Raggiungere alte temperature è possibile con diversi modi. Il più comune è la combustione. La temperatura teorica di combustione delle sostanze organiche nell'aria è solitamente di ~2300 K e quando l'ossigeno viene utilizzato come agente ossidante può superare i 3000 K. Il raggiungimento di temperature più elevate in questo caso è limitato dal significativo effetto termico delle reazioni endotermiche di dissociazione di i prodotti della combustione, che richiedono grandi quantità di energia, non sono forniti dal calore di combustione del combustibile.

Un altro modo per raggiungere temperature elevate è la compressione adiabatica dei gas. Con un alto grado di compressione, possono essere dissociati e ionizzati. Tuttavia, questo metodo non ha trovato ampia applicazione nei processi plasmachimici, sebbene sembri essere promettente per l'esecuzione di alcune reazioni.

Le condizioni che garantiscono la produzione di plasma a bassa temperatura possono essere raggiunte anche in un'onda d'urto con numeri di Mach elevati. In pratica, per questo, viene utilizzato un tubo, separato da una membrana, ai lati opposti del quale è presente un gas con pressioni notevolmente diverse. Se la membrana viene distrutta, un'onda d'urto inizia a muoversi nel tubo, il che consente di raggiungere temperature significative con elevate cadute di pressione iniziali. Tuttavia, questo metodo, a causa della complessità dell'organizzazione di un processo continuo, non ha trovato applicazione nella chimica del plasma applicata.

I metodi principali per ottenere plasma stazionario a bassa temperatura si basano sull'uso di varie scariche elettriche, quali: scintilla incandescente; impulso; barriera; induzione ad alta frequenza; capacitivo ad alta frequenza; microonde; elettroscintilla in letto fluido; corona, torcia, arco elettrico; trasformatore. Tutte queste scariche elencate sono realizzate nelle corrispondenti torce al plasma, principalmente arco elettrico e microonde.

Scelta del tipo di scarica e del design della torcia al plasma

L'uso dell'una o dell'altra scarica elettrica per creare una torcia al plasma, così come il suo design, sono determinati dalla tecnologia e dagli indicatori tecnici ed economici del processo. Quando si sceglie una torcia al plasma, la potenza richiesta, la risorsa operativa su un gas formante plasma di una data composizione chimica, i parametri del getto di plasma (temperatura, velocità, assenza di contaminazione da prodotti di erosione degli elettrodi), efficienza (il rapporto dell'energia spesa per il riscaldamento del gas e reazioni chimiche all'energia consumata), servizio comfort e sicurezza operativa. Quando si determina l'efficienza di un'installazione di una torcia al plasma, è necessario tenere conto delle perdite di energia nella fonte di alimentazione e nelle linee di alimentazione.

Se non ci sono requisiti speciali per la purezza del prodotto target, vengono spesso scelte torce al plasma ad arco elettrico e, se esistono tali requisiti, vengono scelte torce al plasma ad alta frequenza senza elettrodi (induzione o capacitiva). Le torce al plasma ad arco elettrico funzionano con quasi tutti i gas. Sono utilizzati anche nei casi in cui la potenza richiesta supera i 300-500 kW.

Torce al plasma ad arco elettrico

I plasmatron, in cui un arco elettrico viene utilizzato per riscaldare un'ampia varietà di gas, sono i più utilizzati in vari processi tecnologici. Producono un getto di plasma a bassa temperatura con una temperatura media di massa fino a 4000-6000 K per gas biatomici e poliatomici e fino a 10000-20000 K per gas monoatomici. Attualmente ci sono torce al plasma ad arco elettrico con potenza da diversi kilowatt a decine di megawatt. A seconda del tipo di gas di formazione del plasma, dei parametri operativi e del design della torcia al plasma, la sua efficienza è del 50-97%. La durata delle torce al plasma ad alta potenza raggiunge le 100-1000 ore.

Consideriamo alcune caratteristiche dell'arco elettrico nella camera di scarica della torcia al plasma. Con un aumento della corrente che passa attraverso un arco che non è limitato dalle pareti e che brucia liberamente tra due elettrodi, si espande con un leggero cambiamento di temperatura. Se l'arco è posto all'interno di un canale raffreddato ad acqua di piccolo diametro, allora con un aumento della corrente, non essendo in grado di espandersi e muoversi casualmente nello spazio, si stabilizza vicino all'asse del canale e il numero di particelle cariche aumenta aumentando il temperatura e, di conseguenza, il grado di ionizzazione. Le torce al plasma, in cui l'arco è stabilizzato solo dalle pareti fredde del canale di scarico, e la portata del gas è bassa, sono utilizzate principalmente per scopi di ricerca.

Esistono altri modi per stabilizzare l'arco, basati sul raffreddamento dei suoi strati esterni (compressione termica) mediante un flusso di gas plasma longitudinale o vorticoso. L'ultimo metodo (stabilizzazione del vortice di gas della scarica) viene spesso utilizzato nella pratica.

Nella regione di alta densità di corrente, la compressione dell'arco sotto l'azione del proprio campo magnetico (effetto pizzico magnetico) diventa significativa, il che contribuisce anche alla sua stabilizzazione.

La struttura dell'arco elettrico nelle torce al plasma è determinata dalla sua interazione con il flusso del gas e le pareti del canale. In un lungo canale di scarico cilindrico si possono distinguere tre sezioni caratteristiche: iniziale, transitoria e turbolenta. La sezione iniziale si trova tra il catodo terminale e il punto di intersezione del limite esterno dello strato termico dell'arco con lo strato limite turbolento del gas freddo plasmante sulla parete del canale. In questa sezione, l'arco non ha pulsazioni trasversali significative e il flusso in esso contenuto può essere considerato laminare. Il flusso di calore alla parete della camera di scarica è piccolo ed è determinato principalmente dall'irraggiamento dalla colonna dell'arco.

Nella sezione di transizione si verifica la distruzione dello strato termico dell'arco e un'intensa miscelazione del gas caldo e freddo. Compaiono oscillazioni trasversali dell'arco, che si intensificano a valle e portano al fatto che la sua lunghezza supera significativamente la distanza misurata lungo l'asse. Pertanto, la forza tecnica del campo elettrico (il rapporto tra la differenza di potenziale dell'arco e questa distanza) aumenta notevolmente. Nelle torce al plasma con lunghezza dell'arco autoregolante, nella sezione di transizione si verifica un'interruzione elettrica tra l'arco e la parete.

Il tratto turbolento è caratterizzato da pulsazioni significative e, in assenza di alimentazione aggiuntiva di gas, dalla costanza dell'intensità del campo elettrico, che supera di più volte l'intensità del tratto iniziale.

Uno dei processi importanti nella camera dell'arco della torcia al plasma è lo smistamento, un guasto elettrico tra l'arco e la parete (smistamento su larga scala) e tra le singole sezioni dell'arco curvo (smistamento su piccola scala), che porta a una limitazione di la lunghezza dell'arco, la sua potenza e la comparsa di pulsazioni dei parametri del getto di plasma.

Per ridurre l'erosione e aumentare la durata delle torce al plasma, il punto dell'arco viene spostato forzatamente attorno alla circonferenza dell'elettrodo mediante iniezione tangenziale di gas plasmante o un solenoide posizionato coassialmente al canale di scarica (Fig. 2.1, a-d). L'interazione di questo campo con il campo magnetico intrinseco della sezione radiale dell'arco porta all'emergere di una forza che fa ruotare l'arco attorno all'asse del canale di scarica.

Classificazione delle torce al plasma ad arco elettrico. A seconda dell'attributo alla base della classificazione, si possono distinguere le seguenti tipologie di torce plasma ad arco elettrico:

· corrente continua e alternata;

· arco singolo e multi arco;

· con arco interno ed esterno; con un arco soffiato longitudinalmente (lineare) e con un arco soffiato trasversalmente;

· con lunghezza d'arco autoregolante e fissa;

· con catodi caldi e freddi.

Ciascuno dei tipi considerati di plasmatron può essere classificato in base alle loro caratteristiche di progettazione. Sulla fig. 2.1 presenta vari modelli di generatori di arco elettrico di plasma a bassa temperatura.

Fig.2.1. Disegni di torce al plasma ad arco elettrico

a - camera singola con catodo caldo; b - monocamerale a catodo freddo e lunghezza d'arco media fissa; c - bicamerale; d - con inserti interelettrodi; e - con un inserto interelettrodo poroso; e - coassiale; g - deflusso a due vie; h - con un arco esteso; e - multiarco; k - corrente alternata con elettrodi a stelo; l - corrente alternata di un circuito lineare; m - AC con ugello diviso. 1 - elettrodo a barra; 2 – ugello (elettrodo assialsimmetrico); 3 - diaframma; 4, 5 - isolanti; 6 - solenoide; 7 - arco; 8 - gas principale; 9 - gas di protezione; 10 - getto di plasma; 11 - sezioni MEV; 12 - MEA da un materiale poroso; 13 - materie prime; 14 - alimentazione

Plasmatroni DC semplice nel design, affidabile nel funzionamento e quindi più spesso utilizzato in vari processi tecnologici.

Plasmatroni con arco interno vengono utilizzati per produrre un getto di plasma a bassa temperatura, motivo per cui a volte vengono chiamati Jet(Fig. 2.1, a-g). In alcuni casi, uno degli elettrodi è il materiale in lavorazione, gli elettrodi sono spazialmente separati l'uno dall'altro e parte dell'arco si trova all'esterno del canale di scarica (Fig. 2.1, h). Tale torce plasma con arco esteso significativamente diverso dal getto d'inchiostro.

A seconda del materiale del catodo e dell'intensità del suo raffreddamento, può funzionare secondo il principio dell'emissione termica (catodo termico) o dell'emissione di campo (catodo freddo).

Per ridurre la funzione di lavoro degli elettroni, vengono utilizzati tungsteno toriato (con aggiunte di ossido di torio) o lantanizzato (con aggiunte di ossido di lantanio). Quando si lavora con gas aggressivi che formano plasma, questi catodi devono essere soffiati con un gas protettivo (Fig. 2.1, a, d, e). La risorsa del funzionamento continuo di un catodo di tungsteno toriato a correnti fino a 1000 A in idrogeno e azoto è superiore a 100 ore e in argon ed elio - più di 200 ore o parallela all'asse del canale di scarico. Dopo che uno dei catodi ha elaborato la risorsa specificata, il tamburo viene ruotato in modo che la nuova asta sia installata lungo l'asse del canale. Un tale catodo multiposizione consente di aumentare significativamente la durata del catodo.

Quando la torcia al plasma funziona in un mezzo ossidante contenente ossigeno, non è necessario soffiare il catodo caldo con un gas inerte. Vengono spesso utilizzati i cosiddetti catodi termochimici in zirconio o afnio. Sulla superficie di questi materiali si forma un film di ossido, che è sufficientemente conduttivo alle alte temperature e allo stesso tempo protegge il metallo da un'ulteriore ossidazione. L'erosione del catodo di zirconio è di ~10 -11 kg/C.

catodi freddi eseguire principalmente sotto forma di una tazza di rame raffreddata ad acqua (Fig. 2.1, b) o un manicotto di rame (Fig. 2.1, c). L'anodo delle torce al plasma ad arco elettrico è anche nella maggior parte dei casi un ugello (manicotto) in rame raffreddato ad acqua. L'erosione del catodo di rame è solitamente 2-3 volte superiore all'erosione dell'anodo ed è (0,8-1).10 -9 kg/C a correnti fino a 1,2 kA.

Plasmatroni con arco soffiato longitudinalmente(Fig. 2.1, a-e, g), a volte chiamato lineare, secondo il principio della fornitura di gas, sono divisi in una camera - con l'introduzione di gas plasmante attraverso una camera a gas (Fig. 2.1, a, b), due camere (Fig. 2.1, c) e con inserti interelettrodi (Fig. 2.1, d, e). La stabilizzazione dell'arco sull'asse della camera di scarica nelle torce plasma monocamerale e bicamerale avviene mediante un flusso di gas vorticoso. L'elettrodo di uscita (il più delle volte un anodo) è realizzato in rame, acciaio non magnetico o varie leghe a base di materiale refrattario (ad esempio, tungsteno-rame).

Il campo magnetico del solenoide consente di spostare lo spot dell'arco sulla superficie dell'elettrodo e nelle torce al plasma con catodo a forma di vetro (Fig. 2.1, b) impedisce anche all'arco di legarsi all'estremità del vetro .

Le torce al plasma a camera singola e bicamerale con un canale cilindrico dell'elettrodo di uscita (Fig. 2.1, a, c) sono generatori con lunghezza dell'arco autoregolante, in funzione della portata del gas e dei parametri di scarico. Se l'elettrodo di uscita ha una forte espansione (Fig. 2.1, b), vengono create le condizioni per la deviazione preferenziale dell'arco dietro la sporgenza in un'ampia gamma di modifiche dei parametri dovute a flussi separati in quest'area. Tali torce al plasma consentono di fissare la lunghezza dell'arco, che è inferiore alla lunghezza autoregolante.

Corretta la lunghezza media dell'arco, superiore a quello autoregolante, si può ottenere su torce plasma con inserti interelettrodi (MEI). Gli inserti sono isolati elettricamente l'uno dall'altro e dagli elettrodi. L'iniezione di gas nel canale di scarico può essere effettuata in modo discreto (Fig. 2.1, d) o attraverso un MEW poroso (Fig. 2.1, e). I plasmatron con inserti interelettronici hanno un'efficienza sufficientemente elevata (soprattutto quando il gas viene soffiato attraverso una parete porosa) e consentono di aumentare la loro potenza in modo relativamente semplice aumentando il numero di MEV.

Le dimensioni complessive dei plasmatron con MEI sono piccole. Pertanto, un generatore con una capacità di 1500 kW, progettato per riscaldare aria, azoto, idrogeno e una miscela di idrogeno e metano, ha una lunghezza di 0,8 m e una massa di 40 kg. La portata di idrogeno è 6-10 g/s, azoto e aria - 60 g/s. La temperatura media di massa massima dell'idrogeno raggiunge 3500 K, azoto e aria - 6000 K. L'efficienza termica è 0,75-0,85, la corrente massima è 800 A, il consumo di acqua per il raffreddamento è 2 kg / s, la risorsa catodica è 100 h , l'anodo - 300 ore

È stata sviluppata una torcia al plasma con una potenza fino a 5000 kW con MEI poroso, la sua lunghezza è fino a 1,5 m, il diametro dell'elettrodo di uscita è fino a 80 mm e il suo peso è fino a 100 kg. La temperatura media di massa massima dell'idrogeno è 4500 K, azoto e aria - 6000 K. L'efficienza termica è 0,75-0,85, la corrente massima è 1000 A, il flusso d'acqua è fino a 12 kg / s, la pressione dell'acqua è fino a 1 MPa.

I riscaldatori ad arco elettrico possono anche essere attribuiti a generatori lineari. scadenza bilaterale(Fig. 2.1, g). Tuttavia, queste torce al plasma sono utilizzate raramente nei processi tecnologici, poiché, a causa delle diverse resistenze aerodinamiche dei reattori collegati agli elettrodi di uscita, i parametri dei getti di plasma risultano essere diversi.

Generatori di plasma con arco soffiato trasversalmente il più delle volte implementato sotto forma di torce al plasma coassiali (Fig. 2.1, e) o torce plasma con arco esteso(Fig. 2.1, h). In una torcia al plasma coassiale, l'arco si muove sotto l'azione di un campo magnetico esterno nello spazio formato dagli elettrodi. A causa dell'ampia superficie degli elettrodi, la durata della torcia al plasma può essere piuttosto elevata. Il diametro del canale di scarica in questo caso è grande e la velocità del getto di plasma è bassa. Se viene installato un ugello per formare un flusso di plasma, l'efficienza del generatore diminuisce.

Un arco interno insufflato trasversalmente può essere realizzato anche utilizzando due elettrodi toroidali o ad asta posti all'interno della camera di scarica.

Un aumento della potenza dell'impianto chimico al plasma può essere ottenuto aumentando la potenza dell'arco elettrico nella torcia al plasma (cioè, corrente e tensione), installando più torce al plasma su un reattore o creando torce al plasma con diversi archi in il canale di scarica, alimentato da varie sorgenti (Fig. 2.1, i) .

Torce al plasma AC frequenza industriale presentano notevoli vantaggi rispetto alle torce plasma in corrente continua: elevata efficienza del circuito di alimentazione, assenza di raddrizzatori e possibilità di regolare regolare la corrente di esercizio. Tuttavia, poiché la scarica si spegne quando cambia la polarità degli elettrodi e la tensione passa per zero, sono necessarie misure speciali per garantire una combustione stabile dell'arco CA.

Secondo il metodo di stabilizzazione dell'arco elettrico, si possono distinguere tre tipi di torce al plasma AC: con stabilizzazione dell'arco mediante elettrodi, con tracciamento ad alta frequenza e combinate (utilizzando corrente continua).

Il più utilizzato nell'industria torce al plasma con elettrodi a stelo(Fig. 2.1, j), realizzato in materiale refrattario (il più delle volte grafite). Quando si utilizza una corrente trifase, un'iniezione tangenziale del gas di formazione del plasma e una posizione sufficientemente vicina degli elettrodi all'interno della camera di scarica, viene costantemente mantenuto uno strato di gas elettricamente conduttivo, che garantisce un funzionamento stabile della torcia al plasma quando la polarità è cambiato.

Viene proposto il progetto di una torcia al plasma ad arco elettrico con elettrodi distribuiti lungo la lunghezza del canale dell'arco (Fig. 2.1, l). Il punto comune del trasformatore è collegato all'elettrodo a stelo e i conduttori di fase sono collegati agli elettrodi tubolari. Allo stesso modo, viene eseguita un'inclusione trifase di plasmatron con tre elettrodi tubolari. Lo svantaggio principale di tali torce al plasma è una grande pulsazione dei parametri del getto di plasma a causa di una variazione della lunghezza dell'arco quando cambia la polarità degli elettrodi ad anello.

Plasmatroni con elettrodo diviso(Fig. 2.1, m) secondo lo schema di alimentazione sono simili a quelli sopra descritti, ma sono più stabili. A differenza delle precedenti torce al plasma, è difficile utilizzare i solenoidi al loro interno per spostare rapidamente il punto dell'arco sulla superficie dell'elettrodo, riducendo la durata.

Nelle torce al plasma con tracciamento ad alta frequenza la combustione stabile di un arco di corrente alternata di frequenza industriale si ottiene collegando in parallelo gli elettrodi di un generatore RF, che garantisce l'accensione stabile della superficie di un arco di potenza. Lo svantaggio di una tale torcia al plasma è la necessità di utilizzare un'alimentazione aggiuntiva (anche se a bassa potenza) per la scarica RF e controllarla.

Di recente, c'è stato un uso crescente plasmatroni di tipo combinato , in cui il principale contributo di potenza è fornito dalla corrente alternata e la corrente continua viene utilizzata solo per la generazione stazionaria di un getto di plasma a bassa potenza, che protegge la scarica principale dall'estinzione. Tali torce al plasma possono funzionare stabilmente in un'ampia gamma di portate di corrente e di gas. Un esempio di un tale generatore di arco può essere il progetto mostrato in Fig. 2.1, h, se una sorgente di corrente alternata è collegata agli elementi 1 e 3. La torcia al plasma a corrente trifase combinata è disposta in modo simile. In alcuni casi, sia le sorgenti AC che quelle DC sono collegate agli elettrodi di uscita, il che consente di aumentare la durata. Un altro esempio di torcia plasma combinata è il progetto mostrato in Fig. 2.1, in cui la seconda sorgente 14, collegata a due elettrodi tubolari, è sostituita da un'alimentazione AC.

Torce al plasma ad alta frequenza

Come notato sopra, le scariche ad alta frequenza (e, di conseguenza, i plasmatron) possono essere elettrodi (corona, torcia) e senza elettrodi (HF - induzione ad alta frequenza, RF - capacitivo ad alta frequenza, microonde - microonde). I principali vantaggi delle torce al plasma senza elettrodi rispetto a quelle a elettrodi (comprese quelle ad arco elettrico) sono i seguenti:

Elevata risorsa di lavoro (migliaia di ore);

Nessuna contaminazione dei materiali prodotti nel reattore plasma-chimico con prodotti di erosione degli elettrodi;

Capacità di lavorare su ossigeno puro e altri gas plasma aggressivi.

Gli svantaggi delle torce al plasma ad alta frequenza includono la bassa efficienza complessiva delle installazioni e la complessità della creazione di installazioni ad alta potenza. Quindi la potenza dei plasmatron RF è ~ 0,5 MW (e fino a 1 MW), per le microonde è ~ 0,1 MW e l'efficienza non supera 0,6.

Il termine "plasma a microonde" combina le formazioni di plasma ottenute in vari dispositivi a microonde (torce al plasma). Attualmente sono stati sviluppati numerosi dispositivi a microonde per ottenere plasma, e le proprietà di quest'ultimo dipendono inevitabilmente dal metodo di produzione. Questi dispositivi determinano la struttura del campo elettromagnetico, l'efficienza energetica del dispositivo, la larghezza di banda, la dipendenza delle proprietà del plasma dalla frequenza, i livelli di potenza minima e massima. Pertanto, se è necessario analizzare un tale plasma, è più opportuno considerare un sistema di scarica a microonde che rappresenti il ​​plasma in uno specifico dispositivo a scarica di gas.

scariche a microonde(scariche a microonde) sono generalmente indicate come scariche create da onde elettromagnetiche con una frequenza superiore a 300 MHz. Le frequenze consentite per applicazioni industriali, mediche e scientifiche sono 460, 915, 2450, 5800, 22125 MHz. La frequenza più comunemente usata è 2450 MHz.

Le scariche a microonde hanno preso un posto fisso tra gli altri generatori di plasma. Le proprietà di tali scariche e del plasma in esse ottenuto sono considerate in tutti gli aspetti relativi alla fisica del plasma, alla chimica del plasma e alle tecnologie del plasma.

I metodi e le tecniche di produzione utilizzati per ottenere il plasma a microonde corrispondono alla gamma delle microonde e sono diversi da quelli utilizzati alle frequenze più basse. Il plasma può essere creato a pressioni da 1.33.10 -2 Pa a quella atmosferica in modalità pulsata e continua, la potenza media utilizzata varia da pochi watt a centinaia di kilowatt.

L'elemento principale di una scarica a microonde è un dispositivo che consente di introdurre energia elettromagnetica nel volume di scarica. Esistono circa 10 gruppi in cui tutte le strutture della gamma delle microonde possono essere suddivise in modo condizionale.

I principali vantaggi delle scariche a microonde sono:

· Plasma di facile ottenimento con un elevato apporto di energia specifica (> 1 W/cm 3 ).

Facilità di ottenimento del plasma con input a bassa energia (<< 1Вт/см 3).

· Ampia gamma di pressioni di esercizio (da 1.33.10 -2 Pa a pressioni superiori a quella atmosferica).

· Possibilità di creare plasma sia di quasi equilibrio che essenzialmente di non equilibrio.

· Facile controllo della struttura interna della scarica modificando le caratteristiche elettrodinamiche del dispositivo per l'immissione di energia a microonde nel plasma.

· Possibilità di creare plasma in sistemi senza elettrodi ed elettrodi (in quest'ultimo caso non vi è contaminazione del volume e dei campioni con prodotti di erosione degli elettrodi).

· Possibilità di creare plasma in piccoli e grandi volumi, compreso lo spazio libero (atmosfera terrestre).

· Possibilità di elaborare grandi superfici scansionando l'area di formazione del plasma, che ha dimensioni ridotte.

· Possibilità di azione congiunta di plasma e campo elettromagnetico su oggetti in plasma per aumentare l'efficienza del processo.

· Le famiglie sviluppate di vari efficienti generatori di plasma a microonde consentono di scegliere un design per qualsiasi applicazione.

La scienza lo sa per certo: la conversione del calore in lavoro è tanto più redditizia quanto più forte è il riscaldamento del vapore. Se la temperatura del vapore viene aumentata a 1000-1500°C in una moderna centrale elettrica convenzionale, la sua efficienza aumenterà automaticamente di una volta e mezza. Ma il guaio è che questo non può essere fatto in alcun modo, perché un caldo così terribile distruggerà molto rapidamente qualsiasi turbina.

Quindi, hanno ragionato gli scienziati, dovremmo provare a fare a meno di una turbina. È necessario costruire un generatore che converta esso stesso l'energia di un getto di gas caldo in corrente elettrica! E l'hanno costruito. Una scienza in rapido sviluppo, la magnetoidrodinamica, che studia il movimento dei fluidi che conducono corrente elettrica in un campo magnetico, ha contribuito a costruire un generatore di energia al plasma.

Si è riscontrato che un conduttore liquido posto in un campo magnetico non differisce nel comportamento da un conduttore solido, come un metallo. Ma sappiamo bene cosa succede in un conduttore metallico se viene spostato tra i poli di un magnete: in esso viene indotta (indotta) una corrente elettrica. Ciò significa che la corrente apparirà anche nel getto di liquido se questo attraversa il campo magnetico.

Tuttavia, non era ancora possibile costruire un generatore con un conduttore di liquido. Il getto di liquido doveva essere accelerato ad una velocità molto elevata, e ciò richiedeva un'enorme quantità di energia, la maggior parte della quale veniva persa nel getto stesso in turbolenza. Fu allora che venne fuori il pensiero: perché non sostituire il liquido con un gas? Dopotutto, siamo da tempo in grado di comunicare velocità enormi ai getti di gas: ricorda almeno un motore a reazione. Ma questo pensiero doveva essere scartato subito: non un solo gas conduce corrente.

Si è rivelato un completo vicolo cieco. I conduttori solidi non resistono alle alte temperature; quelli liquidi non accelerano alle alte velocità; i gassosi non sono affatto conduttori. Ma…

Siamo abituati a pensare che la materia possa esistere solo in tre stati: solido, liquido e gassoso. E, dopotutto, accade anche nel quarto stato: il plasma. Il plasma, come è noto, è costituito dal Sole e dalla maggior parte delle stelle. Eccolo qui: un generatore di corrente al plasma!

Il plasma è un gas, ma ionizzato

In esso, tra le molecole, si incontrano ioni carichi, cioè "frammenti" di atomi con orbite elettroniche disturbate. Ci sono anche elettroni liberi. Ioni ed elettroni sono portatori di cariche elettriche, il che significa che il plasma è elettricamente conduttivo.

Ma per ottenere un plasma, è necessario riscaldare il gas più forte. All'aumentare della temperatura, le molecole di gas si muovono sempre più velocemente, spesso e fortemente si scontrano tra loro. Arriva un momento in cui le molecole si disintegrano gradualmente in atomi. Ma il gas non conduce corrente. Continuiamo a scaldarlo!

Qui il termometro segnava 4000°. Gli atomi hanno acquisito alta energia. Le loro velocità sono enormi e le collisioni individuali finiscono "in modo catastrofico": i gusci di elettroni degli atomi si rompono. Questo è ciò di cui abbiamo bisogno - ora ci sono ioni ed elettroni nel gas - è apparso il plasma.

Riscaldare un gas a 4000° non è un compito facile. I migliori tipi di carbone, petrolio e gas naturali danno una temperatura molto più bassa quando vengono bruciati. Come essere?

Gli scienziati hanno affrontato questa difficoltà. Potassio salvato: un metallo alcalino economico e comune. Si è scoperto che in presenza di potassio, la ionizzazione di molti gas inizia molto prima. Vale la pena aggiungere solo l'uno per cento di potassio ai normali gas di scarico: i prodotti della combustione di carbone e petrolio, poiché la ionizzazione in essi inizia a 3000 ° e anche leggermente inferiore.

Dal forno, dove nascono i gas caldi, vengono deviati in un tubo di derivazione, dove la potassa, carbonato di potassio, viene continuamente alimentata in un sottile flusso. C'è una ionizzazione debole, ma comunque sufficiente. L'ugello si espande quindi uniformemente per formare un ugello.

Le proprietà dell'ugello di espansione sono tali che quando si sposta attraverso di esso, il gas guadagna velocità elevata, perdendo pressione. La velocità dei gas che fuoriescono dall'ugello può competere con le velocità dei moderni aerei: raggiunge i 3200 km / h.

Un flusso di plasma incandescente irrompe nel canale principale del generatore

Le sue pareti non sono di metallo, ma di quarzo o ceramica refrattaria. All'esterno, i poli del magnete più forte vengono portati alle pareti. Sotto l'azione di un campo magnetico in un plasma, come in qualsiasi conduttore, viene indotta una forza elettromotrice.

Ora è necessario, come dicono gli elettricisti, "togliere" la corrente, portarla al consumatore. Per fare ciò, nel canale del generatore di plasma vengono introdotti due elettrodi, anche, ovviamente, non metallici, il più delle volte grafite. Se sono chiusi da un circuito esterno, nel circuito apparirà una corrente continua.

Per i piccoli generatori di energia al plasma, già costruiti in diversi paesi, l'efficienza ha raggiunto il 50% (l'efficienza di una centrale termica non è superiore al 35-37%). In teoria, puoi ottenere il 65% e anche di più. Gli scienziati che lavorano su un generatore di plasma devono affrontare molte sfide legate alla scelta dei materiali, con l'aumento della vita del generatore (i progetti attuali finora funzionano solo per pochi minuti).

Quasi tutti coloro che erano interessati all'energia hanno sentito parlare delle prospettive dei generatori MHD. Ma il fatto che questi generatori siano nella condizione di promettenti da più di 50 anni è noto a pochi. I problemi associati ai generatori di plasma MHD sono descritti nell'articolo.

Storia con plasma, o generatori magnetoidrodinamici (MHD). notevolmente simile alla situazione con . Sembra che basti solo un passo o un piccolo sforzo e la conversione diretta del calore in energia elettrica diventerà una realtà familiare. Ma un altro problema rimanda questa realtà all'infinito.

Prima di tutto, sulla terminologia. I generatori di plasma sono una delle varietà di generatori MHD. E quelli, a loro volta, hanno preso il nome dall'effetto della comparsa di una corrente elettrica durante il movimento di liquidi elettricamente conduttivi (elettroliti) in un campo magnetico. Questi fenomeni sono descritti e studiati in una delle sezioni di fisica - magnetoidrodinamica. È da qui che i generatori hanno preso il nome.

Storicamente, i primi esperimenti per creare generatori sono stati effettuati con elettroliti. Ma i risultati hanno mostrato che è molto difficile accelerare i flussi di elettroliti a velocità supersoniche e, senza questo, l'efficienza (fattore di efficienza) dei generatori è estremamente bassa.

Ulteriori ricerche sono state condotte con flussi di gas ionizzati ad alta velocità, o plasmi. Pertanto, oggi, parlando delle prospettive di utilizzo Generatori MHD, va tenuto presente che si tratta esclusivamente della loro varietà plasma.

Fisicamente, l'effetto della comparsa di una differenza di potenziale e di una corrente elettrica quando le cariche si muovono in un campo magnetico è simile. Chi ha lavorato con i sensori Hall sa che quando la corrente passa attraverso un semiconduttore posto in un campo magnetico, appare una differenza di potenziale sulle lastre di cristallo perpendicolarmente alle linee del campo magnetico. Solo nei generatori MHD viene fatto passare un fluido di lavoro conduttivo invece di una corrente.

La potenza dei generatori MHD dipende direttamente dalla conducibilità della sostanza che passa attraverso il suo canale, dal quadrato della sua velocità e dal quadrato dell'intensità del campo magnetico. Da queste relazioni è chiaro che maggiore è la conducibilità, la temperatura e l'intensità del campo, maggiore è la potenza assorbita.

Tutti gli studi teorici sulla conversione pratica del calore in elettricità risalgono agli anni '50 del secolo scorso. E un decennio dopo, apparvero gli impianti pilota "Mark-V" negli Stati Uniti con una capacità di 32 MW e "U-25" nell'URSS con una capacità di 25 MW. Da allora sono stati testati vari design e modalità di funzionamento efficaci dei generatori, sono stati testati vari tipi di corpi di lavoro e materiali strutturali. Ma i generatori di plasma non hanno raggiunto un ampio uso industriale.

Cosa abbiamo oggi? Da un lato, a Ryazanskaya GRES è già in funzione un'unità di potenza combinata con un generatore MHD con una capacità di 300 MW. L'efficienza del generatore stesso supera il 45%, mentre l'efficienza delle centrali termiche convenzionali raggiunge raramente il 35%. Il generatore utilizza plasma con una temperatura di 2800 gradi, ottenuto bruciando gas naturale, e.

Sembrerebbe che l'energia del plasma sia diventata una realtà. Ma si possono contare sulle dita generatori MHD simili nel mondo e sono stati creati nella seconda metà del secolo scorso.

Il primo motivo è ovvio: i generatori richiedono materiali strutturali ad alta temperatura per funzionare. Alcuni dei materiali sono stati sviluppati nell'ambito di programmi di fusione termonucleare. Altri sono usati nella scienza missilistica e sono classificati. In ogni caso, questi materiali sono estremamente costosi.

Un altro motivo risiede nelle peculiarità del funzionamento dei generatori MHD: producono esclusivamente corrente continua. Pertanto, sono necessari inverter potenti ed economici. Ancora oggi, nonostante i progressi nella tecnologia dei semiconduttori, questo problema non è stato completamente risolto. E senza questo, è impossibile trasferire enormi capacità ai consumatori.

Anche il problema della creazione di campi magnetici superforti non è stato completamente risolto. Anche l'uso di magneti superconduttori non risolve il problema. Tutti i materiali superconduttori noti hanno un'intensità di campo magnetico critica, al di sopra della quale la superconduttività semplicemente scompare.

Si può solo immaginare cosa può succedere con un passaggio improvviso allo stato normale dei conduttori in cui la densità di corrente supera i 1000 A/mm2. Un'esplosione di avvolgimenti in prossimità di un plasma riscaldato a quasi 3000 gradi non causerà una catastrofe globale, ma un costoso generatore MHD lo disabiliterà sicuramente.

Permangono i problemi del riscaldamento del plasma a temperature più elevate: a 2500 gradi e con aggiunte di metalli alcalini (potassio), la conducibilità del plasma rimane però molto bassa, incommensurabile con la conducibilità del rame. Ma un aumento della temperatura richiederà ancora nuovi materiali resistenti al calore. Il cerchio si chiude.

Pertanto, tutte le unità di potenza con generatori MHD create fino ad oggi dimostrano il livello di tecnologie raggiunte piuttosto che la fattibilità economica. Il prestigio del paese è un fattore importante, ma la costruzione di generatori MHD costosi e capricciosi su vasta scala oggi è molto costosa. Pertanto, anche i più potenti generatori MHD rimangono nello stato di impianti pilota. Su di essi, ingegneri e scienziati elaborano progetti futuri, testano nuovi materiali.

È difficile dire quando questo lavoro finirà. L'abbondanza di vari modelli di generatori MHD suggerisce che la soluzione ottimale è ancora lontana. E l'informazione che il plasma di fusione termonucleare è il mezzo di lavoro ideale per i generatori MHD ne posticipa l'uso diffuso fino alla metà del nostro secolo.

Per tagliare un pezzo di metallo spesso, è possibile utilizzare tre strumenti: una smerigliatrice, una torcia a gas ossigeno e una saldatrice al plasma. Con l'aiuto del primo si ottiene un taglio uniforme e netto, ma solo in linea retta, il secondo può tagliare motivi, ma il taglio si ottiene con afflussi di metallo e strappati. Ma la terza opzione sono i bordi tagliati lisci che non richiedono ulteriore elaborazione. Inoltre, il metallo può essere tagliato in questo modo lungo qualsiasi linea curva. È vero, la torcia al plasma non è economica, quindi molti artigiani domestici hanno una domanda, è possibile realizzare questo dispositivo da soli. Certo, puoi, l'importante è capire il principio di funzionamento della torcia al plasma.

E il principio è abbastanza semplice. All'interno della taglierina è installato un elettrodo in materiale durevole e resistente al calore. Si tratta infatti di un filo a cui viene applicata una corrente elettrica. Si accende un arco tra esso e l'ugello della taglierina, che riscalda lo spazio all'interno dell'ugello fino a 7000°C. Successivamente, l'aria compressa viene fornita nell'ugello. Si riscalda e si ionizza, cioè diventa un conduttore di corrente elettrica. La sua conduttività elettrica diventa la stessa di quella di un metallo.

Si scopre che l'aria stessa è un conduttore che, a contatto con il metallo, forma un cortocircuito. Poiché l'aria compressa ha una pressione elevata, cerca di uscire dall'ugello ad alta velocità. Questa aria ionizzata ad alta velocità è plasma, la cui temperatura è superiore a 20.000°C.

In questo caso, a contatto con il metallo da tagliare, si forma un arco tra il plasma e il pezzo, come nel caso della saldatura ad elettrodo. Il riscaldamento del metallo avviene istantaneamente, l'area di riscaldamento è uguale alla sezione trasversale del foro nell'ugello. Il metallo della parte da tagliare passa immediatamente allo stato liquido e viene soffiato via dal taglio dal plasma. Ecco come avviene il taglio.

Dal principio di funzionamento della macchina per il taglio al plasma, diventa chiaro che questo processo richiederà una fonte di alimentazione elettrica, una fonte di aria compressa, una torcia, che include un ugello in materiale resistente al calore, cavi per l'alimentazione elettrica e tubi flessibili per la fornitura di aria compressa.

Trattandosi di una torcia al plasma che verrà assemblata a mano, è necessario tenere conto del momento in cui l'attrezzatura dovrebbe essere poco costosa. Pertanto, come fonte di alimentazione viene selezionato un inverter di saldatura. Questo è un dispositivo economico con un buon arco stabile, con il suo aiuto puoi risparmiare molto sul consumo di corrente elettrica. È vero, possono tagliare pezzi grezzi di metallo con uno spessore non superiore a 25 mm. Se è necessario aumentare questo indicatore, sarà necessario utilizzare un trasformatore di saldatura anziché un inverter.

Per quanto riguarda la fonte di aria compressa, non dovrebbero esserci problemi. Un compressore convenzionale con una pressione di 2-2,5 atmosfere manterrà perfettamente un arco stabile per il taglio. L'unica cosa a cui devi prestare attenzione è il volume dell'aria rilasciata. Se il processo di taglio dei metalli è lungo, il compressore potrebbe non resistere a un lavoro così intenso. Pertanto, si consiglia di installare un ricevitore dopo di esso. Si tratta infatti di un contenitore in cui l'aria si accumulerà alla pressione richiesta. Qui è importante effettuare le regolazioni in modo che la caduta di pressione nel ricevitore provochi immediatamente l'accensione del compressore per riempire il serbatoio di aria compressa. Va notato che i compressori completi di ricevitore sono ora venduti come un unico complesso.

L'elemento più difficile da produrre della torcia al plasma è un bruciatore con ugello. L'opzione più semplice è acquistare un ugello già pronto, o meglio molti dei suoi tipi con diversi diametri della sua apertura. Quindi, cambiando l'ugello, è possibile eseguire tagli di diverse larghezze. Il diametro standard è di 3 mm. Alcuni artigiani domestici realizzano ugelli fai-da-te con metalli resistenti al calore, che non sono così facili da ottenere. Quindi è più facile acquistare.

L'ugello è installato sulla taglierina, è semplicemente avvitato all'estremità del bruciatore. Se un inverter viene utilizzato in una torcia al plasma fatta in casa, il suo kit include una maniglia su cui è possibile posizionare l'ugello acquistato.

Gli elementi obbligatori di una torcia al plasma sono un cavo di saldatura e un tubo flessibile. Di solito sono combinati in un set, il che crea la comodità del loro utilizzo. Si consiglia di isolare il doppio elemento, ad esempio installarlo all'interno di un tubo di gomma.

E un altro elemento di una torcia al plasma fatta in casa è un oscillatore. Il suo scopo è quello di accendere l'arco all'inizio del lavoro, ovvero questo dispositivo crea una scintilla primaria per accendere un elettrodo non consumabile. Allo stesso tempo, non è necessario toccare la superficie metallica con l'estremità del materiale di consumo. Gli oscillatori funzionano sia in AC che in DC. Se nei dispositivi di fabbrica questo dispositivo è installato all'interno della custodia dell'apparecchiatura, nei dispositivi fatti in casa può essere installato accanto all'inverter collegandolo con i fili.

È necessario comprendere che l'oscillatore è inteso solo per l'accensione dell'arco. Cioè, dopo la sua stabilizzazione, il dispositivo deve essere spento. Lo schema di connessione si basa sull'uso di un relè, che controlla il processo di stabilizzazione. Dopo aver spento il dispositivo, l'arco funziona direttamente dall'inverter.

Come puoi vedere, non sono necessari disegni per assemblare una torcia al plasma con le tue mani. L'intero montaggio è abbastanza semplice, l'importante è seguire le regole di sicurezza. Ad esempio, un cavo di saldatura è imbullonato, i tubi dell'aria compressa sono collegati con crimpature e morsetti di fabbrica.

Come funziona una torcia al plasma fatta in casa

In linea di principio, una torcia al plasma fatta in casa funziona esattamente come una di fabbrica. È vero, ha le sue risorse, che dipendono principalmente dal materiale con cui è realizzato l'ugello.

• Innanzitutto, l'oscillatore e l'inverter vengono accesi, attraverso i quali la corrente viene fornita all'elettrodo. Si accende. L'accensione è comandata da un pulsante posto sull'impugnatura del bruciatore.
• 10-15 secondi, durante questo tempo l'arco di servizio riempirà l'intero spazio tra l'elettrodo e l'ugello. Ora puoi fornire aria compressa, perché durante questo periodo la temperatura all'interno dell'ugello raggiungerà i 7000 °C.
• Non appena il plasma fuoriesce dall'ugello, è possibile procedere al processo di taglio dei metalli.
• È molto importante guidare correttamente la torcia lungo il profilo di taglio previsto. Ad esempio, se la velocità di avanzamento della taglierina non è molto elevata, questa è una garanzia che la larghezza del taglio sarà grande, inoltre i bordi saranno esattamente irregolari con cedimenti e goffi. Se la velocità della taglierina, al contrario, è elevata, il metallo fuso verrà espulso male dalla zona di taglio, il che porterà alla formazione di un taglio strappato, la sua continuità andrà persa. Pertanto, è necessario selezionare sperimentalmente la velocità di taglio.

È molto importante scegliere il materiale giusto per la fabbricazione dell'elettrodo. Molto spesso per questo vengono utilizzati afnio, berillio, torio o zirconio. Nel processo di alte temperature che agiscono su di essi, sulla superficie si formano ossidi refrattari di questi metalli, in modo che l'elettrodo da essi venga distrutto lentamente. Il vero berillio riscaldato diventa radioattivo e il torio inizia a rilasciare sostanze tossiche. Pertanto, l'opzione migliore è un elettrodo in afnio.

La stabilizzazione della pressione all'uscita del ricevitore è fornita dal riduttore installato. È economico, ma risolve il problema dell'erogazione uniforme di aria compressa all'ugello della torcia.

Tutti i lavori sul funzionamento di una macchina per il taglio al plasma fatta in casa devono essere eseguiti solo con indumenti protettivi e scarpe. Assicurati di indossare guanti e occhiali.

Per quanto riguarda le dimensioni dell'ugello, non è consigliabile renderlo molto lungo. Questo porta alla sua rapida distruzione. Inoltre, è molto importante impostare correttamente la modalità di taglio. Il fatto è che a volte nelle taglierine al plasma fatte in casa non appare un arco, ma due. Ciò influisce negativamente sul funzionamento del dispositivo stesso. E, naturalmente, questo riduce la sua durata. È solo che l'ugello inizia a rompersi più velocemente. Sì, e l'inverter potrebbe non sopportare un tale carico, quindi esiste la possibilità che si guasti.

E l'ultimo. Una caratteristica di questo tipo di taglio dei metalli è la sua fusione solo nel punto interessato dal flusso di plasma. Pertanto, è necessario assicurarsi che il punto tagliato si trovi al centro dell'estremità dell'elettrodo. Anche uno spostamento minimo dello spot comporterà una deviazione dell'arco, che creerà le condizioni per la formazione di un taglio errato e, di conseguenza, una diminuzione della qualità del processo stesso.

Come puoi vedere, il disegno del processo di taglio dipende da molti fattori, quindi, quando si assembla una torcia al plasma senza l'aiuto di specialisti con le proprie mani, è necessario rispettare rigorosamente tutti i requisiti per ciascun elemento e dispositivo. Anche piccole deviazioni ridurranno la qualità del taglio.