УЛЬТРАЗВУК И СИНЕРГЕТИКА - 3 (Комплексно-сопряжённые волны и поля).

Ультразвук и синергетика - 2

Принципы синергизма в технике

Плазма над и под водой

…Будет полностью осознана случайно открытая и экспериментально подтвержденная великая истина о том, что для электрического тока наша планета во всей своей потрясающей громадности - не больше маленького металлического шарика.

Никола Тесла

1 Самоорганизация – что это такое?

Самоорганизация системы в самом упрощенном виде – это упорядоченные колебания при определенных условиях. Во-первых, система должна быть нелинейной – ее отклик на воздействие не пропорционален воздействию. Второе обязательное условие – диссипация.

Ярким примером самоорганизации в технике являются автоколебательные процессы в генераторах электромагнитных колебаний. В контурах, состоящих из источника питания, емкости, индуктивности и активной нагрузки, которая служит диссипативным элементом, при определенной настройке устанавливается стабильный режим стационарных гармонических колебаний. Без этого невозможны ни передача, ни прием радиосигналов.

Классическое устройство для создания колебаний разной формы – генератор Ван-дер-Поля, который давно уже служит «идеальной» моделью автоколебательных систем. Нелинейность работы этого генератора определяется не только диссипацией энергии на резисторе, но и обратной связью через сетку триода. Генератор Ван-дер-Поля – простейшая модель автоколебательных систем, обладающая всего лишь одной степенью свободы. В нем настройка на автоколебания, на самоорганизацию, производится изменением одного-единственного параметра: напряжения на электродах триода.

Но поскольку мы ищем технические аналоги самоорганизующейся живой природы, нас интересуют более сложные системы, чем электромагнитный генератор, с гораздо большим числом степеней свободы.

2 Звук + Электричество + Магнетизм = Комплексно-сопряженная волна

Звук, электричество, магнетизм – можно ли эти три явления связать между собой? Конечно, скажет мне любой школьник, ведь мы же слышим звук из радиоприемника от радиопередатчика, и все мы знаем, что звуком модулируется несущая электромагнитная волна радиопередатчика и это – истина. Значит вопрос нужно уточнить – возможно ли каким-либо другим способом соединить вместе эти три волны (поля)? Скажем, таким же образом, как эти три явления природы объединены в молнии во время грозы. Ведь в природе эти явления никто и ничто не модулирует и взаимодействия там очевидно не такие, как в радиопередатчике.

Вероятно для того, чтобы завязать эти три волны (поля) в один «узелок», необходимо определить, что же у них общего, то есть, с помощью чего можно это сделать. Зная, что звук, электричество и магнетизм – это колебания, а любые колебания характеризуются частотой колебаний, поэтому мы и попробуем объединить эти три явления природы с помощью частоты колебаний.

И в данном примере рассмотрим ситуацию, в которой одному периоду звуковых колебаний соответствует один полупериод электромагнитных колебаний.

В качестве наглядного примера, приведем классический опыт великого немецкого физика, профессора Генриха Герца. В 1845 году в Лондоне Майкл Фарадей описал свою теорию взаимодействия между светом и электромагнитными силовыми линиями, а в 1862 году Джеймс Максвелл опубликовал анализ работы Фарадея, где математически обосновал теорию о том, что световые волны имеют электромагнитную природу и что такие волны могут быть как короче, так и длиннее известных волн видимого света. Ученым того времени был брошен вызов доказать существование подобных волн.

В немецком городе Бонне профессор Генрих Герц в 1887 году подверг теорию Максвелла экспериментальной проверке в диапазоне волн длинной в несколько метров. Такие волны он создавал с помощью искрового разряда индукционной катушки, а также собирал эти волны из пространства и преобразовывал их в небольшой разряд на некотором расстоянии от катушки.

Работа Герца подтвердила теорию Н.Тесла о том, что почти каждая нота всего диапазона вибраций между уже известными вибрациями электрического тока и вибрациями света таит в себе интересное открытие. Тесла был уверен, что если он сможет постоянно повышать частоту электрических вибраций, пока она не сравняется с частотой света, то получит высокоэффективный процесс непосредственной выработки света вместо крайне неэкономичного процесса, использовавшегося в лампах Эдисона, в которых полезные световые волны являлись лишь малой частью тех волн, что терялись при выработке бесполезного тепла, оставляя потребителю в виде излучаемого света только пять процентов потребляемой электрической энергии.

Тесла в духе истинного ученого не поленился точно повторить опыты Герца и опубликовал полученные результаты, подчеркнув ряд важных особенностей его экспериментальных методов и указав на их недостатки. Именно Тесла обратил особое внимание на среду, в которой происходит разряд, и на то, что любые разряды сопровождаются звуком. Тесла от природы был очень одаренным человеком, и мог на слух воспринимать крайние границы диапазона слышимости человека, как в нижнем, так и в ультразвуковом диапазоне.

