Генераторы низкотемпературной плазмы (плазмотроны). Когда станут реальностью плазменные генераторы электричества Генератор электроэнергии на холодной плазме
О перспективности МГД генераторов слышал почти каждый, кто интересовался энергетикой. А вот то, что эти генераторы находятся в статусе перспективных уже более 50 лет, известно немногим. О проблемах, связанных с плазменными МГД генераторами, рассказывается в статье.
История с плазменными, или магнитогидродинамическими (МГД) генераторами удивительно похожа на ситуацию с . Кажется, что нужно сделать только одни шаг или приложить небольшое усилие, и прямое преобразование тепла в электрическую энергию станет привычной реальностью. Но очередная проблема отодвигает эту реальность на неопределенное время.
Прежде всего, о терминологии. Плазменные генераторы являются одной из разновидностей МГД генераторов. А те, в свою очередь, получили свое название по эффекту появления электрического тока при движении электропроводящих жидкостей (электролитов) в магнитном поле. Эти явления описываются и изучаются в одном из разделов физики - магнитогидродинамике . Отсюда и получили свое название генераторы.
Исторически первые эксперименты по созданию генераторов проводились с электролитами. Но результаты показали, что разогнать потоки электролитов до сверхзвуковых скоростей очень трудно, а без этого КПД (коэффициент полезного действия) генераторов чрезвычайно низок.
Дальнейшие исследования проводились с высокоскоростными ионизированными потоками газа, или плазмой. Поэтому сегодня, говоря о перспективах использования МГД генераторов , нужно иметь в виду, что речь идет исключительно о плазменной их разновидности.
Физически эффект появления разности потенциалов и электрического тока при движении зарядов в магнитном поле аналогичен . Те, кто работал с датчиками Холла, знают, что при прохождении тока через полупроводник, помещенный в магнитное поле, на обкладках кристалла, перпендикулярных линиям магнитного поля, появляется разность потенциалов. Только в МГД генераторах вместо тока пропускают проводящее рабочее тело.
Мощность МГД генераторов напрямую зависит от проводимости проходящего через его канал вещества, квадрата его скорости и квадрата напряженности магнитного поля. Из этих соотношений понятно, что чем больше проводимость, температура и напряженность поля, тем выше отбираемая мощность.
Все теоретические исследования по практическому преобразованию тепла в электричество были выполнены еще в 50-х годах минувшего столетия. А спустя десятилетие появились опытно-промышленные установки «Марк-V» в США мощностью 32 МВт и «У-25» в СССР мощностью 25 МВт. С тех пор ведется отработка различных конструкций и эффективных режимов работы генераторов, испытания разнообразных типов рабочих тел и конструкционных материалов. Но до широкого промышленного использования плазменные генераторы так и не дошли.
Что мы имеем на сегодняшний день? С одной стороны, уже работает комбинированный энергоблок с МГД генератором мощностью 300 МВт на Рязанской ГРЭС. КПД собственно генератора превышает 45%, тогда как КПД обычных тепловых станций редко достигает 35%. В генераторе используется плазма с температурой 2800 градусов, полученная при сгорании природного газа, и .
Казалось бы, плазменная энергетика стала реальностью. Но подобные МГД генераторы в мире можно сосчитать на пальцах, и созданы они еще во второй половине прошлого века.
Первая причина очевидна: для работы генераторов требуются жаропрочные конструкционные материалы. Часть материалов разработано в рамках выполнения программ по термоядерному синтезу. Другие используются в ракетостроении и засекречены. В любом случае, эти материалы чрезвычайно дорогие.
Другая причина заключается в особенностях работы МГД генераторов: они производят исключительно постоянный ток. Поэтому требуются мощные и экономичные инверторы. Даже сегодня, несмотря на достижения полупроводниковой техники, подобная задача до конца не решена. А без этого передать огромные мощности потребителям невозможно.
Не решена полностью и задача создания сверхсильных магнитных полей. Даже применение сверхпроводящих магнитов не решает проблему. Все известные сверхпроводящие материалы имеют критическую величину напряженности магнитного поля, выше которой сверхпроводимость просто исчезает.
Можно только гадать, что может произойти при внезапном переходе в нормальное состояние проводников, в которых плотность тока превышает 1000 А/мм2. Взрыв обмоток в непосредственной близости с плазмой, разогретой почти до 3000 градусов не вызовет глобальной катастрофы, но дорогостоящий МГД генератор выведет из строя наверняка.
