ПАРОЖИДКОСТНОЙ ПЛАЗМОТРОН
LIQUID-VAPOR PLASMATRON

Изобретение относится к малогабаритным устройствам для получения плазменной струи (плазматронам) из паров рабочей жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности, строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, для получения нанодисперсных материалов, в частности наноалмазов (согласно изобретению по патенту RU 2844014).
Известна электродуговая плазменная горелка (RU 2040124), охлаждаемая парами рабочей жидкости, содержащая соосно установленные выходное сопло-анод и центральный стержневой катод. Катод прикреплен к держателю, охватываемому цилиндром из теплопроводного материала, на который надета трубка из пористого материала. Трубка контактирует с влагопоглощающим материалом, помещенным в резервуар для рабочего тела. Катододержатель установлен с возможностью осевого перемещения и снабжен механизмом для такого перемещения, позволяющим для возбуждения дуги замыкать катод и анод, а для плавного изменения мощности - изменять их взаимное расположение.
Известен электродуговой малогабаритный плазматрон (RU 93720) с резервуаром для плазмообразующей жидкости, заполненным капиллярно-пористым влаговпитывающим материалом. Процесс парообразования в нем осуществляется за счет тепла, выделяющегося на рабочих электродах при заданных значениях токов дуги косвенного или косвенного и прямого действия. Изменение давления в плазматроне осуществляется дискретно, установкой формирующих плазменную струю сопел с различными диаметрами рабочих отверстий и/или заданием различных значений токов дуги.
Известен коаксиальный плазмотрон, содержащий размещенные соосно в корпусе трубчатый электрод, насадку с осевым сквозным отверстием, съемный центральный электрод, расположенный в стержневом держателе электрода коаксиально внутри трубчатого электрода и с зазором относительно него и насадки с обеспечением возможности образования разрядной камеры и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, механизм контактного возбуждения электрической дуги между насадкой и центральным электродом, выполненный в виде разрывного электрического контакта, включающего механизм осевого перемещения стержневого электрода, имеющий винтовую пару, пружину и кнопку, устройство для парообразования и подачи в разрядную камеру плазмообразующей среды в виде пара рабочей жидкости. Плазмотрон содержит резервуар с патрубком для подачи этой жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом с обеспечением его контакта с трубчатым электродом, устройство вихревой стабилизации электрической дуги, устройство охлаждения насадки и электрода, механизм центрирования электрода относительно сквозного отверстия насадки, токоотводы для электрического подсоединения терминалов независимого источника электрического тока и защитный кожух (RU 2278328, 13.05.2005).
Недостатки указанных выше аналогов обусловлены низкой надежностью, а также связаны с тем, что давление плазмообразующих паров внутри плазмотрона, определяющее основные параметры плазменной струи, нестабильно и плавно растет по мере расхода рабочей жидкости и прогрева деталей плазмотрона, зависит от начальной температуры заправляемой рабочей жидкости, температуры окружающей среды и интенсивности работы плазмотрона. В процессе работы плазмотрона давление зависит также от начальной температуры плазмообразующего узла плазмотрона, неравномерного распределения давления внутри резервуара с рабочей жидкостью, качества теплопередачи от сопла к испарителю, зависящего от состояния сопрягаемых поверхностей, степени износа катода. Следствием указанных недостатков является продолжительное время выхода на рабочий режим из-за тепловой инерционности плазмотрона, нестабильность плазменной струи, неравномерное испарение компонентов плазмообразующей жидкости, а также возможное прерывание дуги в режиме сварки при работе на смеси в виде многокомпонентной рабочей жидкости.
Указанные недостатки устранены введением в конструкцию плазмотрона дополнительных деталей и устройств, которые позволяют стабилизировать давление в плазмообразующем узле и/или управлять им, а также сократить время выхода плазмотрона на рабочий режим, особенно при низких температурах окружающей среды (RU 99678, 20.11.2010).
Технический результат этого аналога достигается тем, что плазмотрон парожидкостной содержит размещенные соосно в корпусе подвижный центральный электрод и сопло-конфузор, выполняющее функцию второго электрода, обеспечивающие образование электроразрядной камеры, устройство для парообразования рабочей жидкости (испаритель), резервуар с влаговпитывающим материалом для жидкости и механизм центрирования стержневого электрода относительно сопла. В состав этого плазмотрона входит также цилиндрический корпус, расположенный параллельно или под острым углом к удлиненной части Г-образного по форме резервуара, удерживающий сопло колпачок, прикрепленный к корпусу, примыкающий к соплу трубчатый испаритель с тангенциальными отверстиями в его хвостовой части, имеющей вид усеченного конуса с расширением в сторону цилиндрической головной части, и с центральным каналом для подачи паров рабочей жидкости в электроразрядную камеру, внутри которого расположен центральный электрод, закрепленный в головной части подвижного стержневого держателя, хвостовая часть которого установлена в пускорегулирующем и центрирующем электрод механизме. Дополнительно плазмотрон содержит охватывающие снаружи конусную часть испарителя витую пружину сжатия и составной трубчатый вкладыш, изготовленный из набора колец, выполненных из капиллярно-пористого материала, причем вкладыш контактирует с материалом, заполняющим резервуар.
Недостатки этого аналога связаны с тем, что давление плазмообразующих паров внутри плазмотрона, определяющее основные параметры плазменной струи, нестабильно и зависит от режимов работы плазмотрона. Это обусловлено нестабильным парообразованием из-за недостаточно свободного и равномерного проникновения жидкости в испаритель и из-за перепадов давления внутри плазмотрона. К недостаткам следует отнести также перегрев витых пружин сжатия и сопла-конфузора, усложняющих обслуживание плазмотрона.
Известен плазмотрон парожидкостной электродуговой (RU 115141, 20.04.2012 - прототип), который включает размещенные соосно в его цилиндрическом корпусе подвижный центральный электрод и сопло-конфузор, образующие электроразрядную камеру, заполненный влаговпитывающим материалом резервуар для рабочей парообразующей жидкости, удерживающий сопло-конфузор съемный колпачок, примыкающий к соплу-конфузору трубчатый испаритель с цилиндрической головной (передней) и противоположной хвостовой (задней) конусной частями и с центральным каналом для подачи паров жидкости в электроразрядную камеру, при этом конусную часть испарителя охватывает снаружи вкладыш, выполненный из набора колец, изготовленных из капиллярно-пористого материала, причем вкладыш контактирует с материалом резервуара, а электрод коаксиально с зазором относительно испарителя закреплен в головной (передней) части стержневого держателя, хвостовая (задняя) часть которого установлена с возможностью перемещения в пускорегулирующем и центрирующем электрод механизме. В конусной (задней) части испарителя выполнены сквозные продольные пазы, обеспечивающие более свободное и равномерное проникновение жидкости из вкладыша в испаритель. Внутри плазмотрона находится дренажная трубка, выравнивающая давление. Один конец ее расположен в корпусе вблизи заднего торца испарителя, а другой конец - в резервуаре вблизи заправочной горловины.
Недостатками прототипа являются сложность изготовления и обслуживания, низкие надежность и величина максимально достижимого тока в дуге из-за недостаточного теплоотвода через стык сопла и испарителя, как следствие наблюдается перегрев («просадка») витой пружины сжатия, прижимающей передний торец испарителя к соплу.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение надежности, величины рабочего тока в дуге и увеличение срока эксплуатации плазмотрона в составе плазменного комплекса «Горынычъ» (ТУ 3441-002-56754389-2008).
Указанный технический результат достигается тем, что парожидкостной плазмотрон включает металлический трубчатый корпус, с закрепленными на нем резервуаром для рабочей жидкости, заполненным влаговпитывающим материалом, и медным соплом-конфузором, которое удерживается на передней части трубчатого корпуса съемным колпачком с помощью резьбового соединения. Внутри корпуса размещены соосно подвижный центральный электрод, электроразрядная камера, образованная передней частью электрода и внутренней полостью сопла-конфузора, примыкающий к нему передним торцом подпружиненный в осевом направлении для теплоотвода трубчатый медный испаритель с цилиндрической головной (передней) частью, имеющий кольцевой уступ перед его продолжением в виде хвостовика со сквозными продольными пазами, на котором размещены охватывающие его снаружи упругий элемент, подпружинивающий испаритель и упирающийся с одной стороны во внутренний кольцевой выступ корпуса, а с другой стороны - в уступ головной части испарителя, и вкладыш, выполненный из набора колец, изготовленных из капиллярно-пористого материала, который контактирует с влаговпитывающим материалом резервуара, при этом электрод коаксиально с зазором относительно испарителя закреплен в головной (передней) части металлического стержневого держателя, хвостовая (задняя) часть которого установлена с возможностью продольного перемещения в пускорегулирующем и центрирующем электрод механизме, закрепленном в задней части корпуса плазмотрона. Внутри него находится дренажная трубка, один конец которой расположен в корпусе вблизи хвостовика испарителя, а другой конец - в задней части резервуара вблизи его заправочной горловины. В отличие от прототипа хвостовик испарителя выполнен цилиндрическим, наружный диаметр его меньше наружного диаметра головной части испарителя, что упрощает его изготовление и последующую сборку плазмотрона. Упругий элемент выполнен из набора термостойких тарельчатых пружин, значительно увеличивающих усилие прижима торца испарителя к соплу с обеспечением теплоотвода, по сравнению с прототипом достаточного для возможности увеличения тока в дуге без перегрева деталей плазмотрона.
