Введение к работе
Актуальность rtt&r.
Существование в настоящее время большого количеств» задач, решение которых возможно лишь с применением плазменной технологии, обусловило наличие разнообразных конструкций плазмотронов, как основного элемента плазменной электротехвологической установки (ПЭТУ). Осяопное требоаанне предъявляемые х плазмотронам с точки зрения технологического процесса - это обеспечение необходимого режима (температура, скорость пяжшообразукщего га.за на выходе из сопла, его расход и т.д)> что, а его» очередь, ставит перед проектировщиком плазменного оборудования уже на стадия проехтяровання задачу расчета с максимальной достоверностью внешних электрических я тепловых характеристик дуги я плазмотрона в целом.
Внешние электрические, тепловые и геометрические хярахтерветихи дуги такие как ток, длина дуги, радиус, мощность потерь из столба дуги за счет излучения и теплопроводности, коэффициент теплоотдачи и теплосодержание столба дуги определяют тепловые н электрические режимы ПЭТУ, являются основными исходными данными для выбора элеггртпеското и термического оборудования.
Отсутствие единых и, в то же время, простых математических методов, позволяющих описать поведение электрической дуг», стабилизированной турбулентным потоком газа, в широких диапазонах изменения рабочих параметров, делает задачу определения внешних электрических и тепловых характеристик дуги, а значит и самого плазмотрона весьма затруднительной.
Поэтому 8 настоящее время наиболее популярными являются подходы, связанные с обобщением внешних характеристик дуги.
Неопределенности, связанные с заданием истинного радиуса дуга, ее длины, а также отсутствие единых достоверных теплофиэических характеристик плазмо-образующнх газов, являются серьезным препятствием для расчета тепловых характеристик дуг даже при удовлетворительных результатах расчета их электрических кзрзктеристяк по существующим обобщениям.
Решение задач неопределенности одновременно с разработкой новых подходов к обобщению характеристик дуг в струнных плазмотронах, позволяющих провести обобщение по каждому типу плазмотрона в отдельвоств, во для широкого диапазона изменения рабочих параметров - ток, расход газа в геометрические размеры плазмотрона, а также построение на основе подученных обобщений простых н в то же время эффективных инженерных методов расчета внешних характеристик дуги н плазмотрона является актуальной темой в настоящее время.
Цель работы:
Целью настоящей работы является разработка орвеатирозшной ва ПЭВМ методики проектирования струйных промышленных плазмотронов, базирующейся на результатах обобщения вх внешних характеристик по усдоздю теплообмена дуги с омывающим потоком плазмообразующего газа с учетом нелинейности теллофнзнчесхнх свойств высокотемпературных газов, в шяжхонхпей повисать точвосгь расчетов.Для доствжевяя поставленной цедя необходимо было решить следующие задачи:
выявить достоверные переносные коэффициенты основных плазмообразующнх газов (аргон, водород, воздух, азот);
на основе двухслойной газодинамической модели дуги разработать метод формирования граничного условия для анализа и решения исходной системы уравнений непосредственно на поверхности дуги;
разработать метод решения исходной системы уравнений дуги в плазмотроне с учетом найденного граничного условия в нелинейности теплофизнческнх характеристик плазмообразующнх газов;
используя полученное решение уравнения энергии дуги в виде относительного температурного профиля Г(г), рассчитать универсальные электрические и тепловые характеристики;
разработать подходы и выполнять обобщение внешних характеристик дуга в плазмотронах линейной схемы с фиксированной длиной дуга применительно к задачам проектирования установок плазменной технологии, лишенные недостатка математической неопределенности дуги;
разработать инженерные методы расчета внешних характеристик дуги и плазмотрона, адаптированные к задачам эксплуатации, исследования я проектирования ПЭТУ;
разработать комплекс программ расчета электрических и тепловых характеристик промышленных плазмотронов для проектирования установок плазменной технологии.
Научная новизна:
-
Проведено обобщение теилофизических характеристик основных плазмообразующнх газов.
-
Разработан метод формирования граничного условия для анализа н решения исходной системы уравнений непосредственно на поверхности дуги и метод решения исходной системы уравнений" дуги в плазмотроне с учетом найденного граничного условия и нелинейности теплофнзических характеристик плазмообразующнх газов.
J. Разработаны подходы к расчету универсальных характеристик плазмообраэуюших газов справедливые для любого газа и расчитаны универсальные характеристики основных плазмообразующнх газов.
-
Разработаны подходы к обобщению внешних характеристик дуг в струйных плазмотронах с фиксированной длиной душ и получены обобщенные электрические и тепловые характеристики для основных схем плазмотронов: плазмотрон с уступом, с секционированной межэлектродной вставкой (МЭВ), с пористой МЭВ. Приведенные обобщения с погрешностью, не превышающей 10%, справедливы для широкого диапазона изменения параметров: ток /, удельный расход газа т (т = G/d,1), геометричекне размеры разрядной камеры плазмотрона.
-
Решена задача неопределенности длины дуги - для каждой конкретной конструкция плазмотрона рекомендованы коэффициенты пересчета межэлектродного расстояния к реальной длине дуги.
-
Разработаны инженерные методы расчета электрических и тепловых характеристик плазмотронов, подкрепленные программным комплексом в позволяющие решать задачи, связанные с исследованиями, эксплуатацией я проектированием ПЭТУ с линейными плазмотронами.
.?
Праргппмтшшвостг» результатов работы:
/. Разработаны подходы к обобщению тештофизичсских характеристик плаэ-мообразующих газов, справедливые для любої о газа.
2. Разработаны подходы к обобщению внешних электрических и тепловых характеристик дуг в струйных шпзыотронвх с фиксированной длиной дуга, которые могут быть применены прн обобщении внешних характеристик дуг не рассматриваемых в настоящей работе конструкций плазмотронов с сохранением общего вида обобщающих коэффициентов.
.1 Проведено обобщение электрических и тепловых характеристик (рабочий газ - воздух) для трех типов плазмотронов: с уступом, с секционированной МЭВ, с пористой МЭВ.
-
Разработаны инженерные методы расчета внешних характеристик дуги и плаз-мщрона. позволяющие проводить расчетыс поіт»стнностью. не превышающей 10%.
-
Разработан программный комплекс, состоящий из двух программ " TF.PLOF" и "PLASMARC, для решения полного спекгра задач по обобщению я расчету внешних характеристик дуг в струйных промышленных плазмотронах, позволяющий повысить точность и сократить в десятки раз время необходимое для проведения расчетов.
Положения, выносимые на защиту:
/. Метод формирования граничного условия для анализа и решения исходной системы уравнений непосредственно на поверхности дуги.
2. Метод решения исходной системы уравнений душ в плазмотроне с учетом граничного условия и нелинейности теплофизических характеристик рабочих газов.
.?. Мсюд обобщения внешних электрических и тепловых характерисгик дуг н с>рунных плазмотронах с фиксированной длиной дуги с учетом коэффициента удлинения д\т и относительно геометрических размеров плазмотрона.
-
Инженерные методы расчета внешних характеристик дуги и плазмотрона применительно к задачам эксплуатации и проектирования IT'УГУ.
-
Комплекс программ, позволяющий реализован, автоматизированное проектирование струйных промышленных плазмотронов.
Реализации результаюв рабогы:
Реэулыаш работы в виде двух прикладных программ "Tb'PLOF" и "PLASMARC" внедрены r научно-исследовательский и проектный процессы в многопрофильном научно инженерном центре "СТРОП" и п учебный процесс НИ кафедре А'ЛУГ М')\\ (ТУ).
ЛптіоСашія работ ы:
На научном семинаре кафедры АЭТУС и юбилейной конференции' )ЛПТФ МЭИ.
Публикации:
По результатам проведенных исследований опубликовано три рабоїьі.
( 'ВД.КОШ .И Jjfibwjjjj^rbi:
Диссертационная работа состоит из пяти глав, выводов, списка литературы из І .ЧК наименований и содержит 134 страницы текста, 92 рисунка и 10 таблиц.