СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ПЛАЗМЫ
METHOD OF EFFECTIVE CONVERSION OF ELECTRIC ENERGY TO PLASMA ENERGY

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в устройствах, где требуется с высоким КПД получать искровой разряд с большими током, мощностью и объемом плазмы с высокой удельной проводимостью при относительно небольшом напряжении источника тока и длине искрового зазора.
Известен способ преобразования электроэнергии в энергию плазмы, в соответствии с которым получают дуговые разряды от источника тока (Патент РФ 2019727, кл. F02P 3/01, F02P 15/10, опубл. 15.09.1994, прототип). Недостатком данного способа является невозможность получения больших токов и объемов плазмы из-за большого сопротивления высоковольтной цепи.
Задача изобретения - разработать способ, при использовании которого возможно создание простых, малогабаритных и дешевых устройств, позволяющих с малыми потерями и высоким КПД высокоэффективно преобразовывать электроэнергию источников тока, с малым внутренним сопротивлением и напряжением, меньшим пробивного, вплоть до значения значительно меньшего напряжения горения тлеющего разряда, в энергию плазмы. Получать электрические разряды с очень большими значениями токов, мощности и объемов высокотемпературной плазмы с высокой средней удельной проводимостью при относительно небольшой длине искрового промежутка.
Способ преобразования электроэнергии в энергию плазмы, который осуществляют использованием энергии искровых разрядов посредством плазмогенератора, включающего конденсатор - основной источник энергии разряда плазмогенератора, включенный последовательно высоковольтной обмотке повышающего трансформатора с малыми значениями индуктивности и сопротивления высоковольтной обмотки, вплоть до значения менее 1 Ом, которые достигают уменьшением числа витков обмоток трансформатора и увеличением сечения провода высоковольтной обмотки; энергией разряда высоковольтного трансформатора осуществляют пробой и кратковременную высокую самостоятельную проводимость искрового промежутка плазмогенератора, которой обеспечивают дуговой разряд конденсатора, имеющего напряжение заряда меньше пробивного, вплоть до значения меньшего напряжения горения тлеющего разряда; напряжением заряда конденсатора, меньшим пробивного, обеспечивают ограничение максимально возможного тока разряда; уменьшением сопротивления высоковольтной цепи снижают потери электроэнергии на сопротивлении высоковольтной цепи, обеспечивают увеличение, до 400 А и более, токов разряда конденсатора; уменьшением сопротивления высоковольтной цепи и максимально возможного тока разряда увеличивают КПД разряда; увеличением тока разряда конденсатора и энергии, выделяемой в искровом промежутке, увеличивают объем плазмы с высокой удельной проводимостью; полученную плазмогенератором плазму используют для получения несамостоятельной проводимости искрового промежутка дополнительных разрядников, минимум одного, которые располагают на пути распространения плазмы; сочетанием высокой удельной проводимости и большого объема плазмы, достаточного для замыкания контактов дополнительных разрядников, причем, на большой площади, обеспечивают высокую несамостоятельную проводимость искрового промежутка дополнительных разрядников и дуговые разряды подключенных к ним источников тока с малым внутренним сопротивлением и напряжением меньшим пробивного, вплоть до значения меньшего напряжения горения тлеющего разряда; напряжением источника тока, подключенного к дополнительному разряднику, меньше пробивного ограничивают максимально возможный ток разряда в дополнительном разряднике; непосредственным подключением источника тока к контактам дополнительного разрядника уменьшают сопротивление и потери электроэнергии во внешней цепи разрядника, увеличивают ток разряда; уменьшением сопротивления внешней цепи разрядника и максимально возможного тока разряда увеличивают КПД разряда; увеличением тока разряда и энергии, выделяемой в искровом промежутке дополнительного разрядника, увеличивают получаемый объем плазмы с высокой удельной проводимостью. Плазмогенератором, при необходимости, создают плазменные токопроводящие струи, не менее одной, которыми замыкают контакты дополнительных разрядников, чем уменьшают объем плазмы на единицу длины искрового промежутка. Плазму, которую получают в дополнительном разряднике, при необходимости, используют для создания дуговых разрядов в других дополнительных разрядниках, которые располагают на пути распространения плазмы. В качестве источника тока, который подключают к дополнительному разряднику, при необходимости, используют заряженный конденсатор, чем обеспечивают уменьшение сопротивления внешней цепи разрядника для тока разряда. В плазмогенераторе и в дополнительных разрядниках, при необходимости, используют один и тот же источник тока. В плазмогенераторе и в дополнительных разрядниках, при необходимости, используют разные источники тока, в том числе и с разным напряжением.
Изобретение может быть применено в энергетике (в МГД генераторах); в плазмогенераторах для выработки большого объема плазмы с высокой удельной проводимостью; для плазмохимических процессов; возможно (необходимы дополнительные исследования), для решения медикобиологических проблем; в плазменных двигателях, используя тягу плазменной струи; в электросварочных технологиях (например, бесконтактное зажигание дуги, плазменные резаки); в военных целях (например, в качестве детонаторов; оружия, использующего большой объем и высокую скорость нарастания давления плазмы для придания большой скорости телам или поражения высокоскоростной струей плазмы; в рельсотронах, ускоряющих токопроводящей плазмой, за счет сил Ампера, не токопроводящие массы; оружия не летального действия - светошумового, или получения токопроводящих каналов, получаемых при истечении плазменных струй с высокой проводимостью, для использования в электрошоковых устройствах дистанционного действия; плазменной защиты от обнаружения радарами; снижение сопротивления движению с помощью плазмы и т.д.); в научных целях (например, в изучении физики плазмы при разрядах в относительно малых объемах со сверхбольшими энергией, импульсной мощностью и токами - влиянием пинч-эффекта, вплоть до получения температур и давлений, достаточных для возникновения термоядерных реакций, при условии стабилизации полученной плазмы); в экологических целях в системах очистки и обеззараживания; в плазменных технологиях; в сельском хозяйстве (например, для получения азотных удобрений из азота воздуха); в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в том числе для обеспечения движения только энергией электрического разряда.
