Содержание к диссертации
Введение
Гл.1 Обзор литературы 8
1.1 Электродуговые нагреватели переменного тока 8
1.2 Экспериментальные исследования 11
1.3 Теоретические исследования 15
Гл.2 Экспериментальные стенды и методики измерения 19
2.1 Постановка задачи исследования 19
2.2 Экспериментальные установки 19
2.2.1 Импульсно-проточный плазмотрон 20
2.2.2 Двухструнный высоковольтный плазмотрон 22
2.2.3 Трехфазный плазмотрон с торцевыми электродами 23
2.2.4 Трехфазный плазмотрон струбчатыми электродами 24
2.3 Схема электропитания и газоснабжения 25
2.4 Измерение параметров электродуговых нагревателей 26
2.4.1 Измерение тока и напряжения 26
2.4.2 Измерение давления и расхода 27
2.4.3 Определение тепловых потерь 28
2.4.4. Измерение температуры 29
2.4.5 Скоростная киносъемка 32
2.4.6 Измерение диаметра отпечатков дуговых привязок 32
2.5 Методики обработки экспериментальных данных 33
2.5.1 Методы подобия и анализ размерностей 33
2.5.2 Методика обработки данных, полученных на импульсном плазмотроне 37
2.5.3 Методика обработки данных, полученных на трехфазном плазмотроне 40
2.6 Планирование эксперимента 44
Гл.3 Результаты исследования на экспериментальных установках...47
3.1 Импульсно-проточный плазмотрон 47
3.2 Двухструйный плазмотрон 56
3.3 Трехфазный плазмотрон с торцевыми электродами 63
3.4 Трехфазный плазмотрон с трубчатыми электродами 70
3.4.1 Пульсации напряжения на дуге 71
3.4.2 Тепловые потери и КПД плазмотрона 72
3.4.3 Струйное истечение из плазмотрона 79
3.4.4 Взаимодействие дуги с электродами 83
Выводы 90
Гл.4 Методика расчета ВАХ и сред немассовых параметров газа в трехфазном плазмотроне 91
4.1 Постановка задачи и принятые допущения 91
4.2 Основная система уравнений 93
4.3. Постоянная времени дуги 103
4.4 Методы подобия и постановка обратной задачи 105
Гл.5 Численные исследования работы нагревателей 113
5.1 Постановка задачи 113
5.2 Импульсно-проточный плазмотрон 113
5.3 Трехфазный плазмотрон 116
5.4 Совместная работа инжектора и плазмотрона 120
Основные результаты 122
Литература 125
- Экспериментальные исследования
- Импульсно-проточный плазмотрон
- Взаимодействие дуги с электродами
- Трехфазный плазмотрон
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время широкое распространение получили плазменные технологии, основанные на электродуговом нагреве, такие как плазмохимия, плазменная деструкция вредных отходов промышленного производства, плазменные процессы получения композиционных материалов и т.д. Все возрастающие потребности промышленности стимулируют различные направления в технике создания плазменного нагрева. Одним из таких направлений является исследование, разработка и совершенствование электродуговых нагревателей переменного тока.
Недостаточное внимание к плазмотронам переменного тока промышленной частоты объясняется с одной стороны сложностью расчета нестационарных процессов сопровождающих теплообмен газа с дугой, с цругой стороны, возможным присутствием низкочастотных пульсаций выходных параметров электродугового нагревателя, что неприемлемо в ряде плазменно-химических технологиях. Однако, там, где пространственно-временная неравномерность потока не вносит каких-либо осложнений применение нагревателей переменного тока более выгодно, а наличие пульсаций в выходном потоке способствует интенсификации процесса теплообмена. Мощные электродуговые нагреватели переменного тока дешевле и надежнее аналогичных нагревателей постоянного тока, хотя бы с точки зрения используемого электропитания, в которой применяется стандартное оборудование. Высокий КПД систем электропитания достигается снижением потерь активной мощности путем введения в цепь реактивного сопротивления. Применение же многодуговых-трехфазных систем, позволяет непосредственно использовать промышленную трехфазную сеть с широким диапазоном
}
мощности и питающего напряжения, а наличие вспомогательного поджигающего устройства способствует решению проблемы без паузного протекания тока, особенно при переходе тока через нуль.
По всей видимости, отсутствие надежной информации о возможностях и характеристиках плазмотронов переменного тока сдерживает практиков, занимающихся внедрением плазменных технологий на производстве.
