Східноукраїнський національний університет ім..В.Даля

ЧАЛЄНКО АНЖЕЛІКА ВАЛЕРІЇВНА

Удк621:387.143:537.523.5

Дослідження стабілізованої електричної дуги і розробка високо ресурсного ефективного електродугового нагрівача газу

05.09.10 – електротермічні процеси та установки

Автореферат

Дисертації на здобуття наукового ступеня

Кандидата технічних наук

Луганськ -2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті МОН України

Науковий керівник: д.т.н., професор Дзюба В’ячеслав Леонідович

Зав. кафедри Східноукраїнського національного університету

Офіційні опоненти: д.т.н. Крівцун Ігор Віталійович, провідний науковий співробітник Інституту електрозварювання ім..Є.О.Патона

НАНУ

К.т.н., доцент Сергієчко Сергій Миколайович, доцент кафедри Донбаського гірничо-металургійного

Інституту

Провідна установа: Запорізький національний технічний університет

Захист відбудеться 18 вересня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.29.051.02 Східноукраїнського національного університету ім.. В.Даля за адресою: Україна, 91034, м.Луганськ, кв. Молодіжний,20а

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Східноукраїнського національного університету ім.. В.Даля Даля за адресою: Україна, 91034, м.Луганськ, кв. Молодіжний,20а

Автореферат розісланий 15 серпня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

К.т.н Ю.І.Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широке практичне застосування високотемпературних газових потоків у різних областях науки й техніки обумовлює підвищений інтерес до досліджень нагрівання газів у стабілізованих електричних дугах. Для одержання таких потоків застосовуються електродугові нагрівачі (ЕДН), що прості в конструктивному виконанні і дозволяють легко керувати тепловою потужністю, температурою й іншими параметрами потоку.

У відомих розробках промислових ЕДН вирішена більшість проблем, зв'язаних із їхньою роботою. Однак, як і раніше, залишаються актуальними питання стійкості катода й анода ЕДН, що працюють на агресивному газі, зниження витрати захисного газу, збільшення ефективності (підвищення електричного й теплового ККД), простоти у виготовленні й економічності при експлуатації. Роботи останніх років показали, що, з погляду рішення зазначених проблем, найперспективнішими є електродугові нагрівачі лінійної схеми з розподіленими параметрами. Розподіл струму і витрати газу по довжині розрядного каналу відкриває можливість оптимізації характеристик, підвищення ресурсу електродів і потужності ЕДН. Створення на цій основі високоресурсних ефективних ЕДН викликає необхідність подальших теоретичних і експериментальних досліджень у цій області. Найраціональніше рішення проблеми можливе при комплексному підході, тобто при експериментальних дослідженнях, розрахунках і проектуванні оптимальної конструкції ЕДН для конкретного технологічного процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля в рамках державної науково-технічної програми “Екологічно чиста енергетика і технології, що зберігають ресурси” і таких тем науково-дослідних робіт: “Теоретичне дослідження електричної дуги в каналі плазмотрона” (номер державної реєстрації 0100U001273; Математичне і комп'ютерне моделювання процесів у розрядному каналі плазмотрона та процесів формування структури покрить, що отримані при напилюванні (номер державної реєстрації: 0103U000425)); Дослідження нагрівання газу в каналі високоресурсного плазмотрона для обробки порошкових матеріалів (БМ-1-02).

Зазначені науково-дослідні роботи, виконавцем яких був здобувач, є базовими для підготовки і представлення дійсної дисертації.

Мета роботи полягає в створенні високоресурсного ефективного електродугового нагрівача газу та пошуку методів підвищення його ресурсу й ефективності.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі було зазначено і розв’язано такі задачі:

- проаналізувати відомі теоретичні й експериментальні дослідження, що спрямовані на підвищення ресурсу роботи та ефективності електродугових нагрівачів газу;

- намітити шляхи щодо створення нових і удосконалювання існуючих конструкцій ЕДН;

- провести дослідження деяких перспективних схем ЕДН, що могли б служити базою створення високоресурсних ефективних ЕДН, і виявити умови, які сприяють стійкості електродів, що працюють на агресивному робочому газі;

- розробити і досліджувати способи зменшення витрати захисного газу, підвищення теплового ККД, розщеплення катодних плям дуги, з одночасним зниженням питомої ерозії катода;

- створити катодні вузли для ЕДН, що працюють на агресивних робочих газах із захистом катода інертним середовищем низького тиску, які здатні працювати в режимі плазменого катода;

- виконати теоретичні дослідження і розробити математичну модель нагрівання газу стабілізованою електричною дугою в розрядному каналі ЕДН із розподіленими витратою та струмом;

- на основі теорії подібності та розмірностей узагальнити експериментальні результати й одержати узагальнені графіки і критеріальні залежності, що зручні для розрахунків в інженерній практиці при розробці ЕДН;

- створити секціонірований електродуговий нагрівач з розподіленими силою струму і витратою газу для плазмохімічної переробки вугілля потужністю 350 кВт із високими ресурсом та тепловим ККД.

