Наука твердо знает: превращение тепла в работу тем выгоднее, чем сильнее нагрет пар. Если на обычной современной электростанции поднять температуру пара до 1000-1500°, ее к. п. д. сам собой увеличится в полтора раза. Но беда в том, что сделать это никак нельзя, ведь такой страшный жар очень быстро разрушит любую турбину .
Значит, рассуждали ученые, надо попробовать обойтись совсем без турбины. Надо построить такой генератор, который бы сам превращал энергию струи раскаленного газа в электрический ток! И построили. Построить плазменный генератор электроэнергии помогла быстро развивающаяся наука - магнитогидродинамика, которая изучает движение в магнитном поле жидкостей, проводящих электрический ток .
Обнаружилось, что жидкость-проводник, помещенная в магнитное поле, ничем не отличается по поведению от твердого проводника, например металла. Но мы хорошо знаем, что происходит в металлическом проводнике, если его двигать между полюсами магнита: в нем наводится (индуктируется) электрический ток. Значит, ток появится и в струе жидкости, если эта струя пере-сечет магнитное поле.
Однако построить генератор с жидким проводником все же не удалось. Струю жидкости нужно было разогнать до очень высокой скорости, а на это требуется громадное количество энергии, большая часть которой теряется в самой струе на завихрения. Вот тогда-то и явилась мысль: а не заменить ли жидкость газом? Ведь газовым струям мы давно умеем сообщать огромные скорости - вспомните хотя бы реактивный двигатель. Но эту мысль сразу же пришлось отбросить: ни один газ не проводит тока.
Получился как будто полный тупик. Твердые проводники не выдерживают высоких температур; жидкие не разгоняются до высоких скоростей; газообразные не проводники вовсе. Но…
Мы привыкли думать, что вещество может находиться только в трех состояниях - твердом, жидком и газообразном. А оно, ведь, бывает еще и в четвертом состоянии - плазменном. Из плазмы, как известно, состоит Солнце и большинство звезд. Вот он – плазменный генератор электроэнергии!
Плазма - это газ, но ионизированный
В нем среди молекул попадаются заряженные ионы, т. е. «осколки» атомов с нарушенными электронными орбитами. Есть и свободные электроны. Ионы и электроны - носители электрических зарядов, а это значит, что плазма электропроводна.
Но чтобы получить плазму, необходимо посильнее нагреть газ. С повышением температуры молекулы газа движутся все быстрее, они часто и сильно сталкиваются между собой. Наступает момент, когда молекулы постепенно распадаются на атомы. Но газ пока тока не проводит. Продолжаем его нагревать!
Вот термометр показал 4000°. Атомы приобрели высокую энергию. Их скорости огромны, а отдельные столкновения заканчиваются «катастрофически»: электронные оболочки атомов нарушаются. Это нам и нужно - теперь в газе есть ионы и электроны — появилась плазма.
Нагреть газ до 4000° - нелегкое дело. Лучшие сорта угля , нефти и природных газов дают при сгорании куда более низкую температуру. Как быть?
Ученые справились и с этой трудностью. Выручил калий - дешевый и распространенный щелочной металл. Оказалось, что в присутствии калия ионизация многих газов начинается гораздо раньше. Стоит добавить всего один процент калия к обычным топочным газам - продуктам сгорания угля и нефти, как ионизация в них начинается при 3000° и даже чуть ниже.
Из топки, где рождаются горячие газы, их отводят в патрубок, куда непрерывно подается тоненькой струйкой поташ - углекислый калий. Происходит слабая, но все же достаточная ионизация. Патрубок затем плавно расширяется, образуя сопло.
Свойства расширяющегося сопла таковы, что при движении по нему газ набирает высокую скорость, теряя давление. Скорость газов, вырывающихся из сопла, может соперничать со скоростями современных самолетов - она достигает 3200 км/час.
Раскаленный поток плазмы врывается в главный канал генератора
Его стенки не из металла, а из кварца или огнеупорной керамики. Снаружи к стенкам подведены полюсы сильнейшего магнита. Под действием магнитного поля в плазме, как во всяком проводнике, наводится электродвижущая сила.
Теперь надо, как говорят электрики, «снять» ток, отвести его к потребителю. Для этого в канал плазменного генератора вводят два электрода - тоже, конечно, неметаллических, чаще всего графитовых. Если их замкнуть внешней цепью, то в цепи появится постоянный ток.
У небольших плазменных генераторов электроэнергии, уже построенных в разных странах, к. п. д. достиг 50% (к. п. д. тепловой электростанции не больше 35-37%). Теоретически можно получить и 65%, и еще больше. Перед учеными, работающими над плазменным генератором, стоит много проблем, связанных с выбором материалов, с увеличением срока работы генератора (нынешние образцы работают пока лишь минуты).
