražnjenja u plinu, posebno plazmatroni ili plazma generatori. Njihova vrsta ovisi o vrsti pražnjenja koja se u njima koristi. Praktične primjene nalaze se u uređajima koji koriste lučno, visokofrekventno, mikrovalno i, u nekim slučajevima, optičko pražnjenje. Trenutno se najviše koriste električni luk i visokofrekventni plazma baklje.
Lučne plazma baklje. Oni provode lučno pražnjenje pri velikim strujama (od jedinica ampera do desetaka kiloampera i više). Veličina luka može varirati od nekoliko milimetara do 1 m ili više, a njegova snaga može doseći desetke megavata. Princip rada lučne plazma baklje je jednostavan - između elektroda se zapali pražnjenje koje zagrijava plin koji puše preko njega na visoku temperaturu. Plazma baklja s istosmjernim lukom sastoji se od sljedećih glavnih komponenti: jedne (katoda) ili dvije (katoda i anoda) elektrode, komore za pražnjenje i jedinice za dovod tvari koja stvara plazmu.
Strukturno se mogu organizirati plazma baklje različiti putevi. Glavni među njima su sljedeći:
S tradicionalnim aksijalnim rasporedom elektroda (linearno). Luk 1 gori između dvije vodom hlađene elektrode 3 (slika 4.6.1, a). Plin koji stvara plazmu /, doveden tangencijalno na pražnjenje, nosi mlaz plazme izvan pražnjenja. Linearne plazma baklje postižu najveći opseg pražnjenja plazme, što omogućuje povećanje prosječnog vremena zadržavanja kemijskih agenasa u aktivnoj zoni i proširuje mogućnost variranja uvjeta za odvijanje plazma-kemijskih reakcija. Luk se stabilizira protokom plina koji stvara plazmu koji se tangencijalno dovodi u komoru luka 4 pomoću vrtložne glave za stvaranje plina. Budući da dok pražnjenje gori, točka luka se neprestano pomiče
duž relativno produžene površine anode, takve strukture imaju povećan vijek trajanja;
S koaksijalnim rasporedom elektroda (slika 4.6.1, b) i s toroidalnim elektrodama (slika 4.6.1, c). Odlikuju se kompaktnim dizajnom, ali imaju relativno malu aktivnu zonu i značajno trošenje materijala elektroda, što s jedne strane smanjuje vijek trajanja, as druge strane intenzivno zagađuje plazmu produktima njihove erozije. Kako bi se smanjilo brzo uništavanje elektroda, takvim se krugovima često dodaje uređaj za rotaciju magnetskog luka. Takve plazma baklje karakterizira povećana stabilnost izgaranja pražnjenja u širokom rasponu protoka plazma plina;
S bilateralnim odljevom plazme (slika 4.6.1, d). Oni su analog plazma baklji s aksijalnim rasporedom elektroda i odlikuju se simetričnom metodom uvođenja plina koji stvara plazmu u zonu pražnjenja, u kojoj se širi u dva dijametralno suprotna smjera. U ovom slučaju osigurava se kontinuirano kretanje lučnih točaka anode i katode, što dovodi do povećanja njihovog životnog vijeka;
S potrošnim elektrodama
(Slika 4.6.1, d. f). Koriste se kada jedan od reagensa plazma-kemijske reakcije može biti materijal elektrode samog plazma baklje.
Za izradu elektroda elektrolučnih plazmatrona koriste se vatrostalni metali kao što su volfram, molibden, cirkonij, hafnij ili posebne legure. Životni vijek volframove katode pri strujama do 1000 A je nekoliko stotina sati i određen je uglavnom prirodom plina koji stvara plazmu. Katode su izrađene od cirkonija ili hafnija, najstabilnijih materijala pri radu lučnih plazma baklji u oksidirajućim sredinama. Na površini ovih materijala formira se oksidni film, koji dobro provodi električnu struju visoke temperature, a s druge strane, štiti metal od daljnje brze oksidacije.
Često se elektrode lučnog plazma plamenika izrađuju u obliku bakrenih struktura hlađenih vodom. Erozija bakrenih elektroda je približno dva reda veličine veća od, na primjer, cirkonskih elektroda, pod istim uvjetima.
Otvor komore za pražnjenje kroz koji struji plazma naziva se plazma mlaznica
motrona. U nekim vrstama lučnih plazma baklji, granica mlaznice je prstenasta ili toroidalna anoda. Postoje dvije skupine lučnih plazmatrona - za stvaranje vanjskog plazma luka i za stvaranje plazma jeta. Uređaji prve skupine imaju samo jednu elektrodu (katodu), a samo obrađeno tijelo služi kao anoda (slika 4.6.1, c)). U plazmatronima druge skupine plazma gori između dvije elektrode (katode i anode) i zbog nadolazećeg plina koji stvara plazmu istječe iz komore za pražnjenje u obliku uskog dugog mlaza.
Stabilizacija pražnjenja u lučnim plazmatronima provodi se magnetskim poljem, protokom plina i stijenkama komore za pražnjenje i mlaznice. Jedna od uobičajenih metoda magnetske stabilizacije mlaznih plazma baklji s anodom u obliku prstena ili torusa koaksijalnog s katodom je stvaranje jakog magnetsko polje, okomito na ravninu anode, što prisiljava strujni kanal luka da neprekidno rotira, kružeći oko anode. U ovom slučaju, anodne i katodne točke luka se stalno mijenjaju
Brušene su kružno, čime se sprječava topljenje elektroda ili njihova intenzivna erozija.
Plinska stabilizacija pražnjenja provodi se tangencijalnim dovodom stabilizirajućeg plina u prazninu pražnjenja, dok se vrući luk odguruje od stijenki komore za pražnjenje, štiteći potonju od prekomjernog zagrijavanja i bijesa. Međutim, tijekom vrtložne stabilizacije lučnog pražnjenja dolazi i do određene kompresije protoka plazme, što dovodi do smanjenja volumena reakcijske zone, stoga u nekim slučajevima protok stabilizirajućeg plina nije upleten, već usmjeren paralelno s stupac luka. Tipično, stabilizirajući plin također je tvar koja stvara plazmu. Primjer proračuna lučnog plazmatrona s linearnim krugom razmatra se u.
Snaga lučnih plazmatrona kreće se od 0,1... 104 kW; temperatura mlaza na izlazu iz mlaznice 3000...25 000 K; brzina istjecanja mlaza 1...104 m/s; industrijska učinkovitost 50...90%; životni vijek doseže nekoliko stotina sati; Zrak, N2, Ar, H2 koriste se kao tvari koje stvaraju plazmu. NH4, 02, H20, plinoviti ugljikovodici.
Nedostaci lučnih plazma baklji uključuju nemogućnost dobivanja čiste plazme bez nečistoća. Konstantno uništavanje elektroda lučnog plazma baklje i onečišćenje proizvodima njihove plazma erozije ne dopušta korištenje ovih uređaja u onim plazma-kemijskim procesima koji zahtijevaju visoke zahtjeve za čistoću dobivenih proizvoda.
Visokofrekventni plazmatroni mogu biti ili elektrodni, koji koriste koronu, pražnjenja baklje, ili bez elektroda - visokofrekventni indukcijski (HFI), kapacitivni (HF), mikrovalni (mikrovalni). Glavne prednosti plazmatrona bez elektrode u odnosu na one s elektrodom (uključujući i one s električnim lukom) su: dug radni vijek (nekoliko tisuća sati); u odsutnosti kontaminacije materijala dobivenih u plazma-kemijskom reaktoru produktima erozije elektrode; sposobnost rada na čistom kisiku ili drugim agresivnim plinovima koji stvaraju plazmu.
Plazma baklje visoke frekvencije imaju jednu šiljastu elektrodu na koju se dovodi RF potencijal dovoljan da razbije plin i stvori plazma baklju (slika 4.6.2), u koju se
Sirovine u obliku praha za izvođenje plazma-kemijskih reakcija. Budući da je elektroda 1 takve plazma baklje u izravnom kontaktu s pražnjenjem, podložna je određenoj eroziji. Radni vijek takvih uređaja sa snagom od 20...40 kW je oko 1000 sati Budući da se RF energija dovodi izravno u zonu pražnjenja, nema potrebe za izradom komore za pražnjenje od dielektričnih materijala, a može se izraditi. od metala.
Visokofrekventni indukcijski (HFI) plazmatroni najčešći su od bezelektrodnih plazmatrona. Odlikuju se visokom pouzdanošću u radu, relativnom jednostavnošću dizajna i dugim vijekom trajanja. Njihov princip rada temelji se na pobuđivanju pražnjenja posebnim induktorom u obliku višezavojne zavojnice izrađene od vodeno hlađene bakrene cijevi. Unutar induktora je umetnuta komora za pražnjenje u kojoj se pobuđuje pražnjenje. Materijal komore za pražnjenje mora biti proziran za RF elektromagnetsko polje, obično kvarc. Na sl. 4.6.3 prikazuje dizajn metalurškog RF plazmatrona s kvarcnom komorom za pražnjenje, opisan u.
Istodobno, u slučaju plazma-kemijskih reakcija koje koriste dvofazne tokove, radni vijek kvarcnih komora za pražnjenje postaje vrlo ograničen zbog kontakta s vrućom čvrstom fazom. U tom slučaju često se topi u stijenke komore, što dovodi do postupnog poremećaja načina rada plazmatrona.
Poznato je da je zatvoreni cilindar od elektrovodljivog materijala neproziran za elektromagnetsko polje, ali ako napravite barem jedan uzdužni rez u tom cilindru, polje će slobodno prodrijeti unutra. Stoga se metalne komore za plinsko pražnjenje za RF plazmatrone izrađuju podijeljene ili sekcijske. Specijalne split vodom hlađene metalne komore za pražnjenje obično su izrađene od bakra, tj. materijala dobre električne vodljivosti. Na sl. 4.6.4 prikazano različite varijante projektna rješenja za sekcijske metalne komore s plinskim pražnjenjem, koje se razlikuju po broju sekcija i njihovom obliku.
Radna frekvencija RF plazmatrona je 200 kHz...40 MHz, snaga može doseći 1 MW, učinkovitost industrijskih instalacija je 50... 60%.
Osim VF, u tehnici se koristi još jedna vrsta VF plazma baklji bez elektrona - VF plazma baklje. Kapacitivni RF plazmatroni imaju vanjske elektrode, čiji broj i položaj u odnosu na komoru za pražnjenje može varirati. Od RF plazmatrona s uzdužnim upuhivanjem plina koji stvara plazmu najjednostavnija je izvedba s tri elektrode. U ovom slučaju, visokonaponska elektroda se nalazi između dvije uzemljene (slika 4.6.5). Nedostaci RF plazmatrona uključuju nisku učinkovitost instalacije (30... 50%).
Budući da su indukcijska i kapacitivna visokofrekventna pražnjenja bez elektrode, plazmatroni koji se temelje na njima koriste se za zagrijavanje aktivnih plinova (O2, C12, zrak itd.), para agresivnih tvari (kloridi, fluoridi itd.), a također iu slučaju da je potrebno generirati posebno čistu plazmu.
Prilikom odabira niskotemperaturnog generatora plazme, uzmite u obzir potrebnu snagu, radni vijek na plinu koji stvara plazmu određenog kemijski sastav, parametri mlaza plazme (temperatura, brzina, dopuštenost kontaminacije produktima erozije elektroda itd.). Dakle, ako ne postoje posebni zahtjevi za čistoću ciljnog proizvoda, tada se najčešće odabiru instalacije temeljene na elektrolučnim plazmatronima. Također se koriste u slučajevima kada potrebna snaga prelazi 300 ... 500 kW, što je mnogo lakše implementirati.
Za rezanje debelog metalnog izratka možete koristiti tri alata: brusilicu, plamenik s plinskim kisikom i stroj za plazma zavarivanje. Uz pomoć prvog dobivate ravnomjeran i uredan rez, ali samo u ravnoj liniji možete rezati uzorke, ali rez ispada metalik i poderan. Ali treća opcija su glatki rezani rubovi koji ne zahtijevaju dodatnu obradu. Osim toga, na ovaj se način metal može rezati duž bilo koje zakrivljene linije. Istina, plazma baklja nije jeftina, pa se mnogi domaći majstori pitaju je li moguće sami napraviti ovaj uređaj. Naravno, možete, glavna stvar je razumjeti princip rada plazma baklje.