7
6
16
11
Вольтамперная характеристика дугового разряда (более 0,1 А) имеет «падающую» характеристику. То есть чем больше ток, тем меньше сопротивление (больше проводимость) искрового промежутка, меньше напряжение горения дуги. Увеличение проводимости искрового промежутка с ростом тока дугового разряда связано с увеличением площади сечения дуги; с увеличением удельной проводимости (главный фактор), из-за термоэлектронной эмиссии, особенно при малых длинах искрового промежутка, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, звуковых и ударных сверхзвуковых волн; роста температуры (проводимость зависит от температуры в степени 3/2; при температуре в 10 К проводимость ионизированного водорода больше, чем у серебра) (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988) за счет теплового действия тока. При большом токе разряда температура, а следовательно, проводимость повышается значительно больше, чем от предыдущих факторов, сверхсжатием плазмы дуги пинч-эффектом. Под действием кольцевых силовых линий, перпендикулярных оси разряда, собственного магнитного поля, при большом токе разряда, происходит сверхсжатие плазмы дуги в шнур - пинч-эффект (возможен пинч-эффект и под действием внешнего магнитного поля). Например, давление на поверхности канала разряда радиусом 0,2 м и токе 10 А равно 4·10паскалей, или 4·10 атмосфер (Троицкий О.А. «Молнии - оружие богов». М.: Информэлектро, 1998). Таким образом, даже при токах на 3-4 порядка меньших создаются условия для полной и глубокой, вплоть до атомов, диссоциации молекул газа в плазме разряда, их большой запасенной потенциальной энергии, особенно радикалов (имеющих энергию при температуре 60000 К - 20 эВ, много больше энергии тепловых частиц при той же температуре - 5,5 эВ, и 0,7 эВ при 8000 К); высокую концентрацию, в единице объема, заряженных частиц, обеспечивающих высокую, несмотря на большое давление, проводимость. При снижении тока разряда плазма расширяется со сверхзвуковой скоростью (на начальном этапе со скоростью порядка 10000 м/с) (Т.У.Асмус, К.Боргнакке, С.К.Кларк и др. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. М.: «Машиностроение», 1988. Глава - Искровое зажигание, физика процесса и его влияние на работу двигателя внутреннего сгорания). Ее высокоэнергетические заряженные частицы (электроны, ионы, радикалы) нагревают, ионизируют и диссоциируют молекулы газа, чему способствуют световое, ультрафиолетовое, мягкое рентгеновское излучение, а также звуковые и сверхзвуковые ударные волны (сжатые ударной волной молекулы газа лопаются - диссоциируют, попадая в область пониженного давления, за фронтом ударной волны, не выдерживая резкого перепада давлений). При снижении давления в плазме удельная проводимость растет. Перечисленные факторы замедляют скорость падения удельной проводимости с увеличением объема плазмы при расширении. Объем получаемой плазмы растет не только за счет теплового расширения, но и за счет диссоциации молекул газа.
«Падающая» с ростом тока вольтамперная характеристика дугового разряда энергетически выгодна для получения большого объема высокопроводимой плазмы. Так как скорость роста мощности, выделяемой в искровом промежутке, меньше скорости роста тока дугового разряда, причем чем больше ток, тем больше эта разница (нелинейная зависимость падения напряжения горения дуги, или ее сопротивления - роста проводимости см. выше). Например (при давлении воздуха 1 бар, температуре 300 К, искровом промежутке 7 мм по данным макетных испытаний плазмогенератора, см. ниже), при напряжении горения искры около 92 В ток разряда - 16 А, при напряжении 145 В, в 1,6 раза больше, ток разряда 65,2 А, в 4 раза больше; при напряжении 517 В (см. макетные испытания предлагаемого способа) напряжение больше соответственно в 5,6 и 3,6 раза, ток разряда 21560 А соответственно в 1348 и 331 раза больше (нелинейная зависимость). То есть при линейной зависимости (как у проводников первого рода) роста напряжения с увеличением тока (закон Ома) для получения 21560 А потребовалось бы не 517 В, а в 241 раз большее - 124016 В. Следовательно, потребовалась бы 241 раз большая мощность источника тока разряда, а при одинаковой длительности разряда в 241 раз - больший расход энергии. С ростом тока разряда эта нелинейность увеличивается.