Плазменный генератор - плазмотрон
Если твёрдое вещество сильно нагреть, оно превратится в жидкость. Если поднять температуру ещё выше - жидкость испарится и превратится в газ.
Но что произойдёт, если продолжать увеличивать температуру? Атомы вещества начнут терять свои электроны, превращаясь в положительные ионы. Вместо газа образуется газообразная смесь, состоящая из свободно движущихся электронов, ионов и нейтральных атомов. Она называется плазмой.
В наше время плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: для термической обработки металлов, нанесение на них различных покрытий, плавки и других металлургических операций. В последнее время плазму стали широко использовать химики. Они выяснили, что в струе плазмы сильно увеличивается скорость и эффективность многих химических реакций. Например, вводя в струю водородной плазмы метан, можно превратить его в очень ценный ацетилен. Или расположить пары нефти на ряд органических соединений - этилен, пропилен и другие, которые служат в дальнейшем важным сырьём для получения различных полимерных материалов.
Схема плазменного генератора - плазмотрона
1 - плазменная струя;
3 - дуговой разряд;
4 - каналы «закрутки» газа;
5 - катод из тугоплавкого металла;
6 - плазмообразующий газ;
7 - державка электрода;
8 - разрядная камера;
9 - соленоид;
10 - медный анод.
Как создать плазму? Для этой цели и служит плазмотрон, или плазменный генератор.
Если поместить в сосуд с газом металлические электроды и приложить к ним высокое напряжение, произойдёт электрический разряд. В газе всегда имеются свободные электроны. Под действием электрического тока они разгоняют и, сталкиваясь с нейтральными атомами газа, выбивают из них электроны и образуют электрически заряженные частицы - ионы, т.е. ионизируют атомы. Освободившиеся электроны тоже ускоряются электрическим полем и ионизируют новые атомы, ещё увеличивая количество свободных электронов и ионов. Процесс развивается лавинообразно, атомы вещества очень быстро ионизируются и вещество превращается в плазму.
Этот процесс происходит в дуговом плазмотроне. Высокое напряжение создаётся в нём между катодом и анодом, в качестве которого может служить, например, металл, который нужно обработать с помощью плазмы. В пространство разрядной камеры подаётся плазмообразующее вещество чаще всего газ - воздух, азот, аргон, водород, метан, кислород и т.д. Под действием высокого напряжения в газе возникает разряд, и между катодом и анодом образуется плазменная дуга. Чтобы избежать перегрева стенок разрядной камеры, их охлаждают водой. Устройства такого типа называют плазмотронами с внешней плазменной дугой. Применяются они для резки, сварки, расплавления металлов и др.
Несколько иначе устроен плазмотрон для создания плазменной струи. Плазмообразующий газ с большой скоростью продувается через систему спиральных каналов и «поджигается» в пространстве между катодом и стенками разрядной камеры, которые являются анодом. Плазма, закрученная благодаря спиральным каналам в плотную струю, выбрасывается из сопла, причём её скорость может достигать от 1 до 10000 м/с. «Отжать» плазму от стенок камеры и сделать её струю более плотной помогает магнитное поле, которое создаётся катушкой индуктивности. Температура струи плазмы на выходе из сопла - от 3000 до 25000 К.
Вглядитесь ещё раз в этот рисунок. Не напоминает ли он вам что-то хорошо известное?
Конечно, это реактивный двигатель. Силу тяги в реактивном двигателе создаёт струя горячих газов, выбрасываемых с большой скоростью из сопла. Чем больше скорость, тем больше сила тяги. А чем хуже плазма? Скорость у струи вполне подходящая - до 10 км/с. А с помощью специальных электрических полей плазму можно ускорить ещё больше - до 100 км/с. Это примерно в 100 раз больше скорости газов в существующих реактивных двигателях. Значит, и тяга у плазменных или электрореактивных двигателей может быть больше, и расход топлива можно будет намного уменьшить. Первые образцы плазменных двигателей уже испытаны в космосе.
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.
Основой для создания низкотемпературной плазмы является газоразрядная техника, в частности, плазмотроны или плазменные генераторы. Вид их зависит от того, какой тип разряда в них используется. Практическое применение находят устройства, использующие дуговой, высокочастотный, сверхвысокочастотный и, в некоторых случаях, оптический разряды. В настоящее время наибольшее распространение получили электродуговые и высокочастотные плазмотроны.
Дуговые плазмотроны. В них реализуется дуговой разряд при больших токах (от единиц ампера до десятков килоампер и более). Размер дуги может изменяться от нескольких миллиметров до 1 м и более, а ее мощность достигать десятков мегаватт. Принцип действия дугового плазмотрона прост - между электродами зажигается разряд, который нагревает обдувающий его газ до высокой температуры. Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества.
Конструктивно плазмотроны могут быть организованы разными способами. Основными среди них являются следующие:
С традиционным осевым расположением электродов (линейные). Дуга 1 горит между двумя водоохлаждаемыми электродами 3 (рис. 4.6.1, а). Плазмообразующий газ /, подающийся тангенциально к разряду, выносит плазменную струю за пределы разрядного промежутка. У линейных плазмотронов достигается наибольшая протяженность плазменного разряда, что позволяет увеличить среднее время пребывания химических агентов в активной зоне и расширяет возможность варьирования условий проведения плазмохимических реакций. Дуга стабилизируется потоком плазмообразующего газа, подаваемого в дуговую камеру 4 тангенциально с помощью вихревой газофор - мирующей головки. Так как при горении разряда дуговое пятно непрерывно перемещается
по относительно протяженной поверхности анода, такие конструкции имеют повышенный ресурс работы;
С коаксиальным расположением электродов (рис. 4.6.1, б) и с тороидальными электродами (рис. 4.6.1, в). Отличаются компактностью конструкций, однако имеют относительно малую активную зону и значительный износ материалов электродов, что, с одной стороны, сокращает ресурс работы, а с другой, - интенсивно загрязняет плазму продуктами их эрозии. Для уменьшения быстрого разрушения электродов в такие схемы часто добавляют устройство магнитного вращения дуги. Такие плазмотроны отличаются повышенной устойчивостью горения разряда в широком диапазоне расходов плазмообразующего газа;
С двусторонним истечением плазмы (рис. 4.6.1, г). Являются аналогом плазмотронов с осевым расположением электродов и отличаются симметричным способом ввода плазмообразующего газа в зону разряда, при котором он распространяется в двух диаметрально противоположных направлениях. В этом случае обеспечивается непрерывное перемещение дуговых пятен анода и катода, что приводит к увеличению ресурса их работы;
С расходуемыми электродами
(рис. 4.6.1, д. е). Применяются в случае, если одним из реагентов плазмохимической реакции может служить материал электрода самого плазмотрона.
Для изготовления электродов электродуговых плазмотронов применяют тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, цирконий, гафний или специальные сплавы. Ресурс работы вольфрамового катода при токах до 1000 А составляет несколько сотен часов и определяется в основном природой плазмообразующего газа. Катоды выполняются из циркония или гафния, наиболее устойчивых материалов при работе дуговых плазмотронов в окислительных средах. На поверхности этих материалов образуется оксидная пленка, с одной стороны, хорошо проводящая электрический ток при высоких температурах, а с другой, - предохраняющая металл от дальнейшего быстрого окисления.
Часто электроды дугового плазмотрона выполняют в виде медных водоохлаждаемых конструкций. Эрозия медных электродов приблизительно на два порядка выше чем, например, циркониевых, при одних и тех же условиях.
Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом плаз
мотрона. В некоторых типах дуговых плазмотронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод. Различают две группы дуговых плазмотронов - для создания внешней плазменной дуги и для создания плазменной струи. Аппараты первой группы имеют всего один электрод (катод), а анодом служит само обрабатываемое тело (рис. 4.6.1, с)). В плазмотронах второй группы плазма горит между двумя электродами (катодом и анодом) и за счет поступающего плазмообразующего газа истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.
Стабилизация разряда в дуговых плазмотронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространенных способов магнитной стабилизации плазменно-струйных плазмотронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании с помощью соленоида сильного магнитного поля, перпендикулярного к плоскости анода, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. При этом анодные и катодные пятна дуги постоянно переме-
Щаются по кругу, что предотвращает расплавление электродов или их интенсивную эрозию.
Газовая стабилизация разряда осуществляется путем тангенциальной подачи стабилизирующего газа в разрядный промежуток, при этом горячая дуга оттесняется от стенок разрядной камеры, предохраняя последнюю от чрезмерного нагрева и раф\шения. Однако при вихревой стабилизации лчгового разряда происходит и некоторое сжатие потока плазмы, что ведет к уменьшению объема реакционной зоны, поэтому в некоторых случаях стабилизирующий газовый поток не закручивают, а направляют параллельно столбу дуги. Обычно стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Пример расчета дугового плазмотрона линейной схемы рассмотрен в .
Мощность дуговых плазмотронов колеблется в диапазоне 0,1... 104 кВт; температура струи на срезе сопла 3000...25 000 К; скорость истечения струи 1...104м/с; промышленный КПД 50...90 %; ресурс работы достигает несколько сотен часов; в качестве плазмообра- зующих веществ используют воздух, N2, Аг, Н2. NH4, 02, Н20, газообразные углеводороды.
