2 Розрахунок плазмотрона

2.1 Розрахункова схема плазмотрона

В даній роботі пропонується розрахунок плазмотрона побічної дії. Початкові дані:

- робочий газ - повітря;

- захисний газ - аргон;

- початкова температура повітря ;

- кінцева температура повітря Т_к = 3500 К,

- витрата повітря G_в = 40∙10^-3 кг/с,

- витрата аргону G_ar=0,025·10^-3 кг/с,

- тиск робочого газу(повітря) на виході з плазмотрона Па;

- катод - циліндричний порожнистий, мідний;

- анод 1 - циліндричний порожнистий, мідний,;

- анод 2 - циліндричний мідний, з уступом

- стабілізація дуги - газовихрова;

Схема плазмотрона зображена на рисунку 3.1.

Схема містить циліндричний порожнистий катод К, циліндричний анод з уступом A2, циліндричний порожнистий додатковий анод A1. Електроди виконані з міді. У плазмотроні використовується газовихрова стабілізація дуги. Вдув робочого газу здійснюється через отвори G_р; вдув допоміжного газу через G_зах.

Для розрахунку плазмотрона визначимо наступні параметри: робочі значення струму I і напруги дуги U, тепловий коефіцієнт корисної дії , діаметр отворів для подання робочого газу, геометричні розміри розрядного каналу, анода і катода, що забезпечують необхідний ресурс роботи, витрату води на охолодження вузлів плазмотрона.

Рисунок 2.1 Схема плазмотрона

2.2 Розрахунок робочих параметрів і геометричних розмірів плазмотрона

Для розрахунку розмірів плазмотрона задамося наступними константами [Варгафтик, довідник]:

- критична швидкість газу, при Т = 3500 К, складає м/с;

- критична густина повітря кг/м3;

- ентальпія робочого газу на вході плазмотрона Дж/кг;

- ентальпія робочого газу на виході плазмотрона Дж/кг

Тоді критичний діаметр розрядного каналу плазмотрона можемо розрахувати за наступною формулою [6]:

. (2.1)

Насправді для того, щоб уникнути теплового замикання каналу плазмотрона, діаметр необхідно брати дещо більше, ніж критичний. Приймаємо коефіцієнт пропорціональності рівним 1.2 [Жуков "Основи розрахунку плазмотронів лінійної схеми"], тоді:

. (2.2)

Розрахуємо діаметр і довжину розрядного каналу за уступом по наступним формулам, враховуючи діапазон допустимих значень :

(2.3)

Для розрахунку електричних і теплових характеристик плазмотрона використовуватимемо наступну систему рівнянь [Жуков "Основи розрахунку плазмотронів лінійної схеми"]:

- напруга на висхідній гілці вольтамперної характеристики (ВАХ) плазмотрона :

; (2.4)

– тепловий кпд плазмотрона:

; (2.5)

– енергія витікаючого струменя:

, (2.6)

де (Дж/кг) – ентальпії робочого газу відповідно на вході і виході плазмотрона.

Тепер можна переходити до рішення системи рівнянь (2.4) - (2.6). Цю систему доцільно вирішити за допомогою програми MathCAD. Результат обчислень цієї програми поданий в додатку А.

У результаті отримані наступні результати: напруга на дузі – 600 В, сила струму – 511 А, тепловий ККД – 71,6%, довжина розрядного каналу до уступу – 0,315 м. Потужність цього плазмотрона складає 306,6 кВт.

Розрахуємо діаметр отворів, через які повітря подається у вихрову камеру. Для ефективної стабілізації дугового розряду на осі каналу газовим вихором і зниження ерозії матеріалу катода, викликаної дією плями дуги, необхідно забезпечити швидкість газу на виході з кільця закручування в межах 150 – 200 . Приймаємо швидкість повітря на виході , густину повітря за нормальних умов . Кількість отворів в кільці закручування n = 8.

. (2.6)

З конструктивних міркувань приймемо величину м.

Аналогічно розраховується діаметр отворів для подання аргону. Швидкість закручування 200 , густина аргону . При витраті захисного газу та кількості отворів n = 4 діаметр отвору рівний

.

З конструктивних міркувань приймемо величину м.