Расчет плазмотрона и определение его характеристик

Министерство образования и науки Украины КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине «Проектирование и эксплуатация плазменного технологического оборудования»

На тему «Расчет плазмотрона и определение его характеристик»

Вариант № 1

Алчевск 2009 г.

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к курсовой работе: 24 с., 4 рис., 1 таблица, 5 источников.

Объект исследования — электродуговой плазмотрон постоянного тока косвенного действия.

Цель работы — определение основных характеристик плазмотрона.

Метод исследования — теоретические расчеты электродугового плазмотрона, его вольтамперной и тепловой характеристик.

Разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчет основных геометрических параметров плазмотрона, исследовано влияние длины разрядного канала на тепловой КПД, определена вольт-амперная и тепловая характеристики, выбран источник питания.

В результате расчетов получены следующие параметры: сила тока — 340 A, напряжение на дуге — 225 B, КПД — 0,44, мощность — 76 кВт, ресурс работы плазмотрона составляет 9.4 часа.

Данный плазмотрон можно применять в следующих технологических процессах: плазменное напыление, модификация поверхности материалов, упрочнения поверхностей, закалка поверхностей, плазменная обработка строительных материалов.

ПЛАЗМОТРОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ, РЕСУРС РАБОТЫ, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

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 плазмотрона

2.3.1 Расчет ресурса работы катода

2.3.2 Расчет ресурса работы анода

3 Определение характеристик плазмотрона

4 Выбор источника питания плазмотрона

5 Технологическое применение плазмотрона

6 Научно-исследовательская работа студента Выводы Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития науки и техники во всех развитых странах с серьезным размахом проводится исследование по применению низкотемпературной плазмы в машиностроении, химии, металлургии, медицине и других отраслях промышленности. Плазменные процессы охватывают как широкомасштабное конвейерное производство, так и производство небольших количеств специальных веществ и материалов, применяемых в новейшей технике.

В основе современного представления о возможности широкого и эффективного использования электродуговых плазмотронов в промышленности лежат следующие достоинства: большой ресурс работы электродов, надежность и устойчивость электродуговой установки, большой диапазон используемых мощностей, возможность нагрева любых технологически необходимых газов.

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 её в металлургических процессах. Применение плазмы позволит значительно ослабить проблему создания специальных огнеупоров, повысит чистоту получаемого продукта и т. д.

Принцип действия плазмотрона основан на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие формы энергии в электрических разрядах. В зависимости от назначения плазмотрона для генерации плазмы могут быть использованы электрическая дуга, высокочастотный, сверхвысокочастотный и тлеющий разряд. В данной работе рассматривается дуговой плазмотрон.

Электродуговой плазмотрон является эффективным устройством, предназначенным для нагрева различных газов до высоких температур. Плазмотроны позволяют реализовать новые идеи и технологии, связанные с применением горячего газа, в различных областях науки и техники.

Источником нагрева газа в плазмотроне является электрическая дуга, которая питается от источника постоянного или переменного тока. В настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе. Такая ситуация обусловлена тем фактором, что дуга постоянного тока горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. Действительно, протекающий через дугу переменный электрический ток два раза за период проходит через нуль. Иными словами, можно считать, что дуга периодически погасает и зажигается вновь. Поэтому для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо обеспечить условия для ее повторного зажигания после перехода тока через нуль. Самым распространенным способом обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока является включение последовательно с дугой катушки индуктивности (реактора). Однако в плазмотронах всегда имеется дополнительный фактор, усугубляющий проблему устойчивого горения дуги это поток нагреваемого газа, который воздействует на дугу и затрудняет ее устойчивое горение в плазмотронах как постоянного тока, так и, в еще большей степени, в плазмотронах переменного тока.

Проанализировав все достоинства и недостатки использования плазмотронов с различным типом тока, можно сделать вывод, что при прочих равных условиях более предпочтительным в использовании является плазмотрон постоянного тока. В данной курсовой работе производится исследование плазмотрона постоянного тока.

Плазмотрон косвенного действия на постоянном токе широко применяется в химической промышленности для получения различных соединений, в металлургической промышленности для высокотемпературной обработки металла, для обработки поверхности строительных материалов путем оплавления и напыления.

Цель данной работы — рассчитать плазмотрон на основании имеющегося задания. По исходным данным необходимо рассчитать основные характеристики плазмотрона, по которым можно будет судить о его назначении. Зная основные параметры плазменной дуги, а также такие характеристики, как тепловой коэффициент полезного действия, условия устойчивой работы на основе расчета системы охлаждения, можно будет выяснить специфику технологического применения плазмотрона, его потенциальной возможности использования в том или ином производственном процессе. Исследование вольтамперных и тепловых характеристик позволит прогнозировать применимость плазмотрона для его надежного функционирования в других рабочих режимах. В научно исследовательской работе студента (НИРС) необходимо исследовать влияние длины разрядного канала на величину теплового КПД.

