Коллективные свойства плазмы

Содержание

Аннотация……………………………………………………………3

Введение……………………………………………………………...4

Глава 1.Плазма

1.1. Общая характеристика плазмы…………………………….....5

1.2. Степень ионизации плазмы…………………………………...7

1.3. Коллективные свойства плазмы……………………………...10

1.4. Квазинейтральность плазмы………………………………….12

1.5. Дебаевский радиус…………………………………………….14

1.6. Температура плазмы…………………………………………..20

1.7. Колебания в плазме……………………………………………22

1.8. Волны в плазме………………………………………………...24

1.9. Плазма в высокочастотном поле……………………………...27

1.10. Плазмохимические преобразования………………………….30

Глава 2. Анализ выбросов промышленных предприятий г.Казань

2.1. Количественная характеристика газообразных отходов промышленных предприятий г.Казань……………………………..32

2.1.1. Выбросы оксидов азота…………………………………….....33

2.1.2. Выбросы углекислого газа…………………………………....34

2.1.3. Выбросы углеводородов……………………………………...35

2.1.4. Выбросы диоксида серы……………………………………...35

2.2. Применение шестифтористой серы в электроэнергетике…....36

2.2.1. Характеристика элегазовых выключателей………………....40

Глава 3. Плазменные технологические процессы и установки

3.1. Устройства для получения низкотемпературной плазмы и области их применение……………………………………………..................43

3.2. Энергетические характеристики плазмотронов и источники питания………………………………………………………………..48

Глава 4. Анализ установок для плазменной переработки углеродосодержащих техногенных отходов.

4.1. Технология очистки дымовых газов методом плазменной деструкции…………………………………………………………….51

4.2. Плазменная газификация………………………………………...59

4.3. Энергоэффективный мобильный комплекс для утилизацииотработанных деревянных шпал…………………………………….63

4.4. Воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струей………………………………………………………………….68

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности.

5.1. Основные понятия и определения……………………………...72

5.2. Основные технические и организационные мероприятия по безопасному проведению работ в действующих электроустановках……………………………………………………74

Глава 6. Расчет трансформаторного ввода с RIP-изоляцией.

6.1.Общие сведения…………………………………………………..78

6.2. Электрический расчет изолятора……………………………….78

6.3.Тепловой расчет проходного изолятора………………………...85

Заключение……………………………………………………………92

Список литературы…………………………………………………...93

Аннотация

Тема дипломного проекта: «Плазменные технологии и установки для переработки углеродосодержащих техногенных отходов».

Автор: Габдуллин Ришат Рамилевич гр. ТВН-1-12 г. Казань.

Объем пояснительной записки: 93 страницы, 21 иллюстрация, 4 таблицы.

Объем графической части: 2 плаката.

В дипломной работе было выполнено следующее:

1. Проведен анализ плазменных технологий и принцип работы установок для переработки углеродсодержащих техногенных отходов.

2. Проведены мероприятия по определению основных характеристик плазмотронов.

3. Проведен анализ источники питания высокого напряжения для плазмотронов.

4. Разработаны рекомендации для установок для переработки углеродсодержащих техногенных отходов.

Введение

Целью дипломной работы – «Плазменные технологии и установки для переработки углеродосодержащих техногенных отходов» является анализ установок для переработки углеродосодержащих техногенных отходов.

Плазмой называют ионизованный газ, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные частицы, в котором суммарный заряд в каждой единице объема стремится к 0, т.е. плазма представляет собой электрически нейтральную среду.

Плазма используется в МГД-генераторах с целью преобразования энергии плазмы в энер­гию электрического тока и в плазменных двигателях для ориентации и разгона космических кораблей и спутников. Но, конечно, основное будущее плазмы связано с той ролью, какую она призвана сыграть в решении одной из важней­ших проблем нашего века — овладении энергией управляе­мого термоядерного синтеза.

Для получения плазмы используются плазмотроны с различ­ными принципиальными схемами.

