RU2428823C2 - Способ проведения самоподдерживающегося низкотемпературного плазменного молекулярного синтеза и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к области плазменных технологий, в частности к способам и устройствам для проведения генерации низкотемпературной плазмы в больших объемах. Способ проведения самоподдерживающегося низкотемпературного плазменного молекулярного синтеза включает операцию воздействия с помощью специально создаваемого для этой цели физического поля на объемы газа в зоне обработки и наложение магнитного поля с заданной напряженностью на зону возникновения генерируемой при обработке плазмы. В качестве воздействующего на газовую среду физического поля используется переменное магнитное. Обработка объемов газовой среды осуществляется с помощью последнего при его напряженности 1,0·10⁴-1,0·10⁶ А/м с диапазоном частоты 20-70 Гц. В качестве обрабатываемой газовой среды применяются входящие в состав окружающей атмосферы газы воздуха. Физическое полевое воздействие на входящую в состав воздуха смесь проводят во внутренней полости камеры, выполненной в виде открытого с одного конца и сообщающегося с окружающей атмосферой отрезка трубы или полого короба другого профиля. Устройство для осуществления способа состоит из полой камеры с заполняющей ее газовой рабочей смесью. Электрические катушки-обмотки размещены в теле составляющих замкнутый магнитный контур элементов, изготовленных из магнитопроводящего материала. Группа изобретений позволяет обеспечить условия протекания процесса генерации низкотемпературного плазменного молекулярного синтеза в самоподдерживающемся режиме. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области плазменных технологий, в частности к способам и устройствам для проведения генерации низкотемпературной плазмы в больших объемах.

В современных областях технического производства применяются способы генерации низкотемпературной плазмы, использующие воздействие на применяемый в качестве рабочей среды для ионизации поток газа, дугового электрического разряда. Использование для осуществления такого рода процесса ионизации устройства имеют термокатод, размещаемый во внутренней полости цилиндрического анода. Для повышения стабильности формы получаемого при этом плазменного облака используются магнитные поля, создаваемые при помощи постоянных магнитов (применяют продольное магнитное поле, см. Vagral.K.J Vac. Sci; Technol. A. 1989, v.7 (4) p.2639).

К недостатку этого известного способа и применяемого для его осуществления устройства следует отнести сопутствующее и неизбежное при перемещении генерируемого потока электронов в кольцевой межэлектродной полости оседание последних на стенках анода. Это приводит к необходимости повышения величины прикладываемого к электродам напряжения, а также затрудняет само разжигание газового разряда. Из-за дополнительных потерь массы генерируемых в этом известном способе электронов процесс горения разряда протекает с низкой стабильностью, а плотность получаемой плазмы в рабочем объеме остается невысокой.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение по патенту 2116707, Н05Н 1/24, Н05Н 1/00, H01J 27/02. Дата публикации патента - 27.07.1998 - (далее прототип).

В соответствии с известным способом для получения низкотемпературной плазмы использует воздействие на прокачиваемый через межэлектродный промежуток рабочий газ создаваемым там дуговым газовым разрядом. Поток рабочего газа направляется в предназначенные для его приемки полости применяемого устройства под давлением 10^-1 Па. Кроме того, в процессе подачи газа осуществляют регулирование его расхода до значений 20-1000 см³·ат/час.

Для повышения стабильности плазменной генерации в процессе ее проведения применяется постоянное магнитное поле определенной напряженности (0,02 Тл), создаваемое соленоидом. Для получения стабильной термоэмиссии электронов в известном способе используется термокатод, и поддержание реакции горения дугового разряда обеспечивается с помощью внешних источников тока. Однако проведение генерации плазменного объема при использовании известного технического решения связано со значительными энергетическими затратами (ток накала катода составляет 140 А) и необходимостью использования дорогостоящих технических сред (газ аргон). Кроме того, ионизация в этом случае может проходить только при наличии вакуумной камеры-анода, имеющей достаточно большой объем - 0,25 м³. Плотность плазмы, создаваемой известным способом, остается относительно небольшой (достигает величины 10¹⁰ см^-3). Применение в рабочей полости вакуума, как и проведение дугового газового разряда, нагрева термокатода, подача под давлением газа аргона связано с необходимостью использования дополнительных энергетических мощностей и создает предпосылки для усложнения конструкции дорогостоящего оборудования, участвующего в процессе генерации плазмы. Отличительной особенностью оборудования, используемого при осуществлении известного способа - устройства, является выбор оптимальных геометрических параметров используемых рабочих электродов, а также геометрической схемы их взаимного расположения.

Применяемое для осуществления генерации низкотемпературной плазмы устройство (прототип), таким образом, состоит из следующих конструктивных элементов:

- полых цилиндрических катодов, на наружной боковой поверхности одного из которых расположена обмотка-катушка, создающая постоянное магнитное поле в зоне формирования плазмы;

- анода, внутренняя поверхность которого расположена соосно с цилиндрическим катодом большего диаметра;

- систем, обеспечивающих подачу питания к аноду, катодам и нагрев термокатода до температуры протекания эмиссии электронов;

- систем, создающих вакуум для рабочей камеры и подачи в межэлектродное пространство аргона с заданным расходом и давлением.

