2018-03-09
145
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ.. 2
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ.. 3
ВВЕДЕНИЕ.. 9
1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ПЛАЗМОТРОНОВ.. 10
1.1. Информационная база методики. 14
1.2.Математическая модель электрических напряжений установки с плазмотроном.. 15
1.3.Математическая модель распределения энергии в плазмотроне. 16
1.4. Геометрическая (конструкционная) модель. 16
1.5. Варианты расчета. 19
2. ЗАДАНИЕ И ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРОЕКТА.. 21
3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГЕНЕРАТОРА ПЛАЗМЫ с внутренней дугой. 22
3.1. Определение основных рабочих параметров плазмотрона. 22
3.2. Определение основных параметров и размеров разрядной камеры для плазмотрона с СУД 23
3.2.1. Размеры основных элементов плазмотрона с СУД.. 23
3.3. Определение основных параметров и размеров разрядной камеры для плазмотрона с фиксированной длиной дуги. 25
3.3.1. Для плазмотрона со стабилизацией УСТУПОМ... 26
3.3.2. Для плазмотрона с МЭВ.. 26
3.4. Газодинамические характеристики потока. 27
3.5. Ресурс электродов. 27
3.6. Тепловые потоки в элементы конструкции. 28
|
|
|
3.7. Теплонапряженность элементов конструкции. 29
3.8. Охлаждение плазмотрона. 30
4. ПЛАЗМОТРОНЫ С ВНЕШНЕЙ ДУГОЙ.. 33
4.1. Методика расчёта плазмотрона с внешней дугой. 34
5. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ УЗЛОВ.. 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 41
ПРИЛОЖЕНИЕ.. 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 49
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
Сокращения
СУД – самоустанавливающаяся дуга;
МЭВ – межэлектродная вставка;
УСТ – уступ;
ВАХ – вольт-амперная характеристика
Переменные
| Обозначение | Размерность | Наименование переменной | ||||||
| м/с | Скорость звука при условиях для газа на выходе | ||||||
| м/с | Скорость газа на входе в канал (холодного) | ||||||
| - | Коэффициент использования напряжения источника питания | ||||||
| Дж/(кг×К) | Удельная теплоемкость воды (хладагента) | ||||||
| А/м | Соотношение между током разряда и диаметром сопла | ||||||
| А×с/кг | Соотношение между током разряда и расходом газа | ||||||
| м | Диаметр выходного канала самоустанавливающейся дуги | ||||||
| м | Диаметр выходного электрода за уступом – диаметр анода | ||||||
| м | Гидравлический диаметр охлаждающего канала (рубашки охлаждения) | ||||||
| м | Диаметр канала, при котором в нем будет критическая скорость и тепловое запирание потока | ||||||
| м | Диаметр внутреннего электрода: диаметр термоэмиссионной вставки для торцевого катода или диаметр канала для трубчатого катода | ||||||
| м | Диаметр одного отверстия для ввода газа в камеру плазмотрона | ||||||
| м | Диаметр канала сопла | ||||||
| м | Диаметр трубки соленоида | ||||||
| В/м | Средняя напряженность поля в столбе дуги при давлении р | ||||||
| В/м | Средняя напряженность поля в столбе дуги | ||||||
| В/м | Средняя напряженность поля в столбе дуги на начальном участке дуги плазмотрона на воздухе | ||||||
| В/м | Средняя напряженность поля в столбе дуги на турбулентном участке дуги плазмотрона на воздухе | ||||||
| - | Коэффициент увеличения охлаждаемой поверхности | ||||||
| м2 | Площадь сечения проводника соленоида | ||||||
| м2 | Площадь «горячей» поверхности анода | ||||||
| м2 | Площадь поперечного сечения охлаждающего канала (рубашки охлаждения) | ||||||
| м2 | Площадь «горячей» поверхности трубчатого катода | ||||||
| м2 | Площадь отверстий для ввода газа в камеру | ||||||
| м2 | Площадь поверхности, охлаждаемой водой | ||||||
| м2 | Площадь поверхности сопла, обращённой к катоду | ||||||
| 
| Удельная эрозия выходного электрода (анода) | ||||||
|
| Удельная эрозия внутреннего электрода (катода) | ||||||
| кг/с | Расход рабочего газа | ||||||
| кг/с | Расход воды, охлаждающей соленоид | ||||||
| 
| Объемный расход в «нормальных» кубометрах (при нормальном давлении p = 105 Па) в секунду. | ||||||
| кг/с | Расход охлаждающей воды (хладагента) | ||||||
| кг/с | Расход воды (хладагента) для охлаждения анода | ||||||
| кг/с | Расход воды (хладагента) для охлаждения катода | ||||||
| Дж/кг | Cреднемассовая энтальпия газа (на выходе) | ||||||
| Дж/кг | Энтальпия газа при температуре стенки | ||||||
| А/м | Напряженность магнитного поля магнитной системы (соленоида) | ||||||
| А/м | Напряженность магнитного поля в центре магнитной системы (соленоида) | ||||||
| Дж/кг | Энтальпия газа на входе | ||||||
| А | Ток дуги (разряда) | ||||||
| А | Ток в витках соленоида | ||||||
| А/м2 | Средняя плотность тока на аноде | ||||||
| А/м2 | Средняя плотность тока на катоде | ||||||
| А/м2 | Максимальная плотность тока на поверхности выходного электрода (аноде) | ||||||
| А/м2 | Максимальная плотность тока на поверхности внутреннего электрода (катоде) | ||||||
| А/м2 | Плотность тока в сечении соленоида | ||||||
| - | Показатель адиабаты | ||||||
| - | Коэффициент удлинения дуги | ||||||
| м | Длина соленоида | ||||||
| м | Длина проводника соленоида | ||||||
| м | Длина охлаждающего канала (рубашки охлаждения) | ||||||
| м | Длина термоэмиссионной вставки для термоэмиссионного катода | ||||||
| м | Расстояние от уступа до места привязки разряда (середины зоны шунтирования) | ||||||
| м | Длина анода | ||||||
| м | Зазор между электродами | ||||||
| м | Длина зоны шунтирования | ||||||
| м | Длина канала | ||||||
| м | Длина канала анода | ||||||
| м | Длина канала катода | ||||||
| м | Длина катода | ||||||
| м | Расстояние от сопла до катода (катодной привязки) по оси | ||||||
| м | Длина дуги плазмотрона со стабилизацией МЭВ | ||||||
| м | Длина столба дуги | ||||||
| м | Длина канала сопла | ||||||
| м | Расстояние от сопла до детали (изделия) | ||||||
| м | Длина металлической секции МЭВ | ||||||
| м | Длина самоустанавливающейся дуги (длина столба разряда) | ||||||
| м | Длина дуги плазмотрона со стабилизацией уступом | ||||||
| м | Длина столба разряда плазмотрона с фиксированной уступом или МЭВ длиной дуги | ||||||
| - | Количество слоёв витков в соленоиде | ||||||
| - | Количество витков в соленоиде | ||||||
| - | Критерий Нусельта | ||||||
| - | Критерий Нусельта для хладоагента (воды) | ||||||
| Па | Давление рабочего газа на выходе из плазмотрона | ||||||
| Па | Нормальное атмосферное давление р 0= 105 Па | ||||||
| Вт | Электрическая мощность, подведенная к плазмотрону (потребляемая) | ||||||
| м | Периметр поперечного сечения охлаждающего канала (рубашки охлаждения) | ||||||
| Вт | Мощность плазмотрона полезная | ||||||
| - | Критерий Прандтля для хладоагента (воды) | ||||||
| - | Критерий Прандтля для хладоагента (воды) при температуре поверхности стенки 
| ||||||
| Вт/м2 | Максимальная величина суммарного удельного теплового потока в анод | ||||||
| Вт/м2 | Максимальный удельный тепловой поток на охлаждаемой поверхности анода | ||||||
| Вт/м2 | Средний удельный тепловой поток в анод от токовой составляющей | ||||||
| Вт/м2 | Максимальная величина удельного теплового потока в анод от токовой составляющей | ||||||
| Вт/м2 | Конвективная составляющая удельного теплового потока в элементы конструкции | ||||||
| Вт/м2 | Максимальная величина суммарного удельного теплового потока в трубчатый катод | ||||||
| Вт/м2 | Максимальный удельный тепловой поток на охлаждаемой поверхности трубчатого катода | ||||||
| Вт/м2 | Средний удельный тепловой поток в катод от токовой составляющей | ||||||
| Вт/м2 | Максимальная величина удельного теплового потока в трубчатый катод от токовой составляющей | ||||||
| Вт/м2 | Конвективная составляющая удельного теплового потока в сопло | ||||||
| Вт | Тепловые потери в соленоиде | ||||||
| Вт | Суммарная мощность потерь в анод | ||||||
| Вт | Мощность конвективно-лучистых потерь в анод | ||||||
| Вт | Суммарная мощность, снятая системой охлаждения с анодной части плазмотрона | ||||||
| Вт | Мощность токовых потерь в анод | ||||||
| Вт | Мощность потерь в канал анода | ||||||
| Вт | Мощность потерь в канал катода | ||||||
| Вт | Мощность конвективно-лучистых потерь в канал анода | ||||||
| Вт | Мощность конвективно-лучистых потерь в канал катода | ||||||
| Вт | Суммарная мощность потерь в катод | ||||||
| Вт | Мощность конвективно-лучистых потерь в катод | ||||||
| Вт | Суммарная мощность, снятая системой охлаждения с катодной части плазмотрона | ||||||
| Вт | Мощность токовых потерь в катод | ||||||
| Вт | Суммарная мощность токовых потерь в электроды | ||||||
| Вт | Тепловой поток в сопло | ||||||
| Вт | Суммарная мощность потерь в элементы конструкции | ||||||
| 
| Универсальная газовая постоянная 
| ||||||
| м | Внутренний радиус соленоида | ||||||
| м | Наружный радиус соленоида | ||||||
| Ом | Сопротивление проводника соленоида | ||||||
| м |  - средний радиус соленоида
| ||||||
| - | Критерий Рейнольдса для хладоагента (воды) | ||||||
| - | Критерий Стантона | ||||||
| К | Температура газа на входе в плазмотрон | ||||||
| К | Температура воды на входе в соленоид | ||||||
| К | Температура горячей (внутренней) поверхности стенки | ||||||
| К | Температура охлаждаемой поверхности стенки | ||||||
| К | Температура хладагента на выходе из анода | ||||||
| К | Температура кипения воды (хладагента) при давлении в системе охлаждения | ||||||
| К | Температура воды (хладагента) на входе в плазмотрон (электрод) | ||||||
| К | Допустимая (критическая по кризису кипения) температура охлаждаемой стенки | ||||||
| К | Температура хладагента на выходе из катода | ||||||
| К | Температура среднемассовая газа на выходе | ||||||
| В | Напряжение на дуге (в плазмотроне прямой полярности) | ||||||
| В | Напряжение на дуге (в плазмотроне обратной полярности) | ||||||
| В | Напряжение на дуге (в плазмотроне на переменном токе) | ||||||
| В | Напряжение на дуге (в плазмотроне на переменном токе с высокочастотным сопровождением) | ||||||
| В | Напряжение холостого хода источника питания | ||||||
| В | Напряжение на дуге для плазмотрона с фиксацией длины дуги (уступом или МЭВ) | ||||||
| В | Напряжение на самоустанавливающейся дуге | ||||||
| В | Напряжение на дуге для плазмотрона с фиксацией длины дуги уступом | ||||||
| В | Напряжение на дуге плазмотрона с фиксацией длины дуги МЭВ | ||||||
| В | Вольтов эквивалент потерь в анод | ||||||
| В | Вольтов эквивалент потерь в катод | ||||||
| м/с | Скорость газа на выходе из плазмотрона | ||||||
| м/с | Скорость газа на входе в канал | ||||||
| м/с | Скорость хладагента (воды) в соленоиде | ||||||
| м/с | Скорость хладагента (воды) в рубашке охлаждения | ||||||
| м/с | Скорость газа на выходе из плазмотрона, рассчитанная по холодному газу | ||||||
| - | Количество отверстий для ввода газа в камеру плазмотрона | ||||||
| Вт/(м2К) | Коэффициент теплоотдачи от потока плазмы к стенке | ||||||
| Вт/(м2К) | Коэффициент теплоотдачи на охлаждаемой поверхности к воде | ||||||
| м | Толщина стенки | ||||||
| м | Толщина стенки выходного электрода (анода) | ||||||
| м | Толщина стенки выходного электрода (катода) | ||||||
| м | Гидравлический зазор рубашки охлаждения | ||||||
| Н | Пондеромоторная сила, действующая на элемент дуги длиной 
| ||||||
|
| м | Длина элемента дуги | ||||||
| м | Резерв длины электрода (анода или катода) | ||||||
| К(°) | Подогрев воды в соленоиде | ||||||
| К(°) | Подогрев воды в рубашке охлаждения анода | ||||||
| К(°) | Температурный напор между охлаждаемой поверхностью и водой | ||||||
| К(°) | Подогрев воды в рубашке охлаждения катода | ||||||
| В | Прикатодное падение потенциала | ||||||
| В | Прианодное падение потенциала | ||||||
| - | Коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи в зависимости от длины трубы (охлаждающего канала) | ||||||
| - | Энергетический КПД плазмотрона | ||||||
| - | КПД плазмотрона (первое приближенние) | ||||||
| Вт/(м×К) | Удельная теплопроводность рабочего газа | ||||||
| Вт/(м×К) | Удельная теплопроводность материала стенки | ||||||
| Вт/(м×К) | Удельная теплопроводность хладагента (воды) | ||||||
| кг/кмоль | Молекулярная масса газа | ||||||
| м2/с | Кинематическая вязкость газа на входе в канал | ||||||
| м2/с | Кинематическая вязкость хладагента (воды) | ||||||
| - | Число 
| ||||||
| кг/м3 | Плотность рабочего газа на выходе из канала | ||||||
| кг/м3 | Плотность рабочего газа на входе в канал (при нормальных условиях) | ||||||
| Ом×м | Уудельное электрическое сопротивление материала обмотки соленоида | ||||||
| кг/м3 | Плотность материала выходного электрода (анода) | ||||||
| кг/м3 | Плотность материала внутреннего электрода (катода): материала термоэмиссионной вставки для торцевого катода или материала канала для трубчатого катода | ||||||
| кг/м3 | Плотность воды (хладагента) | ||||||
| - | Коэффициент заполнения сечения соленоида | ||||||
| час | Ресурс работы выходного электрода (анода) | ||||||
| час | Ресурс работы внутреннего электрода (катода) | ||||||
| °(градус) | Угол, определяющий расстояние от уступа до места привязки разряда (середины зоны шунтирования) | ||||||
| Индексы переменных
| ||||||||
| Индекс параметров плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги | |||||||
| Индекс параметров плазмотрона с фиксированной уступом или МЭВ длиной дуги | |||||||
| Индекс параметров плазмотрона с фиксированной уступом длиной дуги | |||||||
| Индекс параметров плазмотрона с фиксированной МЭВ длиной дуги | |||||||
| Индекс параметров катода | |||||||
| Индекс параметров катода | |||||||
| Индекс параметров канала | |||||||
| Индекс параметров хладоагента (воды) | |||||||
ВВЕДЕНИЕ
Генераторы плотной плазмы – плазмотроны нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Наиболее распространённые из них – электродуговые нагреватели газа. Эти плазмотроны нашли применение в машиностроении, металлургии, плазмохимической и других отраслях промышленности, в научных исследованиях для нагрева разных рабочих сред в широком диапазоне мощностей и параметров плазмы, однако возможности их применения ещё далеко не исчерпаны.
Среди электродуговых генераторов плазмы наибольшее распространение получили генераторы плазмы с газовой стабилизацией разряда. Достоинством этих плазмотронов является высокая эффективность при реализации разных технологических процессов и, относительная простота конструкции. В то же время рабочий процесс в таких плазмотронах отличается сложностью и многообразием физических процессов – электрических, плазмодинамических, тепловых, гидравлических и др., которые должны быть увязаны между собой в единую систему, а также с внешними системами, обеспечивающими работу плазмотрона.
Уже существует достаточно большое количество схем реализации рабочего процесса с газовой стабилизацией разряда. Для некоторых схем существуют методики расчёта и проектирования /1/, однако они уже не охватывают всё разнообразие существующих и возможных вариантов реализации.
В данном пособии предлагается достаточно универсальная методика проектного расчёта большинства возможных вариантов плазмотронов с газовой стабилизацией, принципиально пригодная и для расчёта плазмотронов и с другими способами стабилизации разряда.
Методика позволяет определить основные конструктивные размеры плазмотрона выбранной схемы и основные рабочие параметры процесса в нём, или провести поверочный расчёт плазмотрона с известными размерами.
На основании полученных размеров и характеристик процессов могут быть проведены более детальные расчёты отдельных элементов конструкции или процессов, которые не входят в представленную методику.