К энергетическим характеристикам плазмотрона относятся зависимости параметров дуги от условий работы — рода плазмообразующего газа, давления, геометрических размеров электро­дов, напряженности управляющего магнитного поля, материала электродов, их температуры и эмиссионной способности, скорости разрушения.

Глава 1.Плазма

Общая характеристика плазмы

Плазмой называется квазинейтралъная система за­ряженных частиц, т. е. частично или полностью ионизо­ванный газ, в котором объемные плотности положи­тельных р₊ и отрицательных р_ зарядов практически одинаковы по абсолютному значению:

(1.1)

ρ₊ = | ρ_-| или ρ₊ +ρ_- = 0.

ρ₊= Nq =nq_{p или} ρ_-= Nq_{e =}nq_{e (1.2)}

V V

Здесь q_p = +1,6-10 ^-19 Кл — заряд протона, q_e = -1,6-10^-19 Кл — заряд электрона, N — число протонов (электронов) в объ­еме V, п — концентрация положительных (отрицательных) зарядов.

Плазма соответствует такому состоянию, когда число электронов и ионов настолько велико, что даже небольшое изменение электронной компоненты по сравнению с ионной оказывается невозможным из-за сильных электрических по­лей, возникающих при нарушении равенства между р₊ и р_.

Плазма — это наиболее распространенное состояние ве­щества в природе. Внешняя часть земной атмосферы покры­та плазменной оболочкой — ионосферой. За пределами ионосферы в околоземном пространстве находятся так назы­ваемые радиационные пояса, которые представляют собой своеобразные плазменные образования. Солнце и звезды можно рассматривать как гигант­ские сгустки горячей плазмы. Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разреженного газа. В земных условиях в лаборатории и в тех­нике с плазмой мы встречаемся при различных газовых раз­рядах, так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и др.) всегда связан с возникновением плазмы.

За последние годы применение плазмы существенно рас­ширилось. Сегодня плазма — это не только лампа-вспышка для накачки рубинового лазера, но и основное рабочее тело огромного семейства газовых лазеров. Химические реакции в плазме используются для получения химических соедине­ний, например, инертных газов, которые нельзя получить в других условиях.

В последнее тридцатилетие XX в. появилась новая нау­ка, исследующая такие реакции, — плазмохимия — область химии, в которой изучаются химические процессы в низко­температурной плазме, закономерности протекания реакций в ней и основы плазмохимической технологии. В промыш­ленности реализованы многие плазмохимические процессы: получение ацетилена и водорода из природного газа, получе­ние азотной кислоты, производство синтез-газа для получе­ния винилхлорида, получение двуокиси титана и других важнейших промышленных продуктов.

Плазму используют как резец при плазменной резке и как шлифовальный камень при плазменной шлифовке и травлении поверхностей. Ион­ные пучки, получаемые с помощью плазменных источни­ков, служат для введения малых добавок в полупроводники и конструирования интегральных схем, а плазменные струи — для нанесения защитных и упрочняющих покры­тий на поверхности деталей. Плазма используется в МГД-генераторах с целью преобразования энергии плазмы в энер­гию электрического тока и в плазменных двигателях для ориентации и разгона космических кораблей и спутников. Но, конечно, основное будущее плазмы связано с той ролью, какую она призвана сыграть в решении одной из важней­ших проблем нашего века — овладении энергией управляе­мого термоядерного синтеза.

При исследованиях по физике плазмы главными стиму­лами всегда были перспективы практических применений. Сначала плазма интересовала физиков как своеобразный проводник электрического тока, а также как источник све­та. В настоящее время мы должны рассматривать физиче­ские свойства плазмы под другим углом зрения — и тогда плазма предстанет перед нами в новом обличье.

Во-первых, плазма — это естественное состояние вещест­ва, нагретого до очень высокой температуры, и, во-вторых, это динамическая система — объект приложения электро­магнитных сил. Новые подходы к изучению поведения плаз­мы органически связаны со значительными техническими проблемами. Важнейшие из них — это управляемый термо­ядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразова­ние внутренней энергии в электрическую.

Степень ионизации плазмы

При сильном нагревании, как мы уже выяснили, любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на со­ставляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана столкновением атомов в достаточно сильно нагретом газе, столкновением заряженных частиц с нейтральными молеку­лами (рис.1.1) (например, при электрическом разряде в газе), электромагнитным излучением (фотоионизация).

Рис 1.11 Ударная ионизация заряженных частиц с нейтральными молекулами

Во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, т. е. в виде ионизованного газа, в котором атомы диссоциированы на положительные и отрицательные ионы, а также электроны. Эта оценка, возможно, и не вляется точной, но она вполне обосно­ванна, если учесть тот факт, что звезды и их атмосферы, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа пред­ставляют собой плазму. Что ка­сается непосредственного окру­жения нашей Земли, то за пре­делами земной атмосферы мы сталкиваемся с плазмой радиа­ционных поясов и солнечного ветра. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой весьма ограниченны: это вспышка молнии, мягкое свече­ние северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцен­тной трубки или неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов. По-видимому, мы живем в той части Вселенной, составляющей 1% ее, где плазма естест­венным путем не возникает.

Причину этого можно понять, рассчитав степень иониза­ции газа, находящегося в тепловом равновесии.

Степенью ионизации газа а называют отношение концентрации ионизованных атомов к общей их кон­центрации:

α=n_i/n_{n (1.3.)}

Степенью ионизации газа может быть рассчитана с помо­щью полуэмпирической формулы, в которую входят абсо­лютная температура газа Т и энергия ионизации газа U_i.

Для обычной воздушной среды при комнатной температуре можно принять, что n_n ≈3∙10²⁵ м^-3, Т ≈ 300 К и U_i = 14,5 эВ (для азота). Тогда степень ионизации получается равной α = 10^-122. Это ничтожно малое значение.

Если произвести соответствующие расчеты для молнии (Т = 10⁴ К, n_е = 10²⁴м^-3, U_i = 14,5 эВ), то α = 6∙10^-8. Такой результат позволяет сделать вывод о том, что молния явля­ется слабо ионизованной плазмой.

С ростом температуры степень ионизации α остается ма­лой до тех пор, пока средняя кинетическая энергия молекул газа kT не станет одного порядка с энергией ионизации U_i. После этого степень ионизации резко возрастает и газ пере­ходит в плазменное состояние. При дальнейшем возраста­нии температуры концентрация нейтральных частиц стано­вится меньше концентрации ионизованных атомов, и плаз­ма оказывается полностью ионизованной. Именно поэтому плазма существует в астрофизических телах с температурой в миллионы кельвин и практически отсутствует на Земле.

Когда средняя кинетическая энергия молекул газа пре­вышает энергию ионизации

(1.4)

Ē_к >U_i, где Ē_ĸ=3/2ĸT

то происходит ионизация газа. Это возможно лишь при очень высоких температурах Т > 2U_i/3ĸ

Вычисления показывают, что

T=2∙14.5∙1.6∙10^-19/3∙1.38∙10^-23=1.1∙10⁵k

Вряд ли можно представить себе спокойное сосуществова­ние при таких температурах биологической жизни и плазмы, по крайней мере той плазмы. Вот почему плазма, естественным образом существую­щая при высоких температурах, называется «четвертым со­стоянием» вещества.

В зависимости от степени ионизации плазма подразделя­ется на слабо ионизованную (α составляет доли процента),частично ионизованную (α порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (α близка к 100%). Слабо иони­зованной плазмой в природных условиях является ионосфе­ра Земли, а также тлеющий разряд. Во Вселенной слабо ионизованная плазма — это атмосферы холодных звезд, хо­лодные облака межзвездного газа. Горячие звезды,туманности, солнечная корона и некоторые межзвездные об­лака — это полностью ионизованная плазма, которая обра­зуется при высокой температуре

Квазинейтральность плазмы

Плазма — это материальная среда, образованная коллек­тивом частиц, которые взаимодействуют др

12345678910Следующая ⇒

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: