SU599732A1 - Электродуговой нагреватель газа посто нного тока - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротермии, а более конкретно к области получения «низкотемпературной плазмы путем нагрева газа в электродуговых нагревателях и может быть использовано в плазмохимических производствах, в плазменной металлургии и в космической технике.

Известны плазмотроны, состоящие из разрядной камеры и электродов. Между электродами в газовом потоке возбуждается электродуговой разряд и нагретый и ионизированный газ вытекает из плазмотрона в виде плазменной струи.

Известен электродуговой нагреватель газа, содержащий разрядную камеру и подсоединенные к источнику питания катод и анод, выполненный по меньшей мере из двух одинаковых плазмотронов, снабженных выходными и торцовыми электродами.

Основным недостатком этого устройства является значительная эрозия катода, трудность в равномерном распределении основного тока по нескольким параллельно горящим дуговым каналам плазмотронов в прианодной области разрядной камеры, так как при любом случайном уменьшении напряжения между торцовым электродом плазмотрона и проводящей приэлектродном зоной разрядной камеры будет увели чиваться ток, ,и, следовательно, будет увеличиваться эрозия электродов. Причем уровень эрозии торцовых электродов плазмотронов неодинаков, что приводит к ухуд⁵ шению работы всего агрегата.

Кроме того, в прототипе используется столько силовых и вспомогательных источников тока, на сколько отдельных дуговых каналов разбивается основная дуга в прм^} анодной области. Все это приводит к значительному усложнению и удорожанию системы электропитания генераторов плазмы.

Целью изобретения является увеличение срока службы нагревателя путем уменыне15 ння эрозии и равномерного износа электродов. Это достигается тем, что катод нагревателя выполнен в виде по меньшей мере двух одинаковых, снабженных входными и выходными вспомогательными электродами плазмотронов, а диаметры выходных электродов соответственно катодного и анодного узлов определяют из соотношения:

D = А-[ —) « п ) при tn > — 0,5, где т — безразмерный коэффициент;

D— диаметр выходного вспомогательного электрода, м;

А — постоянная для заданного { кг-В\ давления и рода газа,1.....д В / — номинальный ток душ в разрядной камере, А;

п — количество плазмотронов со• ответственно в анодном или катодном узле;

G — номинальный расход газа через выходной вспомогательный электрод, кг/с;

В — номинальное падение напряжения на участке «торцовой электрод — проводящая приэлектродная зона разрядной камеры» диодного или катодного узла, В.

На фиг. 1 показан продольный разрез и система электропитания электродного узла; на фиг. 2 — поперечный разрез в плоскости, проходящей через центры отверстий выходных вспомогательных электродов плазмотронов.

Нагреватель состоит из разрядной камеры 1, корпус которой разделен изолятором 2 ilia катодную и анодную части. В изоляторе 2 имеется входное тангенциальное отверстие 3 для подачи плазмообразующего таза в разрядную камеру, а в торце разрядной камеры 1 — отверстие 4 для вдува газовой завесы.

Катодный и анодный узлы корпуса разрядной камеры 1 аналогичны по устройству и отделены от корпуса изоляторами 5. Каждый узел состоит из нескольких (например из четырех) одинаковых по устройству плазмотронов 6, содержащих торцовой электрод 7, изолятор 8, входное отверстие 9 для газа и выходной вспомогательный электрод 10 с отверстием 11, через которое внутренняя полость плазмотрона 6 сообщается с разрядной камерой 1, где горит электрическая дуга 12. Анодный узел разрядной камеры 1 имеет отверстие 13 для выхода плазменной струи.

Система электропитания электродугового нагревателя газа содержит источник 14 постоянного тока, контактор 15, а также вспомогательные Источники 16, контакторы 17 и вентили 18 в количестве, равном количеству плавмотроиов в катодном и анодном узлах, содержащих дуговые каналы 19.

Описанный электродуговой нагреватель газа работает следующим образом. Через входные отверстия 3 и 4 в разрядную камеру 1 подают плазмообразующий газ и газ, образующий газовую завесу на торце разрядной камеры, а через отверстия 9 плазмотронов 6 — защитный газ, например аргон или азот в случае вольфрамовых электродов 7, или воздух — в случае циркониевых электродов 7.

Контакторами 17 от вспомогательного источника 16 на электроды 7 и 10 каждого плазмотрона 6 подают напряжение и возбуждают электродуговые разряды. Образующиеся плазменные потоки истекают через отверстия И во внутреннюю полость разрядной камеры 1 и образуют проводящую зону между катодом и /анодным узлами разрядной камеры 1. Включением контактора 15 на электроды 7 каждого плазмотрона катодного и анодного узла подается силовое направление от основного источника 14 постоянного тока и в разрядной камере 1 возбуждается электродуговой разряд, ток к которому подводится через дуговые каналы 19 плазмотронов в отверстиях 11. Для предотвращения протекания тока от источника 14 через контакторы 17 и вспомогательные источники 16 служат вентили 18. Такое подсоединение вентилей 18 препятствует образованию промежуточных электродных пятен основной силовой дуги 12 на выходных электродах 10, и весь силовой ток от источника 14 распределяется через электроды 7 и дуговые каналы 19 в отверстиях 11. После зажигания силовой дуги 12 контакторы 17 могут отключаться. Нагретый плазмообразующий газ в электрической дуге 12 в виде плазменной струи истекает через отверстие 13 разрядной камеры.

Выполнение анодной и катодной частей нагревателя из плазмотронов, подключенных к одному источнику питания, позволяет равномерно распределить разрядный ток на электродах до такой величины, при которой обеспечивается минимальная эрозия электродов—анодов и катодов.

Выбор диаметра отверстия 11 осуществляется в зависимости от тока, расхода защитного газа и падения напряжения между электродами 7 и проводящей зоны основного дугового канала вблизи выходных электродов 10 по формуле:

I I J \ А‘- I \ п I

D А ’ - ’ ’ ’ f ’ .

Коэффициент т определяется экспериментально для данного плазмотрона и рода (7-0 .1 I- \ газа из зависимости - ++ /|---- - .

/ <j-u :

Электродуговые разряды плазмотронов горят при возрастающей вольт-амперной характеристике, если расчет диаметров проведен при значениях т> — 0,5. Это дает возможность объединять в электродный узел непосредственно подсоединенное к одному полюсу источника 14 большое число параллельно соединенных вспомогательных плазмотронов 6 с одинаковыми параметрами, и тем самым равномерно распределять ток электрической дуги 12 по нескольким дуговым каналам 19, количество которых 5 выбирается из условий минимальной и равномерной эрозии электродов 7. Величина тока отдельного дугового канала вспомогательного плазмотрона в отверстии 11 при постоянном диаметре отверстия D, 10 постоянным расходе защитного газа G и падения напряжения U также строго постоянна и гарантируется не условиями работы электрической схемы, .а только выбором диаметра D в соответствии с фор- 15 мул ой.

Таким образом, данный электродуговой нагреватель газа позволяет значительно уменьшить эрозию электродов при равномерном их износе, а это в свою очередь 20 дает возможность создавать нагреватели газа большой единичной мощности, например в несколько десятков мегаватт, и резко увеличить ресурс непрерывной работы их за счет распределения тока основной 25 дуги в разрядной камере по дуговым каналам отдельных плазмотронов.

Claims (1)

1. при m - 0,5, где т - безразмерный коэффициент; D- диаметр выходного вспомогательного электрода, м; А - посто нна  дл  заданного давлейи  и рода газа, / - номинальный ток дули в разр дной камере, А; п - количество плазмотронов соответственно в анодном нли катодном узле; G - номинальный расход газа через выходной вспомогательный электрод, кг/с; и - номинальное иадеиие напр жени  на участке «торцовой электрод - провод ща  приэлектродна  зона разр дной камеры 1аноднош или катодного узла, В. На фиг. 1 показан продольный разрез и система электроаитанн  электродного узла; на фиг. 2 - поперечный разрез в плоскости, проход щей через центры отверстий выходных вспомогательных электродов пла31мотронов. Н1а Г|реватель состоит из разр дной камеры 1, корпус которой разделен изол тором 2 |на катодную ;и анодную части. В изол торе 2 имеетс  вхбдное тангенциальное отверстие 3 дл  нодачи плазмообразующего газа в разр дную камеру, а в торце разр дной камеры 1 - отверстие 4 дл  вдува газовой завесы. Катодный и узлы корпуса разр дной камеры 1 аналогичны по устройству и отделены от корпуса изол тор ами 5. Каждый узел состоит «з нескольких (наHpHMiCip из четырех) одинаковых по устройству плазмотронов 6, содерж-ащих торцойой электрод 7, изол тор 8, вхо|дное отверстие 9 дл  газа и выходной вспомогательный электрод 10 с отверстием 11, через которое внутренн   полость плазмотрана 6 сообщаетс  с р азр дной камерой 1, где горит электрическа  дуга 12. Анодный узел разр дной камеры 1 имеет отверстие 13 дл  выхода плазменной струи. Система электропитани  электродугового нагревател  газа содерЖ1Ит источник 14 посто нного тока, контактор 15, а также вопомопательные источники 16, контакторы 17 и вентили 18 в количестве, равном количеству пл1а(31мотр01нов в катодном ii анадно1М узлах, содержащих дуговые кашалы 19. Описанный электродуговой нагреватель газа работает следующи м образом. Через входные отверсти  3 и 4 в разр дную камеру 1 подают плазмообразующий газ и газ, образующий газовую завесу на торце разр дной камеры, а через отверсти  9 плазмотронов 6 - защитный газ, например аргон или азот в случае вольфрамовых электродов 7, или воздух в случае циркониевых электродов 7. Контакторами 17 от вспомогательного источника 16 на электроды 7 и 10 каждого плазмотрона 6 подают натр желие и возбуждают электродуговые разр ды. Образующиес  плазменные потоки истекают через отверсти  И во внутреннюю полость разр дной ка|меры 1 и образуют провод тую зону (между катодом и /анодным узлами разр дной мамеры 1. Включением контактора 15 на элект1роды 7 каждого плазмотрона катодного и анодного узла подаетс  силовое направление от основного источника 14 посто нного тока и в разр дной камере 1 возбуждаетс  электродуговой разр д, ток к которому нодводитс  через дуговые каналы 19 плазмотронов в отверсти х И. Дл  предотвращени  протекани  тока от источника 14 через контакторы 17 и вапомогательные источники 16 служат вентили 18. Такое подсоединение вентилей 18 преп тствует образованию промежуточных элек11родных п тен основной силовой дуги 12 на выходных электродах 10, и весь СИЛОВОЙ ток от источника 14 распредел етс  через электроды 7 и дуговые каналы 19 в отверсти х 11. После зажигани  силовой дуги 12 контакторы 17 могут отключатьс . Нагретый нлазмообразующий газ в электрической дуге 12 s виде плазменной струи истекает через отверстие 13 разр дной камеры. Выполнение анодной и катодной частей нагревател  из плаамотронов, подключенных к одному источнику питани , позвол ет равномерно расп)ределить разр дный ток рга электродах до такой величины,  ри которой обеспечиваетс  минимальна  эрози  электродов-анодов и катодов. Выбор диаметра отверсти  И осуществл етс  в зависимости от тока, расхода защитного газа и падени  напр жени  меж;iy электродами 7 и провод щей зоны основного дугового канала вблизи выходных лектродов 10 ио формуле: D :.::: А G ...-. .. -I П Коэффициент т определ етс  экспериментально дл  данного плазмотрона и рода и-О ,, /- газа из зависимости , . /(J-U 1 Электродуговые разр ды плазмотронов гор т при возрастающей вольт-амперной характеристике, если расчет диаметров проведен при значени х /п - 0,5. Это дает возможность объедин ть в электродный узел непосредственно подсоединенное к одному нолюсу источника 14 большое число лараллельно соединенных вспомогательных плазмотронов 6 с одннаковыми параметрами , ,и тем самым равномерно распредел ть ток электрпческой дугн 12 ло несколькнм дуговым каналам 19, колнчество котО|рых 5 выбираетс  пз условий минимальной н равномерпой эрозии электродов 7. Величийа тока отдельного дугового канала вспомогательного плазмотрона в отверстии 11 при посто нном диаметре отверсти  D, 10 посто нным расходе защитного газа G и падени  напр жени  U также строго посто нна н гарантируетс  не услови 1ми р.аботы электрической схемы, .а только выборОМ диаметра D в соответствии с фор- 15 мулой. Таким образом, данный электродуговой нагреватель газа позвол ет значительно уменьшить эрозию электродов при равномерном их износе, а это в свою очередь 20 дает возможность создавать нагреватели таза большой единичной мош,ности, например в несколько дес тков мегаватт, и резко увеличить ресурс непрерывной работы их за счет распределени  тока основной 25 дугп в разр дной камере по дуговым каналам отдельных плазмотронов. Формула изобретени  Электродуговой нагреватель газа по-, сто нного тока, содерж1аш,ий разр дную камеру, катодный узел и выполненный в виде 1ПО 1меньшей мере двух оди«аковых плазмотронов, каждый из которых снабжен торповым н выходным вспомогательным эле1 ггродамн, аподый узел, о т л н ч а ю: .щ и и с   тем, что, с целью увеличени  сро ни  изн нен оди тор мог ход дел При где службы нагревател  путем уменьшеозии н повышени  равномерности электродов, катодный узел выполклсе в виде по меньшей мере двух овых плазмотронов, каждый пз коснабжен торповым и выходным вспольным электродами, а диаметры вывспомогательных электродов опрепз соотношени . . - 0,5, D - диаметр выходного всломогательного электрода, м; Л - посто нный коэффициент дл  заданного давлени  н рода газа; / - номинальный ток дуги в разр дной камере. А; / - колнчество плазмотронов соответствен;10 в анодом или катодном узле; G- но;мннальный расход газа через выходной вспомогательный электрод, кг/с; - номинальное падение напр жени  на участке «торцовой электрод - провод ш,а  приэлектродна  зопа разр дной камеры катодного пли анодного узла. В; - безразмерный коэффициент.

   -| .

   / о9/7/ /7

   ттт-г.4 ,

   ..У «:;-Х:-;Й:Г хЛЙ::{но- -/«

   ; .1 уГ. г ; .- у :..,.,„-..„---.-(.- -iv™, . /- ч V- ;;. - - ,/

   ){щг..

   С ЯИэ, ;

   - I

   О . J

   15

   1.

   Фиг. f

   6.

   fO .9

   //

   Ф(/г.