Convertizori termoionici - sudura cu plasma, plasmatronul

Convertizori termoionici

S-a dovedit ca prezenta plasmei in conditiile naturale ale Terrei este foarte limitata. Cu toate acestea, datorita eforturilor oamenilor de stiinta care au studiat aceasta stare speciala a materiei aproape ca nu exista astazi nici un sector de activitate industriala, stiintifica, culturala etc. in care, sub o forma sau alta sa nu fie folosita si plasma pentru a usura si infrumuseta viata omului, pentru a ajuta sa invinga natura si sa o transforme in folosul lui.

Principalele aplicatii ale plasmei sunt:

surse de lumina

aplicatii in electronica

detector de particule de radiatie

plasma undelor de soc

convertizori termoionici

generatori magnetohidrodinamici

sudura cu plasma, plasmatronul

plasma starii solide

Conversia energiei termice sau a energiei mecanice in energie electrica se face de obicei cu ajutorul unor instalatii ce contin parti mobile care pe langa uzajul in timp al materialelor de constructie determina si pierderi de energie prin frecare.

Plasma si-a gasit aplicabilitate in doua tipuri de instalatii in care conversia de energie termica se face fara sa existe parti mobile, si anume in convertizorii termoionici si in generatorii magnetohidrodinamici.

Ideea constructiei unui convertizor termoionic a aparut din urmaririea modului de functionare a unei diode termoelectrice. Caracteristicile volt-ampermetrice ale diodei si punctul lor de functionare determina puterea pe rezistenta de sarcina R (fig.1).

Fig.1 Caracteristica volt-ampermetrica de functionare a unei diode. Este evidenta cresterea puterii cand se trece de la diodele pe dreapta la diodele pe stanga.

Puterea pe rezistenta de sarcina P=RIČ=VI este proportionala cu aria dreptunghiului (hasurat) in figura 1 (curba 'a'), iar randamentul transformarii este dat de raportul dintre puterea pe rezistenta de sarcina (puterea utila = VI) si puterea consumata pentru incalzirea termocatodului. Urmarind figura 1 se poate observa ca puterea utila a unei diode termoelelctrice si randamentul sunt cu atat mai mari cu cat caracteristica volt-ampermetrica este deplasata mai spre stanga si are o panta cat mai mare. Se zice ca se trece de la diodele 'pe dreapta' la diodele 'pe stanga' (adica se trece de la diodele a caror caracteristica volt-ampermetrica este data in figura 1 de curba 'a' la diodele a caror caracteristica este data in figura 1 de curba 'c'), lucru posibil prin micsorarea lucrului de extractie al anodului, prin micsorarea distantei catod-anod si prin compresia partiala sau totala a sarcinii spatiale electronice din fata catodului.

Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice

Convertizorul termoionic este un 'motor termic' format dintr-o incinta vidata sau umpluta cu gaz sau plasma ce contine termocatod (emitatorul de electroni) si un anod (colectorul de electroni). Functionarea convertizorului se face pe seama energiei termice furnizate catodului. Aceasta energie termica ridica temperatura electronilor la catod , o parte de electroni avand, statistic, energie suficienta pentru a trece bariera de extrctie a catodului. Termoelectronii emisi au atat energie cinetica, pentru ca au parasit o suprafata calda, cat si energie potentiala relativa la electronii din catod, deoarece au fost 'ridicati' deasupra barierei potentialului de extractie al catodului.

Un electron care a parasit o suprafata incalzita (catodul) la temperatura de 1160 K pentru un material cu potentialul de 3V, are o energie cinetica medie de 0,1 eV si o energie potentiala de 3 eV. De remarcat este valoarea energiei potentiale este de 30 de ori mai mare decat valoarea energiei cinetice. Daca electronul intra intr-o alta suprafata metalica (anodul) el va pierde energie proportional cu potentialul de extractie al suprafetei metalice in care intra; este deci convenabil ca electronii sa fie colectati cu suprafete metalice cu potentiale de extractie cat mai mici posibile. Energia care i-a ramas electronului poate fi utilizata pentru efectuarea unui lucru mecanic in circuitul extern. Colectorul (anodul) de electroni trebuie sa aiba temperatura mica (sa fie rece) deoarece o suprafata metalica emite, la aceeasi temperatura , cu atat mai multi electroni cu cat potentialul de extractie este mai mic. Asadar, in convertizorul termoionic, termocatodul trebuie sa fie la o temperatura cat mai mare si sa fie construit dintr-un material cu potentialul de extractie cat mai mare iar anodul trebuie sa fie la o temperatura cat mai mica si sa fie construit dintr-un material cu potentialul de extractie cat mai mic. In acest fel energia ramasa electronului pentru a efectua lucrul mecanic in circuitul exterior va fi mai mare, deci implicit tensiunea pe rezistenta de sarcina va fi mai mare (vezi fig.2).

