Расчет и определение основных характеристик плазмотрона электродуговой косвенного действия с полым цилиндрическим катодом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Расчет и определение основных характеристик плазмотрона электродуговой косвенного действия с полым цилиндрическим катодом



Содержание

ионизированный сварка плазмотрон электрод

Введение

1. Расчетная схема плазмотрона

2. Расчет плазмотрона

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров разрядного канала

2.2 Расчет системы охлаждения

2.3 Расчет ресурса работы электродов

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

Список литературы



Введение

Методы применения потока ионизированной плазмы в качестве источника энергии при сварке начали внедряться еще в 50-х годах прошлого столетия, но только в последнее время нашли свое широкое применение. Процесс основан на ионизации плазменного газа с помощью электрической дуги и его фокусировании с помощью специальной конструкции наконечника плазмотрона. Одной из наиболее перспективных обработок является плазменная технология, интенсивно разрабатываемая как в нашей стране, так и за рубежом. Использование низкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов и сплавов, напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытий резки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочнения различных изделий. Плазменные процессы охватывают как многотоннажное производство, так и производство небольших количеств специальных веществ и материалов, применяемых в новой технике.

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 концентрация энергии в малом объёме, открывает возможность использовать ее в металлургических процессах. Применение плазмы позволяет значительно ослабить проблему создания специальных огнеупоров, повысит чистоту получаемого продукта. К плазмотронам предъявляются следующие требования:

большой ресурс работы электродов;

надежность и устойчивость электродуговой установки;

большой диапазон используемых мощностей;

возможность нагрева любых технологически необходимых газов;

высокая энергетическая эффективность;

стабильность параметров плазменного потока;

большая длительность непрерывной работы;

простота обслуживания.

Целью данной работы является расчёт основных геометрических, электрических и тепловых показателей плазмотрона косвенного действия. В научно-исследовательской работе студента (НИРС) необходимо исследовать изменение ресурса работы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода на стержневой.

Плазмотроны косвенного действия широко применяются для напыления, закалки, поверхностного упрочнения деталей, обработки поверхности строительных материалов и различных плазмохимических процессов.



1. Расчетная схема плазмотрона

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

рабочий газ - воздух;

начальная температура воздуха К;

конечная температура воздуха К;

расход воздуха кг/с;

давление рабочего газа (воздуха) на выходе из плазмотрона Па.

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1. Основными узлами рассматриваемого плазмотрона являются катодный и анодный узел, узел подачи рабочего газа. Катодный узел 1 состоит из полого цилиндрического катода, выполненного из меди. Анодный узел 2 представляет собой цилиндрический полый медный анод. Узел подачи рабочего газа 3 обеспечивает газовихревую стабилизацию дуги. Определению подлежат следующие параметры: рабочие значения тока и напряжение дуги , тепловой коэффициент полезного действия , диаметр отверстий для подачи рабочего газа, геометрические размеры разрядного канала, анода и катода, обеспечивающие необходимый ресурс работы, расход воды на охлаждение узлов плазмотрона.

Рисунок 1. Расчетная схема плазмотрона



2. Расчет плазмотрона

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров разрядного канала

Для расчета размеров плазмотрона будем учитывать следующие параметры:

критическая скорость звука при 4200 К ;

критическая плотность воздуха при 4200 К ;

начальная энтальпия ;

конечная энтальпия .

При расчете данного типа плазмотрона целесообразно использовать следующую систему уравнений:

вольт-амперной характеристики плазмотрона:

(2.1)

теплового КПД плазмотрона:

(2.2)

энергии истекающей струи:

(2.3)



мощности, вкладываемой в дугу:

(2.4)

Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести еще два условия, устанавливающие взаимосвязь между искомыми параметрами. Одно из них, вытекающее из опыта работы с электродуговыми нагревателями воздуха, определяет, что при температуре истекающей струи и давлении , относительная длина выходного электрода принимается равной . Второе условие определяет отсутствие теплового запирания в канале цилиндрического электрода. С этой целью внутренний диаметр электрода выбирается на 10-30% больше критического. В данном расчете принимается

Тогда, диаметр разрядного канала рассчитывается по формуле:

(2.5)

Решая полученную систему уравнений с помощью программы MathCAD (см. приложение А), получим следующие характеристики:

- напряжение дуги ;

- сила тока ;

- тепловой КПД ;

- длина разрядного канала ;

- мощность плазмотрона .