1 РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ПЛАЗМОТРОНА В данной работе необходимо произвести расчеты плазмотрона косвенного действия, рабочий газ — воздух, начальная температура воздуха (на входе) Т₁=300К, конечная температура воздуха (на выходе) Т₂=6000К, расход воздуха G=2,2•10^-3 кг/с, давление воздуха на выходе из плазмотрона p=10⁵ Па.

Катод — стержневой.

Анод — цилиндрический гладкий.

Стабилизация дуги — газовихревая.

Требуется определить следующие параметры: рабочие значения напряжения U и тока I, тепловой коэффициент полезного действия ?, геометрические размеры электродуговой камеры (l, d) и катода, обеспечивающие достаточно высокий ресурс работы системы.

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1.

Плазмотрон состоит из катода 1, катододержателя 2, системы подачи рабочего газа 3, анода 4.

2 РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами

— критическая скорость звука при 6000 К м/с;

— критическая плотность воздуха при 6000 К кг/м³;

— начальная энтальпия Дж/кг;

— конечная энтальпия Дж/кг.

При расчете параметров плазмотрона воспользуемся следующими уравнениями:

— вольтамперной характеристики

(2.1)

— теплового КПД плазмотрона

(2.2)

— энергии истекающей струи

(2.3)

Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести ещё одно условие, устанавливающие взаимосвязь между искомыми параметрами. Это условие определяет отсутствие теплового запирания в канале цилиндрического электрода. С этой целью внутренний диаметр электрода выбирается на 10−30% больше критического. В нашем расчете примем .

Тогда мы можем рассчитать диаметр разрядного канала плазмотрона по следующей формуле

(2.4)

Решая полученную систему уравнений с помощью MathCAD, получим Таким образом, получили следующие характеристики: сила тока — 340А, напряжение дуги — 225 В, тепловой КПД — 44%. Мощность рассчитанного плазмотрона составляет 76 кВт.

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.

При начальной температуре воздуха К, Н/м², кг/м³, выбранной тангенциальной составляющей скорости м/с, суммарная площадь отверстий составит м². при количестве отверстий равном 8, диаметр каждого из них будет равен м.

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=340А

Вт. (2.5)

Задавшись из конструктивных соображений значением радиуса обоймы не меньшим, чем радиус канала катода, и равным r₁=6•10^-2 м, найдем величину действительной плотности теплового потока на охлаждаемой стенке катода

Вт/м² (2.6)

Коэффициент надежности охлаждения примем равным К_охл=13. далее находим критическую плотность теплового потока, на которую должно быть рассчитано охлаждение катода Вт/м². (2.7)

Задавшись начальной температурой охлаждающей воды t_вх=20?С, перепадом температур в рубашке охлаждения катода? t=4?С, и давлением воды в ней р=5•10⁵ Н/м² определяем секундный расход воды, необходимый для охлаждения катода

кг/с (2.8)

После этого рассчитываются: средняя температура охлаждающей воды t_f=20+4/2=22?С и температура насыщения t_вн

?С, а величина недогрева воды до температуры кипения (насыщения)

?С Далее определяем потребную скорость охлаждающей воды в зазоре

м/с. (2.9)

Значения v_в0=0.15 м/с, q_в0=1.3•10⁶ Вт/м², Б=0.013 К^-1 определены для р=5•10⁵ Н/м².

Выясним, какой режим теплообмена имеет место при выбранном значении К_охл — конвективный или пузырьковый. С этой целью сравним рассчитанную плотность теплового потока с плотностью, соответствующей началу кипения. Определим число Рейнольдса где ?=0.96•10⁶ м²/с (для t=22?C); d_r=2•?_в=2•1•10^-3=2•10^-3 м.

Величина зазора ?_в определяется из уравнения

м.

Величина r_тр (радиус водопроводящей трубки) выбрана из конструктивных соображений.

Принимаем ?_в=1•10^-3 м. Для сохранения скорости потока v_в=26 м/с увеличиваем расход воды до значения G_в=0.83 кг/с. При этом температурный перепад охлаждающей воды уменьшится до? t=0.3?C, а средняя температура охлаждающей воды станет равной t_f?21?C.

Течение воды в рубашке охлаждения соответствует развитому турбулентному течению. Следовательно, расчет теплоотдачи будем производить по следующей формуле

(2.10)

Для охлаждающей воды при температурах t_f=21?C и t_w=149?C числа Pr_ж и Pr_w имеют значения 6.9 и 1.18 соответственно.

Зная число Нуссельта, находим коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²•К) Здесь ?_ж=0.6 Вт/(м•К) для t_f=21?C.

