Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика и техника высокочастотной газоразрядной плазмы. Лабораторный практикум. Учебное пособие.pdf
51
Полученные значения (рис. 5.7) хорошо согласуются с вычисленными для изотермических потоков и измеренными в холодных потоках
газа. При этом следует отметить, что числа Re вычисляли по диаметру
цилиндра, а за определяющую температуру, по которой выбирали теплофизические свойства аргона, принимали температуру потока.
Рис. 5.6. Схема измерения скорости течения плазмы
по реакции поперечно обтекаемого цилиндра:
а – плазмотрон; б – датчик с цилиндром; в – трубка полного напора;
1 – поперечно обтекаемый цилиндр; 2 – мембрана;
3 – неподвижный электрод; 4 – титановый стержень
Рис. 5.7. Зависимость коэффициента лобового сопротивления
поперечно обтекаемого цилиндра от числа Re
52
5.3. Описание плазменной установки на базе ВЧФ-плазмотрона
Плазменная установка на базе ВЧФ-плазмотрона предназначена
для генерирования потоков воздушной плазмы и представляет собой
функциональное объединение двух блоков (рис. 5.8):
генераторный блок (ВЧ-генератор ВЧГ8-60/13);
технологический блок (ВЧФ-плазмотрон).
1
К
2
3
4
5
6
ВОДА
В8
В9
М2
Р4
В4
Р3
В3
Р2
В2
Р1
В1
В5
В6
В7
М1
Рис. 5.8. Схема плазменной установки на базе ВЧФ-плазмотрона:
1 – ВЧ-генератор ВЧГ8-60/13; 2 – водоохлаждаемый электрод;
3 – узел ввода плазмообразующего и охлаждающего газа;
4 – водоохлаждаемый корпус ВЧФ-плазмотрона; 5 – кварцевая разрядная камера
ВЧФ-плазмотрона; 6 – слив охлаждающей воды; К – компрессор;
М1, М2 – манометры; Р1–Р4 – ротаметры; В1–В9 – вентили
ВЧ-генератор ВЧГ8-60/13 размещён в экранированном металличе-
ском шкафу, обеспечивающем надёжную защиту от электромагнитного
излучения. Основные технические характеристики ВЧ-генератора
ВЧГ8-60/13 приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Основные технические характеристики генератора ВЧГ8-60/13
Величина
Единица измерения
Значение
Напряжение питающей сети
В
380
Частота питающей сети
Гц
50
Потребляемая мощность
кВт
90
Колебательная мощность
кВт
60 ± 6
Рабочая частота
МГц
13,56 ± 0,13
КПД % не менее 75
Напряжение анодное
кВ
10,4…10,5
Ток анодный
А
7,6…7,7
Ток сеточный
А
1,8
Расход охлаждающей воды
м3/ч
не менее 1,4
53
Высокочастотный экранированный отсек разделен на две части:
анодную и сеточную. В анодной части расположены: генераторная лампа
ГУ-66А со стендом охлаждения, водоохлаждаемая регулируемая анодная
индуктивность, две группы регулируемых вакуумных конденсаторов
КП1-3-15/350 для регулирования частоты и мощности ВЧ-генератора, фидер –
для связи генератора с нагрузкой, дроссель безопасности, дроссели фильтра.
В сеточной части расположены: сеточная водоохлаждаемая индук-
тивность, вакуумный конденсатор КП1-3-15/350 с ручной регулировкой
сеточного тока, сеточный дроссель, блокировочные конденсаторы и антипаразитные сопротивления.
Электрические выводы из высокочастотного отсека выполнены че-
рез проходные конденсаторы.
В неэкранированном отсеке расположены: рубильник, контактор,
анодный трансформатор, выпрямитель, трансформатор накала генераторной лампы, аппаратура управления, контроля и защиты, вентилятор для
охлаждения генераторной лампы, приводы вакуумных конденсаторов.
На дверях ВЧ-генератора с лицевой стороны расположены измери-
тельные приборы, сигнальные лампы, кнопки и тумблеры включения
и управления генератором, блок стабилизации частоты, гнездо для измерения частоты.