12
7
В то же время мощность потерь на внутреннем сопротивлении источника тока и соединительных проводах имеет квадратичную зависимость от тока (закон Джоуля-Ленца). Для получения высокого КПД разряда источник энергии разряда должен иметь внутреннее сопротивление много меньше сопротивления искрового промежутка. По мере увеличения требуемого тока разряда и уменьшения длины искрового промежутка (нелинейно растет проводимость искры) получить малые потери на сопротивлении внешней цепи разрядника и высокий КПД становится труднее - растут линейные размеры источника тока, обеспечивающего самостоятельную проводимость искрового промежутка, и его цена. Например, при получении тока искрового разряда всего в 20000 А обычной катушкой зажигания (КЗ) с сопротивлением высоковольтной обмотки 5000 Ом (стандартное значение) падение напряжения на ней составило бы 100 миллионов вольт, а потери мощности 2,3 тераватта - 2,3·10 Вт. Это равно 23% процентам суммарной мощности всех типов электростанций земли в 1990 году и больше мощности всех типов электростанций России в 2005 году. При этом напряжение горения дуги с искровым зазором в 7 мм и данным током согласно макетным испытаниям - 517 В, а мощность, выделяемая в искре, немного больше 1,1·10 Вт, КПД разряда 0,00048%, то есть практически равен 0. Такие параметры разряда невозможно получить обычной КЗ. Ограничены, при малых габаритах, возможности материала сердечника КЗ и коммутационных систем. Увеличение габаритов КЗ (при этом растут вес и стоимость установки) для снижения потерь малоэффективно, учитывая приведенные цифры.
Использование высокочастотных высоковольтных трансформаторных преобразователей с малым числом витков обмоток (следовательно, их относительно меньшим сопротивлением) при больших энергиях и мощностях разрядов ограничено возможностями коммутационных устройств по току, рабочему напряжению, частоте и потерями в них, а также возможностями сердечника трансформатора и потерями в нем.
Использование эффекта сверхпроводимости (для устранения потерь на высоковольтной обмотке трансформатора) на современном этапе развития технологически сложно и дорого, ограничено влиянием сильных магнитных полей и больших токов разряда (разрушающих сверхпроводимость). Кроме того, необходимо решить проблему передачи тепла за счет высокой теплопроводности соединительных проводов (малая их длина, большое сечение - требование максимальной проводимости) от горячих контактов разрядников в холодную зону сверхпроводимости.
Снизить сопротивление внешней цепи искрового промежутка возможно при использовании емкостного высоковольтного источника тока (имеющего малое внутреннее сопротивление стеканию зарядов) с пробивным напряжением заряда. Возможны два варианта.
Первый вариант. Повышая напряжение горения искры, путем увеличения длины искрового промежутка, увеличивают сопротивление искрового разряда и его индуктивность, что позволяет повысить мощность, выделяемую в искровом разряде, не за счет увеличения тока разряда, а увеличением падения напряжения на искровом промежутке. Кроме того, сверхбольшое пробивное напряжение позволяет получать очень большую энергию разряда при малой емкости высоковольтного конденсатора
и высокой скорости падения напряжения. Это уменьшает максимальный ток разряда (меньше проводимость искры, тем более при ее большой длине и индуктивности, практически нулевом влиянии термоэлектронной эмиссии), проще получить высокий КПД разряда, но требует очень большого напряжения заряда высоковольтного конденсатора для пробоя искрового промежутка. Данный способ требует наличия сверхвысоковольтных конденсатора (источника энергии разряда) и резонансного трансформатора, их очень больших размеров и стоимости. По расчетам Н.Теслы, для получения напряжения в сто миллионов вольт потребуется «терминал в 90 футов» (27,45 м), а для получения «антенных» токов в 2000-4000 А - «терминал в 30 футов» (9,15 м). Кроме того, энергия разряда выделяется на большой длине искрового зазора, десятки метров, что вызывает трудности в ее использовании. Современные устройства позволяют получать напряжение не более трех миллионов вольт. Установки имеют сверхвысокие напряжения при относительно небольших (тысячи ампер) токах разряда. Для передачи электроэнергии на большие расстояния выгодны высокие напряжения и относительно малые значения тока - малые потери. При использовании электроэнергии, наоборот, выгодны относительно низкие напряжения и большие значения токов.