Далее вычисляется плотность теплового потока, соответствующая началу кипения

Вт/м². (2.11)

Поскольку q_нк>q_w, то охлаждение стенки обусловлено конвективным теплообменом. Температура стенки равна

?C. (2.12)

Ввиду большого различия в значениях температуры стенки, заданной в начале расчета и вычисленной в первом приближении, расчет охлаждения повторяем, принимая за исходную температуру стенки уже рассчитанное значение t_w=42?C.

Для воды при температуре t_w=42?C во втором приближении находим, что число Pr_w=2.6. В этом случае, число Нуссельта, рассчитанное по (2.10), равно, а коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²•К) Полученные данные позволяют рассчитать плотность теплового потока, соответствующего началу кипения

Вт/м²

т.е. q_нк>q_w и температура охлаждаемой стенки определяется как

?C

что уже близко к принятому во втором приближении значению. Поскольку большей точности не требуется, то на этом значении t_w можно остановиться.

2.2.2 Расчет охлаждения анода Полный тепловой поток в выходной электрод определяется по формуле Вт, (2.13)

а плотность теплового потока в стенку электрода будет равна

Вт/м². (2.14)

Принимаем температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения воды t_вн при давлении 5•10⁵ Н/м², т. е. t_w=149?C, и определяем максимально допустимый температурный перепад на стенке медного электрода электродуговой плазмотрон вольтамперный расчет

?C

После этого рассчитываем максимально допустимую толщину стенки электрода м. (2.15)

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

Примем =10•10^-3м, что вполне обеспечивает и прочность стенки даже при значительно больших давлениях, и высокий ресурс непрерывной работы. Определим действительный температурный перепад на стенке электрода

?C. (2.16)

Приняв начальную температуру охлаждения воды t_вх=20?C, перепад температур в рубашке охлаждения выходного электрода? t_в=20?C, определяем секундный расход воды, необходимый для охлаждения электрода кг/с. (2.17)

После этого рассчитывается средняя температура охлаждающей воды

?C

и температура насыщения для давления р=5•10⁵ Н/м²

?С величина недогрева воды до температуры кипения (насыщения)

?С Далее определяем плотность теплового потока на охлаждаемой водой поверхности электрода Вт/м². (2.18)

Приняв коэффициент надежности охлаждения К_охл=7, находим соответствующее значение критической плотности теплового потока

Вт/м²

После этого по (2.9) находим скорость потока охлаждающей воды

м/с Значения v_в0=0.15 м/с, q_в0=1.3•10⁶ Вт/м², Б=0.013 К^-1 определены для р=5•10⁵ Н/м²

Примем значение водяного зазора в рубашке охлаждения равным

_в=1.5•10^-3 м Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима ее охлаждения найдем значения определяющих критериев Re_ж, Nu_ж, Pr_ж. Число Рейнольдса равно При расчете принято d_r=2•_в=2•1.5•10^-3=3•10^-3 м, а кинематическая вязкость воды =0.8•10⁶ м²/с (для t=30?C) найдена по справочнику.

Число Nu_ж находим из уравнения (2.10)

Здесь Pr_ж=5.45 (для температуры t=30?C [2]), Pr_w=1.18 (для температуры t=149?C)

Зная число Нуссельта, находим коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²•К) где _а=0.62 Вт/(м•К) (для температуры t=30?C).

Для выяснения режима теплоотдачи у стенки вычислим плотность теплового потока, соответствующую началу кипения

Вт/м²

Поскольку q_нк>q_w, то охлаждение стенки происходит за счет конвективной теплоотдачи и для определения температуры охлаждаемой поверхности следует воспользоваться следующей формулой

?С. (2.19)

Зная t_w, найдем температуру внутренней (рабочей) поверхности электрода

?С

2.3 Расчет ресурса работы плазмотрона

2.3.1 Расчет ресурса работы катода Примем диаметр циркониевой вставки d_k=3•10^-3 м, а глубину выработки вставки l_k=3•10^-3 м. При большей глубине выработки 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 ?_{уд Zr}=1.2•10^-11 кг/Кл время работы катода составит с, (2.20) или 9.4 часа.

2.3.2 Расчет ресурса работы анода Длина эрозированной зоны в гладком цилиндрическом канале определяется крупномасштабным шунтированием. При работе на воздухе в диапазоне токов от 100 до 500А и расходов газа (10−70)•10^-3 кг/с она равна 3−5d. Форму эрозированной поверхности электрода для простоты расчета представим в виде разностороннего треугольника, основание которого равно размаху крупномасштабного шунтирования, а высота — допустимой выработке толщины стенки электрода.

