автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Термодинамические и тепловые процессы в плазмотроне с многодуговым разрядом

На правах рукописи

МОЛЧАНОВ Евгений Анатольевич

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМОТРОНЕ С МНОГОДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в Озерском технологическом институте Московского государственного инженерно-физического института (технического университета), г. Озерск Челябинской области.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Н.В. Пашацкий.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Б.Г. Сапожников; кандидат технических наук, доцент С.В. Осовец.

Ведущее предприятие - институт электрофизики УО АН РФ.

Зашита состоится 25. £> £ 1998 года в 14 часов йо минут на заседании специализированного совета (шифр К.063.14.09) при теплоэнергетическом факультете Уральского государственного технического университета - УПИ в ауд. "Т- р

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан ^В 1998 года.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Г)

Л.КВАСАНОВА

-3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и цель работы. Использование электродуговой плазмы для обработки материалов находит достаточно широкое применение в промышленности: металлургии, машиностроении, химических технологиях, строительстве и др. В ряде случаев (при оплавлении больших поверхностей строительных конструкций, обработке значительных масс диэлектрических материалов и т.п.) требуется широкий плазменный факел, который не может быть создан существующими плазменными генераторами. Очевидно, что разработка подобного устройства и создание технологий на его основе не возможны без изучения условий возникновения и устойчивого горения дугового разряда, вопросов теплового и эрозионного состояния электродов и т.п. В настоящее время перечисленный круг вопросов изучен в основном для не обдуваемых и продольно обдуваемых дуг плазменных генераторов, использующихся при обработке металлов.

Цель работы заключалась в исследовании теплоэнергетических характеристик электродугового разряда и образованного им факела, изучении температурных полей электродов для определения и оптимизации конструктивных и технологических параметров широкофакельных установок для плазменной обработки диэлектрических материалов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре машин и аппаратов химических производств Озерского технологического института Московского государственного инженерно-физического института (технического университета), опытных участках Березовского завода строительных конструкций (Свердловская область) и научно-производственной фирмы «Дорожник» СибАДИ (г. Омск) по заданию ГКНТ для решения комплексной научно-технической программы 0.1Д.031 - «Создать и внедрить прогрессивные железобетонные конструкции для строительства промышленных, жилых и гражданских зданий из тяжелых и легких бетонов...». Заказчиками на научную продукцию явились Уральский промстройниипроект (г. Екатеринбург), Березовский

завод строительных конструкций, научно-производственная фирма «Дорожник» СибЛДИ (г. Омск).

Научная новизна. Проведено комплексное исследование термодинамических и тепловых процессов в многодуговом плазменном генераторе с коаксиальными графитовыми электродами.

Проанализированы условия возникновения и стабильного горения многодугового разряда, разработана аналитическая модель поперечно обдуваемой дуги, позволяющая получить как падающую, так и возрастающую ветви ее энергетической характеристики (ВАХ).

Выполнены экспериментальные исследования многодугового разряда и определены его теплоэнергетические характеристики.

Экспериментально изучено влияние эволюции дугового разряда плазмотрона на распределение температуры вблизи горячего торца электрода. Аналитически получены новые выражения для расчета нестационарного температурного поля в стержневом электроде с учетом места расположения дугового разряда.

Установлены особенности износа графитовых электродов плазмотрона при воздействии на них многодугового разряда и воздушной среды, определены наиболее эффективные средства их защиты.

Автор защищает:

- метод аналитического исследования поперечно продуваемого дугового разряда, позволивший определить его основные параметры;

- результаты экспериментального исследования одиночной дуги и многодугового разряда плазменного генератора;

- методы расчета температурного поля стержневого электрода с учетом распределения и эволюции дугового источника тепла;

- результаты экспериментального исследования теплового и эрозионного состояния стержневого графитового электрода плазмотрона.

3 -

Практическая ценность и реализация ре л.чи. ..-г:>/льт а ты,

»лученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований, были ¡пользованы при определении оптимальных конструктивных и техно->гическпх параметров многодуговых установок для обработки диэлек-шческих материалов, а именно: плазменного генератора для декора-1ВН0Й отделки бетонных изделий, передвижной установки для наплав-1 свай и электродуговой печи для переработки отходов производства инеральной ваты.

Материалы работы были переданы в лабораторию ограждающих инструкций ОАО «УралНИАСцентр» (г. Екатеринбург), на Березовский 1вод строительных конструкций (г. Березовский Свердловской обл.), в аучно-производственную фирму «Дорожник» СибАДИ (г. Омск).

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждаясь на VIII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной пазмы (Новосибирск, 1980), Ш-ей международной конференции по энергети-еским системам и преобразованию энергии (Казань, 1997), научно-технической онференшги ОТИ МИФИ (Озерск, 1997), научно-технической конференции Научная сессия МИФИ-98» (Москва, 1998), научных семинарах кафедры про-ышленной теплоэнергетики ЧГТУ (Челябинск, 1997), лаборатории теории лектрического разряда института электрофизики УО АН РФ (Екатеринбург, 997), кафедры сварки ЧГТУ (Челябинск, 1997), кафедры теоретической теп-отехникн УГТУ (Екатеринбург, 1998).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 16 науч-:ых работ, включая 4 журнальные статьи, 2 авторских свидетельства, 5 езисов докладов на научно-технических конференциях и 5 отчетов по оздоговорной тематике. Список публикаций приведен в конце авторе-)ерата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа со-тоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения,

изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц, 67 рисунков, библиографический список из 115 работ отечественных и зарубежных авторов, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Обзор литературы и постановка задач исследования

Обзор литературы, посвященной термодинамике и тепловым процессам в плазменных генераторах, показал, что наиболее полно изучены струйные электродуговые плазмотроны.

Теоретический материал накоплен, в основном, для дуг постоянного тока в условиях их продольной продувки. Поперечно обдуваемые дуги теоретически исследованы в значительно меньшей степени, причем наименее изученными из этого класса являются дуги, стабилизированные только электродами.

Практически нет работ, посвященных многодуговому поперечно обдуваемому разряду, образованному на гладких (без термоэмпссиоп-ных вставок)электродах.

При изучении тепловых режимов работы электродов плазменных генераторов разработанные математические модели и результаты экспериментов касаются, преимущественно, электродов небольших размеров с привязкой дуги в центре электрода. Нестационарные процессы теплопроводности и эрозия графитовых электродов размером 0.06 -0.15 м для разных положений и функций распределения дуговых источников тепла изучались в гораздо меньшей степени.

Существующие конструкции плазмотронов, как правило, предназначены для нагрева потока газа до высоких температур и мало приспособлены для оплавления поверхности крупногабаритных изделий. Отсутствуют промышленные линии по декоративно-защитной плазменной отделке серийных стеновых панелей.

Исходя из поставленной цели и проведенного литературного обзор были сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Провести анализ условий возникновения, развития и устойчивого горения многодугового разряда.

2. Построить математическую модель и провести экспериментальные исследования структурного элемента многодугового разряда - одиночной дуги в поперечном потоке газа. Определить основные энергетические параметры многодугового разряда.

3. Измерить температуру плазменного факела и определить тепловые потоки в электроды.

4. Разработать методику исследования нестационарного процесса теплопроводности стержневого электрода с учетом эволюции и характера распределения дугового источника тепла. Исследовать эрозию электродов и найти пути повышения их стойкости к окислению.

5. Решить ряд задач по созданию оборудования и разработке основ технологии плазменной обработки керамических материалов для промышленности.