8
7
Второй вариант. При малых длинах искрового разряда (например, 10-20 мм) значительно уменьшаются индуктивность и сопротивление дуги, увеличивается влияние термоэлектронной эмиссии. Увеличение емкости высоковольтного конденсатора для компенсации уменьшения энергии разряда из-за снижения пробивного напряжения приведет, учитывая нелинейный рост проводимости искры с ростом тока, к значительному увеличению величины максимально возможного тока разряда. При напряжениях, соизмеримых с напряжением пробоя (на воздухе, при давлении 1 бар и температуре 300 К, примерно 3000 В/мм), в зависимости от запасенной энергии разрядного конденсатора, ток может иметь очень большое значение, что требует значительного уменьшения сопротивления стеканию электрических зарядов в высоковольтном конденсаторе и сопротивления соединительных проводов - увеличение габаритов, веса и стоимости установки, значительно труднее получить токи разряда, соизмеримые с максимально возможным, высокий КПД, и малые потери на внутреннем сопротивлении источника тока. Например, при снижении пробивного напряжения с 10 В до 21000 В (при 7 мм искрового зазора; сравнить с напряжением горения искры при токе разряда 21560 А в 517 В - в 41 раз меньше, см. выше, то есть максимально возможный ток разряда может быть очень большим) снижение в 4762 раза, потребуется увеличение высоковольтной емкости, для сохранения энергии разряда, в 2,3·10 раз. Произойдет увеличение тока разряда, значительно большее, чем в 4762 раз, учитывая нелинейный рост проводимости при увеличении тока. Параметры плазмы (температура, объем и проводимость) за счет большего тока будут значительно выше, при одинаковых энергиях и КПД разрядов, чем в первом способе. Однако для получения КПД разряда, одинакового с первым способом, потребуется значительное увеличение габаритов (стоимости) высоковольтного конденсатора и соединительных проводов. Это необходимо из-за нелинейного роста проводимости дуги, потерь на сопротивлении внешней цепи в связи с увеличением тока (см. выше), а также увеличения средней длины стекания зарядов в конденсаторе из-за увеличения площади его пластин (при увеличении емкости). Электроразряды высоковольтного конденсатора с малой длиной искрового промежутка и малым сопротивлением высоковольтной цепи характеризуются очень большими значениями токов при относительно малой величине пробивного напряжения. С увеличением разрядного тока растет диаметр канала дугового разряда (примерно 2,5 см при 20000 А; 20 см при 500000 А (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988), и, следовательно, необходимо иметь площадь контактов разрядников не меньше, что не всегда возможно (например, в системах зажигания автомобиля). Уменьшение площади контактов разрядника с помощью электроизоляции уменьшает разрядный ток, но ухудшает их тепловой режим, ограничено термостойкостью электроизоляционных материалов. Применение дополнительной индуктивности в цепи разрядника уменьшает разрядный ток, но увеличивает сопротивление высоковольтной цепи и потери энергии на нем, понижается КПД, увеличиваются габариты и стоимость установки.
Оба способа имеют потери в резонансном высоковольтном колебательном контуре, при накоплении энергии, трудности с синхронизацией момента пробоя искрового промежутка с требуемым моментом времени, что необходимо во многих технологиях (например, в системах зажигания двигателей), высокие напряжения создают проблемы с обслуживанием и эксплуатацией столь мощных высоковольтных устройств.
При напряжении заряда емкости меньше пробивного (особенно при напряжении ниже напряжения тлеющего разряда для данного искрового промежутка) уменьшается возможный максимальный ток разряда (см. выше). Следовательно, легче получить, даже при больших энергиях разряда, малых габаритах и стоимости установки, малые потери энергии на сопротивлении внешней цепи разрядника и большой КПД разряда. Для снижения пробивного напряжения применяют устройства, обеспечивающие несамостоятельную проводимость газа в искровом промежутке. Удельная проводимость искры пропорциональна ее температуре в степени 3/2, плюс ее увеличение за счет термоэлектронной эмиссии. Температура тлеющего искрового разряда 10000 К. Таким образом, устройство, создающее несамостоятельную проводимость, для источников тока с напряжением ниже напряжения горения тлеющего разряда должно обладать большим ионизирующим воздействием, чем тлеющий разряд (то есть несамостоятельная проводимость должна быть больше проводимости тлеющего разряда, причем чем ниже напряжение источника тока разряда, тем больше). Однако получение плазмы с высокой проводимостью и большого объема, достаточного для перекрытия искрового промежутка, с помощью ионизирующего излучения, например ультрафиолетового, рентгеновского, радиационного, лазерного, нагревания газа, подачи электронных пучков и т.п., - сложная задача, так как данные способы имеют относительно низкий КПД.
Для получения мощных разрядов (например, в рельсотронах - электродинамических укорителях не токопроводящих масс) используют шунтирование искрового промежутка тонкой металлической проволокой или пленкой. При быстрой подаче напряжения металл испаряется, пары металла обеспечивают высокую несамостоятельную проводимость искрового промежутка, достаточную для возникновения мощного дугового разряда, при относительно низком напряжении источника тока разряда. Используют подачу в искровой промежуток паров металлов (например, ртути или паров жидкого олова, получаемых испарением металла - абляцией, воздействием лазера) для повышения несамостоятельной проводимости. Данные способы дороги и неудобны с технологической точки зрения.
По материалам макетных испытаний плазмогенератора. Удельные затраты энергии по выработке единицы объема плазмы - произведение среднего тока искрового разряда (пропорционален площади сечения искры) на длину искры, на время разряда, деленное на энергию, подведенную к преобразователю, меньше, чем у высокоэффективной итальянской катушки зажигания «Фасет» с максимальным током тлеющего разряда Iмах - 80 мА, подведенной энергией Е - 0,196 Дж, КПД - 61,7% и сопротивлением высоковольтной обмотки R - 5250 Ом. Удельные затраты энергии у плазмогенератора с сопротивлением высоковольтной обмотки R - 0,8 Ом меньше. При напряжении заряда емкости 94 мкФ - 104,7 В (напряжение горения искры - 92 В, с учетом падения напряжения на высоковольтной обмотке), подведенной энергии Е - 0,293 Дж, КПД - 88%, максимальный ток разряда Iмах - 16 А, в 36,7 раза меньше (при напряжении заряда 197 В напряжение горения искры - 145 В, при меньшей длительности разряда Imax - 65,2 А). При напряжении заряда емкости 5 мкФ - 612 В, Е - 0,936 Дж, КПД - 47%, Iмах - 171,4 А, в 18,8 раза меньше. При том же напряжении заряда емкости 1100 мкФ, Е - 197 Дж, КПД - 35,5%, Iмах - 411.6 А, в 8,9 раза меньше. Увеличение затрат энергии по выработке единицы объема плазмы с ростом тока разряда связано с увеличением потерь энергии в высоковольтной цепи плазмогенератора.
Визуально, по видеосъемке, объем полученной плазмы значительно (на два порядка и более) превосходит расчетный. Данный расчет не учитывает нелинейное, с ростом тока, увеличение эффективности преобразования электроэнергии в энергию плазмы за счет пинч-эффекта, усиления влияния термоэлектронной эмиссии и т.д. (см. выше). При пробое бумаги высоковольтным импульсом с Iмах - 411,6 А с энергией, выделяемой в искре порядка 76,5 Дж, диаметр отверстия в бумаге (примерно равный максимальному диаметру канала дуги) достигал 3,5 мм. Градиент давления в канале дуги по толщине бумаги таков, что при расширении канала (при снижении тока разряда) происходит ее расслоение надвое (диаметр пятна расслоения, при указанных параметрах, до 3,5 см), что доказывает большое значение давления в канале дуги. По формуле (Ф.1) , где I - ток разряда, R - радиус шнура искрового разряда, ρ - среднее давление плазмы в шнуре (канале), при указанных параметрах разряда, более 897 атмосфер. Однако, чтобы получить с высоким КПД на искровом промежутке 5-20 мм разрядные токи в десятки-сотни тысяч ампер, потребуется значительное увеличение сечения провода высоковольтной обмотки трансформатора для снижения ее сопротивления, что повысит габариты и стоимость устройства. Кроме того, устройство, как и все трансформаторные высоковольтные преобразователи, имеет повышенную индуктивность, что увеличивает время разряда, уменьшает скорость роста тока и ограничивает его максимальную величину.
Технический результат применения предлагаемого способа.
Создание простых, малогабаритных и дешевых устройств, позволяющих, в относительно малом объеме газа и небольшой длине искровых промежутков, с малыми удельными затратами энергии и потерями, с высоким КПД дугового разряда, преобразовывать практически любое количество электроэнергии в энергию плазмы с высокими удельной проводимостью и температурой, током и мощностью разряда. Эффективность устройств ограничена только величиной суммарной электроэнергии источников тока (конденсаторов), их внутренним сопротивлением, сопротивлением соединительных проводов и разрядников. То есть сам принцип преобразования, основанный на данном способе, ограничений не имеет.
Выше отмечалось, что тлеющий разряд за счет высокой температуры (до 10000 градусов) имеет большую удельную проводимость, однако эта температура и высокая удельная проводимость сосредоточены, в основном (особенно на начальном этапе), в канале с диаметром, примерно равным диаметру катодного пятна - 40 мкм. Таким образом, из-за малого сечения плазменного канала проводимость тлеющего разряда невелика. В то же время плазма, получаемая в плазмогенераторе, за счет большого объема может иметь большую площадь сечения и замыкает своей проводимостью контакты разрядника на большой площади (см. фиг.4, где диаметр провода разрядника 4,5 мм; контакт разрядника может иметь решетчатую конструкцию для снижения гидравлического сопротивления). Это позволяет, даже при меньшей средней удельной проводимости, получать проводимость большую, чем у тлеющего разряда, обеспечивая дуговые разряды источника тока, подключенного к разряднику, и имеющему напряжение ниже пробивного, вплоть до напряжения ниже напряжения тлеющего разряда.
Чем больше длина искрового промежутка дополнительного разрядника, меньше площадь его контактов, ниже напряжение источника тока, подключенного к ним, дальше расположение от источника получения плазмы, обеспечивающей несамостоятельную проводимость, больше давление и ниже температура среды, тем требуется большая сила тока и энергия разряда плазмогенератора для получения большего объема плазмы с большой удельной проводимостью. Для снижения требуемой энергии разряда плазмогенератора целесообразно применять выработку им плазменных струй для замыкания контактов дополнительных разрядников (см. фиг.4). Плазменные струи имеют значительно меньший объем плазмы, чем плазменный шар с радиусом, равным длине струи, и такую же среднюю удельную проводимость, следовательно, требуется меньшая энергия разряда плазмогенератора.
Условие разряда источника тока, подключенного к дополнительному разряднику - достаточная проводимость плазмы, замыкающей контакты разрядника, для возникновения самоподдерживающегося, за счет его внутренней энергии, искрового разряда. Таким образом, неважно, сколько разрядников находится в плазме, вырабатываемой плазмогенератором, подключены ли они к одному или разным источникам тока, в том числе и с разным напряжением, на каком расстоянии и под каким углом друг к другу они расположены. Если выполняется условие достаточности проводимости плазмы для всех разрядников, во всех возникнут разряды.
Вывод. Предлагаемый способ позволяет производить электрические разряды источников тока с малым внутренним сопротивлением, например заряженные конденсаторы, подключенных непосредственно к контактам разрядников, и с напряжением, меньшим пробивного, вплоть до значения, значительно меньшего напряжения горения тлеющего разряда. Напряжение разряда меньше пробивного напряжения ограничивает максимально возможный ток разряда, что облегчает получение разряда с током, близким по величине к максимально возможному (уменьшаются габариты и стоимость установки). Малое сопротивление внешней цепи разрядника значительно меньше, чем у плазмогенератора, в связи с непосредственным подключением источника тока к разряднику, снижает потери энергии во внешней цепи разрядника, позволяет получить высокий КПД, даже при очень больших токах разряда. Большой ток разряда обеспечивает получение большого объема плазмы с высокой температурой и удельной проводимостью, которую также можно использовать для создания условий разряда в других разрядниках, расположенных на пути распространения плазмы. Нелинейно «падающая» вольтамперная характеристика дугового разряда обеспечивает нелинейно меньший, чем рост тока, рост затрат энергии, выделяемой в искровом зазоре и обеспечивающей этот рост тока. Таким образом, при увеличении тока разряда и сохранении высокого КПД разряда снижаются удельные затраты энергии по выработке единицы объема получаемой плазмы (см. выше).
Результаты макетных испытаний.
На фиг.1 изображена электрическая схема действующего макета, реализующего данный способ. В макете в качестве источника энергии заряда накопительного конденсатора С3 емкостью 0,35 мкФ, заряжаемого через резистор R1 - 100 кОм, использован удвоитель переменного напряжения (для упрощения нет высоковольтного трансформаторного преобразователя) на 220 В - диоды VD1 и VD2, конденсаторы С1 и С2 по 10 мкФ, подключаемый к сети переменного тока 220 В переключателем ПР1-1, ПР1-2 (разряды производились как при отключенной сети - одиночные разряды, так и при включенной сети). Выпрямленное удвоенное напряжение от 500 В до 690 В, в зависимости от напряжения сети и параметров используемых конденсаторов. В качестве источника пробивного напряжения использована самодельная катушка зажигания КЗ (много меньше стандартной КЗ), намотанная в один слой (для получения наименьшей собственной емкости, простоты конструкции, отсутствия изоляции между слоями), на кольцевом ферритовом сердечнике К45.0×28.0×12.0 марки 6000НМ, проводом ПЭВ-1 диаметром 0,4 мм (обе обмотки). Первичная обмотка W1 - 1,75 витка, вторичная высоковольтная W2 - 104 витка. Сопротивление W2 - менее 0,8 Ом. Тиристор VD3 - КУ221А: 700 В, 3,2 А, ударный ток до 100 A, di/dt - 1150 А/мкс (при такой малой индуктивности Wl требуется высокая скорость открывания тиристора), du/dt - 500 В. Переключатель ПР2 управляет тиристором, заряжая, через управляющий электрод тиристора, конденсатор С5 - 100 пФ. Резистор R2 - 1 кОм ограничивает токи заряда, разряда С5. Конденсаторы C1, C2 подключены к точкам а и б, суммарной емкостью 5 мкФ (энергия разряда от 0,85 до 1,2 Дж; емкость в данном способе увеличивалась до 15 мкФ, с энергией разряда 3 Дж) последовательно W2 и разряднику Р с искровым промежутком до 12 мм. Конденсатор С4 (в испытаниях до 7588 мкФ) может подключаться к разряднику Pn переключателем ПР4-1, ПР4-2.
Для фиксации результатов испытаний использовалась видеосъемка со штатива в MPEG4 камерой SANIO С4 с частотой 30 кадров в секунду, с последующей раскадровкой изображения. В связи с кратковременностью процесса разряда (менее 1 миллисекунды) и отсутствием высокоскоростной рапидной съемки, чтобы разряд не попадал между кадрами и имелась возможность фиксации максимального объема получаемой плазмы, съемка производилась в темное время суток (выдержка кадра в темноте 33-34 мс). Чувствительность видеосъемки устанавливалась в 400 единиц ISO, а также в автоматическом режиме (200 единиц ISO).
Измерения напряжения, силы тока и длительности единичных разрядов проводились цифровым двулучевым осциллографом HEWLETT PACKARD 54600А. Показания тока и времени разряда снимались с шунта (0,0001 или 0,001 Ом, на схеме фиг.1 не указан), включенном между разрядником Р и точкой б (шунт 0,001 Ом сделан из неэмалированной медной проволоки диаметром 0,95 мм, длина, с которой снимались показания, 41 мм, расчетное сопротивление 0,000908 Ом, для расчетов принято 0,001 Ом).
Получение разряда конденсатора непосредственно в искровой промежуток, имеющего пробивное напряжение и напряжения тлеющего разряда (более 1300 В - сумма напряженности в положительном столбе примерно 100 В/мм и катодного падения напряжения 220-330 В (А.Г.Ходасевич, Т.И.Ходасевич. Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей. Часть 1. Электронные системы зажигания. М.: Антелком, 2005), много большее напряжения заряда конденсатора, на макете проводилось двумя способами.
Первый способ. Конденсатор С4, см. схему фиг.1, переключателем ПР 4-1, 4-2 подключен к точкам а и б. К плюсовому выводу С4 подключен дополнительный контакт разрядника Pn, расположенный с зазором с минусовым контактом разрядника Р. При этом расстояние до верхнего контакта разрядника Р должно быть больше длины искрового зазора разрядника Р (в испытаниях дополнительный контакт разрядника Pn устанавливался под прямым углом к нижнему контакту разрядника Р - не принципиально), для того, чтобы условия пробоя искрового промежутка между основными контактами разрядника Р были легче, чем с дополнительным контактом разрядника Pn. Если условия возникновения разряда между верхним контактом (по схеме) разрядника Р и контактом Pn легче - меньше искровой промежуток, произойдет только высоковольтный разряд КЗ (высоковольтный трансформатор) без емкостного разряда (эффекта не будет). Если ПР4-1 разомкнут (разные источники энергии плазмогенератора и дополнительного разрядника), то при встречной полярности зарядов C1, C2 и С4, как показано на схеме, уменьшится напряжение емкостного разряда, что снизит эффективность устройства, вплоть до нуля. При последовательной полярности увеличится напряжение емкостного разряда, однако меньшая длина искрового промежутка, большая его возможная проводимость (см. выше), меньшая суммарная емкость и большее ее сопротивление уменьшает эффективность способа. Требование иметь искровой промежуток P-Ph больший искрового промежутка Р (плазмогенератора) подтверждает необходимость получения большого объема плазмы.
Высоковольтный разряд W2 создает самостоятельную проводимость газа между контактами плазмогенератора - разрядника Р, достаточную для получения мощного дугового разряда С4 через обмотку W2. Получается плазма большого объема (почти шарообразной формы) с высокой проводимостью. Расширяясь, плазма замыкает минусовой (нижний контакт по схеме разрядника Р) и дополнительный плюсовой контакт разрядника Pn на большой площади, и между ними происходит параллельный дуговому разряду в разряднике Р, дополнительный дуговой разряд конденсатора С4. На осциллограмме фиг.2 показано изменение напряжения при разряде на конденсаторе С4 1100 мкФ, при напряжении 620 В (меньше напряжения тлеющего разряда), а на фото осциллограммы фиг.3 - ток разряда, измеренный на шунте 0,0001 Ом (на схеме не показан), при длине искрового зазора разрядника Р 11 мм и длине искрового зазора 7 мм (дополнительного разрядника) между минусовым и плюсовым контактом Pn. В начале, примерно 170 мкс, происходит рост дугового разряда С4 через обмотку W2 и малое сопротивление искрового промежутка Р (от 0 до примерно 475 А). Затем полученной плазмой с высокой проводимостью замыкается минусовой и дополнительный плюсовой контакт Pn, возникает еще один дуговой разряд конденсатора С4. Ток этого разряда ограничен только сопротивлением искрового промежутка, соединительных проводов и внутренним сопротивлением конденсатора, а также скоростью падения напряжения на С4. Максимальный импульсный суммарный ток разряда (возрастает примерно за 1,2 мкс) более 20000 А (на шунте 0,0001 Ом падает более двух вольт). При напряжении С4 после разряда примерно 130 В, общая энергия разряда примерно 202 Дж. Диаметр плазменного шара примерно 34 см. Чем больше длина искрового промежутка в дополнительном разряднике, тем меньше ток и больше время разряда. При резком росте тока в дополнительном разряднике происходит скачкообразное уменьшение напряжения на С4 из-за резкого увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока (фиг.2). Суммарная импульсная мощность разрядов около десяти миллионов ватт. Для сравнения 475 А максимальный ток плазмогенератора, 20000 А, при использовании предлагаемого способа; диаметры плазменных шаров соответственно 24 см и 34 см. Данный способ имеет простую и надежную конструкцию разрядника, повышенную мощность разряда, так как параллельно проходят два разряда в разряднике плазмогенератора Р, а также между его минусовым и дополнительным плюсовым контактом Pn. Недостаток данного способа - относительно большие потери энергии (на сопротивлении обмотки W2) при дуговом разряде в разряднике плазмогенератора Р, что снижает КПД разрядов.
Второй способ. Устранить данный недостаток можно использованием направленного выброса струй (не менее одной) плазмы из плазмогенератора. Это позволяет уменьшить требуемый объем, получаемой плазмогенератором плазмы, и, следовательно, снизить необходимую энергию для ее получения. С этой целью изготовлен разрядник плазмогенератора Р, заключенный в термоизолированную трубку, с внутренним диаметром примерно 1,5 мм. Один конец трубки герметично соединен с медной пластиной, являющейся нижним, минусовым электродом разрядника Р, причем пластина не закрывает полностью отверстие трубки. Во второе отверстие трубки ввернут винт, являющийся верхним электродом разрядника плазмогенератора. Расстояние между электродами разрядника плазмогенератора Р уменьшено до 4-5 мм (пробивное напряжение осталось 11-12 мм, но условия возникновения разряда дополнительного конденсатора (C1, C2), включенного последовательно W2, за счет нагара и увеличения потерь на охлаждение, из-за наличия стенок, ухудшились). Отверстие разрядника плазмогенератора направлено на дополнительный положительный электрод разрядника Pn. Переключатели ПР3-1, ПР3-2, ПР4-2 замкнуты. ПР4-1 после заряда С4 перед разрядом размыкается. Плазма, полученная при дуговом разряде конденсаторов С1, С2 суммарной емкостью 5-15 мкФ и энергией разрядов соответственно примерно 1 и 3 Дж, имеет объем больший, чем внутренний объем плазмогенератора, расширяясь, истекает в виде струи через отверстие плазмогенератора, достигая дополнительного плюсового контакта разрядника, и своей проводимостью обеспечивает дуговой разряд С4. При энергии разряда плазмогенератора 1 Дж длина плазменной струи до 10 мм, при 3 Дж - до 20 мм (на фото фиг.9 происходит разряд при напряжении С4 всего 130 В и искровом зазоре 15 мм - много меньше напряжения тлеющего разряда). На фото фиг.4 сфотографировано истечение плазмы из плазмогенератора, при энергии разряда 3 Дж и расстоянии между минусовым контактом разрядника Р (выход плазмогенератора) и дополнительным плюсовым контактом Pn примерно 15 мм (С4 не заряжен). Для получения максимальной эффективности необходимо принять меры по снижению тепловых потерь (теплоизолированный корпус, минимальная площадь оголенных контактов плазмогенератора), термостойкости плазмогенератора и очистки его стенок от нагара. Данные проблемы - недостатки второго способа.
2
На фото фиг.5 сфотографирована осциллограмма изменения тока и напряжения разряда С4 1100 мкФ, 613 В; энергии разряда плазмогенератора 1 Дж; длине искрового зазора дополнительного разрядника Р-Pn (минусовой Р и плюсовой к Pn контакты разрядника) 7 мм. Максимальный ток разряда 21560 А. Максимальная импульсная мощность, выделяемая в искровом промежутке, с учетом потерь на сопротивлении измерительного шунта и соединительных проводов 11146520 ватт (на осциллограмме вольтамперной характеристики фиг.5 показано падение напряжения на С4 560 В, при максимальном токе, без учета падения напряжения на шунте и соединительных проводах разрядника - примерно 43 В; расчетное падение напряжения на контактах разрядника - 517 В). Минимальное значение КПД разряда (при максимальном токе разряда и, следовательно, максимальных потерях во внешней цепи разрядника) более 84%. Напряжение С4 после разряда 137 В. Общая энергия разряда примерно 196 Дж. Основная энергия разряда выделяется примерно за 120 мкс. В результате дугового разряда С4 получается плазменный шар диаметром более 40 см. На осциллограмме видно, что С4 разряжается до примерно 30 В, затем происходит рост напряжения. Данный рост напряжения происходит с замедлением несколько десятков секунд и возрастает, из-за абсорбции, до 130-147 В. Для сравнения, в плазмогенераторе при разряде С4 (только через высоковольтную обмотку КЗ) с такими же значениями емкости, напряжения и энергии разряда, максимальный ток - 411,6 А, время разряда 7560 мкс, КПД -35,5% (ниже, несмотря на многократно меньший ток разряда), диаметр плазменного шара менее 24 см. Таким образом, эффективность предлагаемого способа многократно выше, чем у плазмогенератора. Пинч-эффект при таком токе по Ф.1 (при условии, что плотность тока одинакова, радиус канала разряда примерно 1,26 см), среднее давление в канале дуги более 47501 атмосфер (у плазмогенератора - 897 атмосфер, см. выше). Эффективность данного способа может быть значительно большей из-за отсутствия, в реальных установках, сопротивления измерительного шунта, меньшего сопротивления соединительных проводов за счет их меньшей длины (в макете 1 м, для меньшего искажения формы плазмы за счет отражения плазмы от ближайшей поверхности) и большего сечения (в макете сечение провода 10 мм). Кроме того, С4 в макете обладает повышенным внутренним сопротивлением, так как собран из большого количества конденсаторов относительно малой емкости, с большим внутренним сопротивлением, не рассчитанных на большие импульсные токи, и имеет большое количество соединительных проводов.
На фото фиг.6 и 8 (масштаб одинаков, сравнить фиг.7 и фиг.9) сфотографированы максимальные размеры полученной плазмы, полученные при разрядах С4 емкостью 7588 мкФ, с напряжением заряда 500 В, искровым промежутком 15 мм, энергией разряда плазмогенератора 3 Дж. Напряжение С4 после разряда примерно 130 В. Таким образом, общая энергия разряда примерно 884 Дж. Диаметр полученной плазмы, фиг.6, почти шарообразной формы ослепительно белого цвета, около одного метра (минимальный размер 92 см, максимальный 100 см, размер вычислялся сравнением длины коробки с конденсаторами - 30 см, находящейся в кадре и в одной плоскости с контактами разрядника Pn, с размерами плазменного шара). На фото фиг.8 в плазменном шаре с размерами 157 на 100 см я нахожусь по пояс, примерно в 30 см от контактов разрядника. На фото фиг.9 при повторном разряде через 236 миллисекунд (напряжение заряда С4 - 130 В) видно, где я находился в момент разряда. Для получения представления о яркости свечения полученной плазмы использовался светодиодный фонарь (7 светодиодов), находящийся внизу почти на нижней границе плазменного шара фото фиг.9. На фото фиг.8 свечение фонаря не видно. Так как длительность свечения плазменного шара мала, ожога не происходит, несмотря на высокую температуру (ощущается только теплая волна давления). Увеличение размера плазменного шара фиг.8 произошло за счет вытеснения моим телом плазмы. Разряды проходили с оглушительным шумом (приходилось принимать меры по защите барабанных перепонок). В 50 метрах за деревянным домом 6 на 6 метров сработала чувствительная автомобильная сигнализация. При разряде создаются большие давления и силы взаимодействия проводников с током. При искровом зазоре в 15 мм, диаметре электрода с наименьшей площадью 4,5 мм порвалась проволока из мягкого металла диаметром примерно 0,4 мм, связывавшая электроды разрядника. После разряда образуется смесь горючих газов и паров меди, большое количество искр (из-за сильной электроэрозии), виден объем слабо светящегося газа (меньший объема плазмы фиг.6 и повторяющий ее по форме), см. фото фиг.7. Детали, находящиеся вблизи контактов разрядника, покрываются медной пленкой.