ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 43
Скачиваний: 0
Чем-то средним между электродуговой и газовой свар кой является атомно-водородная сварка. В ней через меж электродный промежуток, образуемый двумя вольфрамо выми электродами, непрерывно продувается струя чистого водорода. Проходя через плазму, которая образуется в электрической дуге, водород нагревается до такой сте пени, что все его молекулы Н2 распадаются (диссоции руют) на отдельные атомы Н. В таком виде водород по падает на поверхность обрабатываемого изделия, где он и сгорает обычным образом в атмосфере кислорода. Однако прежде чем сгореть, атомы водорода на поверх ности изделия вновь воссоединяются в молекулы. Тепло, получающееся при таком воссоединении, значительно превосходит то тепло, которое выделяется при простом химическом сгорании водорода. В результате температу ра в пламени атомно-водородной горелки доходит до 3000—4000°К. При такой температуре плавятся любые, даже наиболее тугоплавкие соединения и металлы. Атомно-водородная горелка имеет еще одно ценное свой ство: атомный водород является исключительно сильным химическим восстановителем, не допускающим окисле ния поверхности обрабатываемого изделия. Поэтому, не смотря на нагрев до высокой температуры, швы при атом но-водородной сварке получаются чистыми и блестя щими.
Но все же самую высокую температуру, используемую в современной технике, получают с помощью чисто плаз менной горелки — плазмотрона.
Схематический чертеж плазмотрона дан на рис. 5. В нем используется эффект повышения температуры плаз менного шнура по мере его сжатия. Действительно, еслш сжать плазменный шнур, уменьшая его сечение, но со храняя неизменным протекающий по нему ток, то одно
5* |
29! |
временно должны увеличиться плотность тока в шнуре и его омическое сопротивление. В результате возрастет удельная мощность, вводимая в плазму, что, естественно, приведет к повышению температуры. В плазменной го релке радиальное сжатие плазменного шнура достигает ся пропусканием его через небольшое отверстие диамет
ром порядка нескольких миллиметров. Вначале в такой горелке дуга зажигается с вольфрамового катода К на внутреннюю поверхность камеры горелки. Затем сильным потоком аргона (Аг), вдуваемым внутрь камеры, дуга выдувается через отверстие О наружу, и разряд продол жает гореть уже между катодом К и поверхностью из делия В. Из отверстия О вырывается плазменный шнур диаметром 1—2 мм и длиной в несколько сантиметров. Вследствие сильного сжатия температура в этом шнуре достигает 25 000—30 000°К-
Самой трудной задачей при создании такой горелки было сохранение канала О от плавления. Этого удалось достичь, изготовив корпус горелки из меди и пропуская
через каналы А, имеющиеся в нем, непрерывный поток воды.
30
Такая горелка может резать и сваривать любые электропроводящие материалы; нет вещества, которое бы выдержало температуру ее плазменного пламени.
Плазма в энергетике
Электропроводность плазмы находит успешное при менение в электротехнике, в устройствах, служащих для выпрямления переменного тока. Простейшим прибором, используемым для выпрямления переменного тока, яв ляется кенотрон. В нем имеются накаленный катод, спо собный испускать свободные электроны, и холодный анод. Кенотрон откачивается до высокого вакуума. Такой при бор может проводить ток только в одном направлении — когда положительный анод притягивает электроны, ис пускаемые катодом. Кенотроны широко применяются в приемниках,телевизорах и других маломощных радиотех нических приборах, но у них есть серьезный недостаток — они обладают большим внутренним сопротивлением и потому для выпрямления больших токов непригодны. В чем же дело? Вакуум, конечно, не создает никаких препятствий для движения электронов, летящих от ка тода к аноду. Но электроны, вылетевшие раньше, своим зарядом отталкивают назад новые электроны, вышедшие из катода, и препятствуют их движению к аноду.
Дело существенно изменится, если ввести в кенотрон небольшое количество газа. Тогда электроны, вылетев шие из катода и ускоренные электрическим полем, бу дут ионизировать газ. Между катодом и анодом возни кнет плазма низкого давления, которая как бы соединит эти электроды электропроводящим мостом. Если же по лярность электродов изменится и отрицательный потен циал будет подан уже на анод, то эмиссия электронов
31
прекратится, ликвидируется причина, ионизирующая газ, и плазма в межэлектродном промежутке исчезнет за вре мя, меньшее одной тысячной доли секунды. Межэлек тродный промежуток станет непроводящим. Такой вы прямительный прибор называется газотроном. В отличие от кенотрона через него могут проходить большие токи без значительного падения напряжения, так как внут реннее сопротивление газотрона — это сопротивление за полняющей его плазмы.
Вариантом подобного плазменного выпрямителя яв ляется ртутный выпрямитель. Он отличается от газотрона только способом эмиссии электронов из катода. Если же в газотроне между катодом и анодом мы поставим сетку, то получим газонаполненный триод — тиратрон. Такой прибор сочетает в себе преимущества газотрона — его малое внутреннее сопротивление и свойства триода — возможность управлять проходящим током путем изме нения напряжения на сетке.
Следует признать, что в области низких напряжений и слабых токов и газотрон, и тиратрон, и ртутный выпря митель последнее время вытесняются простыми мало габаритными полупроводниковыми приборами. Но в об ласти мощной энергетики, где мы имеем дело с высокими напряжениями и очень сильными токами, плазменные приборы продолжают прочно удерживать свои позиции.
Роль сильноточных плазменных приборов особенно возросла теперь, когда передача электрической энергии на большие расстояния начинает осуществляться с по мощью постоянного тока высокого напряжения. Преоб разование выработанного генераторами переменного то ка в постоянный и обратное превращение постоянного тока в переменный осуществляются в таких системах мощными плазменными приборами.
32
В последние годы в энергетике предпринимаются по пытки использовать плазму для целей не только пре образования, но и генерации электрического тока. Дело в том, что на современных тепловых электростанциях путь от химической энергии, заключенной в топливе, до электрической энергии довольно длинен: сперва топливо сжигают, его химическая энергия переходит в тепловую, затем тепловая энергия с помощью турбин превращает ся в механическую, которая вращает электрический ге нератор— динамомашину и уже ею преобразуется в элек трическую энергию. В каждом звене этой цепи есть свои потери, в результате чего наивысший коэффициент по лезного действия современных тепловых электростанций не превышает 40%. Поэтому одной из первоочередных задач современной энергетики является сокращение этой цепочки и поиск возможностей непосредственного пре образования тепловой энергии в электрическую, без ме ханического звена. Одним из путей решения этой задачи являются магнито-гидродинамические генераторы (МГДгенераторы).
Принцип, лежащий в основе работы всех генераторов электрического тока, общеизвестен. Электрический про водник, движущийся со скоростью V, пересекает сило вые линии магнитного поля, направленные перпендику лярно к плоскости чертежа (рис. 6,а). При этом на кон цах проводника возникает разность потенциалов. Если теперь концы проводника замкнуть через сопротивле ние Я, то в образовавшейся цепи потечет электрический ток /. Взаимодействуя с магнитным полем, этот ток бу дет порождать силу Е, которая противодействует движе нию проводника. Если все же перемещать проводник во преки этой силе, то будет совершаться механическая ра бота, которая и превращается в электрическую энергию.
33
В МГД-генераторе роль проводника выполняет дви жущаяся плазма (рис. 6,6). Эта плазма получается пу тем нагревания газа в камере К до высокой температу ры. Нагретый газ, стремясь расшириться, с силой выры вается через сопло С и попадает в магнитное поле,
::::/гПт ; Л1
Т±
силовые линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа. Газ в камере К нагревается до столь высокой температуры, что превращается в плазму и становится электропроводящим. Поэтому при прохождении через магнитное поле в плазме возникает такая же разность потенциалов, как и на концах проводника, изображенно
34
го на рис. 6,а. Конкретно это происходит из-за того, что при ■прохождении через магнитное поле содержащиеся в плазме свободные заряды отклоняются в противопо ложные стороны.
В случае, который мы рассматриваем, электроны от клоняются к верхнему электроду Еи а ионы — к нижне му электроду Е2. Оседая на электроды и двигаясь затем по соединяющему их проводнику, эти заряды создают электрический ток /. При прохождении тока через плаз му на нее, так же как и на металлический проводник, действует тормозящая сила К. Вследствие этого при про хождении мимо электродов МГД-генератора скорость плазмы несколько уменьшается. Утраченная плазмой ки нетическая энергия превращается в электрическую энер гию. Основные трудности при создании МГД-генерато ров заключаются в нагреве газа до очень высокой температуры и в выборе материалов, которые могли бы выдержать длительный контакт с этим раскаленным га зом. Дело в том, что чем выше температура, тем больше электропроводность газа, а чем больше электропровод ность газа, тем лучше работает МГД-генератор. Кроме того, с повышением температуры увеличивается скорость истечения газов из сопла. Подсчитано, что для получения такого же к, п.д., как у существующих тепловых электро станций, температура газа должна быть не ниже
2000°К.
Нагрев газа до такой температуры можно осуще ствить путем сжигания какого-нибудь высококалорийно го топлива (газа, нефти, керосина) в атмосфере возду ха, обогащенного кислородом. Для сжигания можно ис пользовать устройства, подобные ракетным реактивным двигателям. С целью увеличения проводимости плазмы в топливо иногда добавляют примеси легкоионизируемых
35
веществ (например, цезия или калия). Предпринимают ся также попытки нагревать газ в атомных реакторах.
Трудность изучения работы МГД-генераторов состоит еще в том, что их эффективность возрастает с увеличе нием мощности. Поэтому опыты на небольших лабора торных макетах не имеют особого смысла, и для иссле дований приходится строить мощные экспериментальные установки весом в десятки тонн. Так, например, камера сгорания одной такой экспериментальной установки бы ла подобна двигателю космической ракеты, а получен ная электрическая мощность составляла несколько ты сяч киловатт.
В настоящее время делаются попытки использовать МГД-генератор как первую ступень тепловой электро станции. Отработанные горячие газы с выхода МГД-ге- нератора направляют затем в котлы, где они служат для нагрева воды и получения пара. К- п. д. тепловой элек тростанции с «МГД-приставкой» сможет быть повышен до 50—60%. Следует ожидать, что первые промышлен ные электростанции с применением МГД-генераторов будут построены в ближайшее десятилетие.
В электротехнике известнб, что всякий электрический генератор может быть легко превращен в электродви гатель. Если в устройстве, аналогичном изображенному на рис. 6, вместо сопротивления Д поставить источник электродвижущей силы — батарею Е и пропускать по проводнику ток (рис. 7), то сила взаимодействия этого тока с магнитным полем будет стремиться вытолкнуть проводник в направлении, перпендикулярном к силовым линиям поля.
На этом принципе работают все существующие элек тромоторы. То же самое получится, если мы в МГД-гене- раторе .вместо того чтобы отбирать ток, будем про
зе