Электродуговой плазмотрон

 
 

Министерство  образования и  науки Российской Федерации

ФИЛИАЛ

государственного  автономного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

« ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

в г. Петропавловске-Камчатском 
 
 

Специальность 140211Электроснабжение

Кафедра промышленной теплоэнергетики  и электроснабжения  
 
 
 

                                  РЕФЕРАТ 

По  дисциплине: Электротехнологические установки

Тема  а:    Электродуговой плазмотрон 
 

Студент

группы   ЭСЗС 06           ______________            Кузнецов С. Н. 

                                          «   » ________2011г. 
 

Научный руководитель    ______________        Белов О.А. 

                                          «   » ________2011г. 
 

 Работа защищена  «     »____2011г.     С оценкой________ 
 
 
 

                     Петропавловск-Камчатский 2011г.

 

                                                    Содержание 

Введение………………………………………………………………….стр. 3

1. Устройство и принцип действия плазмотрона…………………….. стр. 4

2.Семейство плазмотронов "Звезда"…………………..………………..стр.8

3. Типы плазмотронов и их особенности как инструмента

    современной технологии ……………………………………………..стр.10

4. Области  использования плазмотронов……………………………....стр.12

5.ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Образцы различных типов плазматронов………стр.15

Заключение……………………………………………………………….стр.19

Список  использованной литературы.…………………………………...стр.21  
 

 

 Введение

     Плазмотрон - устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (с Т до 10⁴ К) с помощью электрических разрядов в газах и дающее плазменный поток, используемый для исследовательских и научных целей. Плазму газовых разрядов получают давно, уже более 100 лет, однако разработки специальных устройств начались в 10-х гг. 20 в., а сам термин  возник примерно в 50-х гг., тогда же началось широкое практическое использование плазмотронов.  
Первые плазмотроны появились в середине 20-го века в связи с появлением устойчивых в условиях высоких температур материалов и расширением производства тугоплавких металлов. Другой причиной появления плазмотронов явилась элементарная потребность в источниках тепла большой мощности. Первые плазмотроны, предназначенные для исследования газодинамических параметров, параметров тепло- и массообмена, механизмов разрушения металлических и композиционных материалов конструкций, были разработаны в 60-х годах прошлого столетия в СССР и США и получили достаточно широкое распространение в ракетно-космической промышленности. К ним предъявляются следующие основные требования: диапазон температур торможения - 3000…6000 К; диапазон давлений торможения - 0,5…10 МПа; диапазон расходов рабочего тела - 0,1…10 кг/с; диапазон электрических мощностей - 0,2…50 Мвт и др.

       
 

     

1. Устройство  и принцип действия плазмотрона.

     Дуговой плазмотрон может работать на постоянном или переменном токе. Широко используемый дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из разрядной камеры, в которой расположены электроды вдоль по оси или коакспально, и узла подачи плазмообразующего вещества. Плазма может истекать из разрядной камеры плазмотрона в виде струи или создавать плазменную дугу. Во втором случае разряд горит между катодом и обрабатываемым телом, служащим анодом.

     В плазмотроне, изображённом на рис.1, электроды, выполненные в виде отрезков труб круглого сечения, расположены вдоль оси; вокруг них устанавливаются обмотки соленоидов, создающие магнитное поле, перпендикулярное плоскости электродов. В результате взаимодействия тока дуги с магнитным полем место привязки дуги к электродной стенке перемещается по окружности, что предохраняет электроды от перегрева и расплавления, а также стабилизирует положение места привязки в осевом направлении (магнитная стабилизация и теплоизоляция). Межэлектродная вставка из изоляционного материала ограничивает диаметр дуги и тем самым позволяет повысить её температуру по сравнению с температурой электрической дуги в свободном пространстве. 

     Рис. 1. Схема дугового плазмотрона постоянного тока: 

     1 - электроды; 

     2 - межэлектродная вставка; 

     3 - соленоиды;

     4 - зона электрической дуги; 

     5 - подача рабочего тела; 

     6 - истечение плазмы.

     Газ, образующий плазму, часто вводится во внутренний канал межэлектродной вставки (иногда с закруткой); газовый вихрь обдувает столб дуги и плазменную струю; под действием центробежных сил слой холодного газа располагается у стенок камеры, предохраняя их от нагревания дугой (газодинамическая стабилизация и теплоизоляция). Если сильного сжатия потока плазмы не требуется, то стабилизирующий поток не закручивают, а направляют параллельно столбу дуги. Применяют также стабилизацию и термоизоляцию дуги потоком воды.  
     В тех случаях, когда необходимо ввести в дугу материал эрозии электрода (например, для плазменного нанесения защитного покрытия), один из электродов плазмотрона устанавливается в торце камеры. При этом предусматривается его осевая подача по мере выгорания. Наибольшая мощность получена в плазмотроне с коаксиальными электродами. В них ток дуги протекает в радиальном направлении по относительно малому (по поперечному сечению) токовому каналу. Дуга движется по окружности электродов под влиянием взаимодействия тока с создаваемым соленоидами магнитным полем. Этому полю придаётся такая форма, чтобы стабилизировать положение дуги в осевом направлении.  
     Дуговой плазмотрон трёхфазного переменного тока представляет собой фактически три плазмлтрона, подобных плазмотрону на рис. 1, у которых дуги от различных электродов соединены по схеме "звезда". В ряде случаев для обеспечения устойчивой работы такого плазмотрона (отсутствие погасания дуги при прохождении тока через нуль на к--л. электроде) применяются постоянно действующие системы СВЧ- или искрового поджига. Мощности дуговых П. ~10² - 10⁷ Вт, температуpa струи на срезе сопла 3000 - 20000 К, скорость истечения струи 1 - 10⁴ м/с, промышленный кпд50 - 90%. Для создания неравновесной плазмы низкого давления (доли мм рт. ст.), служащей источником заряженных частиц, чаще всего используется плазмотрон. с разрядом Пеннин-га, при которром электроны колеблются в осевом направлении, что способствует эффективной ионизации.  
    Безэлектродные плазмотроны. Энергия электромагнитного поля (низкой частоты 10² - 10⁴ Гц) может быть введена в плазму разряда индукции безэлектродным способом. На этом принципе разрабатываются трансформаторные плазмотроны. Наибольшее. распространение получили индукционные ВЧ- и СВЧ-П., в которрых рабочий плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (частоты 10⁴ - 10⁷ Гц). ВЧ-П. (рис. 2) содержит электромагнитную катушку, индуктор, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Т. к. ВЧ-индукционный плазмотрон является безэлектродным, то их используют, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте, напр. для получения тонко дисперсных и особо чистых порошковых материалов. Мощность такого плазмотрона достигает 10⁶ Вт, температуpa ~10⁴ К, скорость истечения плазменной струи до 10³ м/с, промышленный кпд ~50 - 80%. 