Для электродуговых нагревателей основными характеристиками их работы служат: уровень среднемассовой температуры нагреваемого газа, расход, КПД, ВАХ дуги (дуг), а также пульсационные характеристики параметров газа на выходе из плазмотрона. Создание и доведение конструкции плазмотрона для получения требуемых рабочих характеристик в том или ином технологическом процессе, а также получения обобщенных внешних характеристик нагревателя для проектирования подобных систем, требует значительного объема экспериментальных работ. Поэтому возникает потребность в методиках расчета перечисленных выше характеристик с тем чтобы, если не полностью заменить дополнительные экспериментальные исследования, то существенно их сократить. В связи с этим актуальной становиться задача разработки методик, позволяющих при ограниченном числе экспериментальных данных достичь оптимальных условий работы нагревателя, с соблюдением требований технологического процесса. Цель работы и задачи исследования. Целью работы являлось разработка метода анализа экспериментальных данных и расчета на его основе электрических характеристик дугового разряда и среднемассовых характеристик нагреваемого газа в импульсно-проточном и трехфазном однокамерном плазмотронах переменного
тока. Получение полуэмпирической модели для
проведения расчетов по оптимизации процесса нагрева и
улучшению технических параметров плазменных установок
переменного тока, поскольку чисто экспериментальные
способы совершенствования плазменных устройств,
особенно в промышленных условиях, требует
значительных материальных затрат. Разработка метода
расчета тока в дугах трехфазного однокамерного
плазмотрона, обеспечивающего возможность применения
автоматического регулирования энергетических
параметров установок.
Задачи исследования включали: проведение
экспериментальных исследований и получения обобщенных зависимостей КПД, ВАХ, сред немассовой энтальпии (температуры) и ее пульсационных характеристик от внешних параметров: тока, расхода газа, давления, выходного диаметра нагревателя, а также параметров электрической цепи и вспомогательного поджигающего устройства.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих основных результатах:
Разработана экспериментально-расчетная методика определения среднемассовых параметров нагреваемого газа на импульсно-проточном и трехфазном однокамерного плазмотронах переменного тока.
Разработана методика определения тока в дугах трехфазных однокамерных плазмотронов путем решения обратной задачи.
Получены данные о характере перемещения и взаимодействии дуги с поверхностью электродов в трехфазном плазмотроне, с движущимися дугами, позволившими объяснить отсутствие значительного снижения эрозии на холодных электродах.
Установлено качественно влияние мощности и устойчивой работы вспомогательного поджигающего
устройства на работу трехфазного однокамерного плазмотрона.
Получены количественные обобщающие данные по ВАХ и КПД импульсного и трехфазного плазмотронов в зависимости от внешних характеристик (расхода, давления, тока).
Введено понятие коэффициента надежности зажигания и степени пульсаций для вспомогательного зажигающего устройства, что дает возможность оценивать и сравнивать различные виды конструкций этих устройств. Практическая ценность определяется тем, что полученные экспериментальные зависимости вместе с методикой расчета использованы при разработке импульсно-проточного плазмотрона для создания мощного импульсного газодинамического лазера, а также однокамерного трехфазного нагревателя с системой электропитания для плазменной деструкции вредных, отравляющих и хлор-фтор органических веществ. Данные по характеристикам трехфазных плазмотронов использовались для определения параметров высокотемпературных струй плазмы в испытаниях на износ углёродосодержащих материалов и моделирования процессов обтекания тел. На базе проведенных исследований импульсно-проточных плазмотронов был создан импульсный 150 кВт газодинамический лазер.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на Всероссийской конференции по низкотемпературной плазме Петрозаводск 22-27 июня 1998 г.; The Fourth International Workshop on Advanced Plasma Tools and Process Engineering, May 26-27, 1998 Millbrae, CA, (СЩА) и в публикациях (1-8), приведенных в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав. Содержит 132 страницы текста,
Экспериментальные исследования
Импульсный-проточный плазмотрон
