Как сделать коронный разряд

При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях потери энергии на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда — начальное напряжение, потери энергии, радиопомехи, шум — значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны.

Коронный разряд возникает при электрическом пробое газа; он может быть использован как химический катализатор. В таком разряде образуются свободные радикалы, способствующие химическим реакциям.

Газы в обычных условиях — хорошие электрические изолято­ры. Но в достаточно сильном электрическом поле происходит пробой; молекулы газа ионизуют­ся, и газ становится проводни­ком. Если между грозовы­ми облаками и землей ударяет молния или между двумя элек­тродами в лабораторной установ­ке вспыхивает искра, то такой внезапный пробой создает искро­вой канал. Когда же между элек­тродами помещен барьер в виде диэлектрика или изолятора, ка­нал не образуется: препятствие мешает развиться разряду. Вместо горячей локализованной дуги между электродами появляется более холодное расплывчатое свечение.

При атмосферном давлении слабый синеватый разряд сразу указывает на неполный пробой газа; он и называется коронным разрядом (или короной). В элек­тротехнике появление короны — сигнал бедствия. Если, например, высоковольтные линии начинают светиться в плохую погоду — это значит, что напрасно тратится электрическая энергия. Но корон­ный разряд может быть и полез­ным.

Мы проводим исследования по использованию короны в каче­стве катализатора с широким диа­пазоном действия.

Ионная и ковалентная связи

Любой электрический пробой в газах приводит к увеличению химической активности. Гроза вы­брасывает на землю тонны азот­ной кислоты — продукта реак­ции, в которой участвуют азот, кислород и водяной пар атмос­феры. Здесь электричество — молния — служит химическим катализатором. Это не должно нас удивлять: ведь все химические связи между атомами имеют элек­трическую природу.

В неорганических солях связь ионная. Одни атомы этих веществ имеют лишний электрон, а у дру­гих — его не хватает. Противопо­ложно заряженные атомы притя­гиваются друг к другу. Соли мож­но разложить с помощью элек­тролиза; ионы разных знаков при этом движутся к противополож­ным электродам.

В большинстве других молекул связь ковалентная. Притягиваю­щиеся атомы делят между собой два орбитальных электрона. Ну, как будто бы два ядра завернуты в одну упаковку, образованную двумя электронами.

История. Новые возможности

Идея использовать коронные разряды в качестве катализатора была высказана впервые еще 100 лет тому назад. Однако соз­дание коронных разрядов оказа­лось не простым делом. Взаимо­действие высоковольтного разря­да с веществом изолятора стави­ло, казалось, неразрешимые задачи: выход продукта сильно колебался, электрическое обору­дование было ненадежным…

Информация, полученная в ра­диационной химии, подходит для исследований короны, так как в обоих случаях мы имеем дело со свободными радикалами, образо­ванными электронным ударом. Радикал — часть молекулы, дей­ствующая как самостоятельная единица. Например, атом водоро­да — радикал; то же можно ска­зать о метильной группе (СН_Ч), аминной группе (NН₂) и ацетиль­ной группе (СН₃СО). Обычно ра­дикалы связываются с другими атомами ковалентной связью и та­ким образом образуют молекулу. Если же связь разрушена, ради­кал остается с одним или с боль­шим числом неспаренных элект­ронов. В этих условиях ради­кал охотно соединяется с другим атомом или группой атомов. Он чрезвычайно активен и существу­ет в свободном состоянии в луч­шем случае доли секунды. Задача радиационной химии и химии коронного разряда — создавать свободные радикалы в таком ок­ружении, которое позволяет с большой вероятностью образовы­вать желаемые молекулы.

Таким образом энергия коро­ны более дешева, чем какая-либо другая доступная в настоящее время энергия активации элект­ронами. Однако излучение высо­кой энергии обладает тем пре­имуществом, что оно проникает внутрь жидкостей и твердых тел. Коронный же разряд происходит лишь в газах и создает свободные радикалы только в газе или смеси газов. Однако свободные радикалы газовой фазы могут воздействовать и на молекулы жидкости или мелкоразмолотого твердого тела.

Как образуется коронный разряд. Как он действует

Инициаторы коронного раз­ряда — небольшое число случай­ных электронов, которые всегда присутствуют в газах благодаря действию космических лучей или фона радиоактивных элементов. Если на газ наложить высокое на­пряжение (примерно от 10 до 15 киловольт), то электроны будут разгоняться в сильном электриче­ском поле по направлению к ано­ду. На своем пути они соударя­ются с молекулами газа и оттал­киваются из-за большого разли­чия масс, подобно тому как мяч для пинг-понга отскакивает от шара для игры в кегли. Затем движение электронов снова уско­ряется (или умедляется). Иногда электрон имеет достаточно боль­шую длину свободного пути, тог­да он набирает большую энергию и при соударении с молекулой может преодолеть барьер оттал­кивания орбитальных электронов. При этом произойдет одно из двух явлений. В первом случае орби­тальный электрон будет выбит из молекулы, образуется поло­жительный ион и добавочный сво­бодный электрон, который в свою очередь может соударяться с дру­гой молекулой; однако чаще ор­битальный электрон остается в мо­лекуле, но переходит на неста­бильную орбиту с большей энер­гией, образуя возбужденную мо­лекулу. Вскоре в газе образуется много свободных электронов, по­ложительных ионов, возбужден­ных молекул, много тепла и све­та, короче — развивается корон­ный разряд. Возбужденные молекулы не стабильны: они спонтан­но распадаются на свободные радикалы. Весь процесс образо­вания короны занимает прибли­зительно сто наносекунд. Он по­вторяется каждый раз, когда электрическое поле изменяет свое направление.

Синтез озона из кислорода — это типичная трехступенчатая ре­акция в короне. Электро­ны при соударении создают по­ложительные ионы и возбужден­ные молекулы кислорода. Послед­ние диссоциируют на свободные радикалы (атомы кислорода). Та­кие атомы очень активны. Соединяясь с остальными молекулами кислорода, они образуют желае­мый продукт — озон. Можно сделать несколько общих выво­дов о процессах в короне на ос­нове изучения синтеза озона. Во-первых, озон на энергетической шкале стоит выше, чем кислород. Он активнее, сильнее окисляет, иногда даже взрывается. Следова­тельно, в отличие от обычного хо­да химической реакции в короне часто синтезируются продукты с большей энергией, менее стабиль­ные, чем исходные материалы. Во-вторых, эффективность синтеза озона уменьшается по мере накопления его в разряде, так как он чувствительнее к воздействию коронного разряда, чем кислород. То же самое наблюдается у мно­гих других продуктов, синтезиро­ванных в короне. Поэтому про­дукты реакции должны быстро удаляться из активной зоны.

Наконец, кислород, введенный в озонатор, должен быть сухим. В присутствии водяного пара электроны и радикалы более ак­тивно взаимодействуют с молеку­лами воды, чем с молекулами кислорода. Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что исход­ные материалы в короне должны быть химически чистыми. В про­тивном случае коронный разряд будет воздействовать на наиболее уязвимые молекулы и энергия растратится на побочные реак­ции.

Немного о конструкции реактора

После того, как мы описали коронный разряд и то, что он дает для химии, можно перейти к практическому применению ко­роны в реальных химических про­цессах. Одна из важнейших задач технического применения коро­ны — создание коронной разряд­ной камеры, или реактора.

Наиболее просто решать зада­чу, когда и исходный материал, и получаемые продукты — газы.

В этом случае реактор может со­стоять из большего числа близко расположенных плоских или ци­линдрических электродов, окру­женных изоляторами соответству­ющей формы. Между электрода­ми возбуждается коронный раз­ряд и проходят газы. Синтезируе­мые молекулы непрерывно уда­ляются из смеси газов, выходя­щих из реактора, а газ направ­ляется вновь в реактор, где про­исходит дальнейшая переработка исходного материала.

Если один из материалов — жидкость, необходимо обеспечить длительное существование двух­фазной системы, чтобы свобод­ные радикалы, возникающие в газе, могли встречаться с моле­кулами жидкости. В одной кон­струкции, удобной для исследова­ния (но, по-видимому, не эффек­тивной для промышленности), ко­ронный разряд возбуждается не­посредственно над поверхностью жидкости, в которую диффунди­руют радикалы; для повышения эффективности разряда лучше все содержимое немного перемеши­вать.

В нашей лаборатории были разработаны системы для газов, для газа и жидкости, а также для порошков и газа. Обычно мы ра­ботали с напряжением от 10 до 15 киловольт и плотностью тока от 50 до 100 микроампер на 1 см 2 . Эти значения использовались при частоте переменного напряжения 10 килогерц, при других частотах они были пропорционально выше или ниже.

Но возможно, конечно, что ошибаемся мы — опасно быть догматиком в развивающейся об­ласти техники.

Примеры синтеза в коронном разряде

Корона эффективна для широ­кого класса химических реакций. Исходя из старого примера син­теза озона, можно назвать боль­шое число аналогичных реакций, в которых простые молекулы пе­реходят в более сложные, с боль­шей энергией.

Перекись водорода, которая обычно создается при низковольтном электролизе,— подходя­щий кандидат для синтеза в короне. Немецкие химики еще пе­ред второй мировой войной поч­ти закончили разработку эконо­мически выгодной технологии. Реакция идет прямым путем. Молекула воды в короне разлагает­ся на свободный радикал гидро­ксила (ОН) и атом водорода. Два гидроксила соединяются в пере­кись водорода (Н₂О₂).

Другим подходящим продук­том является гидразин — азотный аналог перекиси водорода. Он используется в качестве топлива для ракет и мог бы иметь дру­гие применения, если бы его уда­лось изготовлять недорогим спо­собом.

В нашей лаборатории мы воз­буждали коронный разряд в ам­миаке. Возбужденная молекула аммиака (NH₃) диссоциирует на аминный радикал и радикал во­дорода, который создает еще один радикал аминной группы, отнимая водород от аммиака. Два аминных радикала соединя­ются в молекулу гидразина (Н₂Н₄). Можно в короне имитировать синтез азотной кислоты молнией.

Коронный разряд особенно удобен для синтеза наиболее ак­тивных веществ. Например, суще­ствует несколько нестойких окис­лов фтора, разрушающихся при температуре их синтеза обычны­ми методами. Исследовательская группа университетских ученых синтезировала их в короне при низкой температуре.

Низкая температура не пре­пятствует возбуждению коронно­го разряда и образованию сво­бодных радикалов; но она сохра­няет продукты реакции, когда ра­дикалы объединяются. Группа со­трудников университета завершила синтез в короне еще более не­обыкновенных веществ — к бла­городным газам ксенону и криптону были присоединены фтор и окись фтора .

Можно с уверенностью утверж­дать, что благодаря малому расходу энергии в короне, она найдет широкое применение в создании большого числа мате­риалов. Мы исследовали много таких возможных применений. В их числе — полимеризация, кре­кинг нефти, очистка воды.

Коронный разряд очищает воду

Коронный разряд уже в тече­ние ряда лет играет некоторую роль в очистке воды, правда, не непосредственную.

Синтезированный в короне озон используют для очистки пи­тьевой воды. Его эффективность объясняется тем, что озон — силь­ный окислитель. Непосредствен­ное химическое и бактериологи­ческое действие коронного раз­ряда на воду, очевидно, анало­гично действию озона, только более эффективно. Корона образует на поверхности воды гидроксиль­ный и гидроперекисный (НОО) радикалы. Они диффундируют в воду, где убивают бактерии, на­рушая в них процесс обмена ве­ществ. Радикалы взаимодействуют также с любыми органически­ми примесями, начиная процесс окисления, который продолжается до тех пор, пока органические вещества, включая мертвые бак­терии и стойкие дезинфицирую­щие средств полностью не превратятся в безвредные мо­лекулы.

Есть надежда, что коронный разряд может произвести полную очистку сбрасываемых вод. Это поможет использовать их для во­доснабжения городов. По нашему мнению, для обработки воды можно использовать несколько разных по конструкции коронных реакторов, в том числе модель с вращающимся диском, трубча­тый реактор, в котором вода и воздух — или кислород — закру­чиваются между концентрически­ми электродами; но необходимо продолжать разработку конструк­ции реактора, более эффективно доставляющего радикалы в воду. Тем не менее очевидно, что очистка воды — это одна из наи­более обещающих областей ис­пользования техники коронного разряда.

Коронный реактор хорош не только для очистки городской воды, но и для совсем других це­пей. Например, он может заме­нить пастеризацию при изготов­лении бутылочного пива.

Полимеризация в коронном разряде

Первые исследователи коронного разряда были обеспокоены неожиданными отложениями, ко­торые покрывали их оборудова­ние. До века господства пласт­масс цель органической химии со­стояла в получении чистых, легко описываемых соединений, и поэ­тому образование таких остатков представлялось в то время неже­лательным явлением. Теперь уче­ным ясно, что эти смолистые от­ложения были полимерами — длинные цепочки молекул обра­зовывались из последовательно соединившихся свободных ради­калов, возникших в коронном разряде.

Полимеризация — одно из ос­новных направлений химической индустрии; кажется вероятным, что полимеризация будет одной из наиболее успешных областей применения коронного разряда. Наиболее привлекательно исполь­зовать его для нанесения тонких пленок полимеров на листы ме­талла, пластмассы или ткань.

Материал, предназначенный для покрытия, мы вводили в корон­ный реактор вместе с подходя­щим мономером в виде газа или пара. Радикалы и ионы, образо­ванные в короне, полимеризовались и конденсировались на ма­териале, продолжая полимеризоваться и там под влиянием как собственных радикалов, так и бомбардировки электронами ко­роны. Возникающее покрытие хо­рошо держится, имеет всюду одинаковую толщину. Его свой­ства можно контролировать, так как они зависят от выбранных мо­номеров, скорости потока газа, мощности коронного разряда, температуры и других парамет­ров. Покрытие может быть либо клейким, либо, если молекулы сцеплены бесчисленными связя­ми во многих направлениях, твер­дым, нерастворимым и непрони­цаемым.

Большим преимуществом по­лимеризации в короне является возможность сразу, в один цикл получить окончательное покрытие из недорогого мономера.

Коронный разряд в крекинге

Одной из основных операций переработки нефти и угля яв­ляется крекинг-процесс, в кото­ром большие молекулы нефти или угля разбиваются на мень­шие, летучие молекулы. Крекинг основывается на химии свободных радикалов и, по-видимому, может быть проведен в коронном разря­де. Однако обычный бензин до­статочно дешев, и поэтому при­менение коронного разряда пока не стало экономически выгодным.

Ситуация может стать совсем другой для некоторых специфи­чески нефтехимических процес­сов, чувствительных к коронному разряду. Мы пытались очистить в короне тяжелую нефть от серы. Сера в нефти, используемой как горючее, — серьезный источник загрязнения воздуха. В ходе предварительных исследований в корону помещался уголь. Мы об­наружили, что сернистый водород был всегда одним из первых продуктов взаимодействия коронного разряда с углем. В угле (и, как мы надеемся, в нефти) коронный раз­ряд, по-видимому, наиболее лег­ко разрывает химические связи серы.

Первоначальная цепь работы с углем состояла в том, чтобы превратить значительную часть угля в жидкое и газообразное топливо. Остающаяся часть угля могла быть использована как источник энергии коронного раз­ряда. Во время обеих мировых войн немецким химикам удава­лось создавать бензин и нефть из угля методом гидрирования. Но в мирное время этот про­цесс не экономичен.

Мы намеревались уменьшить стоимость и увеличить выход вы­сокооктанового бензина, исполь­зуя коронный разряд при атмо­сферном давлении; брали для этого реактор с вращающимся ди­ском, а также и некоторые дру­гие.

Диск доставлял в зону короны уголь в виде пленки пыли или ка­менноугольного дегтя. Там он расщеплялся под действием элек­тронов и свободных радикалов в потоке водорода или метана.

Полученные продукты содер­жали множество летучих уг­леводородов, включая алифати­ческие и ароматические молеку­лы — бензол, ксилол и толуол. Однако процесс оказался недо­статочно эффективным.

Циклические молекулы, вхо­дящие в состав угля, поглощают много электрической энергии. Мо­лекулы не расщепляются, а отда­ют энергию в виде тепла.

В некоторых атомных реакто­рах нефть используют как регу­лятор процесса, так как она, имея аналогичное молекулярное строе­ние, эффективно поглощает энер­гию.

Итак, коронный разряд при­годен для получения полупро­дуктов из угля, но в настоящее время отсутствует экономически выгодный метод для превраще­ния угля в жидкое топливо.

Однако, возможно, дальней­шие исследования изменят это утверждение. На данной стадии исследований химии коронного разряда не существует такого суждения, которое можно было бы рассматривать как оконча­тельное.

Методы уменьшения потерь на корону Одним из основных условий при проектировании и сооружении ЛЭП является выбор конструктивных параметров линии, при которых потери на корону, по крайней мере в хорошую погоду (m2 1), были близки к нулю. Из вышеизложенного материала следует, что одним из средств борьбы с короной является увеличение диаметра провода.

Для линий напряжением 110, 220 и 400 кВ минимальные допустимые диаметры соответственно равны 1,25; 2,5 и 4,6 см, что соответствует действительно применяемым величинам.

Путь борьбы с короной заключится в уменьшении напряженности поля на поверхности провода и увеличении напряжения начала короны. Простое увеличение диаметра провода позволяет относительно легко решить поставленную задачу, но при этом снижается экономическая эффективность передачи электроэнергии, т.к. снижается экономическая плотность тока и, следовательно, уменьшается удельная передаваемая мощность. Таким образом, принцип минимальных затрат, на основе которого выбирается минимальный диаметр провода с учетом экономической плотности тока, при таком подходе не реализуется, и стоимость передачи электроэнергии возрастает. Для сохранения удельных параметров передаваемой мощности необходимо повысить передаваемую плотность тока, а также рабочее напряжение линии. Но при этом, естественно, возникает снова проблема борьбы с короной. Возникает замкнутый круг.

Применение полых проводов является практически идеальным решением. Но изготовление таких проводов из отдельных специальных проволок сложного профиля представляет из себя достаточно трудоёмкий процесс. Альтернативным вариантом применения полых проводов является использование сталеалюминиевых проводов. Они являются основными типами проводов в современной энергетике. Такой провод состоит из центрального стального сердечника, который свивается из отдельных стальных проволок и воспринимает основную механическую нагрузку при эксплуатации. Поверх сердечника накладывается один или несколько повивов из алюминиевых проводов, по которым передается электрическая нагрузка. Технология изготовления таких проводов проще, а в отношении потерь на корону они аналогичны полым проводам.

При сооружении ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения широкое распространение получили расщепленные провода, в которых каждая фаза вместо одного провода большого сечения, обычно специальной и иногда сложной конструкции, заменяется несколькими более тонкими стандартными проводами, расположенными на некотором удалении друг от друга, но с суммарным сечением, равным или несколько превышающим сечение одинарного провода. Применение расщепленных проводов позволяет также существенно снизить уровень радиопомех. Расщепление проводов позволяет отказаться от применения более дорогих специальных проводов, но монтаж расщепленных проводов более сложнее и требует специальных устройств для подвески проводов расщепленной фазы и поддержания между ними с помощью специальных распорок необходимого шага расщепления (а=40-50 см). Применение расщепленных проводов приводит к уменьшению индуктивности линии. При этом уменьшается волновое сопротивление линии, что способствует повышению пропускной способности передачи. Это особенно важно для линий сверхвысоких напряжений, предназначенных для передачи очень больших мощностей.

Одним из путей дальнейшего повышения рабочего напряжения ЛЭП и снижения потерь на корону является использование расширенных проводов с электроизоляционным сердечником.

Важным средством борьбы с короной является использование экранов. Экран представляет собой кожух или короб, изготовленный из тонколистовой стали, который как бы охватывает собой все коронирующие детали (болты, гайки, острые выступающие детали и т.п.) и соединенный электрически коронирующими деталями, т.е. имеющий тот же потенциал, что и коронирующие части установки. Применение экранов позволяет улучшить эстетический вид установки.

Читайте также:

  
• Как сделать снежок в мультиварке
  
• Как сделать из нефти спирт
  
• Как сделать портфолио для строительной компании
  
• Как сделать термическую обработку
  
• Как сделать себе плохо