Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет и определение основных характеристик плазмотрона



Реферат

Пояснительная записка к курсовой работе: 29 с., 6 рисунков, 2 приложения, 7 источников.

Объект исследования - электродуговой плазмотрон постоянного тока косвенного действия.

Цель работы - расчёт и определение основных характеристик плазмотрона, выполнение научно-исследовательской работы студента.

Метод исследования - теоретические расчеты электродугового плазмотрона и его характеристик.

Разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчет основных геометрических параметров плазмотрона, исследована зависимость температуры дуги от силы тока, определены вольт-амперные и тепловые характеристики, выбран источник питания.

В результате расчетов получены следующие параметры: сила тока -380 A, напряжение на дуге - 411 B, КПД - 73 %, мощность - 156 кВт, длина разрядного канала- 0,27 м, диаметр разрядного канала- 0,028 м, ресурс работы плазмотрона определяется ресурсом катода - 142 часа.

Данный плазмотрон можно применять в следующих технологических процессах: плазмохимической переработке, и обработке поверхности строительных материалов.

ПЛАЗМОТРОН КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ, РЕСУРС РАБОТЫ, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ, ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ СТУПЕНЧАТЫЙ АНОД, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.



Содержание

Введение

1. Расчетная схема плазмотрона

2. Расчет плазмотрона

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона

2.2 Расчет системы охлаждения

2.2.1 Расчет охлаждения катода

2.2.2 Расчет охлаждения анода

2.3 Расчет ресурса работы электродов

2.3.1 Расчет ресурса работы анода

2.3.2 Расчет ресурса работы катода

• 3. Определение характеристик плазматрона
• 3.1 Вольт-амперные характеристики
• 3.2 Тепловые характеристики
• 4. Выбор источника питания плазматрона
• 5. Технологическое применение плазматрона
• 6. Научно-исследовательская работа студента
• Выводы
• Перечень ссылок
• плазмотрон электрод тепловой амперный


Введение

Устройство, которое служит для генерации низкотемпературной плазмы, получило название плазмотрон. Плазмотроны или генераторы низкотемпературной плазмы, действие которых основано на нагреве газа электрической дугой в ограниченном пространстве, находят все более широкое использование в различных отраслях науки и производства: технике высоких температур, аэродинамике, металлообработке, металлургии, химии и др. Многообразие областей применения и функций, выполняемых плазмотронами, обусловливается их чрезвычайно высокой эффективностью при сравнительно простой конструкции и низкой стоимости.

Плазмотроны получили широкое применение в технике благодаря следующим особенностям:

? высокая экономичность (высокие значения теплового и электрического КПД);

? большой ресурс работы электродов;

? надёжность и устойчивость установки;

? большой диапазон используемых мощностей;

? возможность нагрева любых газов;

? простота автоматизации;

? возможность создания малогабаритных плазмотронов большой мощности [1].

Целью данной работы является расчёт основных геометрических, электрических и тепловых показателей плазмотрона. Исследование вольт-амперных характеристик позволит прогнозировать применимость плазмотрона для его надежного функционирования в других рабочих режимах. В научно-исследовательской работе студента (НИРС) необходимо исследовать зависимость температуры дуги от изменения расхода газа.



1. Расчетная схема плазмотрона

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 = 3000 К;

? расход воздуха G = 30•10^-3 кг/с;

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

? катод - стержневой, вольфрамовый;

? анод - цилиндрический ступенчатый, медный;

? стабилизация дуги - газовихревая;

? защитный газ - аргон, расход аргона G = 0,05•10^-3 кг/с.

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1. Плазмотрон состоит из катодного и анодного узлов, узла подачи газа, защитной вставки. Катодный узел состоит из медного катододержателя и стержневого вольфрамового катода. Анодный узел представляет собой медный анод. 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

Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами [2]:

? критическая скорость при 3000 К ;

? плотность воздуха при 3000 К ;

? начальная энтальпия ;

? конечная энтальпия .

Рассчитаем диаметр выходного электрода до уступа:

(2.1)

Диаметр выходного электрода после уступа:

(2.2)

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

? восходящая ветвь вольтамперной характеристики [1]:

? 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 (см. приложение А), получим следующие характеристики:

? напряжение дуги: В;

? сила тока: А;

? тепловой КПД: %;

? длина разрядного канала: 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)

Аналогично рассчитывается диаметр отверстия в кольце закрутки защитного газа. При расходе защитного газа кг/с, выбранной скорости закрутки м/с и количестве отверстий диаметр отверстия равен:

м. (2.8)

2.2 Расчет системы охлаждения

2.2.1 Расчет охлаждения катода

Расчёт охлаждения катода начинается с определения теплового потока в него от пятна дуги при . Тепловой поток определяем по графику 6.2 [1]:

(2.9)

Задавшись температурным перепадом охлаждающей воды и её температурой на входе , рассчитываем потребный расход воды:

(2.10)

где кДж/кг·К - удельная теплоёмкость воды.

Приняв из конструктивных соображений значение радиуса обоймы меньшим, чем радиус канала выходного электрода, и равным м, находим величину действительной плотности теплового потока на охлаждаемой стенке канала:

Вт/м². (2.11)

Коэффициент надёжности охлаждения принимаем равным . Далее находим критическую плотность теплового потока, на которую должно быть рассчитано охлаждение катода:

(2.12)

Рассчитав среднюю температуру охлаждающей жидкости:

(2.13)

температуру насыщения при давлении Н/м²:

(2.14)

находим величину недогрева воды до температуры кипения (насыщения):

(2.15)

Далее определяем потребную скорость охлаждающей воды в зазоре:

(2.16)

Значения , , определены для Н/м² из графика 9.1 [1].

Выясним, какой режим теплообмена, конвективный или пузырьковый, имеет место при выбранном значении . С этой целью сравним рассчитанную плотность теплового потока с плотностью, соответствующей началу кипения. Для этого определим число Рейнольдса:

(2.17)

где м²/с - кинематическая вязкость воды при температуре 20єС. Гидравлический диаметр принимаем равным , а величину зазора определим из уравнения:

м, (2.18)

м - радиус водопроводящей трубки, выбираем из конструктивных соображений.

В дальнейшем расчёте принимаем м. Для сохранения скорости увеличиваем расход воды на охлаждение катода до величины:

(кг/с),

при этом температурный перепад охлаждающей воды уменьшится до , средняя температура охлаждающей воды станет равной , а величина недогрева воды до температуры кипения станет равной

Так как происходит развитое ламинарное течение. Найдём число Нуссельта:

(2.19)

здесь ? число Прандтля при ;

? число Прандтля при ;

- коэффициент пропорциональности [1].

Зная число Нуссельта, находим коэффициент теплоотдачи:

(2.20)

где ? коэффициент теплопроводности воды при температуре .

Далее определяем плотность теплового потока, соответствующую началу кипения воды:

(2.21)

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:

(2.22)

Ввиду отличия в значениях температуры стенки, заданной в начале расчёта , необходимо сделать второе приближение, приняв за исходную температуру стенки полученное в первом приближении значение .

Рассчитаем число Нуссельта для второго приближения:

(2.23)

где - число Прандтля при .

Тогда коэффициент теплоотдачи равен:

(2.24)

Температура охлаждаемой стенки определяется как:

(2.25)

Это значение близко к принятому в первом приближении. Поэтому на этом тепловой расчёт охлаждения катода можно считать завершённым [1].

2.2.2 Расчет охлаждения анода

Полный тепловой поток в выходной электрод (анод) равен:

(2.26)

Плотность теплового потока в стенку равна:

Вт/м². (2.27)

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

(2.28)

После этого рассчитываем максимально допустимую толщину стенки электрода:

(2.29)

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

Принимаем толщину стенки электрода равной .

Температурный перепад на ней равен:

(2.30)

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

(2.31)

Найдём значение критического теплового потока, выбрав коэффициент надёжности охлаждения :

(2.32)

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

(2.33)

Недогрев воды при Н/м² равен:

(2.34)

Потребная скорость охлаждающей воды равна:

(2.35)

а секундный расход воды через рубашку охлаждения:

(2.36)

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

(2.37)

Принимаем .

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

Число Рейнольдса равно:

(2.38)

что соответствует ламинарному течению. Здесь м/с при t = 30^ОС.

Определяем число Нуссельта:

,

(2.39)

здесь - число Прандтля при ;

- число Прандтля при ;

- коэффициент пропорциональности [1].

Зная число Нуссельта, находим коэффициент теплоотдачи:

(2.40)

Значение коэффициента теплопроводности воды равно: при температуре .

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

(2.41)

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:

(2.42)

Зная , найдем температуру внутренней (рабочей) поверхности электрода:

(2.43)



2.3 Расчет ресурса работы электродов

2.3.1 Расчет ресурса работы анода

Объём эрозированного материала равен:

(2.44)

Длину зоны примем равной м, глубину зоны м.

При этих условиях время непрерывной работы анода составит:

часов. (2.45)

Здесь принято: кг/м³ - плотность меди, кг/Кл - удельная эрозия медного электрода, A.

2.3.2 Расчет ресурса работы катода

В качестве материала катода выбираем вольфрам, защищаемый аргоном от воздействия воздуха.

Диаметр катодной вольфрамовой вставки определяется по формуле:

(2.44)

Принимаем диаметр катодной вставки

м.

В предположении равномерного выгорания торца вольфрамовой вставки под пятном дуги на глубину м, при диаметре дуги, равном , где м·А^0,5 - для аргона, при величине удельной эрозии кг/Кл время непрерывной работы катода составит:

, (2.45)

где - плотность вольфрама.

С целью надёжной защиты вольфрамового стержня от воздействия кислорода воздуха внутренний диаметр межэлектродной защитной вставки и её длина принимаются, исходя из опыта, равным



3. Определение характеристик плазмотрона

3.1 Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ) - это зависимость напряжения от силы тока при постоянстве геометрических размеров электродуговой камеры, расхода газа, его давлении в характерном сечении и других определяющих параметров. Для плазмотронов с длиной дуги, меньшей длины самоустанавливающейся, ВАХ имеет как участок падающей зависимости напряжения от силы тока (при низких токах, когда длина дуги становится равной длине самоустанавливающейся), так и восходящий участок (когда рабочая длина дуги становится меньше длины самоустанавливающейся). Рабочим участком является восходящая ветвь ВАХ.

Восходящий участок описывается уравнением (2.3). ВАХ данного плазмотрона представлена на рис. 3.1:

Рисунок 3.1 Вольт-амперные характеристики плазмотрона

Данные кривые построены для трёх расходов рабочего газа в диапазоне изменения тока от 266 до 494 А.

3.2 Тепловые характеристики

Кривая, показывающая зависимость теплового КПД от силы тока при остальных неизменных параметрах, описывается 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 266 до 494 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

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 266 до 494 А.

Рисунок 3.4 Зависимость теплового потока в катод от силы тока



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

В качестве такого источника выбран ИП типа ВУЦ - 630/1У4-1, у которого номинальная сила тока составляет 630 А, номинальное напряжение 1кВ и мощность 630 кВт. Данный источник состоит из силового блока, блока фазового управления (БФУ) и блока автоматической стабилизации тока (АСТ). Силовой блок выполнен по мостовой схеме выпрямителя. Выпрямитель снабжен обратной связью по току, сигнал которого снимается с трансформаторов тока и поступает в АСТ, где он выпрямляется. Сигнал рассогласования между заданием и обратной связью по току поступает в БФУ, в результате чего происходит увеличение или уменьшение угла открывания тиристоров, т.е. регулирование тока нагрузки в заданном диапазоне. Наличие обратной связи по току позволяет сформировать падающие внешние вольт-амперные характеристики выпрямителя.

5. Технологическое применение плазмотрона

В наше время для развития науки и техники во многих случаях существует потребность в обеспечении достаточно высоких и стабильных температур. Наиболее удобно использовать для их получения плазменное оборудование. 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 и т.д. В настоящее время возникла острая проблема по переработке бытовых, органических и промышленных отходов и данный плазмотрон подходит для использования в этом направлении. Еще одно преимущество плазменной утилизации отходов - это возможность создания экологически чистого, безотходного процесса. Отходы, поступающие в реактор, сжигаясь, выделяют газы, которые возможно использовать как добавки к плазмообразующему газу, таким образом, делая замкнутый цикл. Из остатков сгоревших отходов с помощью различных химических реакций возможно выделение так же полезных элементов. На таком принципе построено и успешно эксплуатируются мусоросжигательные заводы в Европе, где из продуктов реакции выделяют редкоземельные металлы, а также такие редкие химические элементы как скандий и гадолиний.

Также данный плазмотрон может найти применение в металлургии, производстве огнеупоров, плазмохимической переработки угля и различных других технологических процессах.



6. Научно-исследовательская работа студента

Темой научно-исследовательской работы является исследование зависимости температуры плазменной струи от расхода рабочего газа.

Считаем постоянными и известными величинами начальную энтальпию , давление воздуха на выходе из плазмотрона, длину и диаметр разрядного канала плазмотрона. Для простоты расчета будем также считать силу тока постоянной величиной. Это возможно, так как в реальных условиях данную величину можно поддерживать равной какому-либо определенному значению.

Зависимость температуры струи от расхода рабочего газа будем исследовать при трех различных силах тока: ,, .

Для нахождения зависимости воспользуемся системой следующих уравнений:

? вольт-амперной характеристики плазмотрона:

(6.1)

? теплового КПД плазмотрона:

(6.2)

? энергии истекающей струи:

(6.3)

которая позволит определить сначала зависимость энтальпии на выходе из плазмотрона от расхода рабочего газа, а затем переведем полученные значения энтальпии в соответствующие ей значения температуры [1].

Решая систему относительно каждого из значений сил тока , , , найдем для различных расходов газа величины энтальпии на выходе из плазмотрона , которые переведем в температуру (таблица 6.1).

Таблица 6.1

Зависимость энтальпии и температуры плазменной струи от расхода рабочего газа

0,021	4,6	3200	5,5	3450	6,3	3650
0,023	4,4	3110	5,3	3380	6	3550
0,025	4,2	3050	5	3300	5,8	3500
0,027	4	2990	4,9	3270	5,6	3450
0,029	3,9	2950	4,7	3200	5,4	3400
0,031	3,7	2860	4,5	3150	5,2	3350
0,033	3,6	2800	4,4	3100	5	3290
0,035	3,5	2780	4,2	3060	4,8	3260
0,037	3,4	2710	4,1	3010	4,7	3210
0,039	3,3	2680	4	2990	4,6	3120

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

Рисунок 6.1 Кривые зависимости температуры плазменной струи от расхода рабочего газа

Из графиков видно, что с ростом расхода рабочего газа температура плазменной струи уменьшается. Это связано с тем, что чем меньше расход газа, тем быстрее он прогревается, а при увеличении расхода, газ не успевает прогреться до такой же высокой температуры.



Выводы

В данной курсовой работе рассчитан плазмотрон косвенного действия со следующими характеристиками: напряжение на дуге 411 В, ток дуги 380 А, тепловой КПД 73%, мощность плазмотрона составляет около 156 кВт. Рабочий газ - воздух, начальная температура которого составляет 300 К, конечная - 3000 К. Катод - стержневой, вольфрамовый. Анод - медный, с уступом. Ресурс работы плазмотрона - 143 часа. 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 ВУЦ - 630/1У4-1, описаны его основные характеристики и устройство.

Рассмотрены возможные варианты его технологического использования, например, при переработке различных отходов, в металлургии, производстве огнеупоров, плазмохимической переработки угля и различных других технологических процессах.

В научно-исследовательской работе студента была исследована зависимость температуры плазменной струи от расхода рабочего газа, приведена таблица расчетных данных зависимости и изображен соответствующий график. Установлено, что с ростом расхода рабочего газа, температура плазменной струи уменьшается.



Перечень ссылок

1. Коротеев А. С., Миронов В. М., Свирчук В. С. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет. М.: Машиностроение, 2012. 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, 146 с.

4. Дзюба В. Л., Корсунов К. А. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы: Монография. Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2010. 448 с.

5. Дзюба В.Л. Промышленное применение низкотемпературной плазмы: Учеб. пособие. Алчевск: ДГМИ, 2011. 59 с.

Размещено на Allbest.ru

...