Pembangkit plasma. Transmisi listrik jarak jauh. Aliran plasma panas mengalir ke saluran utama generator
Untuk memotong benda kerja logam tebal, Anda dapat menggunakan tiga alat: penggiling, obor oksigen gas, dan mesin las plasma. Dengan bantuan yang pertama, Anda mendapatkan potongan yang rata dan rapi, tetapi hanya dalam garis lurus; dengan bantuan yang kedua, Anda dapat memotong pola, tetapi potongannya ternyata metalik dan sobek. Tetapi opsi ketiga adalah potongan tepian halus yang tidak diperlukan pemrosesan tambahan. Selain itu, dengan cara ini, logam dapat dipotong sepanjang garis lengkung apa pun. Benar, obor plasma tidaklah murah, sehingga banyak pengrajin rumahan yang bertanya-tanya apakah mungkin membuat perangkat ini sendiri. Tentu saja bisa, yang utama adalah memahami prinsip pengoperasian obor plasma.
Dan prinsipnya cukup sederhana. Elektroda yang terbuat dari bahan tahan lama dan tahan panas dipasang di dalam pemotong. Pada dasarnya, ini adalah kawat yang menjadi tujuan arus listrik. Busur menyala di antara itu dan nosel pemotong, yang memanaskan ruang di dalam nosel hingga 7000C. Kemudian udara bertekanan disuplai ke dalam nosel. Ia memanas dan terionisasi, yaitu menjadi penghantar arus listrik. Konduktivitas listriknya menjadi sama dengan logam.
Ternyata udara itu sendiri merupakan penghantar, yang bila bersentuhan dengan logam akan menimbulkan korsleting. Karena udara terkompresi memiliki tekanan tinggi, lalu ia mencoba keluar dari nosel dengan kecepatan tinggi. Udara terionisasi dengan kecepatan tinggi ini adalah plasma, yang suhunya lebih dari 20.000C.
Dalam hal ini, jika bersentuhan dengan logam yang dipotong, busur terbentuk antara plasma dan benda kerja, seperti halnya pengelasan elektroda. Pemanasan logam terjadi secara instan; area pemanasan sama dengan penampang lubang di nosel. Logam bagian yang dipotong langsung masuk ke dalam keadaan cair dan plasma dikeluarkan dari lokasi sayatan. Beginilah cara pemotongan terjadi.
Dari prinsip pengoperasian mesin pemotong plasma terlihat jelas bahwa untuk melakukan proses ini diperlukan sumber pasokan listrik, sumber udara terkompresi, obor yang dilengkapi nosel yang terbuat dari bahan tahan panas, kabel untuk menyuplai listrik, dan selang untuk menyuplai udara bertekanan.
Karena kita berbicara tentang obor plasma yang akan dirakit dengan tangan, orang harus mempertimbangkan fakta bahwa peralatannya harus murah. Oleh karena itu, sebagai sumber tenaga listrik dipilih inverter las. Ini adalah perangkat murah dengan busur stabil yang baik, dapat digunakan untuk menghemat konsumsi arus listrik secara signifikan. Benar, bisa memotong benda kerja logam dengan ketebalan tidak lebih dari 25 mm. Jika ada kebutuhan untuk meningkatkan indikator ini, maka Anda harus menggunakan trafo las sebagai pengganti inverter.
Sedangkan untuk sumber udara bertekanan seharusnya tidak ada masalah. Kompresor biasa dengan tekanan 2-2,5 atmosfer akan menjaga kestabilan busur untuk pemotongan dengan sempurna. Satu-satunya hal yang perlu Anda perhatikan adalah volume udara yang dikeluarkan. Jika proses pemotongan logam memakan waktu lama, kompresor mungkin tidak mampu menahan pekerjaan berat tersebut. Oleh karena itu, disarankan untuk memasang receiver setelahnya. Intinya, ini adalah wadah di mana udara akan terakumulasi pada tekanan yang diperlukan. Di sini penting untuk melakukan penyesuaian agar penurunan tekanan pada penerima segera menyebabkan kompresor menyala untuk mengisi wadah dengan udara bertekanan. Perlu dicatat bahwa saat ini kompresor lengkap dengan penerima dijual sebagai satu kompleks.
Elemen obor plasma yang paling sulit dibuat adalah pembakar dengan nosel. Pilihan termudah adalah membeli nosel yang sudah jadi, atau lebih baik lagi beberapa jenisnya diameter yang berbeda lubang-lubangnya. Dengan demikian, Anda dapat mengganti nosel dan melakukan pemotongan lebar yang berbeda. Diameter standar adalah 3 mm. Beberapa pengrajin rumahan membuat nozel sendiri dari logam tahan panas, yang tidak mudah didapat. Jadi lebih mudah untuk membeli.
Nosel dipasang pada pemotong; itu hanya disekrup ke ujung obor. Jika inverter digunakan dalam obor plasma buatan sendiri, maka kitnya mencakup pegangan tempat Anda dapat memasang nosel yang dibeli.
Elemen yang diperlukan dari obor plasma adalah kabel las dan selang. Biasanya mereka digabungkan menjadi satu set, sehingga nyaman digunakan. Disarankan untuk mengisolasi elemen ganda, misalnya memasangnya di dalam selang karet.
Dan satu lagi elemen plasmatron buatan sendiri adalah osilator. Tujuannya adalah untuk menyalakan busur pada awal pekerjaan, yaitu perangkat ini menciptakan percikan primer untuk menyalakan elektroda yang tidak dapat dikonsumsi. Dalam hal ini, tidak perlu menyentuh permukaan logam dengan ujung bahan habis pakai. Osilator beroperasi pada arus bolak-balik dan searah. Jika pada perangkat pabrik perangkat ini dipasang di dalam rumah peralatan, maka pada perangkat buatan sendiri dapat dipasang di sebelah inverter, dihubungkan dengan kabel.
Perlu dipahami bahwa osilator dimaksudkan hanya untuk menyalakan busur. Artinya, setelah stabil, perangkat harus dimatikan. Diagram koneksi didasarkan pada penggunaan relai, yang dengannya proses stabilisasi dikendalikan. Setelah perangkat dimatikan, busur beroperasi langsung dari inverter.
Seperti yang Anda lihat, Anda tidak memerlukan gambar apa pun untuk merakit sendiri obor plasma. Seluruh perakitan cukup sederhana, yang utama adalah mengikuti aturan keselamatan. Misalnya kabel las disambung dengan baut, selang udara bertekanan dengan crimp dan klem pabrik.
Cara kerja obor plasma buatan sendiri
Pada prinsipnya, plasmatron buatan sendiri bekerja sama persis dengan yang ada di pabrik. Benar, ia memiliki sumber dayanya sendiri, terutama bergantung pada bahan dari mana nosel dibuat.
- Pertama, osilator dan inverter dihidupkan, yang melaluinya arus disuplai ke elektroda. Itu dibakar. Pengapian dikendalikan oleh tombol yang terletak di pegangan burner.
- 10-15 detik, selama waktu tersebut busur pilot akan mengisi seluruh ruang antara elektroda dan nosel. Sekarang Anda bisa mensuplai udara bertekanan, karena selama ini suhu di dalam nozzle akan mencapai 7000C.
- Segera setelah plasma keluar dari nosel, Anda dapat melanjutkan ke proses pemotongan logam.
- Sangat penting untuk mengarahkan obor dengan benar di sepanjang jalur pemotongan yang diinginkan. Misalnya, jika kecepatan potong pemotong tidak terlalu tinggi, maka dijamin lebar potongannya akan besar, ditambah lagi bagian tepinya pasti tidak rata, kendur dan kikuk. Sebaliknya, jika kecepatan pemotong tinggi, maka logam cair akan tertiup dengan buruk keluar dari zona pemotongan, yang akan menyebabkan terbentuknya potongan yang tidak rata dan kontinuitasnya akan hilang. Oleh karena itu, pemilihan kecepatan potong perlu dilakukan secara eksperimental.
Sangat penting untuk memilih bahan yang tepat untuk membuat elektroda. Paling sering, hafnium, berilium, thorium atau zirkonium digunakan untuk ini. Dalam proses bertindak terhadap mereka suhu tinggi Oksida tahan api dari logam-logam ini terbentuk di permukaan, sehingga elektroda dari logam tersebut rusak secara perlahan. Benar, berilium yang dipanaskan menjadi radioaktif, dan torium mulai melepaskan zat beracun. Oleh karena itu, pilihan terbaik adalah elektroda hafnium.
Stabilisasi tekanan di saluran keluar penerima dipastikan dengan peredam yang dipasang. Ini tidak mahal, tetapi memecahkan masalah pasokan udara bertekanan yang seragam ke nosel pemotong.
Semua pekerjaan pemeliharaan peralatan buatan sendiri Pemotongan plasma sebaiknya dilakukan hanya pada pakaian dan sepatu pelindung. Sarung tangan dan kacamata diperlukan.
Sedangkan untuk ukuran nozzle, tidak disarankan membuatnya terlalu panjang. Hal ini menyebabkan kehancurannya yang cepat. Selain itu, hal ini sangat penting untuk dilakukan pengaturan yang benar mode pemotongan. Masalahnya adalah terkadang di pemotong plasma buatan sendiri tidak hanya satu busur yang muncul, tetapi dua. Hal ini berdampak negatif pada pengoperasian perangkat itu sendiri. Dan tentu saja, hal ini mengurangi masa pakainya. Nosel mulai rusak lebih cepat. Dan inverter mungkin tidak mampu menahan beban seperti itu, sehingga ada kemungkinan gagal.
Dan satu hal terakhir. Fitur Jenis pemotongan logam ini melibatkan peleburan hanya di tempat yang terkena aliran plasma. Oleh karena itu, perlu dipastikan bahwa titik potong terletak di tengah ujung elektroda. Bahkan perpindahan titik yang minimal akan menyebabkan defleksi busur, yang akan menciptakan kondisi untuk pembentukan potongan yang salah, dan, karenanya, penurunan kualitas proses itu sendiri.
Seperti yang Anda lihat, pola proses pemotongan bergantung pada banyak faktor, oleh karena itu, ketika merakit obor plasma tanpa bantuan spesialis dengan tangan Anda sendiri, Anda harus benar-benar mematuhi semua persyaratan untuk setiap elemen dan perangkat. Penyimpangan kecil sekalipun akan menurunkan kualitas potongan.
Hampir semua orang yang tertarik pada energi pernah mendengar tentang prospek generator MHD. Namun hanya sedikit orang yang mengetahui bahwa generator ini telah memiliki status yang menjanjikan selama lebih dari 50 tahun. Masalah yang terkait dengan generator MHD plasma dijelaskan dalam artikel.
Cerita dengan plasma, atau generator magnetohidrodinamik (MHD). secara mengejutkan mirip dengan situasi dengan. Nampaknya hanya dengan satu langkah atau sedikit usaha, konversi langsung panas menjadi energi listrik akan menjadi kenyataan umum. Namun masalah lain mendorong kenyataan ini kembali tanpa batas waktu.
Pertama-tama, tentang terminologi. Generator plasma merupakan salah satu jenis generator MHD. Dan mereka, pada gilirannya, mendapatkan namanya dari efek munculnya arus listrik ketika cairan penghantar listrik (elektrolit) bergerak dalam medan magnet. Fenomena ini dijelaskan dan dipelajari di salah satu cabang fisika - magnetohidrodinamika. Dari sinilah generator mendapatkan namanya.
Secara historis, percobaan pertama untuk membuat generator dilakukan dengan elektrolit. Namun hasilnya menunjukkan bahwa sangat sulit untuk mempercepat aliran elektrolit ke kecepatan supersonik, dan tanpanya efisiensi (koefisien tindakan yang bermanfaat) generator sangat rendah.
Penelitian lebih lanjut dilakukan dengan aliran gas terionisasi berkecepatan tinggi, atau plasma. Oleh karena itu, hari ini kita berbicara tentang prospek penggunaan generator MHD, Anda harus ingat bahwa kita hanya berbicara tentang varietas plasmanya.
Secara fisis, pengaruh munculnya beda potensial dan arus listrik ketika muatan bergerak dalam medan magnet serupa. Mereka yang pernah bekerja dengan sensor Hall mengetahui bahwa ketika arus melewati semikonduktor yang ditempatkan dalam medan magnet, pada pelat kristal, tegak lurus terhadap garis medan magnet, perbedaan potensial muncul. Hanya di generator MHD, alih-alih arus, fluida kerja yang mengalir dilewatkan.
Kekuatan generator MHD secara langsung bergantung pada konduktivitas zat yang melewati salurannya, kuadrat kecepatannya, dan kuadrat kuat medan magnet. Dari hubungan tersebut terlihat jelas bahwa semakin tinggi konduktivitas, temperatur dan kuat medan maka semakin tinggi pula daya yang diserap.
Semua studi teoretis tentang konversi praktis panas menjadi listrik dilakukan pada tahun 50-an abad lalu. Dan satu dekade kemudian, pabrik percontohan “Mark-V” muncul di AS dengan kapasitas 32 MW dan “U-25” di Uni Soviet dengan kapasitas 25 MW. Sejak itu, pekerjaan telah dilakukan berbagai desain Dan rezim yang efektif pengoperasian generator, pengujian berbagai jenis fluida kerja dan material struktur. Namun generator plasma tidak pernah digunakan secara luas dalam industri.
