Инструменты и их рукоятки. Кокошник, коруна, кичка... ("Сделай сам" №2∙2007)

Плазменная горелка

Вопрос:

Ответ:

Е.В. Кубасов, г. Набережные Челны

Плазма — ионизированный газ с равной концентрацией положительных и отрицательных зарядов.

Этой темы я уже касался в статье «О безопасности водородно-кислородной горелки», опубликованной в № 3 за 1999 год, то есть еще в прошлом веке прошлого тысячелетия! Напечатал это и самому как-то удивительно. Вдуматься только: прошлое тысячелетие!!!

Не у всех найдется этот номер журнала более чем семилетней давности. Поэтому, чтобы не заставлять разыскивать его, я повторю, по мере изложения материала, все необходимое содержание той прошлой статьи. Без этого повторения изложение затронутой темы будет неполным.

Работа предлагаемого прибора основана на горении смеси водорода и кислорода, получаемых при электролизе воды. Эта смесь имеет всегда оптимальный строго постоянный состав, обусловленный тем, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Никаких регулировок состава горючей смеси не требуется.

Перед написанием этой статьи я полазил в Интернете, поизучал доступные материалы по физике плазмы, ее природе, свойствах и т. п.

Я не физик-ядерщик, так вот сразу вдруг всей глубины изучаемого явления не постигнешь. Изучением видов и свойств плазмы занимаются очень солидные НИИ во многих странах мира. Так вот после некоторого изучения затронутой темы у меня появилось сомнение в правомерности названия прибора, вынесенного в заголовок данной статьи. С одной стороны еще из школьного курса химии мы знаем, что при электролизе воды постоянным током атомы кислорода притягиваются к отрицательному электроду, а атомы водорода — к положительному. Значит, они имеют соответствующие заряды. При этом количество отрицательных и положительных зарядов равно между собой. А по основному определению, плазма — это смесь газов с равной концентрацией положительных и отрицательных зарядов. Всё вроде бы соответствует.

С другой стороны — не все так однозначно. Определение плазмы, вынесенное в эпиграф статьи, взято из «Толкового словаря русского языка» Ожегова С.И и Шведовой Н.Ю. Отношусь с глубоким уважением к авторам этого капитального труда, но они тоже не физики-ядерщики. Не стану вдаваться в дебри физики плазмы (я ее и не знаю), тема статьи другая Но наука определяет плазму не просто как смесь газов, а еще как «особое состояние вещества». Возможно, что когда мы поджигаем смесь водорода и кислорода с равным количеством и концентрацией положительных и отрицательных зарядов, мы и получаем то «особое состояние» вещества, из которого состоит высокотемпературный факел пламени горелки нашего прибора. Всё же я бы предпочел, дабы не быть уличенным в некомпетентности (со стороны некоторых ученых мужей), называть прибор «Водородно-кислородная горелка». Тем более что это название совершенно не противоречит физико-химическим процессам, происходящим в приборе.

Как бы мы ни назвали прибор, он полностью соответствует своему предназначению.

Исходным веществом, из которого получается горючая газовая смесь, служит вода, в которую добавляется щелочь или кислота для повышения электропроводимости. Вода с такими добавками называется электролитом. В некоторых источниках говорится о необходимости применения дистиллированной воды. В процессе работы я убедился, что абсолютной необходимости в этом нет. Вся установка прекрасно работает на обыкновенной воде из водопроводного крана. Образуются, конечно, осадки внутри электролизера из-за присутствия в воде растворенных минеральных солей, но на образование газовой смеси это не влияет. Когда мы воду в чайнике кипятим, известкового наслоения на стенках тоже предостаточно.

Водородная горелка в домашней мастерской позволяет снять многие проблемы, связанные с применением тонкого высокотемпературного факела. Особенно хороша она для ювелирных работ, связанных с пайкой твердыми припоями, температура плавления которых 600–900 °C. Применяя офлюсованную проволоку из того же металла (наподобие сварочных электродов), что и соединяемые детали, можно сваривать эти детали. Горелка позволяет выполнять местную термообработку инструмента, резать листовой металл, прожигать отверстия, обрабатывать химическое, в том числе и кварцевое, стекло (трубки, например, гнуть). Одним словом, изобретательный мастер найдет применение этому прибору.

К несомненным достоинствам можно отнести постоянную готовность к работе, простоту регулировки пламени, отсутствие какого-либо дефицитного горючего (газа, например), оптимальный постоянный состав горючей смеси, абсолютное отсутствие какого-либо запаха и копоти (продукт сгорания смеси — вода). Последнее обстоятельство немаловажно для мастера, оборудовавшего себе мастерскую в домашних условиях.

Только не надо думать, что, изготовив аппарат, вы будете сваривать водопроводные трубы. Мощности предлагаемого к изготовлению прибора не хватит для таких работ. Это прибор для деликатных, тонких, ювелирных работ. В принципе можно изготовить более мощный аппарат, которому будет доступна сварка даже трамвайных рельсов, но я это категорически не рекомендую. Ниже будет сказано, по каким соображениям. Для грубых работ лучше применять электросварочные аппараты и ацетиленовые горелки.

Конструируя и изготовляя свой вариант устройства, я руководствовался материалами, опубликованными в журнале «Моделист конструктор» № 7, 1980 г., автор С. Серов, и «МК» № 10, 1985 г., автор Ю. Орлов. При этом я изменил и переработал все узлы конструкции применительно к своим небогатым возможностям изготовления в домашних условиях. Провел некоторые исследовательские эксперименты для выявления возможностей прибора и вариантов эксплуатации.

Блок-схема приведена на рис. 1, где: 1 — блок питания; 2 — электролизер; 3 — осушитель; 4 — водяной затвор; 5 — горелка.

Рис. 1

Общий вид моего варианта конструкции на фото 1 — вид спереди, фото 2 — вид с задней стороны. Трансформатора и ЛАТРа на этих фотографиях нет, особого интереса они не представляют.

Фото 1

Фото 2

Чертеж электролизера в сборе на рис. 2.

Рис. 2

_{На чертеже: 1) шпилька М6х160 4 шт. 2) гайка М6 8 шт. 3) шайба 8 шт. 4) рамка корпусная 2 шт. 5) щека 3 шт. 6) трубка изоляционная 4 шт. 7) кольцо резиновое 22 шт.8) пластина-электрод 10 шт. 9) штуцер 2 шт. 10) гайка М6х0,75 2 шт.11) шайба уплотнительная 2 шт. 12) лепесток контактный 2 шт. 13) ножка 4 шт.}

Электролизер представляет собой емкость, собранную из резиновых колец (7) с проложенными между ними электродами (8), зажатыми между двумя щеками (5) и стянутыми шпильками (1) через рамки (4).

Перед сборкой всего пакета на шпильки одевается хлорвиниловая трубка (6). Это необходимо дли того, чтобы все электродные пластины (8) были изолированы как от корпуса, так и друг от друга. Для плотной посадки надо взять отрезок трубки с внутренним диаметром 6 мм, необходимой длины (лучше с некоторым запасом), погрузить ее на 1–2 минуты в ацетон и, не мешкая, натянуть на шпильку. После пятиминутного высыхания шпилька будет плотно обтянута изоляцией. Излишки срезать.

Электродные пластины (8) надо изготовить из листа нержавеющей стали, не поддающейся воздействию кислот и щелочей. Толщина листа роли не играет, но слишком толстый плохо поддается рихтовке для придания хорошей плоскостности. На два крайних электрода приклепывают по лепестку для электрического соединения. Можно просто просверлить отверстия под соединение с помощью винта с гайкой. Верхние отверстия (в пластинах) диаметром 10 мм служат для прохода образующейся газовой смеси, нижние такого же диаметра — для перетекания электролита.

Промежуточные резиновые кольца (7) лучше всего вырезать из листа толщиной 8-10 мм, если, конечно, найдется такая. В свое время я не нашел, поэтому вышел из затруднения, найдя старую камеру от К-700. Вместо одного вырезал по два на каждую секцию. Резина из камеры имеет даже некоторые преимущества. Во-первых, из нее проще вырезать кольца, во-вторых, камеры обладают хорошей маслостойкостью и стойкостью к воздействию химических веществ, что характерно далеко не для всей листовой резины. Недостаточно стойкая резина начинает разбухать и разрушаться.

Две щеки (5) сделаны из листа прозрачного оргстекла толщиной 4–5 мм. Прозрачность нужна для наблюдения за уровнем жидкости внутри электролизера. В отверстия диаметром 6,1 мм вставляют два штуцера. Один служит для отбора горючей смеси, через другое заливается рабочая жидкость и доливается вода при понижении ее уровня в процессе работы. Этот штуцер заглушают герметичным колпачком (на сборочном чертеже не показан). Чертежи деталей поз. 1, 5, 7, 8, 9 показаны на рис. 3.

Рис. 3

Корпусные рамки (4) (рис. 4) должны обладать достаточной прочностью, чтобы при стягивании всего пакета они не вздумали прогибаться, что неминуемо приведет к появлению щелей между секциями. Сделать их можно из чего угодно. Можно сварить из стальных уголков, даже из прочного дерева, дуба к примеру. Я сделал из куска дюралевой плиты толщиной 20 мм.

Рис. 4

Штуцер, предназначенный для заливки, можно сделать диаметром побольше, будет удобнее заливать электролит. Мне попались готовые, их и поставил.

При сборке пакета гайки надо закручивать поочередно крест-накрест, контролируя параллельность щек между собой линейкой или штангенциркулем, чтобы расстояние между всеми противостоящими углами было одинаковым во избежание перекоса всей конструкции Слишком туго стягивать не надо. Давление при работе создается совсем небольшое.

После сборки электролизер желательно проверить каким-либо способом на герметичность.

В качестве осушителя и водяного затвора использую стеклянные банки емкостью 0,25 л (из-под майонеза) с полиэтиленовыми крышками, в которые вставлены по два штуцера для присоединения шлангов (рис. 5).

Рис. 5

_{На чертеже: 1) банка осушителя; 2) удлинительная трубка; 3) штуцер; 4) шланг подводящий; 5) крышка осушителя; 6) трубка соединительная; 7) крышка затвора; 8) трубка выходная; 9) корпус шприца; 10) игла-форсунка горелки; 11) штуцер выходной; 12) штуцер выхода осушителя; 13) трубка удлинительная водяного затвора; 14) банка затвора.}

Крышки обмотаны изолентой для герметичности. Если крышки закрывают банки достаточно герметично, то гораздо лучше изоленту не применять. Крышка затвора выполняет еще роль предохранителя. Когда произойдет переброс горения внутрь корпуса горелки (а эта неожиданность имеет достаточно высокую степень вероятности) и далее по шлангу в водяной затвор, то слабо одетая крышка будет просто сорвана. При туго надетой крышке банка водяного затвора взорвется. (Имею неоднократный опыт.) Давление газовой смеси невелико, сорвать крышки с банок оно не может. Осушитель, как следует из названия, нужен для удаления капелек электролита, захватываемых вместе с газом. Водяной затвор надежно разделяет горелку от внутренней полости электролизера.

Применение стеклянных банок обусловлено тем, что удобно следить за происходящими процессами во время работы установки. Видно, когда в осушителе набирается столько жидкости, что пора вылить ее, а по интенсивности бульканья пузырьков газа в водяном затворе хорошо судить о скорости образования горючей смеси. Воды в затвор надо наливать максимальное количество, чтобы расстояние между нижним концом выходного штуцера и уровнем воды было около 5 мм. Этот штуцер нужно сделать как можно короче. Тем самым мы уменьшаем объем, заполненный газовой смесью. Для чего это надо, вполне понятно.

Горелкой служит переделанный и доработанный медицинский шприц. Поршень удаляем, с тыльной стороны присоединяем фланец со штуцером, на который надеваем шланг, идущий от водяного затвора. Шприц заполняем скомканным пучком тонкого медного обмоточного провода, служащего пламягасителем, и гранулами силикагеля, которые дополнительно осушают газовую смесь. Устройство показано на рис. 6.

Рис. 6

_{На чертеже: 1) штуцер; 2) гайка; 3) фланец; 4) корпус шприца; 5) силикагель; 6) проволочная набивка; 7) игла; 8) гайка М3; 9) винт М3.}

В качестве форсунки горелки применяют инъекционные иглы. В наборе надо иметь несколько с разными диаметрами внутренних каналов, позволяющих получать факелы разной длины, диаметра и мощности.

На фото 3 изображен факел работающей горелки с диаметром канала иглы 0,8 мм, на фото 4 — с диаметром 0,4 мм.

Фото 3

Фото 4

Электролиз (разложение) воды на водород и кислород происходит под действием выпрямленного тока напряжением 15–25 В. Потребляемый ток 5-15 А в зависимости от диаметра канала иглы шприца (0,4–0,8 мм), и концентрации электролита. Для питания установки применяем схему (рис. 7).

Рис. 7

Понижающий трансформатор Т2 220/36 В мощностью 500 Вт подключен к лабораторному автотрансформатору Т1. Это позволяет плавно установить необходимое напряжение и ток на электролизере. Мостик из выпрямительных диодов VD1-VD4 должен обеспечивать ток до 20 А. Можно применить диоды Д242, Д243, Д245, КД203, КД213 и др. с любыми буквами. Ток контролируется амперметром 0-25 или 0-50 А. Можно обойтись и без амперметра, но с ним гораздо удобнее. Вместо ЛАТРа можно применить тиристорный регулятор напряжения. Такой блок питания позволяет наилучшим способом установить необходимую струю горючей смеси и размер факела.

Включение в цепь питания промежуточного понижающего трансформатора Т2 позволяет наделить конструкцию еще одним важным свойством: она оказывается гальванически развязанной от сети, что играет весьма существенную роль для электробезопасности всей установки.

Это дело вкуса и возможностей конструктора. Можно разложить все элементы на рабочем столе, соединить их проводами и шлангами, включить в сеть и начать работать. Я это называю «елочный вариант». Любому конструктору не терпится скорее испытать плод своих трудов в деле. Быстро собрав «на живульку» элементы и отдельные узлы в функционально целое что-либо из своих творений, чтобы по временной схеме испытать эксплуатационные качества, удовлетворившись результатами, мы несколько остываем и «потухаем», решив окончательную доводку оставить на «потом». Только давно и всем известно, что нет ничего более постоянного, чем что-то временное. Не ошибусь, если скажу, что почти любой творческий человек может найти в своих закромах (или в загашнике) не одно свое незавершенное творение. Это потому, что наши замыслы, желания и устремления так спешат, что оставляют позади наши возможности и силы. Ну ладно, оставим лирику, продолжим прозу.

Конструкция может быть любой. Свою я собрал на попавшемся куске гетинакса размером 260х210 мм. На нем разместил и укрепил электролизер, осушитель, водяной затвор. Впереди установил часть блока питания — выпрямительный мост и амперметр. Водяной затвор и осушитель прикрыты экраном из оргстекла. ЛАТР и понижающий трансформатор устанавливать на общее основание не стал. Слишком громоздкая и тяжелая получилась бы конструкция Конструкцию крепления блока электролизера желательно сделать быстросъемной. Заливать электролит и добавлять воду достаточно удобно, не снимая блока электролизера, а вот выливать из него содержимое, не снимая с общего основания, не совсем удобно.

Для заливки электролита я приспособил маленькую пластмассовую воронку с надетой гибкой трубкой, которая плотно надевается на заливной штуцер. Перед заливкой надо снять трубку с выходного штуцера, иначе воздух внутри электролизера не даст залить электролит.

Мой экземпляр установки имеет 10 пластин-электродов. Этого достаточно для устойчивого факела, создаваемого иглой с максимальным диаметром канала 0,8 мм (фото 3). Рабочий ток около 8 ампер при концентрации щелочного раствора 8 %. Ток устанавливается регулятором ЛАТРа, зависит от трех установленных факторов: концентрации электролита, диаметра применяемой иглы и числа пластин-электродов. Повышение концентрации электролита позволяет уменьшить ток (при одной и той же производительности электролизера), но вызывает повышенное ценообразование и, как следствие, повышенный перенос электролита в осушитель. Поэтому оптимальная концентрация электролита — не более 10 % (100 г на 1 л воды). Увеличение диаметра иглы требует увеличения силы тока. Это и понятно: больший диаметр — больший расход газовой смеси. С числом электродов зависимость обратная. Чем больше пластин в конструкции электролизера, тем меньший требуется ток. Можно изготовить установку с большим количеством электродов и регулировать ток переключением числа задействованных пластин (дискретно), предусмотрев для этого элементы переключения вплоть до пакетного переключателя, но я не вижу в этом усложнении конструкции особой необходимости.

Выше я говорил, что материалом для получения газовой смеси служит вода с добавлением щелочи или кислоты для повышения электропроводимости, то есть электролит. В проведенных экспериментах были проверены и кислотный, и щелочной электролиты. Для приготовления кислотного я взял серную кислоту и приготовил 8 % раствор. Газообразование идет нормально, но мне не понравились два фактора: факел пламени получается широким и коротким; второе — электролит начал чернеть. Видимо, примененная в моем случае резина для колец электролизера оказалась недостаточно стойкой к воздействию кислоты. Объяснения первому фактору я не нашел. (Скорее всего, по причине моих недостаточно глубоких знаний происходящих процессов и недостаточной продолжительности экспериментов.) Чтобы не подвергать сделанный прибор разрушению, вылил кислотный электролит, промыл и залил 8 % раствор щелочи (80 г NaOH на литр воды). Факел стал тонким и длинным (на фотографиях). Прибора для измерения температуры пламени у меня нет, но, судя по интенсивности расплавления стальной канцелярской скрепки (температура точки расплава железа 1530 °C), факел имеет температуру около 2000 °C.

Такая температура вполне достаточна для большинства мелких работ в домашних условиях. Все же я попробовал увеличить температуру горения, заменив воду в водяном затворе на другие жидкости. Залитая жидкость под названием «Денатурат» (так написано на этикетке купленной в хозтоварах бутылке, скорее всего это метиловый спирт), позволила получить более высокую температуру факела, но возникла проблема с гашением пламени. Погружение конца иглы в воду привело к перебросу пламени внутрь корпуса шприца, несмотря на плотную набивку пучком смятой медной проволоки. Что произошло далее, говорить не буду, ясно без слов.

Мой вывод таков: в водяном затворе должна быть вода. Температуры факела хватит и без ухищрений.

Предлагаемый к изготовлению прибор неплохо иметь в арсенале домашней мастерской. Но надо признать, что при несоблюдении некоторых условий и правил эксплуатации установка взрывоопасна. Все дело в том, что в отличие от других горелок — газовых, бензиновых, ацетиленовых, в которых смешение горючих паров и кислорода происходит непосредственно в зоне горения, в водородно-кислородной установке смесь газов в необходимой пропорции образуется в электролизере и в готовом виде подается по шлангу в зону горения. Поэтому смесь может гореть во всех закрытых полостях — в электролизной камере, в осушителе, в водяном затворе и в соединительных шлангах. Чем производительнее установка, тем больше объемы, занимаемые водородно-кислородной смесью, тем опаснее этот прибор. Больший объем — сильнее взрыв при возгорании смеси. Поэтому выше я оговаривался, что рельсы сваривать лучше и безопаснее другими средствами.

Тем не менее при пунктуальном соблюдении некоторых правил опасность взрыва можно свести к минимуму.

Перед включением в сеть убеждаемся в полной исправности прибора, в надежном креплении всех соединительных шлангов, в нормальном уровне жидкости в электролизере (не менее половины объема). Регулятор напряжения на ЛАТРе (или другом регуляторе напряжения) устанавливаем на «нуль». Рядом на рабочем месте поставим банку с холодной водой.

Включив прибор в сеть, медленно повышаем напряжение, наблюдая за амперметром и водяным затвором. Выход пузырьков из нижнего конца трубки скажет о начавшемся разложении воды на водород и кислород. Погружение конца иглы горелки в воду покажет то же самое. Установив напряжение таким, что пузырьки газа будут выходить непрерывной струей, дадим аппарату поработать 5–6 минут, не пытаясь пробовать зажигать факел. Это необходимо для полного вытеснения воздуха из всех шлангов, осушителя и затвора горючей смесью.

Зажигать факел надо при возможно большем давлении газа. Это предотвратит переброс пламени внутрь горелки. Затем можно подрегулировать факел до нужной величины. Но в любом случае нельзя уменьшать факел до таких размеров, что его начало коснется кончика иглы. Последует немедленное расплавление иглы и переброс горения внутрь шприца и далее по шлангу в водяной затвор. Из-за этой потенциальной возможности воздушный промежуток между верхним уровнем воды и крышкой затвора должен быть возможно минимальным.

Гашение факела делается быстрым (без «мандража» в руках) погружением иглы в банку с водой. После этого выключаем напряжение. Выключение при горящем факеле понижением напряжения или отключением прибора от сети недопустимо. Будет то же самое.

Здесь уместно будет сказать, что выключение работающей установки является самой потенциально опасной операцией.

Подытожив, можно сформулировать правила безопасной работы с водородной (плазменной) горелкой:

1. Перед включением осмотреть прибор, убедиться в его исправности.

2. Проверить уровни жидкостей в электролизере и затворе. При необходимости долить воды.

3. Приготовить банку с водой для гашения факела.

4. Подавать напряжение плавно от нуля до номинального, при котором идет устойчивый процесс электролиза.

5. Дать поработать аппарату 5–6 минут без зажигания факела (лучше больше, чем меньше).

6. Зажигать факел при устойчивом, достаточно сильном потоке газа из иглы горелки.

7. При необходимости маленького, тонкого факела применять иглы с меньшим внутренним диаметром канала. Расстояние от кончика иглы до начала факела всегда должно быть не менее 0,5 мм.

8. Гасить пламя факела резким погружением конца иглы в воду.

9. Не оставлять работающий прибор без присмотра.

10. Не подпускать любопытствующих слишком близко. Это особенно касается детей, поступки которых иногда непредсказуемы.

Едкий натрий (NaOH) или едкий калий (КОН) — щелочи, применяемые для приготовления электролита, как следует из их названия, весьма агрессивные вещества, требующие аккуратного обращения. Это же касается и кислот. Строгие меры предосторожности при работе с реактивами будут не лишними. При попадании на кожу рук все эти вещества могут вызвать химические ожоги, которые, как правило, заживают гораздо дольше тепловых. При случайном попадании на открытые участки тела нужно немедленно промыть теплой водой с мылом. Всю посуду, примененную для приготовления растворов, сразу тщательно промываем проточной водой для удаления даже следов растворов, чтобы исключить случайное попадание в какие-либо продукты питания. Рабочее место тоже приводим в порядок. Ни для кого не секрет, что иногда мы что-то делаем не там, где надо. Щелочь, к примеру, растворяем на кухонном столе.

Как мне представляется, можно сконструировать и построить установку с таким же принципом работы, как изложенный в этой статье, но гораздо производительнее, мощнее и совершенно взрывобезопасную в эксплуатации. Для этого надо предусмотреть разделение получаемых газов, водорода и кислорода, прямо на выходе электролизера, по принципу лабораторного демонстрационного, где газы отводят в разные трубки. Разделенные газы будут подаваться по двум шлангам к горелке. Горелку можно будет применить обыкновенную ацетиленовую или другую, у которой есть два присоединительных штуцера. Горючая смесь будет создаваться непосредственно в зоне горелки. Просто вместо пропана (или другого подобного) будет подаваться водород.

Эксплуатационные преимущества такой установки прорисовываются сразу: не надо будет возиться с тяжелыми и громоздкими газовыми и кислородными баллонами. Не надо тратить время и средства на их приобретение. Конечно, совсем бесплатного ничего не бывает.

Электроэнергия, потребляемая установкой, тоже денег стоит.

Экономические расчеты выходят за рамки этой статьи, поэтому я за них и не берусь.