Необходимо отметить, что большое число экспериментов выполненных на импульсных плазмотронах, носят описательно-иллюстративный характер. Это связано, главным образом, со сложностью протекающего в процессе разряда взаимодействия дуговой плазмы с окружающим ее газом. В работе [14] описан мощный импульсный плазмотрон для генерации высокоэнтальпийной плазменной струи. В качестве плазмообразующего газа использовался воздух, который закачивался в разрядную камеру до давления 0.1-6 МПа. Длительность импульса разряда составляла «35 мс. Максимальная величина мощности в дуге достигала порядка 1000 МВт. Анализ результатов исследований показал, что при рассматриваемых условиях нагрев газа в основном омический, столб разряда не сжимается под действием собственного магнитного поля, поскольку скорость нарастания тока не велика «107 А/с. В работе, однако, отсутствуют данные по КПД установки и величине потерь в стенки камеры в течение разряда и последующего истечения струи. Отсутствие данных по ВАХ разряда не позволяет использовать полученные в работе данные по проектированию и оптимизации подобных систем. В работах [ 15,16] описана схема и работа подобного плазмотрона с длительностью импульса разряда 2-3 мс. Эксперименты проводились на различных газах Н2, Не, N2, Аг. В случае водорода наблюдалась сильно выраженная турбулентность разряда с образованием вихрей и сгустков плазмы. С ростом атомного номера используемого газа турбулентность уменьшалась. Так в N2 и Аг турбулентность выражена крайне слабо. Оценка степени турбулентности, неупорядоченности структуры разряда, оценивается визуально без каких-либо количественных данных, что делает оценки крайне субъективными. В работе [17] делается попытка объяснить наблюдаемые колебания падения напряжения на дуге и давления в камере с точки зрения возникновения винтовой неустойчивости дуг. Приведенные рассуждения качественно не противоречат результатам наблюдений.
В [6,8] исследовался импульсно-проточный плазмотрон, работающий на азоте. Данный нагреватель использовался для подготовки рабочего тела для газодинамического лазера. Абсолютная мощность установки почти в 500 раз меньше описанных выше, однако, они подобны по величине вкладываемой энергии на единицу массы газа, т.е. близки по величине выходной среднемассовой температуре. Важной особенностью приводимой системы существенно нестационарные условия работы с изменением тока, напряжения на дуге и расхода плазмообразующего газа, широкий диапазон изменения плотности (от 0.03 до 7.5 кг/м3) и давления (от 0.003 до 7 МПа) в течение периода нагрева. Приводятся динамические характеристики плазмотрона, как элемента внешней электрической цепи, позволяющие рассчитать оптимальный режим работы системы плазмотрон-LRC цепь. Однако отсутствуют характеристики плазмотрона, как нагревателя: его КПД, массовый расход нагреваемого газа, его температура, тепловые потери и их изменение во времени. Надо отметить, что хотя в работе приведены ВАХ для различных режимов работы и оценена среднемассовая температура и энергия, вкладываемая в газ, тем не менее они получены для плазмотрона вне установки, в которую он входит как неотъемлемый элемент. В частности, применение одного нагревателя приводит к сильной неравномерности потока в рабочей части рассматриваемой установки, поэтому используют два нагревателя, работающих на одну камеру смешения. В этом случае режим работы нагревателей зависит от изменения параметров во всех элементах системы, связанных с ними. Ясно, что с практической точки зрения, чаще выгоднее проводить измерения и иметь расчетную методику для определения параметров нагреваемого газа на конкретной рассматриваемой установке, чем проводить всеобъемлющие исследования при различных внешних параметрах. Результаты исследований для импульсно-проточного нагревателя, приведенные в цитируемых выше работах, не дают возможности построить единую картину математического описания нагрева газа в импульсном плазмотроне в рассматриваемых условиях, даже не вдаваясь в исключительно сложную физику процесса, но также отсутствуют обобщенные характеристики (ВАХ, КПД, теплопотери) данных нагревателей. Трехфазные однокамерные плазмотроны.
В работе [18], являющейся одной из первыми отечественных работ по исследованию однокамерного трехфазного плазмотрона со стержневыми электродами, приводятся данные экспериментов с газами N2 и Аг. В статье отмечено, что при работе плазмотрона наблюдаются пульсации выходных параметров с частотами 250-300 Гц. Каких-либо дополнительных пульсаций в сравнении с плазмотронами постоянного тока не наблюдалось. Указано также, что КПД плазмотрона лежит в диапазоне от 0.4 до 0.7.
В [19] на плазмотроне подобной конструкции установлено наличие двух режимов горения дуг в плазмотроне: диффузного и контрагированного. Диффузный режим, по мнению авторов статьи, характеризуется большей по сравнению с котрагированной дугой, областью протекания тока, меньшим значением температуры в зоне разряда и значительными колебаниями положения разряда. Независимо от режима горения дуг в [20] получено, что с увеличением давления и расхода газа падение напряжения увеличивается. Обработка по методу наименьших квадратов позволила получить степенную зависимость падения напряжения от расхода или давления газа. Показатель степени меньше единицы, что указывает на относительно слабую зависимость. Изменение режима горения дуг, переход от диффузного горения к контрагированному поданным работы [21] происходит с повышением давления в объеме плазмотрона. Граница перехода лежит в диапазоне от 0.1-0.35 МПа и зависит от типа плазмотрона. Скоростная киносъемка процесса позволила установить наличие катодных и анодных струй с поверхности электродов, а также развитие винтовой неустойчивости.
Авторы работы [13] предложили трехфазный плазмотрон с перемещающимися дугами в поле собственного тока. В незамкнутой рельсовой конструкции, дуги, после межэлектродного пробоя, перемещались по рельсовым электродам до их окончания или гасли там, где межэлектродное расстояние становилось выше рабочего. Использован принцип так называемых обрывных дуг [22]. Для повторного зажигания требуется маломощный инжектор плазмы, роль которого играет небольшой плазмотрон постоянного тока. В дальнейшем [23] в качестве инжектора использовался маломощный плазмотрон переменного тока промышленной частоты. Из работы, однако, не ясно каковы преимущества инжектора переменного тока и каково его влияние на работу основного плазмотрона, его КПД, ВАХ, среднемассовую температуру.
Использование перемещения дуг интенсифицирует теплообмен между разрядом и нагреваемым газом. При этом наблюдается стабилизация разряда вблизи электродов за счет струй испаряющего материала электродов. С увеличением межэлектродного расстояния стабилизирующий эффект электродных струй ослабевает, и нестабильность увеличивается. Это находит отражение в усилении относительной роли турбулентного теплообмена. В [11] отмечена преобладающая роль конвективного теплообмена, который уменьшается с увеличением межэлектродного зазора при одновременном увеличении турбулентного энергообмена. В [23] получены рабочие характеристики трехфазных плазмотронов с торцевыми и трубчатыми электродами при работе на азоте и воздухе. Там же приводятся данные по эрозии торцевых электродов, которая составляет при работе на азоте для вольфрамовых электродов -10"2 -10"5 г/Кл, на воздухе для медных электродов -1СГ5 -1СГ6 г/Кл. Несмотря на принудительное перемещение дуги вдоль медных трубчатых электродов, эрозия их остается достаточно высокой.
Необходимо заметить, что в рассмотренных работах по электродуговому нагреву отсутствуют или слабо представлены данные по тепловым потокам в стенки камеры и электроды. Отсутствуют данные по частоте и величине пульсаций температуры генерируемых плазменных струй. Приводимые в работах [13,21,24] ВАХ относятся к действующим значениям напряжения и фазного тока. В действительности же характер дугового разряда определяется падением напряжения на дуге и током дуги, непосредственное измерение которого в однокамерном плазмотроне не представляется возможным.
Импульсно-проточный плазмотрон
В данном параграфе приводятся результаты экспериментальных исследований и параметров нагреваемого газа, полученных с использованием методики, описанной в главе 2, предназначенной для выявления роли отдельных факторов и систематизации экспериментального материала.
С этого момента до поступления газа в канал плазмотрона, что соответствует примерно 2-4 миллисекунде, вся энергия разряда идет на нагрев электродов и стенок канала плазмотрона. Потери тепла в камере смешения фактически отсутствуют. По мере увеличения расхода давление и тепловой поток в стенки КС возрастают, достигая максимального значения в момент окончания импульса тока. Измерения температуры внутренней поверхности КС позволили рассчитать распределение теплового потока по длине КС. На рис.3-2 представлены зависимости теплового потока вдоль образующей камеры в различные моменты времени. Как видно из рисунка распределение теплового потока по длине камеры приблизительно постоянно. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующую зависимость усредненного коэффициента теплоотдачи для КС в зависимости от давления в камере: а = 22.26Р135 кВт/м2 здесь давление в КС отнесено к атмосферному.
