Расчет плазмотрона и определение его характеристик (стр. 1 из 5)

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра радиофизики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Проектирование и эксплуатация плазменного технологического оборудования»

на тему: «Расчёт плазмотрона и определение его характеристик»

Вариант № 6

Выполнила

студентка группы РФ-05

С. В. Мочнёва

Проверил

канд. техн. наук, доцент

С.Н. Сергиенко

Алчевск

2008

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к курсовой работе: 31 с., 5 рис., 7 источников.

Объект исследования – электродуговой плазмотрон постоянного тока косвенного действия.

Цель работы – расчет плазмотрона и определение его основных характеристик.

Метод исследования – теоретические расчеты электродугового плазмотрона, его вольт-амперных и тепловых характеристик.

В ходе выполнения курсовой работы разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчет основных геометрических параметров плазмотрона, исследовано изменение ресурса работы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода на стержневой, определены вольт-амперные и тепловые характеристики, выбран источник питания.

В результате расчетов получены следующие параметры: сила тока - 124 A, напряжение на дуге - 173 B, КПД – 0,552, мощность – 21,45 кВт, ресурс работы катода и анода составляет 250 часов.

Данный плазмотрон можно применять в следующих технологических процессах: напыление, модификация поверхности материалов, упрочнения поверхностей, закалка поверхностей.

ПЛАЗМОТРОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ, ПОЛЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ КАТОД, ГЛАДКИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ АНОД, РЕСУРС РАБОТЫ, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Составление расчётной схемы плазмотрона

2 Расчёт плазмотрона

2.1 Расчёт рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона

2.2 Расчёт системы охлаждения

2.2.1 Расчёт охлаждения катода

2.2.2 Расчёт охлаждения анода

2.3 Расчёт ресурса работы плазмотрона

2.3.1 Расчёт ресурса работы электродов

3 Определение характеристик плазмотрона

4 Выбор источника питания плазмотрона

5 Технологическое применение плазмотрона

6 Научно-исследовательская работа студента

Выводы

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

Методы применения потока ионизированной плазмы в качестве источника энергии при сварке начали внедряться еще в 50-х годах прошлого столетия, но только в последнее время нашли свое широкое применение. Процесс основан на ионизации плазменного газа с помощью электрической дуги и его фокусировании с помощью специальной конструкции наконечника плазмотрона.

Одной из наиболее перспективных обработок является плазменная технология, интенсивно разрабатываемая как в нашей стране, так и за рубежом. Использование низкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов и сплавов; напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытий резки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочнения различных изделий. Плазменные процессы охватывают как многотоннажное производство, так и производство небольших количеств специальных веществ и материалов, применяемых в новой технике [1].

Применение низкотемпературной плазмы в промышленности позволит значительно интенсифицировать существующие технологические процессы, создать совершенно новые аппараты и технологию производства. Такие свойства низкотемпературной плазмы, как высокая температура и концентрация энергии в малом объёме, открывает возможность использовать её в металлургических процессах. Применение плазмы позволяет значительно ослабить проблему создания специальных огнеупоров, повысит чистоту получаемого продукта [1,2]. К плазматронам предъявляются следующие требования:

- большой ресурс работы электродов;

- надежность и устойчивость электродуговой установки;

- большой диапазон используемых мощностей;

- возможность нагрева любых технологически необходимых газов

- высокая энергетическая эффективность;

- стабильность параметров плазменного потока;

- большая длительность непрерывной работы;

- простота обслуживания.

Целью данной работы является расчёт основных геометрических, электрических и тепловых показателей плазмотрона косвенного действия. В научно-исследовательской работе студента (НИРС) необходимо исследовать изменение ресурса работы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого на стержневой.

Плазмотрон косвенного действия широко применяется для напыления, закалки, поверхностного упрочнения деталей обработки поверхности строительных материалов.[3].

1 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ПЛАЗМОТРОНА

В данной работе предполагается рассчитать плазмотрон косвенного действия, рабочий газ – воздух, начальная температура воздуха

, конечная – . Расход воздуха кг/с. Давление рабочего газа на выходе из плазмотрона .

Ресурс работы плазмотрона должен составлять не менее 250 часов.

Схема рассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1.

Данная схема содержит цилиндрический полый катод (1) и цилиндрический гладкий анод (2). Электроды выполнены из меди. В плазмотроне используется газо-вихревая стабилизация дуги. Вдув рабочего газа осуществляется через отверстия (3)

Для расчета плазмотрона необходимо определить следующие параметры: рабочие значения тока I и напряжение дуги U, тепловой коэффициент полезного действия h, диаметр отверстий для подачи рабочего газа, геометрические размеры разрядного канала и катода lк , dк (см. рис 1.1), обеспечивающие необходимый ресурс работы, расход воды на охлаждение узлов плазмотрона.

1 - катод; 2 - подача газа; 3 – анод.

Рисунок 1.1 – Схема плазмотрона

2 РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА

2.1 Расчет рабочих параметров и геометрических размеров плазмотрона

Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами [4]:

-скорость звука в воздухе при 4200 К

;

-плотность воздуха при 4200 К

;

-расход воздуха

;

-давление воздуха на выходе из плазмотрона

.

Для расчета электрических и тепловых характеристик плазмотрона будем использовать следующую систему уравнений:

- вольт-амперной характеристики:

;(2.1)

- теплового КПД плазмотрона:

;(2.2)

- мощности, вкладываемой в дугу:

; (2.3)

- энергии истекающей струи:

(2.4)

Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести ещё два условия, устанавливающие взаимосвязь между искомыми параметрами. Одно из них вытекающее из опыта работы с электродуговыми нагревателями воздуха, определяет, что при температуре истекающей струи Т=(3000-4000)К и давлении р=105 Н/м2, относительная длина выходного электрода принимается равной

. Второе условие определяет отсутствие теплового запирания в канале цилиндрического электрода. С этой целью внутренний диаметр электрода выбирается на 10-30% больше критического. В нашем расчете примем d=1.3dкр.

Тогда мы можем рассчитать диаметр разрядного канала плазмотрона по следующей формуле [1]:

, (2.5)

подставив исходные значения, получим:

Решая полученную систему уравнений с помощью MathCAD, получим:

Given

Таким образом, получили следующие характеристики: напряжение дуги – 173 В, сила тока – 124 А, тепловой КПД – 55,2%. Мощность рассчитанного плазмотрона составляет 21,45 кВт.

Рассчитаем диаметр отверстий, через которые воздух подается в вихревую камеру. Для эффективной стабилизации дугового разряда на оси канала газовым вихрем и снижения эрозии материала катода, вызванной воздействием пятна дуги, необходимо обеспечить скорость газа на выходе из кольца закрутки в пределах 150-200 м/с. Принимаем скорость воздуха на выходе

(м/с), плотность воздуха при нормальных условиях (кг/м3). Так как осуществляется распределенный вдув газа через 4 кольца закрутки, то для расчета диаметра отверстий берем расход газа равным G/4 [1].