Кроме того, в состав известного устройства входит соответственно и оборудование, при помощи которого производится регулирование электрических параметров для систем, обеспечивающих формирование постоянного магнитного поля и дугового газового разряда с необходимыми и заранее заданными технологическими пределами.

Используемый для генерации низкотемпературной плазмы известный способ (прототип) при осуществлении будет содержать следующие технологические переходы:

- создание условий для термоэмиссии электронов за счет нагрева термокатода;

- проведение зажигания газового дугового разряда в межэлектродном пространстве при подаче на анод и катод постоянного потенциала разной полярности;

- подачу рабочего газа в межэлектродное пространство с определенным расходом и давлением (аргона);

- создание вакуума в рабочей камере устройства;

- формирование постоянного магнитного поля в самой зоне протекания газового дугового разряда;

- выполнение соответствующих регулировок применяемых технологических параметров (напряжения, силы тока, давления газа, его расхода необходимой величины вакуума, напряженности постоянного магнитного поля) с целью получения заданных технических характеристик генерируемой низкотемпературной плазмы (ее плотности, температуры, величины заполняемого его объема и т.д.). Как указано в известном способе (прототипе), при значении используемых технологических параметров - давлении рабочего газа аргона 1·10^-1 Па, расхода газа 1000 см³·ат/час и токе несамостоятельного дугового разряда 100 А - удается получить низкотемпературную плазму с концентрацией 10¹⁰ см^-3. При этом колебания значений концентрации последней не превышают величины в ±20%.

Исходя из всего указанного ранее, можно прийти к следующим выводам. Генерация плазмы с использованием известного способа связана с необходимостью привлечения существенных энергетических и трудовых затрат.

Процесс не подлежит переводу в режим, не связанный с необходимостью постоянного применения для генерации плазмы дополнительных порций рабочего газа и без поддержания в рабочей полости вакуума. Следовательно, ни при каких условиях он не переходит в состояние самодостаточности, при котором он сам для себя создает комплекс необходимых условий для непрерывной генерации низкотемпературной плазмы.

Т.е. стал бы самоподдерживающимся и прекращался бы только в случае полного отключения подаваемой для питания силового оборудования энергии. Количество генерируемой при работе известного устройства энергии многократно меньше той, что требуется для поддержания его в рабочем режиме. Т.е. известный способ может функционировать только с отрицательным кпд и в качестве генератора дополнительного по отношению к потребляемому количества вырабатываемой энергии использоваться ни в коем случае не может.

Генерируемое при помощи известного технического решения облако низкотемпературной плазмы имеет невысокие показатели плотности концентрации - 1·10¹⁰ см^-3 и стабильности сохранения ранее полученного объема - отклонения ±20%.

Используемое по известному способу (прототипу) устройство отличается сложностью изготовления и, как следствие - невысокой надежностью в эксплуатации.

Это обстоятельство прежде всего связано с тем, что для его функционирования в рабочем режиме требуется постоянная поддержка со стороны множества обслуживающих его работу систем (для подачи потока газа - аргона с определенным давлением и расходом, генерации вакуума с определенными параметрами разрежения, подвода отрицательного и положительного постоянных потенциалов на электродную систему, герметизации рабочих полостей от окружающей внешней среды и т.д.).

Все перечисленное выше увеличивает затраты на изготовление известного устройства и снижает его эксплуатационную надежность.

Целью предлагаемого изобретения является создание при выполнении способа ряда условий, обеспечивающих протекание процесса генерации низкотемпературного плазменного молекулярного синтеза в самоподдерживающемся режиме. Наличие таких условий обеспечивает осуществление генерации плазмы практически без какого-либо вмешательства исполнителя в управление процессом и позволяет вырабатывать дополнительные объемы энергии сверх потребляемых для совершения этой работы.

Применяемое устройство при осуществлении предлагаемого способа, с помощью которого и обеспечивается генерация плазменного разряда с указанными выше отличительными особенностями его протекания, также содержит ряд новых конструктивных элементов, не применяемых в известном. Введение этой новой конструктивной совокупности элементов служит для снижения его степени сложности, уменьшения затрат на изготовление и эксплуатацию, а также повышения его надежности в работе.

Достижение указанной цели обеспечивается за счет следующего.

В процессе генерации низкотемпературной плазмы на обрабатываемый объем газовой среды воздействуют с помощью создаваемого специальными устройством физического поля. На полученный с помощью прикладываемого к газовой среде физического поля объем плазмы накладывают дополнительно магнитное поле, имеющее заданную напряженность.

Перед началом операции осуществления генерирующего воздействия рабочие объемы газовой среды подвергаются нагреву.

Все указанные выше переходы осуществляются в отдельной камере, имеющей ограниченный технологический объем, заполняемой обрабатываемой газовой средой под определенным давлением.

