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.

Расчет охлаждения катода начинается с определения теплового потока в него от пятна дуги при I =146 А [1]:

(Дж).      (2.8)

Задавшись температурным перепадом  охлаждающей воды:

^ОС,

и ее температурой на входе:

^ОС,

рассчитываем расход воды:

 (кг/с),      (2.9)

где Дж/кг – теплоёмкость охлаждающей воды.

Приняв из конструктивных соображений значение радиуса обоймы равным:

   r = ,

 находим величину  действительной плотности теплового  потока на охлаждаемой стенке канала:

(Дж/м²). (2.10)

Коэффициент надежности охлаждения принимаем  равным:

 К_охл=15.

Далее находим критическую плотность  теплового потока, на которую должно быть рассчитано охлаждение катода:

(Дж/м²).  (2.11)

Рассчитав среднюю температуру  охлаждающей жидкости (воды):

(^ОС),

температуру насыщения  при давлении в разрядной камере : 

.  (2.12)

Находим величину недогрева воды до температуры кипения (насыщения):

(^ОС).  (2.13)

Определяем потребную скорость охлаждающей воды в зазоре, для  чего зададимся необходимыми константами, которые определены из графика 9,1 [2] (смотри приложение Б):

       (2.14)

(м/с).  (2.15)

Выясним, какой режим  теплообмена, конвективный или пузырьковый, имеет место при выбранном значении К_охл. С этой целью сравним рассчитанную плотность теплового потока с плотностью, соответствующей началу кипения. Для этого определим число Рейнольдса:

,      (2.16)

где - кинематическая вязкость воды при температуре 22°С.

Гидравлический диаметр  принимаем равным , а величину зазора определим из уравнения:

,                                      (2.17)

где - радиус водоподводящей трубки, выбранный из конструктивных соображений;

- плотность охлаждающей воды.

Тогда подставляя численные  значения в формулу (2.17), получим необходимую величину зазора:

(м). (2.18)

Далее определяем плотность теплового  потока, соответствующую началу кипения  воды:

,                                  (2.19)

где - коэффициент теплоотдачи; - коэффициент теплопроводности воды при температуре .

Для определения коэффициента теплоотдачи  необходимо вычислить число Нуссельта . Полученное число Рейнольдса соответствует турбулентному течению жидкости, поэтому число Нуссельта рассчитываем по формуле:

,  (2.20)

где - кинематическая вязкость воды при t = 22^ОС;

 - число Прандтля при t = 22^ОС;

- число Прандтля при t = 149^ОС;

 – коэффициент пропорциональности. [1]

Тогда подставляя известные величины в формулу (2.20) найдём число Нуссельта:

.

Зная число Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи:

(Вт/м²∙К).  (2.20)

Так как коэффициент  теплоотдачи  известен, можем найти по формуле (2.19) плотность теплового потока в катод соответствующую началу кипения:

(Вт/м²).  (2.21)

Поскольку плотность теплового  потока, соответствующая началу кипения  воды, больше чем действительная плотность  теплового потока у стенки охлаждаемого канала, то делаем вывод, что охлаждение стенки определяется конвективным турбулентным теплообменом. В этом случае температура охлаждаемой стенки: 

(^ОС).  (2.22)

Значения температур слишком отличаются, поэтому делаем второе приближение:

- число Прандтля при t = 22^ОС;

- число Прандтля при t = 107^ОС;

- коэффициент пропорциональности. [1]

,

(Вт/м²∙К),

(Вт/м²).

Охлаждение стенки определяется конвективным турбулентным теплообменом. В этом случае температура охлаждаемой стенки:

(^ОС).

Это значение близко к  принятому значению в начале. Поэтому  на этом тепловой расчёт охлаждения катода можно считать завершённым [1].

2.3  Расчет ресурса работы  плазмотрона

 

Ресурс работы плазмотрона принимается  равным значению ресурса работы катода.

В данном плазмотроне катод термохимический  с циркониевой вставкой. Примем значение диаметра обоймы больше, чем диаметр  разрядного канала выходного электрода:

мм.

Тогда диаметр циркониевой вставки при токе 243 А рекомендуется принять равным:

 

Глубина выработки вставки:

Тогда масса выгоревшего материала:

(кг), (2.23)

где кг/м³ – плотность циркония.

Ресурс работы катода найдём по следующей формуле [1]:

(ч), (2.24)

где - удельная эрозия циркония.

Таким образом, получили, что ресурс работы катода равен 60 часов, т.е. рассчитанный плазмотрон имеет ресурс работы 60 часов, что удовлетворяет поставленным требованиям.

 

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК  ПЛАЗМОТРОНА

 

3.1 Вольтамперная характеристика

 

Вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги отражает зависимость напряжения от силы тока при постоянстве геометрических размеров электродуговой камеры, расхода газа, его давлении в характерном сечении и других определяющих параметров [2]. Для плазмотронов прямого действия ВАХ падающая. Эта зависимость напряжения от силы тока представлена формулой (2.1).

 Построим график ВАХ при изменении силы тока от 0 до 500А  для трёх расходов газа.

 ВАХ для данного плазмотрона  представлена на рисунке 3.1:

U1 – G1=0.0021; U2 – G2=0.003; U3 – G3=0.0051 кг/с.

Рисунок 3.1 – Вольтамперная характеристика плазмотрона

 

3.2 Тепловые характеристики

 

Кривая, показывающая зависимость  теплового КПД от силы тока при  остальных неизменных параметрах описывается выражением (2.2).

Кривая, описывающая зависимость  КПД от силы тока дуги имеет падающий характер. Это объясняется тем, что при росте тока резко начинают расти тепловые потери на катоде, что в свою очередь очень сильно сказывается на тепловом КПД.

Построим графики зависимости  теплового коэффициента полезного  действия от тока при изменении силы тока от 0 до 500А  для трёх расходов газа.

Результаты построения представлены на рисунке 3.2:

η1 – G1=0.0021; η2 – G2=0.003; η3 – G3=0.0051 кг/с.

Рисунок 3.2 – Зависимость теплового КПД плазмотрона от силы тока

 

График зависимости  теплового потока в катод от силы тока изображён на рисунке 3.3. Диапазон изменения силы тока, как и для предыдущих зависимостей, от 0 до 500 А. Исследования показали, что потери тепла в стенку канала плазмотрона на начальном его участке обусловлены, в основном, излучением столба дуги. Тепловой поток в катод не зависит от расхода газа, поэтому график построен только для одного значения расхода газа.

Рисунок 3.3 – Зависимость теплового  потока в катод от силы тока

 

4 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНА

 

Качество генерации электрической дуги плазмотронами во многом определяется источником питания (ИП), который должен обеспечивать устойчивое горение дуги, поддержание заданного среднего значения тока, управление средним значением тока в диапазоне от начального до номинального, заданный уровень пульсаций, максимально возможный КПД, максимально возможное значение коэффициента мощности, обладать минимальными массогабаритными показателями и ценой.

Для рассматриваемого плазмотрона  целесообразно использовать следующий  источник питания: тиристорный управляемый выпрямитель с автоматической стабилизацией тока и обратной связью по току.

Напряжение холостого хода ИП должно быть больше рабочего напряжения дуги плазмотрона. Как было показано выше, рабочее напряжение на дуге плазмотрона 216 В, сила тока –100 А. Принимаем коэффициент запаса по напряжению равным 1,3. Тогда напряжение холостого хода источника питания составит:

Рекомендуется выбрать  источник питания типа БЭП-80 у которого номинальное напряжение составляет 200 В, номинальная сила тока – 270 А, номинальная мощность – 54 кВт. Этот тип источника питания разработан в институте им. Е.О. Патона для комплектации установок плазменного нанесения покрытий, плазменной резки.

ИП БЭП-80 состоит из трансформаторного блока, управляемого тиристорного выпрямителя, нерегулируемого выпрямителя для питания дежурной и вспомогательной дуг, электронного блока управления и релейной схемы управления. Рабочая дуга зажигается от управляемого тиристорного выпрямителя. Последовательно в цепь рабочей дуги подключается сглаживающий дроссель. Блок управления БЭП-80 собран по схеме Ларионова, и вся его внешняя характеристика формируется за счёт применения обратных связей по току. Масса и габариты источника определяются массой и габаритами силового трансформатора и сглаживающего реактора . К недостаткам ИП следует отнести уменьшение при регулировании напряжения вниз от номинального, искажения потребляемого из сети тока, необходимость значительной индуктивности в цепи постоянного тока.

Источник электропитания БЭП-80 рассчитан на работу с плазмотронами на воздухе, газовоздушных смесях, азоте, аргоне и смесях аргона с воздухом или азотом.

 

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМОТРОНА

 

Применение электродуговых плазмотронов в промышленности позволит значительно интенсифицировать существующие технологические процессы, создать совершенно новые аппараты и технологию производства. Плазмотроны прямого действия занимают среди всех плазмотронов особое место, так как в качестве анода выступает обрабатываемый материал. Применение плазмы позволит исключить или, по крайней мере, значительно ослабить проблему создания специальных огнеупоров, облегчить технологические процессы обработки  материалов, производить резку пластичных или тугоплавких материалов.[6]

В плазмотронах для резки  в качестве рабочего газа используется в основном сжатый воздух, а в  качестве материала катода — стойкий  в кислородсодержащей среде циркониевый  или гафниевый стержень, запрессованный в медный легкосменный катододержатель. Сила тока в канале сопла, обусловливающая формирование жесткой интенсивно обжатой дуги с высокими режущими свойствами в плазмотронах для механизированной резки составляет 200…300 А.

Среди всех видов плазменной обработки материалов плазменная резка получила наибольшее распространение, так как в современном машиностроении все шире применяются специальные сплавы, нержавеющие стали, цветные металлы и сплавы на их основе, для которых газокислородная или другие виды резки практически малопригодны. Плазменная резка обеспечивает более высокую производительность по сравнению с кислородной и при резке черных металлов и сплавов.

Сущность процесса плазменной разделительной резки заключается  в локальном интенсивном расплавлении металла в объеме полости реза теплотой, генерируемой сжатой дугой, и удалении жидкого металла из зоны реза высокоскоростным плазменным потоком, вытекающим из канала сопла плазмотрона. При оптимальном соотношении толщины разрезаемого металла, мощности сжатой дуги Р и скорости резки столб дуги проникает на всю толщину металла, и анодное пятно располагается в нижней его части. При этих условиях обеспечивается получение практически вертикальных кромок реза без грата. Увеличение скорости резки способствует фиксации анодного пятна выше уровня нижней плоскости реза, что приводит к отставанию фронта плавления в нижней части и сужению реза в ней. Чрезмерное увеличение скорости резки приводит к неполному прорезанию металла. При снижении скорости резки ниже оптимальной ширина реза в нижней части резко увеличивается. Расплавленный теплотой плазменной дуги металл, образующийся на лобовой поверхности реза, удаляется скоростным потоком плазменной струи. Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и уменьшается с увеличением диаметра сопла. Скорость истечения расплавленного металла из зоны реза зависит от скорости потока плазмы на границе раздела расплавленный металл - поток плазмы в нижней части разрезаемого металла.[3]

Среди разнообразных  схем, предлагаемых для обработки  и получения металлов с помощью  дуговой плазмы, наиболее перспективны те, в которых используются плазмотроны  прямого действия (анодом является ванна расплавляемого металла). Почти  неограниченные возможности повышения мощности и высокий КПД плазмотронов прямого действия обусловили появление реальной возможности их широкого промышленного применения для плавки и переплава высококачественных металлов [7].

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что рассчитанный в данной работе плазмотрон можно применять для процессов плавки, наплавки, для плазменной резки, в частности алюминия и углеродистой стали, а также для сварки металлов.

 

6  НАУЧНО – ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТА