РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к курсовой работе: 30 с., 7 рис., 7 источников.

Объект исследования - электродуговой плазмотрон постоянного тока прямого действия.

Цель работы - определение основных характеристик плазмотрона.

Метод исследования - теоретические расчеты электродугового плазмотрона, его вольт-амперных и тепловых характеристик.

Разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчет основных геометрических параметров плазмотрона, исследована зависимость электрической мощности от расстояния между соплом и изделием, определены вольт-амперные и тепловые характеристики, выбран источник питания, предложено технологическое применение.

В результате расчетов получены следующие параметры: сила тока - 250 A, напряжение на дуге - 200 B, КПД - 0,85, мощность - 50 кВт, ресурс работы плазмотрона составляет 82 часа.

Данный плазмотрон можно применять в следующих технологических процессах: плазменная строжка, резка металлов толщиной до 100 мм, плазменно-механическая обработка.

ПЛАЗМОТРОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ, РЕСУРС РАБОТЫ, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, ГАЗОВИХРЕВАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ, РАСХОД ГАЗА.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Составление расчётной схемы плазмотрона

2 Расчёт плазмотрона

2.1 Расчёт рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона

2.2 Расчёт системы охлаждения

2.2.1 Расчет охлаждения катода

2.2.2 Расчет охлаждения соплового узла

2.3 Расчёт ресурса работы плазмотрона

3 Определение характеристик плазмотрона

3.1 Вольт-амперные характеристики

3.2 Тепловые характеристики

4 Выбор источника питания плазмотрона

5 Технологическое применение плазмотрона

6 Научно-исследовательская работа студента

Выводы

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

Использование плазменных технологий в машиностроении, в дорожно-строительной и сельскохозяйственной технике, добывающих отраслях промышленности, в городском и коммунальном хозяйстве вызывает в настоящее время повышенный интерес.

Наиболее перспективными применениями плазменных технологий в настоящее время являются:

- плазменное напыление покрытий различного функционального назначения (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие, восстанавливающие первоначальные размеры детали и др.);

- плазменная поверхностная обработка материалов (оплавление, плазменная наплавка, поверхностное модифицирование, плазменная строжка и др.);

- плазменная резка металлических и неметаллических материалов.

Плазменно-дуговая разделительная резка металлов является в настоящее время одним из перспективных электро-технологических процессов, получающих все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства страны. Перспективность технологических процессов на основе этого способа обусловлена чрезвычайно высокими энергетическими параметрами плазменной режущей дуги. Объемная концентрация мощности достигает значений (100 - 150) кВт/см3, температура (10000 - 16000) К, скорость истечения потока плазмы до 5000 м/с, удельная плотность тепловой мощности (10 - 20) кВт/мм2.

Обладая такими свойствами, плазменная дуга является одним из наиболее эффективных средств формирующего воздействия на металлы. Высокая концентрация мощности, возможность управления процессом за счет изменения величины рабочего тока или расхода плазмообразущего газа и, наконец, возможность резки практически любых металлов придают этому способу универсальные технологические возможности.

Целью данной работы является расчёт основных геометрических, электрических и тепловых характеристик плазмотрона прямого действия. В научно-исследовательской работе студента (НИРС) необходимо исследовать зависимость электрической мощности плазмотрона от расстояния между соплом и изделием.

1 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ПЛАЗМОТРОНА

В данной работе предполагается рассчитать плазмотрон прямого действия. Исходные данные к работе:

- рабочий газ - воздух;

- начальная температура воздуха ;

- конечная температура воздуха ;

- расход воздуха кг/с;

- давление рабочего газа (воздуха) на выходе из плазмотрона Па;

- катод -цилиндрический полый, медный;

- стабилизация дуги - газовихревая;

-ресурс работы плазмотрона должен составлять не менее 70 часов.

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1.

Определению подлежат следующие параметры: рабочие значения тока I и напряжение дуги U, тепловой коэффициент полезного действия , диаметр отверстий для подачи рабочего газа, геометрические размеры разрядного канала и катода, обеспечивающие необходимый ресурс работы, расход воды на охлаждение узлов плазмотрона.



2. РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров

плазмотрона

Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами [2]:

-начальная энтальпия;

-энтальпия.