A princip je vrlo jednostavan. Unutar rezača ugrađena je elektroda izrađena od izdržljivog materijala otpornog na toplinu. U biti, to je žica na koju se provodi električna struja. Između njega i mlaznice rezača pali se luk koji zagrijava prostor unutar mlaznice na 7000C. Zatim se komprimirani zrak dovodi unutar mlaznice. Zagrije se i ionizira, odnosno postaje vodič električna struja. Njegova električna vodljivost postaje ista kao kod metala.
Ispada da je sam zrak dirigent, koji u kontaktu s metalom stvara kratki spoj. Budući da komprimirani zrak ima visokotlačni, zatim pokušava izaći iz mlaznice velikom brzinom. Ovaj ionizirani zrak velikom brzinom je plazma, čija je temperatura veća od 20 000C.
U tom slučaju, u dodiru s metalom koji se reže, nastaje luk između plazme i obratka, kao što je slučaj kod zavarivanja elektrodom. Zagrijavanje metala događa se trenutno; površina grijanja jednaka je presjeku rupe u mlaznici. Metal odsječenog dijela odmah prelazi u tekuće stanje i plazmom se otpuhuje iz odsječenog dijela. Ovako se događa rezanje.
Iz principa rada stroja za rezanje plazmom postaje jasno da će vam za izvođenje ovog procesa trebati izvor električne energije, izvor komprimiranog zraka, plamenik, koji uključuje mlaznicu od materijala otpornog na toplinu, kabele za dovod električne energije i crijeva za dovod komprimiranog zraka.
Budući da govorimo o plazma baklji koja će se sastaviti vlastitim rukama, potrebno je uzeti u obzir činjenicu da bi oprema trebala biti jeftina. Stoga je kao izvor napajanja odabrana električna energija inverter za zavarivanje. Ovo je jeftin uređaj s dobrim stabilnim lukom, uz njegovu pomoć možete znatno uštedjeti na potrošnji električne struje. Istina, može rezati metalne izratke debljine ne veće od 25 mm. Ako postoji potreba za povećanjem ovog pokazatelja, tada ćete morati koristiti transformator za zavarivanje umjesto pretvarača.
Što se tiče izvora komprimiranog zraka, ne bi trebalo biti problema. Obični kompresor s tlakom od 2-2,5 atmosfera savršeno će održavati stabilan luk za rezanje. Jedina stvar na koju trebate obratiti pozornost je količina ispuštenog zraka. Ako proces rezanja metala traje dugo, kompresor možda neće moći izdržati tako intenzivan rad. Stoga se nakon njega preporuča ugraditi prijemnik. U biti, ovo je posuda u kojoj će se nakupljati zrak potreban pritisak. Ovdje je važno izvršiti podešavanje tako da pad tlaka u prijemniku odmah uzrokuje uključivanje kompresora kako bi se spremnik napunio komprimiranim zrakom. Treba napomenuti da se danas kompresori zajedno s prijemnikom prodaju kao jedan kompleks.
Najteži element plazma plamenika za proizvodnju je plamenik s mlaznicom. Najlakša opcija je kupiti gotovu mlaznicu, ili još bolje nekoliko vrsta različitih promjera njegove rupe. Tako možete promijeniti mlaznicu i izvršiti rezanje različite širine. Standardni promjer je 3 mm. Neki domaći majstori izrađuju vlastite mlaznice od metala otpornih na toplinu, koje nije tako lako nabaviti. Tako je lakše kupiti.
Mlaznica se postavlja na rezač; jednostavno se pričvrsti na kraj gorionika. Ako se inverter koristi u domaćoj plazma baklji, tada njegov komplet uključuje ručku na koju možete pričvrstiti kupljenu mlaznicu.
Potrebni elementi plazma plamenika su kabel za zavarivanje i crijevo. Obično su kombinirani u jedan set, što ih čini praktičnim za korištenje. Preporuča se izolirati dvostruki element, na primjer, ugraditi ga unutar gumenog crijeva.
I još jedan element domaćeg plazmatrona je oscilator. Namjena mu je zapaliti luk na samom početku rada, odnosno ovaj uređaj stvara primarnu iskru za paljenje nepotrošne elektrode. U ovom slučaju, nema potrebe dodirivati metalnu površinu krajem potrošnog materijala. Oscilatori rade i na izmjeničnu i na istosmjernu struju. Ako je u tvorničkim uređajima ovaj uređaj instaliran unutar kućišta opreme, tada se u domaćim uređajima može ugraditi uz pretvarač, spojen žicama.
Potrebno je razumjeti da je oscilator namijenjen samo za paljenje luka. Odnosno, nakon što se stabilizirao, uređaj se mora isključiti. Dijagram povezivanja temelji se na korištenju releja, uz pomoć kojeg se kontrolira proces stabilizacije. Nakon što je uređaj isključen, luk radi izravno iz pretvarača.
Kao što vidite, ne trebate nikakve crteže da sami sastavite plazma baklju. Cijeli sklop je prilično jednostavan, glavna stvar je slijediti sigurnosna pravila. Na primjer, kabel za zavarivanje spojen je vijcima, crijevima za komprimirani zrak s tvorničkim stezaljkama i stezaljkama.
Kako radi domaća plazma baklja
U principu, domaći plazmatron radi potpuno isto kao i tvornički. Istina, ima svoj resurs, ovisno uglavnom o materijalu od kojeg je izrađena mlaznica.
- Prvo se uključuju oscilator i pretvarač, kroz koji se struja dovodi do elektrode. Zapaljuje se. Paljenje se kontrolira tipkom koja se nalazi na ručki plamenika.
- 10-15 sekundi, za koje vrijeme će pilot luk ispuniti cijeli prostor između elektrode i mlaznice. Sada možete dovoditi komprimirani zrak, jer će za to vrijeme temperatura unutar mlaznice doseći 7000C.
- Čim plazma izađe iz mlaznice, možete nastaviti s postupkom rezanja metala.
