2018-03-09
183
При фиксации межэлектродной вставкой (МЭВ) 
(30)
Диаметр анода: d А = (1,0…1,5) d. (31)
Длина анода: 
(32)
Длина канала МЭВ в схеме с торцевым катодом (рис. 4б):
(33)
Длина металлической секции МЭВ: 
(34)
Диаметр внутреннего электрода (катода) определяется так же, как и для плазмотрона с СУД, т.е. по формуле (13) для торцевого и (16) – для трубчатого.
3.4. Газодинамические характеристики потока
Скорость звука в газе при условиях на выходе из плазмотрона
. (35)
Скорость газа на выходе из канала 
. (36)
Проверяется условие 
. (37)
Диаметр канала, при котором в нем будет критическая скорость и тепловое запирание потока 
. (38)
|
|
|
Чтобы обеспечить высокую скорость перемещения электродных пятен в выходном электроде и его минимальную эрозию, диаметр выходного электрода рекомендуется принимать в пределах: d А = (1,2…2,0) d кр. (39)
Верхние значения рекомендуются при высоких давлениях в канале.
Эта величина диаметра на выходе плазмотрона также может служить критерием правильности выбранных диаметров выходного электрода и стабилизирующего канала.
Скорость газа на входе в канал определяется как 
. (40)
Скорость холодного газа в канале рекомендуется не менее 30 м/с (w 0 > 30 м/с).
Площадь отверстий для ввода газа в камеру (рис.2, IV) 
, (41)
где 
- скорость звука в газе при условиях на входе в плазмотрон (при нормальных условиях) 
. (42)
Количество отверстий ввода газа, обычно z = 2…6 – при тангенциальном вводе. Диаметр одного отверстия 
. (43)
Полученный диаметр отверстий следует увеличить до нормального размера сверла.
3.5. Ресурс электродов
Плотность тока на поверхности анода принимается аналогично (11)
(44)
|
|
|
Проверяется условие на предельно допустимую плотность тока на аноде
. (45)
Если условие (45) не выполняется следует увеличить диаметр анода и повторить расчет.
Определяется ресурс выходного электрода:
часов, (46)
где 
.
Для схемы с торцевым внутренним электродом (табл. 1.1, схема 1) ресурс катода определяется как 
, часов, (47)
где 
и 
определяются по табл. 4, а 
использовалось ранее для вычисления 
по формуле (13).
Для схемы с трубчатым внутренним электродом (табл. 1.2, 1.3, схемы 2 и 3) ресурс катода определяется как 
, часов, (48)
где 
, а и определяются по табл. 4.
3.6. Тепловые потоки в элементы конструкции
Распределение тепловых потоков в плазмотроне представлено на графе рис. 3. Тепловые потоки в элементы конструкции, для обеспечения их работоспособности, необходимо отвести в систему охлаждения.
Определяем составляющие тепловых потоков, используя данные табл. 4…6:
Токовая составляющая теплового потока в электроды определяется через вольтов эквивалент теплового потока в анод и катод.
Мощность токовых потерь в анод 
. (49)
Мощность токовых потерь в катод 
. (50)
Суммарная мощность токовых потерь в электроды 
. (51)
Конвективная составляющая теплового потока в элементы конструкции определяется с использованием зависимостей табл. 3 по параметрам плазмы на выходе из канала.
Например, конвективная составляющая удельного теплового потока 
для воздуха (см. табл. 3) может быть определена как 
(52)
или как 
, (53)
где 
. (54)
Для других рабочих тел определяем используя зависимости таблицы 3.
Поученное таким образом в дальнейшем используем как средний удельный тепловой поток конвективно-лучистой энергии на всей поверхности канала элемента конструкции.
Конвективный тепловой поток в анод 
. (55)
Конвективный тепловой поток в канал анода, отводимый в систему охлаждения
. (56)
Конвективным тепловым потоком в торцевой катод можно пренебречь.
Конвективный тепловой поток в трубчатый катод (схемы 2 и 3)
. (57)
Конвективный тепловой поток в канал катода, отводимый в систему охлаждения
. (58)
Суммарный тепловой поток в анод и катод определяются, как 
и 
.
Суммарные тепловые потери в плазмотроне, отводимые системой охлаждения 
. Соответственно для анода 
и для катода 
.
Энергетический (тепловой) КПД плазмотрона 
. Если эта величина КПД значительно отличается от принятого в начале расчета 
, следует провести повторный расчет с полученным значением КПД.
Полезная мощность плазмотрона (с учётом потерь) 
(59)
3.7. Теплонапряженность элементов конструкции
Средний удельный тепловой поток в анод от токовой составляющей:
(60)
Максимальная величина удельного теплового потока в анод от токовой составляющей обычно в пределах 
(61)
|
|
|
Максимальная величина суммарного удельного теплового потока в анод:
. (62)
Средний удельный тепловой поток в катод от токовой составляющей в трубчатом катоде 
. (63)
Максимальная величина удельного теплового потока в трубчатый катод от токовой составляющей обычно в пределах 
. (64)
Максимальная величина суммарного удельного теплового потока в трубчатый катод 
. (65)
Для величин максимальных удельных тепловых потоков в электроды рассчитывается охлаждение электродов.
Критерием работоспособности элементов служит оценка предельных потоков, снимаемых системой охлаждения, проводимая по методике, изложенной, например, в /1/.
Максимальный удельный тепловой поток на охлаждаемой поверхности анода, обычно выходного электрода, 
. (66)
Для цилиндрической стенки площадь охлаждаемой водой поверхности 
больше нагреваемой поверхности элемента конструкции за счёт толщины стенки: 
, а 
или 
. (67)
Аналогично определяется удельный тепловой поток на охлаждаемой поверхности трубчатого катода 
. (68)
3.8. Охлаждение плазмотрона
Расход охлаждающей воды для охлаждения анода определяется как:
. (69)
Аналогично, расход воды для охлаждения катода:
(70)
Обычно при температуре входящей воды Твх = (15…20)°С подогрев воды в рубашках охлаждения принимают 
.
|
|
|
Скорость охлаждающей воды над охлаждаемой поверхностью
, (71)
где 
- зазор в рубашке охлаждения, обычно = (1…3)×10-3 м.
По (71) рассчитывается скорость в каждом охлаждаемом элементе конструкции, используя соответствующие размеры и расходы.
Для уточнения величины температуры охлаждаемой стенки и проверки режима ее охлаждения требуется определить критерии 
.
Критерий Рейнольдса для хладоагента (воды) 
, (72)
где, в общем случае, 
, (73)
а для кольцевого зазора в рубашке охлаждения 
. (74)
Критерий Прандтля для хладоагента (воды) 
. (75)
Для 
, т.е. развитого турбулентного течения, критерий Нусельта можно вычислить по формуле /11/:
, (76)
где 
- коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи в зависимости от длины трубы (охлаждающего канала). Если 
, то 
. Если 
, то значение можно выбирать из табл.7 Приложения 1.
Для 
, т.е. ламинарного течения, и при условиях, что 
, 
, критерий Нусельта можно вычислить по формуле /11/: 
, (77)
По найденным значениям критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к воде 
. (78)
Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к воде при развитом турбулентном течении, в первом приближении, может быть оценен, например, для анода, как 
. (79)
Аналогично определяется коэффициент теплоотдачи на охлаждаемой поверхности катода.
Температурный напор между охлаждаемой поверхностью и водой
, (80)
где 
. (81)
Охлаждение водой возможно, если температура охлаждаемой стенки ниже допустимой (критической по кризису кипения), т.е. выдерживается условие: 
, где 
, где 20 К – допустимый перегрев стенки. (82)
При использовании газового охлаждения критерием работоспособности служит максимально допустимая рабочая температура материала элемента конструкции, принимаемая как 0,6…0,7 от его температуры плавления.
