RU2441353C1 - Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation - Google Patents
Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2441353C1 RU2441353C1 RU2010126484/07A RU2010126484A RU2441353C1 RU 2441353 C1 RU2441353 C1 RU 2441353C1 RU 2010126484/07 A RU2010126484/07 A RU 2010126484/07A RU 2010126484 A RU2010126484 A RU 2010126484A RU 2441353 C1 RU2441353 C1 RU 2441353C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- water
- insert
- anode insert
- arc
- Prior art date
Links
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электродуговым плазмотронам, работающим на водяном паре, и может быть эффективно использовано в плазмохимии, металлургии, при разрушении горных пород, резке металлов и напылении жаростойких покрытий.The invention relates to electric arc plasmatrons operating on water vapor, and can be effectively used in plasma chemistry, metallurgy, in the destruction of rocks, metal cutting and spraying of heat-resistant coatings.
Известен электродуговой плазмотрон (патент РФ №2165130, МПК Н05В 7/18, 1999 г.), по которому для жидкостной стабилизации до подачи тангенциального потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, с помощью которого, используя вспомогательный разряд, зажигают рабочую дугу. После подачи плазмообразующего газа тангенциальные потоки жидкости раздельно один за другим подают в последовательно расположенные по оси камеры жидкостной стабилизации. В корпусе плазмотрона по оси установлены газовая камера с патрубком ввода плазмообразующего газа, полый электрод с системой магнитной стабилизации и дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой, плотно подсоединенной к нему торцом, камера жидкостной стабилизации; вторая камера жидкостной стабилизации, со стороны нижней диафрагмы которой к введенному водосборнику-рассекателю можно подсоединить съемный анод-сопло с системой магнитной стабилизации дуги.Known electric arc plasmatron (RF patent No. 21515130, IPC Н05В 7/18, 1999), according to which, for liquid stabilization, a plasma-forming gas flow swirls relative to the axis of the gas chamber is fed before the tangential fluid flow is supplied, by which it is ignited using an auxiliary discharge working arc. After the plasma-forming gas is supplied, the tangential flows of liquid are separately fed one after the other to the liquid stabilization chambers arranged in series along the axis. A gas chamber with a plasma-forming gas inlet pipe, a hollow electrode with a magnetic stabilization system and an additional electrode, which is the upper diaphragm tightly connected to it by the end face, a liquid stabilization chamber, are installed along the axis in the plasma torch case; the second liquid stabilization chamber, from the side of the lower diaphragm of which a removable anode nozzle with a magnetic arc stabilization system can be connected to the introduced catchment-divider.
Недостатком плазмотрона является: сложное конструктивное решение; невозможность точного производства заданного количества пароводяной плазмы; ненадежность работы после прекращения подачи газа с полого электрода; наличие пульсаций струи плазмы из-за взрывообразного испарения воды в электродуговой камере и повышенная вследствие этого эрозия электродов.The disadvantage of the plasma torch is: a complex constructive solution; the impossibility of accurate production of a given amount of steam-water plasma; unreliability of work after the gas supply from the hollow electrode is cut off; the presence of pulsations of the plasma jet due to explosive evaporation of water in the electric arc chamber and increased erosion of the electrodes as a result.
Известен также электродуговой плазмотрон (патент РФ №1620032, 1989 г., МПК Н05В 7/22), выбранный за прототип, в котором сухой перегретый пар генерируется из охлаждающей воды в каналах охлаждения катода, сопла-анода и анодной вставки, а затем подается на вход в вихревую камеру. Подогрев плазмотрона при запуске осуществляется на воздухе путем его подачи в вихревую камеру. При работе с паром на расчетном режиме (tпара=250-350°С) весь тепловой поток от дуги поступает в стенки катода, анодной вставки и сопла-анода возвращается в плазму с произведенным паром, и тепловой КПД плазмотрона оказывается близким к 100%. Наличие капиллярной структуры в каналах сопла-анода, выполненной в виде уложенного с зазором в канал медного вытеснителя, обеспечивает эффективное испарение воды и беспульсационный режим подачи сухого перегретого пара в плазмотрон.An electric arc plasmatron is also known (RF patent No. 1620032, 1989, IPC Н05В 7/22), selected for the prototype, in which dry superheated steam is generated from cooling water in the cooling channels of the cathode, anode nozzle and anode insert, and then fed to entrance to the vortex chamber. The plasma torch at startup is heated in air by feeding it into the vortex chamber. When working with steam in the design mode (t steam = 250-350 ° С), the entire heat flux from the arc enters the cathode walls, the anode insert and the anode nozzle are returned to the plasma with the produced steam, and the thermal efficiency of the plasma torch is close to 100%. The presence of a capillary structure in the channels of the anode nozzle, made in the form of a copper displacer placed with a gap in the channel, ensures efficient evaporation of water and a pulsation-free mode of supply of dry superheated steam to the plasma torch.