Примем длину эрозированной зоны l_эр=4d, а глубину допустимой выработки равной h_эр=5•10^-3. В этом случае оббьем эрозированного материала равен

(2.21)

Для медного электрода (_а=8.9•10³ кг/м³), масса уносимого материала равна

кг. (2.22)

При удельной эрозии медного электрода, равной

кг/Кл время работы электрода составит

с или 50.7 часов.

Таким образом, время непрерывной работы плазмотрона определяется стойкостью (ресурсом) катода и равно 9.4 часа.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМОТРОНА Вольтамперная 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. Для плазмотронов с гладким выходным электродом ВАХ имеет падающий вид, и описывается следующим уравнением

1 — G=2.2•10³ кг/с; 2 — G=2.86•10³ кг/с; 3 — G=1.54•10³ кг/с

Рисунок 3.1 — вольтамперная характеристика плазмотрона

Кривая, показывающая зависимость теплового КПД от силы тока при остальных неизменных параметрах описывается следующим уравнением

1 — G=2.2•10³ кг/с; 2 — G=2.86•10³ кг/с; 3 — G=1.54•10³ кг/с

Рисунок 3.2 — зависимость теплового КПД

4 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНА В момент запуска плазмотрона главную роль играет источник питания, который должен обеспечивать не только устойчивые рабочие вольт-амперные характеристики плазмотрона, но и предоставить достаточное напряжение для пробоя, необходимого для запуска плазмотрона. Поэтому напряжение холостого хода источника питания должно быть больше рабочего напряжения дуги плазмотрона. Как было показано выше, рабочее напряжение на дуге плазмотрона 225 В, сила тока — 340А. Принимаем коэффициент запаса по напряжению равным 1,3. Тогда напряжение холостого хода источника питания составит

В Наиболее подходящим является источник питания, выпускаемый Запорожским заводом «Преобразователь» ДЕЗ-340/230, обеспечивающий следующие показатели: номинальное напряжение — 230 В, номинальная сила тока — 340А, номинальная мощность — 78 кВт.

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМОТРОНА В настоящее время промышленность развивается очень высокими темпами. Постоянно растет потребность в качественных мощных технологических установках, обеспечивающих выработку высоких температур при относительно высоком КПД. Плазмотроны соответствуют этим требованиям. Их можно применять в различных отраслях промышленности, а именно: металлургия, машиностроение, медицина и др.

Рассмотренный в данной курсовой работе плазмотрон наиболее целесообразно применять для напыления.

Наиболее перспективным методом нанесения защитных покрытий является плазменное напыление, при котором нагрев, плавление, диспергирование и перенос напыляемого материала осуществляется плазменной струей, полученной нагревом потока газа в электрическом дуговом разряде.

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 В научно-исследовательской работе студента необходимо исследовать зависимость влияния длины разрядного канала на величину теплового КПД плазмотрона.

Для решения поставленной задачи воспользуемся системой уравнений (2.1) — (2.3), ранее использованной в разделе 2. Считаем расход газа G, диаметра разрядного канала d, давление р, начальную h_H и конечную h энтальпию известными постоянными величинами. Неизвестными величинами будут: напряжение U, сила тока I, коэффициент полезного действия

(6.1)

(6.2)

(6.3)

Решая систему уравнений (6.1) — (6.3) найдем для различных значений длины разрядного канала l величину теплового коэффициента полезного действия. Полученные данные занесем в таблицу, и построим график:

Таблица 6.1 — Зависимость теплового КПД от длины разрядного канала

Рисунок 6.1 — Зависимость теплового КПД от длины разрядного канала

ВЫВОДЫ Таким образом, в курсовой работе рассчитан плазмотрон косвенного действия со следующими характеристиками: напряжение на дуге — 225 В, ток дуги — 340 А, тепловой КПД составляет 44%, мощность плазмотрона составляет около 76.5 кВт. Рабочий газ — воздух, начальная температура которого составляет 300 К, конечная — 6000 К. Катод — стержневой. Анод — цилиндрический гладкий. Ресурс работы плазмотрона — 9.4 часа.

Определены и построены вольтамперная и тепловая характеристики.

В работе были даны рекомендации по выбору источника питания, который должен предоставить достаточное напряжение для пробоя, необходимое для запуска плазмотрона.

Для плазмотрона, рассмотрены возможные варианты его технологического использования: плазменное напыление защитных покрытий, поверхностная плазменная обработка металлов и строительных материалов.

Кроме того, в научно-исследовательской работе было исследовано влияние длины разрядного канала на величину теплового КПД. Исследование показало, что с увеличением длины разрядного канала тепловой КПД падает, что объясняется расходом тепла дуги на прогрев анода, и его теплопотери.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

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

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

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

4 Промышленное применение низкотемпературной плазмы: Учеб. пособие. — Алчевск: ДГМИ, 1993. — 59 с.

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