Расчёт электродугового плазмотрона косвенного действия

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Украины

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Проектирование и эксплуатация плазменного

технологического оборудования»

на тему «Расчет плазмотрона и определение его характеристик»

Вариант № 1

Выполнил

Проверил

Алчевск

2009

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к курсовой работе: 24 с., 4 рис., 1 таблица, 5

источников.

Объект исследования – электродуговой плазмотрон постоянного тока

косвенного действия.

Цель работы – определение основных характеристик плазмотрона.

Метод исследования – теоретические расчеты электродугового

плазмотрона, его вольт-амперной и тепловой характеристик.

Разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчет основных

геометрических параметров плазмотрона, исследовано влияние длины

разрядного канала на тепловой КПД, определена вольт-амперная и тепловая

характеристики, выбран источник питания.

В результате расчетов получены следующие параметры: сила тока - 340

A, напряжение на дуге - 225 B, КПД – 0,44, мощность – 76 кВт, ресурс

работы плазмотрона составляет 9.4 часа.

Данный плазмотрон можно применять в следующих технологических

процессах: плазменное напыление, модификация поверхности материалов,

упрочнения поверхностей, закалка поверхностей, плазменная обработка

строительных материалов.

ПЛАЗМОТРОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ,

РЕСУРС РАБОТЫ, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ

ПРИМЕНЕНИЕ.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………..……….5

1 Расчетная схема плазмотрона………………………………………………….7

2 Расчет плазмотрона……………………………………………………………..8

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров

плазмотрона……………………………………………………………………….8

2.2 Расчет системы охлаждения………………………………………….10

2.2.1 Расчет охлаждения катода…………………………………...10

2.2.2 Расчет охлаждения анода……………………………………12

2.3 Расчет ресурса работы плазмотрона…………………………………15

2.3.1 Расчет ресурса работы катода……………………………….15

2.3.2 Расчет ресурса работы анода………………………………..15

3 Определение характеристик плазмотрона…………………………………...17

4 Выбор источника питания плазмотрона……………………………………..19

5 Технологическое применение плазмотрона………….……………………...20

6 Научно-исследовательская работа студента…………………………………21

Выводы…………………………………………………………………………...23

Перечень ссылок…………………………………………………………………24

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития науки и техники во всех развитых

странах с серьезным размахом проводится исследование по применению

низкотемпературной плазмы в машиностроении, химии, металлургии,

медицине и других отраслях промышленности. Плазменные процессы

охватывают как широкомасштабное конвейерное производство, так и

производство небольших количеств специальных веществ и материалов,

применяемых в новейшей технике.

В основе современного представления о возможности широкого и

эффективного использования электродуговых плазмотронов в

промышленности лежат следующие достоинства: большой ресурс работы

электродов, надежность и устойчивость электродуговой установки, большой

диапазон используемых мощностей, возможность нагрева любых

технологически необходимых газов.

Применение низкотемпературной плазмы в промышленности

позволит значительно интенсифицировать существующие технологические

процессы, создать совершенно новые аппараты и технологию производства.

Такие свойства низкотемпературной плазмы, как высокая температура и

концентрация энергии в малом объёме, открывает возможность использовать

её в металлургических процессах. Применение плазмы позволит значительно

ослабить проблему создания специальных огнеупоров, повысит чистоту

получаемого продукта и т.д.

Принцип действия плазмотрона основан на преобразовании энергии

электромагнитного поля в другие формы энергии в электрических разрядах.

В зависимости от назначения плазмотрона для генерации плазмы могут быть

использованы электрическая дуга, высокочастотный, сверхвысокочастотный

и тлеющий разряд. В данной работе рассматривается дуговой плазмотрон.

Электродуговой плазмотрон является эффективным устройством,

предназначенным для нагрева различных газов до высоких температур.

Плазмотроны позволяют реализовать новые идеи и технологии, связанные с

применением горячего газа, в различных областях науки и техники.

Источником нагрева газа в плазмотроне является электрическая дуга,

которая питается от источника постоянного или переменного тока. В

настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает на

постоянном токе. Такая ситуация обусловлена тем фактором, что дуга

постоянного тока горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного

тока. Действительно, протекающий через дугу переменный электрический

ток два раза за период проходит через нуль. Иными словами, можно считать,

что дуга периодически погасает и зажигается вновь. Поэтому для

устойчивого горения дуги переменного тока необходимо обеспечить условия

для ее повторного зажигания после перехода тока через нуль. Самым

распространенным способом обеспечения устойчивого горения дуги

переменного тока является включение последовательно с дугой катушки

индуктивности (реактора). Однако в плазмотронах всегда имеется

дополнительный фактор, усугубляющий проблему устойчивого горения дуги

— это поток нагреваемого газа, который воздействует на дугу и затрудняет

ее устойчивое горение в плазмотронах как постоянного тока, так и, в еще

большей степени, в плазмотронах переменного тока.

Проанализировав все достоинства и недостатки использования

плазмотронов с различным типом тока, можно сделать вывод, что при

прочих равных условиях более предпочтительным в использовании является

плазмотрон постоянного тока. В данной курсовой работе производится

исследование плазмотрона постоянного тока.

Плазмотрон косвенного действия на постоянном токе широко

применяется в химической промышленности для получения различных

соединений, в металлургической промышленности для высокотемпературной

обработки металла, для обработки поверхности строительных материалов

путем оплавления и напыления.

Цель данной работы - рассчитать плазмотрон на основании

имеющегося задания. По исходным данным необходимо рассчитать

основные характеристики плазмотрона, по которым можно будет судить о

его назначении. Зная основные параметры плазменной дуги, а также такие

характеристики, как тепловой коэффициент полезного действия, условия

устойчивой работы на основе расчета системы охлаждения, можно будет

выяснить специфику технологического применения плазмотрона, его

потенциальной возможности использования в том или ином

производственном процессе. Исследование вольтамперных и тепловых

характеристик позволит прогнозировать применимость плазмотрона для его

надежного функционирования в других рабочих режимах. В научно-

исследовательской работе студента (НИРС) необходимо исследовать влияние

длины разрядного канала на величину теплового КПД.

1 РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ПЛАЗМОТРОНА

В данной работе необходимо произвести расчеты плазмотрона

косвенного действия, рабочий газ – воздух, начальная температура воздуха

(на входе) Т

=300К, конечная температура воздуха (на выходе) Т

=6000К,

расход воздуха G=2,2∙10

-3

кг/с, давление воздуха на выходе из плазмотрона

p=10

Па.

Катод – стержневой.

Анод – цилиндрический гладкий.

Стабилизация дуги – газовихревая.

Требуется определить следующие параметры: рабочие значения

напряжения U и тока I, тепловой коэффициент полезного действия η,

геометрические размеры электродуговой камеры (l, d) и катода,

обеспечивающие достаточно высокий ресурс работы системы.

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1.

Плазмотрон состоит из катода 1, катододержателя 2, системы подачи

рабочего газа 3, анода 4.

3 4

Рисунок 1.1 – Схема плазмотрона

2 РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров

плазмотрона

Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами

- критическая скорость звука при 6000 К

6.1608

кр

м/с;

- критическая плотность воздуха при 6000 К

035.0

кр



кг/м

;

- начальная энтальпия

103

Дж/кг;

- конечная энтальпия

10402.15 h

Дж/кг.

При расчете параметров плазмотрона воспользуемся следующими

уравнениями:

- вольтамперной характеристики

;)(1290

25.0

3.0

15.0

U 

































(2.1)

- теплового КПД плазмотрона

;)(1085.5

5.0

3.0

27.0

















































(2.2)

- энергии истекающей струи

)(

hhG









(2.3)

Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо

ввести ещё одно условие, устанавливающие взаимосвязь между искомыми

параметрами. Это 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

кр

dd 3.1

Тогда мы можем рассчитать диаметр разрядного канала плазмотрона по

следующей формуле [1]:

102.9

6.1608035.014.3

102.2

6.26.2















кр



, (2.4)

Решая полученную систему уравнений с помощью MathCAD, получим:

Таким образом, получили следующие характеристики: сила тока – 340А,

напряжение дуги – 225В, тепловой КПД – 44%. Мощность рассчитанного

плазмотрона составляет 76 кВт.

Рассчитаем диаметр отверстий, через которые воздух подается в

вихревую камеру. Для эффективной стабилизации дугового разряда на оси

канала газовым вихрем и снижения эрозии материала катода, вызванной

воздействием пятна дуги, необходимо обеспечить скорость газа на выходе из

кольца закрутки в пределах 150-200 м/с.

При начальной температуре воздуха

300T

К,

105p

Н/м

88.5



кг/

, выбранной тангенциальной составляющей скорости

175



м/с, суммарная

площадь отверстий

)/(





vGF 

составит

103.58





. при количестве

отверстий равном 8, диаметр каждого из них будет равен

103







м.

Given



2.2 10

3

 15.402 10

 3 10



 



U I

U 1290

2.2 10

3

 0.0092













0.15



2.2 10

3



0.0092













0.3

 10

0.0092

 

0.3









5.85 10

5



2.2 10

3

 0.0092













0.27



2.2 10

3



0.0092













0.27

 10

0.0092

 

0.3



0.184

0.0092













0.5



Minerr I U



( )

338.143

224.139

0.438















2.2 Расчет системы охлаждения

2.2.1 Расчет охлаждения катода

Расчет охлаждения катода начинается с определения теплового потока в

него от пятна дуги при I=340А [1]:

79634034.234.2  IQ

Вт. (2.5)

Задавшись из конструктивных соображений значением радиуса обоймы

не меньшим, чем радиус канала катода, и равным r

=6∙10

-2

м, найдем величину

действительной плотности теплового потока на охлаждаемой стенке катода:

1052.3

106.314.32

796











Вт/м

(2.6)

Коэффициент надежности охлаждения примем равным К

охл

=13. далее

находим критическую плотность теплового потока, на которую должно быть

рассчитано охлаждение катода:

1057.41052.313 

wохлкр

qКq

Вт/м

. (2.7)

Задавшись начальной температурой охлаждающей воды t

вх

=20˚С,

перепадом температур в рубашке охлаждения катода Δt=4˚С, и давлением воды

в ней р=5∙10

Н/м

определяем секундный расход воды, необходимый для

охлаждения катода:

048.0

41018.4

796











кг/с (2.8)

После этого рассчитываются: средняя температура охлаждающей воды

=20+4/2=22˚С и температура насыщения t

вн

14910105100





вн

˚С

а величина недогрева воды до температуры кипения (насыщения)

12722149 

˚С

Далее определяем потребную скорость охлаждающей воды в зазоре

 

)127013.01(103.1

1057.4

15.0





































Нв

кр

вв

tБq

м/с. (2.9)

Значения v

в0

=0.15 м/с, q

в0

=1.3∙10

Вт/м

, Б=0.013 К

-1

определены для р=5∙10

Н/м

[1].