5 Технологическое применение плазмотрона

В наше время для развития науки и техники во многих случаях существует потребность в обеспечении достаточно высоких и стабильных температур. Наиболее удобно использовать для их получения плазменное оборудование. Такие свойства низкотемпера­турной плазмы, как высокая температура и большая концентрация энергии в малом объеме, открывают возможность ис­пользования ее в металлургических процессах при прямом восстановлении металлов из окислов, при выращивании мо­нокристаллов и напылении и т.д. В настоящее время возникла острая проблема по переработке бытовых, органических и промышленных отходов и данный плазмотрон подходит для использования в этом направлении. Еще одно преимущество плазменной утилизации отходов – это возможность создания экологически чистого, безотходного процесса. Отходы, поступающие в реактор, сжигаясь, выделяют газы, которые возможно использовать как добавки к плазмообразующему газу, таким образом, делая замкнутый цикл. Из остатков сгоревших отходов с помощью различных химических реакций возможно выделение так же полезных элементов. На таком принципе построено и успешно эксплуатируются мусоросжигательные заводы в Европе, где из продуктов реакции выделяют редкоземельные металлы, а также такие редкие химические элементы как скандий и гадолиний.

Также данный плазмотрон может найти применение в металлургии, производстве огнеупоров, плазмохимической переработки угля и различных других технологических процессах .

6 Научно-исследовательская работа студента

Темой научно-исследовательской работы является исследование зависимости температуры плазменной струи от расхода рабочего газа.

Считаем постоянными и известными величинами начальную энтальпию , давление воздуха на выходе из плазмотрона, длину и диаметр разрядного канала плазмотрона. Для простоты расчета будем также считать силу тока постоянной величиной. Это возможно, так как в реальных условиях данную величину можно поддерживать равной какому-либо определенному значению.

Зависимость температуры струи от расхода рабочего газа будем исследовать при трех различных силах тока: , , .

Для нахождения зависимости воспользуемся системой следующих уравнений:

• вольт-амперной характеристики плазмотрона:

(6.1)

• теплового КПД плазмотрона:

(6.2)

• энергии истекающей струи:

(6.3)

которая позволит определить сначала зависимость энтальпии на выходе из плазмотрона от расхода рабочего газа, а затем переведем полученные значения энтальпии в соответствующие ей значения температуры [1].

Решая систему относительно каждого из значений сил тока , , , найдем для различных расходов газа величины энтальпии на выходе из плазмотрона , которые переведем в температуру (таблица 6.1).

Таблица 6.1 – Зависимость энтальпии и температуры плазменной струи от расхода рабочего газа:

0,021	4,6	3200	5,5	3450	6,3	3650
0,023	4,4	3110	5,3	3380	6	3550
0,025	4,2	3050	5	3300	5,8	3500
0,027	4	2990	4,9	3270	5,6	3450
0,029	3,9	2950	4,7	3200	5,4	3400
0,031	3,7	2860	4,5	3150	5,2	3350
0,033	3,6	2800	4,4	3100	5	3290
0,035	3,5	2780	4,2	3060	4,8	3260
0,037	3,4	2710	4,1	3010	4,7	3210
0,039	3,3	2680	4	2990	4,6	3120

Построим график зависимости температуры плазменной струи на выходе из плазмотрона от расхода рабочего газа (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Кривые зависимости температуры плазменной струи от расхода рабочего газа

Из графиков видно, что с ростом расхода рабочего газа температура плазменной струи уменьшается. Это связано с тем, что чем меньше расход газа, тем быстрее он прогревается, а при увеличении расхода, газ не успевает прогреться до такой же высокой температуры.

ВЫВОДЫ

В данной курсовой работе рассчитан плазмотрон косвенного действия со следующими характеристиками: напряжение на дуге 411 В, ток дуги 380 А, тепловой КПД 73%, мощность плазмотрона составляет около 156 кВт. Рабочий газ – воздух, начальная температура которого составляет 300 К, конечная – 3000 К. Катод – стержневой, вольфрамовый. Анод – медный, с уступом. Ресурс работы плазмотрона – 143 часа. Был выполнен расчет системы охлаждения электродов.

В работе даны рекомендации по выбору источника питания для плазмотрона. В качестве возможного варианта источника питания для данного плазмотрона предложен источник электропитания типа ВУЦ - 630/1У4-1, описаны его основные характеристики и устройство.

Рассмотрены возможные варианты его технологического использования, например, при переработке различных отходов, в металлургии, производстве огнеупоров, плазмохимической переработки угля и различных других технологических процессах.

В научно-исследовательской работе студента была исследована зависимость температуры плазменной струи от расхода рабочего газа, приведена таблица расчетных данных зависимости и изображен соответствующий график. Установлено, что с ростом расхода рабочего газа, температура плазменной струи уменьшается.