Недостатками прототипа является то, что катодный узел и анод с начальным участком последовательно охлаждаются одной и той же водой, предназначенной для парогенерации. Количество ее очень ограничено, и развить большую мощность плазмотрон не сможет из-за явной нехватки воды для охлаждения электродных узлов; а также большая эрозия электродов и пульсации дуги при переходе с холодного воздуха на пар, во время запуска и сравнительно невысокая температура генерируемой плазмы.The disadvantages of the prototype is that the cathode assembly and the anode with the initial section are sequentially cooled by the same water intended for steam generation. Its quantity is very limited, and the plasma torch will not be able to develop large power due to the apparent lack of water for cooling the electrode assemblies; as well as large erosion of the electrodes and arc pulsations during the transition from cold air to steam, during start-up, and the relatively low temperature of the generated plasma.
Сложность конструкции - прототип оснащен двумя вихревыми камерами для воздуха и водяного пара.Design complexity - the prototype is equipped with two swirl chambers for air and water vapor.
Начальный участок плазмотрона (анодная вставка) выполнен цельнометаллическим и ввиду большой разности температур между внутренней и внешней поверхностями подвержен большим термическим напряжениям, приводящим к разрушению конструкции.The initial section of the plasma torch (anode insert) is made all-metal and, due to the large temperature difference between the internal and external surfaces, is subject to high thermal stresses, leading to structural failure.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение надежности, мощности плазмотрона и температуры плазмы на выходе.The objective of the invention is to simplify the design, increase the reliability, power of the plasma torch and plasma temperature at the exit.
Технический результат достигается благодаря тому, что электродуговой плазмотрон с паровихревой стабилизацией дуги содержит соосно и последовательно установленные водоохлаждаемый катодный узел с экраном и изолятором, установленную с межэлектродным зазором анодную вставку, выполненную в виде полого цилиндра с винтовыми каналами охлаждения, и рубашку, а также водоохлаждаемый анодный узел с соленоидом. Согласно изобретению анодная вставка служит парогенератором и оснащена рубашкой и винтовым каналом охлаждения, размещенным между ними, а также n-заходными резьбовыми проточками, сообщающими винтовой канал охлаждения с межэлектродным зазором и с внутренним каналом анодной вставки, причем анодная вставка и рубашка выполнены из металлов с различными коэффициентами теплового расширения и установлены с тепловым зазором относительно друг друга, при этом анодную вставку охлаждают дозированным количеством воды, зависящим от мощности плазмотрона, а катодный и анодный узлы - неограниченным количеством воды, раздельно от анодной вставки. Направление тока в обмотке соленоида, размещенного на аноде, задают одинаковое с направлением n-заходных проточек на анодной вставке и направлением закрутки плазмообразующего газа.The technical result is achieved due to the fact that the arc plasma torch with steam-vortex stabilization of the arc contains a coaxially and sequentially mounted water-cooled cathode assembly with a screen and an insulator, an anode insert installed in the form of a hollow cylinder with screw cooling channels, and a jacket, as well as a water-cooled anode knot with a solenoid. According to the invention, the anode insert serves as a steam generator and is equipped with a jacket and a screw cooling channel located between them, as well as n-threaded grooves communicating with a screw cooling channel with an interelectrode gap and with an internal channel of the anode insert, wherein the anode insert and the jacket are made of metals with various coefficients of thermal expansion and are installed with a thermal gap relative to each other, while the anode insert is cooled with a dosed amount of water, depending on the plasma power throne, and the cathode and anode nodes - an unlimited amount of water, separately from the anode insert. The direction of the current in the winding of the solenoid placed on the anode is set to be the same with the direction of the n-entry grooves on the anode insert and the direction of twist of the plasma-forming gas.
Технический результат в предлагаемом плазмотроне обеспечивается тем, что теплонапряженные детали конструкции плазмотрона (катод и анод) охлаждаются каждая в отдельности. Причем охлаждение электродов (катода и анода) не ограничено в количестве подаваемой воды и обеспечивает работоспособность электродов при больших токах и мощностях. Парогенераторная вода подается дозированно только в рубашку охлаждения анодной вставки. Она без пульсации превращается с помощью капиллярной структуры в пар и по резьбовым проточкам и затем через межэлектродный зазор проходит в плазмотрон в виде вихревого потока. Установка соленоида на корпусе анода в несколько раз увеличивает ресурс работы анода.The technical result in the proposed plasmatron is ensured by the fact that the heat-stressed structural parts of the plasma torch (cathode and anode) are cooled individually. Moreover, the cooling of the electrodes (cathode and anode) is not limited in the amount of water supplied and ensures the performance of the electrodes at high currents and powers. Steam-generating water is dosed only in the cooling jacket of the anode insert. It without pulsation turns with the help of a capillary structure into steam and through threaded grooves and then passes through the interelectrode gap into the plasmatron in the form of a vortex flow. Installing a solenoid on the anode body increases the life of the anode several times.
В предлагаемом техническом решении анодная вставка свободно перемещается в рубашке, что исключает появление термонапряжений.In the proposed technical solution, the anode insert moves freely in the shirt, which eliminates the occurrence of thermal stresses.
На чертеже представлен продольный разрез электродугого плазмотрона с паровихревой стабилизацией дуги.The drawing shows a longitudinal section of an electric arc plasmatron with vortex stabilization of the arc.
Электродуговой плазмотрон с паровихревой стабилизацией дуги содержит соосно и последовательно установленные водоохлаждаемый катодный узел 1 с экраном 2, изолятор 3, анодную вставку 4, которая служит парогенератором, выполнена в виде полого цилиндра с рубашкой 5, а между ними размещен винтовой канал охлаждения 6 с вытеснителем 7, кольцевой ресивер 8 и резьбовая n-заходная проточка 9 для закрутки воздуха и пара. Анодная вставка 4 и рубашка 5 выполнены из металлов с различными коэффициентами теплового расширения и охлаждаются дозированным количеством воды исходя из мощности плазмотрона. В винтовой канал охлаждения 6 анодной вставки 4 уложен металлический (проволочный) вытеснитель 7 для создания капиллярной структуры. Вытеснитель уложен в канале с зазором 0,1-0,5 мм. Соосно катодному узлу и анодной вставке установлен водоохлаждаемый анодный узел 10. Катодный и анодный узлы охлаждают раздельно неограниченным количеством воды. Анодная вставка 4 и экран 2 катодного узла 1 имеют участки 11 и 12, выполненные из меди и образующие межэлектродный зазор 13, наклонный, например, под углом 30°<α<90° относительно оси плазмотрона. На корпусе анода установлен соленоид 14, обеспечивающий в несколько раз увеличение ресурса работы анода. Направление тока в его обмотке должно совпадать с направлением резьбовой проточки 9 и соответственно направлению закрутки плазмообразующего газа. На чертеже показаны катод 15 и электрическая дуга 16. Анодная вставка имеет общий канал подачи воздуха и воды, но технологически они разнесены по времени подачи, что необходимо для пуска устройства. Величина межэлектродного зазора регулируется с помощью прокладок 17 изолятора 3.An electric arc plasma torch with vortex stabilization of the arc contains a coaxially and sequentially mounted water-cooled cathode assembly 1 with a screen 2, an insulator 3, an anode insert 4, which serves as a steam generator, made in the form of a hollow cylinder with a jacket 5, and a spiral cooling channel 6 with a displacer 7 is placed between them , annular receiver 8 and threaded n-entry groove 9 for swirling air and steam. The anode insert 4 and the jacket 5 are made of metals with different coefficients of thermal expansion and are cooled by a dosed amount of water based on the power of the plasma torch. A metal (wire) displacer 7 is placed in the screw cooling channel 6 of the anode insert 4 to create a capillary structure. The displacer is laid in the channel with a gap of 0.1-0.5 mm. A water-cooled anode assembly 10 is installed coaxially with the cathode assembly and the anode insert. The cathode assembly and the anode assembly are cooled separately by an unlimited amount of water. The anode insert 4 and the screen 2 of the cathode assembly 1 have sections 11 and 12 made of copper and forming an interelectrode gap 13 inclined, for example, at an angle of 30 ° <α <90 ° relative to the axis of the plasma torch. A solenoid 14 is installed on the anode casing, providing a several-fold increase in the life of the anode. The direction of the current in its winding should coincide with the direction of the threaded groove 9 and, accordingly, the direction of twist of the plasma-forming gas. The drawing shows the cathode 15 and the electric arc 16. The anode insert has a common air and water supply channel, but they are technologically separated by the supply time, which is necessary for starting the device. The magnitude of the interelectrode gap is regulated using the gaskets 17 of the insulator 3.
Электродуговой плазмотрон с паровихревой стабилизацией дуги работает следующим образом.An electric arc plasma torch with vortex stabilization of the arc works as follows.
Запуск плазмотрона начинается с подачи воздуха через канал подачи в анодную вставку 4, где он, проходя по винтовому каналу 6 с вытеснителем 7, прогревается и затем, пройдя по кольцевому ресиверу 8 и по n-заходной резьбовой проточке 9, приобретает закрутку и входит через межэлектродный зазор 13 в электродуговую камеру плазмотрона. Затем на катодный узел 1 и анод 10 подают напряжение источника питания и с помощью осциллятора (не показано) осуществляют электрический пробой межэлектродного зазора 13. Образуется искра, по которой развивается электрическая дуга 16. Магнитное поле соленоида 14 существенно снижает эрозию анода. Через несколько минут работы плазмотрона, когда воздух и анодная вставка 4 нагреются до 300-500°С, производится плавная замена воздуха водой, которая поступает в винтовой канал 6 с вытеснителем 7. Протекая через капиллярные зазоры вытеснителя, вода эффективно охлаждает анодную вставку 4, сама при этом нагревается и плавно без пульсаций испаряется. Образовавшийся водяной пар поступает из кольцевого ресивера 8 в резьбовую проточку 9, приобретая закрутку, и через межэлектродный зазор 13 поступает в плазмотрон в виде паровихревого потока, который стабилизирует осевое положение электрической дуги 16 в электродуговой камере. Расход воздуха в течение 10-15 с снижается до нуля. Далее плазмотрон продолжает работать на чистом водяном паре в режиме автономной парогенерации. Для предохранения экрана 2 и анодной вставки 4 от повышенного износа во время искрового поджига дуги места на них, где зазор минимален, армированы медными вкладышами 11 и 12. Величина межэлектродного зазора регулируется прокладками 17 на изоляторе 3.The start of the plasma torch begins with the air supply through the feed channel to the anode insert 4, where it, passing through the screw channel 6 with the displacer 7, warms up and then, passing through the annular receiver 8 and the n-threaded groove 9, acquires a twist and enters through the interelectrode the gap 13 in the arc chamber of the plasma torch. Then, the voltage of the power source is supplied to the cathode assembly 1 and the anode 10, and an electric breakdown of the interelectrode gap 13 is applied using an oscillator (not shown). A spark is generated along which the electric arc 16 develops. The magnetic field of the solenoid 14 substantially reduces the erosion of the anode. After a few minutes of operation of the plasma torch, when the air and the anode insert 4 are heated to 300-500 ° C, air is smoothly replaced by water, which enters the screw channel 6 with the displacer 7. Flowing through the capillary gaps of the displacer, the water effectively cools the anode insert 4, itself it heats up and evaporates smoothly without ripple. The resulting water vapor flows from the annular receiver 8 into the threaded groove 9, acquiring a twist, and through the interelectrode gap 13 enters the plasma torch in the form of a vortex stream, which stabilizes the axial position of the electric arc 16 in the electric arc chamber. Air consumption for 10-15 s is reduced to zero. Further, the plasmatron continues to operate on pure water vapor in the mode of autonomous steam generation. To protect the screen 2 and the anode insert 4 from increased wear during spark ignition of the arc, places on them where the gap is minimal are reinforced with copper inserts 11 and 12. The magnitude of the interelectrode gap is regulated by gaskets 17 on insulator 3.
Действие анодного соленоида будет положительно, если направление тока в его обмотке совпадает с направлением n-заходной резьбовой проточки на анодной вставке, равно как и с направлением закрутки придаваемое ею плазмообразующему газу.The action of the anode solenoid will be positive if the direction of the current in its winding coincides with the direction of the n-threaded groove in the anode insert, as well as with the swirl direction, which it gives to the plasma-forming gas.
Настоящее техническое решение позволяет увеличить мощность плазмотрона с пароводяной стабилизацией дуги и температуру пароводяной плазмы на выходе из плазмотрона.This technical solution allows to increase the power of the plasma torch with steam-water stabilization of the arc and the temperature of the steam-water plasma at the exit of the plasma torch.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2165130, МПК Н05В 7/18, 1999 г.1. RF patent №2165130, IPC Н05В 7/18, 1999
2. Патент РФ №1620032, МПК Н05В 7/22, 1989 г. - прототип.2. RF patent No. 1620032, IPC Н05В 7/22, 1989 - prototype.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010126484/07A RU2441353C1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010126484/07A RU2441353C1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2441353C1 true RU2441353C1 (en) | 2012-01-27 |
Family
ID=45786591
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010126484/07A RU2441353C1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2441353C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518171C2 (en) * | 2012-07-31 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Water-steam arc heater |
RU2575202C1 (en) * | 2014-10-06 | 2016-02-20 | Сергей Александрович Вощинин | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants |
CN109803478A (en) * | 2019-03-28 | 2019-05-24 | 成都金创立科技有限责任公司 | Plasma generator water cooling anode |
RU2721931C1 (en) * | 2020-01-13 | 2020-05-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазариум" | Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam |
CN116321653A (en) * | 2023-03-07 | 2023-06-23 | 盐城工学院 | Water vapor plasma generator and working method thereof |
-
2010
- 2010-06-28 RU RU2010126484/07A patent/RU2441353C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518171C2 (en) * | 2012-07-31 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Water-steam arc heater |
RU2575202C1 (en) * | 2014-10-06 | 2016-02-20 | Сергей Александрович Вощинин | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants |
CN109803478A (en) * | 2019-03-28 | 2019-05-24 | 成都金创立科技有限责任公司 | Plasma generator water cooling anode |
RU2721931C1 (en) * | 2020-01-13 | 2020-05-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазариум" | Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam |
CN116321653A (en) * | 2023-03-07 | 2023-06-23 | 盐城工学院 | Water vapor plasma generator and working method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5396609B2 (en) | Plasma device | |
US8779323B2 (en) | Electrode for plasma torch with novel assembly method and enhanced heat transfer | |
US20130292363A1 (en) | Non-transferred and hollow type plasma torch | |
RU2441353C1 (en) | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation | |
US8783196B2 (en) | AC plasma ejection gun, the method for supplying power to it and pulverized coal burner | |
RU2340125C2 (en) | Electroarc plasmatron | |
JP7271489B2 (en) | Energy efficient, high output plasma torch | |
US20160216002A1 (en) | Heating system having plasma heat exchanger | |
CN107949140A (en) | A kind of spring arc striking type plasma burner | |
CN115175427A (en) | Water vapor plasma generator and implementation method thereof | |
RU2577332C1 (en) | Three-phase electric arc plasma generator and method for start-up thereof | |
Anshakov et al. | Electric-arc steam plasma generator | |
KR20040097585A (en) | Modularized nontransferred thermal plasma torch with an adjustable structure for material processing | |
CN207720495U (en) | A kind of spring arc striking type plasma burner | |
RU2458489C1 (en) | Double-jet arc plasmatron | |
Anshakov et al. | Investigation of thermal plasma generator of technological function | |
RU2268558C2 (en) | Water-steam plasma generator | |
RU2374791C1 (en) | Electric arc ac plasmotron | |
RU202987U1 (en) | AC THREE-PHASE PLASMA TORCH | |
RU2071189C1 (en) | Plasma generator | |
RU2518171C2 (en) | Water-steam arc heater | |
RU2387107C1 (en) | Electric arc plasmatron | |
RU140498U1 (en) | POWDER SPRAY PLASMATRON | |
RU2440701C1 (en) | Combined plasmatron | |
CN114427497A (en) | Plasma flame generator and ignition system for axial-flow engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160629 |