В данной работе необходимо рассчитать плазмотрон с дугой косвенного действия. Исходные данные к работе:

? рабочий газ - воздух;

? начальная температура воздуха Т_н = 300 К;

? конечная температура воздуха Т_к = 5000 К;

? расход воздуха G = 3•10^-3 кг/с;

? давление рабочего газа (воздуха) на выходе из плазмотрона p = 10⁵ Па;

? катод - стержневой, циркониевый;

? анод - цилиндрический ступенчатый, медный;

? стабилизация дуги - газовихревая;

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1. Плазмотрон состоит из катодного и анодного узлов, узла подачи газа 3 и разделительной диэлектрической вставки 5. Катодный узел состоит из медного катододержателя 2 и стержневого циркониевого катода 1. Анодный узел представляет собой медный анод 4. Узел подачи рабочего газа обеспечивает газовихревую стабилизацию дуги. А узел подачи защитного газа обеспечивает защиту катода от рабочего газа.

Рисунок 1.1- Расчётная схема плазмотрона

2. Расчет плазмотрона

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона

? критическая скорость при 5000 К ;

? плотность воздуха при 5000 К ;

? начальная энтальпия ;

? конечная энтальпия .

Рассчитаем диаметр выходного электрода до уступа:

(2.1)

Диаметр выходного электрода после уступа:

м (2.2)

Для расчёта электрических и тепловых характеристик плазмотрона используем следующую систему уравнений:

? восходящая ветвь вольт-амперной характеристики [3]:

- тепловой КПД плазмотрона:

; (2.4)

? энергия истекающей струи:

; (2.5)

- напряжение на дуге, выраженное через формулу для самоустанавливающейся дуги:

Решая данную систему уравнений с помощью MathCAD, получим следующие характеристики:

? напряжение дуги: В;

? сила тока: А;

? тепловой КПД: %;

? длина разрядного канала до уступа: м;

? длина разрядного канала после уступа: м;

? диаметр выходного электрода до уступа: м;

? диаметр выходного электрода после уступа: м.

Мощность рассматриваемого плазмотрона:

кВт.

Для того, чтобы обеспечить эффективную стабилизацию дугового разряда на оси канала газовым вихрем и снизить удельную эрозию материала выходного электрода, необходимо иметь скорость воздуха на выходе из отверстий кольца закрутки в пределах м/с.

Приняв значение окружной скорости м/с и количество отверстий в кольце закрутки , найдём диаметр отверстия:

м. (2.7)

2.2 Расчет системы охлаждения

Полный тепловой поток в выходной электрод (анод) равен:

Вт. (2.25)

Плотность теплового потока в стенку равна:

Вт/м². (2.26)

Задаёмся температурой охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения при давлении Н/м²: и определяем максимально допустимый температурный перепад на стенке медного электрода:

(2.27)

После этого рассчитываем максимально допустимую толщину стенки электрода:

м. (2.28)

При выборе толщины медной стенки необходимо руководствоваться прочностными, ресурсными и прочими соображениями.

Принимаем толщину стенки электрода равной .

Температурный перепад на ней равен:

(2.29)

где - теплопроводность меди.

Дальнейший расчёт следует вести, исходя из максимальной плотности теплового потока на участке электрода равной:

(2.30)

где .

Найдём значение критического теплового потока, выбрав коэффициент надёжности охлаждения :

(2.31)

Задавшись перепадом температур охлаждающей воды , получим среднее значение температуры воды:

(2.32)

Недогрев воды при Н/м² равен:

(2.33)

Потребная скорость охлаждающей воды равна:

(2.34)

где из графика 9.1[3],а секундный расход воды через рубашку охлаждения:

. (2.35)

Величина водяного зазора в рубашке охлаждения определяется с учётом условия , тогда:

м (2.36)

Принимаем .

Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима её охлаждения найдём значения определяющих критериев , , .

Число Рейнольдса равно:

(2.37)

что соответствует турбулентному течению. Где м²/с при.

Определяем число Нуссельта:

(2.38)

где - число Прандтля при ;

- число Прандтля при .

Зная число Нуссельта, находим коэффициент теплоотдачи:

, (2.39)

где - теплопроводности воды при температуре .

Для выяснения характера теплоотдачи у стенки определим плотность теплового потока, соответствующую началу кипения:

(2.40)

Поскольку плотность теплового потока, соответствующая началу кипения воды, больше, чем действительная плотность теплового потока у стенки охлаждаемого канала , то охлаждение стенки при выбранном определяется конвективным теплообменом.

Температура охлаждаемой стенки равна в этом случае:

 (2.41)

Зная , найдем температуру внутренней (рабочей) поверхности электрода:

(2.42)

что существенно ниже температуры плавления меди,

2.3 Расчет ресурса работы электродов

Кривые, показывающие зависимость теплового КПД от силы тока при трех значениях расхода рабочего газа, описываются выражением (2.4).

Зависимость КПД от силы тока дуги имеет падающий вид. Это обусловлено тем, что при увеличении силы тока возрастают тепловые потоки в анод и катод, следовательно, КПД падает.

График зависимости теплового коэффициента полезного действия от тока при изменении силы тока от 135 до234 А для трёх расходов газа представлен на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 - Зависимость теплового КПД от силы тока

Зависимость теплового потока в анод от силы тока для трёх расходов газа показана на рис. 3.3. Тепловой поток в анод с ростом тока будет возрастать. Исследования показали, что в начальном сечении разрядного канала теплопотери происходят в основном за счет излучения дуги, а на конечном - за счет конвективной теплопередачи.

Рисунок 3.3 - Зависимость теплового потока в анод от силы тока

Рисунок 3.4 - Зависимость теплового потока в катод от силы тока

Зависимость теплового потока в катод от силы тока приведена на рис. 3.4.

Исследования показывают, что тепловой поток в катод не зависит от расхода газа и определяется лишь силой тока дуги. График построен для диапазона изменения тока от 135 до 234 А.

4. Выбор источника питания плазмотрона

Качество генерации электрической дуги плазмотронами во многом определяется источником питания (ИП), который должен обеспечивать устойчивое горение дуги, поддержание заданного среднего значения тока, управление средним значением тока в диапазоне от начального до номинального, максимально возможный КПД, заданный уровень пульсаций, максимально возможное значение коэффициента мощности, обладать минимальными массогабаритными показателями и ценой.

Для данного плазмотрона необходимо использовать следующий источник питания: тиристорный управляемый выпрямитель с автоматической стабилизацией тока и обратной связью по току.

Напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения на дуге, но не менее

Рекомендуется выбрать источник питания типа БЭП-80, у которого номинальное напряжение составляет 145-330 В, рабочий ток - 100-500 А, потребляемая мощность - до 105 кВт. Этот тип источника питания разработан в институте электросварки им. Е.О. Патона для комплектации установок плазменного нанесения покрытий [4].

ИП БЭП-80 состоит из трансформаторного блока, управляемого тиристорного выпрямителя, нерегулируемого выпрямителя для питания дежурной и вспомогательной дуг, электронного блока управления и релейной схемы управления. Рабочая дуга зажигается от управляемого тиристорного выпрямителя. Последовательно в цепь рабочей дуги подключается сглаживающий дроссель. Блок управления БЭП-80 собран по схеме Ларионова, и вся его внешняя характеристика формируется за счёт применения обратных связей по току. Масса и габариты источника определяются массой и габаритами силового трансформатора и сглаживающего реактора .

К недостаткам ИП следует отнести уменьшение при регулировании напряжения вниз от номинального, искажения потребляемого из сети тока, необходимость значительной индуктивности . в цепи постоянного тока.

Источник электропитания БЭП-80 рассчитан на работу с плазмотронами на воздухе, газовоздушных смесях, азоте, аргоне и смесях аргона с воздухом или азотом.

5. Технологическое применение плазмотрона

Применение низкотемпературной плазмы в промышленности позволит значительно интенсифицировать существующие технологические процессы, создать совершенно новые аппараты и технологию производства. Такие свойства низкотемпературной плазмы, как высокая температура и большая концентрация энергии в малом объеме, открывают возможность использования ее в металлургических процессах при прямом восстановлении металлов из окислов, при выращивании монокристаллов и напылении, в процессе получения карбидов, нитридов, окислов металлов и т.д. Применение плазмы позволит исключить, или, по крайней мере, значительно ослабить проблему создания специальных огнеупоров, повысить чистоту получаемого продукта и т.д.

Данный плазмотрон можно использовать для поверхностной плазменной обработки металлов, что особенно важно при обработке закаливающихся сталей.

Ещё одним возможным применением плазмотрона является получение азотной кислоты [5].

Производство азотной кислоты из N₂ и O₂ производится с помощью плазмы под давлением 10 атмосфер. В качестве сырья используется смесь N₂ и O₂. Процесс проводится в плазме при температурах путем ввода части нитрозных газов, охлажденных до . Основная часть нитрозных газов с температурой проходит холодильник и направляется в абсорбционную колонну, где получается азотная кислота за счет поглощения NO_x водой. Выхлопные газы (после частичной продувки) смешиваются со свежей смесью воздуха и кислорода и после подогрева до 2000 К направляются в плазмотрон.

6. Научно-исследовательская работа студента

Темой научно-исследовательской работы является исследование зависимости электрической мощности плазмотрона от расхода рабочего газа.

Считаем постоянными и известными величинами начальную и конечную энтальпию, давление воздуха на выходе из плазмотрона, длины и диаметры разрядного канала плазмотрона.

Для нахождения зависимости воспользуемся системой следующих уравнений:

? восходящая ветвь вольтамперной характеристики [3]:

? тепловой КПД плазмотрона:

; (6.2)

? энергия истекающей струи:

; (6.3)

- электрическая мощность плазмотрона:

(6.4)

Результаты расчетов приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Зависимость электрической мощности от расхода рабочего газа

Построим график зависимости температуры плазменной струи на выходе из плазмотрона от расхода рабочего газа (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Зависимость электрической мощности плазмотрона от расхода рабочего газа

Зависимость электрической мощности плазмотрона от расхода рабочего газа является возрастающей. Это связано с тем, что при повышении расхода рабочего газа, происходит выдувание дуги, что приводит к повышению напряжения и соответственно увеличению электрической мощности плазмотрона.

Выводы

В данной курсовой работе рассчитан плазмотрон косвенного действия со следующими характеристиками: напряжение на дуге 237 В, ток дуги 194 А, тепловой КПД 64%, мощность плазмотрона составляет 64 кВт. Рабочий газ - воздух, начальная температура которого составляет 300 К, конечная - 5000 К. Катод - стержневой, циркониевый. Анод - медный, с уступом. Ресурс работы плазмотрона - 8 часов. Был выполнен расчет системы охлаждения электродов.

В работе даны рекомендации по выбору источника питания для плазмотрона. В качестве возможного варианта источника питания для данного плазмотрона предложен источник электропитания типа БЭП-80, описаны его основные характеристики и устройство.

Данный плазмотрон можно применять в следующих технологических процессах: плазменная обработка поверхностей металлов, упрочнение, закалка поверхностей, плазмохимическое получение азотной кислоты.

В научно-исследовательской работе студента была исследована зависимость электрической мощности плазмотрона от расхода рабочего газа, приведена таблица расчетных данных зависимости и изображен соответствующий график. Установлено, что с ростом расхода рабочего газа, электрическая мощность увеличивается.

плазмотрон мощность газ тепловой

Перечень ссылок

1. Коротеев А. С., Миронов В. М., Свирчук В. С. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет. - М.: Машиностроение, 1993. - 295 с.

2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

3. Основы расчета плазмотронов линейной схемы / Под ред. М.Ф. Жукова - Новосибирск, 1979, - 146с.

4. Дзюба В. Л., Корсунов К. А. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы: Монография. - Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2007. -448 с.

5. Атрощенко В. И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. - Ленинград: Химия, 1970. - 378 с.

Размещено на Allbest.ru