Данные по замеру теплового потока и изменения давления в КС были использованы для расчета параметров газа в плазмотроне и КС по описанной выше методике (гл2. 5)
На рисунках за характерное время принято время разряда равное 40 мс. На рис.3-3 приведено изменение 0 8
По мере увеличения давления в плазмотроне (t 16 тс), перепад на входе становится докритическим. Начиная с этого момента, поток газа в плазмотрон начинает зависеть от давления в самом плазмотроне. Подобный эффект не желателен, так как, например, при увеличении мощности в разряде, может произойти прекращение подачи газа в плазмотрон. Горение дугового разряда на докритическом перепаде стабилизирует расход газа из плазмотрона. С уменьшением разрядного тока, после перехода через максимальное значение среднемассовая температура начинает уменьшаться, а эффективность нагрева увеличивается, КПД быстро возрастает (рис. 3-5)
На рис.3-4. представлены результаты расчета среднемассовой температуры в плазмотроне и КС в зависимости от времени. Там же приведены данные замера температуры термопарами. Как видно из рисунка расхождение между замеренной и расчетной температурой не превышает 5%, исключение составляет начальный участок, что объясняется инерционностью термопар. Интересен тот факт, что среднемассовая температура в КС выше среднемассовой температуры в плазмотроне. Это превышение температуры вызвано сжатием плазмы в объеме КС газом, поступающим из объема высокого давления.
Из-за разнообразия происходящих в электродуговой камере процессов теоретическое решение задачи теплообмена в плазмотроне не представляется возможным, поэтому целесообразно использовать эмпирические соотношения в критериальном виде. Расчет изменения КПД во времени позволил вычислить суммарный тепловой поток в стенку и электроды плазмотрона. На рис.3-6 приведена зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи St-числа Стентона от числа Рейнольдца, вычисленного по диаметру канала и параметрам на входе в плазмотрон. Зависимость имеет вид : среднемассовая энтальпия и энтальпия на стенке, W-мощность в разряде (l U), F6,q3 -боковая поверхность канала и удельный поток газа на входе в плазмотрон. Вид зависимости коэффициента теплоотдачи аналогичен зависимости для развитого турбулентного потока в круглой трубе [68]. Различие в коэффициентах полученной зависимости по сравнению с хорошо известным соотношением по коэффициенту турбулентного теплообмена связано, по-видимому, с более сложной картиной взаимодействия дугового разряда с потоком газа. При нестационарном взаимодействии и значительных перепадах давления поток газа на входе в камеру плазмотрона может иметь значительную начальную турбулентность.
К недостаткам данного плазмотрона с фиксированной длиной дуги и в следует отнести достаточно неравномерный во времени нагрев газа, 1000 большие теплопотери. Наличие латунных конусов, 500 предназначенных для гашения тангенциальной составляющей скорости и распределенной подачи плазмы в КС, приводит к Рис.3-7 Падение напряжения на дуге 1 -Не; 2-N2; 3- С02 + N2 неоправданно большим потерям энергии во время работы плазмотрона. б) Результаты исследования на импульсно-проточном плазмотроне с самоустанавливающейся длиной дуги [42].
Обработка осциллограмм велась полуавтоматически [43]. Исследования проводились с газами N2 ,Не , С02 и смеси газов N2+He ; N2+CO2 . Качественно характер осциллограмм соответствует осциллограмме, приведенной на рис.3-1
На рис.3-7 приведено изменение напряжения на дуге в зависимости от времени при дуговом разряде в азоте, гелии и смеси N2+C02 при соотношении массовых концентраций 0.27:0.73. Как видно из рисунка напряжение на дуге в среде гелия выше, чем для азота. Меньше падение напряжения для смеси N2+CO2. Наличие кислорода, потенциал ионизации которого меньше, приводит к повышению проводимости разрядного промежутка. Однако после прохождения максимума тока, что соответствует примерно 20 миллисекунде, падение напряжения на дуге в различных газах приблизительно одинаково. На рис.3-8 приведена зависимость /и (Шм) проводимости дугового столба от времени для данных газов.
Там же представлены данные для смеси N2+He с относительными массовыми концентрациями 0.54 : 0.46 и 0.71: 0.29. Из рисунка видно, что t/мс/ после 20 миллисекунды
Большие тепловые потоки в корпус и электроды плазмотрона приводят к значительной их эрозии. На рис.9 представлена фото скоростной киносъемки втекания плазменной струи в КС к концу работы плазмотрона, когда свечение струи плазы не столь сильно, что позволяет увидеть множество частиц сопровождающих истечение струи. Частицы принадлежат материалу электродов и стенкам камеры плазмотрона. Интересно отметить, как изменяется температура в плазмотроне в зависимости от рода плазмообразующего газа.
При работе плазмотрона на азоте была получена следующая зависимость КПД от величины тока, расхода и давления газа в каждый момент времени:
Обработка экспериментальных данных с применением методов планирования экспериментов позволила получить следующие, уточненные выражения для обобщенных ВАХ перечисленных выше газов.
Из приведенных соотношений видно, что величина давления по-разному влияет на разряд в азоте и гелии. При разряде в азоте влияние давления меньше. Что касается разряда в смеси газов, то для приведенных концентраций он ближе к разряду в азоте.
В заключении этого параграфа можно отметить что:
-при рассматриваемых временах, в выражениях для ВАХ и КПД явно не входит время, что указывает на квазистационарность процессов, протекающих в импульсно-проточном плазмотроне.
-наибольший вклад энергии в газ наблюдается при малых токах и больших расходов газа.
-при изменении тока по закону близкому к синусоиде дуговой разряд протекает в среде газа, а затем с повышением давления в парах металла материала электродов.
Полученные данные по ВАХ и КПД плазмотрона могут быть использованы для проведения расчетов по определению среднемассовых характеристик нагреваемого газа в диапазоне изменения тока до 2500 А, расхода газа до 7кг/с и давления от 0.003 до 4МПа.
Взаимодействие дуги с электродами
Большой интерес представляет характер взаимодействия дуги с электродами. Для изучения этого вопроса был использован метод автографов и скоростной киносъемки [77]. Метод автографов позволил получить характерные размеры отпечатков привязок дуг к поверхности электродов.
Можно выделить три вида характерных отпечатков. Первый соответствует большому числу мелких правильной, круглой формы отпечатков размером d=10 мкм. Эти отпечатки покрывают пространство поверхности электродов в направлении перемещения дуги. Они располагаются, как вблизи отдельных крупных отпечатков, так и системы мелких Рис.3-40 Участок поверхности электродной пластины представляющих собой характерную "елочку". На рис.3-40 приведен снимок участка поверхности электродной пластины в 250 кратном увеличении. Правильность формы отпечатков и отсутствие видимых следов оплавления позволяют предположить, что их появление связано с микроразрядами. Эти микроразряды возникают между столбом дуги при ее горении и вытягивании вдоль поверхности электродов. Возникающая разность потенциалов снимается за счет микроразряда.
Ко второй группе пятен относятся, так называемые, быстроперемещающиеся пятна с временем жизни 10-20 мкс.[51,78,79]. Данные пятна образуют на поверхности электрода "елочку". Она наблюдается, на гладких поверхностях электрода [80,81]. После нескольких часов работы поверхность электрода становится шероховатой с наличием микротрещин, так что подобную "елочку" можно обнаружить на периферийных зонах работающей поверхности электродов. 0.4 —і n/N Основную роль в эрозии электродов играют медленно перемещающиеся пятна. Для дуги переменного тока, 0.2—(і принудительно движущейся .і вдоль электродов, размер отпечатков этих пятен определяется, помимо всего 0.4 0.8 О.О-111-1 1 г1- Н 1 : id/D прочего, временем контакта с поверхностью электрода. При Рис.341 Гистограмма отпечатков дуговых привязок. перемещении дуги получается, как правило, целый набор отпечатков, с характерными следами оплавления образовавшегося кратера. В результате обработке экспериментов с пластинами была построена гистограмма отпечатков дуговых привязок. Наибольшие по размеру отпечатки были вытянуты по направлению перемещения дуги и имели эллипсоидную форму. Максимальный размер отпечатков (взятый по большей оси) не превышал 7мм. На рисунке 3-41 приведена гистограмма распределения отпечатков. Гистограмма распределения имеет максимум в диапазоне диаметров 0.3-0.4 мм, на который приходится 64 % полученных отпечатков. Что касается плотности распределения по длине электродов, то она зависит от режима работы плазмотрона (расхода, величины тока, мощности инжектора).
Количественных соотношений установить не удалось, однако было замечено, что наибольший износ электродов (после многочасовой работы) наблюдался в местах наибольшего количества крупных отпечатков и начала проплавлення пластин. Оценки по максимальной величине тока в дуге и наиболее вероятному диаметру отпечатка показали, что плотность тока не превышает 109 А/м2. Необходимо также отметить, что, помимо локального воздействия через пятна, на электроды воздействует переменное по величине тепловое воздействие, вызванное перемещением столба дуги. Оно приводит после нескольких часов работы, к появлению поперечных усталостных трещин, причем их появление наблюдается по всей длине, в достаточно узком интервале времени. Затем появляются продольные трещины и вся поверхность представляет собой ячеячную структуру, которая сохраняется до прожига электрода в результате его износа. Наибольшая глубина трещин порядка 1-1.5 мм. Зажигание и погасание дуги, а также ее перемещение вдоль электродов, приводит к тому, что рабочая поверхность электродов испытывает периодически изменяющиеся температурные напряжения.
Глубина их проникновения в тело электрода зависит от коэффициента температуропроводности материала (а) и частоты колебаний температуры (ю). Точнее, она пропорциональна величине (а/ю)ш . При частоте колебаний 50-100 Гц, за 5-6 часов работы поверхность электрода подвергается порядка 106 циклов нагружении, что сопоставимо с усталостной прочностью материала. Именно через такой промежуток времени наблюдается появление трещин и ячеистой структуры на электродах в эксперименте. Значение коэффициента температуропроводности различных материалов, применяемых для электродов приблизительно одно и тоже, так что глубина трещин не зависит от материала. Образование же трещин приводит к увеличению эрозии электродов за счет выкрашивания. Уменьшить глубину трещин возможно при увеличении частоты колебаний, либо с применением материала с низким коэффициентом температуропроводности. В последнем случае возникает проблема охлаждения электродов.
Анализ кинограмм показал, что время горения дуг составляет 0.007-0.0075 с, при этом 0.003-0.0035 с приходится на период недугового протекания тока в моменты погасания и зажигания дуги. В объеме плазмотрона горят не более двух дуг, причем места привязок дуг на электроде разные и разнесены по поверхности на несколько сантиметров. В отличие от плазмотрона с торцевыми электродами, где пятно привязки либо одно для двух дуг, либо расстояние между привязками несколько миллиметров. Почти всегда наблюдается факел в виде струи, исходящей из места привязки дуги.
Время в течение одного полупериода тока можно условно разбить на три интервала. К первому интервалу относится время от начала появления привязки в основном вблизи инжектора, до появления струйного течения из пятна привязки.
Необходимо отметить, что иногда наблюдается возникновения новой дуги не вблизи инжектора, а в месте погасания предыдущей, что характерно для высокотемпературных электродов. Второй интервал относится к горению дуги с возможным перемещением ее вдоль электрода. И последний интервал связан с погасанием дуги-исчезновение факела и "размывом" высокотемпературного следа от дуги. При этом первый интервал, как правило, больше третьего. Это говорит о том, что скорость изменения тока в дуге при погасании больше. Иначе говоря, зависимость изменения тока от времени несимметричная, более пологая при нарастании тока и крутая после прохождения максимума тока.
Наблюдаемые яркие струйные вспышки на поверхности электродов связаны с выбросом металла и вовлечением его в дуговой разряд. На рис.3-42 стрелкой ЩЩкш отмечено разбрызгивание из пятна анодной привязки расплава металла электрода(Си). Можно увидить три следа струек расплава. По мере перемещения или погасания дуги образуются металлические частицы шарообразной Рис.3-42, Дуговые привязки формы, которые закрепляются на поверхности электродов. Образование подобных частиц -шариков связано с двумя причинами. Первое -это плавление металла электрода в месте привязки и его разбрызгивание в результате вскипания, о чем свидетельствуют застывшие следы от пузырьков газа на дне и поверхности кратеров привязки, полученные по методу автографов. Второе - это конденсация перенасыщенных паров металла при их охлаждении, вызванного расширением струй из дуговых привязок. На рис.3-43 приведен фрагмент поверхности электрода, на котором видны шарообразные частицы материала электрода. Возможно также присутствия частичек материала электродов инжектора.
Горение и движение дуг по электродам сопровождается шунтированием. Шунтирование приводит к скачкообразному перемещению привязки дуги. Присутствие на поверхности электродов неровностей и шариков может вызвать перескок дуги в любом направлении, однако наличие газового потока смещающего температурное поле в направлении сопла приводит к тому, что перемещение привязок происходит в направлении потока т.е. к соплу. По данным киносъемки была оценена скорость перемещения дуговой привязки. Необходимо подчеркнуть, что пятно привязки дуги не перемещается непрерывно, а двигается скачками. Расстояние вдоль электрода пятно дуги преодолевает за 4-6 скачков.
Трехфазный плазмотрон
Для анализа работы трехфазного плазмотрона переменного тока рассматривается система уравнений, приведенная в гл.4, взяв в качестве ВАХ эмпирическое соотношение (4-10) т.е. рассматривается плазмотрон с торцевыми электродами т при наличии инжектора (несамостоятельный разряд). Были проведены исследования влияния на выходные параметры газа характер разряда- его ВАХ, начальной «ю проводимости инжектора (Rj), величина
При этом предполагалось, что инжектор создает в межэлектродном зазоре во времени постоянную изотропную проводимость. Давление на выходе из плазмотрона считается постоянным и равным атмосферному. Расчет проводился для падающей и возрастающей ВАХ. В обоих случаях входной расход газа составлял G=0.03 кг/с. На рис. 5-6,5-7 приведено изменение тока в дуге и фазного тока при возрастающей ВАХ, п=0.465. (При симметричном режиме работы, чтобы не затемнять рисунок, приводятся значения для одной пары электродов и увеличение В.О 0.01 0.02 0.03 8-04 межэлектродном зазоре, создаваемой инжектором, приводит к увеличению амплитуды тока в дуге и отклонению формы тока от синусоидальной. Амплидуда фазного тока уменьшается хотя и незначительно. Так при уменьшении проводимости в 80 раз уменьшение амплитуды составляет «15%. При падающей характеристики Ж) изменение проводимости в тех же пределах почти не сказывается на изменении фазного тока и тока дуги. Для плазмотрона с падающей tfad характеристикой более 80 существенно влияние активного Рис.5 Л Фазный ток (Ra) (Ra) (RaL сопротивления цепи. Уменьшение сопротивления приводит к асимметрии в фазных токах и токах в дугах. На рис.5-8 показана зависимость изменения тока в одной из фаз для трех значений активного сопротивления цепи (Ra)i (Ra)2 (Ra)3 при падающей ВАХ (п=0.69) По мере уменьшения активного сопротивления наблюдается нарушение симметрии в фазных токах и изменение тока в дугах (рис.5-9а, 5-96). В таком режиме работы амплитуда тока в одной ,из ДУГ
Наблюдается значительное различие по продолжительности горения дуг между различными парами электродов и продолжительностью положительной и отрицательной полуволной фазных токов. На рис.5-10 показано направление токов между электродами, обозначенными цифрами 1,2,3. Пунктирными линиями отмечен низкоточный (-5-10 А) режим горения дуг. Из рисунка видно что, например, электрод под номером 1 больше работает как катод тогда, как два других попеременно меняют полярность. Похожий режим наблюдается в эксперименте и может являться одной из причин неравномерного износа электродов [94].
Проведя численные исследования для трех ВАХ (п=0.485, 0.515, 0.548) были получены зависимости от характеристики межэлектродной проводимости (Rj), активного (Ra) и реактивного сопротивления цепи. В качестве определяемых величин были взяты: вкладываемая мощность, средние значения напряжения, тока, энтальпии и величина пульсаций ЛЯ
Из таблицы видно, что наибольшие колебания энтальпии до 20% возникают для возрастающей ВАХ при увеличении проводимости в межэлектродном зазоре и снижении активного сопротивления цепи. При падающей ВАХ увеличение проводимости в межэлектродном зазоре и активного сопротивления цепи снижает величину пульсаций, причем, чем круче характеристика ВАХ, тем больше влияние указанных параметров.
Что касается величины мощности в дуговом разряде, то при возрастающей ВАХ она выше. Можно отметить, что задаваясь целью получить, например, возрастающую ВАХ мы увеличиваем мощность, однако, увеличиваются также низкочастотные пульсации. Характерная форма и величина напряжения на дуге, для приведенных в таблице параметров, показаны на рис.5-11. При возрастающей ВАХ (п=0.48) величина падения напряжения почти в три раза превышает падение напряжения при падающей характеристики.
Существенное значение на работу плазмотрона оказывают внешние параметры, например, при работе на реакционную камеру необходимо решать задачу совместно с уравнениями, описывающими процессы в этой камере. ив
Похожие диссертации на Электродуговые нагреватели переменного тока : Экспериментально-расчетные исследования
