CC BY
10
УДК 537.523
Д-р техн. наук С. П. Поляков, I. I. Фенько, А. В. Йовченко Черкаський державний технолопчний уыверситет, м. Черкаси
МЕТОДИКА ВИМ1РЮВАННЯ ГАЗОВО1 ТЕМПЕРАТУРИ ПЛАЗМОВОГО СТРУМЕНЮ Л1Н1ЙНИМ ТА ЕНТАЛЬП1ЙНИМ КАЛОРИМЕТРИЧНИМИ ЗОНДАМИ
Розроблена методика забезпечуе безперервнуреестрацт зондами теплового потоку плазмового струменю стацiонарним проточним калориметром при перетинi струменю за перерезом. Визначенi технiчнi умови реестрацИ та вимоги до конструктивних особливостей зонду. Проанал1зоваш результати вимiрювання газово'1 температури плазми методами лiнiйного та ентальпшного калориметричних зондiв та встановленi похибки вимiрювання, як знаходяться в межах 5... 12 %.
Ключовi слова: плазмотрон, плазмовий струмiнь, лiнiйний калориметричний зонд, ентальпiйний калориметричний зонд, газова температура.
Вступ
У технологи плазмово! обробки матерiалiв газова температура плазми е важливим параметром теплооб-мшу плазмового струменя зi стшкою плазмотрону Для визначення газово! температури на практищ часпше за все використовуються спектральш, калориметричш та електрозондовi методи. Найбшьш поширеним i зруч-ним е калориметричний метод [1-4], який забезпечуе точшсть визначення температури газового потоку плазмового струменя на рiвнi 12 % i застосовуеться в умо-вах, коли використання шших методiв, або е незручним, або взагалi неможливим, наприклад, у запилених плаз-мових струменях.
Сьогоднi, для пiдвищення якосп плазмово! оброб-ки, постае завдання створення методики, яка б дозволила визначати газову температуру у газовому струмеш безперервно, з б№шою точнiстю, дослiдиги прикатодш процеси у плазмотронi, пiдiйти до виршення пробле-ми ерозп плазмотрона.
Мета роботи
Розробка методики вимiрювання температури газового потоку плазмового струменю лшшним та ен-тальпшним калориметричними зондами.
Обладнання та матерiали
Калориметричнi зонди, яш застосовувались у ро-ботi, виготовлялися з тонкостшних мiдних трубок дiа-метром 1 i 2 мм. Рiвномiрне перемщення зондiв у стру-менi здшснювалося координатним пристроем з ревер-сивним електродвигуном постiйного струму. Ступiнь на^вання охолоджуючо! зонд води вимiрювалася мщно-константановою термопарою, виготовленою з дротиков дааметром 0,12 мм i рееструвалася швидкодь ючим електронним потенцiометром ЭПП-09М3. Час пробку вае! шкали цього приладу 1 с, що вiдповiдало в розглянутих умовах т1 «10-2 с.
© С. П. Поляков, I. I. Фенько, А. В. Йовченко, 2013
При перемщент ентальпшного датчика в струмеш витрати ввдсмоктаного газу змiнювати не довелося, ос-шльки замiри радiального розподiлу витрати газу в самому струмеш, виконаш за допомогою нестацюнар-но! трубки Што, в даних умовах показали, що в межах похибки експерименту ця витрата по радiусу плазмового струменя не змiнюеться.
При перемщент ентальпшного датчика в струмеш витрати ввдсмоктаного газу змiнювати не довелося, ос-шльки замiри ращального розподiлу витрати газу в самому струмеш, виконаш за допомогою нестацюнар-но! трубки Пiто, в даних умовах показали, що в межах похибки експерименту ця витрата по радусу плазмового струменя не змiнюеться.
Отримаш результати та к обговорення
Було проведено порiвняння результапв вимiрюван-ня газово! температури плазми в умовах повиряного плазмового струменя методами ентальпшного [1, 2] та лшйного калориметричного зондiв [3].
Теорiя, конструкцi! i результати застосування таких зондiв описано в роботах [1-4]. Автори цих робгт проводили реестрацш теплового потоку до зонду в кожнш точцi струменя окремо, в той час як безперервна рее-стращя цiе! величини значно скорочуе час проведения експерименту, забезпечуе постшшсть умов його вико-нання та спрощуе обробку результапв.
Здiйснення тако! безперервно! реестрацi! теплового потоку до калориметричного зонду пов'язано з вико-нанням ряду вимог, яш висуваються до конструкцi! самого зонду та уае! рееструючо! апаратури.
Для з' ясування цих вимог розглянемо процес без-перервно! реестрацi! теплового потоку лшшним кало-риметричним зондом, який рухаеться перпендикулярно вга плазмового струменя зi швидюстю п . При малш швидкостi течi! води п2, яка охолоджуе зонд, можливе виникнення спотворення поперечного розподiлу теп-
1607-6885 Нов1 матер1али г технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013
99
лового потоку, що рееструетъся зондом, осшльки за час руху води в ньому сам зонд перемутиться в шшу область струменя (спрацьовування шшо! рееструючо! апаратури вважаемо миттевим). Введемо апроксима-цш радального розподшу газово! температури Т в плаз-мовому струмеш у вигляд1 кусково-лшшно! функцп:
Т = Т0,0 < г < Я/2 Т = 2Т0(1 - г/Я), Я/2 < г < Я,
де То та Я - температура на в1а струменя та його рад1ус вщповщно.
1нтервал Дг м1ж точками такого розпод1лу, як зна-ходяться на дшянщ Я/2-Я, за умови, що р1зниця температур у них складае 1 % ввд температури на вю1 струменя, дор1внюе:
Дг = Я/200.
За час проходження зондом ще! д1лянки вода, що охолоджуе зонд, повинна пройти вщстань > 2Я. Зввдси:
V, > 400v1.
Тепер визначимо умови, яким повинна задоволь-няти конструкщя термопари при рееструванш нагр1ву охолоджуючо! зонд води. Зпдно з прийнятими рашше вимогам, за час проходження зондом !нтервалу Дг термопара повинна встигнути вщреагувати на зм1ну температури води, що вщповщае змш температури плаз-ми на цьому штервал! (1 % ввд температури на в1а струменя). Процес нагр1вання термопари в потощ води при малих значениях критерш Бю можна описати р1внян-ням:
= а(?2 _
йт
де т, Б - маса та площа поверхш «гарячого» спаю термопари, який знаходиться в потоцц
с - теплоемшсть матер!алу термопари, а - ко-ефщент теплопередач1 ввд води до спаю;
ТдЮ3 "К
^ - температура спаю та води, що охолоджуе зонд вщповщно.
Розв'язуючи це р1вняння при умов! Д/1 и 0,96Д/2 [5], знаходимо:
Т0 = рт^с /а , (1)
де т0 - постшна часу нагр1вання термопари, г0, р -рад1ус спаю та густина матер1алу термопари.
Зв'язок часу встановлення т0 та швидкосп течи охолоджуючо! води виражаеться залежтстю:
V2 < 2Я / т0.
(2)
Швидк1сть перемщення зонду повинна задовольня-ти сшвввдношенню:
V! < Я /200т0. (3)
Прилад для реестрацп напруги термопари повинен мати час встановлення показнишв:
Т1 < V
(4)
Уа отримат сшвввдношення справедлив! не ильки для випадку лшшного калориметричного зонду, але й для ентальтйного датчика з щдвищеною чутливютю [4], оскшьки швидисть газу у внутршнш трубщ цього датчика в умовах плазмових струмешв набагато бшьша швидкосп течи охолоджуючо! води 1 тому не входить у сшвввдношення, що одержано вище.
Сумарна похибка визначення ентальпп плазми лшшним калориметричним зондом при вщповщнш обробщ експериментальних даних [4] становить и 12 %. Для ентальтйного датчика вона менша 1 не перевищуе 10 % [5]. Однак, його не можна застосовувати в умовах запилених плазмових струмешв, осшльки це веде до спотворення результапв вим1рювань 1 виходу зонду з ладу. Застосування ж лшйного калориметричного зонду в таких умовах е цшком можливе. Не можна не вра-хувати також, що його конструкция 1 система реестрацп е менш складною, тж у випадку застосування ентальп-!йного датчика.