Об'єкт дослідження – фізичні процеси в стабілізованій електричній дузі з урахуванням розподілу потоку газу, що нагрівається, сили струму і зміни розмірів розрядного каналу.

Предмет дослідження – оптимальні геометричні розміри розрядного каналу катодного й анодного вузлів, методів і засобів розподілу основної та захисної витрати газу і сили струму по довжині каналу.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої задачі й одержання основних результатів дисертаційної роботи використовувалися аналітичні та чисельні методи дослідження фізичних явищ, що протікають у розрядному каналі ЕДН, а також сучасні методи експериментального дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі приведено комплекс фундаментальних досліджень, зв'язаних зі створенням високоресурсних ефективних електродугових нагрівачів агресивного газу для різних технологічних процесів, що полягають у таких випадках:

- уперше знайдено спосіб захисту термокатода інертним середовищем низького тиску зі зменшенням його витрати на два порядки, зниженням ерозії термокатода на порядок у порівнянні з відомими закордонними і вітчизняними даними. При струмах до 700 А витрата захисного газу складає 18·10-6 кг/с, а питома ерозія катода з лантанірованого вольфраму – 10-14-10-12 кг/Кл;

- виявлено, що профілювання розрядного каналу, а також розподіл сили струму і витрати газу по його довжині, приводить до якісно нових залежностей потоку тепла і потенціалу, що дозволяє збільшувати ресурс роботи анода і катода, а також ефективніше використовувати ЕДН у різних технологічних процесах;

- установлено, що тиск у зоні прив'язки дуги до термокатоду при силі струму 160-435 А складає (1,000-1,006)105 Па. Зміна витрати газу з 310-5 до 310-6 кг/с у зазначених межах сили струму не впливає на величину тиску, що становить теоретичний та практичний інтерес при розробці малоерозійного катодного вузла;

- отримано наближене розв’язування системи диференціальних рівнянь, що описують взаємодію позитивного стовпа, неелектропровідної області і стінки розрядного каналу в замкнутій формі. Аналітичні формули дозволяють розраховувати електричні, теплові й ерозійні характеристики при розробці високоресурсних ефективних ЕДН з урахуванням їх залежності від розподілу функцій теплопровідності, розмірів розрядного каналу, зміни сили струму і витрати газу по довжині каналу. Отримані рішення узагальнюють результати відомих робіт і в окремих випадках збігаються з теоріями Меккера, Стайна-Ватсона, Г. Ю. Даутова, Ф. А.Сальянова й ін.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- вирішений комплекс актуальних задач, зв'язаних зі значним підвищенням ресурсу роботи й ефективності ЕДН за рахунок створення секціонірованого катодного вузла, здатного працювати як з термокатодом із захистом його інертним газом, так і в якості плазменого катода з додатковим анодом і мідним трубчастим катодом;

- теоретичні формули для розрахунку електричних, теплових і ерозійних характеристик, а також узагальнені графіки та критеріальні залежності можуть бути використані для інженерних розрахунків при розробці ЕДН у діапазоні змін: сили струму I=200-1000 А, напруги на дузі U=500-1000 В, витрати робочого газу G=(10-120)10-3 кг/с;

- розроблений секціонірований катодний вузол для ЕДН, що працюють на агресивних робочих газах високого тиску із захистом термокатода інертним середовищем низького тиску. При силі струму 200-700 А витрата захисного газу (аргону) складає (13-25)10-6 кг/с, а питома ерозія термокатода – 10-14-10-12 кг/Кл, що на порядок нижче відомих даних;

- розроблений електродуговий нагрівач із секціонірованими катодним і анодним вузлами з розподіленими силою струму та витратою газу по довжині розрядного каналу для плазмохімічної переробки вугілля потужністю 350 кВт. Тепловий ККД такого ЕДН складає 0,78; ресурс роботи 500–1000 годин у залежності від варіанта застосовуваного секціонірованого катодного вузла;

- уперше розробка електродугового нагрівача виконана із застосуванням системи тривимірного твердотілого параметричного проектування Компас-3D.