Apa yang kita punya hari ini? Di satu sisi, unit daya gabungan dengan generator MHD 300 MW sudah beroperasi di Pembangkit Listrik Distrik Negara Bagian Ryazan. Efisiensi generatornya sendiri melebihi 45%, sedangkan efisiensi pembangkit listrik tenaga panas konvensional jarang mencapai 35%. Generatornya menggunakan plasma dengan suhu 2.800 derajat yang diperoleh selama pembakaran gas alam, Dan .
Tampaknya energi plasma telah menjadi kenyataan. Namun generator MHD serupa di dunia dapat dihitung dengan satu tangan, dan generator tersebut dibuat pada paruh kedua abad yang lalu.
Alasan pertama jelas: generator memerlukan bahan tahan panas untuk beroperasi. bahan konstruksi. Beberapa bahan dikembangkan sebagai bagian dari program fusi termonuklir. Lainnya digunakan dalam ilmu roket dan diklasifikasikan. Bagaimanapun, bahan-bahan ini sangat mahal.
Alasan lainnya terletak pada cara generator MHD beroperasi: generator ini hanya menghasilkan arus searah. Oleh karena itu, diperlukan inverter yang kuat dan ekonomis. Bahkan saat ini, meskipun kemajuan teknologi semikonduktor, masalah tersebut belum sepenuhnya terpecahkan. Dan tanpa hal ini, mustahil untuk menyalurkan listrik yang sangat besar kepada konsumen.
Masalah terciptanya medan magnet super kuat belum terselesaikan sepenuhnya. Bahkan penggunaan magnet superkonduktor tidak menyelesaikan masalah. Semua bahan superkonduktor yang dikenal memiliki kekuatan medan magnet kritis, di atasnya superkonduktivitas akan hilang begitu saja.
Orang hanya dapat menebak apa yang mungkin terjadi selama transisi tiba-tiba ke keadaan normal konduktor di mana rapat arus melebihi 1000 A/mm2. Ledakan belitan di dekat plasma yang dipanaskan hingga hampir 3000 derajat tidak akan menyebabkan bencana global, namun generator MHD yang mahal pasti akan gagal.
Masalah pemanasan plasma ke suhu yang lebih tinggi masih ada: pada 2500 derajat dan penambahan logam alkali (kalium), namun konduktivitas plasma masih sangat rendah, tidak dapat dibandingkan dengan konduktivitas tembaga. Namun kenaikan suhu kembali membutuhkan bahan baru yang tahan panas. Lingkaran itu tertutup.
Oleh karena itu, semua unit daya dengan generator MHD yang dibuat hingga saat ini menunjukkan tingkat teknologi yang dicapai kelayakan ekonomi. Prestise negara merupakan faktor penting, tetapi membangun generator MHD yang mahal dan berubah-ubah dalam skala besar saat ini sangatlah mahal. Oleh karena itu, bahkan generator MHD yang paling kuat pun tetap berstatus instalasi industri percontohan. Di sana, para insinyur dan ilmuwan mengerjakan desain masa depan dan menguji material baru.
Sulit untuk mengatakan kapan pekerjaan ini akan berakhir. Banyaknya desain generator MHD yang berbeda menunjukkan bahwa hingga solusi optimal masih jauh. Dan informasi bahwa fluida kerja yang ideal untuk generator MHD adalah plasma fusi termonuklir menunda penggunaannya secara luas hingga pertengahan abad kita.
Ilmu pengetahuan mengetahui dengan pasti: semakin banyak uap dipanaskan, semakin menguntungkan mengubah panas menjadi kerja. Jika di pembangkit listrik modern biasa suhu uap dinaikkan menjadi 1000-1500°, efisiensinya otomatis meningkat satu setengah kali lipat. Namun masalahnya adalah tidak ada cara untuk melakukan hal ini, karena panas yang begitu dahsyat akan dengan cepat menghancurkan turbin mana pun.
Artinya, para ilmuwan beralasan, kita harus mencoba hidup tanpa turbin sama sekali. Penting untuk membangun generator yang dapat mengubah energi aliran gas panas menjadi arus listrik! Dan mereka membangunnya. Ilmu magnetohidrodinamika yang berkembang pesat, yang mempelajari pergerakan zat cair yang menghantarkan arus listrik dalam medan magnet, membantu membangun generator listrik plasma.
Ditemukan bahwa cairan konduktor yang ditempatkan dalam medan magnet tidak berbeda perilakunya dengan konduktor padat, seperti logam. Tapi kita tahu betul apa yang terjadi pada konduktor logam jika dipindahkan di antara kutub magnet: arus listrik diinduksi (diinduksi) di dalamnya. Artinya akan muncul arus pada aliran zat cair jika aliran tersebut melintasi medan magnet.
Namun, masih belum memungkinkan untuk membuat generator dengan konduktor cair. Semburan cairan harus dipercepat hingga kecepatan yang sangat tinggi, dan ini membutuhkan energi yang sangat besar, paling yang hilang di dalam jet itu sendiri karena turbulensi. Saat itulah muncul pemikiran: bukankah cairan harus diganti dengan gas? Bagaimanapun jet gas Kita sudah lama bisa berkomunikasi dengan kecepatan luar biasa - ingat saja mesin jet. Namun pemikiran ini harus segera dibuang: tidak ada satu gas pun yang dapat menghantarkan arus.
Sepertinya jalan buntu. Konduktor padat tidak tahan terhadap suhu tinggi; cairan tidak berakselerasi hingga kecepatan tinggi; gas sama sekali bukan konduktor. Tetapi…
Kita terbiasa berpikir bahwa materi hanya dapat ada dalam tiga wujud - padat, cair, dan gas. Dan itu juga terjadi dalam keadaan keempat - plasma. Seperti diketahui, Matahari dan sebagian besar bintang terbuat dari plasma. Ini dia - generator listrik plasma!
Plasma adalah gas, tetapi terionisasi
Di antara molekul terdapat ion bermuatan, yaitu “fragmen” atom dengan orbit elektron yang terputus. Ada juga elektron bebas. Ion dan elektron adalah pembawa muatan listrik, yang berarti plasma bersifat konduktif listrik.
Namun untuk mendapatkan plasma, gas perlu dipanaskan lebih intensif. Ketika suhu naik, molekul-molekul gas bergerak semakin cepat, dan sering kali mereka saling bertabrakan dengan hebat. Ada saatnya ketika molekul secara bertahap terurai menjadi atom. Namun gas tersebut belum menghantarkan arus. Ayo terus panaskan!
Termometer menunjukkan 4000°. Atom memperoleh energi tinggi. Kecepatannya sangat besar, dan beberapa tumbukan berakhir “bencana”: kulit elektron atom terganggu. Inilah yang kita butuhkan - sekarang ada ion dan elektron di dalam gas - plasma telah muncul.
Memanaskan gas hingga 4000° bukanlah tugas yang mudah. Varietas terbaik batubara, minyak dan gas alam menghasilkan lebih banyak bila dibakar suhu rendah. Apa yang harus saya lakukan?
Para ilmuwan juga telah mengatasi kesulitan ini. Kalium, logam alkali yang murah dan tersebar luas, menjadi penyelamat. Ternyata dengan adanya kalium, ionisasi banyak gas dimulai jauh lebih awal. Segera setelah Anda menambahkan hanya satu persen kalium ke gas buang biasa - produk pembakaran batu bara dan minyak, ionisasi di dalamnya dimulai pada 3000 ° dan bahkan sedikit lebih rendah.
Dari tungku, tempat keluarnya gas panas, gas tersebut dialihkan ke dalam pipa, tempat kalium - kalium karbonat - terus menerus disuplai dalam aliran tipis. Terjadi ionisasi yang lemah, tetapi masih cukup. Pipa kemudian mengembang dengan mulus membentuk nosel.
Sifat-sifat nosel yang mengembang sedemikian rupa sehingga ketika bergerak melaluinya, gas bertambah kecepatan tinggi, kehilangan tekanan. Kecepatan gas yang keluar dari nosel dapat menyaingi kecepatan pesawat modern - mencapai 3.200 km/jam.
Aliran plasma panas mengalir ke saluran utama generator
Dindingnya tidak terbuat dari logam, melainkan dari kuarsa atau keramik tahan api. Kutub magnet terkuat disambungkan ke dinding luar. Di bawah pengaruh medan magnet, gaya gerak listrik diinduksi dalam plasma, seperti pada konduktor apa pun.
Sekarang kita perlu, seperti yang dikatakan para ahli listrik, untuk “menghilangkan” arus dan menyalurkannya ke konsumen. Untuk melakukan ini, dua elektroda dimasukkan ke dalam saluran generator plasma - juga, tentu saja, non-logam, paling sering grafit. Jika ditutup oleh rangkaian luar, maka akan muncul arus searah pada rangkaian.
Generator listrik plasma kecil sudah terpasang negara yang berbeda, efisiensinya mencapai 50% (efisiensi pembangkit listrik termal tidak lebih dari 35-37%). Secara teoritis, Anda bisa mendapatkan 65%, dan bahkan lebih. Para ilmuwan yang mengerjakan generator plasma menghadapi banyak masalah terkait pemilihan bahan dan peningkatan umur generator (sampel saat ini hanya bekerja beberapa menit).
