Дуговой разряд малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении

Повышенный интерес к исследованиям плазменного ^ состояния вещества возник в середине XX века. Он был обусловлен заманчивыми перспективами решения всех энергетическихпроблем на Земле путем реализации управляемых реакций термоядерного синтеза (УТС) [1,2].

Выделение большого количества? энергии в реакциях ядерного? синтезаобусловлено наблюдаемым ?.эффектом-дефекта масс. Расчетыпоказывают, что-при синтезе 1 г атомов гелия1 (Не,}) из атомов дейтерия? и трития может выделиться- 180 000 квт/час энергии: Из-за большой1 величины сил отталкивания одноименных зарядов (протонов) реакция синтеза ядра'- может протекать только при очень высоких температурах — миллионы и более градусов [2−5], поэтому эти реакции называют термоядерными. На Солнце и звездах реакции термоядерного^ синтеза протекают постоянно. При таких высоких температурах любое вещество может, существовать лишь в плазменном состоянии.

Успешныеработы по мирному освоению' атомнойэнергии в 50-е годы вселили надежду на быстрое решение проблемы УТС. Неисчерпаемые запасы термоядерного топлива — дейтерия и трития в водах Мирового океана были? открыты еще в 1934 г. Э. Резерфордом с сотрудниками- [5]. К тому же, реакцииУТС практически не дают радиации, и более эффективны, чем реакции ядерного распада. Однако внешняя простота и изящество идеи УТС натолкнулись напрактике на: ряд непредвиденных проблем: Возникла необходимость глубоких и фундаментальных исследованийплазменного состояния вещества.

Плазма — это четвертое, наиболее распространенное в природе состояние вещества, представляющее собой ионизированныйгаз, который содержит электроны, положительно заряженные ионы, нейтральные и возбужденные атомы и молекулы [2,5]. Гигантскими сгустками плазмы являются Солнце и звезды. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой — ионосферой. В земных природных условиях плазма наблюдается при темных, тлеющих и дуговых (молния) разрядах в газах [6]. В практической деятельности человека плазма используется в светотехнике (неоновых лампах, лампах дневного света, электродуговых устройствах), а так же при электросварке, плазменной резке, плазменной наплавке и в других технологических процессах [7−9].

Различают два рода плазмы: изотермическую, возникающую при нагреве газа до температуры достаточно высокой, чтобы протекала термическая ионизация газа, и газоразрядную, образующуюся при электрических разрядах в газах. Физические явления в процессе перехода вещества в состояние плазмы можно проследить на примере образования изотермической плазмы.

С повышением температуры подрастает кинетическая энергия и увеличиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества, расположенных в углах его кристаллических решеток, до разрушения последних и перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние1 В результате получается* газообразнаясмесь из атомов и молекул элементов, входящих в состав вещества, которые быстро и беспорядочно движутся, испытывая случайные столкновения друг с другом.

С повышением температуры до 3000 — 5000 К заканчивается диссоциация молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в состояние плазмы. При этой температуре кинетическая энергия атомов достигает значений, при которых в результате столкновений начинают разрушаться их внешние электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные электронов" на внешних оболочках, превращаются в положительно заряженные ионы [10]. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выбивают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно. В результате в электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные электронов на внешних оболочках, превращаются в положительно заряженные ионы. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выбивают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно. В результате в газе (кроме нейтральных атомов) появляются положительные ноны и ионизации водорода от температуры свободные отрицательно заряженные электроны, оторванные от атомов. С увеличением температуры доля ионов и электронов в этой смеси быстро возрастает. При температуре в несколько десятков тысяч градусов подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют. ац%.

25 О.

5000 10 000 15 000 20 000 25 000 т, к.

Рисунок 1 — Зависимость степени ионизации водорода от температуры.

Кривая на рисунке 1 показывает, как по мере повышения температуры растет доля ионизированных атомов в водороде. Из рисунка 1 следует, что при температуре более двадцати — тридцати тысяч градусов не остается примеси нейтральных атомов. Для водорода, атом которого состоит из ядра и одного электрона, при этой температуре достигается не только полная ионизация газа, но и заканчивается процесс ионизации атомов, так как все ядра потеряли свои электроны и плазма представляет собой смесь из положительно заряженных ядер атомов и не связанных с ними отрицательно заряженных электронов.

Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает электрический дуговой разряд незаменимым источником тепловой энергии во всех современных способах электросварки, плазменной резки [11−14] и в других технологических процессах, требующих высокой концентрации тепловой энергии [14].

Разработки новых технологических устройств для резки и сварки металлов плазмой электрической дуги требуют знания электрических, тепловых и газодинамических характеристик. Необходимость определения и анализа характеристик электрической дуги связана с тем, что в этих технологических процессах основную роль при обработке играют термическое и динамическое воздействия электрической дуги на твердые материалы [15−17]. На характеристики электрической дуги оказывают влияние большое число параметров. Поэтому требуется детальное изучение процессов электрической дуги.

Несмотря на это, характеристики дугового разряда малой мощности при атмосферном давлении между твердыми электродами в паровоздушной среде и в струе электролита практически не изучены. Все это задерживает разработку электродуговых плазменных установок малой мощности и их внедрение в производство. Поэтому исследование характеристик дугового разряда малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита, разработка и создание плазменных установок с одновременной ионизацией разрядного промежутка являются актуальной задачей.

Целю данной работы являются — установление закономерностей физических процессов, протекающих в дуговом разряде малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении, создание математической модели для расчета дуги и разработка на этой основе плазменной установки с автоматическим поджигом электрической дуги для практического применения в плазменной технике и технологии.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Создать экспериментальную установку с автоматическим поджигом электрической дуги для исследования дугового разряда малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита различного состава (технической воде, ЫаС1, Си804 в технической воде концентрации' электролита от 5% до насыщения) при атмосферном давлении в диапазоне диаметров электродов с1=2−15 мм, межэлектродных расстояний 1=2−50'мм, тока разряда 1=2−15 А и напряжении разряда и= 16−65 В.

2. Экспериментально исследовать В АХ разряда, распределение температуры в плазменном столбе электрической дуги.

3. Разработать. математическую модель для исследования плазменного столба электрической дуги в приближении локального термодинамического равновесия.

4. Создать плазменную установку для сварки металлов и сплавов и исследовать ее характеристики.

Научная новизна исследований:

1. Экспериментально установлена возможность горения, дугового разряда малой мощности в паровоздушной струе электролита при атмосферном давлении и малых токах (2 А) и напряжениях (16 В).

2. Получены, на базе экспериментальных исследований, характеристики дугового разряда малой мощности в паровоздушной среде и струе электролита различного состава (технической воде, № 0, Си804 в концентрации от 5% до насыщения в технической воде) при атмосферном давлении и межэлектродном расстоянии до 50 мм.

3. Впервые установлен пробой дугового разряда в воздухе при атмосферном давлении на расстоянии 20 мм при напряжении 22 В и токе разряда 4 А.

Практическая ценность:

Результаты экспериментальных и теоретических исследований расширяют представление о физике электрических разрядов, между металлическими электродами • в паровоздушнойсреде и в струе электролита, а также способствуют дальнейшему систематическому изучению подобных систем спозицийприменения" плазмыэтих разрядов для обработкиматериалов. Результаты исследовании позволилиразработать, и создать плазменную установку, с дуговым разрядом малоймощности, использование которой' позволяет повысить производительность труда, и качество сварки металлов.

На защиту выносятся:

1. Результатыэкспериментального исследования: зажигания дугового. разряда, ВАХ в воздушной, паровоздушной среде и в струе электролита различного составаш воздухе при: атмосферном*давлении^.

2. Математическая модель плазменного? столба дуги разряда малой. мощности.

3. Устройство для сварки? металлов— (в том числе и цветных) — с окисной пленкой при пониженных напряжениях и токах и его энергетические характеристики.

Степень достоверности научных: результатов: Определяется применением, физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением, их результатов, с известными опытными и теоретическими — данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных! измерительных приборов высшего класса точности на стабильнофункционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов? математической статистики, математические расчеты проводились с применением современных программ на ЭВМ.

Апробация работы: Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: школа по плазмохимии № 10 для молодых ученых России, Иваново, ИГХТУ, 2002 г.- Межвузовская научно-методическая конференция «Научно-исследовательская деятельность студентов — первый шаг в науку», г. Набережные Челны, КамПИ, 2004 г.- Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», г. Тольятти, ТГУ, 2004 г.- Межвузовская научно-техническая конференция «Вузовская наука — России», г. Набережные Челны, 2005 г., научно-технические семинары ИНЭКА (КамПИ) г. Набережные Челны, КГТУ им. А. Н. Туполева, г. Казань.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 108 источников отечественных и зарубежных авторов.

ВЫВОДЫ.

1. Создана экспериментальная установка с автоматическим поджигом электрической дуги для исследования дугового разряда малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита для различного состава (техническая вода, №С1 и СиБ04 в технической воде концентрации электролита от 5% до насыщения) при атмосферном давлении в диапазоне параметров <1=2−15 мм, 1=2−50 мм, 1=2−15 А и и=16−65 В при атмосферном давлении.

2. Экспериментально исследованы структура, ВАХ разряда в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита для различного состава (техническая вода, №С1 и Си804 в концентрации электролита от 5% до насыщения в технической воде) при атмосферном давлении и 1=2−50 мм.

3. Проведены теоретические исследования плазменного столба дугового разряда в приближении локального термодинамического равновесия. В результате проведенных расчетов получено пространственное распределение температуры плазменного столба дугового разряда. Рассмотренная математическая модель позволяет получить расчетным путем параметры дугового разряда, которые необходимы при анализе параметров технологического процесса и элементов оборудования.

4. Разработана плазменная установка, использованная для резки и сварки металлов, и исследованы ее энергетические характеристики.

5. Усовершенствован метод определения радиального распределения температурыизмерения проводились в стационарном разряде, горящего в воздухе при атмосферном давлении. Оценка показала, что ошибка меньше чем 8%. С экспериментальной точки зрения этот метод обладает тем преимуществом, что требуется измерять только одну величину, потому что оптическая толщина фиксируется положением максимумов самообращенных линии.