2018-03-09
160
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.
