Исследование тепловых и электрических характеристик плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги

На сегодняшний день электродуговые нагреватели газа (плазмотроны) являются одним из наиболее распространенных способов получения низкотемпературной плазмы. Это связано с целым рядом преимуществ, которые дает использование плазмотронов: это и возможность нагрева любых газов и смесей до относительно высоких среднемассовых температур (от 1000 до 50 000К), и эффективный КПД нагрева (до 90%), и высокий ресурс непрерывной работы (до 1000 часов), и возможность получения сверхзвуковых скоростей, и относительная простота конструкции экспериментальных установок и их автоматизации и достаточной легкостью в управлении рабочими режимами при одновременной высокой надежности и устойчивости работы, и др.

Благодаря этим качествам в некоторых отраслях техники и промышленности плазмотроны стали единственным и незаменимым средством разрешения ряда проблем, позволившим осуществить новые технологические процессы, которые принципиально невозможно было реализовать ранее известными методами.

Вместе с тем процесс разработки и оптимизации электродуговых генераторов сопряжен со значительными трудностями, которые обусловлены сложностью и малой изученностью физических явлений, протекающих в плазмотронах. Многообразие и сложность процессов, протекающих в электродуговых генераторах низкотемпературной плазмы, особенности горения электрической дуги, взаимодействие ее опорных пятен со стенками канала, с собственным и внешним магнитными полями и т. д. сдерживают теоретическое исследование плазмотронов. Этим объясняется большое внимание к эксперименту.

Актуальность проблемы.

Широкое применение плазмотронов в промышленности и для различного рода научных исследований делает задачу оптимизации и разработки новых высокомощных плазмотронов чрезвычайно актуальной. Решение указанной задачи невозможно без полного понимания физических процессов, происходящих в плазмотронах.

Наличие надежных данных о тепловых и электрических характеристиках плазмотронов в зависимости от реализуемых режимных параметров и используемой геометрии каналов позволит более полно использовать потенциальные возможности плазмотронов.

Цель работы.

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование тепловых и электрических характеристик плазмотронов постоянного тока с самоустанавливающейся длиной электрической дуги.

Для достижения указанной цели требовалось решение следующих задач:

1. Модернизация экспериментальной установки и проведение серии экспериментов на плазмотроне постоянного тока с самоустанавливающейся длиной дуги с различной геометрией канала секционированного выходного электрода (анода) для различных режимных параметров и получение массивов соответствующих экспериментальных данных по тепловым и электрическим характеристикам плазмотрона.

2. Разработка методики и соответствующих компьютерных программ для обработки полученных экспериментальных данных для определения параметров электрической дуги с самоустанавливающейся длиной.

3. Разработка модели течения газа в канале плазмотрона для определения параметров газового потока.

4. Обобщение и анализ полученных результатов.

Научная новизна.

— В результате проведения серии экспериментов на плазмотроне постоянного тока с секционированным анодом получены массивы экспериментальных данных по локальным тепловым потокам и электрическим характеристикам для различных расходов плазмообразующего газа и номинальных значений силы тока для цилиндрического и конического каналов анода;

— в результате обработки полученных экспериментальных данных по предложенной методике получены следующие данные: 1) время работы каждой секции анода и средняя длина электрической дуги- 2) распределения скоростей движения анодных пятен вдоль канала- 3) распределения размеров анодных пятен вдоль канала- 4) плотности электрического тока в анодных пятнах- 5) плотности теплового потока в анодных пятнах- 6) напряженности электрического поля дуги в зависимости от рабочих параметров эксперимента и геометрии канала анода. Указанные данные для плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода получены впервые.

— в результате сопоставления рассчитанных скоростей движения анодных пятен и газового потока установлено, что анодные пятна электрической дуги движутся со скоростями, близкими к среднемассовым скоростям газового потока.

— в результате сопоставления локальных тепловых потоков в анодные секции плазмотрона и времени работы соответствующих секций установлено, что для цилиндрического анода тепловые потери в стенку главным образом обусловлены тепловым потоком из анодного пятна электрической дугидля конического анода, ввиду больших скоростей движения анодных пятен дуги, необходимо дополнительно учитывать конвективный теплообмен между электродуговой плазмой вблизи анодного пятна и стенкой канала.

Практическая ценность.

Данные о распределении локальных тепловых потоков по длине канала позволяют определить значения теплового КПД генератора плазмы и необходимы для выбора оптимальных параметров при создании новых типов генераторов низкотемпературной плазмы с различной геометрией канала выходного электрода мощностью 300−500 кВт и более.

Полученные данные об электрических характеристиках позволяют оптимизировать работу плазмотрона с точки зрения снижения эрозии электродов и увеличении ресурса работы плазмотрона. В частности, было установлено, что при использовании конического анода плотности электрического тока в анодном пятне в среднем меньше в три раза, а плотности теплового потока в среднем меньше в четыре раза, чем при использовании цилиндрического анода. С целью повышения ресурса работы плазмотрона предпочтительнее использовать анод с расширяющимся каналом.

Кроме того, возможность получения обширных данных по параметрам электрической дуги свидетельствует о перспективности предложенного подхода, который может применяться на любых других плазмотронах с секционированным анодом и самоустанавливающейся длиной дуги.

Положения, выносимые на защиту.

• Методика обработки экспериментальных данных и расчетные формулы для некоторых параметров электрической дуги с самоустанавливающейся длиной, горящей в секционированном аноде с каналами различной геометрии;

• одномерная модель течения газа в канале плазмотрона с внутренними источниками тепловыделения;

• полученные данные о зависимостях средней длине дуги, размеров и скоростей движения анодных пятен;

Достоверность полученных результатов.

Достоверность экспериментальных измерений тепловых и электрических характеристик плазмотрона постоянного тока с самоустанавливающейся длиной дуги подтверждается низкой погрешностью измерений: менее 5% для локальных тепловых потоков в анодные секции и 1.5% для электрических токов.

Достоверность расчетов параметров газового потока по предложенной модели подтверждается тестированием модели.

Достоверность полученных параметров электрической дуги подтверждается сопоставлением с данными других авторов.

Личный вклад автора.

— при непосредственном участии автора была выполнена модернизация экспериментальной установки и проведена серия экспериментальных исследований на плазмотроне постоянного тока с самоустанавливающейся длиной дуги с различной геометрией канала секционированного выходного электрода для различных режимных параметров;

— разработана методика и написаны соответствующие компьютерные программы для обработки полученных экспериментальных данных;

— получены данные о параметрах электрической дуги с самоустанавливающейся длиной в зависимости от режимных параметров и геометрии канала выходного электрода;

— результаты экспериментальных исследований тепловых и электрических характеристик обобщены и проанализированы.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и научных семинарах:

— XVIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», Звенигород, 2011 г.

— Семинар им. Л. С. Полака, Москва 2011 г.

— The XXVI International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, Elbrus, 2011.

— XXVII Международная Научно-Техническая Конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2425 февраля, 2011 г.

— XVI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010 г.

— XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях». Жуковский, 25−29 мая 2009 г.

— XXIV International conference Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, Elbrus, 2009.

— XIV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 28−29 февраля 2008 г.

Публикации.

Материалы диссертационной работы изложены в 6 публикациях, из них.

5 — доклады на конференциях, 1 — в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов и имеет объем 124 стр., включая 67 рисунков и 1 таблицу. Библиография содержит 108 наименований.

4.10. Выводы по главе 4.

1. Для плазмотрона постоянного тока с секционированным каналом выходного электрода получены следующие данные в зависимости от режимных параметров и геометрии канала анода: 1) средняя длина дуги- 2) скорости движения анодного пятна дуги- 3) размеры анодного пятна- 4) плотности электрического тока- 5) плотности теплового потока в пятне- 6) распределения напряженности электрического поля дуги по длине канала.

2. Результаты расчета скоростей движения анодного пятна были сопоставлены со скоростями движения газового потока при тех же режимных параметрах, рассчитанными по предложенной ранее модели. Установлено, что скорости движения анодного пятна близки к среднемассовым скоростям движения газового потока в канале плазмотрона. Это позволяет утверждать, что главным механизмом сноса дуги вдоль канала плазмотрона является ее газодинамическое взаимодействие с потоком плазмообразующего газа.

3. Получены и обобщены экспериментальные данные по локальным тепловым потокам в анодные секции плазмотрона, в зависимости от геометрии канала анода и режимных параметров.

4. Полученные результаты измерения локальных тепловых потоков сопоставлены со временем пребывания на соответствующих секциях анодного пятна электрической дуги. Сделан вывод, что тепловые потери в стенку анода в значительной степени определяются временем пребывания пятна. Причем для анода с расширяющимся каналом из-за больших скоростей движения анодного пятна и газового потока на первых секциях заметный вклад в тепловые потери в стенку канала вносит конвективный теплообмен между электродуговой плазмой вблизи анодного пятна и холодной стенкой канала выходного электрода.

110 / «.

Заключение

.

1. На экспериментальной установке отдела плазменных процессов Института новых энергетических проблем, входящего в состав Объединенного института высоких температур Российской Академии Наук, после модернизации проведена серия экспериментов, целью которых являлось исследование работы плазмотрона постоянного тока с самоустанавливающейся длиной электрической дуги с различной геометрией секционированного канала выходного электрода. В ходе экспериментов были получены массивы соответствующих экспериментальных данных по локальным тепловым потокам в анодные секции и сопло плазмотрона с различной геометрией выходного электрода. Получены массивы значения силы тока через каждую секцию анода и падений напряжений на дуге в каждый момент времени, которые использовались для последующей обработки.

2. Разработана методика, созданы соответствующие компьютерные программы обработки полученных массивов экспериментальных данных, позволяющие определить следующие параметры электрической дуги с самоустанавливающейся длиной «в зависимости от геометрии канала анода и рабочих параметров: 1) средняя длина дуги- 2) скорость движения анодного пятна дуги- 2) размеры анодного пятна дуги- 4) плотность электрического тока в анодном пятне- 5) плотность теплового потока в анодном пятне электрической дуги- 6) распределение напряженности электрического поля дуги по длине канала плазмотрона.

3. Разработана одномерная модель течения газового потока в канале плазмотрона с внутренними источниками тепловыделения, позволяющая рассчитывать параметры газового потока для заданных режимных параметров, проведены соответствующие расчеты.

4. В результате обработки экспериментальных данных по предложенной методике получены данные о средней длине дуги, скорости движения и размерах анодного пятна дуги, по плотности электрического тока и теплового потока в пятне, распределении напряженности электрического поля дуги по длине канала в зависимости от режимных параметров и геометрии канала. Перечисленные параметры дуги для плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода были получены впервые.

Анализ полученных данных показал, что при использовании конического анода плотности электрического тока в анодном пятне в среднем меньше в три раза, а плотности теплового потока в среднем меньше в четыре раза, чем при использовании цилиндрического анода.

5. Полученные значения скоростей движения анодного пятна сопоставлены с рассчитанными скоростями движения плазмообразующего газа для тех же рабочих параметров. Установлено, что скорость движения анодного пятна дуги близка к скорости движения газового потока. Сделан вывод, что снос электрической дуги вдоль канала в значительной степени обусловлен ее газодинамическим взаимодействием с газовым потоком.

6. Получены и обобщены экспериментальные данные по локальным тепловым потокам в анодные секции плазмотрона в зависимости от геометрии канала анода, рода плазмообразующего газа и рабочих параметров эксперимента.

7. Полученные результаты измерения локальных тепловых потоков сопоставлены со временем пребывания анодного пятна электрической дуги. Сделан вывод, что локальные тепловые потери в анодные секции в значительной степени определяются временем пребывания анодного пятна электрической дуги на.

112 соответствующих секциях. В случае использования плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода заметный вклад в тепловые потери вносит конвективный теплообмен между электродуговой плазмой вблизи анодного пятна и стенкой канала анода.

Автор выражает глубокую благодарность Исакаеву Э. Х. за предоставление возможности проведения экспериментальных исследований на установках, созданных в отделе плазменных процессов Института новых энергетических проблем, входящего в состав Объединённого института высоких температур Российской Академии Наук, и за внимание к работе.

Автор также выражает благодарность Очканю A.JI. за помощь в проведении экспериментов.

Кроме того, автор благодарен Чикунову С. Е. и Герасимову Д. Н. за ценные замечания по работе, бесценные методические и практические советы по написанию диссертации и моральную поддержку.

И, как сказали бы англичане «at last, but not at least»: автор выражает глубочайшую благодарность Глазкову В. В. за всестороннюю помощь на всех этапах написания данной диссертационной работы.