Исследование характеристик и разработка плазменной электротермической установки с жидким катодом

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 357. 123
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗРАБОТКА ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ЖИДКИМ КАТОДОМ
© 2012
Р. И. Валиев, магистрант Б. Ю. Шакиров, аспирант Ю. И. Шакиров, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника»
Камская государственная инженерно-экономическая академия, Набережные Челны (Россия)
Ключевые слова: плазменная электротермическая установка- металлический анод- жидкий катод.
Аннотация: В работе исследуется характеристики разряда между жидким катодом и металлическим анодом, полученная обобщенная вольт-амперная характеристика рекомендуется для разработки плазменной электротермической установки и внедрение ее в промышленность.
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость экономии энергии и реагентов заставляют технологов уделять все более пристальное внимание процессам, происходящим в неравновесной газоразрядной плазме. Одним из способов получения низкотемпературной плазмы является использование разряда, возникающего между твердым и жидким электродами. Несмотря на большие возможности использования данного разряда в плазмохимии и электронике, физика разряда между твердым и жидким, а также между жидкими электродами практически не изучена. Не изучены физические процессы на границе раздела жидкого катода и плазмы, остается практически не исследованы взаимодействие плазмы такого разряда с поверхностями твердых тел. Все это задерживает разработку плазменных электротермических установок (ПЭТУ) с жидким катодом и их внедрение в производство.
Основной целью данной работы является изучение характеристик разряда между жидким катодом и металлическим анодом, полученные результаты рекомендовать разработку промышленной плазменной электротермической установки.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для достижения этой цели была разработана экспериментальная ПЭТУ для исследования характеристик разряда
между металлическим анодом и жидким катодом: вольт-амперных характеристик, распределение потенциала, напряженности электрического поля в плазме и плотности тока на электродах которые позволят разработку ПЭТУ с жидким катодом для технологического применения.
Экспериментальная ПЭТУ состоит из системы высоковольтного источника питания (ВВИП), вакуумной системы (ВК), электролитической ванны и аппаратуры для измерений напряжения и тока разряда, температуры и давления газа, пространственных распределений потенциала и напряженности электрического поля в разряде, падения напряжения в электролите и плотности тока в электродах рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Разряд с жидким катодом из 20%-ного раствора CuSO4 при межэлектродном расстоянии / = 20 мм и Р = 2666 Па разряд имеет видимую конусообразную форму с катодным пятном в виде буквы Х (рис. 2)
Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки.
Рис. 2. Разряд между стальным анодом и жидким катодом — 20% раствором С04, 1= 20 мм Р = 2666 и I = 0,1 А.
При использовании жидкого катода 20%-ный раствор Си804 напряжение разряда в диапазоне тока от 50 до 300 мА быстро уменьшается, а при больших токах зависимость и от I становится слабой.
Разряд в паровоздушной среде при атмосферном давлении между жидким катодом и металлическим анодом имеет
Рис. 3. ВАХ разряда между жидким катодом (20% раствор С04) и стальным анодом при Р = 1333 Па. Кривые 1, 2, 3, и 4 соответствуют значениям I = 10, 20, 30 и 40 мм.
форму усеченного конуса.
На рис. 4 представлены ВАХ разряда между медным анодом ^ = 5 мм) и технической водой (кривые 1 — 5). Там же для сравнения приведена ВАХ для случая, когда катодом является дистиллированная вода (кривая 6). Вольт-амперные характеристики 2 — 6 относятся к высоковольтному разряду, состоящему из множества микроразрядов. Этот разряд горит при I & gt-150 мА. Переход к этому разряду на ВАХ ничем не проявляется, а концентрация раствора существенно влияет на ир — I характеристики разряда.



4 5 3
2 ^
1
О то 200 300 400 500 600 Ї, шА.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики разряда между жидким катодом (техническая вода кривые 1, 2, 3, 4, 5, дистиллированная вода кривая 6 и медным анодом. 1 — I = 15 мм, Р = 2666 Па- 2 — I = 2 мм, Р = 105 Па- 3 — I = 7 мм, Р = 7998 Па- 4- I = 3,7 мм, Р = 105 Па-
5, 6 — I = 5 мм, Р = 105 Па.
С ростом давления от 1333 до 2666 Па характер зависимости ja от Р меняется (рис. 5). Повышение давления приводит к существенному росту плотности тока на аноде. Например, при Р = 2666 Па, I = 500 мА и I = 40 мм величина jk равна 4 А/см2 Это значение плотности тока на аноде в 4 раза больше, чем при Р = 1333 Па. Из сравнения кривых 5, 6, 7 и 8 следует, что с ростом межэлектродного расстояния плотность тока на аноде существенно возрастает, также меняется характер зависимости ja от I. С ростом I в диапазоне изменения тока I = 100 — 600 мА величина jк уменьшается. Максимальное значение плотности тока для данного жидкого катода на-
блюдается при I = 10 мм и I = 450 мА. При этом величина jк равна 0,25 А/см2. С увеличением проводимости жидкого катода плотность увеличивается.
0.1 в 0 2 0.3 0.4 0.5 1, А
Рис. 5. Зависимость плотности тока на жидком катоде (20% CuSO4) и на металлическом аноде от тока разряда при Р = 2666 Па, для различных I: 1, 5 — 10- 2, 6 — 20- 7 — 30- 4, 8 — 40 мм- 1, 2, 3, 4 — д-
5, 6, 7, 8 — і.
' ' ' •'-а
На рис. 6 показаны эквипотенциальные линии (а), распределения потенциала (б, кривая 1) и напряженности электрического поля в разряде (б, кривая 2) с жидким катодом из 20%-ного раствора СиБ04, минимальное значение Е для 20%-ного раствора СиБ04 уменьшается на 30% по сравнению с жидким катодом из технической воды.
а) б)
Рис. 6. Эквипотенциальные линии (а), распределение потенциала и напряженности электрического поля на оси разряда (б) между жидким катодом (20% раствор С04) и металлическим анодом (^ = 4 мм) при Р = 2666 Па, I = 100 мА, I = 10 мм.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Известные критериальные обобщения вольт-амперных характеристик относятся к дугам, стабилизированным в канале с потоком газа. Теоретической основой таких обобщений является теория подобия и размерности. Для дуг в плазматро-нах определены критериальные уравнения, необходимые для построения обобщенных вольт-амперных и тепловых характеристик. Получены соответствующие эмпирические формулы, позволяющие рассчитывать характеристики разряда в широком диапазоне изменения тока, давления, расхода газа и геометрических размеров разрядной камеры. Основные критерии подобия свободных дуг были определены в [1]. Там же приведена обобщенная ВАХ для дуг при атмосферном давлении. Один из критериев подобия, приведенных в [1], в [2] был использован для обобщения ВАХ разряда с жидким
катодом при атмосферном давлении. Однако результаты [2] не учитывают влияния давления на характеристики разряда.
Рассмотрим критериальные уравнения, необходимые для обобщения характеристик свободного разряда в газе между жидким катодом и твердым анодом. Будем считать, что у сравниваемых разрядов аноды являются геометрически подобными и изготовлены из одного и того же материала. В данном случае скорость газа является определенным параметром. Поэтому число Рейнольдса не является определяющим критерием. В этих условиях безразмерные интегральные характеристики разряда у в первом приближении являются функциями определяющих критериев подобия и записываются в виде
'- 12 ди.] (1)
Ктк
кт
(2)
Критерий подобия
12
л=-
1
кТ"
(4)
ирі 0
'- аз (, 0 7 О
,{Р1)0Л2
, а3 = 430 Л°, 1-В-Па-°, 42-м-°, 745.
(5)
Здесь — теплопроводность исходного газа при темпера-
туре Тк, g — ускорение земного тяготения, Q1 — сечения столкновения электрона с молекулой, I — ток разряда, Р — давление, I — межэлектродное расстояние, К — постоянная Больцмана.
Локальные безразмерные характеристики разряда зависят и от безразмерных координат
-__Г -_У_ т~ 1'У~ Г
где т и у расстояния до данной точки соответственно от оси разряда и поверхности жидкого катода. Поэтому распределения безразмерных параметров разряда у1 описываются критериальными уравнениями
'- г-
Рис. 7. Обобщенная вольт-амперная характеристика разряда с жидким катодом из технической воды: 1 — I = 0,002, Р = 105-
2 — 0,007, 7998- 3 — 0,015 м, 2666 Па.
Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений ир от расчетных составляет 10%. Полученная обобщенная вольт-амперная характеристика может быть рекомендована для использования в расчетах электротермических установок с жидким катодом.
В указанном выше диапазоне параметров минимальное значение напряженности электрического поля обобщается формулой
Е. Г-
тіп
-в1(--(РІГ, в, =24. 4-
¦ВШ
-0,57 -0,6475 • (6)
м
^ Я
достаточно подробно рассмотрен [1]. Он был использован в [1] для обобщения ВАХ открытых дуг и в [3] - для обобщениях ВАХ разряда с жидким катодом.
Критерий подобия
КГЯ
представляет собой обратное зн чение числа Кнудсена для электронов. Это следует из того, что средняя длина свободного пробега электрона определяется как
Для расчета расстояния от анода до сечения, где достигается минимальное значение напряженности электрического поля, получена формула
Ь. = в,^)1−9 -СР/Г2. в, = 0. 053. Г1'-9
Па
-0. 02 1. 4о (7)
М
Распределение напряженности электрического поля в положительном столбе описывается формулами
(Е — Ет1п)/
1
(8)
I
у & lt- у, с, = 325 А0,85 • В ¦ Па'-0,18 • м-1, з з т 1
««(?"/ РОга
В работе [2] значение Р было постоянным, а величина I изменялась незначительно. Поэтому влияние числа Кнуд-сена на обобщенные характеристики разряда осталось невы-явленным. В экспериментах данной работы число Кнудсена изменялось на несколько порядков, что долимо позволить установить его роль в обобщенных характеристиках.
Безразмерное напряжение можно определить как
77 и/' V& quot- (3)
/
В первом приближении величины g, Хк, Тк, Qгa можно считать постоянным. Отбросив их в (1) и (3), для напряжения
разряда получим упрощенную структуру уравнения ' и/'-'- ('-I2'- '-]
На рис. 7 представлена обобщенная ВАХ разряда с учетом их зависимости от параметров Р1. Она в диапазоне параметров I = 0,1 — 0,6 А, Р = 1333 — 105 Па, I = 2 — 40 мм описывается формулой
=с (_7_), 54 (р/)0,4 (^_2к)2 (9)
у & lt- у, с = 1,7 А-354 ¦ В ¦ Па-0,44 • м1,965 з •' т 2 5
В сечении у = ут значение Е определяется формулой (6). В окрестности сечения ут величину Е следует находить с помощью интерполяционной кривой, проходящей через точку (ут, Ет1п). При этом интерполяционную кривую нужно проводить так, чтобы она имела минимум в точке (ут, Ет1п). Формулы (6),(7) и (8) позволяют рассчитывать напряженность электрического поля с погрешностью не более 15% в диапазоне параметров I = 0,1 — 0,6 А, Р = 1333 — 105 Па, I = (2 — 40) — 10'3м.
ВЫВОДЫ
Полученная обобщенная вольт-амперная характеристика может быть рекомендована для использования в расчетах при разработке промышленной ПЭТУ с жидким катодом для очистки и снятия заусенцев с поверхности изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Даутов Г. Ю., Жуков М. Ф. Некоторые обобщения исследований электрических дуг. //Прикладная механика и техническая физика, 1965. № 2. С. 97 — 105.
2. Гайсин Ф. М., Сон Э. Е. Электрофизические процессы
Зибров П. Ф.
ПРОБЛЕМА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ…
в разрядах с твердыми и жидкими электродами. Сверд- ческие характеристики разряда в атмосфере между элек-
ловск.: Изд-во Уральский университет, 1989. — 432 с. тролитом и медным анодом. //Физика и Химия обработки
3. Гайсин Ф. М., Гизатуллина Ф. А., Камалов P.P. Энергети- материалов, 1985. № 54. С. 58 — 64.
RESEARCH AND DEVELOPMENT PROPERTIES OF PLASMA ELECTROTHERMAL INSTALLATIONS WITH A LIQUID CATHODE
© 2012
R.I. Valiev, master B. Yu. Shakirov, postgraduate student Yu.I. Shakirov, candidate of technical science, associate professor, head of the chair «Electrical engineering and electronics»
Kama State Academy of Engineering and Economics, Naberezhnye Chelny (Russia)
Keywords: plasma electrothermal plant- metal anode- the liquid cathode.
Annotation: In this paper the characteristics of the discharge between the cathode and the liquid metal anode, the resulting generalized volt-ampere characteristic is recommended for the development of plasma electro-installation and implementation of the industry.
УДК 621.9. 06. 01 (621. 822. 5)
ПРОБЛЕМА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОЧНОСТИ В ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
© 2012
П. Ф. Зибров, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Высшая математика и математическое моделирование» Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Ключевые слова: математическое моделирование- изнашивание деталей- остаточные упругие и тепловые деформации- смешанное трение- смазка- абсолютная и неполная взаимозаменяемость- подбор и селективная сборка- шероховатые поверхности- проницаемость и пористость сопряжения направляющих скольжения.
Аннотация: Представлена классификация типов взаимодействия объемов деталей и динамика развития физического и математического моделирования точности расположения поверхностей в кинематических парах с учетом деформации, микро- и макрошероховатости, а также смазки при относительном движении контактирующих поверхностей.
ВВЕДЕНИЕ
Экономические принципы хозяйствования требуют совершенствования способов производства качественной промышленной продукции, обновления средств производства, то есть разработки и модернизации высоко точного технологического оборудования обеспечивающего оптимальную прибыль. Это осуществляется поэтапно:
• в процессе создания конструкций машин, добиваются воспроизведения заданного технологическим процессом относительного движения или расположения исполнительных поверхностей в кинематических парах.
• при изготовлении машин и оборудования, получают за-
данную точность обработки составляющих деталей и установленной точности их относительного расположения при сборке узлов и в целом машин.
• во время эксплуатации задаются режимы работы, сохраняющие и восстанавливающие нормативную точность. На первом этапе, в процессе конструирования машин, закладываются геометрические размеры, материалы, кинематические связи, законы относительного движения исполнительных поверхностей, условия и принципы, обеспечивающие требуемые параметры точности. Их абсолютные значения предопределены физическими свойствами, используемых материалов и конструкций, закономерностью явлений, адек-

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой