Введение к работе
Актуальность работы. Для успешного решения многих задач современной промышленности требуются высокотемпературные потоки газов. В настоящее время основным средством для получения таких потоков служат электро дуговые нагреватели (ЭДН), которые просты в конструктивном исполнении и позволяют легко управлять тепловой мощностью, температурой и другими параметрами потока. Существует большое число различных схем ЭДН. В настоящий момент разработаны основы теории нагрева газов в стационарно работающих ЭДН постоянного тока и накоплен значительный экспериментальный материал. В известных теоретических исследованиях в основном рассматривается стационарный нагрев. Однако, как показывают эксперименты, процессы в ЭДН являются существенно нестационарными. Крупномасштабные пульсации напряжения в ЭДН постоянного тока, которые могут доходить до 50% от его среднего значения, вызывают колебания тока, температуры и ряда других параметров. Для ЭДН переменного тока роль нестационарности еще более возрастает. В общем случае различным проявлениям нестационарности подвержены сила тока, напряжение, интенсивность излучения потока плазмы в канале и на выходе из плазмотрона. Постоянно меняют свое положение анодное и катодные пятна, а также положительный столб дуги. Кроме того, пульсациям подвержена температура внутри плазменного потока. Эксперименты с использованием потока электродуговой плазмы свидетельствуют о том что, главными факторами, оказывающими влияние на точность определения температуры плазмы, являются пространственные колебания потока плазмы в канале, и высокочастотные пульсации интенсивности излучения плазмы. На данный момент в литературе тема исследования нестационарности плазменного потока практически не освещена. Отсутствуют работы, в которых рассматривались бы влияние пространственных колебаний потока на точность измерения температуры, а также излагались бы методики определения температуры с учетом пульсаций. Таким образом, данная диссертационная работа, посвященная изучению радиального распределения температуры в потоке нестационарной электродуговой плазмы, является чрезвычайно актуальной.
Цель работы - изучение влияния нестационарности на точность определения радиального распределения температуры в потоке электродуговой плазмы спектроскопическими методами.
Задачи исследования
-
Теоретическое исследование влияния колебаний плазмы, физических свойств, расхода газа и размеров дуговой камеры на термические характеристики ЭДН;
-
Численное решение интегрального уравнения Фредгольма I рода, описывающего влияние пространственных колебаний и пульсации потока на точность определения температуры спектроскопическими методами;
3. Разработка и создание экспериментальной установки, для исследования
пространственных колебаний и расчета температуры потока электродуговой
плазмы;
4. Разработка методики получения и обработки данных
спектроскопической диагностики для расчета параметров потока плазмы в
ЭДН.
Научная новизна
-
Создан экспериментальный стенд для измерения характеристик пространственных колебаний и радиального распределения температуры в потоке плазмы, включающий в себя, оригинальный исследовательский плазмотрон, спектроанализатор, скоростную фотокамеру, систему электрического питания, охлаждения и газоснабжения, а также измерительные приборы.
-
Определены характеристики пространственных колебаний потока плазмы в канале электродугового плазмотрона с вихревой стабилизацией.
3. Установлены зависимости параметров пространственных колебаний от
тока, расхода газа и расстояния от катода.
4. Рассчитано радиальное распределение температуры в потоке
электродуговой плазмы для различных газов.
-
Впервые теоретически рассчитано влияние высокочастотных пульсаций температуры в потоке электродуговой плазмы на точность определения радиального распределения температуры спектроскопическими методами.
-
Создана методика определения радиального распределения температуры в потоке электродуговой плазмы с учетом нестационарности.
Практическая ценность
Существующие спектроскопические методы определения температуры не учитывают нестационарность плазмы. Между тем исследования показывают, что пульсации параметров плазмы могут значительно исказить истинный профиль радиальной температуры. Методика, приведенная в данной работе, позволяет определять оптические характеристики разряда с учетом нестационарности. Результаты работы могут быть рекомендованы для использования в расчетах установок, основанных на электродуговом способе нагрева газов. Установленные закономерности создают предпосылки для совершенствования существующих методов управления электродуговым разрядом, и создания новых систем контроля для различных производственных процессов.
На защиту выносятся
1. Результаты экспериментального исследования пространственных
колебаний потока плазмы в канале ЭДН.
2. Математические модели, описывающие влияние пульсации параметров
разряда на распределение интенсивности излучения и радиальной температуры
в потоке электродуговой плазмы.
3. Результаты экспериментального определения распределения
температуры потока плазмы в канале ЭДН с учетом высокочастотных
пространственных колебаний.
4. Результаты теоретических расчетов влияния пульсаций температуры на
точность определения радиального распределения температуры в потоке
электродуговой плазмы.
Степень достоверности научных результатов. Достоверность и обоснованность, полученных в работе результатов подтверждается следующими факторами: эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики, использованы физически обоснованные методики измерений; расчет погрешностей измерений выполнен с применением методов математической статистики и результаты экспериментов сопоставлены с известными опытными и теоретическими данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Международная научная конференция «Туполевские чтения» Казань, 2010, 2012; Международная конференция "ICMAR-2012" Казань, 2012; Международная конференция «2012 Winter Conference on Plasma Spectrochemistry» Тусон, США. 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ. Из них: 6 - тезисы докладов на международных и республиканских конференциях, 5 - статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом ПО страниц, состоит из введения, 4-х глав, содержащих 56 рисунков и 2 таблицы, выводов, библиографического списка из 120 наименований.