- Vrlo je važno pravilno voditi plamenik duž predviđene putanje rezanja. Na primjer, ako brzina rezanja rezača nije velika, to je jamstvo da će širina reza biti velika, plus rubovi će biti definitivno neravni s ugibanjem i nespretnošću. Ako je brzina rezača, naprotiv, velika, tada će rastaljeni metal biti slabo ispuhan iz zone rezanja, što će dovesti do stvaranja neravnog reza i gubitka njegovog kontinuiteta. Stoga je potrebno eksperimentalno odabrati brzinu rezanja.
Vrlo je važno odabrati pravi materijal za izradu elektrode. Najčešće se za to koriste hafnij, berilij, torij ili cirkonij. Kada su izloženi visokim temperaturama, na površini se stvaraju vatrostalni oksidi ovih metala, tako da se elektroda iz njih polako uništava. Istina, zagrijani berilij postaje radioaktivan, a torij počinje otpuštati otrovne tvari. Zato najbolja opcija- Ovo je hafnijeva elektroda.
Stabilizacija tlaka na izlazu iz prijemnika osigurana je ugrađenim reduktorom. Jeftin je, ali rješava problem ravnomjernog dovoda komprimiranog zraka u mlaznicu rezača.
Svi radovi na održavanju aparat domaće izrade Rezanje plazmom treba provoditi samo u zaštitnoj odjeći i obući. Rukavice i zaštitne naočale su obavezne.
Što se tiče veličine mlaznice, ne preporučuje se da bude jako duga. To dovodi do njegovog brzog uništenja. Osim toga, vrlo je važno pravilno postaviti način rezanja. Stvar je u tome što se ponekad u domaćim plazma rezačima ne pojavljuje jedan luk, već dva. To negativno utječe na rad samog uređaja. I naravno, to smanjuje njegov vijek trajanja. Mlaznica se jednostavno počinje brže kvariti. A inverter možda neće moći izdržati takvo opterećenje, pa postoji mogućnost njegovog kvara.
I još nešto za kraj. Karakteristična značajka ove vrste rezanja metala je njegovo taljenje samo na mjestu zahvaćenom protokom plazme. Stoga je potrebno osigurati da se mjesto reza nalazi u sredini kraja elektrode. Čak i minimalno pomicanje točke dovest će do otklona luka, što će stvoriti uvjete za stvaranje netočnog reza, a time i smanjenje kvalitete samog procesa.
Kao što vidite, uzorak procesa rezanja ovisi o mnogim čimbenicima, stoga, kada sastavljate plazma baklju bez pomoći stručnjaka vlastitim rukama, morate se strogo pridržavati svih zahtjeva za svaki element i uređaj. Čak i mala odstupanja će smanjiti kvalitetu rezanja.
Generator plazme - plazmatron
Ako čvrsta previše ga zagrijte, pretvorit će se u tekućinu. Povisite li temperaturu još više, tekućina će ispariti i pretvoriti se u plin.
Ali što se događa ako nastavite povećavati temperaturu? Atomi tvari će početi gubiti svoje elektrone, pretvarajući se u pozitivne ione. Umjesto plina nastaje plinovita smjesa koja se sastoji od slobodno pokretnih elektrona, iona i neutralnih atoma. Zove se plazma.
Danas se plazma široko koristi u raznim područjima znanosti i tehnologije: za toplinsku obradu metala, nanošenje različitih premaza na njih, taljenje i druge metalurške operacije. U U zadnje vrijeme Kemičari su počeli naširoko koristiti plazmu. Otkrili su da se u plazma mlazu brzina i učinkovitost mnogih kemijskih reakcija znatno povećava. Na primjer, uvođenjem metana u struju vodikove plazme, on se može pretvoriti u vrlo vrijedan acetilen. Ili smjestiti uljne pare na brojne organske spojeve - etilen, propilen i druge, koji kasnije služe kao važne sirovine za proizvodnju raznih polimernih materijala.
Shema generatora plazme - plazmatrona
1 - mlaz plazme;
3 - lučno pražnjenje;
4 - vrtložni kanali plina;
5 - katoda od vatrostalnog metala;
6 - plin koji stvara plazmu;
7 - držač elektrode;
8 - bitna kamera;
9 - solenoid;
10 - bakrena anoda.
Kako stvoriti plazmu? U tu svrhu koristi se plazma baklja ili generator plazme.
Ako metalne elektrode stavite u posudu s plinom i na njih dovedete visoki napon, doći će do električnog pražnjenja. U plinu uvijek ima slobodnih elektrona. Pod utjecajem električne struje ubrzavaju se i, sudarajući se s atomima neutralnog plina, izbacuju iz njih elektrone i stvaraju električki nabijene čestice - ione, tj. ionizirati atome. Oslobođeni elektroni se također ubrzavaju električnim poljem i ioniziraju nove atome, dodatno povećavajući broj slobodnih elektrona i iona. Proces se razvija poput lavine, atomi tvari se vrlo brzo ioniziraju i tvar se pretvara u plazmu.
Ovaj proces se odvija u lučnom plazmatronu. U njemu se stvara visoki napon između katode i anode, što može biti npr. metal koji treba obraditi plazmom. U prostor komore za pražnjenje dovodi se tvar koja stvara plazmu, najčešće plin - zrak, dušik, argon, vodik, metan, kisik itd. Pod utjecajem visokog napona dolazi do pražnjenja u plinu, a između katode i anode nastaje plazma luk. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje stijenki komore za pražnjenje, one se hlade vodom. Uređaji ove vrste nazivaju se plazma baklje s vanjskim plazma lukom. Koriste se za rezanje, zavarivanje, topljenje metala itd.
Plazma baklja je dizajnirana nešto drugačije za stvaranje mlaza plazme. Plin koji stvara plazmu upuhuje se velikom brzinom kroz sustav spiralnih kanala i "zapaljuje" u prostoru između katode i stijenki komore za pražnjenje, koje su anoda. Plazma, uvijena u gusti mlaz zahvaljujući spiralnim kanalima, izbacuje se iz mlaznice, a njezina brzina može doseći od 1 do 10 000 m/s. Magnetsko polje koje stvara induktor pomaže "istisnuti" plazmu sa stijenki komore i učiniti njezin mlaz gušćim. Temperatura mlaza plazme na izlazu iz mlaznice je od 3000 do 25000 K.
Pogledajte pobliže ovaj crtež. Podsjeća li vas na nešto dobro poznato?
Naravno, radi se o mlaznom motoru. Sila potiska u mlaznom motoru nastaje strujom vrućih plinova izbačenih velikom brzinom iz mlaznice. Što je veća brzina, to je veća vučna sila. Što je gore kod plazme? Brzina mlaza je sasvim prikladna - do 10 km/s. A uz pomoć posebnih električnih polja plazma se može još više ubrzati – do 100 km/s. To je približno 100 puta veća od brzine postojećih plinova avionski motori. To znači da potisak plazma ili elektromlaznih motora može biti veći, a potrošnja goriva značajno smanjena. Prvi uzorci plazma motora već su testirani u svemiru.
Postizanje visokih temperatura moguće je na različite načine načine. Najčešći je izgaranje. Teorijska temperatura izgaranja organska tvar u zraku je obično ~2300 K, a kada se kao oksidans koristi kisik, može prijeći 3000 K. Postizanje viših temperatura u ovom je slučaju ograničeno značajnim toplinskim učinkom endotermnih reakcija disocijacije produkata izgaranja, za koje su potrebne velike količine energija koja nije dobivena toplinom izgaranja goriva.
Drugi način postizanja visokih temperatura je adijabatska kompresija plinova. Pri visokom stupnju kompresije može se postići njihova disocijacija i ionizacija. Međutim, ova metoda nije našla široku primjenu u plazma-kemijskim procesima, iako se čini obećavajućom za neke reakcije.
Uvjeti koji osiguravaju proizvodnju niskotemperaturne plazme također se mogu postići u udarnom valu na visoke brojke Maha. U praksi se za to koristi cijev odvojena membranom. različite strane koji sadrži plin s bitno različitim tlakovima. Ako je membrana uništena, udarni val počinje se kretati u cijevi, omogućujući joj da postigne značajne temperature pri visokim početnim padovima tlaka. Međutim, zbog složenosti organizacije kontinuiranog procesa, ova metoda nije našla primjenu u primijenjenoj kemiji plazme.
Glavne metode za proizvodnju stacionarne niskotemperaturne plazme temelje se na korištenju različitih električnih pražnjenja, kao što su: žarna iskra; puls; prepreka; visokofrekventna indukcija; visokofrekventni kapacitivni; ultra visoka frekvencija; električna iskra u fluidiziranom sloju; korona, baklja, električni luk; transformator Sva ova navedena pražnjenja provode se u odgovarajućim plazma plamenicima, uglavnom elektrolučnim i mikrovalnim plamenicima.
Odabir vrste pražnjenja i dizajna plazma baklje
Korištenje jednog ili drugog električnog pražnjenja za stvaranje plazmatrona, kao i njegov dizajn, određeni su tehnologijom i tehničkim i ekonomskim pokazateljima procesa. Prilikom odabira plazmatrona uzmite u obzir potrebnu snagu, radni vijek na plinu koji stvara plazmu određenog kemijskog sastava, parametre mlaza plazme (temperatura, brzina, odsutnost kontaminacije produktima erozije elektroda), učinkovitost (omjer energije potrošio na zagrijavanje plina i kemijske reakcije, na potrošnju energije), jednostavnost održavanja i sigurnost rada. Na određivanje učinkovitosti Prilikom ugradnje plazma plamenika treba uzeti u obzir gubitke energije u izvoru struje i dovodnim vodovima.
Ako ne postoje posebni zahtjevi za čistoću ciljnog proizvoda, tada se najčešće biraju elektrolučni plazmatroni, a ako takvi zahtjevi postoje, biraju se bezelektrodni (indukcijski ili kapacitivni) visokofrekventni plazmatroni. Plazma baklje s električnim lukom rade na gotovo svim plinovima. Također se koriste u slučajevima kada potrebna snaga prelazi 300-500 kW.
Plazma lampe s električnim lukom
Plazma baklje, u kojima se električni luk koristi za zagrijavanje raznih plinova, najčešće se koriste u raznim tehnološki procesi. Oni proizvode mlaz niskotemperaturne plazme s prosječnom temperaturom mase do 4000-6000 K za dvoatomne i poliatomske plinove i do 10000-20000 K za jednoatomne plinove. Trenutno postoje elektrolučni plazmatroni snage od nekoliko kilovata do desetaka megavata. Ovisno o vrsti plina koji stvara plazmu, radnim parametrima i dizajnu plazma plamenika, njegova učinkovitost je 50-97%. Radni vijek plazma baklje visoka snaga, visoki napon doseže 100-1000 sati.
Razmotrimo neke značajke električnog luka u komori za pražnjenje plazmatrona. S povećanjem struje koja prolazi kroz luk koji nije ograničen zidovima i slobodno gori između dvije elektrode, širi se uz malu promjenu temperature. Ako se luk postavi unutar vodeno hlađenog kanala malog promjera, tada se s povećanjem struje on, budući da se ne može širiti i kaotično kretati u prostoru, stabilizira u blizini osi kanala, a broj nabijenih čestica raste povećanjem temperatura, a time i stupanj ionizacije. Plazma baklje, kod kojih je luk stabiliziran samo hladnim stijenkama kanala za pražnjenje, a potrošnja plina je mala, koriste se uglavnom u istraživačke svrhe.
Postoje i drugi načini stabilizacije luka, koji se temelje na hlađenju njegovih vanjskih slojeva (toplinska kompresija) uzdužnim ili vrtložnim strujanjem plina koji stvara plazmu. U praksi se najčešće koristi posljednja metoda (stabilizacija plinsko-vrtložnog pražnjenja).
U području velike gustoće struje, kompresija luka pod utjecajem vlastitog magnetskog polja (magnetic pinch effect) postaje značajna, što također pridonosi njegovoj stabilizaciji.
Struktura električnog luka u plazmatronima određena je njegovom interakcijom s protokom plina i stijenkama kanala. U dugom cilindričnom kanalu pražnjenja mogu se razlikovati tri karakteristična dijela: početni, prijelazni i turbulentni. Početni dio nalazi se između krajnje katode i sjecišta vanjske granice toplinskog sloja luka s turbulentnim graničnim slojem hladnog plina koji stvara plazmu na stijenci kanala. U ovom dijelu luk nema značajnih poprečnih pulsacija, a protok u njemu se može smatrati laminarnim. Toplinski tok na stijenku komore za pražnjenje je mali i određen je uglavnom zračenjem iz stupca luka.
U prijelaznom dijelu dolazi do razaranja toplinskog sloja luka i dolazi do intenzivnog miješanja zagrijanog i hladnog plina. Pojavljuju se poprečne oscilacije luka, povećavajući se nizvodno i dovodeći do činjenice da njegova duljina znatno premašuje udaljenost izmjerenu duž osi. Stoga se tehnička jakost električnog polja (omjer razlike potencijala luka prema toj udaljenosti) značajno povećava. U plazma bakljama sa samopodešavanjem duljine luka, električni proboj između luka i stijenke događa se u prijelaznom dijelu.
Turbulentni dio karakteriziraju značajne pulsacije i, u nedostatku dodatne opskrbe plinom, konstantna jakost električnog polja koja je nekoliko puta veća od intenziteta u početnom dijelu.
Jedan od važnih procesa u lučnoj komori plazma baklje je ranžiranje - električni proboj između luka i stijenke (veliko ranžiranje) i između pojedinačnih dijelova zakrivljenog luka (malo ranžiranje), što dovodi do ograničenja u duljini luka, njegovoj snazi i pojavi pulsacija u parametrima plazma mlaza.
Kako bi se smanjila erozija i produžio radni vijek plazma baklji, točka luka se prisilno pomiče po obodu elektrode tangencijalnim uvođenjem plina koji stvara plazmu ili solenoida koji se nalazi koaksijalno na kanal za pražnjenje (slika 2.1, a-e). Interakcija ovog polja s vlastitim magnetskim poljem radijalnog presjeka luka dovodi do pojave sile koja uzrokuje rotaciju luka oko osi kanala pražnjenja.
Klasifikacija elektrolučnih plazmatrona. Ovisno o značajci na kojoj se temelji klasifikacija, mogu se razlikovati sljedeće vrste elektrolučnih plazmatrona:
· istosmjerna i izmjenična struja;
· jednolučni i višelučni;
· s unutarnjim i vanjskim lukom; s uzdužno upuhanim (linearnim) i poprečno upuhanim lukom;
· sa samoporavnavanjem i fiksnom duljinom luka;
· s toplom i hladnom katodom.
Svaki od razmatranih tipova plazma baklji može se klasificirati prema karakteristikama dizajna. Na sl. 2.1 predstavljeno raznih dizajna generatori električnog luka niskotemperaturne plazme.
sl.2.1. Konstrukcije elektrolučnih plazma baklji
a – jednokomorni s vrućom katodom; b – jednokomorni s hladnom katodom i fiksnom prosječnom duljinom luka; c – dvokomorni; d – s međuelektrodnim umetcima; d – s poroznim međuelektrodnim umetkom; e – koaksijalni; g – dvosmjerni odljev; h – s produženim lukom; i – višelučni; k – izmjenična struja sa štapnim elektrodama; l – linearni krug izmjenične struje; m – izmjenična struja s razdijeljenom mlaznicom. 1 – štapna elektroda; 2 – mlaznica (osnosimetrična elektroda); 3 - dijafragma; 4, 5 – izolatori; 6 – solenoid; 7 – luk; 8 – glavni plin; 9 – zaštitni plin; 10 – mlaz plazme; 11 – MEV sekcije; 12 – MEV od poroznog materijala; 13 – sirovine; 14 – napajanje
DC plazma baklje jednostavan u dizajnu, pouzdan u radu i stoga se najčešće koristi u različitim tehnološkim procesima.
Plazma baklje s unutarnjim lukom koriste se za proizvodnju mlaza niskotemperaturne plazme, pa se ponekad nazivaju mlaznica(Sl. 2.1, a-g). U nekim slučajevima, jedna od elektroda je materijal koji se obrađuje, elektrode su prostorno odvojene jedna od druge, a dio luka se nalazi izvan kanala za pražnjenje (slika 2.1, h). Takav plazma baklje s produženim lukom značajno razlikuje od inkjet.
Ovisno o materijalu katode i intenzitetu njezina hlađenja, može raditi na principu toplinske emisije (termalna katoda) ili emisije polja (hladna katoda).
Da bi se smanjio rad izlaza elektrona, koristi se torijirani (s dodacima torijevog oksida) ili lantanizirani (s dodacima lantanovog oksida) volfram. Kod rada s agresivnim plinovima koji stvaraju plazmu, ove katode moraju biti propuhane zaštitnim plinom (slika 2.1, a, d, e). Resurs kontinuiranog rada torirane volframove katode pri strujama do 1000 A u vodiku i dušiku je više od 100 sati, au argonu i heliju - preko 200 sati Da bi se povećao radni vijek plazma baklji s toplinskim katodama, mnogo volframa šipke su zalemljene duž perimetra vodom hlađenog bakrenog bubnja, čija je os okomita ili paralelna s osi kanala za pražnjenje. Nakon što jedna od katoda odradi zadani radni vijek, bubanj se okreće tako da se nova šipka postavlja duž osi kanala. Takva višepoložajna katoda može značajno produžiti životni vijek katode.
Kada plazma plamenik radi u oksidirajućem mediju koji sadrži kisik, nije potrebno propuhivati vruću katodu inertnim plinom. Često se koriste takozvane termokemijske katode od cirkonija ili hafnija. Na površini ovih materijala stvara se oksidni film koji je dovoljno elektrovodljiv pri visokim temperaturama i ujedno štiti metal od daljnje oksidacije. Erozija cirkonijeve katode je ~10 -11 kg/C.
Hladne katode izvodi se prvenstveno u obliku vodeno hlađene bakrene čašice (sl. 2.1, b) ili bakrene čahure (sl. 2.1, c). Anoda elektrolučnih plazmatrona također je u većini slučajeva bakrena vodom hlađena mlaznica (čahura). Erozija bakrene katode obično je 2-3 puta veća od erozije anode i iznosi (0.8-1).10 -9 kg/C pri strujama do 1.2 kA.
Plazma baklje s uzdužno upuhanim lukom(Sl. 2.1, a-e, g), ponekad se naziva linearni, prema principu opskrbe plinom, podijeljeni su u jednokomorne - s uvođenjem plina koji stvara plazmu kroz jednu plinsku komoru (Sl. 2.1, a, b), dvokomorne (Sl. 2.1, c) i s međuelektrodni umetci (slika 2.1, d, e). Stabilizacija luka na osi komore za pražnjenje u jednokomornim i dvokomornim plazma bakljama provodi se pomoću vrtložnog toka plina. Izlazna elektroda (najčešće anoda) izrađena je od bakra, nemagnetskog čelika ili raznih legura na bazi vatrostalnog materijala (na primjer, volfram-bakar).
Magnetsko polje solenoida omogućuje pomicanje točke luka duž površine elektrode, au plazmatronima s katodom u obliku stakla (slika 2.1, b) također sprječava vezanje luka na kraj stakla.
Jednokomorne i dvokomorne plazma baklje, koje imaju cilindrični kanal izlazne elektrode (Sl. 2.1, a, c), su generatori sa samopodešavanjem duljine luka, ovisno o protoku plina i parametrima pražnjenja. Ako izlazna elektroda ima oštro širenje (slika 2.1, b), stvaraju se uvjeti za preferencijalno ranžiranje luka iza koraka u širokom rasponu promjena parametara zbog odvojenih tokova u ovom području. Takvi plazmatroni omogućuju vam da popravite duljinu luka, koja je manja od duljine samoporavnavanja.
Popravljeno prosječna dužina lukovi, veći od samoporavnajućeg, može se dobiti korištenjem plazmatrona s međuelektrodnim umetcima (MEI). Umeci su međusobno električno izolirani i od elektroda. Ubrizgavanje plina u kanal za pražnjenje može se provesti diskretno (slika 2.1, d) ili kroz porozni MEV (slika 2.1, e). Plazma baklje s međuelektroničkim umetcima imaju dovoljno visoka efikasnost(osobito kada se plin ubrizgava kroz poroznu stijenku) i omogućuju relativno jednostavno povećanje njihove snage povećanjem broja MEV-ova.
Ukupne dimenzije plazmatrona s MEV su male. Dakle, generator od 1500 kW, dizajniran za zagrijavanje zraka, dušika, vodika i mješavine vodika i metana, ima duljinu od 0,8 m i težinu od 40 kg. Potrošnja vodika je 6-10 g/s, dušika i zraka - 60 g/s. Maksimalna prosječna masena temperatura vodika doseže 3500 K, dušika i zraka - 6000 K. Toplinska učinkovitost je 0,75-0,85, maksimalna struja - 800 A, potrošnja vode za hlađenje - 2 kg / s, vijek katode - 100 sati, anoda - 300 sati
Razvijen je plazmatron snage do 5000 kW s poroznim MEV-ovima, duljine do 1,5 m, promjera izlazne elektrode do 80 mm, težine do 100 kg. Maksimalna prosječna masena temperatura vodika je 4500 K, dušika i zraka - 6000 K. Toplinska učinkovitost je 0,75-0,85, maksimalna struja - 1000 A, protok vode - do 12 kg / s, tlak vode - do 1 MPa.
DO linearni generatori elektrolučni grijači također mogu doći u obzir dvosmjerni izdisaj(Slika 2.1, g). Međutim, ove se plazma baklje rijetko koriste u tehnološkim procesima, budući da zbog različitih aerodinamičkih otpora reaktora spojenih na izlazne elektrode, parametri plazma mlazova su različiti.
Generatori plazme s poprečno upuhanim lukom najčešće se provodi u obliku koaksijalnih plazma baklji (slika 2.1, e) ili plazma baklje s daljinskim lukom(Slika 2.1, h). U koaksijalnom plazma baklji, luk se kreće pod utjecajem vanjskog magnetskog polja u rasporu koji čine elektrode. Zbog velike površine elektroda, životni vijek plazma baklje može biti prilično visok. Promjer kanala za pražnjenje u ovom slučaju je velik, a brzina mlaza plazme mala. Ako je ugrađena mlaznica za stvaranje protoka plazme, učinkovitost generatora se smanjuje.
Poprečno upuhani unutarnji luk također se može ostvariti pomoću dvije toroidalne ili štapićaste elektrode smještene unutar komore za pražnjenje.
Povećanje snage plazma-kemijske instalacije može se postići povećanjem snage električnog luka u plazmatronu (tj. struje i napona), ugradnjom nekoliko plazmatrona po reaktoru ili stvaranjem plazmatrona s nekoliko lukova u kanalu za pražnjenje, pokreće razni izvori(Slika 2.1, i).
AC plazma baklje industrijska frekvencija imaju značajne prednosti u usporedbi s plazmatronima istosmjerne struje: visoka učinkovitost kruga napajanja, odsutnost ispravljača i mogućnost glatke regulacije radne struje. Međutim, budući da kada se polaritet elektroda promijeni i napon prolazi kroz nulu, pražnjenje se gasi, potrebne su posebne mjere kako bi se osiguralo stabilno gorenje luka izmjenične struje.
U skladu s metodom stabilizacije električnog luka razlikuju se tri vrste izmjeničnih plazmatrona: sa stabilizacijom luka elektrodama, s visokofrekventnom pratnjom i kombinirani (koristeći istosmjernu struju).
Našao najveću primjenu u industriji plazma baklje sa štapnim elektrodama(Sl. 2.1, j), izrađen od vatrostalnog materijala (najčešće grafita). Kada se koristi trofazna struja, tangencijalni unos plina koji stvara plazmu i prilično blizak raspored elektroda unutar komore za pražnjenje, stalno se održava električno vodljivi sloj plina, osiguravajući stabilan rad plazma baklje pri promjeni polariteta.
Predložen je dizajn elektrolučnog plazmatrona s elektrodama raspoređenim duž duljine kanala luka (slika 2.1, l). Zajednička točka Transformator je spojen na štapnu elektrodu, a fazne stezaljke spojene su na cjevaste elektrode. Trofazno uključivanje plazmatrona s tri cjevaste elektrode provodi se na sličan način. Glavni nedostatak takvih plazma baklji je velika pulsacija parametara plazma mlaza zbog promjena u duljini luka pri promjeni polariteta prstenastih elektroda.
Plazma plamenici s podijeljenom elektrodom(Sl. 2.1, l) prema krugu napajanja slični su gore opisanim, ali su stabilniji. Za razliku od prethodnih plazma baklji, one otežavaju korištenje solenoida za brzo pomicanje točke luka duž površine elektrode, što smanjuje životni vijek.
U plazma bakljama s visokofrekventnom pratnjom stabilno izgaranje izmjeničnog luka industrijske frekvencije postiže se paralelnim spajanjem na elektrode HF generatora, čime se osigurava stabilno površinsko paljenje energetskog luka. Nedostatak takve plazma baklje je potreba za korištenjem dodatnog (iako male snage) izvora energije za RF pražnjenje i njegovim upravljanjem.
U posljednje vrijeme nalazi se sve šira uporaba kombinirani tip plazma baklji , u kojem glavni doprinos snage daje izmjenična struja, a istosmjerna se koristi samo za stacionarno stvaranje mlaza plazme male snage, koji štiti glavno pražnjenje od gašenja. Takve plazma baklje mogu raditi stabilno u širokim rasponima struje i protoka plina. Primjer takvog generatora električnog luka može biti dizajn prikazan na slici 2.1, h, ako je izvor izmjenične struje spojen na elemente 1 i 3. Kombinirana trofazna strujna plazma baklja konstruirana je na sličan način. U nekim slučajevima, izvor izmjenične i istosmjerne struje spojen je na izlazne elektrode, što omogućuje povećanje radnog vijeka. Drugi primjer kombinirane plazma baklje je dizajn prikazan na slici 2.1, u kojem je drugi izvor 14, spojen na dvije cjevaste elektrode, zamijenjen izvorom izmjenične struje.
Plazma baklje visoke frekvencije
Kao što je gore navedeno, visokofrekventna pražnjenja (i, prema tome, plazmatroni) mogu biti elektrodna (korona, baklja) i bez elektrode (HFI - visokofrekventna indukcija, HF - visokofrekventna kapacitivnost, mikrovalna - mikrovalna). Glavne prednosti plazmatrona bez elektroda u odnosu na one s elektrodama (uključujući one s električnim lukom) su sljedeće:
Visok radni vijek (tisuće sati);
Nema kontaminacije materijala proizvedenih u plazma-kemijskom reaktoru produktima erozije elektrode;
Sposobnost rada na čistom kisiku i drugim agresivnim plinovima koji stvaraju plazmu.
Nedostaci visokofrekventnih plazmatrona uključuju nisku ukupnu učinkovitost instalacija i poteškoće u stvaranju instalacija velike snage. Tako je snaga VF plazmatrona ~0,5 MW (i do 1 MW), mikrovalnih je ~0,1 MW, a učinkovitost ne prelazi 0,6.
Pojam mikrovalna plazma objedinjuje plazma formacije dobivene u različitim mikrovalnim uređajima (plazmatronima). Trenutno su razvijeni brojni mikrovalni uređaji za proizvodnju plazme, a svojstva potonje neizbježno ovise o načinu njezine proizvodnje. Ovi uređaji određuju strukturu elektromagnetskog polja, energetsku učinkovitost uređaja, širokopojasnost, ovisnost svojstava plazme o frekvenciji te razine minimalne i maksimalne snage. Stoga, ako je potrebno analizirati takvu plazmu, prikladnije je razmotriti sustav mikrovalnog izboja koji predstavlja plazmu u određenom uređaju s izbojem u plinu.
Mikrovalna pražnjenja(mikrovalna pražnjenja) obično se nazivaju pražnjenja nastala pomoću Elektromagnetski valovi s frekvencijom većom od 300 MHz. Frekvencije dopuštene za industrijske, medicinske i znanstvene primjene su 460, 915, 2450, 5800, 22125 MHz. Najčešće korištena frekvencija je 2450 MHz.
Mikrovalna pražnjenja zauzela su snažno mjesto među ostalim generatorima plazme. Svojstva takvih pražnjenja i plazme koja u njima nastaje razmatraju se u svim aspektima vezanim uz fiziku plazme, kemiju plazme i plazma tehnologije.
Proizvodne metode i tehnike koje se koriste za proizvodnju mikrovalne plazme odgovaraju mikrovalnom području i razlikuju se od onih koje se koriste na nižim frekvencijama. Plazma se može stvoriti pri tlaku od 1.33.10 -2 Pa do atmosferskog tlaka u pulsirajućem i kontinuiranom načinu rada; prosječne korištene snage kreću se od nekoliko vata do stotina kilovata.
Glavni element mikrovalnog pražnjenja je uređaj koji omogućuje uvođenje elektromagnetske energije u volumen pražnjenja. Postoji oko 10 skupina u koje se svi mikrovalni dizajni mogu uvjetno podijeliti.
Glavne prednosti mikrovalnog pražnjenja su:
· Lakoća dobivanja plazme s visokim specifičnim unosom energije (> 1 W/cm3).
· Lakoća dobivanja plazme s malim unosom energije (<< 1Вт/см 3).
· Širok raspon radnih tlakova (od 1.33.10 -2 Pa do tlakova koji prelaze atmosferski tlak).
· Mogućnost stvaranja i kvazi-ravnotežne i suštinski neravnotežne plazme.
· Jednostavnost kontrole unutarnje strukture pražnjenja promjenom elektrodinamičkih karakteristika uređaja za uvođenje mikrovalne energije u plazmu.
· Mogućnost stvaranja plazme u bezelektrodnim i elektrodnim sustavima (u potonjem slučaju nema kontaminacije volumena i uzoraka produktima erozije elektrode).
· Mogućnost stvaranja plazme u malim i velikim volumenima, uključujući slobodni prostor (zemljinu atmosferu).
· Mogućnost obrade velikih površina skeniranjem područja stvaranja plazme male veličine.
· Mogućnost kombiniranog utjecaja plazme i elektromagnetskog polja na objekte u plazmi za povećanje učinkovitosti procesa.
· Razvijene obitelji različitih učinkovitih mikrovalnih plazma generatora omogućuju vam odabir dizajna za bilo koju primjenu.
