close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование характеристик и разработка плазменной электротермической установки с жидким катодом..pdf

код для вставкиСкачать
Валиев Р.И., Шакиров Б.Ю., Шакиров Ю.И.
машиностроение
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК...
УДК 621.357.123
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗРАБОТКА ПЛАЗМЕННОЙ
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ЖИДКИМ КАТОДОМ
© 2012
Р.И. Валиев, магистрант
Б.Ю. Шакиров, аспирант
Ю.И. Шакиров, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой
«Электротехника и электроника»
Камская государственная инженерно-экономическая академия, Набережные Челны (Россия)
_______________________________________________________________________________________
Ключевые слова: плазменная электротермическая установка; металлический анод; жидкий катод.
Аннотация: В работе исследуется характеристики разряда между жидким катодом и металлическим анодом,
полученная обобщенная вольт-амперная характеристика рекомендуется для разработки плазменной электротермической установки и внедрение ее в промышленность.
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость экономии энергии и реагентов заставляют технологов уделять все более пристальное внимание
процессам, происходящим в неравновесной газоразрядной
плазме. Одним из способов получения низкотемпературной
плазмы является использование разряда, возникающего между твердым и жидким электродами. Несмотря на большие
возможности использования данного разряда в плазмохимии
и электронике, физика разряда между твердым и жидким,
а также между жидкими электродами практически не изучена. Не изучены физические процессы на границе раздела
жидкого катода и плазмы, остается практически не исследованы взаимодействие плазмы такого разряда с поверхностями твердых тел. Все это задерживает разработку плазменных
электротермических установок (ПЭТУ) с жидким катодом и
их внедрение в производство.
Основной целью данной работы является изучение характеристик разряда между жидким катодом и металлическим
анодом, полученные результаты рекомендовать разработку
промышленной плазменной электротермической установки.
между металлическим анодом и жидким катодом: вольтамперных характеристик, распределение потенциала, напряженности электрического поля в плазме и плотности тока
на электродах которые позволят разработку ПЭТУ с жидким
катодом для технологического применения.
Экспериментальная ПЭТУ состоит из системы высоковольтного источника питания (ВВИП), вакуумной системы
(ВК), электролитической ванны и аппаратуры для измерений
напряжения и тока разряда, температуры и давления газа,
пространственных распределений потенциала и напряженности электрического поля в разряде, падения напряжения в
электролите и плотности тока в электродах рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Разряд с жидким катодом из 20 %-ного раствора CuSO4
при межэлектродном расстоянии l = 20 мм и Р = 2666 Па разряд имеет видимую конусообразную форму с катодным пятном в виде буквы Х (рис. 2)
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для достижения этой цели была разработана экспериментальная ПЭТУ для исследования характеристик разряда
Рис. 2. Разряд между стальным анодом и жидким катодом – 20 %
раствором CuSO4, l= 20 мм, Р = 2666 и I = 0,1 A.
Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки.
54
При использовании жидкого катода 20 %-ный раствор
CuSO4 напряжение разряда в диапазоне тока от 50 до 300 мА
быстро уменьшается, а при больших токах зависимость Up от
I становится слабой.
Разряд в паровоздушной среде при атмосферном давлении между жидким катодом и металлическим анодом имеет
Вектор науки ТГУ. № 1 (19), 2012
машиностроение
Валиев Р.И., Шакиров Б.Ю., Шакиров Ю.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК...
блюдается при l = 10 мм и I = 450 мА. При этом величина jк
равна 0,25 А/см2. С увеличением проводимости жидкого катода плотность увеличивается.
Рис. 3. ВАХ разряда между жидким катодом (20 % раствор CuSO4)
и стальным анодом при P��������������������������������������������
���������������������������������������������
= 1333 Па. Кривые 1, 2, 3, и 4 соответствуют значениям l = 10, 20, 30 и 40 мм.
форму усеченного конуса.
