Полный текст

Тепловложение в электрод плазмотрона и изделие определяется приэлектродными процессами и теплопередачей от сжатой дуги [1-3]. Процессы, происходящие на электродах и в приэлектродных областях, сложны и недостаточно изучены до сих пор. Для плазменных процессов, выполняемых на токе прямой полярности, анодом является изделие, на токе обратной полярности - электрод плазмотрона. Теплопередача в изделие определяет эффективность процесса обработки, теплопередача в электрод плазмотрона - ресурс работы последнего. Зная падение напряжения на анодном участке дуги, можно определить теплопередачу в анод [4]: где - тепловая мощность, передаваемая аноду, Вт; - ток дуги, А; - анодное падение напряжения, В; - работа выхода электрона из материала анода, эВ. Однако определить реальное тепловложение в анод по предлагаемому выражению сложно, поскольку точные значения не определены. Величина по разным источникам, может быть в пределах 3-12 В. Исследователи отмечают малую зависимость от материала анода. Падение напряжения на анодном участке дуги можно определить по результатам оценки баланса теплообмена на электроде-аноде [5]. Тепловой баланс на электроде-аноде плазмотрона складывается из следующих составляющих (рис. 1). Подвод энергии к аноду плазмотрона осуществляется: - энергией электронов (работа выхода); - кинетической энергией электронов дуги за счет соударения с поверхностью анода; - теплоотдачей от дуги излучением. Потери энергии с поверхности анода состоят: - из тепла, отводимого теплопроводностью через анод ql; - тепла, отдаваемого анодом в окружающую среду излучением и конвекцией. Внутренний источник тепловыделения отсутствует. Процессы теплообмена на аноде плазмотрона (и на изделии) сосредоточены практически на его торцевой части [6]. Существенно снижается роль радиационного и конвективного теплообмена с окружающей обстановкой, в том числе и с внутренней поверхностью плазмообразующего сопла [7]. Излучение с поверхности анода при (температура плавления меди) при не превышает кВт/см2, что является пренебрежимо малой величиной. В действительности, температура анода вблизи рабочей зоны не превышает 623 К [4, 8]. По причине низкой температуры анода, сосредоточенности активного пятна вблизи осевой части торца анода, с учетом структуры газовых потоков в плазмотроне можно отметить малое влияние конвективного теплообмена на общий тепловой баланс на аноде [9]. В итоге уравнение теплового баланса на аноде предельно упрощается: Таким образом, измерив теплопередачу в анод, можно с достаточной для инженерных расчетов точностью определить В представленной работе сделана попытка оценить величину падения напряжения на анодном участке дуги при работе плазмотрона на токе обратной полярности. Для этого были проведены сравнительные исследования тепловложения в анод плазмотрона разной конструкции. Использовался медный водоохлаждаемый анод (рис. 2, а) и медный анод с глухо заделанным вольфрамовым прутком (рис. 2, б). В качестве изделия использовался водоохлаждаемый медный имитатор [1, 4]. Измерение тепловложения в электрод-анод плазмотрона проводили методом калориметрирования [1]. а б Рис. 2. Схема проведения исследований В процессе исследований ток дуги Iд изменялся в пределах 50-300 А, диаметр сопла dc = 3…6 мм, расстояние от электрода до изделия hэ-и = 5 мм, расход газа Qп = 2…5 л/мин, расстояние от сопла до изделия hс-и = 5…10 мм. Получен большой массив экспериментальных данных, полное представление которого в данной статье не представляется целесообразным. Ниже представлены сравнительные результаты исследований. Сравнение проводится при одинаковых параметрах режимов. Величина тепловложения в анод и соотношение падений напряжений на дуге и ее участках для вариантов рис. 2, а и б близки. Решающим фактором, определяющим теплопередачу в анод, являлся ток дуги, остальные параметры (диаметр плазмообразующего сопла, расход плазмообразующего газа, расстояние от плазмотрона до изделия) не оказали заметного влияния. Зная и можно определить падение напряжения на анодном участке дуги. Работа выхода электронов для меди составляет 3,2 эВ, для активированного вольфрама - 2,6-2,8 эВ [10]. Для диапазона токов 50-150 А находится в пределах 1,5-2,5 В, для токов 160-300 А - в пределах 3-4 В. Полученные значения вполне пригодны для определение теплопередачи при проведении оценочных расчетов работы анодов плазмотронов и эффективности нагрева изделия. Сделаем следующие выводы: 1. Предложено обоснование определения падения напряжения на анодном участке дуги при помощи измерения тепловложения в анод плазмотрона. 2. Определена величина падения напряжения на анодном участке дуги для токов в диапазоне 50-300 А. 3. Подтверждено предположение, что материал анода практически не влияет на анодное падение напряжения. 4. Полученные значения пригодны для определения теплопередачи при проведении оценочных расчетов работы анодов плазмотрона и эффективности нагрева изделия.

Об авторах

Ю. Д Щицын

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Д. С Белинин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

С. Д Неулыбин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

И. А Гилев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А. И Панов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 18

PDF (Russian) - 8

Ссылки

• Ссылки не определены.