Новым по отношению к известному способу-прототипу в процессе осуществления предлагаемого способа является следующее.

В качестве воздействующего на рабочую газовую среду физического поля используется переменное магнитное.

Обработка объема газовой среды осуществляется с помощью последнего при значениях его напряженности 1,0·10⁴-1,0·10⁶ А/м; с диапазоном частоты 20-70 Гц.

В качестве используемой для генерации плазмы газовой среды в предлагаемом способе применяются входящие в состав окружающей атмосферы газы воздуха. Само физическое полевое воздействие на входящую в состав воздуха газовую смесь, генерирующее плазму, проводят во внутренней полости камеры, выполненной виде отрезка трубы или короба другого профиля, открытого с одного конца и сообщающегося с окружающей атмосферой.

Камера, применяемая для осуществления процесса генерации плазмы, используется в качестве замыкающего звена для создаваемого при осуществлении способа переменного магнитного потока, помогая его замыканию. Предварительную активацию используемых объемов газовой среды перед запуском процесса осуществляют путем одномоментного внесения туда порций горячей пропановой смеси. Горящая смесь подается до тех пор, пока не установится процесс устойчивой плазменной генерации, после чего подача в полость камеры этой поджигающей смеси прекращается.

При исполнении предлагаемого способа используется устройство, которое состоит из полой камеры с заполняющей ее газовой рабочей смесью. В состав предлагаемого устройства также входят рабочие элементы в виде замкнутого контура, предназначенные для создания генерирующего плазму физического поля.

В устройстве применяется электрическая обмотка-катушка, устанавливаемая на этом замкнутом контуре, охватывающем полую камеру с заключенными внутри ее газовыми слоями.

Входящая в состав устройства обмотка-катушка электрически соединена с соответствующим внешним источником питания.

Устройство имеет систему для регулировки параметров используемого для питания рабочих элементов электрического тока, а также элемент для проведения первоначальной активации применяемого объема рабочего газа, устанавливаемый во внутренней полости рабочей камеры.

Новым в предлагаемом устройстве является наличие следующих конструктивных отличий.

Электрические катушки-обмотки, создающие магнитное поле, размещены в теле элементов, составляющих замкнутый магнитный контур. Эти элементы выполнены из магнитопроводящего материала.

Применяемая рабочая камера, в которой осуществляется генерация плазмы, выполнена в виде открытого с одного конца отрезка трубы или полого короба, имеющего свободное сообщение с атмосферой, окружающей устройство.

Сама же эта рабочая камера размещена в выполненном для этого в контуре магнитопровода сквозном пазе.

Электрические обмотки-катушки соединены с соответствующими тремя переменными фазами внешнего источника питания, осуществляющего подачу на каждую из них переменного напряжения с заданными параметрами силы тока и частоты.

Применяемый в устройстве активирующий элемент выполняется в виде газовой горелки, расположенной около закрытого торца рабочей камеры и установленного у выходного конца горелки запального устройства.

Наличие всех ранее перечисленных особенностей выполнения способа, а также внесенные изменения в конструкцию применяемого устройства вносят кардинальные изменения в характер протекания самого процесса генерации плазмы.

Вместо ионизации молекул рабочей газовой среды (в прототипе - газ аргон) с помощью осуществляемого в электростатическом поле газового разряда в предлагаемом способе разделение молекул газовой среды на ионы и электроны производится с помощью других, новых полевых факторов воздействия.

Используемая для генерации низкотемпературной плазмы рабочая газовая среда в соответствии с предложенным способом помещается в зону интенсивного воздействия создаваемого переменного магнитного потока. При этом зона генерации располагается при осуществлении предлагаемого способа таким образом, чтобы в центре ее воздействующее на обрабатываемые объемы газовой среды переменное магнитное поле имело максимально высокие параметры относительно его напряженности. То есть эту зону вместе с рабочей камерой помещают в сквозной паз, выполненный в контуре создающего это поле магнитопровода с учетом того, что при таком расположении рабочая камера принимает на себя функции замыкающего соединительного звена переменного магнитного поля.

В итоге осуществления всего этого комплекса условий молекулы входящих в состав атмосферы газов (азота, кислорода, водорода, углекислого газа) как бы попадают под удары с силой бьющего по ним результирующего вектора магнитного потока, создаваемого в рабочей зоне. При этом такие удары повторяются вновь и вновь через сравнительно короткие промежутки времени (с частотой 20-70 Гц). Следует обратить внимание еще и на то, что эти удары, кроме всего прочего, наносятся с разного направления. Вектор генерируемого переменного магнитного потока непрерывно меняет свою ориентацию в пространстве по всем трем координатам.

