Расчёт параметров, геометрических размеров, системы охлаждения и ресурса работы плазмотрона. Определение вольтамперных и тепловых характеристик. Технологическое применение плазмотрона. Расчёт зависимости напряжения на дуге от диаметра разрядного канала.
Аннотация к работе
Министерство образования и науки Украины Донбасский государственный технический университет КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: «Проектирование и эксплуатация плазменного технологического оборудования» на тему: «Расчет плазмотрона и определение его характеристик»Выбор источника питания плазмотронаПеречень ссылокСначала плазма интересовала ученых как своеобразный проводник электрического тока и как источник света. Наиболее перспективными из них являются электродуговые нагреватели газа (плазмотроны), которые в последнее время находят широкое применение в различных технологических процессах. Достоинства использования электродуговых плазмотронов в промышленности следующие: большой ресурс работы электродов, надежность и устойчивость электродуговой установки, большой диапазон используемых мощностей, возможность нагрева любых технологически необходимых газов. Принцип действия плазмотрона основан на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие формы энергии в электрических разрядах.В данной работе предполагается рассчитать плазмотрон косвенного действия. Исходные данные к работе: - рабочий газ - воздух, - начальная температура воздуха Тн = 300 К, - конечная температура воздуха Тк = 2600 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, - анод - цилиндрический ступенчатый, медный, - стабилизация дуги - газовихревая, - ресурс работы плазмотрона - не менее 50 часов. Плазмотрон состоит из катодного и анодного узлов, узла подачи газа.Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами [1]: - критическая скорость при 2600 К м/с; Для расчета электрических и тепловых характеристик плазмотрона будем использовать следующую систему уравнений: - вольтамперной характеристики: ;(2.1) Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести еще одно условие, устанавливающее взаимосвязь между искомыми параметрами. Это условие определяет отсутствие теплового запирания в канале цилиндрического электрода. Тогда мы можем рассчитать диаметр разрядного канала плазмотрона по следующей формуле [2]: , (2.6) подставив исходные значения, получим: (м).Задавшись температурным перепадом охлаждающей воды: ОС, и ее температурой на входе: ОС, рассчитываем расход воды: ; (2.11) Приняв из конструктивных соображений значение радиуса обоймы меньшим, чем радиус канала начального участка выходного катода и равным: (м), находим величину действительной плотности теплового потока на охлаждаемой стенке канала: ; (2.12) Далее находим критическую плотность теплового потока, на которую должно быть рассчитано охлаждение катода: (Дж/м2). С этой целью сравним рассчитанную плотность теплового потока с плотностью, соответствующей началу кипения. Тогда подставляя численные значения в формулу (2.18), получим необходимую величину зазора: Далее определяем плотность теплового потока, соответствующую началу кипения воды: , (2.19) где - коэффициент теплоотдачи; - коэффициент теплопроводности воды при температуре .Для дальнейшего расчета нам необходимо принять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения воды при давлении , tw = 149 0C, и определяем по формуле максимально допустимый перепад температуры на стенке медного электрода: (ОС), (2.25) где - температура плавления меди (1083 0С). Как и в случае расчета охлаждения гладкого выходного электрода, необходимо при выборе толщины медной стенки руководствоваться прочностными, ресурсными и прочими соображениями. Дальнейший расчет необходимо вести, исходя из максимальной плотности теплового потока на участке электрода за уступом: (Вт/м2). Определим среднее значение температуры воды в рубашке охлаждения анодного узла, для этого зададимся температурным перепадом на входе и выходе , и температурой на входе , тогда получим значение средней температуры: (2.30) Для уточнения величины температуры охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима ее охлаждения найдем значения определяющих критериев (числа Рейнольдса Re, Нуссельта Nu и Прандтля Pr).Ресурс работы плазмотрона принимается равным меньшему значению ресурса работы одного из электродов.Примем значение диаметра обоймы больше, чем диаметр разрядного канала выходного электрода: Тогда диаметр циркониевой вставки при токе 100 А рекомендуется принять равным: Глубина выработки вставки: Тогда масса выгоревшего материала: (кг), (2.42) где кг/м3 - плотность циркония.Определим ресурс работы анода. Для этого заменим сложный профиль изношенной части анода в месте привязки электрической дуги за уступом треугольником (рис.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 с длиной дуги меньше длины самоустанавливающейся ВАХ (рис 3.
План
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Составление расчетной схемы плазмотрона
2. Расчет плазмотрона
2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона