ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЛАЗМОТРОН

Полезная модель относится к плазменной технике, а именно: к плазмотронам. Известны промышленные плазмотроны, построенные по традиционной схеме, например, ЭДП-147 [1] стр.34, предназначенные для нагрева различных газов. Недостатком плазмотрона является его низкий тепловой КПД, как следствие, необходимость использования жидкостного охлаждения. Также к недостаткам следует отнести низкий ресурс катода и необходимость применения для его длительной работы защитных газов. Все вышеназванное ведет к большим эксплуатационным расходам при использовании плазмотрона в промышленности.
Известен плазмотрон [2], в котором ресурс электрода (катода) увеличен в два раза за счет его симметричной конструкции и конструктивной возможности разворота на 180°. В данном решении используются более длинные медные электроды, в качестве плазмообразующего газа используется воздух. Но и в этом случае высокая эрозия медного катода за 150-170 часов работы приводит к необходимости его замены или разворота на 180°. Эксплуатационные затраты при использовании плазмотрона остаются высокими.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является импульсно-периодический плазмотрон [3]. Выходной канал плазмотрона выполнен в виде соосно расположенных электродов цилиндрической или конической формы, которые подключены к высоковольтному блоку питания. Из описания следует, что блок питания генерирует высоковольтные импульсы, благодаря чему выходной канал повышает энергию плазменного потока, выходящего из блока генерации и ввода плазмы, чем и достигается положительный эффект.
Недостаток устройства заключается в наличии блока регенерации и ввода плазмы по сути типового плазмотрона, как уже было сказано выше, требующего больших эксплуатационных затрат. Устройство, по сути, состоит из плазмотрона и ускорителя плазмы с высоковольтным импульсным источником. На практике потребуется устройство для сопряжения этих узлов, что в целом усложняет его обслуживание.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов высоковольтного плазмотрона.
Поставленная задача решается тем, что высоковольтный плазмотрон, содержащий высоковольтный источник питания, подключенный к коническому первому электроду и цилиндрическому второму электроду, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия и срока службы электродов второй цилиндрический электрод разделен на два - поджигающий и выходной электроды, добавлен диэлектрический цилиндр - корпус изделия, в котором соосно через две центрирующие диэлектрические шайбы вставлены цилиндры второго электрода, в поджигающий цилиндр второго электрода соосно через потокоформирующую диэлектрическую шайбу вставлен конический первый электрод, центрирующие шайбы имеют отверстия параллельные оси устройства для прохождения воздуха, потокоформирующая диэлектрическая шайба содержит отверстия под углом к оси устройства для закручивания потока воздуха, высоковольтный источник питания работает в непрерывном режиме, формирует переменное напряжение повышенной частоты.
Новым, по мнению авторов, является взаимное расположение электродов плазмотрона и формирующих воздушный поток диэлектрических шайб. Новым также является применение высоковольтного блока с токоограничивающей характеристикой. Высоковольтный блок формирует переменное напряжение высокой частоты, обеспечивая устойчивую работу плазмотрона в широком диапазоне скоростей воздушного потока внутри плазмотрона. По сравнению с известным устройством исключен блок генерации и ввода плазмы в виде отдельного плазмотрона направленного действия. В предлагаемом устройстве для возбуждения плазменного потока используется электрическая дуга, возникающая между коническим и поджигающим цилиндрическим электродами.
Сущность полезной модели поясняется чертежом фиг.1, на котором представлено сечение общего вида высоковольтного плазмотрона.
Высоковольтный плазмотрон состоит из высоковольтного источника питания 1, корпуса плазмотрона 2, конического первого электрода 3, цилиндрического поджигающего электрода 4 и выходного электрода 5, центрирующих диэлектрических шайб 6 с отверстиями параллельно главной оси 7, потокоформирующей диэлектрической шайбы 8 с отверстиями наклоненными относительно главной оси устройства (относительно плоскости рисунка).
Кроме того на фиг.1 отмечен вентилятор для подачи воздуха 9, линия плазменного шнура 10.
Высоковольтный плазмотрон работает следующим образом: Включение высоковольтного источника 1 приводит к электрическому пробою у основания конического электрода 3 на поджигающий электрод 4 и возникновению электрической дуги в узком зазоре между ними. Включение вентилятора 9 приводит, благодаря наклону отверстий потокоформирующей шайбы 8, к кручению потока воздуха вокруг конусного электрода 3. Поступательно-вращательное движение воздушного потока выносит электрическую дугу на верхнюю кромку конусного электрода, затем воздушный поток выдувает электрическую дугу в виде плазменного шнура 10 во внешнее пространство через внутреннее отверстие электрода 5. После ослабления воздушного потока во внешнем объеме плазменный шнур 10 шунтируется на верхней кромке электрода 5. Воздух, протекающий через отверстия 7 центрирующих шайб 6, отжимает плазменный шнур 10 от внутренней кромки электрода 5, тем самым препятствует раннему шунтированию шнура плазмы. Отверстия верхней шайбы 6 обеспечивают дополнительный поток для охлаждения элементов конструкции плазмотрона и способствуют стабилизации формы струи плазмы.
Достижение технического результата - высокого КПД можно пояснить следующим образом. На фиг.2 приведена кривая электрического пробоя в газах [4], в том числе и воздухе. В отличие от известных устройств, работающих при больших токах и малых напряжениях - правая часть графика, предлагаемое устройство работает с плазменной струей в левой части графика. В этой зоне сопротивление воздушного промежутка в несколько раз выше, чем в правой зоне, следовательно, создавая высокое напряжение между электродами и малый ток, можно получить ту же выходную мощность плазменного потока при токах через электроды в несколько раз меньших, чем в известных схемах. Снижение тока через электроды высоковольтного плазмотрона ведет к пропорциональному снижению тепловых потерь в них, чем и объясняется повышение КПД предлагаемого устройства.
Сниженный в несколько раз ток через электроды высоковольтного плазмотрона во столько же раз снижает эрозию этих электродов, а, следовательно, пропорционально увеличивается срок их службы. Дополнительно к уменьшению износа электродов ведет вращательное движение пятна возникновения плазменного шнура по верхней части конусного электрода 3 и пятна шунтирования плазменного шнура верхнего электрода 5. Применение высоковольтного источника питания с выходным напряжением в несколько килогерц облегчает перемещение пятен плазменного шнура по кольцевым образующим электродов.
На фиг.3 приведена фотография работающего опытного образца высоковольтного плазмотрона. При выходной мощности 1,5кВт ток электродов 1,5 А. Устройство не имеет жидкостного охлаждения, температура стальных электродов в установившемся режиме не превышает 400°С.Тепловой КПД плазмотрона около 85%, на 15-25% выше, чем у известных промышленных плазмотронов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электродуговые плазмотроны. Под ред. Чл.корр. АН СССР М.Ф.Жукова. Новосибирск, 1980. Институт теплофизики СО АН СССР.
2. Патент RU 2159022 С2 Н05H I/24. Плазмотрон линейной схемы, 2000.
3. Патент RU 2343651 С1 Н05H I/25, В23К 10/00. Импульсно-периодический плазмотрон, 2007.
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ - БСЭ, кривые Пашена для различных газов.