Экспериментальное исследование процессов горения электрической дуги в плазмотронах переменного тока с изменением рода и расхода плазмообразующей среды

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров, Г.Н. Трансформаторы и реакторы. Новые идеи и принципы [Текст] / Г.Н. Александров, М.А. Шакиров.— СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2006.

2. Шакиров, М.А. Анализ неравномерности распределения магнитных нагрузок и потерь в трансформаторах на основе магнитоэлектрических схем замещения [Текст] / М.А. Шакиров.— Электричество, 2005, № 11.— С. 15-27.

3. Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов [Текст] / С.Б. Васютинский.— Л.: Энергия, 1970.

4. Вольдек, А.И. Электрические машины [Текст] / А.И. Вольдек.— Л: Энергия, 1974.

5. Иванов-Смоленский, А.В. Электрические машины [Текст] /А.В. Иванов-Смоленский.— М.: Энергия, 1980.

6. Сергеенков, Б.Н. Электрические машины: Трансформаторы [Текст] / Б.Н. Сергеенков, В.М. Ки-силев, Н.А. Акимова.— М.: Высшая школа, 1989.

7. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин [Текст] / И.П. Копылов.— М.: Высшая школа, 2001.

8. Силовые трансформаторы [Текст]: Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова и А.К. Лоханина.— М.: Энергоиздат, 2004.

9. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях [Текст] // Труды ВЭИ / Под редакцией А.И Лурье.— М.:

Знак, 2005.

10. Лейтес, Л.В. Схемы замещения многообмоточных трансформаторов [Текст] / Л.В. Лейтес, А.М. Пинцов.— М.: Энергия, 1974.

11. Лейтес, Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов [Текст] / Л.В. Лейтес.— М.: Энергия, 1981.

12. Лейтес, Л.В. Эквивалентная схема двухобмо-точного трансформатора: опыты ХХ и КЗ [Текст] / Л.В. Лейтес // Труды ВЭИ. Вып.79.— М., 1964.

13. Шакиров, М.А. Теоретические основы электротехники. Тензоры в ТОЭ. Электродинамика. Теория относительности [Текст] / М.А. Шакиров.— СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.

14. Шакиров, М.А. Аномальные магнитные потоки в двухобмоточном трансформаторе при коротком замыкании [Текст] / М.А. Шакиров, В.В. Андру-щук, Дуань Лиюн // Электричество.— 2010. № 3.

15. Шакиров, М.А. 2Т-образные схемы замещения трансформаторов [Текст] / М.А. Шакиров // Электричество.— 2010, №5.

16. Шакиров, М.А. Картины аномальных магнитных потоков в броневых трансформаторах при коротких замыканиях [Текст] / М.А. Шакиров, Ю.В. Варламов, Лиюн Дуань // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2010. № 1(95).

17. Брон, О.Б. Электромагнитное поле как вид материи [Текст] / О.Б. Брон.— М.: ГЭИ, 1962.

УДК 533.9.15

Е.Ю. Степанов, Р.В. Долиновская, С.А. Шабалин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В ПЛАЗМОТРОНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИЗМЕНЕНИЕМ РОДА И РАСХОДА ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕЙ СРЕДЫ

Электродуговые генераторы плотной плазмы (плазмотроны) представляют собой мощные электроразрядные устройства, в которых происходит преобразование энергии сильноточных импульсов в энергию рабочего газа с высокой энтальпией. Эти устройства генерируют низкотемпературную плазму, которая находит широкое применение в масштабных физических экспериментах, моделировании воздействия высоких температур, плазмохимии и промышленности.

На базе Института электроэнергетики и электрофизики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) разработано множество конструкций однофазных и трехфазных плазмотронов переменного тока. Устройства имеют мощность от единиц до сотен кВт и рабочее напряжение от 700 В до 10 кВ. На рис. 1 показан однофазный плазмотрон с электродами стрежневого типа в процессе работы на воздух.

Корпус плазмотрона выполнен из нержавеющей стали. Конструкция включает в себя

Энергетика. Электротехника

Рис. 1. Высоковольтный генератор плазмы переменного тока со стержневыми электродами

рубашки водяного охлаждения. В корпусе плазмотрона предусмотрены сходящиеся цилиндрические каналы, в каждом из которых реализован тангенциальный вдув газа. Такая мера помогает защитить корпус от воздействия химически и термически агрессивных сред. Электроды — сменные и изготавливаются из сплава железа и меди.

Приведем краткое описание принципа работы плазмотрона, изображенного на рис. 1. При подаче на электроды рабочего напряжения (10 кВ) происходит электрический пробой между ними и стенками каналов. Образовавшиеся электрические дуги движутся в сторону сопла под действием электродинамических и газодинамических сил. В начальный момент времени дуга движется в радиальном направлении. Вместе с этим изменяется зазор между электродом и стенкой канала. Одна из привязок дуги в результате такого движения фиксируется на торце электрода, а другая продолжает двигаться по стенке канала и доходит до торцевой кромки. В этот момент происходит сцепление с дугой другого канала. Непременным условием протекания описанного процесса является такая длина канала плазмотрона, которая меньше длины самоустанавливающейся дуги. При смене полярности питающего напряжения дуга инициируется в канале, насыщенном носителями заряда предыдущего рабочего полупериода. В случае их малой концентрации зажигание происходит в месте наименьшего пути дуги. Плазмообразующий газ, являясь рабочим телом плазмотрона, нагревается и выходит из сопловой части.

На рис. 2 приведены осциллограммы работы однофазного высоковольтного электродугового

плазмотрона переменного тока при разных расходах плазмообразующего газа.

Анализ осциллограмм показывает: в данном диапазоне расходов плазмообразующего газа ток дуги не изменяется. Это свидетельствует о том, что поведение системы питания носит характер источника тока. Для ограничения тока дуги в цепь системы питания включают мощные водоохлаждаемые реакторы. При работе на частоте сети падение напряжения на токоограни-чивающем реакторе составляет до половины амплитуды напряжения питания. Данное обстоятельство увеличивает проектную стоимость конструкции источника питания. Напряжение на нагрузке испытывает видимое влияние смены расхода газа. Падение напряжения на дуге увеличивается с ростом расхода газа. Данное утверждение справедливо и для случая использования углекислого газа. Диапазон исследуемых расходов в случае опытов с углекислым газом составлял 1,1—1,6 г/с.

При рассмотрении системы «источник питания — электродуговой плазмотрон как нагрузка» интересен анализ мгновенного сопротивления дугового канала в зависимости от мгновенных значений тока и напряжения, что позволит узнать мощность, выделяемую в дуге, — один из важнейших качественных показателей работы системы. Разработчики стремятся добиться увеличения вклада сопротивления дугового канала в общее сопротивления электрической цепи. Зависимость динамического изменения сопротивления от времени приведена на рис. 3.

Из аналиа данной зависимости следует, что минимальное значение сопротивления дугового канала составляет 40 Ом для исследуемого диапазона расходов газа. Данная величина достига-

Рис. 2. Зависимость тока и напряжения от времени при расходе воздуха 1,26 (-), 2,52 (--) и 3,78 ( - -)г/с

Я, Ом

Рис. 3. Графики зависимости динамического изменения сопротивления

от времени при расходе воздуха 1, 26

и 3,78 (----) г/с

ется в момент протекания максимального тока. Ранее сделанные выводы о том, что падение напряжения на дуге увеличивается с ростом расхода плазмообразующего газа, подтверждаются и зависимостью рис. 3, так как сопротивление дугового столба возрастает в случае большего расхода газа.

В таблице представлены данные серии экспериментов по измерению падения напряжения на дуге плазмотрона при различных расходах плазмообразующей среды.

Для воздуха и углекислого газа зависимости носят сходный характер, а именно растут с увеличением расхода газа. Данное обстоятельство в первую очередь объясняется увеличением удельного сопротивления дугового канала. Было подсчитано, что при одинаковых прочих условиях эксперимента падение напряжения на дуге при использовании углекислого газа на четверть больше аналогичной величины для воздуха. Однако углекислый газ не нашел широкого применения в практике создания учеными ИЭЭ РАН мощных плазмотронов. Решающий фактор при выборе плазмообразующей среды — экономический. Вопрос особо актуален ввиду большого расхода газа. С этой точки зрения углекислый газ дает недостаточный для широкого применения прирост падения напряжения на нагрузке.

Полученные в результате экспериментов осциллограммы позволяют однозначно определять в каждом конкретном случае минимальное сопротивление дугового канала, соответствующее по времени максимуму протекающего тока. Данное высказывание неправомерно лишь для моментов перехода тока дуги через нулевое значение. Этот момент наименее изучен в ходе исследований. Полученные графики показывают: в этот момент сопротивление дуги стремится к бесконечности, что неверно. Современная теория электрической дуги утверждает, что в момент перехода тока через ноль электрические процессы в рабочей камере зависят от предшествующих процессов в ней. В частности, плазмо-образующая среда сохраняет остаточное сопротивление, которое в свою очередь определяется совокупностью различных факторов. Классический электроэнергетический подход, описанный в [1], ставит сопротивление дуги в однозначную зависимость от теплосодержания в канале. Данный труд также рассматривает удобные для диа-

Энергетика. Электротехника -

Таблица 1

Влияние расхода плазмообразующего газа на падение напряжения на дуге плазматрона

Расход газа, г/с Падение напряжения, В, на дуге в зависимости от вида газа

Воздух Углекислый газ

1,2 870 1070

1,5 930 1130

1,7 950 1180

2 970 1230

гностики модели дуг переменного тока, основанные, в частности, на работах О. Майра.

В заключение выделим важнейшие аспекты проведенных исследований. В ходе экспериментов было установлено: в случае использования в качестве плазмообразующих сред воздуха и углекислого газа падение напряжения растет с увеличением расхода газа.

Напряженность электрического поля зависит от плазмообразующего газа. Полученные в ИЭЭ РАН экспериментальные данные показывают значения 10—15 В/см для воздуха и 15— 20 В/см для углекислого газа.

С помощью анализа семейства динамических вольтамперных характеристик системы «источник питания — электрическая дуга» можно оценить совокупность значений установившейся вольтамперной характеристики, которая показывает, на какую нагрузку работает система питания.

Минимальное значение сопротивления дугового канала может быть определено из полученных временных зависимостей. Однако этих зависимостей недостаточно для определения сопротивления дуги в момент перехода тока системы питания через ноль. Нахождение сопротивления канала дуги в момент перехода тока через ноль требует применения методов математического моделирования и знания постоянной времени исследуемой дуги.

Использование в качестве плазмообразую-щей среды смеси воздуха и водяного пара имеет перспективы. Данная мера позволила бы значительно увеличить теплообмен между дугой и окружающей ее средой, а так же добиться боль-

шего значения напряженности электрического поля в дуговом канале.

Перспективно использование импульсных источников питания для работы с плазмотронами малой и средней мощности. Повышение частоты преобразования энергии и введение об-

ратной связи по току позволит уменьшить величину индуктивности токоограничивающе-го реактора. Кроме того, существенно уменьшаются габаритные размеры сердечника реактора и трансформатора при переходе к полупроводниковому источнику питания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рюденберг, Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок [Текст] / Р. Рюденберг / Пер. с нем.— Л. : Энергия, 1980 . — 578 с.

2. Глебов, И.А. Мощные генераторы плазмы

[Текст] / И.А. Глебов, Ф.Г. Рутберг.— М.: Энергоато-миздат, 1985.— 152 с.

3. Жуков, М.Ф. Плазмотроны. Исследования. Проблемы [Текст] / М.Ф. Жуков [и др.].— Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995.— 203 с.

УДК 621.1.013

В.А. Барилович РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

К фундаментальным исследованиям в области расчета тепловых насосов можно отнести монографии [1—4], в которых рассматриваются возможные термодинамические циклы, рациональность использования различных рабочих тел в заданном интервале температур, эффективность, надежность установок и конструктивные решения. Однако процессы, происходящие в испарителях и конденсаторах, с позиций гидрогазодинамики и тепло- и массообмена не рассматриваются, так как в основе всех исследований в [1—4] лежит термодинамический метод.

В предлагаемой статье делается попытка исправить это положение.

Составлена система обыкновенных дифференциальных уравнений, позволяющая выполнить расчет испарителя и конденсатора теплового насоса в одномерной постановке на основе предложенной автором модели расслоенного (двухфазного) течения, которая позволяет использовать классические критериальные уравнения по теплоотдаче и трению для однофазных сред на участках испарения и конденсации пара, имеющих различные коэффициенты теплоотдачи для жидкой и паровой фаз, и модели, когда поток имеет паро-капельную структуру.

Для устранения гидродинамической неустойчивости в двухслойной модели предусматривается горизонтальное расположение трубок конденсатора и испарителя. Предполагается, что движущиеся жидкость и пар находятся в термодинамическом равновесии, а например, подведенная теплота идет на испарение жидкости или капель, при этом скорости движения фаз различны. Трубки конденсатора и переохладителя, имеющие с наружной стороны круглые ребра постоянной толщины, обдуваются потоком воздуха от вентилятора.

В качестве примера рассматривается расчет теплового насоса мощностью 15 кВт, работающего на изобутане в интервале давлений 0,13— 0,7 МПа. Внутренний относительный КПД компрессора принят равным 0,75. Перепад температуры при переохлаждении изобутана — 8 градусов.

Расчет испарителя

После дросселя двухфазный поток поступает в испаритель (рис. 1), где изобутан получает теплоту от 20 %-го водного раствора этиленглюко-ля, получившего теплоту от грунтового теплообменника. Испаритель выполнен из пучков горизонтальных трубочек. Каждый пучок со-