Вибратор Герца представляет собой металлический стержень с двумя одинаковыми шарами на концах и небольшим искровым промежутком по середине стержня. Электроемкость вибратора определяется емкостями шаров, а индуктивность – индуктивностью обеих половин стержня. Источником возбуждения электромагнитных колебаний в вибраторе служит индукционная катушка, провода от вторичной обмотки которой подключаются к искровому промежутку.

Проведем этот же эксперимент, но между шарами, в искровом промежутке, возбудим стоячую ультразвуковую волну. В воздухе длина звуковой волны при частоте 20 кГц будет составлять около 16 мм. Со школьной скамьи нам известно, что распространение звука создает в среде распространения зоны сжатия и зоны разрежения, и там же нам рассказывали о том, что газ или воздух в разреженном состоянии становится отличным проводником электричества, что, кстати, создавало значительные проблемы в авиастроении при переходе самолетов на большие высоты в разреженную атмосферу. Далее в этом же искровом промежутке пропустим электромагнитные колебания с частотой 10 кГц, так чтобы одному полному периоду колебаний звука соответствовал полупериод электромагнитных колебаний. Рассмотрим на рис. 1, что же у нас получается.

Является вполне очевидным, что в точках В и D, в зонах разрежения, резко снижается сопротивление среды, а в точках А, С, Е, в зонах сжатия, сопротивление возрастает. Рассмотрим более подробно рис. 1, а. Сопротивление среды на участке I резко снижается до минимума в точке В с переходом на участок II и ток возрастает, а затем сопротивление возрастает до максимума в точке С перехода II – III, а ток в этот момент достигает максимума и начинает снижаться, далее сопротивление среды снижается до минимума в точке D перехода из зоны III в зону IV, а ток снова увеличивается, потом сопротивление среды вновь возрастает до максимума в зоне сжатия в точке Е, а ток снижается и становится равным нулю. Наложение волн также можно выполнить согласно рис. 1, б, но при этом, естественно, результирующая волна будет совершенно другой.

Результирующую волну Н.Тесла назвал комплексно-сопряженной волной (КСВ).

Учитывая огромный диапазон частот звуковых и электромагнитных колебаний, а также возможность варьировать напряжением и силой тока в широком диапазоне, открываются огромные перспективы практического применения КСВ в науке, технике и технологиях.

Законы природы действуют, не зависимо от нашего знания и в нашем опыте, в промежутке между шарами, возникает устойчивая неравновесная плазма.

Рис. 1 – Наложение электромагнитных и звуковых колебаний в вибраторе Герца

3 Что умеет молния?

Изучение плазмы старо, как сама наука. Более двух столетий назад Кавендиш и Пристли, пропуская через воздух электрические разряды, получили оксиды азота, а Ван Моруш – озон. Почтенный возраст изучения плазмы вовсе не означает, что проблема решена, скорее – что она сложна. Ток в плазме сопровождается процессами, имеющими мало общего с классической электродинамикой и электрохимией. За ничтожные доли секунды твердое вещество способно превратиться в жидкость или в пар. Визуально, струя плазмы похожа на сияющий карандаш. Пруток тугоплавкого металла, равной ей толщины, она перерубает как хворостинку…

Возбудить плазму не так уж трудно, проблемы начинаются, когда после этого газ надо быстро охладить. Такая нужда возникает почти во всех случаях; равновесия реакций при понижении температуры часто сдвигаются в нежелательную сторону. Но одновременно снижается и скорость реакции, так что если продукты превращения охладить очень быстро («закалить»), то необходимое состояние вещества можно как бы заморозить.

Вторая проблема, связанная с практическим применением плазмы в технологических процессах, – неравновесность плазмы. Молния, пробой, плазма – явления нестационарные, и технологические процессы не могут базироваться на такой капризной основе. Тем не менее, плазмохимия не обязана быть только равновесной. Неравновесная плазма, в которой энергия носителей заряда в несколько раз превышает собственную энергию молекул, во многих случаях оказывается куда более эффективной. Еще в 1987 году в своей статье «Молния в диэлектрике» («Химия и жизнь», № 10, 1987 г.) Л.А.Ашкинази указывал на необходимость применения неравновесной плазмы в технологических процессах. Если разложение углекислоты на СО и кислород делается в условиях равновесной плазмы, максимально достижимый энергетический КПД равен 15 %. В неравновесных же условиях удается достигнуть 80 % и более. А эта реакция представляет интерес для металлургии, химической промышленности; а совместно с термокаталитической реакцией между водой и СО (образуются водород и углекислота) – для водородной энергетики.

Неравновесная плазма позволяет получать водород и прямым разложением паров воды (достигнутый в классической неравновесной плазме КПД – 40 %); сжигают воздух с КПД 30 % против 5 % в равновесных условиях (35 % – теоретический предел). Хорошо получаются в ней: металлы из галогенидов, сера из сероводорода (а заодно с ней водород!); превосходно идет синтез гидразина, формальдегида, метилового спирта, гидридов, карбонилов, удается получать полимерные пленки, модифицировать поверхность полимеров и т.д. и т.п.

Комплексно-сопряженные волны позволяют не только создать неравновесную плазму, но и в определенных пределах регулировать процессы, протекающие в реакторе, создавая «самоорганизующийся» технологический процесс. Реакторы для плазмохимического синтеза выглядят впечатляюще, хотя, в принципе, любой из них – это просто сосуд, в котором есть реагенты и плазменная струя. Газ, проходящий через область горения дугового или какого-то иного разряда, нагревается до нескольких тысяч градусов, частично диссоциирует и ионизируется – превращается в плазму. Нередко плазма используется лишь как инструмент для сильного и быстрого нагрева реагентов. Если инертный плазмообразующий газ смешивать с реагентами (а они могут быть не только газообразными, но и жидкими и даже твердыми), то причиной реакции станет лишь нагрев. Таким путем можно получить в аргоновой плазме окись азота из воздуха, озон из кислорода, в водородной плазме – ацетилен из метана. Водород, впрочем, нельзя считать совсем уж инертным теплоносителем, он участвует в равновесии реакции. Плазмообразующий газ может вступать в реакции и с веществами, не соприкасающимися с дугой. Таким путем получают трихлорсилан из четыреххлористого кремния, формальдегид из метана, подвергают пиролизу мелкораздробленный бурый уголь. Если порошок металла ввести в кислородную плазму – получим оксид, а если в азотную – нитрид; при наличии в ней кремния или его оксида – осуществим синтез силицидов, при контакте с углеводородами – карбидов. Возможен синтез нитридов фосфора, превращение одних солей в другие: оксидов – в карбиды, хлоридов – в оксиды или нитриды.

На рисунках 2–4 изображены типовые схемы плазменных реакторов («Плазменные смесители» д.т.н. А.Л.Моссе) на основе многоструйной камеры смешения и схемы камер смешения различной геометрии.

Рис. 2 – Типовые схемы плазменных реакторов. Варианты камеры смешения:

а – прямоточная; б – противоточная; в – прямоточная двухступенчатая; г – противоточная двухступенчатая: 1 – плазмотрон; 2 – камеры смешения; 3 – реактор; 4 – подача исходных реагентов

Перспективным направлением повышения эффективности работы плазменных реакторов является также введение ультразвукового поля в рабочую зону камеры смешения.

Рис. 3 – Схемы камер смешения различной геометрии:

а, б, в – конические с радиальным вводом плазменных струй (углы ввода β=60, 45 и 30˚ соответственно);

г, д – цилиндрические с радиальным и тангенциальным вводом струй соответственно:

1 – плазмотрон; 2 – камера; 3 – патрубок ввода сырья; 4 – ось сопла плазмотрона;

5 – граница плазменной струи

Рис. 4 – Температурные профили, характерные для камер смешения с разной геометрией:

а, б – соответственно цилиндрическая и коническая с радиальным вводом струй;

в – цилиндрическая с тангенциальным вводом струй

Для этого достаточно температуры в 2000_°С. Уже при таких «умеренных» условиях начинает окисляться азот. Продувая же обрабатываемую смесь продуктов реакции через сильное кавитационное поле в воде, можно резко их охладить – «заморозить» некоторую концентрацию оксидов азота. Для увеличения выхода продукции свыше 40 % ее необходимо охлаждать со скоростью миллионов, а лучше даже сотен миллионов градусов в секунду; в существующих сегодня технологиях скорость охлаждения быстрее нескольких десятков тысяч градусов в секунду не получается. Использование плазмы на базе КСВ и кавитационного поля в зоне охлаждения позволит создать значительный нагрев и резкое охлаждение продукта. Сам собой напрашивается вариант с прямой продувкой воздуха через электрическую дугу. Тут уж не проблема повысить температуру на тысячи градусов, а концентрацию NO – на порядок.

Так и делали еще в начале прошлого века, когда в некоторых странах действовали заводы «сжигания воздуха».

Проблемы быстрого охлаждения тогда были еще острее, чем теперь, да и расход электроэнергии был настолько велик, что метод утратил значение, его вытеснил аммиачный. Совершенствование метода продолжалось и в восьмидесятые годы прошлого века, уже тогда получали смеси, содержащие 6 % NO против 2 % в начале века, энергозатраты на тонну продукта снизились с 70 до 20 МВт*ч. Сегодня эти показатели могут быть значительно улучшены. Хотя вряд ли можно рассчитывать на то, что аммиачная технология будет быстро вытеснена возрожденной дуговой. Для этого мало преодолеть технологические трудности, нужно преодолеть инерцию инженерного мышления, и, что более сложно, инерцию налаженного крупномасштабного производства, в которое вложены огромные средства.