способ перемещения газоплазменной смеси

Классы МПК:H05H1/02 устройства для удерживания (ограничения) плазмы электрическим и(или) магнитным полем; устройства для нагрева плазмы
H05H1/54 ускорители плазмы
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Акционерное общество Научно-исследовательский институт стали
Приоритеты:
подача заявки:
1994-01-05
публикация патента:

Использование: перемещение газоплазменной смеси в прямо- и криволинейных каналах, в центрифугах и т.д. Сущность изобретения: в плазму превращают и затем перемещают только тонкий слой газовой смеси, контактирующий с поверхностью, который за счет трения увлекает за собой газовую смесь. Плазменное состояние движущегося слоя поддерживают токами Фуко, которые возникают при отталкивании плазменного слоя от контактируемой поверхности магнитной "подушкой". Различие в скорости движения между слоем плазмы и газовой смесью не превышает критической скорости для используемого газа. 1 табл.
Рисунок 1

Формула изобретения

Способ перемещения газоплазменной смеси, заключающийся в том, что газовую смесь превращают в ионизованную плазму, помещают ее в магнитное поле и перемещают относительно контактируемой поверхности путем пропускания через нее электрического тока, отличающийся тем, что в плазму превращают и затем перемещают только тонкий периферический слой газовой смеси, контактируемый с поверхностью, который увлекает за собой газовую смесь, причем различие в скорости движения между слоем плазмы и газовой смесью не превышает критической скорости для данного газа, при этом плазменное состояние движущегося периферического слоя поддерживают токами Фуко, которые возникают при отталкивании магнитной "подушкой" плазменного слоя от контактируемой поверхности.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области плазменной техники и предназначено для образования и перемещения газоплазменной смеси в прямо- и криволинейных каналах, в центрифугах, а также перемещения предмета в сплошной неподвижной газовой среде.

Образование плазмы и перемещение газоплазменной смеси обычно осуществляют в три этапа:

1 получение плазмы в плазмотронах.

2 ускорение плазмы в ускорителях.

3 перемещение (транспортировка) плазмы в специальных прямо- или криволинейных плазмооптических системах.

Известен способ образования и перемещения газоплазменной смеси, где газовую смесь превращают в плазму, помещают в магнитное поле и затем перемещают, путем пропускания через нее электрического тока.

При этом сила, действующая на плазму (проводник) в магнитном поле равна:

F Bспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516lспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516I [H] (1)

где: F сила, действующая на проводник с током, Н;

B магнитная индукция, Тл;

I длина проводника, м;

l сила тока в проводнике, А.

Образование, ускорение и перемещение полностью и частично ионизованной плазмы в скрещенных электрических и магнитных полях изложены в работе [И.С. Абрамов, "Ускорители плазмы и электрореактивные двигатели", (Конспект лекций), Ленинградский Электротехнический институт, Ленинград, 1978] прототип.

Недостатками такого способа перемещения являются: при перемещении полностью и ионизованной плазмы ее ядра имеют большое различие по скоростям; при перемещении частично ионизованной плазмы имеет место наличие критической скорости между ее отдельными слоями и контактируемой с нею поверхностью, например, со стенками камеры, в которой она находится, что препятствует получению больших скоростей перемещения газоплазменной смеси [это обусловлено тем, что при приближении к критической скорости вся подводимая энергия тратится на ионизацию нейтральных атомов (Alfven H. Rev. Modern Phys. 1960, Vol. 32. p. 710)]

Целью настоящего изобретения является преодоление ограничений по критической скорости между газоплазменной смесью и контактируемой с нею поверхностью при обеспечении строго фиксированной, предварительно заданной скорости ее перемещения.

Поставленная цель достигается за счет того, что газовую смесь превращают в ионизованную плазму, помещают ее в магнитное поле и перемещают относительно контактируемой поверхности путем пропускания через нее электрического тока, при этом в плазму превращают и затем перемещают только тонкий периферический слой газовой смеси контактирующий с поверхностью, который за счет трения увлекает за собой газовую смесь, причем различие в скорости движения между слоем плазмы и газовой смесью не превышает критической скорости для данного газа. Плазменное состояние движущегося периферического слоя поддерживают токами Фуко, которые возникают при отталкивании магнитной "подушкой" плазменного слоя от контактируемой поверхности.

При этом, вклад токов Фуко в температуру движущегося плазменного слоя определяется формулой:

Tф 2,5способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665161029способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Eт/Nяд (2)

где Тф вклад в температуру плазменного слоя обусловленный токами Фуко, K;

Eт энергия, затраченная на магнитное торможение, Вт;

Nяд число ядер в плазменном слое.

Таким образом, полностью ионизованный слой плазмы отделяет контактируемую поверхность от неионизованного газа и снимает Альфвеновское ограничение по критической скорости для частично ионизованного газа относительно контактирующей с ним поверхностью. В то же время для границы раздела между плазмой и неионизованным газом это ограничение остается, поэтому при придании плазме относительно поверхности скорости превышающей критическую весь объем контактируемого с ней частично ионизованного и нейтрального газа будет двигаться как твердое тело [Коробцев Ц.В. Русанов В.Д. "Плазменная центрифуга плазмохимический реактор нового типа". Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР, Москва, 1988 г. стр. 29]

Рассмотрим работу данного способа перемещения газоплазменной смеси на примере вращения газоплазменной смеси в центрифуге.

Плотность центробежной силы, приходящейся на единицу боковой поверхности цилиндра, равна:

Fц mспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516V2/(Rспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Sб [н/м2] (3)

где: Fц центробежная сила приходящаяся на единицу поверхности, Н/м2;

m масса водорода, приходящаяся на единицу длины цилиндра, кг/м;

S6=2способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Rспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516l площадь боковой поверхности единицы длины цилиндра, м2;

R радиус цилиндра, м;

l высота цилиндра, м;

V линейная скорость вращения, м/c.

Магнитное поле, которое необходимо создать, чтобы компенсировать центробежную силу вращающейся смеси, можно определить по формуле:

Fл= B2/способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665160=Fц , (4)

откуда

способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516 (5)

где: Fп плотность (на единицу поверхности) силы левитации, н/м2;

Fц центробежная сила, Н/м2;

способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665160 магнитная постоянная, Вспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516c/Aспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516м.

Магнитным полем можно компенсировать центробежную силу только пристеночного слоя газа превращенного в плазму.

Одной из важных характеристик плазмы при ее взаимодействии с магнитным полем является ее электропроводимость, которая определяется по формуле:

способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516 (6)

где: G электропроводимость плазмы, 1/Омспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516м;

к постоянная Больцмана, Дж/K;

Т температура плазмы, K;

способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665160 электрическая постоянная, Ф/м;

Z заряд иона плазмы;

е элементарный электрический заряд, oK;

L Кулоновский логарифм (L способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516 15);

me масса электрона, кг.

При движении плазмы над магнитным полем возникают тормозные силы, которые должны быть компенсированы тяговым усилием плазменного электродвигателя. Возникающие тормозные силы можно определить по формуле:

Fт= Fл/(0,5способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665160способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516vспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Gспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516h) (7)

где: Fт плотность силы электромагнитного торможения, н/м2;

Fл плотность силы левитации, н/м2;

способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665160 магнитная постоянная, Вспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516c/Aспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516м;

V скорость движения плазмы, м/c;

G электропроводимость плазмы, 1/Омспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516м;

h толщина плазменного слоя, м.

Как видно из формулы (7), на тормозную силу влияют четыре параметра: плотность силы левитации, скорость движения плазмы, электропроводимость плазмы и толщина плазменного слоя.

Плотность силы левитации и скорость движения плазмы взаимосвязаны для каждого конкретного случая имеют четко заданные значения, которые зависят от задач эксперимента. Толщина плазменного слоя, из-за больших центробежных сил не может быть значительно (более чем в 10 раз) увеличена тем более, что ее размер устанавливается автоматически, в зависимости от энергии, затраченной на преодоление электромагнитного торможения, поэтому уменьшить тормозную силу можно только посредством повышения электропроводимости плазмы.

Рассмотрим работу предлагаемого способа вращения газоплазменной смеси на примере вращения водорода.

Результаты расчетов электропpоводимости и электромагнитного торможения плазмы из водорода, движущейся со скоростью 1,5способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516 105 м/с, проведенные по формулам (6) и (7) для различных значений ее температур, представлены в табл. 1.

Данные по температуре плазменного слоя из водородной плазмы, полученные по формуле (2) при условии, что вся энергия, затраченная на преодоление тормозной силы, расходуется на нагрев плазмы, приведены в последней графе таблицы (формула 2 получена из формул 3.7).

При проведении расчетов принято, что камера выполнена в виде цилиндра радиусом R 2 м бесконечной длины, внутри которой вращается водород с плотностью 5способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 20665161020 яд/м3, т. е. на 1 погонный метр длины камеры приходится 0,01 грамма водорода, при этом пристеночный слой водорода толщиною d 0,02 м находится в плазменном состоянии.

Из представленных в табл. 1 данных можно сделать следующие выводы:

тормозная сила с ростом температуры плазмы падает;

при стабильном процессе вращения газоплазменной смеси температура плазменного слоя, обусловленная нагревом токами Фуко, не будет более 108 градусов Кельвина, поскольку при меньшей температуре проводимость плазмы падает токи Фуко растут и температура плазменного слоя увеличивается, а при нагреве плазмы токами Фуко более 108 градусов Кельвина ее проводимость увеличивается до такой степени, что энергия подводимой в плазму токами Фуко будет недостаточно и ее температура будет уменьшаться. В результате устанавливается самосогласованное стационарное состояние плазменного слоя с температурой Т способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516 106-108 K, и поддерживающейся только за счет нагрева плазмы токами Фуко.

Представленные в табл. 1 данные позволяют оценить энергетические затраты на вращение газоплазменной смеси по формуле:

способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Pт= Fтспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516S6способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Vспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516t (8)

где: способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516Pт энергия, затраченная на электромагнитное торможение, МВтспособ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516ч;

Fт> плотность силы электромагнитного торможения, н/м2;

Sб боковая поверхность цилиндра, м2;

V скорость вращения плазмы, с.

Расчеты проводились для водорода при его вращении в цилиндрической камере радиусом 2 с линейной скоростью 1,5способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516 105 м/c при температурах пристеночного слоя плазмы равных 105, 106 и 107 К. Объем рассматриваемого участка цилиндра равен 12,6 м3, боковая поверхность равна 12,6 м2, содержание водорода 0,01 г на 1 погонный метр цилиндра.

Для этих условий на вращение водорода в течение 1 часа расходуется энергия равная 5400 МВт, при температуре плазмы 105 K и силе торможения 2870 н/м2, энергия равная 170 МВт при температуре плазмы 106 K и силе торможения 91 н/м2 и 5,4 МВт при температуре 107 К и силе торможения 2,9 н/м2.

Приведенные данные позволяют сделать вывод, что полученные энергозатраты не могут быть препятствием для реализации предлагаемого способа вращения газоплазменной смеси поскольку, в последнем случае, например, один блок АЭС мощностью 1000 МВт может обеспечить работу почти 200 таких установок.

Если создать пристеночный слой плазмы, а электромагнитную тягу и магнитную "подушку" расположить вдоль продольной оси канала, то газоплазменная смесь будет перемещаться вдоль продольной оси канала и сможет превысить критическую скорость, при этом магнитное поле, создающее левитацию плазмы, будет значительно слабее, чем для вращения плазмы, поскольку в этом случае отсутствуют центробежные силы, прижимающие плазму к стенкам камеры.

Если на наружной поверхности, например гондолы дирижабля, создать плазму, электромагнитную тягу и магнитную "подушку" вдоль его продольной оси, то газоплазменная смесь будет перемещаться вдоль его продольной оси и создавать реактивную тягу.

Способ может быть использован для создания газоплазменных центрифуг и других устройств, где требуются большие скорости и отсутствие трения между газом и контактируемой с ним поверхностью.

Класс H05H1/02 устройства для удерживания (ограничения) плазмы электрическим и(или) магнитным полем; устройства для нагрева плазмы

устройство и способ моделирования магнитогидродинамики -  патент 2497191 (27.10.2013)
способ нагрева плазмы -  патент 2444866 (10.03.2012)
способ ускорения космического аппарата -  патент 2330794 (10.08.2008)
способ формирования дугового разряда -  патент 2319324 (10.03.2008)
система регулирования магнитного поля в кольцевой камере -  патент 2314549 (10.01.2008)
газоразрядное устройство -  патент 2300177 (27.05.2007)
способ формирования устойчивых состояний плотной высокотемпературной плазмы -  патент 2273968 (10.04.2006)
плазменный источник электронов на основе пеннинговского разряда с радиально сходящимся ленточным пучком -  патент 2256979 (20.07.2005)
высокочастотный индукционный плазмотрон -  патент 2233563 (27.07.2004)
способ концентрации и аккумуляции электромагнитной энергии в плазме среды -  патент 2194374 (10.12.2002)

Класс H05H1/54 ускорители плазмы

стационарный плазменный двигатель малой мощности -  патент 2527898 (10.09.2014)
система электростатического ионного ускорителя -  патент 2523658 (20.07.2014)
катод плазменного ускорителя (варианты) -  патент 2522702 (20.07.2014)
эрозионный импульсный плазменный ускоритель -  патент 2516011 (20.05.2014)
коаксиальный магнитоплазменный ускоритель -  патент 2498542 (10.11.2013)
система управления потоком с использованием плазменного актуатора и способ ее использования для управления потоком, обтекающим оружейный отсек высокоскоростного подвижного носителя -  патент 2489315 (10.08.2013)
система высоковольтного изолятора и система ионного ускорителя с такой системой высоковольтного изолятора -  патент 2481753 (10.05.2013)
плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов -  патент 2474984 (10.02.2013)
ионный ускоритель с устройством для уменьшения воздействия положительно заряженных ионов на участок поверхности -  патент 2472965 (20.01.2013)
активатор для управления потоком плазмы и способ управления потоком плазмы -  патент 2472673 (20.01.2013)
Наверх