Вдобавок ко всему вышеперечисленному, являясь элементарными «магнитиками», электроны, находящиеся на заданных орбитах относительно ядра, изменяют свою первоначальную ориентацию, переходят с одних орбит на другие; под воздействием мощного магнитного поля меняются и их спиновые моменты. В итоге возникают предпосылки получения в объеме газа следующей ситуации - электроны отдельно, а ядра в другую сторону. Активированные мощным магнитным полем и поэтому склонные к взаимному взаимодействию ионы вступают в реакцию. В результате выделяется дополнительная тепловая энергия, разогревающая составляющие плазму компоненты, и образуются новые молекулярные соединения. В рабочей зоне при этом формируется устойчивый низкотемпературный плазменный шнур, занимающий около 20-80% объема применяемой рабочей камеры.

Сама камера при этом выполняет функции газового топочного котла, в котором зародившиеся плазменное горение стабильно и устойчиво поддерживается за счет свободного поступления из окружающей среды все новых и новых объемов атмосферных газов. Температура генерируемой по предлагаемому способу плазмы составляет 1,1·10³-2,0·10³°С.

Процесс прекращается только после отключения подающего на обмотки применяемого магнитного контура напряжения внешнего источника питания.

Подача новых порций воздушных атмосферных газов осуществляется через открытую часть отрезка трубы или короба, свободно общающуюся с атмосферой, без применения каких-либо нагнетательных устройств (т.е. самотеком.) Таким же образом рабочую зону камеры генерации покидают и вновь полученные газовые соединения. Все циклы генерации плазмы осуществляется при давлении, равном атмосферному. Функцией камеры, выполняемой в виде отрезка трубы или короба, является отделение генерируемого плазменного шнура от других частей установки во избежание их повреждения или травмирования персонала. В качестве материала рабочей камеры ввиду высокого значения температуры синтезируемого плазменного шнура используется керамика на основе соединений циркония, но может применяться и любой другой материал, обладающий сходной температурной стойкостью.

Получаемый плазменный шнур заполняет используемую камеру на всю ее длину, не выходя из края выходного отверстия полого короба или обрезка трубы. Объем плазменного шнура по диаметру ограничивается объемом рабочей камеры, стенки которой препятствуют его возможному растеканию вширь. Задняя глухая стенка короба предотвращает его дальнейшее прохождение с задней торцевой части применяемого устройства.

Предварительная активация используемой в качестве рабочей среды массы воздуха проводится следующим образом.

У торцевой «глухой» части устанавливается стандартная газовая горелка, через которую во внутренний объем рабочей камеры подают пропановую смесь. Размещенное около конца газовой горелки запальное устройство поджигает последнюю, в результате чего формируется горящая факельная струя.

При появлении ее включается источник питания, обеспечивающий подачу трехфазного переменного тока, непосредственно на электрические обмотки-катушки силового магнитного контура. Создающийся в контуре переменный магнитный поток начинает воздействовать на факельную струю горящего газа, а также на окружающие его микрообъемы атмосферного воздуха.

Предварительно активированные за счет участия в протекании процесса горения слои воздуха попадают под мощное переменное магнитное воздействие, что приводит к возникновению мелких центров плазмообразования. Наличие последних усиливает воздействие переменного магнитного поля - на все новые и новые микрообъемы заключенного в полость камеры газа, после чего процесс плазмообразования начинает протекать лавинообразно.

Осуществляющая подачу горючего газа горелка при установке устойчивого режима плазменной генерации отключается. Процесс в дальнейшем идет без применения каких-либо дополнительных обслуживающих систем.

Запуск процесса, как показывает практика, занимает короткий интервал времени - 10-30 сек. К характерным особенностям протекания «пускового периода» надо отнести то, что с момента формирования горючей факельной струи до момента появления стабилизированного плазменного шнура в рабочей камере раздается от двух до четырех явственно слышимых громких хлопков. После последнего «схлопывания» устанавливается устойчивый режим плазменной генерации.

Для окончания процесса генерации производят обесточивание источника силового воздействия на обрабатываемый газовый объем - магнитного контура с обмотками-катушками. По мере надобности, генерация плазмы восстанавливается с выполнением ранее перечисленных переходов.

Вырабатываемая в процессе проведения генерации плазмы тепловая энергия значительно - до 3-7 раз - превышает энергию, потребляемую на собственные технологические нужды.

Это объясняется тем, что при синтезе новых молекулярных соединений из исходных газов, входящих в состав атмосферного воздуха, происходит выделение энергии, участвующей в разогреве получаемого плазменного шнура.

При этом никаких ограничений в отношении подвода в зону генерации все новых и новых порций такого «исходного горючего сырья» не выявляется. Процесс может продолжаться до бесконечности, пока на планете Земля атмосфера не истратится полностью, т.е. не будет «сожжена целиком».

Для проведения процесса генерации плазмы могут использоваться любые другие газовые среды, например газовые выбросы металлургических производств.

В этом случае плазменное горение будет способствовать удалению из них вредных составляющих (переводу их в другие, нейтральные к окружающей среде молекулярные соединения).

Процесс предварительной активации газовых объемов может производиться не только горением, но и с использованием электрического газового разряда в электростатическом поле, путем применения эмиттеров электрических зарядов (термокатодов) и при помощи других физических методов воздействия на газовые среды.