На левой боковой стороне шкафа ВЧ-генератора расположен пере-
ключатель анодного напряжения (50 и 100 %).
На нижней раме ВЧ-генератора имеются трубки для подачи и слива
охлаждающей воды, болты для подсоединения генератора к общему заземлению.
Технологический блок (ВЧФ-плазмотрон) включает следующие ос-
новные элементы (рис. 5.8): водоохлаждаемый электрод 2; узел ввода
плазмообразующего и охлаждающего газа 3; водоохлаждаемый корпус
ВЧФ-плазмотрона 4; кварцевая разрядная камера ВЧФ-плазмотрона 5;
слив охлаждающей воды 6; компрессор (К); манометры (М1, М2); ротаметры (Р1–Р4); вентили (В1–В9).
5.4. Порядок выполнения работы
Работа выполняется в следующей последовательности:
1. Включить компрессор К (рис. 4.1) и вентилем В1 установить
на ротаметре Р1 необходимый расход плазмообразующего газа QПГ,
а вентилем В2 – на ротаметре Р2 расход газа QОГ, охлаждающего кварцевую разрядную камеру. При помощи узла «поджига» возбудить ВЧФразряд в разрядной камере ВЧФ-плазмотрона и позиционерами на лицевой панели шкафа ВЧ-генератора довести заданный режим работы генератора (JА = 2,0…5,0 А; JС = 1,2…1,5 А).
54
2. Через 10 минут, после установления режимов, провести замеры
температуры охлаждающей воды на водоохлаждаемых элементах плазменного стенда.
3. Используя данные, полученные в лабораторной работе «Граду-
ировка датчиков расхода жидкости и газа», рассчитать потери тепловой
мощности, выделяемые на водоохлаждаемых элементах системы
«ВЧ-генератор – ВЧФ-плазмотрон».
4. Определить скорость плазменной струи, генерируемой ВЧФ-
плазмотроном, при различных значениях анодного тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ и расхода газа QОГ, охлаждающего кварцевую
разрядную камеру ВЧФ-плазмотрона. Результаты занести в табл. 5.2.
5. Провести математическую обработку полученных результатов.
Построить графические зависимости скорости плазменной струи
от анодного тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ и расхода газа QОГ, охлаждающего кварцевую разрядную камеру ВЧФ-плазмотрона.
Результаты занести в табл. 5.3, 5.4.
6. Провести анализ полученных результатов. Определить опти-
мальные режимы работы ВЧФ-плазмотрона с оптимальной скоростью
струи. Сделать выводы.
Таблица 5.2
Начальные параметры плазмообразующего и охлаждающего газа и воды
Плазмообр.
газ
Анод
Сетка
Электрод
Корпус
плазмотрона
t
нач
, °C
Q, г/с
Таблица 5.3
Режимы работы плазменной установки
№
Jа, А Jс, А Uа,
кВ
Qг,
г/с
Qа,
г/с
Δtа,
°C
Qс,
г/с
Δtс,
°C
Qэ,
г/с
Δtэ,
°C
Qк,
г/с
Δtк,
°C 1 2 … 7
Mср
ΔM
5.5. Расчетные формулы
1. Мощность, потребляемая ВЧ-генератором от сети:
0 aa
P J U
, кВт,
где Ja – ток анода, А; Ua – напряжение на аноде генераторной лампы, кВ.
55
2. Мощность, выделяемая на аноде генераторной лампы:
3
4,186 10
а a p a
P m c t
, кВт,
где ma – массовый расход воды для охлаждения анода генераторной
лампы, кг/с; Cp – теплоемкость воды, ккал/кг; Δta – разность начальной
и конечной температур охлаждающей воды, °C.
3. Мощность, выделяемая на сеточной и анодной индуктивности:
3
4,186 10
с с p с
P m c t
, кВт,
где mс – массовый расход воды для охлаждения сеточной и анодной индуктивности, кг/с; Δtс – разность начальной и конечной температур
охлаждающей сеточную и анодную индуктивность воды, °C.
4. Мощность, выделяемая на электроде ВЧ-плазмотрона:
3
э э э
4,186 10
p
P m c t
, кВт,
где mэ – массовый расход воды для охлаждения электрода, кг/с;
Δtэ – разность начальной и конечной температур охлаждающей воды, °C.
5. Мощность, выделяемая на корпусе ВЧ-плазмотрона:
3
кп кп кп
4,186 10
p
P m c t
, кВт,
где mкп – массовый расход воды для охлаждения корпуса, кг/с;
Δtкп – разность начальной и конечной температур воды, °C.
6. Мощность ВЧФ-разряда
разр 0 эac
P P P P P
, кВт.
7. Мощность воздушной плазменной струи, генерируемой
ВЧФ-плазмотроном:
стр разр кп
P P P
, кВт.
8. КПД ВЧФ-плазмотрона
стр
пл
разр
100
P
P
, %.
9. Энтальпия плазменной струи
стр
3
298
г
10
T
P
HH
Q
, кДж/кг,
где Qг – массовый расход плазмообразующего газа (воздуха), кг/с;
Н
298
– энтальпия воздуха при 298 К.
10. Среднемассовая температура воздушной плазменной струи
определялась с помощью графической зависимости, представленной
на рис. 5.9.
56
Рис. 5.9. Влияние температуры на энтальпию воздуха
Таблица 5.4
Распределение потерь мощности на элементах плазменной установки
№
P0,
кВт
Pа,
кВт
Pс,
кВт
Pэ,
кВт
Pк,
кВт
P
раз
,
кВт
P
стр
,
кВт
ηпл, % HT,
кДж/кг
V
стр
,
м/с
1
2
…
7
Mср
ΔM
5.6. Математическая обработка и представление результатов экспериментальных исследований
Производятся в следующей последовательности:
1. Для каждой серии измерений (n = 7) вычислить среднее значение:
_
1
1
n
i
i
tt
n
.
57
2. Определить погрешности отдельных измерений:
_
0
ii
t t t
.
3. Для контроля правильности вычислений отклонений результа-
тов измерений от среднего арифметического вычислить
0
1
n
i
it
,
если результаты равны нулю, следовательно, ошибок в расчетах не было.
4. Вычислить квадраты погрешностей отдельных измерений. Для
контроля правильности вычисления сумм квадратов отклонений воспользоваться тождеством
_
2 2 2
11
( ) .
nn
ii
ii
t t t nt
5. Вычислить среднюю квадратичную погрешность результата се-
рии измерений (среднего арифметического):
0
2
1
()
( 1)
n
i
i
x
t
S
n
.
6. Для определения границ доверительного интервала воспользо-
ваться неравенством Чебышева:
2
1
( ) 1
xx
P x k S x x k S
k
,
для доверительной вероятности α = 0,95 коэффициент kα = 4,4.
7. Вычислить границы доверительного интервала:
0
x
t k S
.
8. Вычислить относительную погрешность результата серии изме-
рений:
0
0
100 %
t
t
t
.
9. Построить по итогам проведенной обработки результатов изме-
рений графические зависимости КПД ВЧФ-плазмотрона от анодного
тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ и расхода охлаждающего
кварцевую разрядную камеру газа QОГ.
58
5.7. Требования к содержанию отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Цель проведения работы.
2. Схему плазменной установки на базе ВЧФ-плазмотрона и ее
краткое описание.
3. Табличные данные и графические зависимости скорости плаз-
менной струи от анодного тока JА, расхода плазмообразующего газа QПГ.
4. Анализ полученных результатов. Оптимальные режимы работы
ВЧФ-плазмотрона с оптимальной скоростью. Выводы.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите основные узлы плазменной установки.
2. Опишите последовательность включения установки.
3. Опишите последовательность выключения установки.
4. Перечислите требования безопасности перед началом, во время
и по окончании работы установки.
5. Перечислите требования безопасности при аварийных ситуаци-
ях на установке.
6. Как определяется среднее значение для каждой серии измерений?
7. Как определяется погрешность отдельных измерений?
8. Как осуществляется правильность вычислений отклонений ре-
зультатов измерений от среднего арифметического?
9. Как осуществляется контроль правильности вычисления сумм
квадратов отклонений результатов измерений?
10. Как осуществляется правильность вычислений отклонений ре-
зультатов измерений от среднего арифметического?
11. Как определяется среднеквадратичная погрешность результата
серии измерений (среднего арифметического)?
12. Что означает доверительная вероятность α = 0,95?
17. Назовите размер серии измерений, чтобы доверительная веро-
ятность составляла α = 0,95.
18. Назовите величину коэффициента kα для α = 0,95.
19. Опишите вычисление границы доверительного интервала.
20. Как определяется относительная погрешность результата серии
измерений?
Список литературы
1. Дресвин С.В. Физика и техника низкотемпературной плазмы /
С.В. Дресвин. – Москва : Атомиздат, 1972. – 352 с.
2. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы /
С.А. Крапивина. – Ленинград : Химия, 1981. – 248 с.
59
3. Артамонов А.Г. Математическое моделирование и оптимизация
плазмохимических процессов / А.Г. Артамонов, В.М. Володин,
В.Г. Авдеев. – Москва : Химия, 1989. – 224 с.
4. Пархоменко В.Д. Технология плазмохимических производств /
В.Д. Пархоменко, П.Н. Цыбулев, Ю.И. Краснокутский. – Киев : Выща
школа, 1991. – 253 с.
5. Каренгин А.Г. Плазменные техника и технологии в ядерном
топливном цикле. Часть 1 : учебное пособие / А.Г. Каренгин,
И.Ю. Новоселов, А.А. Каренгин. – Томск : Изд-во ТПУ, 2020. – 149 с.
6. Кондрашов А.П. Основы физического эксперимента и матема-
тическая обработка результатов измерений / А.П. Кондрашов,
Е.В. Шестопалов. – Москва : Атомиздат, 1977. – 195 с.
7. Ясельский В.К. Обработка результатов измерений : учебное по-
собие / В.К. Ясельский, А.И. Кузнецов, В.Ф. Дядик. – Томск : Изд-во
ТПИ, 1977. – 95 с.
60
Лабораторная работа № 6
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ
ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
6.1. Цель работы
1. Определить тепловые потоки плазменной струи, генерируемой
ВЧФ-плазмотроном, при различных значениях тока анода, плазмообра-
зующего газа и охлаждающего кварцевую разрядную камеру газа.
2. Построить графические зависимости тепловых потоков плаз-
менной струи от тока анода, расхода плазмообразующего газа и охлаждающего газа кварцевую разрядную камеру.
3. Провести анализ полученных результатов. Определить опти-
мальные режимы работы ВЧФ-плазмотрона с максимальным КПД. Сделать выводы.
6.2. Измерение тепловых потоков
Существующие методы определения тепловых потоков плазмы
по способам регистрации делятся на стационарные и нестационарные.
Стационарные методы основаны на измерении разности температуры
охлаждающей воды, протекающей через исследуемую модель, помещенную в поток плазмы; нестационарные – на измерении зависимости
температуры датчика во времени.
Нестационарные методы. Из нестационарных методов наиболее
распространен метод измерения теплового потока с помощью датчика, представляющего собой металлическую пластину, покрытую с одной стороны слоем теплоизоляции бесконечной толщины. Нестационарные методы определения тепловых потоков классифицируются по
толщине металлической пластины и способу измерения ее температуры во времени.
Определение теплового потока по изменению температуры,
поверхности датчика (метод тонкопленочного термометра со-
противления). При постоянном одномерном тепловом потоке через
металлическую пластину конечной толщины, находящуюся в идеальном контакте с полубесконечным слоем изоляции, изменение
температуры на поверхности контакта металла и изоляции описывается выражением