Особистий внесок здобувача. У представленій дисертаційній роботі внесок автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи; формулюванні мети і задач дослідження; самостійному виборі підходів для опису процесів взаємодії позитивного стовпа дуги з непровідною областю і стінкою розрядного каналу, а також фізичних процесів розподілу струму та витрати газу по довжині каналу, їхнього впливу на ресурс і ефективність роботи ЕДН; розробці математичної моделі, алгоритму та програми розрахунку характеристик для проектування ЕДН. Здобувачу належать основні ідеї дисертаційної роботи, положення, що виносяться на захист, а також загальні висновки і результати роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній конференції “Високі технології в машинобудуванні” (Самара, Росія, 2002), Міжнародній науково-технічній конференції “Обробка, зварювання і зміцнення конструкційних матеріалів. Якість та перспективи розвитку” (Луганськ, 2002), семінарі “Сучасне устаткування і технології у металообробному виробництві” (Дніпропетровськ, 2002), а також на семінарах та щорічних науково-технічних конференціях Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля (Луганськ, 2000-2003).

Публікації. По темі даної дисертації опубліковано 7 робіт, у тому числі 5 робіт–у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатка. Основна частина дисертації містить 143 сторінки машинописного тексту, 64 рисунка, 5 таблиць, список літератури з 118 найменувань. Додаток викладається на 37 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні задачі, що необхідно вирішити для її досягнення. Зазначено об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів і особистий внесок здобувача.

У першому розділі приведено короткий огляд відомих результатів теоретичного й експериментального досліджень нагрівання газу стабілізованою електричною дугою. Розглянуто області застосування, основні схеми і параметри електродугових нагрівачів газу. З аналізу літературних даних можна зробити висновок про те, що дотепер найбільш розвинені дослідження стабілізованої електричної дуги в наближенні термодинамічної рівноваги. Такі дослідження в основному спираються на великі дані, отримані експериментальним шляхом, і теоретичні обчислення об'ємного розподілу параметрів плазми, що спираються на газодинамічний опис електродугового розряду. Установлено, що основними напрямками при створенні високоресурсного ефективного електродугового нагрівача газу є застосування розподіленої витрати газу і сили струму по довжині розрядного каналу.

У другому розділі міститься опис експериментальної установки, яка складається із систем електро-, газо-, водопостачання і підпалювання дуги, методики вимірів та оцінки погрішностей. Приведено аналіз стійкості горіння дуги в системі джерела живлення струму–електродуговий нагрівач, схеми і технічні характеристики експериментальних ЕДН, обраних як базові для створення високоресурсного ефективного електродугового нагрівача газу.

У третьому розділі приведено результати експериментальних досліджень, щодо створення електродугових нагрівачів газу. Як базові було прийнято експериментальні ЕДН лінійної схеми однобічного витікання ДН-1 і ДН-2, які привели до створення класу ЕДН простої схеми, що працюють на агресивному газі (рис.1 і 2). У процесі експериментів досліджувалися електричні, теплові й ерозійні характеристики в широкому діапазоні зміни режимних параметрів.

Експерименти на ДН-1 проводилися при таких параметрах: d1=6?10-3м, d2=5?10-3м і 7?10-3м, l1=(2,3-2,6)?10-2м, l2=4,5?10-2м, витрата робочого газу (повітря) G=(0,2-2,5)?10-3кг/с, I=80-200 А. Дослідження показали, що U-I характеристики ЕДН мають ділянки, які сходять при силі струму більш 150 А, а збільшення d2 з 5?10-3м на 7?10-3м сприяє підвищенню напруги на дузі на 10-15 %, що пояснюється подовженням дуги і зміщенням мінімуму характеристик до великих струмів. Як катод у ДН-1 використовувалися цирконієві і гафнієві вставки. Враховуючи, що питома ерозія Zr і Hf катодів досліджувалася групою авторів, ресурс електродугового нагрівача визначався серією тривалих запусків (~ 6 годин) з оглядом стану робочих поверхонь катода, МЕВ і анода після кожного відключення. Ресурс термохімічного катода за рахунок профілювання прикатодної області розрядного каналу та розрахунку діаметрів катодної вставки dк і прикатодної секції d1 розраховувався за формулами

dк 2+0,0125I, (1)

d1 0,8 dк , (2)

збільшилось з 20 до 50 годин при силі струму 120 А.

Стан робочої поверхні мідного анода після роботи, у цілому близько 100 годин, був задовільний. Основні втрати енергії в ЕДН типу ДН-1 приходяться на анод та МЕВ, вони досить великі і тепловий ККД нагрівача складає ~ 0,6. Враховуючи, що ресурс ЕДН типу ДН-1 визначається працездатністю катода, подальші дослідження було спрямовано на пошук додаткових факторів, що впливають на ерозію катода. У дослідах використовувалися Zr катоди різної конструкції. Було встановлено, що величина ерозії залежить не від інтенсивності охолодження катода, а від характеру плину газу в катоді. Для вивчення цієї залежності в електродуговому нагрівачі ДН-2 змінювали характер плину газу шляхом переміщення катодного вузла відносно прикатодної області. Виявилося, що при однакових параметрах горіння дуги в залежності від характеру плину газу можна одержувати різні потоки тепла через катод (рис.3). Горизонтальні ділянки кривої відповідають різним сталим плинам газу і різним швидкостям ерозії катода. Теплові потоки можна значно зменшити за рахунок профілювання розрядного каналу (розширення в напрямку плину газу). Зменшення теплових потоків приводить до зниження ерозії катода і відповідно збільшенню ресурсу роботи ЕДН більш ніж у 3 рази. Було встановлено, що Qк збільшується з ростом кратера в цирконієвому катоді. При силі струму I=140 А глибина кратера катода росте зі швидкістю 10-7 м/с, а величина швидкості його ерозії (0,4-2)·10-10 кг/Кл. Експерименти на ДН-2 проводилися з геометричними розмірами розрядного каналу, приведеними в таблиці:

Експериментальні дані показують, що стосовно зміни q між початковою і граничною ділянками (далі цю ділянку ми називаємо перехідною), можна виділити три типи розподілу q:

1. qо < q . Тепловий потік протягом перехідної ділянки зростає (рис. 4, кр. 2, 4). Експерименти показали, що зі збільшенням I і Gi довжина перехідної ділянки зменшується.

2. qо = q . У цьому випадку довжина перехідної ділянки дорівнює нулю, а початкова ділянка змикається з граничною (рис. 5, кр. 2, 4).

3. qо > q . Протягом перехідної ділянки q знижується до значення q (рис. 5, кр. 1, 3) і при збільшенні I і Gi довжина цієї ділянки зростає. Поява різних типів розподілу q при вдуві газу через поверхню стовпа є наслідком радіального потоку холодного газу, спрямованого до осі каналу, і зміни уздовж осі z маси газу, що протікає через поперечний переріз дуги. Ці причини по-різному впливають на характеристики електродугового нагрівача. На рис. 6. приведено графіки зміни

приросту середньомасової ентальпії уздовж розрядного каналу для різних G0 при Gа =const. Зі зменшенням G0 швидкість росту до свого граничного значення зростає, що відповідає результатам чисельного розрахунку. Як видно з графіки рис. 4 і 6, при незмінному Gа зі збільшенням інтенсивності вдува газу q знижується, а q0 зростає. Вигіднішим, з погляду збільшення ККД плазмотрона, виявилося таке співвідношення G0 і Gi , при якому q0 хоча і вище, ніж для випадку нерозподіленої подачі, але зниження q досить для зменшення загальних теплових утрат. Це приводить до росту ККД плазмотрона. При розподіленій подачі витрати газу збільшення Ga можна виконувати різними способами: при Ga=G0, Gi=const і G0=const. Принципову

відмінність залежностей ККД від Ga для зазначених вище способів збільшення Ga можна показати на прикладі залежності місцевого ККД каналу електродугового нагрівача від витрати газу.

Якщо властивості дуги постійні до її довжини (це реалізується на вихідній ділянці досить довгих каналів) і весь газ, що вдувається, надходить у стовп дуги, то місцевий ККД каналу визначиться за формулою

, (3)

де 1 – коефіцієнт, що залежить від ступеня вдува газу; .

Таким чином, вдув газу через міжсекційні зазори розрядного каналу дозволяє керувати розподілом q та по довжині каналу, знизити загальні теплові втрати і збільшити ККД у дослідженому діапазоні зміни сили струму і витрати газу більш ніж на 10%. При великих витратах газу ККД нагрівача з розподіленою подачею вище, ніж при постійному уздовж каналу витраті газу; збільшення Ga шляхом збільшення Gi приводить до більшого росту ККД, ніж інші досліджені способи збільшення загальної витрати газу. Зменшення довжини секції при розподіленій подачі приводить до зниження теплових утрат ЕДН і до кращої згоди розрахунку за теорією Г. Ю. Даутова та М. Ш. Галімарданова з експериментом.

Враховуючи, що термохімічні катоди дозволяють ЕДН працювати на агресивних робочих газах лише при струмах не більш 400 А з обмеженим ресурсом праці, використання в ЕДН вольфрамового катода із захистом його інертними газами зберігає актуальність, а перебування можливості значного зниження витрати захисного газу без збільшення ерозії вольфраму становить практичний інтерес. У результаті пошукових досліджень було вирішено віддалити катод від місця введення агресивного робочого газу на більшу відстань, ніж була раніше. Одночасно вирішили зменшити діаметр вольфрамової вставки і виконати її робочу поверхню шорсткуватої, відповідно до досліджень Еккера. З урахуванням цих вимог було створено секціонірований катодний вузол (рис. 7). Він складається з термокатода 1, катододержателя 2, електронейтральних проміжних секцій 3 і перехідної секції 4, розділених ізоляторами 5 з вихровими камерами 7 для подачі захисного газу (аргону) у прикатодну область. Катодний вузол відділено від анода ЕДН вихровою камерою 6 подачі агресивного робочого газу (повітря). Число секцій катодного вузла змінювалося від п'яти до двох при проведенні експериментів щодо визначення впливу довжини каналу на умови роботи катода. Діаметр розрядного каналу секціонірованого катодного вузла визначався в емпіричній залежності

, (4)

де =0,42 кг0,05 с-0,05, – діаметр розрядного каналу анода.

Діаметр розрядного каналу d1 для ЕДН потужністю від 300 до 1500 кВт з обліком (4) змінюється від 5•10-3 м до 12•10-3 м. Ерозійні іспити катодного вузла при струмах 210, 400 і 550 А з тривалістю роботи при кожнім параметрі струму 2 години показали, що пляма дуги не оплавляє робочу поверхню катода, тобто відсутнє краплинне віднесення вольфраму.

Питома ерозія катода dk=3·10-3 м при витраті робочого газу (2-8)·10-2 кг/с, захисного газу GAr=(13-25)·10-6 кг/с, d1 = 0,7·10-2 м, Lk=5,8·10-2 м і d2=3·10-2 м складає 10-14-10-12 кг/Кл, що на порядок нижче відомих даних при одночасному зменшенні витрати захисного газу більш ніж у сто разів. Було установлено вплив GAr на потенціали секцій Uc катодного вузла (рис. 8). Зменшення GAr нижче 1,6•10-6 кг/с (при I=const) приводило до росту Uс до величин, близьких для повітря (унаслідок проникнення повітря в канал катодного вузла). Подальше зниження GAr (або підвищення сили струму) приводило до пробою між секціями й утворенню каскадної дуги. Повне виключення каскадності спостерігалося при GAr 7,0·10-6 кг/с. Таким чином, за зміною потенціалу секції вдалося визначити критичні та мінімальні витрати захисного газу і забезпечити

ресурс роботи малоерозійного катодного вузла більш 500 год. Деякі конструктивні зміни у секціонірованому катодному вузлі дозволили йому працювати в режимі плазменого катода, тобто коли основна анодна дуга ЕДН прив'язувалася до допоміжної опорної дуги (катодної), що витікає з катодного вузла.

У четвертому розділі розроблено математичну модель нагрівання газу стабілізованою електричною дугою в розрядному каналі електродугового нагрівача з розподіленими витратою і струмом. Приведено наближене рішення системи диференціальних рівнянь, що описують взаємодію позитивного стовпа, неелектропровідної області та стінки каналу в замкнутій формі (рис. 9). Нагрівання газу в циліндричному каналі з перемінними по довжині витратою газу, струмом і радіусом позитивного стовпа може бути описане системою рівнянь:

1. В області позитивного стовпа електричної дуги

(8)

2. У непровідній області:

(10)

При умовах , , , , . (11)

На межі поділу галузей виконуються умови рівності теплових потоків, тобто

(12)

Відомо, що в каналі ЕДН сV змінюється в напрямку осей r і z. Наявність ПС істотно впливає на розподіл сV. Так, наприклад, на початковій ділянці , а наприкінці д=1. У припущенні, що , , тобто у випадку лінійної зміни витрати газу через ПС можна одержати рішення системи (5)-(7) при умовах (8), що у ЕДН із довгими каналами в граничному переході при a2z>? і дає вираження

(13)

(14)

Аналітичне рішення задачі в непровідній області на граничній ділянці отримано з рішення системи диференціальних рівнянь (9)-(11) за умови с1V1z = с2V2z, відкіля рівняння для розрахунку має вид

, (15)

Експериментальні дослідження показують, що на початковій ділянці розрядного каналу радіус ПС змінюється ж0 до ж8 граничної ділянки. Тому скористаємося рішенням, отриманим для i(r,z) і S(r,z) у граничному випадку поза ПС. Тоді розрахункові формули можна представити у вигляді

(16)

(17)

(18)

У дисертації також приведено рішення системи рівнянь (9)-(11) за умови, коли с1V1z?с2V2z. Аналіз отриманих рішень і їхнє порівняння з експериментальними даними, отриманими на ЕДН із розподіленими уздовж каналу струмом і витратою газу, приведено на рис. 10-12. Як видно, є задовільна згода теорії з експериментом.

У п'ятому розділі представлено результати узагальнення експериментальних досліджень і їхнє застосування для проектування високоресурсного ефективного ЕДН та його виробнича корисність для плазмохімічної переробки вугілля. Результати досліджень, які приведені в дисертації, показали, що ЕДН газу працюють у ламінарному і турбулентному режимах. Для розрахунку ділянки дуги, що працює в ламінарному режимі, приведено аналітичні методи розрахунку, а розрахунок дуги в турбулентному потоці через відсутність надійної теорії найчастіше базується на результатах узагальнення досвідчених даних із застосуванням теорії подібності і розмірності. Безрозмірні величини П, що описують характеристики дугового розряду у електродуговому нагрівачу, є функціями критеріїв подібності

, (19)

де , , – критерії геометричної подібності, які обумовлені відношенням характерних геометричних розмірів розрядного каналу до його діаметра.

Застосовуючи (19) до плазмоутворюючого газу того самого хімічного складу при постійній температурі на вході в ЕДН і відкидаючи деякі постійні розмірні комплекси, рівняння можна спростити

. (20)

Для ЕДН із міжелектродними вставками (МЕВ) і циліндричним розрядним каналом основним критерієм, що визначає геометричну подібність, буде . Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що в дослідженому діапазоні параметрів впливом інших критеріїв геометричної подібності і комплексу pd на U-I характеристики, можна зневажити. На підставі цих даних, використовуючи степінну залежність, (20) можна представити у вигляді

(21)

У діапазоні досліджених значень струму, витрати газу і діаметра розрядного каналу отримано: А0=1260 м0,1 кг-0,3 с0,3 А0,2 В; б = 0,6; г = 0,3; в = 0,78. Узагальнену U-I характеристику показано на рис. 13, де по вертикальній осі відкладений комплекс , а по горизонтальній – . Для розрахунку напруги дуги з (21) отримано емпіричну формулу

, (22)

де В (для повітря). Формула (22) описує експериментальні дані з точністю 10% у діапазоні I=100-400 А, G=(0,6-5)?10-3 кг/с, d=0,006-0,015 м, le=(7,4-19,6)?10-2 м, р=1·105 Па. Для могутніх ЕДН із МЕВ і східчастого розрядного каналу критеріями геометричної подібності є , , .

Узагальнення проводилося для більш окремого випадку , , . У цьому випадку рівняння (20) можна записати так

. (23)

Враховуючи малий діапазон зміни pd і малі значення й у порівнянні з , експериментальні дані узагальнювалися у вигляді

. (24)

У діапазоні параметрів I=300-1000 А, G=(24-150)·10-3 кг/с, d2=(2-4)·10-2 м, l1=(20-42)·10-2 м, напруга дуги по (24) визначається для проектованого ЕДН із точністю ±15%.

Так як пропонований нами секціонірований катодний вузол являє собою самостійно працюючий мініплазмотрон, до дуги якого прив'язується основна дуга ЕДН, то розрахунок його параметрів вимагає деяких уточнень. Напруга катодної ділянки дуги визначається як

, (25)

де Lk – довжина розрядного каналу секціонірованого катода, L’ – довжина області катодного спадання напруги.

Для розрахунку напруженості електричного поля в розрядному каналі секціонірованого катодного вузла отримано формулу

, (26)

де M1=3 B?см0,43, M2=0,019 B/A.

Втрати енергії в секціонірованому катодному вузлі визначалися за формулами, узагальненими у вигляді

, (27)

, (28)

де N1 =1,09 B·см1,95; N2 =0,3 B·А-0,57 см1,42; z=(0,5-5,5) см; Qда - додатковий анод; - порожній катод.

У даному розділі також приведено розрахунок ЕДН для плазмохімічної переробки вугілля. В основу розрахунку покладено рівняння, отримані у 4-ому та 5-ому розділах дисертації. Основні вузли розробленого ЕДН спроектовано зі застосуванням системи тривимірного твердотілого параметричного проектування Компас-3D. Розроблений ЕДН складається із секціонірованого катодного й анодного вузлів. Основні розрахункові технічні дані розробленого ЕДН: потужність 350 кВт, напруга дуги 500 В, струм дуги 700 А, витрата захисного газу (аргону) 0,018·10-3 кг/с, витрата основного робочого газу 70·10-3 кг/с, витрата охолодженої води 1,3 кг/с, тепловий ККД 0,78 , ресурс роботи 500-1000 годин.

Запропонована схема установки газифікації вугілля доводить виробничу корисність розробленого ЕДН.

ПРИЙНЯТІ ПОЗНАЧЕННЯ

Е, – напруженість електричного поля, струм розряду (дуги); U, Uc, Uа, Uк – напруга розряду, позитивного стовпа, анодне і катодне падіння потенціалу; , , - теплопровідність, електропровідність, щільність газу; d, R, l – діаметр, радіус і довжина розрядного каналу; – радіус позитивного стовпа дуги; Vr,Vz – подовжня і радіальна складового вектора швидкості; S – функція теплопровідності; i, Wrs – ентальпія одиниці маси газу і випромінювальна здатність; , – циліндричні координати, віднесені до R і L; G(z), G*(z) – витрати газу по всьому каналу і через ПС; – параметр вдува газу; KG – інтенсивність вдува газу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ, ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Чалєнко А.В. Теоретичне дослідження стабілізованої електричної дуги в осьових плазмотронах//Вісник Східноукраїнського національного університету.–2002.–3(49). –С. 57-64.

2. Дзюба В.Л., Чалєнко А.В. Нагрівання газу в електродуговому нагрівачі із секціонірованим розрядним каналом // Вісник Східноукраїнського національного університету.–2002.–7(53).–С. 210-214.

3. Дзюба В.Л., Чалєнко А.В. Дослідження характеристик плазмотрона з розподіленою витратою газу//Вісник Східноукраїнського національного університету.–2002.–11(58).–С. 222-230.

4. Дзюба В.Л., Чалєнко А.В. Розв’язування системи рівнянь, що описують нагрівання газу в позитивному стовпі дуги перемінного радіуса//Вісник Східноукраїнського національного університету.–2002.–12(59).–С. 100-108.

5. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Чалєнко А.В. Електродугові плазмотрони для нагрівання газу//Зб. наук. праць "Перспективні задачі інженерної науки". –Дніпропетровськ, 2002.–С.166-167.

6. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Чалєнко А.В. Плазмотрон для нанесення захисних покрить //Матеріали Міжнар. наук. – техн. конф. "Високі технології у машинобудуванні", Самара, 19.11.02.–21.11.02–Самара, 2002. –С.80-82.

7. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Чалєнко А.В. Високоресурсні плазмотрони і їхнє застосування в різних технологічних процесах//Тез. докл. семінару “Сучасне устаткування і технології в металообробному виробництві”. -Дніпропетровськ: ЗАТ УНІТЕХ, 2002.-С. 81-83.

[1]–Автором зроблено аналіз існуючих теорій стабілізованої електричної дуги і виконано порівняльний розрахунок експериментальних даних з теоретичними дослідженнями інших авторів.

[2]–Автором розв’язано систему рівнянь, що описує нагрівання газу в секціонірованому ЕДН газу з розподіленими уздовж каналу витратою газу і струмом у широкому діапазоні зміни параметрів.

[3]–Автором отримано інтегральні характеристики плазмотрона з ламінарною дугою стабілізованою в каналі з змінним за його довжиною витратою газу та встановлено параметри, що впливають на ККД і ресурс роботи ЕДН.

[4]–Автором розроблено математичну модель нагрівання газу стабілізованою електричною дугою і розв’язано систему диференціальних рівнянь, що описують взаємодію позитивного стовпа, неелектропровідної області та стінки розрядного каналу в замкнутій формі.

[5]–Автором представлено експериментальні результати, що отримані їм при розробці ЕДН для нагрівання газу.

[6]–Автору належить розрахунок основних параметрів ЕДН із порожнім мідним катодом, використаних для розробки плазмотрона для нанесення захисних покрить.

[7]–Автором обґрунтовано області ефективного застосування високоресурсних ЕДН, які розроблені ним.

АНОТАЦІЯ

Чалєнко Анжеліка Валеріївна. Дослідження стабілізованої електричної дуги і розробка високоресурсного ефективного електродугового нагрівача газу–рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.10–електротермічні процеси та установки.–Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2003.

Дисертацію присвячено дослідженню стабілізованої електричної дуги і розробці високоресурсного ефективного ЕДН газу. Огляд досліджень нагрівання газу стабілізованою електричною дугою показав, що основними недоліками ЕДН, які використовуються для цієї мети, є низький ресурс роботи електродів і ККД. Пошук шляхів розв’язування даних проблем виявив конструктивні рішення й умови, що сприяють тривалій і ефективній роботі ЕДН. В результаті було створено секціонірований катодний вузол для ЕДН, що працюють на агресивних робочих газах із захистом катода інертним середовищем (Ar) низького тиску. Ерозія вольфрамового катода у такого ЕДН на порядок нижче відомих даних при зменшенні витрат Ar в 100 разів і який може працювати в режимі плазменого катода. Розв’язано систему диференціальних рівнянь, що описує взаємодію позитивного стовпа, неелектропровідної області і стінки розрядного каналу в замкнутій формі, узагальнено експериментальні дані і представлено у вигляді графіків і критеріальних залежностей. Розроблено ЕДН із секціонірованим катодним і анодним вузлами з розподіленими силою струму та витратою газу для плазмохімічної переробки вугілля потужністю 350 кВт, з тепловим ККД 0,78 і ресурсом роботи 500-1000 годин. Основні вузли ЕДН спроектовано із застосуванням системи тривимірного твердотілого проектування Компас-3D.

Ключові слова: електродуговий нагрівач (ЕДН), секціоніровані катод і анод, ресурс роботи, ККД, міжелектродні вставки (МЕВ).

АННОТАЦИЯ

Чаленко Анжелика Валериевна. Исследование стабилизированной электрической дуги и разработка высокоресурсного эффективного электродугового нагревателя газа–рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.10–электротермические процессы и установки.–Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2003.

Диссертация посвящена исследованию стабилизированной электрической дуги и разработке высокоресурсного эффективного электродугового нагревателя (ЭДН) газа. Обзор исследований нагрева газа стабилизированной электрической дугой показал, что основными недостатками ЭДН, используемых для этой цели, являются низкие ресурс работы электродов и КПД. Поиск путей разрешения данных проблем позволил выявить конструктивные решения и условия, способствующие длительной и эффективной работе ЭДН: распределение тока и расхода газа по длине разрядного канала, уменьшение расхода защитного газа с одновременным снижением удельной эрозии, применение полых электродов и др. Проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования стабилизированной электрической дуги на ЭДН, которые служили базой для создания высокоресурсного эффективного дугового нагревателя. Установлено, что тепловые и эрозионные характеристики термохимических катодов зависят от характера течения газа у катода, т.е. от аэродинамики прикатодной области. С учетом этого утверждения уменьшены тепловые потоки в катод, снижена эрозия и увеличен ресурс работы термохимического катода до 50 ч при силе тока до 400 А. Для ЭДН с термокатодом, работающих на агрессивных рабочих газах, был разработан секционированный катодный узел с защитой катода инертной средой (аргоном) низкого давления. Катодный узел состоит из термокатода (вольфрамовой вставки), межэлектродных вставок (от 2-х и более) и переходной секции для соединения с анодным узлом ЭДН. При I=200-550 А и расходе рабочего газа (воздуха) от 2·10-2 до 8·10-2 кг/с термокатод надежно защищается аргоном в количестве (19-25)·10-6 кг/с. При этом удельная эрозия катода из лантанированного вольфрама составила 10-14-10-12 кг/Кл, что на порядок ниже известных данных, при уменьшении защитного газа на два порядка. Уставлено, что секционированный катодный узел может работать в режиме плазменного катода при отсутствии защитного газа. Значительная часть экспериментальных данных обобщена и представлена в виде графиков и критериальных зависимостей, дающих возможность рассчитывать электрические, тепловые и эрозионные характеристики проектируемых ЭДН с относительными погрешностями, не превышающими ±15%. Разработана математическая модель нагрева газа стабилизированной электрической дугой в разрядном канале ЭДН с распределенными расходом и током и решена система дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействие положительного столба, неэлектропроводной области и стенки разрядного канала в замкнутой форме. Аналитические формулы позволяют рассчитывать интегральные характеристики ЭДН с учетом их зависимости от распределения функции теплопроводности, размеров разрядного канала, изменения силы тока и расхода газа по длине разрядного канала с погрешностью ±20%. В частных случаях полученное решение совпадает с результатами известных теорий. Создан ЭДН с секционированным катодным и анодным узлами с распределенными силой тока и расходом газа для плазмохимической переработки угля мощностью 350 кВт, с тепловым КПД 0,78 и ресурсом работы 500-1000 часов, в зависимости от варианта применяемого секционированного катодного узла. Основные узлы разработанного ЭДН спроектированы с применением системы трехмерного твердотельного проектирования Компас-3D.

Ключевые слова: электродуговой нагреватель (ЭДН), секционированные катод и анод, ресурс работы, КПД, межэлектродные вставки (МЭВ).

SUMMARY

Chalenko Anzhelika Valerievna. Research of the stabilized electric arc and development of the high resort effective electroarc heater of gas.-Manuscript.

Thesis for candidate's degree of technical science on the speciality 05.09.10 –electrothermal processes and installations.-East-Ukrainian National University named after Vladimir Dal, Lugansk, 2003.

The thesis is devoted to the research of the stabilizes electric arc and development of the high resort effective electroarc heater (EAH) of gas. The review of the researched of heating of gad by the stabilized electric arc has shown that basic imperfections that are used for this purpose are low resource of