Метод, использующий сгорание газа для выполнения начала активации в данном случае, выбран исходя из соображений максимальной простоты и дешевизны такого ее исполнения.

Применяемые режимы обработки, такие как напряженность переменного магнитного поля, назначены исходя из следующих соображений.

При использовании значений напряженности с величиной, меньшей чем 1·10⁴ А/м, не обеспечивается достаточно высокая стабильность генерации низкотемпературной плазмы. Процесс сличается неустойчивостью и может самопроизвольно прекращаться. При применении же магнитного поля с напряженностью, большей чем 1·10⁶ А/м, никаких существенных преимуществ достигнуть не удается, но в то же время увеличиваются затраты используемой на обеспечение технологического процесса электроэнергии.

Аналогично можно рассматривать выбор диапазона частот используемого переменного магнитного поля.

При назначении частоты, меньшей чем величина в 20 Гц, затрудняется процесс генерации низкотемпературной плазмы в части проведения его запуска. При частоте же, большей чем 70 Гц, чрезмерно частая смена направления действия суммарного вектора магнитного потока мешает вовлечению в процесс объемов воздушной среды, окружающих центры плазмообразования, что также негативно сказывается на показателях получаемой в ходе осуществления процесса плазмы (ее температуры, плотности).

Следует указать, что формируемые в зоне генерации плазмы силовые линии переменного магнитного поля имеют форму пространственного объемного эллипсоида, вытянутая ось которого расположена на прямой линии, соединяющей концы магнитного контура в местах его разрыва.

Процесс подачи новых порций газовой смеси и вывода образующихся соединений из открытой в атмосферу полости рабочей камеры «самотеком» обеспечивается за счет периодически создающихся там зон разрежения и наддува (плазменный шнур слегка пульсирует). Создающиеся около плазменного шнура микроперепады давления оказываются достаточными для возникновения системы циркулирующих внутри полости газовых потоков. Одни из них, двигаясь по спирали, вокруг тела плазменного шнура, приносят к нему из окружающего камеру объема атмосферы новые порции газовой смеси. Другие, направленные противоположно, перемещаясь около внутренних стенок камеры, выносят из нее образовавшиеся в результате осуществления процесса молекулярного синтеза вновь полученные из ионов молекулярные соединения.

Постоянное наличие указанных выше процессов воздухообмена и обеспечивает непрерывное поддержание процесса генерации плазмы без использования каких-либо дополнительных питающих систем и органов их управления. Далее выполнение способа иллюстрируется на ряде следующих примеров.

Пример 1. Генерация плазмы осуществлялась в рабочей камере, представляющей собой отрезок трубы, вставленной в выполненный для ее монтажа сквозной паз в теле прямоугольного магнитопроводящего контура.

Один конец отрезка трубы выполнен с заглушкой, сквозь которую была пропущена газовая горелка. Второй выступал из контура магнитопровода с «вылетом», превышающим длину второго конца в соотношении 1:3-4. Диаметр отрезка трубы составлял 110 мм, длина соответствующих концов была равна 280 и 650 мм соответственно. Второй, более длинный отрезок трубы был выполнен с открытым концом, имеющим свободное сообщение с объемами окружающего устройство слоями атмосферного воздуха.

Стенки трубы были выполнены из огнеупорной циркониевой керамики. В теле составляющих магнитный контур элементов из магнитопроводящего материала (листов трансформаторного железа) были размещены электрические обмотки-катушки, соединенные с соответствующими фазами для подачи переменного электрического тока от внешнего источника питания.

При подаче с закрытого конца отрезка трубы в ее внутреннюю полость пропановой смеси, зажигаемой там запальным устройством, включалась подача тока на все три обмотки-катушки магнитного контура.

Последний генерировал переменное магнитное поле, напряженность которого составляла 1,0·10⁴ А/м, а частота - 20 Гц. По истечении 30 сек во внутренней полости рабочей камеры раздавалось до двух громких хлопков и появлялся светящийся плазменный шнур светло-желтого оттенка, конец которого достигал уровня обреза открытого выходного отверстия. Подача горючего газа - пропана - при этом прекращалась.

Полученный плазменный шнур продолжал стабильно генерироваться в отрезке трубы, заполняя ее внутренний объем.

Температура его соответствовала 11000°С, а плотность плазмы была равной 5·10¹¹ см^-3, процесс генерации прекращался после обесточивания обмоток-катушек через 15 сек. Получаемая тепловая энергия, формируемая в устройстве с помощью предлагаемого способа, превышала в 5 раз количество электрической энергии, затрачиваемой на генерацию.

Пример 2. При выполнении процесса выполнились те же технологические переходы, что и в примере №1. После включения запального устройства процесс генерации устанавливался за 20 сек (происходило 3 хлопка). Напряженность переменного магнитного поля в полости рабочей камеры составляла 1,0·10⁶ А/м. Частота магнитного поля была равна 70 Гц. Полученная плотность генерируемой плазмы соответствовала значению 6·10¹¹ см^-3.

Температура плазменного жгута была равной 20000°С. В процессе генерации плазмы мощность вырабатываемой тепловой энергии превышала электрическую, затраченную на обеспечение процесса, в 7,2 раза. После отключения магнитного контура процесс генерации плазмы прекращался через 30 сек.

Пример 3. После осуществления переходов, аналогичных указанным в примерах 1, 2, происходило зажигание горючей смеси. Процесс операции плазмы в этом случае устанавливался за 24 сек (через четыре «хлопка»). Напряженность применяемого для получения плазмы переменного магнитного поля в зоне генерации составляла 5·10⁵ А/м. Его частота соответствовала 50 Гц, плотность генерируемой плазмы составляла 5,4·10¹¹ см^-3. Температура плазменного жгута соответствовала 16600°С. В процессе генерации плазмы мощность вырабатываемой тепловой энергии превышала электрическую, затраченную на обеспечение процесса, в 6,3 раза.

Процесс генерации плазмы аналогично указанным выше примерам прекращался после отключения от питания вырабатывающего физическое поле магнитного контура за 10 сек.

Как видно из представленных выше примеров, осуществление предлагаемого способа генерации проводится по относительно простой технологической схеме и с помощью несложного в изготовлении и эксплуатации устройства.

Для осуществления способа заполняющая под атмосферным давлением воздушная смесь предварительно активируется путем проведения розжига горючего газа. Нагрев ее объемов с помощью порции горящего газа производится в районе наглухо заглушенного конца рабочей камеры.

После окончания процесса активации (обычно это период времени, равный 30-60 сек) в работу запускают магнитный контур, подключая его обмотки-катушки к трем фазам подачи переменного электрического тока от внешнего источника питания.

С помощью его производится подача переменного магнитного поля непосредственно в зону генерации низкотемпературной плазмы, находящейся у наглухо закрытого конца рабочей камеры. Напряженность переменного магнитного поля в зоне генерации составляет 1·10⁴-1·10⁶ А/м, начавшийся процесс генерации низкотемпературной плазмы (11000-20000°С) заставляет вступать в химическое взаимодействие составляющие воздух газы с формированием новых соединений. Т.е. в объеме плазменного шнура возникает интенсивно протекающая экзотермическая реакция, при помощи которой и поддерживаются высокие значения его температуры, а также создаются достаточные условия для стабильной выработки необходимых для существования заданного объема плазмы ее составных компонентов.

В полости рабочей камеры самопроизвольно устанавливаются необходимые для генерации плазмы и используемые в качестве рабочей смеси потоки атмосферных газов, и процесс становиться «самоподдерживающимся». Плазменный шнур с указанной выше температурой заполняет внутреннюю полость применяемой камеры, не выходя за пределы последней (конец плазменного шнура формируется у кромки выходного открытого конца отрезка трубы или короба, без ее пересечения).

Генерация плазменного шнура будет протекать стабильно в указанном выше установившемся режиме, пока не будет произведено отключение вырабатывающего переменное физическое поле магнитного контура. После обесточивания обмоток процесс генерации низкотемпературного плазменного шнура прекращается в течение 10-30 сек.

Выходу плазменного шнура из рабочей зоны препятствуют стенки полого короба, выполненные из термостойкого материала (циркониевой керамики). Благодаря последним весь генерируемый объем плазмы остается во внутренней полости камеры. В качестве предварительно активирующего объема применяемой воздушной смеси используют обыкновенную топочную пропановую смесь.

После отключения процесса генерации плазмы процесс может быть легко запущен вновь. Для этого надо будет повторить указанную последовательность операции.

Генерируемая плазма может использоваться как для технологических целей, так и с целью получения необходимой для энергетических нужд заданных ими объемов тепловой энергии.

В этом случае выработка тепловой энергии не только не связана с какими-то дополнительными потерями, а, наоборот, осуществляется с многократным (5-7 раз) превышением величин, используемых на технологические нужды для ее создания.

На представленных чертежах изображено используемое при осуществлении способа устройство (фиг.1, фиг.2 - разрез по А-А фиг.1).

Устройство состоит из замкнутого прямоугольного контура, элементы 1 которого выполнены из магнитопроводящего материала (набраны из листов трансформаторного железа).

В теле элементов 1 размещены в предусмотренных для этого окнах электрические обмотки-катушки 2. Они соединены с соответствующими фазами для подачи переменного электрического тока внешнего источника питания с помощью проводников и электрических клемм (не показаны).

В нижней части магнитного контура устанавливается полый прямоугольный короб Б в предусмотренном для его монтажа сквозном пазу в теле контура (см. фиг.1).

Короб Б состоит из полого корпуса 6 (см. фиг.2) - он же полость рабочей камеры, на одном из концов которого установлена заглушка 3, через стенку которой пропущена газовая горелка 4. У конца ее размещено запальное устройство 5 (пьезоэлемент, вырабатывающий искру).

