ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Принципы нагрева газа в плазмотроне из "Плазмотроны конструкции,характеристики,расчет " Нагрев газа в плазмотроне пршсходит в результате его взаимодействия с дугой, поэтому э4х )ективность нагрева существенно зависит от т(нх , каким образом организовано это взаимодействие, т.е. рабочий процесс. [c.4] Рассмотрим процесс нагрева газа дугой. Здесь могут встретиться два случая. В первом случае весь нагреваемый газ проходит через дугу. Например, если представить себе дугу, горящую в узком цилиндрическом канале и занимающую практически все его поперечное сечение, то каждая порция газа на время ее прохождения по каналу становится частью столба дуги и на выходе из канала имеет среднюю температуру, равную средней температуре дуги. Таким образом, в этом случае реализуется максималшо возможный нагрев газа. Плазмотроны, в основу которых положен такой рабочий процесс, получили условное название высокотемпературных. [c.4] По типу рабочего процесса все многочисленные схемы плазмотронов можно объединить в 3 класса 1) плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги 2) плазмотроны с магнитной стабилизацией дуги и 3) плазмотроны со стабилизацией дуги стенками кянала. [c.5] Поясним смысл термина стабилизация дуги . Киносъемка дуги, горящей между торцевыми электродами в большом объеме без протока газа, показала, что в результате возникновения свободной конвекции форма дуги непрерывно меняется, а места привязки дуги к электродам хаотически перемещаются по их поверхностям. В плазмотронах рабочий процесс организуют таким образом, чтобы положение дуги было стабильным в пространстве или чтобы движение дуги происходило упорядоченно. В этом смысле говорят о стабилизации дуги. [c.5] Вихревое движение газа выполняет еще одну стабилизирующую функцию, а именно обеспечивает вращение радиальных участков ( но-жек ) дуги. При этом опорные пятна дуги 6 перемещаются по поверхностям электродов, что создает благоприятные условия для их охлаждения. [c.6] Рассмотрим теперь поведение дуги в полости анода. Здесь наблюдается явление шунтирования дуги, которое имеет важное значение для понимания физических процессов в плазмотронах. Суть этого явления заключается в следующем. [c.7] На ножку дуги в анодной полости действует поток газа, имеющий окружную и осевую составляющие скорости. Окружная составляющая вызывает вращение ножки , а осевая - ее движение по потоку, т.е. увеличение длины дуги. Возникает вопрос - до каких пор будет происходить растяжение дуги в электроде неограниченной длины Первое очевидное ограничение обусловлено тем, что при растяжении дуги увеличивается напряжение на ней, однако оно ни при каких обстоятельствах не может превысить напряжете источника питания. Реально же максимальное напряжение на дуге обычно существенно меньше, так как для обеспечения устойчивого горения дуги последовательно с ней включается балластное сопротивление (за исключением тех случаев, когда дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику). Таким образом, увеличение дуги будет происходить только до тех пор. пока напряжение на ней не достигнет максимально допустимого значения, после чего дуга погасает. [c.7] Почему пробой происходит в точке а, а не, скажем, в точке 6. отрицательный потенциал которой по отношению к аноду выше Как уже указывалось, вихревая подача газа приводит к тому, что вдоль стенки анода образуется пелена холодного газа, пробивная прочность которой достаточно велика. По мере движения по каналу газ нагревается, кроме того, увеличивается диаметр дуги, поэтому пробивная прочность промежутка дуга - стенка снижается и в некоторой точке а происходит пробой. Если, например, уменьшить внутренний диаметр анода, то расстояние от оси дуги до стенки уменьшится, а температура дуги возрастет, а пробивная прочность промежутка дуга - стенка снизится и точка а сместится ближе к вихревой камере. Уже из этого рассуждения ясно, что без учета явления шунтирования дуги нельзя правильно организовать рабочий процесс в плазмотроне. [c.8] Следует подчеркнуть, что процесс шунтирования наблюдается не только в канале плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги, а носит универсальный характер. Он присущ практически всем дуговым разрядам. при горении которых возникают условия для увеличения длины дуги во времени, независимо от того, какие движущие силы вытягивают дугу поток газа, электромагнитное взаимодействие с собственным или приложенным магнитным полем и т.д. [c.8] Наиболее очевидный способ избавиться от шунтирования - это поместить между вихревой камерой и анодом канал, выполненный из изолятора. Однако организовать эффективное охлаждение этого канала весьма сложно, поэтому длительность работы таких плазмотронов мала. [c.9] Более жизнеспособным является канал, набранный из отдельных охлаждаемых металлических секций, разделенных изолирующими прокладками. Такой канал при прочих равных условиях позволяет сделать длину дуги больше, чем в плазмотроне с самоустанавливающейся длиной дуги, и за счет этого повысить напряжение и вкладываемую мощность. Некоторые плазмотроны этого типа онисаны в разд. 2.4. [c.9] Схема наиболее часто встречающегося плазмотрона постоянного тока с магнитной стабилизацией дугового разряда приведена на рис. 1.2. Электрическая дуга зажигается между коаксиально расположенными электродами. Наружный электрод 7 имеет форму трубы, обычно постоянного диаметра по внутреннему контуру. Внутренний электрод 6 также цилиндрической формы, но с уширением на концевой части. За счет этого уширения может изменяться расстояние между электродами, т.е. кратчайшее расстояние, на длине которого может гореть электрическая дуга. [c.9] Электрическая дуга в коаксиальном плазмотроне с магнитной стабилизацией разряда имеет сложную, переменную по времени форму и не горит по кратчайшему расстоянию, но все же зависимость от расстояния I существует. Поэтому при переходе к режимам с повышенными расходами или высокими давлениями при ограниченном располагаемом напряжении источника питания приходится уменьшать расстояние I за счет увеличения диаметра внутреннего электрода. Внутренняя стенка наружного электрода и наружная стенка внутреннего электрода изготовляются обычно из меди или другого материала, имеющего хорошую теплопроводность, и охлаждаются водой. [c.9] Электрическая дуга поджигается между электродами специальным устройством 4 (например, с помощью проволочки). [c.10] Если плазмотрон построен по схеме, приведенной на рис. 1.2, а. то выходящий из сопла горячий газ будет закручен. Наличие тангенциальной составляющей скорости приводит к существенной неравномерности поля скоростей на выходе из сопла, которая зависит от режима работы плазмотрона. Для многих направлений использования плазмотрона такая неравномерность поля скоростей оказывается недопустимой. Поэтому рассматриваемую схему дополняют смесительной камерой, как показано на рис. 1.2, б, или делают вывод горячего газа, как показано на рис. 1.2, в. Постановка смесительной камеры и удлинение наружного электрода для размещения на нем сопла приводят к увеличению площади поверхностей, омываемых горячим газом, снижению КПД плазмотрона и. как следствие, к снижению температуры нагреваемого газа. [c.11] Для уменьшения тепловых потерь и получения равномерного поля скоростей на выходе из сопла Ю. В. Чудеиким предложена схема двухдугового плазмотрона с магнитной стабилизацией, приведенная на рис. 1.3. [c.12] В этом плазмотроне имеются два внутренних электрода и один наружный. Имеются два соленоида для вращения дуг. Холодный газ подается с двух сторон, и каждая половина его объема проходит через зону горения своей дуги. В центральной части на наружном электроде установлено сопло, обеспечивающее боковой вывод газа. Плазмотроны такой схемы более сложны конструктивно, но позволяют вдвое поднять расход нагреваемого газа и существенно поднять его температуру и термический КПД. [c.12] В межэлектродном зазоре плазмотрона с магнитной стабилизацией дуга находится в непрерывном сложном пространственном движении под действием электромагнитных и газодинамических сил. [c.12] Так как эти силы действуют на элемент дуги по всем направлениям, то исследование формы дуги становится затруднительным. Для выяснения основных закономерностей перемещения дуги в межэлектродном пространстве рассмотрим вначале движение и форму дуги при действии на нее только основной осевой составляющей магнитного поля Н. [c.13] Вернуться к основной статье