Условно длину разрядного канала разобьем на две составляющие: длину катода и длину анода .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 воздуха на выходе из отверстий кольца закрутки в пределах . Принимаем скорость воздуха на выходе , плотность воздуха при нормальных условиях . Так как осуществляется распределенный вдув газа через 4 кольца закрутки, то для расчета диаметра отверстий берем расход газа равным .

(2.6)

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

Подставив численные значения, получим:

(2.7)

2.2 Расчет системы охлаждения

Расчёт охлаждения катода.

Расчет охлаждения катода начинается с определения теплового потока в него от пятна дуги при .

(2.8)

где - катодное падение потенциала дуги;

- работа выхода электрона из материала (меди).

Подставим численные значения в (2.8). Получим:

(2.9)

Удельная плотность теплового потока в стенку катода рассчитывается по формуле:

(2.10)

Найдём температуру насыщения при давлении :

(2.11)

Для дальнейшего расчета нам необходимо принять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения воды при давлении , . Определим максимально допустимый перепад температуры на стенке медного катода по формуле:

(2.12)

где - температура плавления меди.

Максимально допустимая толщина стенки электрода, при которой достигается этот перепад:

(2.13)

Из расчета видно, что в случае медных электродов толщина стенки может быть очень большой. На практике толщина медной стенки выбирается гораздо меньшей. Поскольку при меньшей толщине 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. Примем толщину , что вполне обеспечивает и прочность стенки, и ресурс непрерывной работы. Определим действительный перепад на ней:

(2.14)

Приняв начальную температуру охлаждающей воды , перепад температур в рубашке охлаждения катода , определим секундный расход воды, необходимый для охлаждения электрода:

(2.15)

где - удельная теплоемкость воды.

Средняя температура охлаждающей воды:

(2.16)

Рассчитаем величину недогрева воды до температуры кипения (насыщения):

(2.17)

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



(2.18)

где - внешний диаметр катода.

Коэффициент надёжности охлаждения принимаем . Выбор такого значения, как будет видно из дальнейшего расчёта, связан с необходимостью получения конструктивно приемлемых значений зазора. Далее находим критическую плотность теплового потока, на которую должно быть рассчитано охлаждение катода:

(2.19)

Далее, определяем необходимую скорость охлаждающей воды в зазоре, для чего зададимся необходимыми константами:

(2.20)

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

(2.21)

Исходя из конструктивных соображений, примем величину водяного зазора равной . Для сохранения скорости потока , увеличиваем расход воды до значения , при этом температурный перепад охлаждающей воды уменьшится до , а средняя температура охлаждающей воды станет равной .Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима ее охлаждения найдем значения определяющих критериев , , .

Число Рейнольдса равно:

(2.22)

где - кинематическая вязкость воды при .

Полученное число Рейнольдса говорит о режиме развитого турбулентного течения. Исходя из этого и из табличных данных критериев числа Прандтля для соответствующих температур, найдём число Нуссельта:

(2.23)

где - число Прандтля при ;

- число Прандтля при ;

- коэффициент пропорциональности.

Зная число Нуссельта, найдем коэффициент теплоотдачи:

(2.24)

где - коэффициент теплопроводности воды при температуре .

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

(2.25)

Поскольку , то охлаждение стенки при выбранном определяется конвективным турбулентным теплообменом. Температура охлаждаемой стенки равна в этом случае:

(2.26)

Ввиду большого отличия в значениях температуры стенки, заданной в начале расчета () и вычисленной в первом приближении , необходимо сделать второе приближение, приняв за исходную температуру стенки полученное в первом приближении значение .

Рассчитаем число Нуссельта для второго приближения:

(2.27)

где - число Прандтля при .

Коэффициент теплоотдачи станет равным:

(2.28)



Вычислим теперь плотность теплового потока, соответствующую началу кипения:

(2.29)

В случае, когда , температура охлаждаемой стенки определяется как:

(2.30)

что уже близко к принятому во втором приближении значению. На этом тепловой расчет охлаждения катода завершается.

Расчет охлаждения анода.

Полный тепловой поток в анод равен:

(2.31)

где - мощность плазмотрона.

Плотность теплового потока в стенку электрода рассчитывается по формуле:

(2.32)

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



(2.33)

где - удельная теплоемкость воды.

Средняя температура охлаждающей воды:

(2.34)

Определим недогрев воды до температуры кипения:

(2.35)

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

(2.36)

где - внешний диаметр анода, равный внешнему диаметру катода.

Коэффициент надёжности охлаждения принимаем . Выбор такого значения, как будет видно из дальнейшего расчёта, связан с необходимостью получения конструктивно приемлемых значений зазора. Далее определим критическую плотность теплового потока, на которую должно быть рассчитано охлаждение анода:

(2.37)



Найдем необходимую скорость охлаждающей воды в зазоре, для чего зададимся следующими константами:

(2.38)

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

(2.39)

Исходя из конструктивных соображений, примем величину водяного зазора равной . Для сохранения скорости потока , увеличиваем расход воды до значения , при этом температурный перепад охлаждающей воды уменьшится до , а средняя температура охлаждающей воды станет равной .Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима ее охлаждения вычислим значения определяющих критериев , , .

Число Рейнольдса равно:

(2.40)



где - кинематическая вязкость воды при .

Полученное число Рейнольдса говорит о режиме развитого турбулентного течения. Исходя из этого и из табличных данных критериев числа Прандтля для соответствующих температур, определим число Нуссельта:

(2.41)

где - число Прандтля при ;

- число Прандтля при ;

- коэффициент пропорциональности.

Зная число Нуссельта, найдем коэффициент теплоотдачи:

(2.42)

где - коэффициент теплопроводности воды при температуре .

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

(2.43)



Поскольку , то охлаждение стенки при выбранном определяется конвективным турбулентным теплообменом. Температура охлаждаемой стенки равна в этом случае:

(2.44)

2.3 Расчет ресурса работы электродов

Оба электрода имеют одинаковую полую цилиндрическую форму и сделаны из одного и того же материала (меди), поэтому их ресурс работы будет одинаков. Длина эрозированной зоны в гладком цилиндрическом канале определяется крупномасштабным шунтированием. При работе на воздухе она равна . Форму эрозионной поверхности электродов для простоты расчета представим в виде разностороннего треугольника, основание которого равно размаху крупномасштабного шунтирования, а высота - допустимой (из прочностных соображений) выработке толщины стенки электрода. Примем длину эрозированной зоны , а глубину допустимой выработки . Тогда объем эрозированного материала будет равен:

(2.45)

Подставив численные значения, получим:

(2.46)

В случае медных электродов масса уносимого материала равна:



(2.47)

где - плотность меди.

При удельной эрозии медных электродов, равной

(2.48)

время работы электродов составит:

(2.49)



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 (рисунок 2). Для плазмотронов с гладким выходным электродом ВАХ имеет падающий вид и описывается следующим уравнением:

(3.1)

Рисунок 2. Вольт-амперные характеристики плазмотрона

3.2 Тепловые характеристики

Качество плазмотронов определяется главным образом эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую, а это в большой степени зависит от организации процесса взаимодействия нагреваемого газа с охлаждаемыми стенками электродуговой камеры. Эта информация становится особенно важной, когда среднемассовые температуры потока начинают значительно превышать температуры плавления самых жаропрочных материалов. Кривая, описывающая зависимость КПД от силы тока дуги имеет падающий характер (рисунок 3). Это объясняется тем, что при росте тока резко начинают расти тепловые потери на катоде и аноде, что в свою очередь приводит к уменьшению теплового КПД. Зависимость теплового КПД от силы тока при остальных неизменных параметрах определяется выражением:

(3.2)

Рисунок 3. Зависимость теплового КПД плазмотрона от силы тока

Графики зависимости теплового потока в катод и анод от силы тока изображены соответственно на рисунках 4 и 5. Исследования показали, что потери тепла в стенку канала плазмотрона на начальном его участке обусловлены, в основном, излучением столба дуги, тогда как на переходном и особенно на турбулентном участках потери тепла в стенку определяются главным образом конвективной теплопередачей. Зависимость теплового потока в катод от силы тока определяется следующим выражением:

(3.3)



где - катодное падение потенциала дуги;

- работа выхода электрона из материала катода.

Рисунок 4. Зависимость теплового потока в катод от силы тока

Зависимость теплового потока в анод от силы тока находится по формуле:

(3.4)

Рисунок 5. Кривые зависимости теплового потока в анод от силы тока

Кривые расположены таким образом, что при большем расходе газа тепловой поток в анод увеличивается. Это обусловлено тем, что с ростом расхода газа напряжение увеличивается быстрее, чем уменьшается разность .



4. Выбор источника питания плазмотрона

В момент запуска и процесса работы плазмотрона главную роль играет источник питания, который должен обеспечивать не только устойчивые рабочие вольт-амперные характеристики плазмотрона, но и обеспечить достаточное напряжение для пробоя, необходимого для запуска плазмотрона. Поэтому напряжение холостого хода источника питания должно быть больше рабочего напряжения дуги плазмотрона. Как было рассчитано ранее, рабочее напряжение на дуге плазмотрона составляет 88 В, сила тока - 318 А. Принимаем коэффициент запаса по напряжению равным 1,2. Тогда напряжение холостого хода источника питания составит:

(4.1)

Наиболее подходящим является источник питания, выпускаемый Степановским электроаппаратным заводом ВПР-401. Это управляемый выпрямитель, который предназначен для получения постоянного напряжения для питания плазмотрона. Выбранный источник питания обеспечивает номинальные напряжение и силу тока .



5. Технологическое применение плазмотрона

На современном этапе развития науки и техники во многих случаях существует потребность в обеспечении достаточно высоких и стабильных температур. Наиболее удобно использовать для их получения плазменное оборудование. Рассчитанный плазмотрон может быть использован для самых различных технологических процессов. Плазмотрон можно использовать для поверхностной плазменной обработки металлов, что особенно важно при обработке закаливающихся сталей, для плазменного напыления. Для напыления применяют дугу косвенного действия. Плазменным напылением с соответствующим подбором порошковых или проволочных материалов можно создавать покрытия с заданными эксплуатационными свойствами: износостойкие, антикоррозионные, жаростойкие, электроизоляционные.

Преимуществами плазменного напыления являются высокая однородность, прочность сцепления с основой и высокая производительность, достигаемые за счет высокой скорости частиц, а также отсутствие перемешивания материалов покрытия и основы. При напылении небольших деталей из-за низкого коэффициента использования материалов способ не эффективен. В установках плазменного напыления используется преимущественно азот и другой наиболее доступный и дешевый газ. Хорошее качество покрытий достигается при напылении в среде аргона в смеси с водородом. Большинство плазмотронов для напыления работает на постоянном токе прямой полярности, так как имеют при этом высокий КПД использования по мощности.

Ещё одним возможным применением плазмотрона является плазменная обработка поверхности строительных материалов. Она заключается в оплавлении и напылении лицевой поверхности. В этом случае плазменная струя является не только источником тепловой энергии, но и обеспечивает протекание различных физико-химических процессов в контактной зоне. Например, при обработке бетона его поверхность приобретает светло-зелёную окраску. Для получения поверхности другого цвета в плазменную струю подают соответствующие окислы металлов, которые и напыляются на бетон.