К недостаткам дуговых плазмотронов следует отнести невозможность получения чистой плазмы, свободной от примесей. Постоянное разрушение электродов дугового плазмотрона и загрязнение продуктами их эрозии плазмы не позволяет использовать эти аппараты в тех плазмохимических процессах, к которым предъявляют высокие требования по чистоте получаемых продуктов.
Высокочастотные плазмотроны могут быть как электродными, использующими коронный, факельный разряды, так и безэлектродными - высокочастотные индукционные (ВЧИ), емкостные (ВЧЕ), сверхвысокочастотные (СВЧ). Основные преимущества безэлектродных плазмотронов перед электродными (в том числе электродуговыми) заключаются: в высоком ресурсе работы (несколько тысяч часов); в отсутствии загрязнения получаемых в плазмохимическом реакторе материалов продуктами эрозии электродов; в возможности работы на чистом кислороде или на других агрессивных плазмообразующих газах.
Высокочастотные факельные плазмотроны имеют один заостренный электрод, к которому приложен ВЧ-потенциал, достаточный для пробоя газа и создания плазменного факела (рис. 4.6.2), в который поступает по-
Рошкообразное сырье для проведения плазмо - химической реакции. Так как электрод 1 такого плазмотрона непосредственно соприкасается с разрядом, он подвергается определенной эрозии. Ресурс работы таких аппаратов мощностью 20...40 кВт составляет порядка 1000 ч. Поскольку ВЧ-энергия подводится непосредственно в зону разряда, отсутствует необходимость изготовлять разрядную камеру из диэлектрических материалов, и она может быть выполнена из металла.
Высокочастотные индукционные (ВЧИ) плазмотроны являются наиболее распространенными из безэлектродных плазмотронов. Их отличает высокая надежность в эксплуатации, относительная простота конструкции и большой ресурс работы. Принцип действия их основан на возбуждении разряда специальным индуктором в виде многовитковой катушки, выполненной из медной водо охлаждаемой трубки. Внутрь индуктора вставлена разрядная камера, в которой возбуждается разряд. Материал разрядной камеры должен быть прозрачным для ВЧ-электромагнитного поля, обычно это кварц. На рис. 4.6.3 показана конструкция металлургического ВЧИ-плазмотрона с кварцевой разрядной камерой, описанной в .
Вместе с тем, в случае проведения плаз- мохимических реакций, использующих двухфазные потоки, срок службы кварцевых разрядных камер становится весьма ограниченным вследствие попадания на них горячей твердой фазы. При этом часто происходит ее вплавление в стенки камеры, что приводит к постепенному нарушению режима работы плазматрона.
Известно, что замкнутый цилиндр из электропроводного материала непрозрачен для электромагнитного поля, однако если сделать в этом цилиндре хотя бы один продольный разрез, то поле свободно проникнет внутрь. Поэтому металлические газоразрядные камеры для ВЧИ-плазмотронов делают разрезными или секционными. Специальные разрезные водоохлаждаемые металлические разрядные камеры обычно изготовляют из меди, т. е. из материала с хорошей электропроводностью. На рис. 4.6.4 представлены разные варианты конструктивных решений для секционных металлических газоразрядных камер, различающихся между собой числом секций и их формой.
Частота работы ВЧИ-плазмотронов 200 кГц...40 МГц, мощность может достигать 1 МВт, КПД промышленных установок 50... 60%.
Помимо ВЧИ, в технике находит применение еще одна разновидность ВЧ-безэлек - тродных плазмотронов - ВЧЕ-плазмотроны. Емкостные ВЧ-плазмотроны имеют внешние электроды, число и расположение которых относительно разрядной камеры может изменяться. Из ВЧЕ-плазмотронов с продольным продувом плазмообразующего газа наиболее простым является конструкция с тремя электродами. В этом случае высоковольтный электрод располагается между двумя заземленными (рис. 4.6.5) . К недостаткам ВЧЕ-плазмо - тронов можно отнести невысокий КПД установки (30... 50%).
Так как индукционный и емкостной высокочастотные разряды являются безэлектродными, плазмотроны на их основе используют для нагрева активных газов (02, С12, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также в том случае, если требуется генерировать особо чистую плазму.
При выборе генератора низкотемпературной плазмы учитывают требуемую мощность, ресурс работы на плазмообразующем газе заданного химического состава, параметры плазменной струи (температуру, скорость, допустимость загрязнений продуктами эрозии электродов и др.). Так, если отсутствуют специальные требования к чистоте целевого продукта, то чаще всего выбирают установки на основе электродуговых плазмотронов. Их применяют также в тех случаях, когда требуемая мощность превышает 300...500 кВт, что реализуется намного проще.