Рис. 2. Схемы ВЧ-плазмотронов: 

а - индукционный; б - сверхвысокочастотный; 

     

     1 - источник эл. питания; 

     2 - разряд; 

     3 - плазменная струя; 

     4 - индуктор; 

     5 - разрядная камера; 

     6 - волновод. 
 

     Принцип действия плазмотрона достаточно прост: поскольку электрическая дуга имеет очень высокую температуру, достигающую десятков тысяч градусов, то при взаимодействии дуги с рабочим газом происходит его интенсивный нагрев. Однако эффективность зависит от того, каким образом организован рабочий процесс. Оптимальный рабочий процесс должен удовлетворять двум требованиям. Во-первых, очевидно, что для получения максимальной температуры большая часть нагреваемого газа должна взаимодействовать с дуговым разрядом. Во-вторых, необходимо обеспечить такие тепловые режимы всех узлов плазмотрона, при которых ресурс его работы был бы достаточно велик. Для плазмотронов большой мощности это требование сводится, в первую очередь, к обеспечению стойкости электродов. Одним из способов организации эффективного процесса нагрева рабочего газа является так называемая вихревая стабилизация дуги. Суть ее заключается в том, что дуга горит в цилиндрическом (или коническом) канале, газ в который вводится тангенциально. Таким образом, при движении в канале газ имеет как осевую, так и окружную составляющие скорости. При этом благодаря центробежной силе основная масса относительно холодного и, следовательно, плотного газа течет вдоль стенки канала, тогда как дуга, являющаяся источником горячего и, следовательно, менее плотного газа, располагается вблизи оси канала. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что при правильном выборе геометрии канала вихревая стабилизация дуги действительно позволяет эффективно нагревать рабочий газ. Для электропитания дуги может использоваться как постоянный, так и переменный ток. В настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе. Установлено, что дуга постоянного тока в принципе горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. Самым распространенным способом обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока является включение последовательно с дугой катушки индуктивности. В то же время идея питания дуги в плазмотроне переменным током выглядит весьма привлекательной по следующим причинам.

1. Источниками постоянного тока являются, как правило, выпрямительные устройства, снабженные специальными электронными регуляторами, которые обеспечивают устойчивое горение дуги. Для плазмотронов мегаваттной и мультимегаваттной мощности такие устройства превращаются в очень сложные и, главное, дорогие агрегаты, стоимость которых намного превышает стоимость самих плазмотронов. Плазмотроны переменного тока не требуют для питания никаких специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфазной сети через катушки индуктивности. Коммутационная аппаратура этих сетей проста и надежна, а их мощность практически не ограничена.

2. Известно, что в плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в несколько раз ниже ресурса анода. В плазмотронах переменного тока катод и анод меняются местами с частотой сети (50 Гц), поэтому при прочих равных условиях ресурс электродов плазмотрона переменного тока примерно в два раза выше ресурса электродов плазмотрона постоянного тока.

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  2.Семейство плазмотронов "Звезда".

В ФГУП "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша" была предложена принципиальная схема и разработано семейство плазмотронов, получивших название "Звезда". Плазмотроны этого типа выполнены с использованием модульного принципа и, по сути, состоят из трех отдельных "однодуговых" плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой с выходным соплом. Каждый плазмотрон питается от одной фазы трехфазной сети. Одинаковые условия горения каждой дуги обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети. Основной отличительной особенностью плазмотронов типа "Звезда" является то, что все три дуги замыкаются в центре смесительной камеры по схеме "звезда", образуя плазменную нулевую точку. Таким образом, в этом плазмотроне горят три дуги, однако он содержит только три электрода вместо шести. 
Узлы плазмотрона охлаждаются водой.

     Дальнейшим развитием плазмотронов этого типа является схема "Шестилучевая звезда". Такой плазмотрон состоит из шести отдельных однофазных плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой, внутри которой все шесть дуг замыкаются между собой. Преимущество такой схемы заключается в том, что при одинаковой мощности величина тока в каждой дуге шестилучевого плазмотрона вдвое меньше по сравнению с трехлучевой схемой.