Тд 103"К
Рис. 1. Рад1альш розподшення газово'! температури в пов1тряному плазмовому струмеш: а - на вщсташ 20 мм вщ зр1зу сопла плазмотрона, б - 40 мм; 1 - ентальпшний датчик, 2 - лшшний калориметричний зонд
В експерименп були отриманi радiальнi розподiли газово! температури в повиряному плазмовому стру-менi без добавок на вщстанях 20 та 40 мм. вщ зрiзу сопла плазмотрона потужшстю до 35 кВт. Ц розподiли, отриманi вказаними методами, показаш на рисунку. Розкид значень температури плазми, вимiряно! за до-помогою обох методiв, знаходиться в межах !х похибок i не перевищуе 5 % майже по всьому перетину струме-ня, збшьшуючись тiльки в !! периферiйних областях.
Висновки
Розроблена методика дозволяе:
1. При вщповщному виборi рееструючого приладу, конструкци калориметричного зонда, термопари, швид-костей перемiщення зонда в плазмовому струмеш й течи охолоджувально! води проводити реестрацiю теплового потоку зондом не за окремими точками, а без-перервно.
2. У вюесиметричних плазмових струменях з домь шкою твердо1 фази використовувати лшшний калоримет-ричний зонд з ентальпшним датчиком з тдвищеною чут-ливктю. Похибка вимiрювання складае 5.. .12 %.
Список лтератури
1. Физика и техника низкотемпературной плазмы / под ред. С. В. Дресвина. - М. : Атомиздат, 1972. - 352 с.
2. Грей. Калориметрический зонд для измерения очень високих температур. Приборы для научных исследований / Грей, Джекобс, Шерман. - 1982. - № 7. - 29 с.
3. Петров М. Д. Использование малогабаритного зонда для определения профилей температуры и полного давления в плотном газовом потоке. Теплоф1зика високих температур / Петров М. Д., Сепп В. А. - 1980. - № 4. -68 с.
4. Поляков С. П. О температуре частиц порошка в плазменных струях // Физ. и хим. обработка материалов / Поляков С. П., Твердохлебов В. И. - 1974. - № 6.
5. Туричин А. М. Электрические изменения неэлектрических величин. - М.-Л. : Энергия, 1976. - 275 с.
6. Клубникин В. С. Теплофизические измерения в плазменных струях / Клубникин В. С., Дресвин С. В. - Уч. зап. ЛГПИИ им. А. И. Герцена, 384, вып. 2. «Низкотемпературная плазма», 1968. - 46 с.
7. Поляков С. П. Вдосконалення технологи плазмового на-пилювання шляхом визначення середньомасово! температури частинок напилюваного матер1алу // Вюник Чер-каського державного технолопчного ушверситету / Поляков С. П., Фенько I. I., Йовченко А. В. - 2013. -№ 1. - С. 64-66.
Одержано 24.12.2013
Поляков С.П., Фенько И.И., Йовченко А.В. Методика измерения газовой температуры плазменной струи линейным и энтальпийным калориметрическими зондами
Разработанная методика обеспечивает непрерывную регистрацию зондами теплового потока плазменной струи стационарным проточным калориметром при пересечении струи по сечению. Определены технические условия регистрации и требования к конструктивным особенностям зонда. Проанализированы результаты измерения газовой температуры плазмы методами линейного и энтальпийного калориметрических зондов и установлены погрешности измерения, которые находятся в пределах 5...12 %.
Ключевые слова: плазмотрон, плазменная струя, линейный калориметрический зонд, энтальпийный калориметрический зонд, газовая температура.
Polyakov S., Fenko I., Yovchenko A. Method measurement of gas temperature plasma jet line and enthalpy calori-metric probe
The method that provides continuous registration of the heat flow probes plasma jet stationary flow by a calorimeter in crossing the stream cross section is developed. The specifications and requirements for peculiarities of the probe are defined. The results of measuring the plasma temperature by linear and enthalpy calorimetric probes methods and errors are within 5...12 %.
Key words: plasma torch, plasma jet, the linear calorimetric probe, enthalpy calorimetric probe, gas temperature.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013
101
