Generator električne energije s plazma katodom. Prijenos električne energije na daljinu

Gotovo svi koji su zainteresirani za energiju čuli su za perspektivu MHD generatora. Ali malo tko zna da su ovi generatori obećavajući status već više od 50 godina. U članku su opisani problemi povezani s plazma MHD generatorima.

Priča s plazmom, odn magnetohidrodinamički (MHD) generatori iznenađujuće slična situaciji s . Čini se da trebate učiniti samo jedan korak ili primijeniti malu silu i izravna pretvorba topline u električna energija postat će poznata stvarnost. Ali jedan drugi problem gura ovu stvarnost na neodređeno vrijeme.

Prije svega o terminologiji. Generatori plazme su jedna od vrsta MHD generatora. A one su, pak, dobile ime po efektu izgleda električna struja kada se elektrovodljive tekućine (elektroliti) gibaju u magnetskom polju. Ovi fenomeni su opisani i proučavani u jednoj od grana fizike - magnetohidrodinamika. Tu su generatori dobili ime.

Povijesno gledano, prvi eksperimenti za stvaranje generatora provedeni su s elektrolitima. Ali rezultati su pokazali da je vrlo teško ubrzati protok elektrolita do nadzvučnih brzina, a bez toga učinkovitost (koeficijent korisna radnja) generatora je izuzetno nizak.

Daljnja istraživanja su provedena s strujanjem ioniziranog plina velike brzine ili plazme. Stoga, danas, govoreći o izgledima za korištenje MHD generatori, morate imati na umu da je riječ isključivo o njihovoj plazma vrsti.

Fizički, učinak pojave potencijalne razlike i električne struje pri kretanju naboja u magnetskom polju je sličan. Oni koji su radili s Hallovim senzorima znaju da kada struja prolazi kroz poluvodič smješten u magnetskom polju, na pločama kristala, okomito na linije magnetsko polje, pojavljuje se potencijalna razlika. Jedino se kod MHD generatora umjesto struje propušta vodljivi radni fluid.

Snaga MHD generatora izravno ovisi o vodljivosti tvari koja prolazi kroz njegov kanal, kvadratu njegove brzine i kvadratu jakosti magnetskog polja. Iz ovih odnosa jasno je da što su veća vodljivost, temperatura i jakost polja, to je veća preuzeta snaga.

Sve teorijske studije o praktičnoj pretvorbi topline u električnu energiju provedene su još 50-ih godina prošlog stoljeća. A desetljeće kasnije, pilot postrojenja "Mark-V" pojavila su se u SAD-u s kapacitetom od 32 MW i "U-25" u SSSR-u s kapacitetom od 25 MW. Od tada se radi raznih dizajna i učinkoviti načini rada generatora, ispitivanje različitih vrsta radnih fluida i konstrukcijskih materijala. No generatori plazme nikada nisu dosegli široku industrijsku upotrebu.

Što imamo danas? S jedne strane, kombinirana energetska jedinica s MHD generatorom od 300 MW već radi u Rjazanskoj državnoj elektrani. Učinkovitost samog generatora prelazi 45%, dok učinkovitost konvencionalnih toplinskih stanica rijetko doseže 35%. Generator koristi plazmu s temperaturom od 2800 stupnjeva, dobivenu izgaranjem prirodnog plina, i.

Čini se da je energija plazme postala stvarnost. No, slični MHD generatori u svijetu mogu se nabrojati na prste jedne ruke, a nastali su još u drugoj polovici prošlog stoljeća.

Prvi razlog je očit: generatori za rad zahtijevaju materijale otporne na toplinu. građevinski materijali. Neki su materijali razvijeni u sklopu programa termonuklearne fuzije. Drugi se koriste u raketnoj znanosti i klasificirani su. U svakom slučaju, ovi materijali su izuzetno skupi.

Drugi razlog je način rada MHD generatora: oni proizvode isključivo istosmjernu struju. Stoga su potrebni snažni i štedljivi pretvarači. Ni danas, unatoč dostignućima poluvodičke tehnologije, takav problem nije u potpunosti riješen. A bez toga je nemoguće prenijeti ogromnu snagu na potrošače.

Problem stvaranja superjakih magnetskih polja nije u potpunosti riješen. Čak ni upotreba supravodljivih magneta ne rješava problem. Svi poznati supravodljivi materijali imaju kritičnu jakost magnetskog polja, iznad koje supravodljivost jednostavno nestaje.

Može se samo nagađati što bi se moglo dogoditi naglim prijelazom na normalno stanje vodiči u kojima gustoća struje prelazi 1000 A/mm2. Eksplozija namotaja u neposrednoj blizini plazme zagrijane na gotovo 3000 stupnjeva neće izazvati globalnu katastrofu, ali skupi MHD generator sigurno neće uspjeti.

Problemi zagrijavanja plazme na više temperature ostaju: pri 2500 stupnjeva i dodatku alkalnih metala (kalij), vodljivost plazme, međutim, ostaje vrlo niska, nemjerljiva s vodljivošću bakra. Ali rastuće temperature ponovno će zahtijevati nove materijale otporne na toplinu. Krug se zatvara.

Stoga sve jedinice snage s MHD generatorima stvorene do danas više pokazuju razinu dostignute tehnologije ekonomska izvedivost. Prestiž zemlje je važan čimbenik, ali danas je vrlo skupo masovno graditi skupe i kapriciozne MHD generatore. Stoga čak i najjači MHD generatori ostaju u statusu pilot industrijskih postrojenja. Na njima inženjeri i znanstvenici rade na budućim dizajnima i testiraju nove materijale.

Teško je reći kada će ovaj posao završiti. Obilje različitih izvedbi MHD generatora sugerira da do optimalno rješenje još daleko. A informacija da je idealna radna tekućina za MHD generatore plazma termonuklearne fuzije odbacuje široka primjena ih sve do sredine našeg stoljeća.

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; s drugim možete rezati uzorke, ali rez ispada metalik i poderan. Ali treća opcija su glatki rezovi rubova koji nisu potrebni dodatna obrada. 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. Zagrijava se i ionizira, odnosno postaje vodič električne struje. 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 izrezanog dijela odmah ide u tekuće stanje a plazma se otpuhuje s mjesta reza. Ovako se događa rezanje.

Od principa rada uređaja rezanje plazmom postaje jasno da će ovaj proces zahtijevati izvor električno napajanje, izvor potisnut zrak, 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 spremnik u kojem će se akumulirati zrak pod potrebnim tlakom. 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. Najjednostavnija opcija je kupiti gotovu mlaznicu, ili još bolje, nekoliko vrsta s različitim promjerima rupa. 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 zavrti na kraj gorionika. Ako se pretvarač 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 naizmjenično i DC. 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 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 napredovanja 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. Značajka Ova vrsta rezanja metala uključuje topljenje 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 se krutina previše zagrije, 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 najviše koristi različitim područjima znanost i tehnologija: za toplinsku obradu metala, primjena na njih razne obloge, taljenje i druge metalurške operacije. U U zadnje vrijeme Kemičari su počeli naširoko koristiti plazmu. Otkrili su da je u plazma mlazu brzina i učinkovitost mnogih kemijske reakcije. 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 električno polje 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 visoki napon 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 koji se velikom brzinom izbacuju 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. Ovo je oko 100 puta više brzine plinovi u postojećim mlaznim motorima. 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.