На рис. 4 представлены ВАХ разряда между медным
анодом (da = 5 мм) и технической водой (кривые 1 – 5). Там
же для сравнения приведена ВАХ для случая, когда катодом
является дистиллированная вода (кривая 6). Вольт-амперные
характеристики 2 – 6 относятся к высоковольтному разряду,
состоящему из множества микроразрядов. Этот разряд горит при I >150 мА. Переход к этому разряду на ВАХ ничем
не проявляется, а концентрация раствора существенно влияет
на Uр – I характеристики разряда.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики разряда между жидким катодом (техническая вода кривые 1, 2, 3, 4, 5, дистиллированная вода
кривая 6 и медным анодом. 1 – l = 15 мм, P = 2666 Па; 2 – l = 2 мм,
P = 105 Па; 3 – l = 7 мм, P = 7998 Па; 4- l = 3,7 мм, P = 105 Па;
5, 6 – l = 5 мм, P = 105 Па.
С ростом давления от 1333 до 2666 Па характер зависимости ja от Р меняется (рис. 5). Повышение давления приводит
к существенному росту плотности тока на аноде. Например,
при Р = 2666 Па, I = 500 мА и l = 40 мм величина jk равна
4 А/см2 Это значение плотности тока на аноде в 4 раза больше, чем при Р = 1333 Па. Из сравнения кривых 5, 6, 7 и 8
следует, что с ростом межэлектродного расстояния плотность
тока на аноде существенно возрастает, также меняется характер зависимости ja от I. С ростом l в диапазоне изменения
тока I = 100 – 600 мА величина jк уменьшается. Максимальное значение плотности тока для данного жидкого катода наВектор науки ТГУ. № 1 (19), 2012
Рис. 5. Зависимость плотности тока на жидком катоде (20% CuSO4)
и на металлическом аноде от тока разряда при P��������������������
���������������������
= 2666 Па, для различных l: 1, 5 – 10; 2, 6 – 20; 7 – 30; 4, 8 – 40 мм; 1, 2, 3, 4 – jk;
5, 6, 7, 8 – ja.
На рис. 6 показаны эквипотенциальные линии (а), распределения потенциала (б, кривая 1) и напряженности электрического поля в разряде (б, кривая 2) с жидким катодом
из 20 %-ного раствора СuSO4, минимальное значение E для
20 %-ного раствора СuSO4 уменьшается на 30 % по сравнению с жидким катодом из технической воды.
а)
б)
Рис. 6. Эквипотенциальные линии (а), распределение потенциала и
напряженности электрического поля на оси разряда (б) между жидким катодом (20% раствор CuSO4) и металлическим анодом
(da = 4 мм) при P = 2666 Па, I = 100 мА, l = 10 мм.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Известные критериальные обобщения вольт-амперных
характеристик относятся к дугам, стабилизированным в канале с потоком газа. Теоретической основой таких обобщений
является теория подобия и размерности. Для дуг в плазматронах определены критериальные уравнения, необходимые для
построения обобщенных вольт-амперных и тепловых характеристик. Получены соответствующие эмпирические формулы, позволяющие рассчитывать характеристики разряда
в широком диапазоне изменения тока, давления, расхода газа
и геометрических размеров разрядной камеры. Основные
критерии подобия свободных дуг были определены в [1]. Там
же приведена обобщенная ВАХ для дуг при атмосферном
давлении. Один из критериев подобия, приведенных в [1],
в [2] был использован для обобщения ВАХ разряда с жидким
55
машиностроение
Валиев Р.И., Шакиров Б.Ю., Шакиров Ю.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК...
катодом при атмосферном давлении. Однако результаты [2]
не учитывают влияния давления на характеристики разряда.
Рассмотрим критериальные уравнения, необходимые
для обобщения характеристик свободного разряда в газе
между жидким катодом и твердым анодом. Будем считать,
что у сравниваемых разрядов аноды являются геометрически
подобными и изготовлены из одного и того же материала.
В данном случае скорость газа является определенным параметром. Поэтому число Рейнольдса не является определяющим критерием. В этих условиях безразмерные интегральные характеристики разряда ψ в первом приближении
являются функциями определяющих критериев подобия
и записываются в виде
I2
lPQll .
(1)
,
f
1
l1,5 g 0,5
T
KTR
R R
Здесь cR – теплопроводность исходного газа при температуре TR, g – ускорение земного тяготения, Ql – сечения столкновения электрона с молекулой, I – ток разряда, P – давление,
l – межэлектродное расстояние, K – постоянная Больцмана.
Локальные безразмерные характеристики разряда зависят
и от безразмерных координат
y
,y
,
l
l
где τ и y расстояния до данной точки соответственно от оси
разряда и поверхности жидкого катода. Поэтому распределения безразмерных параметров разряда ψ1 описываются критериальными уравнениями
lPQla
I2
y
(2)
, ,
,
1,5 0,5
KT
l g
T
l
l
R
R R
Критерий подобия
2
I
l g  RTR
1,5
0,5
достаточно подробно рассмотрен [1]. Он был использован
в [1] для обобщения ВАХ открытых дуг и в [3] - для обобщениях ВАХ разряда с жидким катодом.
Критерий подобия
lPQla
KTR
представляет собой обратное значение числа Кнудсена
для электронов. Это следует из того, что средняя длина свободного пробега электрона определяется как
kTR
PQla.
1
naQal
l
В работе [2] значение P было постоянным, а величина
l изменялась незначительно. Поэтому влияние числа Кнудсена на обобщенные характеристики разряда осталось невыявленным. В экспериментах данной работы число Кнудсена
изменялось на несколько порядков, что долимо позволить
установить его роль в обобщенных характеристиках.
Безразмерное напряжение можно определить как
U p l 0,5 g 0,5.
(3)
U
I
В первом приближении величины g, cR, TR, Qℓa можно
считать постоянным. Отбросив их в (1) и (3), для напряжения
разряда получим упрощенную структуру уравнения
U p l 0,5
I2
(4)
f 2 1,5 , Pl
I
l
На рис. 7 представлена обобщенная ВАХ разряда с учетом их зависимости от параметров Pl . Она в диапазоне пара ����������������
2 - 40 мм описыметров I = 0,1 - 0,6 А, P = 1333 - 105 Па, l =�����������������
вается формулой
U pl 0,5
I
a3 ( 0,75 ) 1,1 ( Pl )0,42 , a3 = 430 A0,1·B·Па-0,42·м-0,745. (5)
I
l
56
Рис. 7. Обобщенная вольт-амперная характеристика разряда с жидким катодом из технической воды: 1 – l = 0,002, P = 105;
2 – 0,007, 7998; 3 – 0,015 м, 2666 Па.
Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений Up от расчетных составляет 10%. Полученная обобщенная вольт-амперная характеристика может
быть рекомендована для использования в расчетах электротермических установок с жидким катодом.
В указанном выше диапазоне параметров минимальное
значение напряженности электрического поля обобщается
формулой
Emin
l1,5 .(6)
I
в1 ( 0,75 ) 0,77 ( Pl )0,57 , в1 24 A0,23 B Па -0,57 м-0,6475
I
l
Для расчета расстояния от анода до сечения, где достигается минимальное значение напряженности электрического
поля, получена формула
.(7)
уm
I
в2 ( 0,75 )1,9 ( Pl )0,02 , в2 0, 053 A 1,9 Па -0,02 м1,405
l
l
Распределение напряженности электрического поля в положительном столбе описывается формулами
(E - E min
(8)
y ym
)l 1,5
I 1,85
0,18
c1 (
I
l 0,75
)
( Pl )
(
l
)
у < уm, c1 = 325 A0,85 · B · Па-0,18 · м-1,0675
y ym 2
I 2,54
(E - E min )l1,5
c(
)
( Pl )0, 44 (
)
I
2
l 0,75
l
(9)
у < уm, c2 = 1,7 A-3,54 · B · Па-0,44 · м1,965
В сечении у = уm значение E определяется формулой (6).
E�����������������������
следует находить с поВ окрестности сечения уm величину ������������������������
мощью интерполяционной кривой, проходящей через точку
(уm , Emin). При этом интерполяционную кривую нужно проводить так, чтобы она имела минимум в точке (уm , Emin). Формулы (6),(7) и (8) позволяют рассчитывать напряженность электрического поля с погрешностью не более 15% в диапазоне
параметров I = 0,1 – 0,6 А, Р = 1333 – 105 Па, l = (2 – 40) – 10-3м.
ВЫВОДЫ
Полученная обобщенная вольт-амперная характеристика может быть рекомендована для использования в расчетах
при разработке промышленной ПЭТУ с жидким катодом для
очистки и снятия заусенцев с поверхности изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Даутов Г.Ю., Жуков М.Ф. Некоторые обобщения исследований электрических дуг. //Прикладная механика и техническая физика, 1965. № 2. С. 97 – 105.
2. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрофизические процессы
Вектор науки ТГУ. № 1 (19), 2012
машиностроение
Зибров П.Ф.
ПРОБЛЕМА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ...
в разря­дах с твердыми и жидкими электродами. Свердловск.: Изд-во Уральский университет, 1989. – 432 с.
3. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P�������������
��������������
.������������
P�����������
. Энергети-
ческие характеристики разряда в атмосфере между электролитом и медным анодом. //Физика и Химия обработки
материалов, 1985. № 54. С. 58 – 64.
RESEARCH AND DEVELOPMENT PROPERTIES OF PLASMA ELECTROTHERMAL
INSTALLATIONS WITH A LIQUID CATHODE
© 2012
R.I. Valiev, master
B.Yu. Shakirov, postgraduate student
Yu.I. Shakirov, candidate of technical science, associate professor, head of the chair
«Electrical engineering and electronics»
Kama State Academy of Engineering and Economics, Naberezhnye Chelny (Russia)
_______________________________________________________________________________________
Keywords: plasma electrothermal plant; metal anode; the liquid cathode.
Annotation: In this paper the characteristics of the discharge between the cathode and the liquid metal anode,
the resulting generalized volt-ampere characteristic is recommended for the development of plasma electro-installation
and implementation of the industry.
УДК 621.9.06.01 (621.822.5)
ПРОБЛЕМА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОЧНОСТИ
В ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
© 2012
П.Ф. Зибров, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Высшая математика и математическое моделирование»
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
_______________________________________________________________________________________
Ключевые слова: математическое моделирование; изнашивание деталей; остаточные упругие и тепловые деформации; смешанное трение; смазка; абсолютная и неполная взаимозаменяемость; подбор и селективная
сборка; шероховатые поверхности; проницаемость и пористость сопряжения направляющих скольжения.
Аннотация: Представлена классификация типов взаимодействия объемов деталей и динамика развития физического и математического моделирования точности расположения поверхностей в кинематических парах
с учетом деформации, микро- и макрошероховатости, а также смазки при относительном движении контактирующих поверхностей.
ВВЕДЕНИЕ
Экономические принципы хозяйствования требуют совершенствования способов производства качественной промышленной продукции, обновления средств производства,
то есть разработки и модернизации высоко точного технологического оборудования обеспечивающего оптимальную
прибыль. Это осуществляется поэтапно:
• в процессе создания конструкций машин, добиваются
воспроизведения заданного технологическим процессом
относительного движения или расположения исполнительных поверхностей в кинематических парах.
• при изготовлении машин и оборудования, получают заВектор науки ТГУ. № 1 (19), 2012
данную точность обработки составляющих деталей
и установленной точности их относительного расположения при сборке узлов и в целом машин.
• во время эксплуатации задаются режимы работы, сохраняющие и восстанавливающие нормативную точность.
На первом этапе, в процессе конструирования машин, закладываются геометрические размеры, материалы, кинематические связи, законы относительного движения исполнительных поверхностей, условия и принципы, обеспечивающие
требуемые параметры точности. Их абсолютные значения
предопределены физическими свойствами, используемых
материалов и конструкций, закономерностью явлений, адек-
57
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
1 265 Кб
Теги
электротермическая, разработка, pdf, характеристика, жидкий, исследование, установке, катодов, плазменных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа