ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН Российский патент 1995 года по МПК H05B7/20 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике электродугового нагрева, и может быть использовано в плазменных устройствах, применяемых в химической технологии, металлургии и т.д.

Известен электродуговой плазмотрон для нагрева воздуха, содержащий торцовый вольфрамовый катод, вихревую камеру с патрубком подачи защитного газа, межэлектродную вставку, вихревую камеру с патрубком подачи воздуха и выходной, выполненный из меди, электрод диаметром D с уступом диаметром D₁, связанные соотношением D/D₁= 2, при этом длина L выходного электрода за "уступом" равна L (3-4)D [1]
Известный плазмотрон прост в эксплуатации, наличие "уступа" создает благоприятные условия для шунтирования дуги за уступом, что обеспечивает неизменность средней длины дуги в широком диапазоне изменения тока дуги, расхода газа и вкладываемой электрической мощности. Известный плазмотрон обладает существенным недостатком: сложность конструкции, связанная с наличием межэлектродной вставки, обеспечивающей защиту вольфрамового катода от контакта с воздухом.

Известен электродуговой плазмотрон, содержащий внутренний стаканообразный, выполненный из меди электрод, вихревую камеру с патрубком подачи воздуха и выходной, выполненный из меди электрод и с гладкими стенками [2]
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является электродуговой плазмотрон, содержащий внутренний стаканообразный выполненный из меди электрод, электроизолированную межэлектродную вставку, две вихревые камеры с патрубками подачи воздуха, непосредственно примыкающие справа и слева к межэлектродной вставке и выходной электрод диаметром D с "уступом" диаметром D₁; связанные между собой соотношением D/D₁=2, при этом длина выходного электрода за "уступом" равна L (3-4)D [3]
Недостатки известного плазмотрона: сложность конструкции, вызванная наличием межэлектродной вставки и двух вихревых камер, непосредственно примыкающих справа и слева к межэлектродной вставке.

Целью изобретения является упрощение конструкции электродугового плазмотрона.

Это достигается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем внутренний стаканообразный электрод, вихревую камеру с патрубком тангенциальной подачи плазмообразующего газа, межэлектродный изолятор, выходной электрод диаметром D с "уступом" диаметром D₁, связанные между собой соотношением D/D₁=2, согласно изобретению внутри выходного электрода установлена выполненная из жаропрочного электропроводного материала втулка длиной L, равной длине выходного электрода за "уступом", при этом L=(2,0-2,5)D, где D диаметр выходного электрода, а параметры "уступа" длина L₁, и диаметр D₁-связаны между собой соотношением L₁/D₁=1,0-1,3.

На чертеже изображен электродуговой подогреватель, общий вид.

Электродуговой подогреватель содержит внутренний стаканообразный электрод 1, межэлектродный изолятор 2 с патрубком 3 тангенциальной подачи плазмообразующего газа, выходной электрод 4 диаметром D с "уступом" диаметром D₁ и выполненная из жаропрочного электропроводного материала втулка 5. Втулка установлена внутри выходного электрода 4, ее длина L равна длине выходного электрода 4 за "уступом", при этом L 2,0-2,5 D, а параметры "уступа" длина L₁ и диаметр D₁ связаны между собой соотношением L₁/D₁=1,0-1,3.

Опорные концы дуги 6 располагаются на внутренних поверхностях электрода 1 и втулки 5.

Электродуговой плазмотрон работает следующим образом. Подают воду на охлаждение узлов плазмотрона, находящихся под тепловой нагрузкой; через патрубок 3 тангенциально подают плазмообразующий газ между внутренним 1 и выходным 4 электродами. Известным способом инициируют дуговой разряд. Опорные концы дуги 6 располагаются на поверхности внутреннего электрода 1 и на поверхности жаропрочной втулки 5.

Тангенциально подаваемый газ через патрубок 3 в межэлектродном пространстве разделяется на два потока: первый поток заходит во внутреннюю полость стаканообразного электрода, а второй непосредственно поступает в выходной электрод 4. Первый поток нагревается участком дуги 6, расположенной внутри стаканообразного электрода, затем этот поток смешивается со вторым потоком и смесь двух потоков проходит через выходной электрод 4. После "уступа" выходного электрода 4 происходит внезапное расширение смеси потоков газа, что создает благоприятные условия для шунтирования электрической дуги за "уступом" и обеспечивает постоянство длины дуги. При этом параметры "уступа" длина L₁ и диаметр D₁ связаны таким соотношением (L₁/D₁=1,0-1,3), которое исключает возможность шунтирования дуги 6 на "уступе".

Сравнительно малая длина "уступа" в предлагаемом изобретении позволяет уменьшить (по сравнению с прототипом) расход подаваемого плазмообразующего газа. А выполненная из жаропрочного электропроводного материала втулка 5, имеющая повышенную температуру на своей поверхности (по сравнению с температурой на поверхности "уступа"), обеспечивает гарантированное шунтирование дуги 6 сразу за "уступом". Это позволяет уменьшить длину выходного электрода 4 за "уступом" (по сравнению с длиной выходного электрода после "уступа" в плазмотроне, выбранном за прототип), при этом длина втулки 5 L (2,0-2,5)D, где D диаметр выходного электрода 4 (у прототипа этот параметр L (3 5)D. Это обстоятельство позволяет увеличить тепловой КПД в предлагаемом устройстве.

Испытания на воздухе опытного образца плазмотрона с установленной после "уступа" вставкой из нержавеющей стали показали, что оптимальным отношением длины "уступа" к его диаметру явилось L₁/D₁ 1,0-1,3, так как при увеличении длины "уступа" при неизменности его диаметра зафиксированы случаи шунтирования дуги на уступ. Уменьшение этого соотношения (L₁/D₁< 1,0) приводит к конструкционным трудностям, вызванным обеспечением эффективного охлаждения уступа.

Оптимальным отношением длины электрода за "уступом" и его диаметра явилось L (2,0-2,5)D. Увеличение длины электрода за "уступом" при неизменности его диаметра приводит лишь к уменьшению теплового КПД плазмотрона, а при уменьшении соотношения L/D меньше 2,0 зафиксированы случаи выдувания дуги на торец выходного электрода.

Изобретение позволяет упростить конструкцию электродугового плазмотрона, расширить область его применения и увеличить тепловой КПД.

Сущность изобретения: внутри выходного электрода с "уступом" установлена выполненная из жаропрочного электропроводного материала втулка длиной L, равной длине выходного электрода за "уступом", при этом L = (2,0 - 2,5)D, где D - диаметр выходного электрода, а параметры "уступа"- длина L₁ и диаметр D₁ связаны между собой соотношением L₁/D₁= 1,0 - 1,3 . 1 ил.

ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН, содержащий внутренний стаканообразный электрод, вихревую камеру с патрубком тангенциальной подачи плазмообразующего газа, межэлектродный изолятор, выходной электрод диаметром D с "уступом" диаметром D₁, связанные между собой соотношением D/D₁=2, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, внутри выходного электрода установлена выполненная из жаропрочного электропроводного материала втулка длиной L, равной длине выходного электрода за "уступом", причем длина втулки и диаметр выходного электрода находятся в соотношении L (2,0 2,5)D, длина уступа L₁ и диаметр уступа D₁ связаны между собой соотношением L₁/D₁ 1,0 1,3.