close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16787

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2013.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 05H 1/00
B 01J 19/08
(2006.01)
(2006.01)
МЕЖЭЛЕКТРОДНАЯ ВСТАВКА ПЛАЗМОТРОНА
(21) Номер заявки: a 20100786
(22) 2010.05.19
(43) 2011.12.30
(71) Заявители: Шараховский Леонид
Иванович; Шараховский Александр
Иванович (BY)
(72) Авторы: Шараховский Леонид Иванович; Шараховский Александр Иванович (BY)
BY 16787 C1 2013.02.28
BY (11) 16787
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели:
Шараховский
Леонид
Иванович;
Шараховский
Александр Иванович (BY)
(56) RU 2225084 C1, 2004.
RU 2298889 C1, 2007.
RU 2071189 C1, 1996.
(57)
1. Межэлектродная вставка плазмотрона, включающая коаксиальные трубы, вставленные одна в другую, отличающаяся тем, что на наружной поверхности внутренней трубы,
внутренняя полость которой образует разрядный канал для вихревой стабилизации электрического разряда, выполнены винтовые каналы, входная часть каждого из которых выполнена с возможностью соединения газоходом с источником сжатого плазмообразующего газа или пара, а на внутренней поверхности этой трубы прорезаны кольцевые
или спиральные проточки глубиной, превышающей толщину ее стенки в винтовых каналах, так что последние сообщаются через кольцевые или спиральные проточки с ее внутренней полостью, при этом трубы соединены между собой на одном конце корпусом
плазматрона, а на другом конце - соплом с обеспечением течения плазмообразующего газа
или пара в винтовые каналы, а из винтовых каналов через кольцевые или спиральные проточки во внутреннюю полость внутренней трубы.
Фиг. 1
BY 16787 C1 2013.02.28
2. Межэлектродная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что включает три вставленные одна в другую коаксиальные трубы с образованием кольцевого зазора между средней
трубой и наружной трубой и с возможностью соединения кольцевого зазора с одной стороны газоходом с источником сжатого газа или пара, а с другой стороны с винтовыми каналами внутренней трубы, при этом трубы соединены между собой с обеспечением
течения плазмообразующего газа или пара по кольцевому зазору в винтовые каналы, а из
винтовых каналов через кольцевые или спиральные проточки во внутреннюю полость
внутренней трубы.
Изобретение относится к области плазменной, преимущественно термической, электродуговой техники и может быть использовано в различных отраслях технологии, требующих нагрева газов до высоких температур при минимальных потерях энергии
электрического разряда.
Электродуговые плазмотроны с вихревой стабилизацией дугового разряда являются
наиболее распространенным типом плазмотронов благодаря их преимуществам в отношении высоких энергетических и эксплуатационных характеристик. Они просты по конструкции и технологии их изготовления и характеризуются в то же время наиболее
высокими показателями в отношении вольт-амперного отношения и термического КПД.
Высокое вольт-амперное отношение уменьшает термические нагрузки на электроды и
увеличивает их ресурс благодаря высокой электрической мощности при относительно малых токах разряда, а высокий термический КПД достигается благодаря естественным
термоизолирующим свойствам вихревых потоков, в которых термическая свободная конвекция в поле высоких центростремительных ускорений (многие десятки земных гравитационных ускорений g) приводит к такому радиальному расслоению газа по температуре,
что самый горячий газ оттесняется к оси потока, а холодный - к стенкам канала, тем самым стабилизируя наиболее высокотемпературный разряд на оси потока и одновременно
уменьшая его конвективный теплообмен со стенками стабилизирующего канала. Межэлектродными вставками (далее для краткости будем писать МЭВ) обычно называют
электронейтральную часть электроразрядного канала, размещенную между электродами и
не имеющую гальванической связи с источником питания электрического разряда. Межэлектродную вставку часто также используют в качестве поджигающего электрода в электродуговых плазмотронах, для чего ее временно соединяют с одним из электродов через
балластное сопротивление, а после зажигания разряда между основными электродами эту
связь разрывают. Плазмотроны находят все более широкое применение в современных
технологиях [1].
Известным методом повышения термического КПД вихревых плазмотронов является
совершенствование их внутренней газодинамики, включая использование заградительных
газовых завес, создаваемых различными методами, включая распределенный вихревой
ввод газа в разрядный канал в разделенном на секции или сплошном канале [2]. Их общим
недостатком является значительное усложнение конструкции, а также технологии и повышение трудоемкости изготовления плазмотрона, и в результате - ухудшение его эксплуатационных характеристик.
Главной причиной этого является приверженность к генерации вихревых потоков в
плазмотронах с помощью традиционных завихрителей с тангенциальными каналами в
стенках специальных вихревых камер, совмещаемых с межэлектродной изоляцией, обдуваемой холодным вводимым газом. Это приводит к весьма сложной геометрии и конструкции как плазмотрона в целом, так и особенно указанной изоляции, требующей
обязательного применения механической обработки при ее изготовлении. Это сильно
ограничивает спектр применяемых электроизоляционных материалов легкообрабатывае2
BY 16787 C1 2013.02.28
мыми и, как правило, нетермостойкими материалами, так как большинство термостойких
электроизоляционных материалов относится к классу весьма твердых керамик, не поддающихся механической обработке, а новейшие обрабатываемые керамики, например, типа
MACOR дефицитны, дороги и имеют рабочую температуру не выше 800 °С [3]. Это можно видеть, например, в большом атласе конструкций современных на то время электродуговых плазмотронов, остающемся классическим до сего времени [4].
Известен плазмохимический реактор двустороннего истечения с жидкометаллическими электродами и вихревой стабилизацией дугового разряда в изогнутом разрядном канале [5]. В таком реакторе, согласно описанию, возможен также распределенный по длине
вихревой ввод газа в разрядный канал с помощью тангенциальных каналов, однако это
сильно усложняет его конструкцию и технологию изготовления, а соответственно, и стоимость. Помимо сложности и дороговизны изготовления разрядного канала со множеством внутренних газовых каналов в этом реакторе, расположенных под углом к стенке
разрядного канала, существенными недостатками являются сложность и эксплуатационное неудобство повторного поджига дугового разряда между электродами, например проволокой, в нагретом до высоких температур реакторе в случае случайного обрыва дуги,
как предлагает автор.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева газа в
вихревом плазмотроне с одновременным повышением допустимой рабочей температуры
стабилизирующего разряд газового потока, улучшение эксплуатационных характеристик,
повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления.
Поставленная цель достигается применением межэлектродной вставки с вихревым регенеративным конвективно-заградительным охлаждением, создаваемым вихревым потоком, генерируемым простейшим завихряющим устройством шнекового типа,
позволяющим одновременно упростить конструкцию межэлектродной изоляции и снизить
требования к применяемым полирующим материалам, особенно в отношении их обрабатываемости. Для этого межэлектродная вставка плазмотрона выполняется из нескольких
коаксиальных концентрических труб, вставленных одна в другую, причем на наружной
поверхности самой внутренней трубы выполнены винтовые каналы, соединенные газоходом с источником сжатого плазмообразующего газа или пара, а на ее внутренней поверхности прорезаны кольцевые или спиральные проточки с глубиной, превышающей
толщину ее стенки в этих проточках, так что указанные винтовые каналы сообщаются через проточки с внутренней полостью трубы, образующей в результате разрядный канал с
вихревой стабилизацией электрического разряда. Масса газа, поступающего из винтового
канала в эти проточки, обладает, благодаря наличию нормальной к оси потока компоненты скорости, некоторым моментом количества движения mvR относительно его оси. Здесь
m - масса, v - скорость, R - текущий радиус частицы газа. Согласно основным свойствам
вихревых течений, при переносе некоторой массы на меньший радиус внутри проточки и
далее в стабилизирующем канале - там, где есть радиальный перенос массы к оси, скорость вращения этой массы возрастает в соответствии с потенциальным законом [6, 7]:
(1)
νRα = const (α < 1).
Это и создает основной стабилизирующий дугу эффект.
Оптимальным вариантом является выполнение такой вставки из трех коаксиальных
труб с соединением кольцевого зазора между двумя внешними трубами на его верхнем по
потоку конце газоходом с источником сжатого газа или пара, а на нижнем - с винтовым
каналом, выполненным на наружной поверхности внутренней трубы, которая вставлена в
разделяющую их среднюю трубу, при этом на внутренней поверхности внутренней трубы
прорезаны кольцевые или спиральные проточки с глубиной, превышающей толщину ее
стенки в этих проточках, так что наружные винтовые каналы сообщаются через указанные
проточки с внутренней полостью трубы, образующей разрядный канал с вихревой стабилизацией электрического разряда.
3
BY 16787 C1 2013.02.28
Такая конструкция, помимо конвективного охлаждения наружной трубы МЭВ, позволяет дополнительно повысить эффективность вихревой стабилизации и термоизоляции
электрического разряда, так как распределенный вихревой ввод в разрядный канал происходит в противотоке с течением газа в самом разрядном канале. При этом более холодный
газ вводится ниже по потоку, чем более горячий. Благодаря оттеснению по ходу потока
горячего газа к оси более холодным вводимым ниже газом, в таком потоке формируется
пограничный слой с радиальным температурным градиентом, характеризующимся понижением температуры и, соответственно, повышением плотности по направлению к стенке.
В интенсивном поле центростремительных ускорений, достигающих в вихревом потоке
многих десятков g, такой пограничный слой наиболее устойчив, обеспечивая эффективную вихревую термоизоляцию при минимальном перемешивании газа, его электрическую
прочность и повышенное напряжение пробоя на стенку, а следовательно, и надежную
пространственную стабилизацию канала электроразряда. Известно, например, что при более горячих, чем газ, стенках ограничивающей вихревой поток трубы периферийный пограничный слой может стать неустойчивым, что приводит к его разбуханию и нарушению
устойчивости всего вихревого течения [8]. Распределенный же вихревой ввод газа, начиная с нижнего по потоку конца трубы, в нашем случае исключает такую ситуацию, так как
по мере движения от конца трубы к ее началу охлаждающий трубу снаружи газ все более
прогревается дуговым разрядом, горящим внутри трубы, за счет конвективного и радиационного теплообмена.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами.
На фиг. 1 изображен вихревой плазмотрон одностороннего истечения с проникающей
дугой и предлагаемой МЭВ.
На фиг. 2 элементы той же самой МЭВ и схема газовых течений в них изображены в
увеличенном масштабе.
На фиг. 3 изображен вихревой плазмотрон двустороннего истечения с предлагаемой
МЭВ и жидкометаллическими электродами для применения в реакторе, подобном [4].
На фиг. 1 межэлектродная вставка имеет три коаксиальные трубы 1, 2 и 3, вставленные одна в другую, соединенные на одном конце с корпусом 4, а на другом - с соплом 5.
Плазмотрон с этой вставкой работает следующим образом.
Плазмообразующий газ, пар или их смесь вводятся во входной патрубок с надписью
на фигуре "Газ". Далее газ попадает в продольные шлицы 6 на наружной поверхности
средней трубы, течет вдоль них к другому ее концу, где попадает в кольцевую газораспределительную проточку 7 на конце уже внутренней трубы, откуда попадает в винтовые
каналы 8 на ее наружной поверхности и течет по этим каналам обратно, к началу трубы.
Часть газа на этом пути попадает через прорезанные в стенках трубы кольцевые проточки
9, благодаря имеющемуся перепаду давления, в разрядный канал. Так как газ в винтовых
каналах обладает тангенциальным моментом количества движения относительно оси трубы, он по инерции продолжает вращательное движение в кольцевых проточках, увеличивая свою тангенциальную скорость при радиальном перемещении к оси согласно закону
потенциального вихря (1). Далее он попадает внутрь разрядного канала, стабилизируя дугу и образуя вихревую газовую завесу холодного газа у стенки. Оставшийся газ продолжает движение по винтовым каналам к началу трубы (влево на фигуре), постепенно
прогреваясь и охлаждая стенки внутренней трубы за счет конвективного теплообмена. По
пути часть его попадает в следующие проточки 9 и далее внутрь трубы, образуя все новые
газовые вихревые завесы со все возрастающей температурой. В конце пути он попадает в
межэлектродный зазор 10 и далее также внутрь разрядного канала, стабилизируя дуговой
разряд на его оси за счет интенсивного вращательного движения.
Запускается плазмотрон следующим образом. Благодаря электрической изоляции 11,
установленной между катодом и межэлектродной вставкой, в зазоре 10 высоковольтным
импульсом осуществляется электрический пробой. В это же время корпус 4 соединяется с
4
BY 16787 C1 2013.02.28
анодом 12 через замкнутый выключатель 13 и балласт 14. В результате в зазоре 10 зажигается электрическая дуга, которая интенсивным вихревым потоком сразу же (за сотые
доли секунды и менее) выбрасывается из зазора интенсивной тепловой конвекцией в поле
центростремительных ускорений вихревого потока, стабилизируясь на оси и выдуваясь
потоком наружу из разрядного канала. Как только ионизованный поток достигает расположенного снаружи анода 12, возникает электрическая дуга между ним и катодом 15. Дуговой вспомогательный разряд между катодом и МЭВ, горящий через балласт,
оказывается зашунтированным основной дугой, замыкающейся на анод и горящей без
этого балласта, и являющейся поэтому более низковольтным потребителем по сравнению
со вспомогательным разрядом. Оба разряда питаются параллельно, и для вспомогательного разряда, замыкающегося на межэлектродную вставку, этого напряжения оказывается
уже недостаточно, поэтому он гаснет. После этого межэлектродная вставка может быть
отключена от анода выключателем 13, а плазмотрон продолжает работу в штатном режиме.
Газ, текущий вдоль наружной поверхности МЭВ в шлицевых пазах между средней 2 и
наружной трубой 1, охлаждает ее и затем поступает в винтовые каналы 8 на наружной поверхности внутренней трубы. Так как этого охлаждения наружной трубы может быть недостаточно при работе МЭВ в плазменном реакторе, нагреваемая от реактора поверхность
внешней трубы может быть дополнительно защищена огнеупорным материалом 16 с низкой теплопроводностью, например обмазкой, применяемой для защиты стенок и крышек
металлургических ковшей. Плазмотрон имеет единственный водоохлаждаемый элемент термоэмиссионный катод 15, работающий с неподвижным дуговым пятном, стабилизированным в его центре, на термоэмиссионной вставке. Тепло от дуги поступает в него в основном через дуговое пятно, поэтому тепловые потери здесь незначительны. В
зависимости от режима работы плазмотрона может быть использовано и газовое охлаждение катода, как это делается в плазменных режущих плазмотронах при небольших токах
дуги. При испытаниях такой МЭВ на водяном паре и воздухе тепловые потери в катод составили 2,5 % от мощности разряда при токах 80-120 А и напряжениях 410-220 В соответственно. Плазмотрон успешно работал при подаче в него как перегретого, так и влажного
пара - с перегревом его уже в самом плазмотроне. Конденсация же пара внутри плазмотрона недопустима - плотность воды на три порядка выше, чем пара, поэтому при поступлении конденсата в значительном количестве скорость закрутки потока падает настолько,
что стабилизация разряда нарушается с образованием двойной дуги - с катода на МЭВ и с
МЭВ на анод. Своевременное отключение позволяет сохранить плазмотрон без повреждений и в этом случае, и он может быть запущен повторно после корректировки режима.
При использовании жидкометаллического анода, помещенного в реактор, поступающее в него тепло также может быть в значительной степени утилизировано для проведения плазмохимических процессов в реакторе. При использовании второго плазмотрона с
обратной полярностью и замыкании тока через плазменную струю в реакторе (это так
называемый "двухструнный" плазмотрон) тепло будет теряться только через электроды,
позволяя получить максимальный КПД.
Данная вставка может быть использована и для работы с обоими жидкометаллическими электродами, помещенными в плазмохимический реактор, подобно предложенному в
[5]. При этом разрядный канал для удобства может быть изогнут уже после сборки всех
трех труб на стандартном трубогибочном оборудовании, так как толщина двух наружных
труб может быть выбрана небольшой по условиям их работы, а стенки наиболее толстой
внутренней трубы в данной конструкции прорезаны винтовыми каналами и внутренними
проточками более чем на половину их толщины, что облегчает гибку. Электрические изоляторы в данной конструкции имеют простейшую геометрию плоских цилиндрических
колец и могут быть изготовлены в том числе из недефицитных коммерческих керамических материалов без применения механической обработки. В качестве уплотнительного
материала нами был успешно испытан коммерческий гибкий листовой материал типа
5
BY 16787 C1 2013.02.28
слюдинита и миканита с содержанием связующего порядка всего 4 %, так что его возможная потеря в процессе работы не оказывала какого-либо заметного влияния на работу. В
случае использования керамической межэлектродной изоляции, например, из оксида
алюминия, циркония или нитрида бора рабочие температуры газа в таком плазмотроне
будут ограничиваться уже металлическими конструкционными материалами, а не изоляцией.
Плазмотрон двустороннего истечения для работы в реакторе с жидкометаллическими
электродами, изображенный на фиг. 3, работает так же и запускается так же через балласты, подключенные между электродами и соответствующими вставками, как показано на
фиг. 3. Он состоит из двух МЭВ, аналогичных изображенным на фиг. 1 и 2, отличаясь от
них только изогнутым разрядным каналом, отсутствием термоэмиссионного катода и одним дополнительным изолятором. Нумерация деталей на фиг. 3 такая же, как на фиг. 1 и 2.
Источники информации:
1. Pfender E. Thermal plasma technology: where do we stand and where are we going?
Plasma. Chem. Plasma Process. - 1999. - V. 19. - P. 1-31.
2. Борискин С.П., Горожанкин Э.В., Токарев Ю.М. Плазмотрон с распределенной подачей плазмообразующего газа. В трудах 11 Всесоюзной конференции по генераторам
низкотемпературной плазмы, 1989. Т. 1. - С. 82-83.
3. http://www.professionalplastics.com/MACOR.
4. Электродуговые плазмотроны. Рекламный проспект / Под ред. акад. М.Ф. Жукова,
Сиб. отд. АН СССР, Институт теплофизики, СКВ "Энергохиммаш". - Новосибирск, 1980. 82 с.
5. Патент USA 6 846 467 B1, 2005.
6. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. - 830 с.
7. Сергель О.С.Прикладная гидрогазодинамика. - М.: Машиностроение, 1983. - 374 с.
8. Михайлов Б.И. Электродуговые генераторы пароводяной плазмы. Ч. 1. Теплофизика
и аэромеханика. - 2002. - Т. 9. - № 4. - С. 597-612.
Фиг. 2
6
BY 16787 C1 2013.02.28
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 833 Кб
Теги
by16787, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа