Тепловой расчет элементов плазмотрона

Плазма – это ионизованный газ, который образуется из нейтральных атомов и заряженных частиц.

Одним из важнейших свойств плазмы принято считать квазинейтральность. Квазинейтральность – это состояние плазмы, при котором объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц оказываются приблизительно одинаковыми.

Газ способен переходить в состояние плазмы в том случае, если его атомы лишаться электронов, тем самым превращаясь в положительные ионы.

Для создания плазмы используют плазматроны – генераторы плазмы, в которых при протекании электрического тока образуется плазма, применяемые, в основном, для резки, пайки и сварки деталей из металлов и неметаллов.

Приведём расчёт электрических и тепловых характеристик однокамерного плазмотрона постоянного тока мощностью  с гладким выходным электродом – анодом и циркониевым термокатодом, предназначенного для нагрева воздуха до температуры  при давлении газа на выходе из подогревателя .

Определению подлежат следующие значения параметров плазмотрона: рабочие значения тока  и напряжения дуги , тепловой коэффициент полезного действия , расход воздуха , внутренний диаметр выходного электрода , его длина , геометрия катода, непрерывный ресурс работы плазматрона. Требуется также провести тепловой расчет элементов подогревателя.

При расчете вышеназванных параметров воспользуемся системой уравнений:

- вольт-амперной характеристики:

- теплового К.П.Д. плазмотрона:

- мощности, вкладываемой в дугу:

- энергии истекающей струи:

Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести еще два условия, устанавливающие взаимосвязь между искомыми параметрами. Одно из них, вытекающие из опыта работы с электродуговыми нагревателями воздуха, определяет, что при температуре истекающей струи   и давлении , относительно 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 нашем расчете примем ; для , , , находим, используя справочные данные [5, 14-16], , , , . Поле подстановки исходных данных приведенная система уравнений примет следующий вид:

1.     ;

2.     ;

3.     ;

4.     ;

В результате решения этой системы получаем

.

Рассчитаем теперь диаметр отверстий, через которые воздух подается в вихревую камеру. Для эффективной стабилизации дугового разряда на оси канала газовым вихрем и снижении эрозии материала катода, вызванной воздействием пятна дуги, необходимо обеспечить скорость воздуха на выходе из отверстий кольца закрутки в пределах .

При начальной температуре воздуха  , , ,, выбранной тангенциальной составляющей скорости   , суммарная площадь  отверстий  ) составит 55,4∙ 10-6 м². При количестве отверстий равном 8, диаметр каждого из них будет .

Одним из самых важных параметров любой детали или системы является долговечность. Выполним расчет ресурса работы электродов плазматрона: анода и катода.

Для анода длина эрозированной зоны в гладком цилиндрическом канале определяется крупномасштабным шунтированием. При работе на воздухе в диапазоне токов от 100 до 500 А и расходов   она равна . Форму эрозионной поверхности электрода 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 для рассматриваемого случая:

,

длину эрозированной зоны:

∆,

глубину допустимой выработки при  равной: .

В этом случае объем эрозированного материала равен:

и составит

Для медного электрода масса уносимого материала равна:

При удельной эрозии медного электрода, равной

время работы электрода составит

.

Для катода, в соответствии с ранее изложенными рекомендациями принимаем диаметр циркониевой вставки:

  (для тока дуги ).

Опыт работы с 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 время работы катода составит

.

Таким образом, время непрерывной работы плазматрона определяется стойкостью (ресурсом) катода и, если данное время не удовлетворяет техническим требованиям, необходимо искать иное конструктивное решение. Одним из вариантов такого решения является, например, замена циркониевой вставки на вольфрамовую и обдув такого катодного узла защитным газом, например, азотом. В этом случае время работы катода возрастает более чем в 10 раз и при заданных токах приблизится к ресурсу непрерывной работы анода.