Расчёт схемы плазмотрона

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка к курсовой работе: 30 страниц, 5 рисунков, 1 таблица, 2 приложения, 7 источников.

Объект исследования – электродуговой плазмотрон постоянного тока прямого действия.

Цель работы – определение основных характеристик плазмотрона.

Метод исследования – теоретические  расчеты электродугового плазмотрона, его вольтамперной и тепловой характеристик.

Разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчет основных геометрических параметров плазмотрона, исследована зависимость температуры плазменной струи от силы тока дуги, определена вольтамперная и тепловая характеристики, выбран источник питания, предложено технологическое применение.

В результате расчетов получены следующие параметры: сила тока - 243 A, напряжение на дуге - 147 B, КПД – 0,732, мощность – 35,7 кВт, ресурс работы плазмотрона составляет 60 часов.

Данный плазмотрон можно применять  в следующих технологических процессах: резка тонколистовых и толстолистовых металлов, плазменная сварка, плавка и наплавка металлов.

ПЛАЗМОТРОН ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ, РЕСУРС РАБОТЫ, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ, ТЕРМОХИМИЧЕКИЙ КАТОД, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, ГАЗОВИХРЕВАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ, ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................................................................................5

1 Составление расчётной схемы плазмотрона ........................................................7

2 Расчёт плазмотрона ................................................................................................10

2.1 Расчёт рабочих параметров  и геометрических размеров 
плазмотрона .......................................................................................................10

2.2 Расчёт системы охлаждения............................................................... ....12

2.3 Расчёт ресурса работы плазмотрона ....................................................16

3 Определение характеристик плазмотрона ..........................................................18

3.1 Вольтамперная характеристика ............................................................18

3.2 Тепловые характеристики .....................................................................19

4 Выбор источника питания  плазмотрона ..............................................................21

5 Технологическое применение плазмотрона ........................................................23

6 Научно-исследовательская работа  студента .......................................................25

Выводы .......................................................................................................................27

Перечень ссылок .....................................................................................................28

Приложение А Расчёт рабочих параметров и геометрических размеров  
плазмотрона в MathCAD ..................................................................................29

Приложение Б Расчёт зависимости теплового КПД от расхода газа

плазмотрона в MathCAD ..................................................................................30

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Устройство, которое служит для генерации низкотемпературной плазмы, получило название плазмотрон. Плазмотроны или генераторы низкотемпературной плазмы, действие которых основано на нагреве газа электрической дугой в ограниченном пространстве, находят все более широкое использование в различных отраслях науки и производства: технике высоких температур, аэродинамике, металлообработке, металлургии, химии и др. Многообразие областей применения и функций, выполняемых плазмотронами, обусловливается их чрезвычайно высокой эффективностью при сравнительно простой конструкции и низкой стоимости.

Ведущую роль в разработку теории и практики плазмотронной  техники и большой вклад в  их развитие внесли Жуков М. Ф., Рыкалин Н. И., Полак Л. С., Коротеев А. С., Ясько О. И., Дресвин С. В., Болотов А. В., Николаев А. В., Аньшаков А. С., Рутберг Ф. Г., Новиков О. Я., Ямполъский В. М. и др. Вопросы создания и применения плазмотронов для различных технологических целей освещены в монографиях и многочисленных журнальных статьях.

Плазмотроны получили широкое  применение в технике благодаря  следующим особенностям:

- высокая экономичность (высокие значения теплового и электрического КПД);

- большой ресурс работы электродов;

- надёжность и устойчивость установки;

- большой диапазон используемых мощностей;

- возможность нагрева любых газов;

- простота автоматизации;

- возможность создания малогабаритных плазмотронов большой мощности.[1]

Наибольшее распространение  в промышленности получили плазмотроны для резки металлов. В настоящее время режущие плазмотроны успешно используются на многих предприятиях, и область их промышленного применения постоянно расширяется и углубляется. Плазменная аппаратура для резки металлов производится серийно как в СНГ, так и во многих других странах: США, Германии, Японии, Англии, Швеции, Румынии и т.д. За сорокалетнюю историю развития плазморежущей техники были разработаны, исследованы и получили применение многочисленные разновидности режущих плазмотронов.

Целью данной работы является расчёт основных геометрических, электрических  и тепловых показателей плазмотрона. 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 зависимость теплового КПД плазмотрона от расхода рабочего газа.[2]

 

1 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ  ПЛАЗМОТРОНА

 

В данной работе предполагается рассчитать плазмотрон косвенного действия. Исходные данные к работе:

-  рабочий газ – воздух,

- начальная температура воздуха Т_н = 300 К,

- конечная температура воздуха Т_к = 4500 К,

- расход воздуха G = 3∙10^-3 кг/с,

-  давление рабочего газа (воздуха) на выходе из плазмотрона p = 10⁵ Па,

- катод – термохимический, с циркониевой вставкой,

- стабилизация дуги – газовихревая,

- ресурс работы плазмотрона – не менее 50 часов.

Схема рассчитываемого плазмотрона  представлена на рисунке 1.1. Основными узлами рассматриваемого плазмотрона являются катодный, сопловой и узел завихрения рабочего газа. Последний обеспечивает наилучшие условия формирования столба дуги из всех прочих схем стабилизации дуги. Стержневой нерасходуемый электрод-катод выполняется в виде медного охлаждаемого несущего корпуса с катодной вставкой из циркония. Большую токовую нагрузку при существенно меньшей эрозии обеспечивают катоды, вставка которых механически прочно и неподвижно соединена с медной водоохлаждаемой обоймой. При этом циркониевая вставка, как более пластичная чем вольфрамовая, запрессовывается в медную обойму. Медный несущий корпус выполняется в виде полого цилиндра со вставленной внутрь трубкой, через которую подается охлаждающая вода, омывающая внутреннюю полость корпуса. Катодная вставка укрепляется в сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом соответственно конусной посадкой или резьбой.

Формирующие сопла являются наиболее теплонапряженными элементами плазмотронов и поэтому требуют тщательного  конструктивного выполнения. Как  показал длительный опыт эксплуатации плазмотронов, наилучшим материалом для изготовления сопел является медь высокой чистоты, обладающая высокой теплопроводностью. Сопло малоамперного (как в данном случае) плазмотрона может быть выполнено с естественным охлаждением. Узел завихрения рабочего газа определяет качество стабилизации столба плазменной дуги. В данном плазмотроне рабочий газ поступает в камеру через несколько тангенциальных отверстий, просверленных в корпусе плазмотрона. Несколько отверстий обеспечивают большую равномерность распределения газа по окружности, но при этом усложняется система подачи газа в плазмотрон.

Жесткая механическая связь электродного и соплового узла осуществляется с помощью изолятора. При выборе материала и конструкции изолятора  следует учитывать, что он должен выдерживать высокое напряжение осциллятора, сохраняя механическую прочность и плотность при повышенной температуре и влажности, кроме того, он должен хорошо поддаваться точной механической обработке. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет эпоксидная смола, обладающая высокими изолирующими свойствами и хорошим сцеплением с металлом, сохраняющая свои свойства при повышенных температурах, стойкая по отношению к влаге и различным агрессивным парам и газам.

Одним из условий стабильного горения дуги является точная центровка электрода и сопла при сборке плазмотрона. Отклонение в несколько десятых долей миллиметра может привести к образованию двойной дуги. Высокая точность центровки электрода и сопла может быть достигнута лишь при жесткой фиксации их взаимного расположения.

Важным условием стабильного горения  дуги в плазмотронах прямого действия является выполнение определенных размерных  соотношений между диаметром  катода dK, диаметром сопла dc и длиной канала сопла lс. На опыте эксплуатации плазмотронов установлено, что возможность двойного дугообразования исключается при двух условиях: dк < dc и dc < lс. Величина диаметра катода определяется током дуги.

Определению подлежат следующие параметры: рабочие значения тока I и напряжение дуги U, тепловой коэффициент полезного действия h, диаметр отверстий для подачи рабочего газа, геометрические размеры разрядного канала и катода, обеспечивающие необходимый ресурс работы, расход воды на охлаждение узлов плазмотрона.

1 – медный катододержатель; 2 – циркониевая катодная вставка; 3 – сопло; 4 – обрабатываемая деталь (анод); 5 – подача газа.

 

Рисунок 1.1 - Расчётная схема плазмотрона

 

 

 

 

2 РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА

 

2.1 Расчет рабочих параметров  и геометрических размеров плазмотрона

 

Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами [3]:

- критическая скорость при 4500 К м/с;

- плотность воздуха при 4500 К кг/м³;

- начальная энтальпия Дж/кг,

- энтальпия Дж/кг.

Для расчета электрических и  тепловых характеристик плазмотрона  будем использовать следующую систему  уравнений:

- вольтамперной характеристики:

; (2.1)

• теплового КПД плазмотрона:

;  (2.2)

• мощности, вкладываемой в дугу:

;                                                       (2.3)

• энергии истекающей струи:

;            (2.4)

- условие отсутствия шунтирования дуги на стенку сопла:

;   (2.5) 

Представленная система уравнений  не замкнута, поэтому необходимо ввести ещё одно условие, устанавливающее взаимосвязь между искомыми параметрами. Это условие определяет отсутствие теплового запирания в разрядном канале. С этой целью внутренний диаметр сопла выбирается на 10-30% больше критического. В нашем расчете примем d=1,17d_кр.

Тогда мы можем рассчитать диаметр  разрядного канала плазмотрона по следующей  формуле [2]:

,                                       (2.6) 

подставив исходные значения, получим:

(м).

Решая данную систему уравнений с помощью MathCAD (смотри приложение А), получим следующие характеристики:

- напряжение дуги:

(В);

- сила тока:

(А);

- тепловой КПД:

;

- длина разрядного канала сопла:

(м).

Мощность рассматриваемого плазмотрон:

 (кВт).

Полученное значение длины разрядного канала сопла l является критическим для длины разрядного канала. Таким образом, длину разрядного канала сопла можно принять равной:

(мм).

 Диаметр катодной  вставки для отсутствия двойного дугообразования должен быть меньше диметра сопла, примем равным:

(мм).

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. Принимаем скорость воздуха на выходе (м/с), плотность воздуха при нормальных условиях         (кг/м³). Рассчитаем диаметр отверстий для трёх различных значений числа колец закрутки (2, 4, 8) [2]:

,  (2.7)

где n – количество отверстий  в одном кольце закрутки.

Подставив численные  значения, получим:

,

,

.

Из технологических соображений  выбираем число колец закрутки, равное 4, и диаметр отверстий для подачи газа:

.

 

2.2 Расчет системы  охлаждения

 

Так как данный плазмотрон является маломощным, его сила тока меньше 300 А, а сопло выполняем из карбида бора, то охлаждение сопла плазмотрона можно сделать естественным. Тогда расчёт охлаждения плазмотрона сводится к расчёту охлаждения катода.