Физические характеристики и свойства плазмы, возможности её технологического применения

Прообразом плазмы является впервые полученный в 1802 году профессором Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петровым электрический дуговой разряд. Исследование дугового разряда показали, что при высокой температуре его вещество находится в особом состоянии, где наряду с нейтральными молекулами и атомами имеются заряженные частицы – ионы и электроны, обеспечивающие прохождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных, с практической точки зрения, свойств. goedkoop nikes Такую среду, в которой значительная часть молекул или атомов ионизирована, в1923 году Л.Тонкс и И Лэнгмюр предложили называть плазмой. Плазма находит технологическое применение прежде всего в процессах, которые требуют высокотемпературного концентрированного нагрева значительных (по сравнению с другими методами обработки концентрированными потоками энергий) зон заготовки. В промышленности широко используются плазменная резка металлов, плазменные наплавка, сварка, напыление тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов, а также комбинированное воздействие, называемое плазменно-механической обработкой. Плазменная технология применяется в металлургии, химии, металлообрабатывающей промышленности, в промышленности строительных материалов, в электронике и космической технике. В последние годы увеличился интерес к обработке дисперсных материалов в среде низкотемпературной плазмы. В настоящее время плазменной обработке подвергаются дисперсные материалы, имеющие различный состав и физико-химические свойства. С точки зрения физико-химических превращений процессы обработки дисперсных материалов в низкотемпературной плазме можно разделить на две группы. К первой группе следует отнести процессы в которых обрабатываемый дисперсный материал подвергается в основном теплофизическим превращениям. Это, упоминавшиеся выше, плазменные процессы напыления, процессы сфероидизации частиц и производства ультрадисперсных порошков. Во вторую группу входят процессы, в которых обрабатываемый дисперсный материал наряду с физическими превращениями подвергается также химической обработке с целью получения из исходного обрабатываемого исходного материала продуктов с заданным химическим свойством. Затраты энергии на каждый вид плазменного технологического процесса определяются не только теплофизическими свойствами плазмообразующего газа и дисперсного материала, но и глубиной необходимых физико-химических превращений.обрабатываемого материала. Процесс плазменного напыления, требующий нагрева частиц до температуры плавления и последующего их распыления представляется наименее энергоемким, в то время, как процессы плазмохимической обработки дисперсных материалов, требующих перевода дисперсного материала в газовую фазу и подвода дополнительной энергии необходимой для осуществления химических преобразований, — наиболее энергоемкими. Общими стадиями на всех этапах развития указанных выше плазменных технологий, является подготовка плазмообразующего газа и организации его взаимодействия с обрабатываемым материалом. Эти стадии Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан целый ряд специальных устройств, называемых плазмотронами или плазменными горелками. Наиболее распространены плазмотроны, в которых нагрев газа до необходимой температуры осуществляется электрическим дуговым разрядом. В последнее время применяются высокочастотные плазмотроны с так называемым «безэлектродным разрядом». Принципиально тот же результат можно достигнуть и при сжигании горючих смесей в обычных горелках за счет энергии химических реакций, но эффективность таких устройств значительно ниже. В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристиками может быть получена при различных видах взаимодействия дуги с плазмообразующим газом. Конструкция плазменных генераторов постоянного или переменного тока и частота питающего напряжения, а также вид плазмообразующего газа зависят от области их применения.. Во-первых, плазменные факелы используют для сварки и резки металлов и пластмасс, также для нанесения покрытий. В установках используемых для этих целей, требуется иметь направленный поток плазмообразующего вещества с достаточно большой скоростью, особенно для резки металлов. Эти требования выполнены в случае плазменного факела типа «плазменнойе струи», вобычно питаемого азотом или аргоном с подводом или без подвода водорода. Во-вторых, плазму при атмосферном давлении используют для проведения химических реакций и плавки металлов. В этих случаях требуется в основном большой объем, а не высокая скорость течения плазмы. Используемые для этих целей установки (плазменные печи) также питаются аргоном или азотом. Выбор газа определяется необходимым количеством энергии, химическими свойствами и скоростью плазмообразующего потока. Не менее важным фактором являются материальные затраты на организацию производства и коррозионная способность газа. В таблице 1 приведен цены на некоторые технические газы. Таблица 1

Из таблицы видно, что наиболее дешевым является сжатый воздуъх. Однако большое содержание кислорода в воздухе (20,95 % об, 23,15% масс) делает его коррозионную способность очень высокой, особенно относительно вольфрамовых катодов, используемых в большинстве плазменных генераторов. Использование чистого природного газа для создания плазмы затруднено ввиду высокого содержания в нем метана, из которого в дуге высвобождается водород, уменьшающий устойчивоть плазмы. canada goose victoria Решение проблемы находят путем использования стехиометрической ссмеси природного газа с воздухом. Получающаяся при этом плазма в основном аналогична азоттной. Однако её температура выше, а стоимость питающего газа (89,5 % воздуха и 10,5% природного газа) составляет лишь малую часть стоимостим других газов. Согласно данным, приведенным в таблице 1, цена такой смеси составляет 0,70 франка за 1 м³ по сравнению с 35 франками за 1 м³ азота (при стандартных температуре и давлении). Выигрыш за счет увеличения энергии плазмы благодаря теплоте сгорания плазмообразующего газа получается, однако, незначительным. Фактически добавочная энергия, выделяющаяся при сгорании, составляет лишь 4 – 5% относттельно полной энергиим при нормальном режиме работы. Значительным преимуществом добавления природного газа в плазму является возможность использования воздуха в качестве плазщмообразующего газа без большой коррозии вольфрамового катода. Основные физические характеристики и свойства плазмы, используемой для технологических целей,, сводятся к следующим. Степень ионизации пялзмы х — это количественная характеристика, определяющая соотношение в плазме заряженных и нейтральных частиц. х = n/N, где п — концентрация в плазме заряженных частиц одного знака (ионов нлк электронов); N — число нейтральных атомов или молекул до ионизации. Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов, прежде всего от се температуры. Для низкотемпературной плазмы ее значение может меняться в широких пределах от 0 до 100%. В технологических целях применяют, как правило, низкотемпературную плазму, представляющую собой частично ионизированный газ с температурой 10³…10⁵ К. Квазинейтральность плазмы означает, что в определенном объеме число отрицательно заряженных частиц (электронов) равно числу положительно заряженных частиц (ионов), иначе должны возникнуть электрические поля, приводящие к перераспределению зарядов. По мере снижения давления число частиц в объеме уменьшается и может наступить момент, когда количество частиц будет настолько мало, что условия квазинейтральности не будут выполняться. Объем, где нарушается квазинейтральность плазмы определяется дебаевскмм радиусом (от имени голландского физика П.Дебая), где г_Д -дебаевский радиус, см; Т_е — температура (электронная), °К; n— концентрация электронов, см ^-3. Если размеры рассматриваемой области плазмы больше дебаевского радиуса г , условия квазинейтральности выполняются, то есть n_е ≈ n_i. Если же рассматривается объем плазмы радиусом г < г_д, то в этом объеме плазму нельзя считать квазинейтральной. В связи со сказанным плазму можно определить как форму вещества, в которой число электронов и ионов в объеме настолько велико, что даже небольшое нарушение равенства п_е= г^ является невозможным из-за образования сильных электрических полей. В реальных плазменных устройствах, применяемых в технологических целях, и в вакууме величина г_д составляет 10 ^-2 …10¹ см. Температура плазмы в реальных плазмотронах достигает (2…5)*10⁴ «К. В ряде случаев плазму можно рассматривать как идеальный газ, так как при высоких температурах концентрация частиц в плазме, несмотря на высокие давления, мала, и для нее могут быть использованы уравнения идеального газа, в том числе основной закон газового состояния, pV=RT. Для плазмы это уравнение представляют в виде р = nRT/N, где n = n _e+ n_i + n ₀ — суммарная концентрация заряженных и нейтральных частиц в плазме; N = 6,022*10 ²³ моль ^-1 — число Авогадро (коэфф-т пропорциональности между единицей массы – граммом и единицей относительной атомной массы), Т — температура, ‘К; R = 8,31 Дж/(моль*°К) — универсальная газовая постоянная. При рассмотрении плазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков вводят понятие электронной Т _е и ионной Т_i. температур. В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов эта энергия различна. Это связано прежде всего с тем, что электрон является значительно более легкой частицей. Из определения температуры, как меры энергии частицы, mv²/2 = (3/2)КТ, где m — масса частицы, v — скорость частицы, К = 8,6*10* эВ/К — постоянная Больцмана, следует, что электронная температура всегда выше температуры ионов и нейтральных атомов из-за большей подвижности электрона. Это становится особенно заметным при понижении плотности (давления) плазмы, когда разница электронной Т_е и ионной T_i, температур может достигать нескольких порядков. Однако, для плазмы, используемой в технологических установках, где давление достаточно велико, и концентрация частиц составляет >10 15 см³, можно практически считать, что Т_е ≈ Т_i ≈ Т_a . Такая плазма называется термической, и к ней применимы некоторые принципы термодинамики. Индийский физик М. Саха предложил рассматривать состояние вещества в плазме как процесс термической ионизации по схеме обратимой реакции: A⁰ D А⁺ + е^— Им выведено уравнение плазмы, которое в преобразованном виде аыгдядит так: [х ²/(1 – х ²)] р = 2,4 * 10 ^{— 4}а² Т ^1/2 ехр (- еU_i/кТ), где х — степень ионизации газа; р — давление газа, Па; Т — температура, К; еU_i — энергия ионизации газа, эВ; к = 8,6* 10⁶ эВ/К или 1,3807 * 10⁺²³ Дж/К— постоянная Больцмана, равная отношекнию R/N_A; а² — статистический квантовый коэффициент. Коэффициент а² был введен в уравнение Саха позднее для учета квантового взаимодействия частиц. Он колеблется в пределах 1…4 в зависимости от атомного номера элемента, образующего плазму. Уравнение Саха выведено для однокомпонентного газа. Для смеси газов и паров В.В. Фролов ввел понятие эффективного потенциала ионизации U_е. U_е= (T/5800), где v_i — объемная доля i -го компонента в газовой смеси; U_i — потенциал ионизации i — го компонента, В; Т — температура, «К. Расчеты по этой формуле показывают, что введение в смесь даже небольшого количества компонента (менее 3…5%) с малым потенциалом ионизации резко снижает значение эффективного потенциала ионизации смеси, делая его близким к минимальному значению для компонентов этой смеси. Энтальпия плазмы Н (H=U+p V) иначе называется теплосодержанием или тепловой функцией Гиббса и зависит как от температуры, так и от вида пдазмообравзующего газа. Энтальпия моноатомных газов увеличивается с повышением температуры благодаря повышению энергии теплового движения атомов газа и их ионизации. У молекулярных газов в процессе нагрева энтальпия даже при сравнительно невысоких температурах резко возрастает за счет диссоциации, а дальнейшее повышение энтальпии продолжается уже за счет ионизации. Поэтому для технологических процессов, когда не нужны очень высокие температуры (превышающие 10⁴ К), в качестве плазмообразующих газов целесообразно использовать азот, водород, кислород, воздух. .вода .вода Рас. 22. Способы стабилизации дуги * плазмотроне. Для получения более высоких температур следует применять плазму одноатомных газов (аргона, гелия). Наиболее высокими удельными значениями энтальпии обладает водород, однако, применение его в плазмотронах в чястом виде ведет к разрушению электродов. В технологических установках используют водородно-азотную или водородно-зргоновую смеси газов, где объемное содержание водорода составляет 10…20%. Плазменный нагрев позволяет получать в первой фазе нитриды, карбиды и оксиды тугоплавких металлов и неметаллов высокой чистоты. Примером является плазмохимическое получение абразивных материалов на основе бора, осаждение на рабочей поверхности режущего инструмента нитрида титана и др.

2. требования к плазмотронам и принципы построения

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

При нагреве плазмой деталей передача энергии может осуществляться или только за счет процессов теплообмена нагретого газа с твердой или жидкой фазой детали (деталь при этом электрически не связана с источником питания), или за счет суммарного действия теплообмена и электрического взаимодействия заряженных частиц плазмы с электродом-заготовкой. В последнем случае эффективность нагрева, как правило, выше, но деталь должна быть электропроводной и ее необходимо включать в цепь источника питания плазмотрона. Сложились три способа стабилизации дуги в плазмотроне и три основных принципиальных схемы плазмотронов. Способы стабилизации дуги показаны на рис. 22. Стабилизация дуги может осуществляться аксиальным потоком газа (рис.22-а), тангенциальны» или иначе вихревым потоком газа (рис.22-б), а также путем ограничения диаметра столба газового разряда охлаждаемой стенкой (рис. 22-в), что является наиболее эффективным. Обычно такая стабилизирующая стенка выполняется в виде медного водоохлаждаемого цилиндра сравнительно небольшого диаметра. Что касается обычно применяемых принципиальных схем плазмотронов, то в двух из этих схем используется электрический дуговой разряд, а в третьей схеме нагрев газа и образование плазмы осуществляется за счет безэлектродпого высокочастотного индукционного разряда. Схема обработки, где плазмотрон и изделие электрически связаны, получила название плазменной дуга, а соответствующий ей плазмотрон называется плазмотроном прямого действия. Схема обработки, при которой изделие электрически не связано с плазмотроном, называется обработкой плазменной струей, а плазмотрон в этом случае называется плазмотроном косвенного действия. Основными характеристиками плазменного источника энергии являются его тепловая мощность, определяемая отношением количества теплоты, вводимой в основной металл, ко времени ее введения, а также коэффициент сосредоточенности, определяющий распределение теплового потока по поверхности обрабатываемого изделия. Для плазменной дуги эффективная тепловая мощность составляет: q =U I h_н где U — напряжение дуги; I — сила тока дуги; h_н— эффективный КПД процесса плазменного нагрева, учитывающий потери энергии при передаче ее изделию. При использовании в качестве источника энергии плазменной струи часть энергии дополнительно расходуется на нагрев анода-сопла. В этом случае значение величины Ь_н оказывается меньший. С энергетической точки зрения оказывается более рациональным использовать плазменную дугу. Распределения температурь! для плазменной дуги (а) и плазменной струи (б) приведены на рис. 23. 18000ЧС 14000-К 10MQ-K а) 6} Рис. 23. Распределение температур в плазменной дуге (а) и плазменной струе (б). Как видно из этого рисунка, наибольшая температура наблюдается в центре к на оси плазменного потока, причем она значительно выше, чем у открытой дуги. Плотность теплового потока у плазменных источников энер-, гии также выше, чем у открытой дуги и составляет до 10* Вт/см²— Нагрев газа в плазмотроне приводит к резкому уменьшению плотности газа. За счет этого увеличивается скорость его истечения. Распределение температуры, энергии и скорости истечения струи по радиусу ее сечения также имеет весьма характерный вид. Большая скорость потока плазмы при выходе ее из плазмотрона позволяет получать значительный газодинамический напор, котр-рый растет с увеличением силы тока и может быть использован в различных технологических целях. В большинстве случаев расход газа в плазмотроне превышает 1 л/с, н течение горячего газа носит турбулентный характер. Уменьшение расхода плазмообразухщего газа до значений менее 0,1 л/с позволяет получать ламинарные струи, которые отличаются большой длиной (до 0,4 м) и высокой стабильностью. Adidas Zx 700 Femme Leopard

3. взаимодействие потоков плазмы с веществом заготовки

И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Плазменный нагрев

Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко. Однако, в последнее время все чаще применяется плазменно-механическая обработка металлов, где осуществляется и используется такой нагрев. Сущность метода состоит в том, что при обработке резанием высокопрочных материалов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала. Так как при нагреве прочность обрабатываемого материала снижается, а пластичность увеличивается, можно без ущерба для качества поверхности увеличить подачу и глубину резания. Плазменно-механическая обработка применяется при изготовлении деталей из жаропрочных сталей и сплавов на базе вольфрама, молибдена и других материалов, в которых при механической обработке при обычной температуре в поверхностных слоях образуются микротрещины. Применение плазменного нагрева при обточке цилиндрических заготовок диаметром 100…350 мм из жаропрочных никелевых сплавов, вольфрама и молибдена показало, что производительность обработки увеличивается в £…8 раз при уменьшении износа резцов в J…6 раз. Скорость съема металла при этом может достигать 3…4 кГ/мин. nike air max pas cher Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим изменением расплава и кристаллизацией его в виде малоразмерных капель. В дальнейшем этот материал применяется как исходный продукт я порошковой металлургии, для наплавки и т. д. Измельчение металла чаще всего получается путем разбрызгивания расплавленного металла, что показано на рис. 25, при вращении тигля 1. Как видно из этого рисунка, попадая аа холодные стенки кристаллизатора 2, капли жидкого металла затвердевают и в виде гранул собираются на дне камеры, причем большая скорость охлаждения расплавленного металла позволяет получать неравновесные структуры со специфическими свойствами. Рис. 2$. Схема плазменной плавки с последующим размельчением расплава.

Плазменное напыление

Плазменное напыление отличается от плазменной наплавки тем, что наносимый материал нагревается внутри самого плазмотрона, а затем осаждается на подложку. При этом температура подложки может меняться в широком диапазоне. Существуют две основные разновидности процесса: а) напыление металла, подаваемого в плазмотрон в виде прутка или проволоки; б) напыление материала, подаваемого в плазмотрон в виде порошка (оксиды, нитриды, карбиды и др.). Плазменным напылением обычно получают слои малой толщины (10Л..КН м), причем прочность сцепления напыленного материала с основным может быть различной. Можно даже получать так называемые корковые изделия, состоящие только из напыленного материала. Для увеличения прочности сцепления напыляемых частиц с подложкой обычно стремятся повысить степень химического взаимодействия покрытия с подложкой, чего обычно достигают предварительным подогревом заготовки и созданием промежуточных химически активных слоев. Металлические покрытия, получаемые с помощью плазменного напыления, чаще всего состоят из вольфрама, молибдена, ниобия, кобальта, никеля и других металлов и сплавов с достаточно высокой температурой плавления. Производительность процесс* может достигать нескольких килограммов напылямого материала в час, а плотность напыленного слоя обычно составляет 80…90% от плотности монолитного слоя. Может производиться последующая термообработка, тогда плотность напыленного слоя будет несколько выше. Тонкие (до ОД…0,3 мм) напыленные слои имеют большую плотность и лучшее сцепление, чем более толстые. Для деталей, работающих при высоких температурах в газовых потоках, применяется напыление жаростойких металлов и сплавов. Для повышения коррозионной стойкости конструкций применяют напыление никеля и кобальта. Оксидные покрытия отличаются высокой жаростойкостью и сравнительно низкими показателями тепло- и электропроводности. Их, в основном, используют а качестве защитных покрытий. Для этих целей чаще всего используют оксиды алюминия и циркония, подаваемые в плазменную струю в виде порошков. Таким напылением повышают стойкость кокилей и наложниц для литья; износостойкость, например, фильер для протягивания молибденовых прутков при напылении увеличивается в 5…10 раз. Покрытия из оксида алюминия широко применяются в качестве нагревостойких электроизоляционных материалов для термопар, горелок, элементов радиоламп. Рис. 26. Схема ионного нанесения покрытий с помощью плазменного ускорителя. Одной из разновидностей процесса плазменного напыления является ионная технология нанесения покрытий с помощью плазменных ускорителей. Схема такого процесса изображена на рис, 26. В соответствии с этой схемой материал покрытия получается путем испарения в вакууме водоохлаждаемого катода 1 Затем его ионизируют в электрическом разряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фокусируется по направлению к обрабатываемой поверхности 3. Значительная энергия, которую можно сообщить ионам в плазме, позволяет внедрять их в обрабатывание поверхности и получать прочные поверхностные покрытия. Ионная технология плазменного напыления позволяет получать покрытия сложного химического состава, например, из оксидов, карбидов и нитридов металлов. Такие покрытия образуются при протекании химических реакций вследствие добавления в ионные потоки металла газов (кислорода, ацетилена, азота). В промышленности такая технология используется для увеличения срока службы, металлорежущего инструмента и штампов (в 2…5 раз). Плазменным формированием деталей с помощью напыления получают тонкостенные детали и зоготовкя сложной геометрической формы из труднообрабатываемых материалов, например, вольфрама, молибдена и др. Материал напыляют на оправки или на шаблоны, которые потом могут или растворяться химическим путем (если они изготовлены, например, из алюминия или из меди), или разбираться на части. Как правило, полученный после напыления слой хрупок, имеет слоистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его механической обработке. Таким способом получают детали ракетных двигателей и различные тигли. 4. Расчет расхода воздуха для разбавления плазмообразующих газов до температуры 1000°С Расчет производим по формуле где Q_в — теплота плазмообразующего газа, кДж/м³, равная … кДж/м³ h — коэффициент полезного действия плазмотрона; принимаем 0,98; — энтальпия плазмообразующего газов при температуре 1000′ С, кДж/м³; V_Д — выход плазмообразующих газов (при горения) с a =1,2 на 1 м ³ топдава, м ³; энтальпия воздуха при 1000 ⁰С, кДж/м³; энтальпия воздуха при 25⁰ С (воздух, идущий на разбавление), кДж/м³. V _в= Энтальпии воздуха и дымовых газов приняты из табл. VII.33. [Роговой М. И., Кондакова М. Н., Сагановский М. Н. Расчеты изадачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов. Учеб. Пособие для техникумов. – М.: Стройиздат, 1975. 320 с.] : Общий расход воздуха составит Общий коэффициент избытка воздуха a _общ = 23,3/ 9,4 = 2,48, где 9,4 — теоретический расход воздуха (из таблицы расчета горения). Таблица VI 1.33. Энтальпия воздуха и продуктов горения природного газа при a =1,2, кДж/м³

После разбавления воздухом изменится также объем и состав дымовых газов. Объем CO₂ и Н₂ О останется прежним (в расчетах принимается сухой воздух) : Объемный состав дымовых газов после разбавления (%): СО₂ — 4,1; Н₂О — 8,2; N₂ — 75,l; O₂— 12,6. Плотность дымовых газов, кг/м³: где r — плотность данного компонента газовой смеси, рассчитываемая делением молекулярной массы газа на 22,4; r— объемная доля данного газа в смеси. r_{Д = 1,97*0,041+0,8*0,082+1,43*0,126+1,25*0,751=1,267} кг/м³

ПЛАЗМЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ.

F. Pietermaat et P. Stefens Generateur de plasma au qaz naturel. VII Elektrowarmekonqress,Warszawa, U.I.E., Union International Elekrothermie, (18 -22. IX. 1972). Procudinqs. P. 1-5.

Крaткое содержание

В плезмениых факелах постоянного токе используют аргон или азот. nike homme solde Использование воздуха было бы экономичнее, однако, воздух вызывает коррозию электродов. В настоящем докладе описан плазменный факел, работающий в вихревом режиме с использованием стехиометрической смеси природного газа с воздухом. Смешивая природный газ с воздухом, значительно уменьшают коррозию электродов. Полученная таким способом плазма сравнима по своим свойствам с азотной плазмой, будучи при этом почти в 50 раз дешевле.

Введение

Конструкция плазменных генераторов постоянного или переменном токе определенной частоты сети, зависит от области их применения. Во-первых, плазменные факелы используют для сварки и резки металлов и пластмасс, а также для нанесения тугоплавких покрытий. Практическое применение плазменные факелы могут находить для нагрева воздуха. В установках, используемых для этих целей, требуется иметь направленный поток плазмообразующего вещества с достаточно большой скоростью, особенно для резки металлов. Эти требования выполнены в случае плазменного факела типа «плазменной струи», обычно питаемого азотом или аргоном с подводом или без подвода водорода. Во-вюрых, плазму при атмосферном давлении используют для проведения химических реакций и плавки металлов. В этих случаях требуется в основном большой объем, а не высокая скорость течения плазмы. Используемые для этого установки/плазменные печи/ также питаются аргоном или азотом. Выбор газа определяется необходимым количеством энергии, химическими свойствами и скоростью плазмообразующего потока, Кроме того, важными факторами являются материальные затраты на его получение и коррозионная способность. В табл. I приведены цены на некоторые технические газы. Видно, что наиболее дешевым является сжатый воздух. Однако большое содержание кислорода в воздухе делает его коррозионную способность очень высокой, особенно относительно вольфрамовых катодов, используемых большинстве плазменных генераторов. По Скиннеру и Викхэму [Skinner G. М., Wickham R. J. High Quality Plasma Are Cutting and Piercing. Wne Journal (46> l%7, p. t-5? *64], использование циркония значительно увеличивает срок службы генератора/ Плазменная горелка на смеси природного газа с воздухом представляла обычную конструкцию с центральным катодом из торированного вольфрама и кольцевым анодом из красной меди. В то время как повреждение катода незначительно, анод, если не принять специальных мер, по-видимому очень быстро плавится. Одной из мер предотвращения износа является прерывистое перемещение основания дуги по аноду. Существует два способа такого перемещения. По первому способу в горелках, работающих на постоянном токе, используют магнитное поле, направленное вдоль оси плазменного факела. Сила Лоренца, действующая на радиальную составляющую тока в дуге, заставляет дугу вращаться, так что равномерно используется вся поверхность электрода (рис.1). [2 Нarry J. E. Faktors Affecding the Design and Performance of Mains Frequency Plasma Torch tor Industrial Process Heating. Report N 123 Elektroheat Conference. Brighton 1968.] Рис.1. Вращение электрической дуги, вызванное аксиальным магнитным полем: I — сила Лоренца; 2 — радиальный ток I _rad Опыты, выполненные с магнитной индукцией от 0,04 до 0,06 вб/м’ выявили трудности получения устойчивой дуги таким способом для смеси природного газа с воздухом. Кроме того, для создания магнитного поля необходим отдельный источник напряжения, что усложняет конструкцию установки, тем более, что катушка, весящая несколько десятков килогргмм, создает дополнительные неудобства при работе с плазменным факелом. Поэтому, для предохранения анода от разрушения был разработан; второй способ. Газ в пространстве между анодом и катодом приводят } в вихревое движение (рис.2). nike huarache Этот способ, называемый вихревым, в числе прочих был исследован Темпельмейером и Риттенхаузом [Tempelmeyr K. E., Rittenhouse L. E. Vortex flow in arc heaters AIAA Journal (2), 1964, p. 766-768.]. Он значительно увеличивает срок службы электродов и используется в наиболее современных конструкциях плазменных генераторов. >/ vortex Рис.2. Вращение электрической дуги, вызванное вихревым движением входящего газа На рис.За представлен схематический разрез устройства электродов и указано назначение различных частей. Вихревое движение газе получается за счет наличия цилиндрической детали со спиральными канавками, вставленной в кварцевую трубку. Анод А создает плазменный пучок, показанный на рис.4а. При использовании анода В, показанного на рис. 3b, плазма занимает больший объем при меньшее скорости, поскольку дуга имеет возможность расширяться за пределы факела. Рис.3а. Схематический разрез и основные чести плазменного факела с анодом А типа «плазменной струи»: I — анод А; 2 — катод; 3 — цилиндр со спиральными канавками Зb. Схематический разрез и основные части плазменного факеле с анодом В для получения большого объема плазмы: I — анод В; 2 — катод; 3 — цилиндр со спиральными канавками. Сравнивая новый катод с работавшим некоторое время в установке можно заметить небольшое укорачивание вольфрамового стержня (рис Л). C другой стороны, при работе со смесью, содержащей лишь небольшое количество природного газа, наблюдалось образование зеленых кристалликов окиси вольфрама и их отделение от катода в виде чешуек. Косвенное охлаждение анодов производилось водой. В более современной конструкции плазменного факела охлаждение анода, в честности, его передней стенки, производится водой непосредственно (рис.6). Срок службы при этом заметно возрастает, однако конструкция получается сложнее. eau Рис.6. Схематический разрез плазменного факела с непосредственным охлаждением анода: I — анод; 2 — катод; 3 — кольцо крепления; 4 — держатель анода; 5 — изоляция; 6 — кольцо, создающее вихревое движение газа; 7 — держатель катода; 8 — присоединение отрицательного полюса питания; 9 — присоединение положительного полюса питания: I — вода: 2 — газ В табл. 2 приведен состав природного газа. Из таблицы видно, что в природном газе содержится большое количество метана, из которого в плазму высвобождается водород. Добавляя к природному газу воздух в отношении воздух — природный газ, равном приблизительно 8,4 по объему, получают смесь, состав которой приведен в табл. 3* Следует обратить внимание, что содержание азота в такой смеси гораздо выше содержания водорода, благодаря чему достигается хорошая устойчивость плазмы, а содержание кислорода и водорода уменьшается настолько, что коррозия электродов становится весьма слабой. Таблица 2 Состав природного газа из месторождения Гронинг в объемных процентах⁵ Кислород и окись углерода 0,90 Азот 1 Метан 83,30 Прочие углеводороды 3,55 Таблица 3 Состав стехиометрической смеси природного газа с воздухом в объемных процентах (отношение воздуха к природному газу равно 8,5) Кислород и окись углерода 18,88 Азот 71,30 Метен 8,56 Прочие углеводороды 0,37 Аргон 0,89 Система подвода газа, показанная на рис.7, работает следующим образ си. Давление природного газа уменьшается от 4 кГ/см² до 200 Г/см² с помощью редукционного клапана А. Обозначения в тексте оригинала не соответствуют обозначениям на рис. 7 .Редукционный клапан В уменьшает давление воздуха от 4 кГ/см² до 240 Г/см². Регулятор давления С, управляемый давлением природного газа, доводит давление сжатого воздуха до значения, равного давлению природного газа независимо от расхода газа. Оба газа, расход и давление которых измеряются рсходомерамм U₁ и U₂ и манометрическими трубками Q₁, Q₂ поступают в смеситель D. Здесь и образуется смесь с точно заданной пропорцией благодаря соответствующему выбору диаметров напускных отверстий для обоих газов. Смесь проходит затем через расходомер Q₃, снабженный манометрической трубкой U₃, и поступает в плазменный факел. vers la torche ) gaz nat ureL Рис.7. Устройство для смешивания газа с воздухом: ^ I и 2 — редукторы давления природного газа и воздуха; 3 — регулятор расхода; 4- — регулятор давления; 5 — смеситель: I — воздух; 2 — природный газ; 3 — к факелу^х‘ Обозначения в тексте оригинале не соответствуют ооозначениям на рис.7. (Прим.оед.). Результаты С электродами, показанными на рис. За и 3b, можно получить устойчивую плазменную смесь природного газа с воздухом со следующими характеристиками: Анод А Ток 140 А Напряжение 35-40 В. Расход воздуха 6,6 л/мин при стандартных условиях. Расход природного газа 0,8 л/мин при стандартных условиях. Анод В Ток 200 А Напряжение ЗО-З5 В. Расход воздуха 3,0 л/мин при стандартных условиях. Расход природного газа 0,4 л/мин при стандартных условиях. Были выполнены опыты по плавлению и испарению кварца и окиси алюминия, а также по управляемому образованию окислов азота npи работе с чистым азотом и смесъю природного газа с воздухом. В обоих случаях количество получающихся окислов азота было одинаковым, поэтому при длительной работе плазменного генератора на природном газе необходимо обеспечить отвод газа. (3j fJCHJi’igN, J-.. Mir/пи. J.. N!i!gnt!iM.hc BonnllLs^ung de> nichtubtriraKCWi Plaimalk-hlboetm a!> MdOruhmc 7ur l’.rli-i-лиг.к dcr StancJ.-cK xon HohlanoOen. £tektro*4trme I’^’O, p. ‘^T4 ?Ш (5J Ba>i-wgcvenv «ver Craning» aardgav sametigesieM door hct bepr^ingsJabo «an rt* Nedcrlandse C.«sume, Uan, Cofj»»» den Hoom. 102, C.ronirtgcri. NedcrUiH). Изобретение авторов: Дементье В. В., Жидович А. М., Моссе А. Л., Леко О. М., Гужнев Г. В., Левензон Р. М., Володин М. Л., Вюрцель Ф. Б., и Лекчушин А. Н. (Заявка на получение патента Франции №7508066 «Способ нагревания газа и электродуговой плазмохимический реактор для его осуществления» МКИ: Н05Н 1/04; С01В 1/16; С07С 11/02, 14.03.75. Nike Air Max 90 Заявитель: Институт тепло- и массообмена АН Белорусской ССР, Северодонецкий филиал Госудатрственный институт азотной промышленности, и Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева АН СССР, СССР. Касается нагревания газа до ионизированного состояния посредством электрического разряда, в особенности нагревания ионизированного газа, вступающего в химические реакции. В частности, настоящее изобретение касается способов нагрева природного газа и паров жидких углеводородов. Оно может быть использовано для получения низких олефинов, а также промышленного водорода из углеводородного сырья. Известны способы нагрева при помощи электрической дуги газов, вступающих в химические реакции, и имеющие цель получать продукты, технология которых требует высоких температур. Один из наиболее распространенных способов заключается в подогрева газа при помощи дуги высокого напряжения, горящей в потоке нагретого газа, который движется турбулентно в продольном направлении. В качестве примера можно привести пиролиз (реакция разложения) в электрической дуге природного газа с целью получения ацетилена. Преимуществом электрической дуги, через которую продувается потов продольно турбулизированного газа, является тo, что она горит при повышенном напряжении (несколько тысяч вольт). Это позволяет создавать установки большой производительности, работающие при достаточно низких напряжениях силах тока (несколько сотен ампер). Такие установки достаточно просты с точки зрения их обслуживания и отличаются высоким потенциалом использования при непрерывной работе (несколько сотен часов). По этой причине они надежны в эксплуатации и удобны для промышленного применения. Однако в случае продувки дуги продольно турбулизированным потоком возникает повышенный градиент температур в сечении канала, через который продувается нагреваемый газ. По этой причине химические реакции в газовом потоке, который пересекает столбик электрической дуги, протекают значительно быстрее, чем в той части потока, которая движется вдоль стенок канала. Эти потоки перемешиваются в незначительной степени и. поэтому, реакции. В различных зонах газовой струи протекают неравномерно, что существенно снижает эффективность нагревания газов в случае, когда это нагревание сопровождается химической реакцией. Так, при пиролизе природного газа во внешних зонах остается значительная часть…. 8.4. Камера смешения [См. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны), М.Ф. Жуков, В. Я. Смоляков, Б. А. Урюков, -М.: Наука, 1973, 232 с. Ил.] Необходимость применения камер смешения в высокотемпературных установках, использующих плазмотроны, связана с самыми разнообразными причинами. Рассмотрим некоторые из них. В гиперзвуковых, аэродинамических. трубах, используемых электродуговой нагрев газа, предъявляются высокие требования к равномерности поля температур и скоростей, к пульсационным и иным характеристикам потока; Поле температур на выходе, из плазмотрона осевой схемы с самоустанавливающейся длиной дуги весьма неравномерно, а высокочастотные пульсации мощности (а следовательно, давления и температуры) достигают десятков процентов. Постановка камеры смешения между плазмотроном и сверхзвуковым соплом позволяет улучшить кинематические и динамические характеристики потока в рабочей части аэродинамических труб. В плазмохимических реакторах для обеспечения протекание процесса в максимально благоприятных условиях необходимо осуществись хорошее перемешивание рабочего тела (химического сырья) с плазменной струей. И в этом, случае невозможно обойтись без эффективной камеры смешения. В связи с расширением области применения электродуговых нагревателей, наблюдается тенденция наращивания мощности установок. Единичная мощность плазмотрона уже превысила 50 000 кет \36\. Однако столь большие мощности пока достигаются только за счет очень больших токов, а это и без того усложняет трудную проблему термической стойкости электродов в зоне действия пятна дуги. Роль эрозии особенно велика в стационарных установках, предназначенных для непрерывной работы в течение сотен и тысяч часов. В силу этого в последние годы привлекают к себе внимание многодуговые подогреватели [60, 274], у которых при большой суммарной мощности единичная мощность плазмотрона может быть снижена пропорционально числу плазмотронов, присоединённых к камере смешения, являющейся; здесь естественным элементом установки. Таким образом, изучение камеры смещения как Элемента электродугового нагревателя имеет важное значение. Ниже будут, изложены некоторые результаты экспериментального исследования высокотемпературных цилиндрических камер смешения. Рассмотрим камеру смешения многодугового подогревателя [274], кинематическая схема течения в которой приведена на рис, 8.13. Часть холодного газа поступает непосредственно в камеру, минуя плазмотроны, другая нагревается в них. При подаче высокотемпературного газа в радиальном направлении необходимо для хорошего перемешивания обеспечить глубокое его проникновение в холодный поток (более чем на половину диаметра камеры). Глубина проникновения у горячей струи, текущей со скоростью V₂, в холодный поток, движущийся со скоростью V₁, определяется формулой, предложенной «работе [281: Ю.В. Ивынов Основы расчета и проектирования газовых горелок.- М: Гостоптехиздат, 1963. ] Y =Kd Принимая уравнение, определяющее глубину проникновения струи в свободный поток, справедливым для_струи, проникающей в ограниченный стенками поток, при Т=Т₂/Т₁>3 можно показать, что легко выполнить условия, при которых «дальнобойность» струи будет значительно больше радиуса камеры D/2. При подаче струй в радиальном направлении они встретятся вблизи оси камеры (соударяющиеся струн), образовав в плоскости, перпендикулярной оси камеры, большие циркуляционные зоны, способствующие интенсивному перемешиванию потока см. рис. 8.13, б). Поэтому имеющая место значительная неравномерность поля температур истекающей из плазмотрона струи в результате перемешивания быстро сглаживается. Кроме того, в этих зонах происходит угасание окружных составляющих скорости. В большинстве случаев» на выходе из камеры смешения требуется равномерная в пространстве и постоянная по времени температура. Для высокотемпературных потоков, когда стенки камеры смешения необходимо охлаждать, желательно оптимизировать размеры камеры смешения с целью минимизации тепловых потерь. Для определения степени равномерности поля температур на выходе из камеры и уровня тепловых потерь были проведены экспериментальные исследования. Они проводились при давлении в камере, близком к атмосферному. В качестве электродуговых нагревателей использовались плазмотроны переменного тока двухкамерной схемы [54: Богатырева В. А., Воробьева Н. И., Жуков М. Ф. и др. Вольтамперные характеристики дуги переменного тока, горящей в плазмотроне вихревой схемы. — Изв. СО АН СССР. Серия технических наук , 1967, №13, вып. 3], которые позволяли менять пу льсационные характеристики нагреваемого газа Их максимальная суммарная мощность не превосходила 300 квт. Рис. 8.13. Устройство камеры cмешения многодугового подогревателя а) и схема смешения струй (б) 1 – фазовые плазмотроны; 2 — камера смешения; 3 — ввод холодного raза. За меру эффективности смешения выбрана равномерность поля температур в ядре потока на выходе из камеры. (0,85 D), оцениваемая среднеквадратичным отклонением температуры газового потока. На рис. 8.14 нанесено несколько характерных полей температур газа Т₄ на выходе из камеры смешения в двух взаимно-перпендикулярных сечениях для разных температурных перепадов Ø и при относительной длине камеры ø=L/D = 2. Здесь L — длина цилиндрической камеры смешения, D — ее диаметр). Как следует из приведенных: полей, а также из полного цикла исследований, камера смешения рассматриваемой кинематической схемы весьма эффективна. Процесс энерго- и массообмена между струями идет настолько интенсивно по всему объему уже на расстоянии ø=2 температурное поле имеет высокую степень равномерности. Дальнейшее увеличение относительной длины камеры (ø=4) приводит к усилению влияния пристенного теплового пограничного слоя и увеличению «завала» профиля температур у стенок. Относительная длина камеры ø= 2, по всей видимости, близка к оптимальной, так как в широком диапазоне изменения Ø= (5—11) и отношения расходов холодного газа к высокотемпературному (G₁/G₂) среднеквадратичное отклонение s в выбранном ядре потока не превосходит 2%, что является хорошим показателем интенсивности смешения газа (рис. 8.15). В работе [282: А. М. Цирлин. Смешение газовых потоков при высоких температурах и больших различиях в плотности. – Теоретические основы хим. Технологии, 1967, т. 1, №4.] отмечается, что повышение температуры не вносит, существенных изменений в количественную характеристику процесса смешения, что согласуется с приведенными выводами. Аналогичное, заключение следует и из рассмотрения экспериментальных результатов смешения холодных струй разных плотностей (воздух и метан), изложенных в работе [283: К. А. Adidas Superstar Привалова. Расчет и применение периферийных газовых горелок. – Сб. «Теория и практика сжигания газа» т. I I. Л-д из-во «Недра», 1961.]. Таким образом, если высокотемпературные струн работают в режиме «соударения», когда глубина проникновения y>D/2 (что имело место в опытах), хорошее смешение достигается уже на малых относительных длинах камеры. nike free trainer Рассмотрим другую важную характеристику камеры—ее тепловой к. п. д., определяемый отношением величины потерь тепла через стенку к теплосодержанию потока на входе. Теоретическое решение этой задача очень затруднено, поскольку теплообмен между горячим газом и стенкой происходит при наличии сильной и весьма сложной начальной турбулентности потока, большой неравномерности воля температур и скоростей газа, вытекающей из плазмотрона в камеру. Поэтому на данной стадии исследований наиболее целесообразно использовать методику критериального обобщения опытных данных, которая позволила бы установить приближенную закономерность между тепловым к. п. д. и определяющими критериями. Проведенный анализ показал, что к.п.д. камеры смешения является функцией двух критериев: числа Рейнольдса и безразмерной длины ø. Величина Re рассчитывается по усредненному значению температуры Т₃, статическому давлению р₃, равному, в проводимых экспериментах 1 бар, и скорости V₃ на входе в камеру смешения. Процесс теплообмена в изучаемой камере смешения происходил Рис. 8.15. Зависимость среднеквадратичного отклонения температуры газового потока от соотношения расходов при числах Рейнольдса, равных 5_*10³ – 2_*10⁴, т. е. в переходной области. На процесс теплообмена должен оказать влияние энтальпийный фактор. Однако проведенные исследование показали, что в сложном случае течения газа в цилиндрической трубе влияние этого фактора (изменявшегося от 3 до 17) незначительно, что согласуется с опытными данными других авторов [284: С.С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. М. – Л-д, Машгиз, 1962.]. В силу этого его влияние на тепловой к. п. д. не учитывалось. Пренебрегалось изменением критерия Рг, а также излучением газа (ввиду его малого вклада в тепловые потери в проведенных экспериментах). Таким образом, зависимость искалась в виде: а(ø)^aRe^b. Обработка экспериментального материала дает следующее приближенное уравнение: 145(ø)^0,50Re^-0,75= 8.4.3 Соответствие между расчетом по формуле (8.4.3) и экспериментом иллюстрируется на рас. 8.16, где — правая часть этой формулы. Формула справедлива в диапазоне изменения энтальпийного фактора, указанном выше. Представляют интерес исследования сглаживания пульсаций полного давления в камере смешения, вызванные изменением мощности фазного плазмотрона во времени, паузами тока дуги при прохождении его через ноль, шунтированием дуги, флуктуациями расхода газа и другими причинами. С этой целью на оси камеры на выходе была установлена трубка полного давления с вмонтированным в нее емкостным датчиком. Импульсная система трубка-шлейф предварительно тарировалась на специальном акустическом стенде. На рис. 8.17 приведены осциллограммы пульсаций давления в конце камеры смешения для трех характерных режимов горения дуги в однофазном плазмотроне. Первый режим характеризуется большими паузами тока в плазмотроне. Это приводит к значительным пульсациям расхода газа, мощности в плазмотроне и к соответствующим пульсациям полного давления на выходе из камеры смешения с амплитудой 30—40%; частота их—150 гц. Если на силовую дугу переменного тока наложить высокочастотный ток, то паузы тока можно уменьшить либо полностью снять. Второй режим (рис. 8.17,б) соответствует случаю значительного их снижения, что видно из осциллограммы тока и напряжения. Пульсация полного давления в этом случае достигают лишь 5—7% при той же частоте 150 гц. При «нормальном» режиме горения дуги, когда отсутствуют паузы тока (рис. 8.17, в) и остаются только временные изменения мощности однофазных плазмотронов, а также высокочастотные пульсации тока и напряжения, вызванные шунтированием дуги, пульсаций полного давления на осциллограмме не обнаруживается (менее 1%), так как трехфазная система генерирует постоянную по времени мощность, а высокочастотные колебания из-за шунтирования сглаживаются. В камере смешения происходит также гашение пульсаций температуры, давления и скорости. Это подтверждается выводами, изложенными в работе [60], на основе испытания электродугового подогревателя с пятью коаксиальными плазмотронами, смонтированными наподобие звезды и работающими на общую короткую камеру смешения. Авторы указанной работы отмечают, что высокочастотные колебания, возбуждаемые дугами, почти полностью гасятся в камере смешения, «Столкновение» не- Рис. 8.17. Пульсация полного давления на выходе из камеры смешения при трех режимах горения дуги: а — с большими паузами тока (без ВЧ-разряда); б — с малыми паузами тока (с ВЧ-разрядом); в-— без пауз тока (остается только высокочастотное шунтирование дуги с f = 10⁴ гц). скольких струй вблизи оси камеры смешения способствует дополнительному гашению колебаний. Максимальные колебания давления в их экспериментах приблизительно на порядок меньше тех, которые получаются в одиночных плазмотронах. Хорошее смешение разнотемпературных струй в цилиндрической камере и достаточно удовлетворительную равномерность поля температур на выходе из нее, удается получить и при вводе холодных струй в плазменный поток, [285: Г.И. Морцева, Б. А. Поздняков, В. Я. Смоляков и др. Смесительная камера плазмотрона. – В сб. «Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы». –Алма-Ата, изд. jordan france basket КазПТИ,1970.]. Схема соответствующей –экспериментальной установки приведена на рис. 8.18. При отсутствии ввода холодного газа в камеру смешения весьма неравномерный температурный профиль плазменного потока сглаживается на длине L==4 — 6, и в, пределах ядра потока, равного 0,75 диаметра канала, максимальное отклонение температуры не превышает 5% от ее среднего значения. Вне ядра наблюдается «завал» температуры из-за интенсивного охлаждения потока стенками камеры. В этом случае имеет место также затухание временных температурных пульсаций, вызванных шунтированием дуги. Измерениям помощью фотоумножителей и анализ амплитуды колебания яркости свечения потока, характеризующей изменение средней температуры потока во времени, показали, что временные пульсации. температуры, составлявшие на срезе плазмотрона для исследованного режима 8%, уменьшились на длине ø=8 до 0,9%. Такое снижение связано, по-видимому, с турбулентной диффузией. Ввод холодного газа, осуществляемый на периферии камеры через несколько симметрично расположенных в одной плоскости отверстий (диаметр и число которых варьировались), требует, более длинной камеры смешения, чтобы получить ту же равномерность поля температур, что и без ввода холодного газа. Например, для оптимального соотношения числа отверстий и их диаметра при дальнобойности холодной струи, большей радиуса цилиндрического канала, максимальное отклонение, температура от среднего значения в ядре потока не; превышает пяти процентов только на расстоянии ø= 6 – 8. На рис. 8.18 (см. книгу) приведены для иллюстрации поля температур на. выходе из камеры смешения при различных соотношениях расходов холодного газа к горячему G₂/G₁. Смешение высокотемпературного и холодного газов, когда последний вводится в начале камеры вдоль ее оси, на длинах ø<4 дает меньшую равномерность потока на выходе из камеры по сравнению с радиальн|ь1м» вводом струи при больших длинах смешения равномерность практически не зависит от способа ввода холодного газа. i Теневые фотографии потока на выходе из тракта смешения подтверждают вполне удовлетворительное перемешивание потока (рис. 8.19). , . Рис 8.18. Схема установки для исследования смешения потоков. 1- плазмотрон; 2 – переход ник; 3 – устройство ддля ввода Рис. 8.19 Фотография структуры смкшанного потока, полученная теневым методом Таким образом, если в камеру смешения вводятся струи в радиальном направлении и они встречаются вблизи оси, т. е. находятся в режиме «соударения», то достаточно хорошее перемешивание осуществляется на относительно небольших длинах камеры. Результаты изложенных экспериментов показывают, что перемешивание вводимого газа при соударяющихся струях тем лучше, чем больше глубина проникновения у. С целью уменьшения длины камеры смешения выгодно увеличение у производить за счет снижения скорости основного, потока газа в канале. Следует заметить, что при одинаковом значении у лучшее перемешивание происходит при вводе горячего газа в холодный в этом случае одинаковая дальнобойность достигается для горячего потока при меньшей плотности, но большей скорости. На интенсивность перемешивания плазменной струи, вводимой в холодный поток, оказывает благоприятное влияние, также закрутка газа в струе.

ПЛАЗМОТРОНЫ С МАГНИТНОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ДУГИ

Во многих случаях промышленного применения генераторов низкотемпературной плазмы требуются потоки газа с максимально равномерным профилем температуры. В некоторых плазмохимическнх процессах необходима, кроме того, большая скорость подвода энергии к газу, т.е. малая активна протяженность подогревателя. Электродуговые подогреватели с газовихревой стабилизацией дуги .обычно дают поток с ярко выраженным высокотемпературным ядром, который заставляет применять демпфирующие объемы для выравнивания температур, что, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям энергии. Одним из устройств, лишенных указанного недостатка и удовлетворяющих практическим требованиям, является плазмотрон с магнитной стабилизацией дуги. В данном случае термин «стабилизация» означает ограничение области нахождения дуги в объеме подогревателя. Физические процессы, приводящие к стабилизации дуги, будут описаны ниже. Плазмотроны с магнитной стабилизацией дуги, рассматриваемые здесь, представляют собой (рис. 9.1) два коаксиальных электрода, введенных в соленоид, создающий внешнее магнитное поле, обычно близкое к осевому в зоне горения дуги.. Под действием магнитного поля дуга приходит в движение, результатом которого, является ее кажущееся вращение. Действительная кинематика движения дуги была раскрыта в работе [57: V.W. Adams]. nike air max 1 Для ее пояснения рассмотрим плазмотрон без протока газа. На рис: 9.2 показан отрезок кольцевой полосы шириной dr, находящейся на расстоянии r от оси плазмотрона. Элемент дуги а (рис. 9.2, б), лежащий в этой полосе в момент t₁ ==0, под действием электромагнитной силы (I x B),направленной перпендикулярно элементу, займет в момент t=dt положение в, a ero место в полосе займет элемент дуги с, находившийся в момент t₁ в положения d. Если действительная скорость элемента есть W, то в пределах полосы он пройдет путь Wdt а в тангенциальном направлении (в направлении .кажущегося вращения) —путь Из геометрических соотношений легко найти связь между угловой скоростью «вращения» дуги и формой канала дуги (считается, что движение установилось и I=const, B = const, т. е. W== const) ^(9ЛЛ) Отсечет ведется от г=г_ь где принимается значение угловой координаты =0., Уравнение (9.15) описывает мгновенную .форму Рис. 9.I. Cхема плазмотрона с магнитной стабилизацией дуги коамнальные электроды; 3 — дуги, Перемещение фиксированного элемента дуги с течением времени можно определить из другого геометрического соотношения (9.1.3) которое интегрируется с помощью уравнения ,(9.1.1) для установившегося вращения дуги, т. е. =const. В результате интегрирования (9.1.4): Отсчет времени ведется, от того момента, когда элемент был на радиусе

Можно показать, что движение элементов дуги в плазмотроне с однородным осевым полем происходит от внутреннего электрода к наружному. Допустим, что в начальный момент времени дуга располагалась вдоль радиуса.