CC BY
14Научный вестникНГТУ. - 2013. -№ 4(53)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
УДК: 537.527:533.9.02
Исследование энергетических характеристик в электродуговом плазмотроне с выходным ступенчатым электродом
А.С. АНЬШАКОВ, П.В. ДОМАРОВ
Получены обобщенные формулы в критериальном виде для расчета энергетических параметров и разрядной камеры илазматрона. Приведены результаты расчета и экспериментальных данных для теплового коэффициента полезного действия и вольт-амперных характеристик электродугового плазмотрона с выходным ступенчатым электродом.
Ключевые слова: электродуговой плазмотрон, вольт-амперные характеристики, ступенчатый электрод, тепловой коэффициент полезного действия.
ВВЕДЕНИЕ
Для стационарного нагрева газовых сред до высоких температур (3^1 ())■ 101 К в научных исследованиях и промышленных технологиях широко используются электродуговые плазмотроны. Они позволяют эффективно реализовать химические и металлургические процессы, создавать малоотходные технологии и комплексную переработку сырья, получать материалы с заданными физико-химическими свойствами, существенно уменьшать металлоемкость оборудования.
К числу новых областей применения низкотемпературной плазмы относится использование плазмотронов для обезвреживания и уничтожения муниципальных, техногенных и токсичных отходов. Дальнейшее расширение области применения низкотемпературной плазмы и повышение эффективности использования электродуговых плазмотронов будет определяться, главным образом, успехами в разработке надежных и простых в обслуживании технологических плазмотронов с высоким ресурсом работы электродов [1].
Практика использования двухкамерных электродуговых плазмотронов с гладкими медными цилиндрическими (трубчатыми) электродами показала их высокую надежность при нагреве кислородсодержащих сред. В этих плазмотронах внутренний электрод, как правило, служит катодом, а выходной - анодом [2].
Рабочий газ в плазмотрон подается через закруточные кольца. Столб дуги стабилизируется вихревым потоком и располагается на оси электродов. В полости катода радиальный участок дуги горит в зоне встречи двух потоков плазмообразующего газа. В выходном электроде анодный участок дуги горит в зоне шунтирования дуги. С ростом тока эта зона смещается в сторону внутреннего электрода, длина дуги сокращается, напряжение на дуге падает. При этом потери тепла в выходном электроде возрастают. Одновременное падение напряжения на дуге и рост потерь тепла, как показывает практика, приводят к тому, что при изменении тока в три раза полезная мощность плазмотрона изменяется всего в 1,5 раза, а тепловой КПД, например, при токе 300 А не превышает 65-^70 %.
Статья получена 17 января 2013 г.
140 А.С. АНЬШАКОВ, П.В. ДОМАРОВ
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Двухкамерный плазмотрон с выходным ступенчатым электродом
Представленная на рис. 1 конструктивная схема плазмотрона отличается от двухкамерного тем, что выходной электрод выполнен ступенчато расширяющимся [3]. Ступенчатый электрод используется в однокамерных плазмотронах для получения возрастающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги [2]. В таком аноде за уступом происходит срыв потока и примыкание горячего газа к стенке в ограниченной области широкой части анода (обозначено пунктиром). Анодный участок дуги также примыкает к электроду в этой области (здесь зона преимущественного шунтирования дуги), что обеспечивает фиксацию средней длины дугового разряда при изменении тока. Вследствие этого крутизна падения напряжения на дуге уменьшается и появляется участок с возрастающими ВАХ дуги.
Gi
г
А <—►
di
|G2
Ч-—^
<—►
Рис. 1. Схема двухкамерного плазмотрона со ступенчато расширяющимся выходным электродом
Аналогичное явление наблюдается и в двухкамерном плазмотроне со ступенчатым выходным электродом-анодом (рис. 1). Но здесь оно выражено значительно меньше, однако средняя длина дуги фиксирована, и поэтому напряжение на дуге с ростом тока изменяется существенно меньше, чем в двухкамерном плазмотроне с трубчатым анодом. При этом соотношение d\ld2 > 1,4, d-ild2 > 1,5-^1,8.
Местоположение радиального участка дуги во внутреннем электроде определяется соотношением расходов G\ и G2. При имеющихся пульсациях давления и расходах газа эрозия электрода происходит в зоне А (рис. 1). Электроды плазмотрона интенсивно охлаждаются водой.
Электрическая схема
Экспериментальные исследования плазмотрона проводились на стенде Института теплофизики СО РАН. Электрическая схема установки приведена на рис. 2.
Источником электропитания является неуправляемый выпрямитель, собранный на диодах по схеме Ларионова, с напряжением холостого хода Uxx= 1300 В. Для регулирования тока дугового разряда применяется балластное сопротивление R,-, от 1 до 10 Ом в виде водяного реостата «труба в трубе». Для обеспечения видимого разрыва цепи электропитания применяется выключатель нагрузочный (ВНП).
Запуск плазмотрона осуществляется высоковольтным (~ 10 кВ) высокочастотным (~ 10 кГц) осциллятором. Измерения тока и напряжения дугового разряда проводятся стрелочными милливольтметрами типа М105 и М106/1 соответственно. Приборная погрешность измерений составляет ± 1 %. Измерения расходов воды и плазмообразующего воздуха осуществляется ротаметрами типа РС-7. Точность измерений указанных параметров не превышает 2 %.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЯ Вольт-амперные характеристики дуги
На рис. 3 приведены В АХ дуги в исследованном диапазоне расходов воздуха и геометрических размеров электродов.
Трансформатор
Г
ИП
'60 кВт
\ 100
I ■
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики дуги:
= 40 мм, = 28 мм; 1 - С, = С- = 4-10 3 кг/с; 2 - С, = С2 = 5-10 3 кг/с; 3 - С, = С2 = 6-10 3 кг/с
-л_г
п
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема установки
Видно, что с уменьшением тока разряда напряжение на дуге увеличивается. При I > 200 А напряжение практически не зависит от силы тока и имеет тенденцию к росту. Как показывают линии равных мощностей, плазмотрон устойчиво работает в области мощностей 40-^100 кВт
Экспериментальные данные по ВАХ дуги аналогично с [2] обобщены в критериальной форме (все параметры в системе СИ) [3]:
и = 72( 12 / ва2 Г0'05 (в / а 2)0'25 • (2)°>35.
(1)
В исследованном диапазоне изменений параметров и комплексов сходимость расчетных и экспериментальных данных не превышает 7 %.
Тепловой коэффициент полезного действия
Тепловой КПД плазмотрона т|г определяется величиной тепловых потерь в электродах ()„. Измерения 0„ со всех водоохлаждаемых элементов конструкции плазмотрона выполнены калориметрическим методом. Расчет т|г производилось по формуле
в„ =срОж(ТТ -Гх) и ц,„ =1-
вп
где ср - теплоемкость воды; Сж - расход воды; Р - мощность плазмотрона; Гг и Гх - температуры воды на входе и выходе соответственно.
142 А.С. АНЫНАКОВ, П.В. ДОМАРОВ
На рис. 4 представлено сравнение тепловых КПД плазмотронов с гладким выходным электродом (1) и со ступенчатым (2).
7т а
0,4 _I_I_^
100 200 300 I, А
Рис. 4. Зависимость теплового КПД плазмотрона от тока:
d, = 40-10 3 м, d2 = 28-10 3 м, G = 12-10 3 кг/с; 1 - плазмотрон с гладким электродом (расчет [2]); 2 - плазмотрон со ступенчатым электродом (расчет по формуле (2))
Экспериментальные данные по х\т обобщены в критериальном виде по формуле:
(1 -u) / u = 9 -10-5 (12 / Gd2)0Д(G / d2)-0'27 (pd2 )°'3 (Г)0'5. (2)
Здесь I = li!di + /3/с/3. Уравнения (1), (2) при максимальном отклонении эксперимен-
тальных точек от расчетных кривых, меньшем 12 %, справедливы в широком диапазоне изме-
I2 7 9 2 -1 -1 3
нения комплексов -= 1-10 -ьЗ-10 А -с/кг-м; G/d = 2-10 8-10 кг/с-м; pd = 2-10
Gd
5-103Па-м.
Видно, что КПД плазмотрона со ступенчатым электродом за счет оптимизации длины выходного электрода заметно превышает КПД плазмотрона с трубчатым электродом.
Общие замечания
Мощность плазмотрона и среднемассовая температура плазмы регулируются изменением тока I, расхода воздуха G, размерами электродов: l\, d\, h, di, h, ^з и давлением р. Ресурс также зависит от этих параметров. Вариация тока, геометрических и расходных параметров плазмотрона показывает, что при максимальном токе 1 = 1п и минимальном расходе газа среднемассовая температура плазмы на выходе из плазмотрона не превышает 4600 К. С ростом
расхода G температура плазмы падает. Например, при токе 300 А с увеличением расхода газа с
-3 -3
8-10 кг/сдо 12-10 кг/с среднемассовая температура плазмы снижается с 4600 К до 3500 К.
Выбор значения тока /„ достаточно произволен и обусловлен необходимой мощностью плазмотрона, но /(, не должен превышать значение критического тока /кр, при превышении которого внутренний электрод-катод будет быстро разрушаться. В [1, 4] показано, что для обеспечения длительного ресурса работы медного цилиндрического катода в воздушной среде необходимо выполнить следующие условия:
G/pd1 > 2-10-% и I < IKp = 1,6-106VG/p , (3)
где G, кг/с; p, Па; d, м; I, A.
Неравенство G! pd\ >2-10 6 позволяет при заданном диаметре электрода d\ оценить минимальный расход воздуха G ~ G\ G2, который необходимо подавать в плазмотрон. В этом случае при р = 1 Па величина удельной эрозии катода не будет превышать
G ~ 2-10-9 кгЖл.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получены обобщенные формулы в критериальном виде для расчета энергетических параметров плазматрона, которые необходимы для создания промышленных образцов плазмоге-нераторов подобных конструктивных схем. Показано, что двухкамерный плазмотрон со ступенчатым выходным электродом за счет фиксации средней длины дуги имеет более высокий тепловой КПД, чем плазмотрон с гладкими электродами.
Авторы благодарят доктора технических наук Урбаха Э.К. и к.т.н. Урбаха А.Э. за помощь в проведении экспериментов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Чередниченко B.C. Плазменные электротехнологические установки: учебник для ВУЗов / B.C. Чередниченко, A.C. Аныпаков, М.Г. Кузьмин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. - 602 с.
[2] Жуков М.Ф. Прикладная динамика термической плазмы / М.Ф. Жуков, A.C. Коротеев, Б.А. Уркжов. - Новосибирск: Наука, 1975. - 298 с.
[3] Аньшаков A.C. Влияние уступа в выходном электроде на эффективность работы двухкамерного плазмотрона / A.C. Аньшаков, Э.К. Урбах, А.Э. Урбах и др. // Теплофизика и аэромеханика. - 2006. - Т. 13. - № 3. - С. 493500.
[4] Аньшаков A.C. Взаимосвязь эрозионных процессов с аэродинамикой закрученного потока в цилиндрическом электроде плазмотрона / A.C. Аньшаков, А.Н. Быков, А.Н. Тимошевский, Э.К. Урбах // Теплофизика и аэромеханика. - 2002. - Т. 9. - № 4. - С. 623-632.
REFERENCES
[1] Cherednichenko V.S., An'shakov A.S., Kuz'min M.G. Plazmennye jelektrotehnologicheskie ustanovki: uchebnik dlja VUZov. - Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2008. - 602 s.
[2] Zhukov M.F., Koroteev A.S., Urjukov B.A. Prikladnaja dinamika termicheskoj plazmy. - Novosibirsk: Nauka, 1975.-298 s.
[3] An'shakov A.S., Urbah Je.K., Urbah A.Je. i dr. Vlijanie ustupa v vyhodnom jelektrode na jeffektivnost' raboty dvuhkamernogo plazmotrona // Teplofizika i ajeromehanika, 2006. -T. 13,N3. -S. 493-500.
[4] An'shakov A.S., Bykov A.N., Timoshevskij A.N., Urbah Je.K. Vzaimosvjaz' jerozionnyh processov s ajero-dinamikoj zakruchennogo potoka v cilindricheskom jelektrode plazmotrona // Teplofizika i ajeromehanika, 2002. - T. 9, № 4. - S. 623-632.
Аньшаков Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор ИТ СО РАН. Основное научное направление исследований - ресурсе- и энергосберегающие природоохранные электротехнологии. Имеет 96 публикаций, в том числе 5 монографий. E-mail: [email protected]
Домаров Павел Вадимович, аспирант Новосибирского государственного технического университета. Основное научное направление исследований - ресурсо- и энергосберегающие природоохранные электротехнологии. Имеет 14 публикаций. E-mail: [email protected]
A.S. Anshakov, P.V. Domarov
Investigation of the energy characteristics inplasma -with a stepped electrode output
The generalized form of the formula in the criteria for calculating the energy performance of the discharge chamber and the plasma torch. The results of calculations and experimental data for the thermal efficiency and the current-voltage characteristics ofthe plasma generators with an output step-electrode.
Key words: plasma generators, the current-voltage characteristics, stage electrode, thermal efficiency.