6. Научно-исследовательская работа студента

Темой научно-исследовательской работы является исследование изменения ресурса работы катода при условии замены цилиндрического полого катода на стержневой. Рассчитаем для начала ресурс работы термохимического циркониевого катода. При токе , диаметр катодной вставки будет равен , а ее длина .Опыт работы с термохимическими циркониевыми катодами показывает, что нецелесообразно допускать глубину выработки вставки более . При большей глубине начинается заметная эрозия уже самой медной обоймы, обусловленная усилением теплового воздействия столба дуги, углубляющегося в тело катода. В этом случае, при величине удельной эрозии циркония , время работы катода составит:

(6.1)

где ? плотность циркония.

Теперь определим ресурс работы для вольфрамового катода, защищаемого аргоном от воздействия воздуха.

Диаметр катодной вольфрамовой вставки определяется по формуле:

(6.2)

С учетом рекомендаций для вольфрамовых катодов, принимаем диаметр вольфрамовой вставки . Длина вставки определяется из условия удобства и качества заделки ее в обойму, но не более одного диаметра. При токе , как показывает опыт, длину достаточно выбрать равной .

Диаметр пятна дуги определяется по формуле:

(6.3)

где - для аргона.

В предположении равномерного выгорания торца вольфрамовой вставки под пятном дуги на глубину , при диаметре пятна дуги, равном , вычисленном по формуле (6.3), и величине удельной эрозии вольфрама время непрерывной работы катода составит:

(6.4)

где - плотность вольфрама.

Расчет показал, что при работе плазмотрона с полым цилиндрическим медным катодом ресурс работы составляет , используя термохимический циркониевый катод, ресурс работы будет равен , а если катод будет вольфрамовым с аргоновой защитой, тогда ресурс станет равным .Исходя из этого, в случае долговременной работы плазмотрона, целесообразно применять вольфрамовый катод. При этом необходимо обеспечивать защиту такого катода от воздействия агрессивного воздуха дополнительным газом - аргоном.



Выводы

В данной курсовой работе выполнены расчеты плазмотрона с двухсторонним истечением, в результате которых определены его основные характеристики: сила тока , напряжение на дуге , КПД , мощность , длина разрядного канала , ресурс работы электродов . Рабочий газ - воздух, начальная температура которого составляет 300 К, конечная - 4200 К. Анод - медный цилиндрический полый, катод - медный цилиндрический полый. В данной работе приведены рекомендации, касающиеся выбора источника питания для плазмотрона. Источник питания должен обеспечивать номинальные напряжение и силу тока .

Рассмотрены возможные варианты целесообразного технологического применения плазмотрона, в частности, для напыления и поверхностной обработки материалов. В научно-исследовательской работе студента было исследовано изменение ресурса работы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода на стержневой. Установлено, что в случае использования вольфрамового катода с аргоновой защитой ресурс работы значительно возрастает до 107 ч.



Список литературы

1. Основы расчета плазмотронов линейной схемы / Под ред. М.Ф. Жукова. - Новосибирск: Институт теплофизики, 2009. - 146 с.

2. Дзюба В.Л. Промышленное применение низкотемпературной плазмы: Учеб. пособие. - Алчевск: ДГМИ, 2010. - 59 с.

3. Электродуговые и высокочастотные плазмотроны в химико-металлургических процессах / В.Л. Дзюба, Г.Ю. Даутов, И.Ш. Абдуллин. - К.: Вища шк., 1991. -170 с.

4. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Наука, 2012. - 720 с.

5. Электродуговые нагреватели газов (плазмотроны) / М.Ф. Жуков, В.Я. Смоляков, Б.А. Урюков. - М.: Наука, 2009 . - 232 с.

6. Fluid Properties Calculator [Электронный ресурс] / Расчет теплофизических свойств веществ -- Электрон. дан. -- Режим доступа: http://www.mhtl.uwaterloo.ca/old/onlinetools/airprop/airprop.html, свободный. -- Загл. с экрана.

7. Электродуговые плазмотроны и источники их питания. Конспект лекций / Сост. В.Л. Дзюба. - Алчевск: ДГМИ, 2010. - 57 с.

Размещено на Allbest.ru

...