На фиг.1 изображена передняя часть плазмотрона и отдельно испаритель согласно техническому решению, где
1 - корпус,
2 - колпачок,
3 - сопло-конфузор,
4 - центральный электрод,
5 - стержневой держатель,
6 - испаритель,
7 - место установки датчика температуры,
8 - упругий элемент.
Плазмотрон функционирует следующим образом.
В резервуар подают рабочую жидкость, пропитывая ею влаговпитывающий материал, вкладыш и заполняя каналы, соединяющие резервуар с разрядной камерой. От источника тока на токоотводы подают пусковое напряжение. Приближают торец электрода к внутренней поверхности сопла до возникновения кратковременного контакта. Необходимый разрыв электрического контакта с помощью пружин между электродом и соплом возбуждает электрическую дугу. Выделяемая дугой тепловая энергия передается через испаритель к рабочей жидкости во вкладыше. Она превращается в пар, создавая избыточное давление, под действием которого пар через пазы подается в разрядную камеру, стабилизирует дугу в приосевой области, перегревается и поступает в профилированный канал сопла в виде конфузора. В канале пар под действием энергии дуги, геометрически сжатой стенками сопла, переходит в плазменное состояние с формированием на выходе из сопла плазменной струи, которую используют для термической плазменной обработки изделий с помощью известных методов и приемов. Для управления током дуги и контроля с помощью датчика температуры деталей плазмотрона во избежание их перегрева и нарушения режима обработки применяют программируемый блок питания и управления плазматроном со встроенным регулятором стабилизированного тока как в аналогах. Таким образом, управляют основными параметрами плазменной струи (скорость истечения из сопла, распределение температур в струе, форма струи), включая их стабильность, обеспечивая высокое качество и широту технических возможностей термической обработки в соответствии с изобретением, включая возможность генерации плазменной струи в воде. Более подробно работа плазмотрона описана в «Инструкции по эксплуатации» плазменного комплекса «Горынычъ» (http://as-pp.ru).
Пример 1 (обработка поверхности материалов с нагреванием ее плазменной струей, сформированной дежурной дугой косвенного действия и совмещенной с дугой прямого действия, возбужденной между плазмотроном и изделием). Выполняют все операции, описанные выше. Затем от блока питания и управления плазмотроном на сопло и обрабатываемое электропроводящее изделие известными способами подают напряжение и создают между ними разность потенциалов. Затем уменьшают расстояние между соплом и изделием до возникновения дуги прямого действия, совмещенной с плазменной струей, и производят обработку. Например, регулируя указанные выше основные параметры плазменной струи и дуги прямого действия, осуществляют плазменную сварку, применяя известные методы и приемы.
Пример 2. Получение наноалмазов.
Мелкодисперсную алмазную фазу углерода в виде водной взвеси (алмазные наночастицы) в соответствии с изобретением RU 2484014 получают с помощью плазменного комплекса типа «Горынычъ» (RU 93720 U1, 10.05.2010) при использовании в качестве плазмообразующего рабочего тела 80%-ного раствора этанола в дистиллированной воде. Струю плазмы вводят в воду, погружая в нее сопло плазмотрона. Наличие в воде мелкодисперсной алмазной аллотропной формы углерода регистрируют по характерному для алмаза голубовато-синеватому люминесцентному свечению его при освещении взвеси ультрафиолетовым источником света (см. описание к патенту RU 2484014). При этом на панели управления плазмотроном устанавливают величины тока I=12 A и напряжения U=90-180 B. Размеры наноалмазов 20-30 нм.
Предложенное техническое решение промышленно применимо и с учетом достигнутого технического результата будет использовано для комплектования серийно производимого плазменного комплекса «Горынычъ» (ТУ 3441-002-56754389-2008), а также устройства для получения нанодисперсных материалов, например наноалмазов.