2. Термодинамический анализ разряда в многодуговом плазмотроне

В главе представлено аналитическое исследование дугового разряда в поперечном потоке газа. Построению модели дуги предшествовал анализ структуры разряда в плазменном нагревателе с коаксиальными графитовыми электродами (рис. 2.1). Фото и киносъемка электродов показали, что при силе тока 1300-2000 А на торне наружного электрода упорядоченно расположено 15-20 медленно перемещающихся опорных дуговых пятен диаметром 3-5 мм. Дополнительно проведенные эксперименты и аналитические исследования подтвердили предположение об одновременном существовании системы поперечно продуваемых параллельных дуг.

/

Рис. 2.1. Схема плазменной головки: 1- стержневой электрод. 2 - наружный электрод (втулка), 3 - плазменный факел

> * .

Л

Для построения модели множественного дугового разряда в плазмотроне с горячими электродами необходимо знать свойства и энергетические характеристики отдельных дуг. Поэтому целью настоящего раздела является вывод аналитических выражений, описывающих распределение энтальпии по поперечному сечению столба дуги и позволяющих найти размеры этого сечения, а так же построить как падающую, так п возрастающую ветви энергетической (вольт-амперной) характеристики электрической дуги в условиях поперечной продувки ее газом.

Дифференциальное уравнение энергии лля стационарной дуги, продуваемой поперечным потоком газа, и граничные условия запишутся:

где и/=ру - постоянная массовая скорость газа. - энтальпия на краю дуги, /72 - энтальпия на оси дуги;

При допущении, что электропроводность плазмы с ростом энтальпии экспоненциально стремится к некоторой предельной величине решение (2.1) и (2.2) лает уравнение, описывающее распределение энтальпии по поперечному сечению дуги

(2.1)

'2 •

(2-2)

Г 1-0 h =/?.

2 _й 1-е"3

где а = -

5wc„

, Ь = -

52âE2c„

(2-3)

безразмерная энтальпия,

5 - размеры поперечного сечения дуги.

Величина энтальпии на оси дуги h2 находится из уравнения теплового баланса:

dT + h2w

1

dx х=0

= El

С учетом (2.3) получим

Л2=-г-

Е1_ 5/7,

- -IV

(2.4)

(2.5)

/ ь 1-е"3 ч У

+ w

Энергетическая характеристика дуги определяется из закона Ома I = \oEdS и выражения (2.3):

ЫёЕЪ2

1 + -

а ь ' 1-е а

bh2 + b ( M 1-е 3

6 , 1

— + ln

а

h2+1y

(2.6)

Анализ уравнения (2.6) показывает, что кривые Е=Ц5) для каждой фиксированной силы тока имеют ярко выраженный минимум напряженности Етщ , что дает возможность, используя принцип Штеенбе-ка, определить поперечный размер сечения дуги 5т (рис. 2.2).

Расчеты выполнялись для различных сил тока в дуге, продуваемой поперечным потоком воздуха со скоростью от 1 до 5 м/с. При этом

ч

j

Ь ^ 1.5-10 Дж/кг: х = 1-2 Вт/мК ; ср = 8000 Дж/кг-К ; р 0 = 1.2

кг/м3\ а = 3000 Ом" V.

Е. В/м

8000

6000

4000

2000

Рис.2.2. Зависимость напряженности в дуге от размеров ее поперечного сечения для фиксированных сил тока

о 25„ 25™». 15 20 25 2 В. мм

Аналитические выражения, приведенные выше, и результаты анализа многодугового разряда позволяют найти распределение энтальпии по поперечному сечению дуги в зависимости от силы тока и скорости газового потока, получить (У-образную энергетическую характеристику одиночной дуги и построить суммарную характеристику системы дуг.

3. Экспериментальное исследование одиночной дуги и многодугового разряда в поперечном потоке газа

В главе приведены результаты экспериментального исследования одиночной дуги и многодугового разряда в поперечном потоке газа.

Для проверки выводов аналитического исследования и уточнения параметров разряда ((Лш„, /пр, 5т „р и др.) экспериментальным путем определялись характеристики одиночной угольной дуги. Статические характеристики (ВАХ) снимались на стандартных угольных электродах диаметром 9 мм при расстоянии между ними 12-*-20 мм. Скорость газового потока изменялась от 0 до 2 м/с. Опыты показали, что статическая

характеристика дуги имеет У-образную форму и располагается тем выше, чем больше скорость обдува дуги. Сила тока, соответствующая минимальному напряжению на кривой ВЛХ, находилась в пределах 6СК75 А. Полученные зависимости Е(1) качественно совпадают с результатами аналитического решения, а некоторое количественное расхождение (около 20 %) объясняется реальными условиями существования разряда, которые не учитывались при формировании модели дуги.

Характеристики системы дуг изучались для коаксиального плазмотрона с графитовыми электродами, торцы которых располагались в одной плоскости. С помошыо кино и фотосъемки анализировалась структура разряда плазмотрона в зависимости от силы тока, которая изменялась от 60 до 1800 А (рис. 3.1). С увеличением тока растет число дуг п разряде, п размеры их опорных пятен практически остаются постоянными. Эти исследования еще раз подтверждают многодуговой характер разряда изучаемого плазмотрона, позволяют установить размеры опорных пятен дуг (3*5 мм) и определить предельный ток, пропускаемый одним пятном (75*90 Д).

Статическая ВАХ многодугового разряда плазмотрона находилась в зависимости от расстояния до нагреваемой преграды и скорости ее относительного движения, размеров электродов и их взаимного расположения. Выяснено, что статические характеристик» разряда расположены тем выше, чем больше расстояние до преграды, относительная скорость перемещения плазмотрона и скорость газа через него. С увеличением заглубления стержневого электрода сила тока в разряде растет, а напряжение снижается из-за уменьшения теплоотдачи дугами в окружающее пространство и увеличения средней температуры электродов.

Результаты исследования ВАХ движущегося плазмотрона обобщены зависимостью

'а I ГСГ| '1 + 0.1—1 * (3J)

U0 =4.7 -104

Gd

Ы [uosä

d

Формула справедлива для С = 0.45-10'3 1.70Ю"3 иг/с, б = 4-10"2+8-10"гм, 5 = 5-Ю'3-ЗОЮ~3 м, у„=0+0,8 м/с, Лс=0,

3 3

межэлектродного зазора Ь=3-10" -И0Ю" м.

Одной из важнейших характеристик плазменного генератора является темпгратура его факела. Температурой газа в факеле определяются не только тепловые потоки в нагреваемое вещество, но и характер физико-химических процессов, протекающих в газовой среде и поверхностном слое обрабатываемого материала.

Темпгратура факела плазмотрона находилась методом относительных интансивностей спектральных линий неионизированного атома железа. В саытах использовались спектрограф СТЭ-1, два кварцевых конденсора. 9-ступенчатый ослабитель и микрофотометр ИФО-451. Определено, чте на расстоянии ~ 10"2 м от движущейся преграды температура на оси факела составляет около 5600 К. Температура по радиусу изменяется слабо и равна ~ 5200 К под кромкой плазменной головки.

4. Тепловое и эрозионное воздействие дугового разряда на электроды

В главе представлен теоретический и экспериментальный мате-1ал, полученный при исследовании теплового и эрозионного состояния ержневого графитового электрода плазмотрона. Стержневой электрод ¡следуемого генератора требует особого внимания, так как работает в шее напряженных температурных режимах, чем кольцевой.

В плазмотроне с горячими электродами в момент возбуждения азряда путем сближения и кратковременного касания электродов воз-икает одна мощная короткая дуга, опирающаяся на кромки стержнево-) и кольцевого электродов. Однако такое состояние разряда длится не-элго, примерно 1-3 секунды. Под действием потока плазмообразуюше-) газа (воздуха) разряд расщепляется на несколько мелких параллель-ых дуг. Число дуг определяется суммарной силой тока и размерами пектродов. Дуги горят на ближних кромках электродов. По мере разо-рева электродов, дуги удлиняются, и через 1 - 2 минуты, их опорные ятна перемещаются к центру торца стержневого электрода.

б)

в)

Рис. 4.1. Модель стержневого электрода: а) геометрия электрода и условия теплообмена, б) и в) схемы расположения источника тепла

Таким образом, для стержневого электрода, рассматриваемого (угового аппарата характерны, в основном, два положения опорных пя-ен дугового разряда: на кромке торца электрода (во время выхода на )ежнм) и у центра торца (после разогрева электрода).

При пропелсини аналитического исследования двумерного нестационарного температурного тюля стержневого электрода делаются допущения: теплофизические свойства материала электрода не зависят от температуры, в начальный момент опорные пятна дуг находятся па кромке рабочего торна электрода, изменение размеров электрода из-за его эрозии незначительно, джоулево тепловыделение мало. Конвективные потери тепла с боковой поверхности электрода обусловлены подачей в межэлектродное пространство плазмообразующего газа. На горячем торце учитывается только тепло, отводимое за счет излучения. Холодный торец плотно контактирует с водоохлаждаемон державкой н отвод тепла в месте крепления электрода задается в виде граничного условия третьего рода (рнс.4.1а).

Уравнение теплопроводности для стержневого графитового электрода имеет вид:

д1 (дИг ИдИ дгг) '

где 11 - температура в данной точке стержня, / - функция, описывающая источник тепловыделения.

При расположении разряда на кромке торца электрода задаемся источником в виде (рис. 4.26):

ы

сР

Я

я«

ехр

■К,

(4.2)

При расположении опорных пятен дуг у центра торца, берется источник ( с нормальным распределением плотности теплового потока (рис. 4.2в):

1 = --- ехр ср

Я,

-К,

(4-3)

I

В приведенных выше формулах: - максимальная плотность объемного тепловыделения дугового источника тепла, - характерный радиус гауссовского источника тепла, / - длина электрода, К^ - произвольное, по достаточно большое число для того, чтобы считан, тепловой поток от дугового источника сконцентрированным непосредственно вблизи горячего торца электрода.

Граничные и начальное условия задачи выглядят так:

Ш ЭЯ

Ш дг

=0;

/?=о

г=0

ди_

дг

(4.4)

г=/

м

? =0

= о,

(4.5)

где /?|=а,/х - приведенный коэффициент теплоотдачи с поверхности электрода (¡=1, 2, 3 - соответственно для боковой поверхности электрода, его горячего и холодного торцов).

Решение (4.1) находим методом Фурье. Когда опорные пятна расположены вблизи окружности радиуса /?0 и =2С?/я/?д/, температурное поле электрода описывается выражением:

и =

80

1 Цт'АОО-ЛОО

- У —

лх^о/ /уСУ+2)+Л' (ц2 + л?я?02 у02(мт)

(4.8)

[1-ехр(-а2Хгкто]

С(МТ1*

/7г/

Л,

г

Для случая сосредоточения опорных пятен дуг в центральной области торца электрода с учетом выражения = решение

(4.1) имеет вид:

(у-_20_ у _П? 1

(4.9)

г Ь 21 . г ' П* 1

/ / R^

В полученных выражениях Х2кт =г1к/'2 • Т1 к, Цш ~ корни

характеристических уравнений:

2с(дгц = ■ (4-ю:

Расчеты по (4.8) и (4.9) выполнялись для стержневого графитового электрода длиной 1=200 и диаметром Я?о=60 мм. Тепловой поток 01 электрических дуг в стержневой электрод принимался равным 18 кВт коэффициенты теплоотдачи /?,=0,75 м'\ /72=43 м"1 [1]. Плотность графита р=1700 кг/м3, теплоемкость с=2000 Дж/кг-К, степень черноть е=0.9, теплопроводность х=40 Вт/мград.

Проведенные расчеты позволили определить температуру раз личных точек электрода в зависимости от времени. Выход электрода ш стационарный режим наступал примерно через З-Ю3 с работы, при этол температура холодного ториа составила 145 °С. Следует отметить, чтс данная методика применима для расчета температурных полей электро дов и некоторых других электродуговых устройств, например рудно термических печей.

Основные результаты аналитического исследования тепловой состояния электродов сопоставлялись с данными измерений температу ры в его теле (термоэлектрическим методом, см. рис 4.2) и на поверхно сти (пирометрическим методом). Получены экспериментальные зависи мости температуры от времени по длине и радиусу электродов, от силв тока и размеров электродов. Установлено, что перемещение плазмо трона вдоль нагреваемой поверхности снижает тедтературу торцов элек

юдов примерно на 200 °С. Измерения показали пригодность прибли-енпой тепловой модели стержневого электрода для оценки температу-.1. Подтвердилось также предположение о характере эволюции дугово-) разряда (рис. 4.2).

-250

0

60

120

Рис. 4.2. Изменение перепала температуры стержневого электрода по радиусу (тонки замера температуры - на оси и у боковой поверхности): I - 7. = 60; 2 - 40; 3. 4 - 30 мм; 3 -1-120; 4 -200 мм

I с

Для определения потоков тепла в углеграфитовын электрод была |азработана методика измерения составляющих уравнения теплового баланса

Од+Одж =0, +Ол +с£ + Ол +0* , (4.11)

де С?дж - джоулево тепло, выделяющееся в объёме стержня. О, - тепло, >тводимое в державку, и <Э£ - лучистая и конвективная составляю-цие потерь тепла с боковой поверхности стержня: Ол и <3^ - лучистая ( конвективная составляющие потока тепла с торца; О, - тепло, затра-!енное на испарение материала на торце электрода. Тепловой поток Од эт дугового разряда в электрод диаметром 45 мм и длиной 190 мм при :нле тока 1500 А составил около 18 кВт.

С величиной теплового потока тесно связан эрозионный износ

электродов. В опытах определялась зависимость эрозии внутреннего электрода от его начальных размеров и заглубления в кольцевом электроде, силы тока, времени работы. Эрозия оказалась минимальной при установке ториов внутреннего н наружного электродов в одной плоскости.

Увеличение жаростойкости графитовых электродов без значительного их удорожания было получено путем несквозного силицирова-ния недорогих марок графита. Это позволило заметно улучшить эксплуатационные параметры предлагаемого нагревателя.

5. Установки с многодуговым разрядом для обработки диэлектрических материалов

Плазменный нагреватель с многодуговым разрядом, разработанный при участии автора, нашел применение на участках плазменной декоративной отделки строительных изделий для жилых, культурно-общественных и промышленных зданий.

Большая тепловая мощность предлагаемой плазменной головки и ее конструктивная простота в сочетании с такими свойствами материала электродов, как жароупорность и тугоплавкость позволили использовать модификацию многодугового плазмотрона для проверки возможности наплавки свай под фундаменты зданий.

Результаты исследования многодугового разряда послужили основой для создания комбинированной электро-дуговой печи с газопламенной горелкой, способной перерабатывать отходы производства изделий из минеральной ваты и других диэлектрических материалов.

Проведена работа по внедрению результатов исследований многодугового разряда и аппаратов на его основе в производство. При участии автора разработаны технологическая линия плазменной декоративной обработки строительных деталей, установка с погружным плазмо-

ом для наплавки строительных свай, установка по переработке отв производства минеральной ваты. Все опытно-промышленные ус-вки успешно прошли испытания. На участке плазменной отделки зовского завода строительных конструкций произведен выпуск гной партии стеновых панелей, использованных для строительства ия подстанции метрополитена в г. Екатеринбурге. Эксплуатация пя подтвердила высокие декоративно-защитные свойства покрытия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование структуры и теплофизических ктеристик поперечно продуваемого электрического разряда, юложенного на торцах коаксиального плазменного нагревателя, иювлено, что разряд носит многодуговой характер, число дуг оделяется суммарным током в разряде.

2. Теоретически и экспериментально изучен структурный 1ент разряда ~ одиночная дуга в поперечном потоке газа. Получены штические формулы, описывающие вольт-амперную характеристику ночной дуги, её размер, распределение энтальпии в поперечном :нии и т.п. Экспериментальное исследование одиночной угольной 1 для различных скоростей поперечного обдува газом - воздухом азало, что статическая вольт-амперная характеристика, помимо ходящей, также имеет восходящую ветвь после некоторого тического значения силы тока /т пр~100 А. Это соответствует /льтатам аналитического исследования одиночной дуги, размеры гния которой ограничены величиной ее опорного пятна. Размеры рных пятен для графитовых электродов, полученные из решения внения теплового баланса, соответствуют результатам кино- и осъемки.

3. На основе изучения электрического разряда в коаксиальном

нагревателе с углеграфитовыми электродами и одиночной угольной дуги в поперечном потоке газа построена модель многодугового разряда, согласно которой разряд в нагревателе состоит из определённого числа дуг, сила тока в каждой дуге примерно равна /т пр. устойчивое горение системы дуг обеспечивается восходящим характером вольт-амперной характеристики для каждой дуги.

4. На опытной установке определены энергетические характеристики Ц(1) движущегося относительно плоской поверхности многодугового нагревателя в зависимости от расхода газа, размера электрода, расстояния от плазмотрона до преграды и скорости его движения.

5. Расчётно-аналитическим путём выяснено тепловое действие многодугового разряда на стержневой электрод, выполненный из углеграфитового материала. Аналитические формулы показывают, что распределение температуры и её величина определяются прежде всего мощностью дуговых источников тепла, их размером и положением на торце электрода.

6. Термоэлектрическим и пирометрическим способами определена температура на поверхности и в теле стержневого электрода углеграфитовой плазменной головки. Результаты опытов подтвердили выводы теоретического исследования о важной роли положения опорных пятен дуг в распределении температуры. Кроме того, обнаружено, что перемещение преграды относительно среза плазмотрона приводит к снижению температуры торца электродов (примерно на 200 °С при скорости « 0,3 м/с).

7. Исследовано эрозионное состояние углеграфитовых электродов при одновременном воздействии на них многодугового разряда и агрессивной воздушно-плазменной среды. Выяснено, что. кроме силы тока, геометрических размеров и т.п., эрозия зависит от взаимного положения электродов. Минимальный износ стержневого электрода на-

¡людается при расположении торцов электродов в одной плоскости и оставляет ~ 2-Ю"5 г/Кл при d = 60 мм и I = 1500 А. Силииирование лектродов повышает их стойкость против окисления и сохраняет почти 1еизменным межэлектродный зазор, что важно для поддержания дли-ельной работоспособности плазменной головки.

8. Проведена работа по внедрению результатов исследований шогодугового разряда и аппаратов на его основе в производство. При частии автора разработаны технологическая линия плазменной декора-ивной обработки строительных деталей, опытная установка с погруж-[ым плазмотроном для наплавки строительных свай, опытно-громышленная установка по переработке отходов производства мине-!алыюй ваты.

Для технологии плазменной отделки строительных деталей уста-говлены: электрические параметры дугового разряда, расход плазмооб-|азующего газа, скорость перемещения плазмотрона и др. На участке [лазменной отделки Березовского завода строительных конструкций [роизведен выпуск партии стеновых панелей, использованных для троительства здания подстанции метрополитена в г. Екатеринбурге.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Пашацкий Н.В., Молчанов Е.А., Волков А.Н. Тепловой режим работы графитовых электродов плазмотрона неременного тока //VIII Всесоюзн. конф. по генер. низкотемпературной плазмы. -Новосибирск, 1980. Ч. 2. С. 104-107.

Пашацкий Н.В., Молчанов Е.А. Эрозия графитовых электродов плазмотрона переменного тока //Изв. АН СССР. 1980. №8. Сер. техн. наук, вып. 2. С. 62-64.

3. Пашацкий Н.В., Молчанов Е.А., Чугин С.А. Исследование температурного режима графитового электрода плазмотрона //ИФЖ. 1982. Т. 43. № 1. С. 100-103.

4. Пашацкий Н.В., Молчанов Е.А. Отделка наружней поверхности стеновой панели плазменным способом //Промышленное строительство. 1991. №5. С. 9-19.

5. Молчанов Е.А. Характеристики многодугового разряда плазмотрона //Тезисы докл. научно-техн. конференции ОТИ. -Озерск, 1997. С. 26-27.

6. Пашацкий Н.В., Молчанов Е.А. О характеристиках расщепленного дугового разряда в потоке газа //Сварочное производство. 1997. № 7. С. 3-4.

7. Pashatsky N.V., Molchanov Е.А. Integral characteristics of power units with the splitted arc discharge //The third international conference on new energy systems and conversions.-Kazan, 1997. C. 193195.

8. Молчанов E.A.. Пашацкий H.B. Дробление разряда в плазменно-дуговых генераторах и его характеристики //Тезисы докл. конф. «Научная сессия МИФИ-98». -М. 1998. Ч. 4. С. 68-70.

9. Молчанов Е.А., Пашацкий Н.В. Оплавление поверхности изделий плазмой // Тезисы докл. конф. «Научная сессия МИФИ-98». -М. 1998. Ч. 4. С. 226-228.

10. A.c. № 1520783. СССР. МКИ. В 28 В 11/00. Способ декоративной отделки строительных изделий /Кузина Т.В., Пашацкий Н.В., Черников С.А., Молчанов Е.А., Медведева Л.Ю. /1989. Не подлежит опубл. в откр. печати.

11. A.c. № 1715647. Поточная линия для обработки строительных изделий /Пашацкий Н.В., Кузина Т.В., Мильштейн Х.Н., Молчанов Е.А.. 1992. № 8.

Заучно-технические отчеты:

12. Научно-технический отчет «Разработка установки и способа плазменной обработки поверхности строительных конструкций. Этапы 3 и 4. Исследование температурного поля в керамической плите, оплавляемой движущимся плазмотроном». -Челябинск: отд. № 1 МИФИ. 1984.

13. Научно-технический отчет «Разработка установки и способа плазменной обработки поверхности строительных конструкций. Этап 3. Исследование газодинамики и температуры газа в плазмотроне». -Челябинск: отд. № 1 МИФИ. 1985.

14. Научно-технический отчет «Доработка узлов линии плазменной отделки стеновых панелей. Повышение стойкости графитовых электродов»-Челябинск: отд. № 1 МИФИ. 1989.

15. Научно-технический отчет «Исследование возможности переработки отходов минеральной ваты на плазменной установке». -Челябинск: отд. № 1 МИФИ, 1991. -11 с.

16. Научно-технический отчет «Разработка и изготовление установки с погружным плазмотроном». -Челябинск: отд. Кг 1 МИФИ, 1991.-21 с.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а2 - коэффициент температуропроводности; ср - теплоемкость; с/ - диаметр; £ - напряженность электрического поля; Jo, J^, <¡2 ~ функции Бесселя первого рода; /7 - энтальпия; / - сила тока; количество тепла; И - радиус; - радиус стержневого электрода; Э - расстояние от торца плазмотрона до обрабатываемой поверхности; Т - температура; t - время; V - скорость; а - коэффициент теплоотдачи; % - коэффициент теплопроводности; р - плотность; а - электропроводность.

Подписано в печать 15.05.98

Бумага типографская Плоская печать

Уч. изд. Л. 1,09 Тираж 100

Формат 60x84 1/16 Усл. П. Л. 1,39 Заказ 235 Бесплатно

Редакционно-издэтельский отдел ОТИ МИФИ 456783, Озерск, пр. Победы, 48