Буквой С обозначен объем низкотемпературной плазмы, генерируемый в рабочей полости. Буквой Д обозначена фигура, образуемая соединением точек нахождения в пространстве результирующего вектора переменного магнитного поля, совершающего в зоне плазмообразования колебания с заданной частотой (эллипсоид). Буквой Е обозначен создаваемый горелкой 4 факел пламени. Буквой И обозначен объем генерируемой плазмы, расположенной вблизи выходного отверстия полой рабочей камеры 6. Буква Ж - зона, расположенная внутри сообщающегося с атмосферной открытого конца короба Б (см. фиг.2).

Работа устройства протекает следующим образом.

На начальном этапе осуществления процесса через газовую горелку 4 в заднюю полость полого короба Б подаются порции горючего газа (пропана), которые поджигаются запальным устройством 5.

После появления факела пламени Е на обмотки-катушки 2 подается трехфазный переменный электрический ток от внешнего источника питания (не показан). В теле элементов 1 контура магнитопровода создается переменный магнитный поток Д, замыкание которого производится через рабочую зону рабочей камеры Б (через внутреннюю полость короба 6). Соответственно, магнитные силовые линии поля за счет использования рабочей камеры Б как замыкающего звена собираются в объеме эллипсоида Д (см. фиг.1).

Заполняющие внутреннюю полость короба Б объемы атмосферного воздуха, частично активированные продолжающимся процессом горения пропановой смеси - факел Е на фиг.2, под действием мощного переменного магнитного потока начинают формирование микроцентров плазменной генерации (происходят «хлопки»). Так как воздействие мощного физического поля не прекращается и продолжает свое воздействие на окружающие микроцентры плазмообразования слои газовой среды, наступает стадия слияния «микроцентров» в плазменные крупные жгуты, поз. С и И (фиг.1-2). Подвергшиеся искажающему конфигурацию валентных молекулярных связей воздействию составляющие газы молекулы, в свою очередь, распадаются на ионы.

Вновь образованные ионы вступают в химические реакции друг с другом, формируя новые соединения. Реакции соединения протекают с большим выделением тепла (экзотермического типа). Это дополнительно повышает температуру составляющих плазменное тело электрических частиц, доводя его температуру до 11000-20000°С. Процесс генерации низкотемпературной плазмы выходит на стабильный режим. После этого прекращается подача горючего газа через горелку 4.

Продолжение процесса генерирования плазмы поддерживается уже только за счет действия на рабочую среду создаваемого магнитным контуром переменного магнитного потока.

Продолжается подача питания на обмотки-катушки 2, размещенные в теле элементов 1, входящих в магнитный контур.

Сформированный во внутренней полости рабочей камеры - короба Б плазменный жгут С и И заполняет его внутренний объем, доходя до зоны Ж возле выходного отверстия полого корпуса Б. Процесс протекает при атмосферном давлении.

Подача новой порции атмосферных газов и вывод образующихся при генерации плазмы соединений протекает в той же зоне Ж самопроизвольно (по направлениям, указанным стрелками (см. фиг.2)).

Установка необходимых для осуществления процесса технологических параметров обработки в магнитном контуре осуществляется с помощью блока управления, используемого в устройстве внешнего источника питания (не показан).

Применением последнего обеспечивается установка используемых значений силы переменного электрического тока, его напряжения, частоты и, в конечном итоге, при помощи его осуществляется регулировка необходимых при обработке технологических параметров переменного магнитного поля. В качестве такой системы управления и регулировки может использоваться стандартный тиристорный блок не показано).

В случае необходимости прекращения процесса генерации производится отключение подачи питания на обмотки-катушки 2 и процесс в течение 10-30 сек самопроизвольно прекращается. При необходимости повторного запуска устройства все ранее перечисленные переходы повторяют. Генерируемая низкотемпературная плазма имеет следующие показатели: температура 11000-20000°С, плотность 5,0-6,0·10¹¹ см^-3, мощность вырабатываемой тепловой энергии по отношению к потребляемой электрической относится как 5-7 к 1.

Таким образом, на основе всех ранее представленных данных можно сделать заключение, что использование предлагаемого процесса генерации низкотемпературной плазмы, по отношению к другим известным техническим решениям, позволяет обеспечить получение целого ряда дополнительных преимуществ. Предлагаемый процесс проходит в самоподдерживающем режиме без использования вспомогательных систем, обслуживающих эту операцию, - устройств подачи рабочего газа, создания вакуума, выпрямляющих блоков для получения постоянного тока из промышленного трехфазного переменного, электродной системы для протекания газового разряда и т.д.

В качестве необходимой для генерации плазмы газовой среды используется обыкновенный воздух (смесь входящих в него составных газов), а не дорогостоящий технический аргон.

Существенное снижение необходимых затрат при осуществлении предлагаемого способа наблюдается еще и за счет того, что обработка проводится в рабочей камере, внутренняя полость которой имеет свободное сообщение с окружающей атмосферной (т.е. при давлении там, равном атмосферному).

Вырабатываемая при осуществлении способа плазма обладает достаточной высокой температурой (11000-20000°С), а ее плотность превышает обеспечиваемую с помощью применения известных технических решений в 50-70 раз.

Следует обратить внимание еще и на то обстоятельство, что генерируемый с помощью предположенного способа плазменный шнур вырабатывает тепловую энергию, суммарная мощность которой превышает затрачиваемую на обеспечение процесса в 5-7 раз. Т.е. фактически он может рассматриваться в качестве объекта генератора для выработки больших объемов энергии с применением в качестве горючей среды обыкновенных атмосферных газов, входящих в ее состав.

Генерируемая по предлагаемому способу плазма может успешно применяться для использования и в других, самых разных технологических целях, так как параметры ее улучшены относительно тех, что обеспечиваются известными методами. Используемое при осуществлении предлагаемое устройство, в отличие от известных технических решений, отличается простотой конструкции, несложно в изготовлении и надежно в эксплуатации. Его применение не связано с необходимостью включения в состав объекта дорогостоящих материалов и компонентов, а также с использованием факторов, наличие которых приводит к загрязнению окружающей среды и представляет угрозу для здоровья человека. Предлагаемое устройство изготавливается на основе широко распространенных в технике конструктивных элементов и стандартно выпускаемых блоков, давно зарекомендовавших себя как эксплуатационно надежные.

При рассмотрении всех этих перечисленных обстоятельств можно делать вывод, что использование предлагаемого способа и применяемого совместно с ним устройства для нужд промышленного производства позволяет значительно расширить технические и технологические возможности того оборудования, где в качестве основной технической среды употребляется генерируемая там плазма. Повышение ее качественных характеристик и снижение затрат на ее выработку гарантирует получение очевидного положительного эффекта относительно того, что выявляется при использовании известных технических решений.

Claims (2)

1. Способ проведения самоподдерживающегося низкотемпературного плазменного молекулярного синтеза, включающий операцию воздействия с помощью специально создаваемого для этой цели физического поля на объемы газа в зоне обработки и наложение магнитного поля с заданной напряженностью на зону возникновения генерируемой при обработке плазмы, а также предварительную активацию с помощью нагрева расположенных в области генерации плазмы объемов газовой среды, с осуществлением всех перечисленных переходов в отдельной камере, имеющей ограниченный технологический объем, заполняемый обрабатываемой газовой средой под атмосферным давлением, отличающийся тем, что
- в качестве воздействующего на газовую среду физического поля используется переменное магнитное;
- обработка объемов газовой среды осуществляется с помощью последнего при его напряженности 1,0∙10⁴-1,0∙10⁶ А/м с диапазоном частоты 20-70 Гц;
- а в качестве обрабатываемой газовой среды применяются входящие в состав окружающей атмосферы газы воздуха;
- и само физическое полевое воздействие на входящую в состав воздуха смесь проводят во внутренней полости камеры, выполненной в виде открытого с одного конца и сообщающегося с окружающей атмосферой отрезка трубы или полого короба другого профиля;
- а сама эта камера используется в качестве замыкающего звена для переменного магнитного потока, создаваемого применяемым для указанной обработки магнитным контуром;
- предварительную активацию используемых для этого объемов газовой среды осуществляют путем кратковременного 0,002-0,006 ч внесения туда порции горящей пропановой смеси, при этом конкретная продолжительность такой подачи будет определяться моментом начала протекания процесса устойчивой плазменной генерации, после чего подача в полость камеры этой поджигающей смеси прекращается.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, состоящее из полой камеры с заполняющей ее газовой рабочей смесью, а также рабочих элементов в виде замкнутого контура, предназначенных для создания в зоне ее заполнения физического поля, генерирующего объем плазмы, обмотку-катушку, устанавливаемую на замкнутом контуре, охватывающем полую камеру с заключенными внутри нее газовыми слоями, внешний источник питания этой обмотки-катушки, имеющий с ней соответствующее электрическое соединение, систему для регулировки параметров используемого для питания рабочих элементов электрического тока, а также
- элемент для первоначальной активации используемого объема рабочего газа, устанавливаемый во внутренней полости рабочей камеры, отличающееся тем, что, с целью конструктивного упрощения используемого при осуществлении способа устройства и снижения затрат на его изготовление и его последующую эксплуатацию,
- электрические катушки-обмотки размешены в теле составляющих замкнутый магнитный контур элементов, изготовленных из магнитопроводящего материала;
- рабочая камера выполнена в виде открытого с одного конца отрезка трубы или полого короба, имеющего свободное сообщение с окружающей устройство атмосферой;
- сама эта рабочая камера размещена в выполненном для этого в контуре магнитопровода сквозном пазе;
- электрические обмотки-катушки соединены с соответствующими тремя фазами внешнего источника питания переменного тока, осуществляющего подачу на последние переменного напряжения с заданными параметрами силы тока и частоты;
- активирующий элемент выполнен в виде газовой горелки, расположенной около закрытого торца рабочей камеры, и установленного у выходного конца горелки запального устройства.

Images