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): | Ирдынчеев Л.А., Астахов В.И., Кирпиченко В.Я., Коломейцев Л.Ф. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество Научно-исследовательский институт стали |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-01-05 публикация патента:
10.09.1996 |
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 B
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
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 2,5
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
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 m
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
где: Fц центробежная сила приходящаяся на единицу поверхности, Н/м2;
m масса водорода, приходящаяся на единицу длины цилиндра, кг/м;
S6=2
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066051/960.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
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 № 2066516](/images/patents/406/2066051/956.gif)
откуда
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066516/2066516t.gif)
где: Fп плотность (на единицу поверхности) силы левитации, н/м2;
Fц центробежная сила, Н/м2;
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066051/956.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066516/2066516-2t.gif)
где: G электропроводимость плазмы, 1/Ом
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
к постоянная Больцмана, Дж/K;
Т температура плазмы, K;
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066058/949.gif)
Z заряд иона плазмы;
е элементарный электрический заряд, oK;
L Кулоновский логарифм (L
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066005/8776.gif)
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/(0,5
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066051/956.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
где: Fт плотность силы электромагнитного торможения, н/м2;
Fл плотность силы левитации, н/м2;
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066051/956.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
V скорость движения плазмы, м/c;
G электропроводимость плазмы, 1/Ом
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
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 1,5
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
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](/images/patents/406/2066005/8776.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/916.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
где:
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/916.gif)
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
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 1,5
![способ перемещения газоплазменной смеси, патент № 2066516](/images/patents/406/2066004/183.gif)
Класс H05H1/02 устройства для удерживания (ограничения) плазмы электрическим и(или) магнитным полем; устройства для нагрева плазмы
Класс H05H1/54 ускорители плазмы