раздел 2).
В исследуемом плазмотроне с полым катодом следует отметить, что потери тепла в
электродах происходят в следствие конвективного теплообмена между потоком
плазмы и стенками, излучения дуги, находящейся в разрядном канале, а также
тепловых процессах происходящих в опорных пятнах на катоде и аноде.
Основные потери энергии приходятся на анод (рис. 3.15).
Рис. 3.13. Плазменная струя при G = G1 + G2:
а – G = 2,5Ч10-3 кг/с (I = 107 А, U = 184 В);
б – G = 1,2Ч10-3 кг/с (I = 114 А, U = 154 В)
Рис. 3.14. Тепловой поток в медный электрод – катод в зависимости от силы тока
при G = G1 + G2:
1 – G = 1,2·10-3 кг/с; 2 – G = 2,5·10-3 кг/с; 3 – G = 3,7·10-3 кг/с
Рис. 3.15. Тепловой поток в медный электрод – анод в зависимости от силы тока
при G = G1 + G2:
1 – G = 1,2·10-3 кг/с; 2 – G = 2,5·10-3 кг/с; 3 – G = 3,7·10-3 кг/с
Рис. 3.16. Изменение теплового КПД от рабочих параметров
при G = G1 + G2: 1, – G = 2,5·10-3 кг/с; 2 – G = 3,7·10-3 кг/с;
– кривая получена при обратной полярности
Рис. 3.17. Зависимость среднемассовой температуры плазменной струи от силы тока
при G = G1 + G2:
1 – G = 1,2Ч10-3 кг/с; 2 – G = 2,5Ч10-3 кг/с; 3 – G = 3,7Ч10-3 кг/с
Из рис. 3.16 и 3.17 видно, что тепловой КПД увеличивается с повышением расхода
газа и достигает максимального значения 0,65 при
G = 3,7Ч10-3 кг/с, при этом среднемассовая температура плазменной струи
достигает 3500 – 4000 К. Однако она снижается при приближении торца плазмотрона
к нагреваемой поверхности на расстояние, меньшее 1,5 – 2 см
из-за происходящего при этом резкого увеличения теплоотдачи в стенки разрядного
канала. Подключение плазмотрона по схеме рис. 3.5,б и 3.5,г позволяет повысить
КПД до 0,85.
Электроды плазмотрона исследовались на эрозию при силе тока 300 А длительностью
не менее 6 ч. При этом они взвешивались на демпферных весах до запуска и после
эксперимента. Удельная эрозия полого медного катода и медного анода находилась
в пределах 8Ч10-9 – 3Ч10-8 кг/Кл. Ресурсные испытания плазмотрона показали, что
работоспособность без замены электродов составляет 100 – 110 ч.
3.5. Методика расчета технологических параметров плазмотрона
для ПМО
В данном параграфе приведены методика и результаты расчета основных
технологических параметров при изменении электрической мощности, расхода газа
(воздуха), выходного диаметра анода (сопла) плазмотрона с полым внутренним
электродом.
Рассмотрим ассиметричный ПС дуги в ламинарном дозвуковом потоке при отсутствии
внешнего магнитного поля. Для получения и исследования основных уравнений,
выражающих зависимость параметров потока плазмы от геометрии, расхода газа и
мощности плазмотрона примем ряд упрощающих допущений:
При длительном режиме работы расход рабочего газа и мощность плазмотрона не
изменяются.
Процесс истечения плазмы из сопла адиабатный.
Статическое давление в потоке плазмы и на срезе сопла равно статическому
давлению окружающей среды.
Параметры плазменной дуги в разрядном канале плазмотрона изменяются вдоль оси
движения.
В плазмотроне для нагрева газа можно выделить три участка дуги (рис. 3.18),
характеризующиеся различными параметрами состояния. Первый участок – полый
катод – привязка дуги в аноде; второй – от места привязки вспомогательной дуги
к аноду до выхода из анода; третий – от сопла анода до поверхности нагреваемого
металла.
Основные параметры плазменной дуги: энтальпия, плотность, давление, скорость
движения на каждом участке могут быть определены при совместном решении
уравнений сохранения энергии, в адиабатном процессе и постоянства расхода
[81].
Для первого участка дуги уравнение сохранения энергии можно записать
, (3.39)
где – тангенциальная составляющая скорости; – механический эквивалент теплоты.
Следовательно, подведенное к плазмообразующему газу тепло от электрической дуги
расходуется на изменение энтальпии и кинетической энергии движущегося потока
, (3.40)
где , – соответственно энтальпия и тангенциальная составляющая скорости потока
на входе в разрядный канал; , – то же на выходе
Рис. 3.18. Схема плазмообразования: I – участок полый катод – анод;
II – привязка дуги до выхода из сопла анода; III – от сопла анода до
поверхности нагреваемого материала
из разрядного канала или на входе в анод.
Учитывая, что скорость движения плазмообразующего газа в разрядном канале мала
(~5 м/с), то вторым слагаемым в (3.40) можно пренебречь и с достаточной для
инженерных расчетов точностью записать
. (3.41)
На втором участке дуги при прохождении потока через анод часть энергии
расходуется на увеличение скорости потока и переходит в кинетическую энергию
движения. При этом энтальпия плазмообразующего газа уменьшается.
При адиабатном истечении потока уравнение энергии имеет вид
. (3.42)
После интегрирования (3.42) можно записать
, (3.43)
где , – энтальпия и скорость потока на выходе из сопла анода.
Так как скорость значительно больше ( > 200 м/с) по сравнению с , то (3.43)
может быть записано
. (3.44)
На третьем участке при адиабатном торможении кинетическая энергия потока
полностью переходит в энтальпию
. (3.45)
Величина удельной энтальпии плазмообразующего газа в разрядном канале может
быть определена
. (3.46)
Уравнение постоянства расхода газа для плазменной дуги (струи), вытекающей из
сопла анода
, (3.47)
где – площадь поперечного сечения выходного отверстия анода,
– плотность плазмы на выходе из анода.
Скорость истечения плазменной дуги из сопла анода плазмотрона
, (3.48)
где – показатель адиабаты; , – давление в разрядном канале и на выходе из сопла
соответственно; – плотность плазмы в разрядном канале.
Плотность плазмы на выходе из сопла связана с плотностью плазмы в разрядном
канале соотношением
. (3.49)
Преобразуем ура
- Київ+380960830922