Остаются проблемы разогрева плазмы до более высоких температур: при 2500 градусах и добавках щелочных металлов (калия) проводимость плазмы, тем не менее, остается очень низкой, несоизмеримой с проводимостью меди. Но повышение температуры потребует опять новых жаропрочных материалов. Круг замыкается.
Поэтому все созданные на сегодня энергоблоки с МГД генераторами демонстрируют скорее уровень достигнутых технологий, чем экономическую целесообразность. Престиж страны - это важный фактор, но строить в массовом порядке дорогие и капризные МГД генераторы сегодня очень накладно. Поэтому даже самые мощные МГД генераторы остаются в статусе опытно-промышленных установок. На них инженера и ученые отрабатывают будущие конструкции, испытывают новые материалы.
Когда закончится эта работа, сказать трудно. Изобилие различных конструкций МГД генераторов говорит о том, что до оптимального решения еще далеко. А информация о том, что идеальным рабочим телом для МГД генераторов является плазма термоядерного синтеза, отодвигает широкое применение их до середины нашего века.
Чтобы разрезать толстую металлическую заготовку, можно воспользоваться тремя инструментами: болгаркой, газовой кислородной горелкой и аппаратом плазменной сварки. С помощью первого получается ровный и аккуратный срез, но только по прямой линии, вторым можно резать узоры, но срез получается с наплывами металла и рваным. А вот третий вариант – это ровные резаные кромки, которые не нуждаются в дополнительной обработке. К тому же резать, таким образом, металл можно по любой кривой линии. Правда, стоит плазмотрон недешево, поэтому у многих домашних мастеров возникает вопрос, а можно ли изготовить это приспособление самостоятельно. Конечно, можно, главное понять принцип работы плазмотрона.
А принцип достаточно прост. Внутри резака установлен электрод из прочного и жаростойкого материала. По сути, это проволока, на которую подается электрический ток. Между ней и соплом резака зажигается дуга, которая нагревает пространство внутри сопла до 7000С. После чего внутрь сопла подается сжатый воздух. Он нагревается и ионизируется, то есть, становится проводником электрического тока. Его электропроводность становится такой же, как и у металла.
Получается так, что сам воздух – это проводник, который при соприкосновении с металлом образует короткое замыкание. Так как сжатый воздух обладает высоким давлением, то он старается выйти из сопла с большой скоростью. Этот ионизированный воздух с большой скоростью и есть плазма, температура которой более 20000С.
При этом, соприкасаясь с разрезаемым металлом, между плазмой и заготовкой образуется дуга, как и в случае с электродной сваркой. Разогрев металла происходит моментально, площадь разогрева равна сечению отверстия в сопле. Металл разрезаемой детали тут же переходит в жидкое состояние и плазмой выдувается из места разреза. Так и происходит резка.
Из принципа работы аппарата плазменной резки становится понятным, что для проведения этого процесса потребуется источник электрического питания, источник сжатого воздуха, горелка, в состав которой входит сопло из жаропрочного материала, кабели для подачи электроэнергии и шланги для подачи сжатого воздуха.
Так как разговор идет о плазмотроне, который будет собираться своими руками, то необходимо учитывать момент, что оборудование должно быть недорогим. Поэтому в качестве источника питания электроэнергией выбирается сварочный инвертор. Это недорогой аппарат с хорошей стабильной дугой, с его помощью можно неплохо сэкономить на потреблении электрического тока. Правда, резать им можно металлические заготовки толщиною не более 25 мм. Если есть необходимость увеличить данный показатель, тогда придется использовать вместо инвертора сварочный трансформатор.
Что касается источника сжатого воздуха, то тут проблем возникнуть не должно. Обычный компрессор давлением 2-2,5 атмосферы прекрасно будет поддерживать стабильную дугу для резки. Единственное, на что необходимо обратить внимание, это объем выдаваемого воздуха. Если процесс резки металлов будет продолжительным, то компрессор может не выдержать такой интенсивной работы. Поэтому рекомендуется после него установить ресивер. По сути, это емкость, в которой будет аккумулироваться воздух под необходимым давлением. Здесь важно провести настройку так, чтобы снижение давления в ресивере сразу же становилось причиной включения компрессора для наполнения емкости сжатым воздухом. Необходимо отметить, что компрессоры в комплекте с ресивером сегодня продаются, как единый комплекс.
Самый сложный в изготовлении элемент плазмотрона – это горелка с соплом. Самый простой вариант – это купить готовое сопло, а лучше несколько его видов с разными диаметрами его отверстия. Таким образом можно, меняя сопло, проводить резку разной ширины. Стандартный диаметр – 3 мм. Кто-то из домашних мастеров делает сопла своими руками из жаропрочных металлов, которые достать не так просто. Поэтому проще купить.
Устанавливается сопло на резак, он просто накручивается на конец горелки. Если используется в самодельном плазмотроне инвертор, то в его комплект входит рукоятка, на которую можно насадить купленное сопло.
Обязательные элементы плазмотрона – сварочный кабель и шланг. Их обычно соединяют в один комплект, что создает удобство их использования. Сдвоенный элемент рекомендуется заизолировать, к примеру, установить внутрь резинового шланга.
И еще один элемент самодельного плазмотрона – это осциллятор. Его назначение – зажечь дугу в самом начале работы, то есть, этот прибор создает первичную искру для поджига неплавящегося электрода. При этом касаться концом расходника поверхности металла нет необходимости. Работают осцилляторы, как на переменном, так и на постоянном токе. Если в заводских аппаратах этот прибор установлен внутри корпуса оборудования, то в самодельных его можно установить рядом с инвертором, подключив проводами.
Необходимо понимать, что осциллятор предназначается только для поджига дуги. То есть, после ее стабилизации прибор должен быть отключен. Схема подключения основана на использовании реле, при помощи которого контролируется процесс стабилизации. После отключения устройства дуга работает непосредственно от инвертора.
Как видите, никакие чертежи для сборки плазмотрона своими руками не нужны. Вся сборка производится достаточно просто, главное соблюсти правила техники безопасности. К примеру, сварочный кабель соединяется на болтах, шланги для сжатого воздуха на заводских обжимах и хомутах.
Как работает самодельный плазмотрон
В принципе, самодельный плазмотрон работает точно так же, как и заводской. Правда, у него свой собственный ресурс, зависящий в основном от материала, из которого изготовлено сопло.
- Сначала включается осциллятор и инвертор, через которые ток подается на электрод. Происходит его поджиг. Управление поджигом производится кнопкой, расположенной на рукоятке горелки.
- Секунд 10-15, за это время дежурная дуга заполнит собой все пространство между электродом и соплом. Теперь можно подавать сжатый воздух, потому что за это время температура внутри сопла достигнет 7000С.
- Как только из сопла вырвется плазма, можно переходить к процессу резки металла.
- Очень важно правильно вести горелку вдоль намеченного контура резки. К примеру, если скорость продвижения резака не очень большая, то это гарантия, что ширина реза будет большой, плюс края будут точно неровными с наплывами и корявыми. Если скорость движения резака, наоборот, будет большой, то расплавленный металл будет плохо выдуваться из зоны резки, что приведет к образованию рваного реза, потеряется его непрерывность. Поэтому опытным путем необходимо подобрать скорость резки.
Очень важно правильно подобрать материал для изготовления электрода. Чаще всего для этого используют гафний, бериллий, торий или цирконий. В процессе действия на них высоких температур на поверхности образуются тугоплавкие оксиды этих металлов, так что электрод из них разрушается медленно. Правда, нагретый бериллий становится радиоактивным, а торий начинает выделять токсичные вещества. Поэтому оптимальный вариант – это электрод из гафния.
Стабилизация давления на выходе из ресивера обеспечивается установленным редуктором. Стоит он недорого, зато решает проблему равномерного поступления сжатого воздуха на сопло резака.
Все работы по эксплуатации самодельного аппарата плазменной резки должны проводиться только в защитной одежде и обуви. Обязательно надеваются перчатки и очки.
Что касается размеров сопла, то делать его очень длинным не рекомендуется. Это приводит к быстрому его разрушению. К тому же очень важно провести правильную настройку режима реза. Все дело в том, что иногда в самодельных плазморезах появляется не одна дуга, а две. Это негативно сказывается на работе самого аппарата. И конечно, это уменьшает срок его эксплуатации. Просто сопло начинает быстрее разрушаться. Да и инвертор такой нагрузки может не выдержать, так что есть вероятность выхода его из строя.
И последнее. Характерная особенность данного вида резки металлов – это его плавка только в том месте, на который воздействует плазменный поток. Поэтому необходимо добиться того, чтобы пятно реза находилось по центру конца электрода. Даже минимальное смещение пятна приведет к отклонению дуги, что создаст условия образования неправильного реза, а соответственно снижения качества самого процесса.
Как видите, рисунок процесса резки зависит от многих фактором, поэтому, собирая плазмотрон без помощи специалистов своими руками, необходимо точно соблюдать все требования к каждому элементу и прибору. Даже небольшие отклонения снизят качество реза.