Для расчета электрических и тепловых характеристик плазмотрона будем использовать следующую систему уравнений[4]:

- рабочего напряжения дуги:

; (2.1)

- теплового КПД плазмотрона:

; (2.2)

- мощности, вкладываемой в дугу:

(2.4)

- энергии истекающей струи:

-

; (2.5)

-уравнение для энтальпии нагретого воздуха:

(2.7)

- удельная плотность мощности:

Решая полученную систему уравнений с помощью MathCAD, получим:



где: х1 - рабочий ток, кА

х2 - расход воздуха, кг/с

x3 - диаметр сопла, см

x4 - расстояние от плазмотрона до изделия, м

x5 - длинна целиндрической части сопла, м

P - мощность, вкладываемая в дугу, кВт

U - напряжение на дуге, В

Pyd - удельная плотность мощности, кВт/мм2

? - тепловой КПД, %

hn - начальная энтальпия воздуха, кДж/кг

hk - конечная энтальпия воздуха, кДж/кг

Таким образом, получили следующие характеристики: напряжение дуги - 200 В, сила тока - 250 А, тепловой КПД - 85%. Мощность рассчитанного плазмотрона составляет 50 кВт, диаметр сопла - 4,5 мм, удельная плотность мощности - 2,2 кВт/мм².

Зная диаметр сопла плазмотрона можно определить диаметр внутренней полости[4]:

(2.9)

Длину внутренней полости можно рассчитать как[4]:

(2.10)

Толщину стенки электрода рассчитываем как[4]:

(2.11)

Рассчитаем диаметр отверстий, через которые воздух подается в вихревую камеру. Для эффективной стабилизации дугового разряда на оси канала газовым вихрем и снижения эрозии материала катода, вызванной воздействием пятна дуги, необходимо обеспечить скорость газа на выходе из кольца закрутки в пределах 150-200 м/с. Принимаем скорость воздуха на выходе (м/с), плотность воздуха при нормальных условиях (кг/м³). Так как осуществляется распределенный вдув газа через 4 кольца закрутки, то для расчета диаметра отверстий берем расход газа равным G/4 [1].

, (2.12)

где n - количество отверстий в одном кольце закрутки, равное четырем.

Подставив численные значения, получим:

2.2 Расчет системы охлаждения

2.2.1 Расчет охлаждения катода

Расчет охлаждения катода начинается с определения теплового потока в него от пятна дуги при I =250 А.

(2.13)

Плотность теплового потока в стенку:

 (2.14)

Найдём температуру насыщения при давлении

. (2.15)

Для дальнейшего расчёта нам необходимо принять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения воды при давлении , , и определяем по формуле максимально допустимый перепад температуры на стенке медного электрода:

, (2.16)

где - температура плавления меди (1083 ⁰С).

После этого рассчитываем максимально допустимую толщину стенки электрода при которой достигается этот перепад [1]:

,

где л = 4•10²Вт/м•К - теплопроводность воды.

Из расчета видно,что в случае медных электродов толщина стенки может быть очень большой. На практике толщина медной стенки выбирается гораздо меньшей. Поскольку при меньших толщинах стенки опасности перегрева рабочей поверхности электрода не существует, то толщину стенки можно выбирать не из тепловых, а из иных соображений, например , прочностных, ресурсных и прочих.

Поэтому толщину стенки выбираем меньше критической (0.157 м), соответственно равную 4,5 мм, что вполне обеспечивает и прочность стенки даже при значительном больших давлениях, и ресурс непрерывной работы.

Температурный перепад на ней равен:

Приняв начальную температуру охлаждающей воды , а перепад температур в рубашке охлаждения выходного электрода , определяем секундный расход воды, необходимый для охлаждения электрода:

(2.19)

Определим среднее значение охлаждающей температуры воды:

(2.20)

Найдём недогрев воды до температуры кипения при давлении , он равен:

 (2.21)

Дальнейший расчёт необходимо вести, исходя из максимальной плотности теплового потока на охлаждаемой водой поверхности электрода:

(2.22)

где - внешний диаметр выходного электрода, равный 0,029 м.

Коэффициент надёжности охлаждения принимаем равным К_охл = 5. Далее находим критическую плотность теплвого потока,на которую должно быть расчитано охлаждение катода:

(2.23)

Определяем необходимую скорость охлаждающей воды в зазоре, для чего зададимся необходимыми константами, которые определены из графика 9,1 [2].

(2.24)

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

. (2.26)

Исходя из конструктивных соображений примем величину водяного зазора равной м.

Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима её охлаждения найдём значения определяющих критериев (Re, Nu, Pr).

Число Рейнольдса равно:

,

где - кинематическая вязкость воды при .

Это число Рейнольдса соответствует развитому турбулентному течению жидкости.

При известном значении числа Рейнольдса найдём число Нуссельта, исходя из табличных данных критериев числа Прандтля для соответствующих температур [2].

- число Прандтля при ;

- число Прандтля при ;

- коэффициент пропорциональности.

Исходя из формулы (2.27) число Нуссельта будет равно:

.

Зная число Нуссельта найдём коэффициент теплоотдачи:

, (2.28)

где - коэффициент теплопроводности воды при температуре .

Для выяснения характера теплоотдачи у стенки определим плотность теплового потока, соответствующую началу кипения [1]:

(2.29)

Поскольку , то теплообмен у стенки происходит в режиме конвективного кипения жидкости. Поэтому температура стенки должна рассчитываться:

. (2.30)

Поскольку температура стенки оказалась близкой к заданной в начале расчета, то второго приближения можно не делать. На этом этапе расчет охлаждения катода можно закончить.

2.2.2 Расчет охлаждения соплового узла

Расчет охлаждения катода начинается с определения теплового потока в него от пятна дуги при I =250 А.

(2.31)

Плотность теплового потока в стенку:

(2.32)

Найдём температуру насыщения при давлении

. (2.33)

Для дальнейшего расчёта нам необходимо принять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения воды при давлении , , и определяем по формуле максимально допустимый перепад температуры на стенке медного электрода:

, (2.34)

где - температура плавления меди (1083 ⁰С).

После этого рассчитываем максимально допустимую толщину стенки электрода при которой достигается этот перепад [1]:

,

где л - теплопроводность воды.

Из расчета видно,что в случае медных электродов толщина стенки может быть очень большой. На практике толщина медной стенки выбирается гораздо меньшей. Поскольку при меньших толщинах стенки опасности перегрева рабочей поверхности электрода не существует, то толщину стенки можно выбирать не из тепловых, а из иных соображений, например , прочностных, ресурсных и прочих.

Поэтому толщину стенки выбираем меньше критической (0.157 м), соответственно равную 4,5 мм, что вполне обеспечивает и прочность стенки даже при значительном больших давлениях, и ресурс непрерывной работы.

Температурный перепад на ней равен:

Приняв начальную температуру охлаждающей воды , а перепад температур в рубашке охлаждения выходного элнктрода , определяем секундный расход воды, необходимый для охлаждения электрода:

 (2.37)

Определим среднее значение охлаждающей температуры воды:

(2.38)

Найдём недогрев воды до температуры кипения при давлении , он равен:

(2.39)

Дальнейший расчёт необходимо вести, исходя из максимальной плотности теплового потока на охлаждаемой водой поверхности электрода:

(2.40)

где - внешний диаметр выходного электрода, равный 0,0135 м.

Коэффициент надёжности охлаждения принимаем равным К_охл = 5. Далее находим критическую плотность теплвого потока, на которую должно быть расчитано охлаждение катода:

(2.41)

Определяем необходимую скорость охлаждающей воды в зазоре, для чего зададимся необходимыми константами, которые определены из графика 9,1 [2].

(2.42)

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

. (2.44)

Исходя из конструктивных соображений примем величину водяного зазора равной м.

Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима её охлаждения найдём значения определяющих критериев (Re, Nu, Pr).

Число Рейнольдса равно:

,

где - кинематическая вязкость воды при .

Это число Рейнольдса соответствует развитому турбулентному течению жидкости.

При известном значении числа Рейнольдса найдём число Нуссельта, исходя из табличных данных критериев числа Прандтля для соответствующих температур [2].

- число Прандтля при ;

- число Прандтля при ;

- коэффициент пропорциональности.

Исходя из формулы (2.27) число Нуссельта будет равно:

.

Зная число Нуссельта найдём коэффициент теплоотдачи:

, (2.46)

где - коэффициент теплопроводности воды при температуре .

Для выяснения характера теплоотдачи у стенки определим плотность теплового потока, соответствующую началу кипения [1]:

(2.47)

Поскольку , то теплообмен у стенки происходит в режиме конвективного кипения жидкости. Поэтому температура стенки должна рассчитываться:

. (2.48)

Поскольку температура стенки оказалась близкой к заданной в начале расчета, то второго приближения можно не делать. На этом этапе расчет охлаждения соплового узла можно закончить.

Определим суммарный расход воды:

(2.49)

На этом можно закончить расчет системы охлаждения плазмотрона.

2.3 Расчет ресурса работы плазмотрона

Определим ресурс работы катода. Для этого заменим сложный профиль изношенной части анода в месте привязки электрической дуги за уступом треугольником (рис. 2.1.) [2].

Примем:

- глубина эрозии , которая выбирается из условия, что она будет составлять 50% от толщины стенки анода.

Тогда объем материала, удаленного в результате эрозии, равен

Ресурс работы анода составляет:

, (2.50)

где - плотность меди (материал катода);

Удельная эрозия электрода равна[4]:

Тогда, подставляя численные значения в формулу (2.32), получим:

Таким образом, получили, что ресурс работы катода равен 82 часа. Рассчитанный плазмотрон имеет ресурс работы 82 часа, что удовлетворяет поставленным требованиям .

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМОТРОНА

3.1 Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги отражает зависимость напряжения от силы тока при постоянстве геометрических размеров электродуговой камеры, расхода газа, его давлении в характерном сечении и других определяющих параметров [2]. Вид функции, описывающей ВАХ, представлен формулой (2.1).

Воспользовавшись MathCAD, построим ВАХ

U1 - G = 0.0014 кг/с; U2 - G = 0.002 кг/с; U3 - G = 0.0026 кг/с

Рисунок 3.1 - ВАХ плазмотрона

3.2 Тепловые характеристики

Кривая, описывающая зависимость КПД от силы тока дуги имеет падающий характер. Это объясняется тем, что при росте тока резко начинают расти тепловые потери на катоде, что в свою очередь очень сильно сказывается на тепловом КПД.

Построим графики ВАХ и зависимости теплового коэффициента полезного действия от тока при изменении силы тока от 100 до 1000А для трёх расходов газа.

Результаты построения представлены на рисунках 3.1 и 3.2.

з1 - G = 0.0014 кг/с; з2 - G = 0.002 кг/с; з3 - G = 0.0026 кг/с;

Рисунок 3.2 - зависимость теплового КПД плазмотрона от силы тока дуги

Важно знать, как ведут себя тепловые потоки в катод и сопловой узел с изменением силы тока. Очевидно, что с ее увеличением потоки будут расти вследствие увеличения электрической мощности и, как следствие, интенсивности излучения дуги. Вид функции, описывающей зависимость теплового потока в катод от силы тока, представленную на рисунке 3.3, описывается формулой (2.13).

Рисунок 3.4 - Зависимость теплового потока в катод от силы тока

Вид функции, описывающей зависимость теплового потока в сопловой узел от силы тока, представленную на рисунке 3.4, описывается формулой (2.31).

4 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНА

В диапазоне рабочих токов от 250 А до 400 А и более напряжение режущей дуги изменяется лишь на (3 - 6) % Такое незначительное изменение рабочего напряжения при изменении тока дает основание рассматривать режущую дугу в схеме замещения электрической цепи питающей системы как источник напряжения.

Напряжение холостого хода ИП должно быть больше рабочего напряжения дуги плазмотрона. Как было показано выше, рабочее напряжение на дуге плазмотрона 200 В, сила тока - 250 А. Принимаем коэффициент запаса по напряжению равным 1,3. Тогда напряжение холостого хода источника питания составит:

Рекомендуется выбрать источник питания ДЕЗ-315/300[6] у которого номинальное напряжение составляет 300 В, номинальная сила тока - 315 А, номинальная мощность - 94,5 кВт.

Данный источник питания собран на базе индуктивно-емкостного преобразователя (ИЕП). Источник питания прост и надежен в использовании Принцип его действия основывается на свойстве резонансных LC цепей сохранять неизменной величину тока в цепи нагрузки. Обладает достаточно высокими энергетическими показателями, например коэффициент мощности близок к единице. Недостаток - большие габаритные размеры и трудность регулировки тока.

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 для резки металлов и т.д.

Наибольшее распространение в промышленности получили плазмотроны для резки металлов. В настоящее время режущие плазмотроны успешно используются на многих предприятиях, и область их промышленного применения постоянно расширяется и углубляется. Плазменная аппаратура для резки металлов производится серийно как в СНГ, так и во многих других странах: США, Германии, Японии, Англии, Швеции, Румынии и т.д. За сорокалетнюю историю развития плазморежущей техники были разработаны, исследованы и получили применение многочисленные разновидности режущих плазмотронов

Отличие данного плазмотрона в том, что наличие медного полого электрода позволяет несколько повысить его мощность и ресурс работы, исходя из вышесказанного, данный плазмотрон может быть использован для резки металлов толщиной до 100 мм.

Также его можно использовать для плазменно-механической обработки (строжка, точение и т.д.), при обработке отливок и малообъемной резке листового и других видов проката.

6 НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТА

В научно-исследовательской работе студента нужно исследовать зависимость электрической мощности плазмотрона от расстояния между соплом и изделием. Электрическая мощность есть функцией силы тока. Для определения силы тока используем систему уравнений (2.1-2.8), которая была ранее использована при определении рабочих параметров плазмотрона. Решим эту систему, считая, что расстояние между плазмотроном и изделием принимает значения в диапазоне от 0,001 до 0,003 м, а расход газа, диаметр соплового отверстия, напряжение на дуге и тепловой КПД плазмотрона известны и постоянны.

Результаты вычислений представлены в таблице 6.1

Таблица 6.1- Зависимость электрической мощности от расстояния между соплом и изделием

L, м	0,01	0,014	0,018	0,02	0,023	0,027	0,03	0,04	0,05
I, A	250	250	245	249	252	258	261	270	273
P, кВт	49,2	49,8	49,9	50	50,4	51,7	52	55	58

Построим графики зависимости мощности от расстояния между плазмотроном и изделием .

Рисунок 6.2 - Зависимость мощности от расстояния между плазмотроном изделием

Из графика видно, что электрическая мощность возрастает с увеличением расстояния между изделием и плазмотроном практически линейно. Это связано с тем, что с увеличением расстояния, растет напряжение на дуге, повышая тем самым электрическую мощность плазмотрона. Увеличение мощности, в свою очередь, ведёт к повышению энтальпии и температуры газа.

ВЫВОДЫ

Современная промышленность требует создания установок плазменно-дуговой резки с широким диапазоном технологических возможностей. Толщина разрезаемого металла может изменяться в диапазоне от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, требуется разрезать не только сталь, но и цветные металлы и их сплавы, не только листовой металл, но и другие виды проката, а также разнообразное литье.

Поэтому важной является задача создания установок в целом и плазмотронов, в частности, с контролируемыми и управляемыми параметрами, что позволяет оптимизировать работу установки в тех или иных технологических условиях.

Рассчитан плазмотрон прямого действия, имеющий полый медный электрод, способный работать как на прямой, так и на обратной полярностях тока, позволяющий увеличить мощность режущей дуги и не являющимся избирательным по отношению к числу запусков плазмотрона в работу и составу плазмообразующего газа.

Плазмотрон обладает следующими характеристиками: напряжение на дуге 200 В, ток дуги 250 А, тепловой КПД составляет 85%, мощность плазмотрона составляет около 50 кВт. Рабочий газ - воздух, начальная температура которого составляет 300 К, конечная - 5200 К. Катод - цилиндрический полый, медный. Ресурс работы плазмотрона - 82 часов. Был произведён расчет системы охлаждения электродов.

Кроме того, в научно-исследовательской работе студента была рассмотрена зависимость электрической мощности плазмотрона от расстояния между соплом и изделием, и приведен график этой зависимости. Установлено, что электрическая мощность плазмотрона возрастает с увеличением расстояния между изделием и плазмотроном практически по линейному закону.

В работе даны рекомендации по выбору источника питания для плазмотрона, рассмотрены возможные варианты его технологического использования.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

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

2 Основы расчета плазмотронов линейной схемы /М.Ф. Жуков, А.С. Аньшаков. - Новосибирск: ин-т теплофизики СО АНСССР, 1979. - 146с.

3 Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168с.

4 Киселев Ю.Я. Оборудование плазменно-дуговой резки металлов. - Кишинев, 2005. - 56с.

5 Башенко В.В., Соскин Н.А. Электросварочное оборудование. Плазменная и электронно-лучевая обработка: Учеб. пособие. - Л.: ЛПИ, 1989. - 88 с.

6 Электродуговые плазмотроны и источники их питания. Конспект лекций / Сост. В.Л. Дзюба. - Алчевск: ДГМИ, 1993. - 57 с.

7 Промышленное применение низкотемпературной плазмы: Учеб. пособие. - Алчевск: ДГМИ, 1993. - 59 с.