In realitate, deplasarea electronilor de la catod spre anod este 'obstructionata' de stratul de sarcina spatiala negativa din fata termocatodului astfel ca o parte din energia ramasa electronlui (in rationamentul fara considerarea sarcinii spatiale) trebuie folosita pentru invingerea barierei de potential creata de aceasta sarcina negativa (vezi fig.2). Este evident ca atentia trebuie indreptata in continuare catre reducere, cat mai mult posibila , a barierei sarcinii spatiale negative. Exista mai multe cai de a face acest lucru, si anume:

neutralizarea electronilor cu ioni;

apropierea electrozilor;

folosirea campurilor electrice si magnetice;

folosirea unei grile de accelerare;

Nottingham (1959) a aratat asemanarea care exista intre caracteristicile volt-ampermetrice ale convertizorilor termoionici cu plasma si cele obtinute teoretic pentru convertizori termoionici in vid sau sarcina spatiala in conditiile considerarii unor valori mai mici pentru distanta catod-anod.

Fig.2 Reprezentarea schematica a potentialelor si a pozitiilor in spatiul catod-anod: E_F^c,E_F^a - potentialul electrochimic al catodului, respactiv al anodului; V=1/e (E_F^c - E_F^a) diferenta de potential in ciruitul extern; eф_c ,eф_a - lucrul de extractie al catodului, respectiv al anodului; V_c, V_a - potentialul ;a suprafata catodului, la suprafata anodului; d - distanta dintre anod si catod; x_c, x_a - coordonata de pozitie a catodului, repsectiv anodului.

Intr-o prima proximitate, rolul plasmei se reduce la umplerea unei mari parti a spatiului catod-anod cu un mediu conductor in care, la trecerea curentului, are loc doar o cadere mica de tensiune. Marginile plasmei actioneaza c un anod efectiv, aflandu-se la distanta mica de termocatod. Aceasta distanta este de ordinul lungimii de ecranare Debye. Aceasta este cu atat mai mica cu cat concentratia purtatorilor de sarcina din plasma este mai mare, ceea ce permite trecerea, de la catod la anod, a unui curent electronic de saturatie mare.

Alta reprezentare a convertizorilor termoionici cu plasma este data in lucrarea lui Lewis si Reitz (1959). Autorii considera ca tensiunea electromotoare si voltajul sunt functie de proprietatile plasmei, la temperatura ~3000 K si concentratia ~10 m In apropierea catodului se formeaza un strat de sarcina spatiala negativa , iar in apropierea anodului se formeaza un strat de sarcina spatiala pozitiva in care exista un gradient de potential. Distanta catod-anod depaseste cu mult drumul mediu liber al componenentei electronice a plasmei iar viteza de drift a electronlior este mult mai mica decat medie termica ceea ce permite a considera plasma in echilibru termodinamic.

Unul din primele convertizoare termoionice cu plasma apartine lui Vener si Medicus (1951). Cercetand arcul de joasa tensiune in Xenon cu catod fierbinte, autorii au observat ca miscarea lucrului de extractie al anodului prin acoperirea acestuia cu atomi de bariu a dus la deplasarea caracteristicii descarcarii 'catre stanga' iar aparatul a devenit sursa de tensiune electromotoare. Pentru un curent de 0,5A s-a obinut o diferenta de potential de 0,8V si un randament de 0,3% (de retinut insa ca era vorba de anul 1951).

Ulterior, tehnicile experimentale si teoria convertizorilor termoionici cu plasma s-au dezvoltat foarte mult ajungandu-se la puteri si randamente superioare.

Convertizorii termoionici pot fi folositi ca dispozitive finale in reactorii de fisiune si fuziune nucleara. Daca 20% din energia de fiziune (fuziune) este convertita termoionic in energie electrica de 80% este preluata de agentul termic si convertita de turbine in generatoare cu randamentul de 30%, randamentul total este de 44%.

In combinatia cu sisteme optice de focalizare, convertizoarele termoionice sunt folosite pentru transformarea directa a energiei solare in energie electrica.

Deasemenea, convertizorii termoionici pot fi folositi pentru transformarea energiei calorice a unei flacari de mare temperatura in energie electrica.

Biliografie:

Ioan - Iovit Popescu, Iancu Iova, Emil Pavel - Fizica plasmei si aplicatii (Editura Stiintifica si Enciclopedia, Bucuresti 1981)

https://geocities.com/~rhythmofphysics/~docs/thermo/converters.htm