Сравнительный анализ энергетической эффективности плазмотронов различных типов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.365.29

к.т.н. Мурга В. В., Грищенко Е. А.

(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАЗМОТРОНОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Приведены результаты экспериментальных исследований КПД электродуговых плазмотронов и плазмотрона с жидким электродом. Предложена методика оценки теплового поля плазмотрона с жидким электродом на основании дифференциальных уравнений. Получены количественные оценки теплового КПД различных плазмотронов и предложены рекомендации по применению плазмотронов с жидким электродом для промышленного использования.

Ключевые слова: электродуговые плазмотроны, электролитный нагрев, плазмотрон с жидким электродом, тепловой КПД, энергетическая эффективность.

В настоящее время при термообработке изделий из стали и сплавов прогрессивным направлением является использование низкотемпературной плазмы. Эффективность использования плазменного метода обработки зависит от свойств источника плазмы, т. е. плазмотрона. Наиболее изученными являются электродуговые плазмотроны как универсальные источники нагрева материалов. Однако ресурс таких устройств невелик — от 10 до 500 часов. Одним из перспективных устройств в этом классе термической обработки являются плазмотроны, у которых одним из электродов является жидкость. Такие устройства имеют неограниченный ресурс, просты в эксплуатации и имеют самую низкую себестоимость процесса термообработки. Данная работа посвящена анализу эффективности преобразования электрической энергии в тепловую в плазмотронах различных типов.

Среди всех методов термообработки плазменная отличается рядом преимуществ: достаточно высоким КПД процесса, возможностью ведения процесса без охлаждающих сред, низкой стоимостью, простотой, малыми габаритами оборудования, возможностью роботизации и автоматизации процесса, высокой производительностью [1].

Недостатком термообработки плазмотроном прямого действия является высокая ве-

роятность получения в детали больших термических напряжений, ведущих к развитию дефектов структуры. Это связано с трудностью отвода высокой плотности теплового потока плазмы. В случае с плазмотроном косвенного действия наблюдается резкое снижение общего КПД процесса [2]. Самым очевидным недостатком электродуговых плазмотронов является ресурс работы, который определяется эрозией электродов.

Применять катодный нагрев начали в середине 20 века, однако широкого распространения этот способ не получил ввиду сложности формирования разряда в парогазовой оболочке.

Разряд представляет собой множественный искровой нестационарный канал (рис. 1). Образующаяся плазма существенно неравновесная. Температура электронной и ионной составляющей отличается в разы. Однако внимание привлекает простота реализации процесса нагрева деталей и большой ресурс. На рисунке 2 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) плазмотрона с жидким катодом, полученная в ходе эксперимента со стальным образцом. ВАХ имеет условный падающий участок, соответствующий образованию парогазовой оболочки.

На основе источников [2, 3] можно сопоставить значения основных параметров процесса упрочнения (см. таблицу 1).

Металлургия и материаловедение

Рисунок 1 Разряд между обрабатываемой деталью и жидким катодом

Рисунок 2 Вольт-амперная характеристика плазмотрона с жидким катодом

Таблица 1

Параметры процесса плазменного поверхностного упрочнения

Тип плазмотрона Электродуговой прямого действия Электродуговой косвенного действия С жидким катодом

Пределы силы тока, А 100...350 100.250 до 10-15

Среднее значение силы тока, А ~170 ~150 ~9

Скорость перемещения плазмотрона, см/с 3.4 0,3.0,5 -

Глубина закалённого слоя, мм 0,8.1,2 1,5.1,8 1.10

Эффективный КПД нагрева поверхности 0,6.0,75 0,1.0,5 Нет данных

Твёрдость поверхности закалённого слоя, HRC 55.60 45.50 62.65

Металлургия и материаловедение

Как видно из таблицы 1, применение плазмотрона с жидким катодом для процесса упрочнения поверхности имеет преимущества в максимальной глубине и твёрдости упрочнённого слоя.

Сравнительный анализ эффективности плазмотронов проводился для плазмотронов трёх конструкций:

- электродугового плазмотрона постоянного тока прямого действия;

- электродугового плазмотрона постоянного тока косвенного действия;

- плазмотрона с жидким катодом.

Для определения общего КПД процесса принимались во внимание: температура генерируемой плазмы, размеры области термического воздействия, а также тепловой КПД плазмотронов. Количественные оценки КПД основывались на анализе вольт-амперных характеристик плазмотронов. Параметры электродуговых генераторов плазмы можно определить, используя методику расчёта [5].

Все три плазмотрона создают неравномерное температурное поле в зоне обработки, поэтому качество всего процесса можно оценить, определив градиенты температуры на поверхности металла (горизонтальные градиенты температур).

Для оценки зоны нагрева было исследовано распределение температуры в детали на основе решения уравнения теплопроводности в пределах зоны обработки (рис. 3).

d

Рисунок 3 Обозначение зоны обработки:

максимального (пунктир) и высокого (сплошная линия) теплового воздействия

На рисунке 3 показаны области термического воздействия:

- область максимального теплового воздействия в пределах одного диаметра сопла плазмотрона;

- область высокого теплового воздействия в пределах двух диаметров сопла.

Подобная оценка справедлива для электродуговых плазмотронов прямого и косвенного действия.

Используя данные таблицы 1, можно рассчитать энергетические параметры плазмотронов прямого и косвенного действия. Для расчёта плазмотрона прямого действия составляется система из следующих уравнений [4, 5]:

U = 1290

С 12 >

-0,15

df (p-dr. (i)

G - d

1Li = 5,85-10-5

Л

f T2 y,27 / G y0,27

v G - d j

— x

d

x( r i l Г

d

I = sI-100(l03 d -1); U -1-ц = G(h - hH),

(2)

(3)

(4)

где и и I — напряжение и сила тока дуги; G — расход плазмообразующего газа (кг/с); П — тепловой КПД плазмотрона; р — давление газа на выходе из плазмотрона; ^ ^ — удельные энтальпии газа на выходе из плазмотрона и на входе соответственно; d— диаметр сопла плазмотрона; I — максимальная длина дуги; £1 — коэффициент занижения по силе тока. Уравнение (3) является условием отсутствия двойного дугообразова-ния (привязки дуги к соплу).

Расчёт плазмотрона косвенного действия производится на основе следующей системы уравнений [4]:

Металлургия и материаловедение

(

U = 4,55

1 + 4,6-10" —

d2

Vg 0

22 2

v d2 j

;(p •d )0,23

fi V

V d2 j

(5)

U =sU -1290

f J2 V^

v G • d j

V 2 '

(6)

0,3

( Gл

V d2 j

(P - d2 )0

^ = 5,85-10-5 Л

2

V G • d2 j

0,27

V d2 j

0,27

(7)

;(P - d2 )0,3

/- N 0,5

4 +

V d2 d3 j

U • I-Л = g(Ä - ¿н),

(8)

P + P

_ 1 изл конв

Лэф = 1 --

P

(9)

P„„ = аТ4 S.

(10)

Мощность потерь на конвекцию оценивается согласно закону Фурье:

Ронв = а(Т )• gradT • 5', (11)

где а(Т) — коэффициент теплопроводности среды, зависящий от температуры; ^аёТ — температурный градиент в среде; 5' — характерная площадь, через которую происходит конвекция.

В случае с плазмотроном с жидким катодом необходимо учесть потери на нагрев и испарения воды:

Рв = - ( Суд Кип - Т) + ГуД ) ,

(12)

где d2, /2 — диаметр и длина разрядного канала до уступа соответственно; dз , /3 — диаметр и длина разрядного канала после уступа соответственно; в^ — коэффициент занижения напряжения; он учитывает, что длина дуги в плазмотроне с уступом меньше длины самоустанавливающейся дуги.

Тепловой КПД процесса оценивался по полезной мощности процесса:

где Ризл и Рконв — мощности, затрачиваемые на излучательные и конвективные потери соответственно; Рпл — полезная мощность плазмотрона.

Мощность потерь на излучение определяется согласно закону Стефана-Больцмана:

где р и V — сответственно плотность и объем воды; т — время, за которое нагревается и закипает данный объём воды; суд и гуд — удельная теплоёмкость и теплота парообразования воды.

При расчёте проводилось усреднение температуры в требуемой области обработки. Считается, что большая часть частиц среды отдаёт тепло обрабатываемой детали; в частности, для плазмотрона с жидким катодом предполагается, что из-за интенсивного вскипания поверхности электролита в зоне теплового воздействия и нагрева анода в конвективных потерях участвует незначительная часть (не более 10 %) всех молекул воды.

Для плазмотрона с жидким катодом использовано предположение о том, что основные конвективные потери идут в раствор электролита, а не в окружающую деталь газовую атмосферу. При этом конвекция происходит в основном через сечение распределённого искрового разряда; данное сечение меньше площади активной области.

При упрощённой оценке качества термообработки достаточно знать температурное распределение на поверхности стальной детали. Для нахождения аналитического выражения распределения температурного поля в зоне обработки было решено уравнение (13) в цилиндрических координатах:

х

X

X

X

Металлургия и материаловедение

8U 2 Га2и 1 8U

— = a —г +--

8t 8r r 8r

+

(13)

+a

1 82U 8 2U - + ■

r2 8ф2 8z2

а -

(14)

8 2U 1 8U 8 2U n

—T +--+ —T = 0.

8r r 8r 8z

(15)

в центре и комнатная температура по краю. Уравнение (13) является однородным (не содержит функций тепловых источников) и решается в данном виде только для однородных граничных условий:

где и(г, ф, z, ¿) — температура (как функция координат и времени); а - коэффициент температуропроводности, зависящий от свойств среды.

Согласно [5] коэффициент а равен:

8R 8r

= 0; R(D) = TK -TK = 0. (17)

r =0

Уравнение (15) было решено методом Фурье:

и (г, z) = R(r )7 (z) ^

Я2 Я 1 дЯ Я2 7

^ 7—г + 7--+ Я—г = 0;

дг г дг дz

где а и с — теплопроводность и удельная теплоёмкость среды соответственно; р — плотность тела (среды).

Рассмотрим стационарное температурное поле с известными краевыми условиями. При этом получим уравнение Лапласа, в котором левая часть равна нулю. В силу осевой симметрии теплового потока из сопла плазмотрона (или через парогазовую оболочку) уравнение (13) также не будет зависеть от координаты ф. Тогда получим:

1

R

82 Z

2

82R 1 8R

\

■ + —

8r r 8r

+

1 Z

+ Я2 7 = 0 ^ 7 = ае~ь + С2ек2 ^ д22 1 2

^ к2 + ЯЯ = 0 ^ к

^ 7(г) = С1 ^о^ Я + С2 sm Я;

+1 дЯ + Я2Я = 0 ^ Я(г) = ;0 (Ьг),

дz г дг

где X — собственные числа соответствующей функции; J0(Xг) — функция Бесселя нулевого порядка первого рода [5].

В ходе вывода оказалось, что X должны быть одинаковыми и для 7(2) и для Я(г). Учитывая их разную периодичность, для правильного решения определим X через ГУ для J0(Xr).

Используя ГУ (17), выразим функцию Я, а через неё — X:

= 0 ^

„kz

Предположим, что на исследуемое тело за чрезвычайно короткое время воздействуют мощным тепловым источником. При стационарном распределении температуры получена упрощенная качественная картина температурного поля. Граничные условия для этого случая примут вид:

и(0,0)= Тш; иф,2) = Тк; и(0,L) = Тм,(16)

где Тпл — температура генерируемой плазмы; Тк — температура воздушной среды (комнатная); Тм — температура плавления металла на поверхности детали; D, L — характерный радиус и высота зоны обработки соответственно.

ГУ (16) для решения уравнения (15) достаточно, если считать, что характер распределения вдоль оси 2 не меняется: максимум

R (r) = J0 l^r

^ X = ^, (18) D

где цп — «ноль» функции Бесселя J0. Неизвестные коэффициенты можно будет найти, подставив ГУ для г = 0. Тогда распределение температуры для нашей задачи примет вид:

Металлургия и материаловедение

U (r, z ) =

С cos

XJ

£х

D

+ C2 sin

D

D

r 1 + Т

(19)

На основании решения уравнения (19) были получены распределения теплового поля для различных плазмотронов (рис. 4-5).

т. к

4x10"

3x10"

2x10"

1x10"

300

1 /

-г, м

0 5x10-4 ЫО"5 1.5x10"3 2х10"3 2.5x10" 3 3x10"' 1 -2 = 0Л-г=1[

Рисунок 4 Температурное поле плазмотрона прямого действия

г, к

2x10'

1.5x10'

Ь10'

500 300

1

-Г, м

5x10"

0.01

0.015

0.02

1 - z = 0, 2 - z =

Размер зоны, в которой будет наблюдаться изменение структуры стали при обработке, ограничена температурой 1000 К (727о С). Вычисленные параметры процесса нагрева для различных плазмотронов приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, нагрев металла плазмотроном с жидким катодом и плазмотроном прямого действия имеет близкий КПД. Наибольший тепловой КПД отмечен у плазмотрона с жидким катодом. Другие показатели (температурный градиент, размеры зон нагрева) у данного плазмотрона имеют промежуточное значение.

2x10'

1.5x10

ЫО

Рисунок 5 Температурное поле плазмотрона косвенного действия

Предполагая, что внутри парогазовой оболочки температура постоянна, получили распределение температурного поля, создаваемого в плазмотроне с жидким катодом (рис. 6).

0 1х10"3 2х 10"3 3x10" 3 4х 10"3 5х10"3 6x10"

Рисунок 6 Температурное поле плазмотрона с жидким катодом

Нагрев в электролите обеспечивает малую протяжённость области нагрева (2 мм). За счёт этого температура на таком промежутке меняется не так значительно, как у электродуговых плазмотронов. Выгодным преимуществом плазмотрона с жидким катодом являются меньшие затраты мощности, почти на порядок (2 кВт).

Выводы. При использовании плазмотрона с жидким электродом имеет значение направление тока. Результаты эксперимента указывают, что процесс нагрева металла в электролите-катоде является более стабильным, чем нагрев в электролите-аноде. В первом случае разряд зажигается при меньшей силе тока и меньшем напряжении, наблюдается меньшее вскипание электролита.

z

z

х

Согласно результатам расчётов эффективного КПД нагрева, у плазмотрона с жидким электродом данный показатель

При этом плазмотрон косвенного действия обеспечивает температурное поле на поверхности металла с меньшими перепадами, имеет самый высокий тепловой КПД (0,95), средние размеры зоны теплового воздействия. Явным преимуществом плазмотрона с жидким электродом является практически неограниченный ресурс рабо-

Библиографический список

(0,41) находится между значениями КПД нагрева плазмотрона прямого (0,44) и косвенного (0,32) действия.

2

ты и сравнительно малая электрическая мощность, вкладываемая в разряд.

В операции поверхностного термоупрочнения металла в электролите следует отдавать предпочтение анодному нагреву (анодом является деталь) из-за более стабильного протекания нагрева и меньшей затрачиваемой мощности.

Таблица

Энергетические характеристики нагрева

металла Электродуговой прямого действия Электродуговой косвенного действия С жидким катодом

Полезная мощность, кВт 22,16 9,9 2

Тепловой КПД плазмотрона 0,74 0,81 0,95

КПД теплопередачи 0,6 0,4 0,41

Эффективный КПД преобразования энергии 0,44 0,32 0,41

Горизонтальный температурный градиент, К/м 5,77105 9,87104 2,6105

Продольный размер зоны теплового воздействия, мм 5 10 2 (парогазовая оболочка)

Радиус зоны теплового действия (выше 300 К), мм 2,6 15,2 5,7

Радиус зоны термоупрочнения (выше 1000 К), мм 1,7 10,1 3,7

1. Степанова, Т. Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин : учебное пособие [Текст]/Т. Ю. Степанова//Иван. гос. хим.-технол. ун-т. — Иваново, 2009. — 64 с.

2. Мурга, В. В. Изменения микроструктуры стали при обработке в плазмотроне с жидким катодом [Текст] / В. В. Мурга, И. И. Антропов, Д. К. Гамазин, А. Алкиб // Сборник научных трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2014. — № 1 (42). — С. 152-156.

3. Мурга, В. В. Обработка стальных изделий неравновесной плазмой в водной среде [Текст] / В. В. Мурга, И. И. Антропов, Д. К. Гамазин // Сборник научных трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2014. — № 43. — С. 118-121.

4. Мурга, В. В. Использование плазмотрона с жидким электролитным катодом для упрочнения поверхности материалов [Текст] / В. В. Мурга, Дж. Омеман, И. И. Антропов // Сборник научных трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2011. — № 34. — С. 383-388.

5. Основы расчета плазмотронов линейной схемы [Текст] / Под ред. М. Ф. Жукова. — Новосибирск, 1979. — 146 с.

© Мурга В. В.

© Грищенко Е. А.

Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. МЧМ ДонГТУНовохатским А. М., д.т.н., проф., зав. каф. ФиХ ЛНУ им. В. Даля Корсуновым К. А.

Статья поступила в редакцию 28.06.17.

к.т.н. Мурга В. В., Грищенко G. О. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)

ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З ЕНЕРГЕТИЧНО1 ЕФЕКТИВНОСТ1 ПЛАЗМОТРОН1В Р1ЗНИХ ТИП1В

Наведено результати експериментальних до^джень ККД електродугових плазмотронов i плазмотрона з рiдким електродом. Запропоновано методику оцтки теплового поля плазмотрона з рiдким електродом на пiдставi диференщальних рiвнянь. Отримано кшьюсш оцтки теплового ККДрiзних плазмотротв та запропоновано рекомендацИ' щодо застосування плазмотротв з рiдким електродом для промислового використання.

Ключовi слова: електродуговi плазмотрони, електролтний нагрiв, плазмотрон з рiдким електродом, тепловий ККД, енергетична ефективтсть.

PhD Murga V. V., Grishchenko Eu. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR)

COMPARATIVE POWER EFFICIENCY ANALYSIS OF VARIOUS TYPES OF PLASMO-TRONS

The experimental results of efficiency coefficient of electric arc plasmotrons and plasmotron with liquid electrode have been given. There has been proposed a method for thermal field assessment for plasmotron with liquid electrode basing on differential equations. The quantitative assessments of heat efficiency coefficient for various plasmotrons have been obtained and the recommendations on applying plasmotrons with liquid electrode for industrial use have been given.

Key words: electric arc plasmotrons, electrolytic heating, plasmotron with liquid electrode, heat efficiency coefficient, power efficiency.