ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 635-639
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ^^^^^^^^^^ АППАРАТЫ И КОНСТРУКЦИИ
УДК 621.793; 533.9
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЛЬСОТРОННЫХ ДУГ ДЛЯ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
© 2004 г. А. П. Глинов, А. Е. Полтанов, Ю. Г. Дегтев, А. К. Кондратенко,
В. Н. Рындин, Г. И. Симонова
Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований Поступила в редакцию 23.07.2003 г.
Приведены результаты теоретического и экспериментального исследований физических характеристик свободной электрической дуги, движущейся в собственном магнитном поле вдоль загрязненных диэлектрическими наслоениями металлических поверхностей различной формы. Как и в процессах сварки, использовалась дуга прямого действия, когда очищаемый материал является одним из электродов, стабилизирующих электрическую дугу. По сравнению с плазмотронами установка на основе рельсотронных дуг может иметь более высокую мощность удельного потока. Это позволяет обеспечить более высокие к.п.д. и производительность за счет уменьшения потерь тепла на нагрев самой очищаемой пластины. Эксперименты проведены на стальных образцах, загрязненных парафиновыми пленками. Получены данные о скорости продвижения дуги, ее геометрических характеристиках, о тепловом потоке в очищаемый электрод и производительности очистки при разных амплитудах тока и толще парафинового покрытия. Показана принципиальная возможность снятия диэлектрических наслоений с металлических поверхностей с помощью электродуговой обработки.
ВВЕДЕНИЕ
Технологии очистки металлических поверхностей, загрязненных химическими диэлектрическими наслоениями, могут быть востребованы при реставрации или утилизации различных емкостей и трубопроводов газообразных и жидких сред. Особую важность представляет отработка технологии очистки поверхностей от экологически опасных пленок. Одним из возможных способов очистки таких поверхностей является плазменная обработка [1], при которой осуществляется нагревание, испарение и химическое разложение опасных веществ на менее опасные составляющие. При достаточно больших объемах очистительных работ требуются высокопроизводительные и экономичные установки.
В данной работе рассматривается возможность очистки загрязненных металлических поверхностей с помощью теплового излучения электрической дуги, движущейся между очищаемой поверхностью и электродом. Установка на основе рельсотронных дуг [2] может иметь существенно более высокую удельную мощность теплового потока, достигающую 100-200 кВт/см2, по сравнению с плазмотронами, где 1-10 кВт/см2. Это позволяет обеспечить более высокие к.п.д. и производительность за счет уменьшения потерь тепла на нагрев самой пластины.
Схема проведения испытаний. Возможность очистки загрязненной поверхности электрической дугой, движущейся в собственном магнитном
поле, была проверена на установке, схема которой приведена на рис. 1. Установка состояла из основного электрода с разрядником, инициирующим дугу на его входе, и металлической пласти-
} / \ ■/ Загрязнение
~7 \
Рис. 1. Схема установки по моделированию процесса очистки поверхности бегущей дугой.
636
ГЛИНОВ и др.
I, кА 20
15
10
5
0
и, В 0.6 0.4 0.2 0 -0.2
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4
0 1 2 3 4 5 6
7 8 г, мс
Рис. 2. Зависимости тока и падений напряжения от времени.
Рис. 3. Поверхность и сечение металлической пластины со слоем парафина после двукратного прохождения дуги.
ны, часть поверхности которой покрывалась слоем диэлектрика (парафина). Расстояние между электродом и поверхностью пластины можно было изменять от 4 до 10 мм. На электроде и пластине устанавливались зонды для измерения шагового напряжения (и1, и2, и3, и4).
Источником энергии служила конденсаторная батарея (С = 0.024 Ф) при напряжении 2.5 кВ, подключаемая к установке через дроссель (Ь = 100 цЫ). При экспериментах регистрировались ток и напряжение дуги. Скорость движения дуги и угол наклона ее столба относительно вертикали 0 определялись при обработке сигналов индукционных датчиков и зондов шагового напряжения, установленных на электроде и пластине в зоне движения дуги (см. рис. 2).
Экспериментальные результаты. На чистой (без диэлектрической пленки) металлической поверхности средняя скорость движения дуги между электродом и поверхностью при токе 1т = 30 кА составила 480-500 м/с, а характерное значение падения напряжения на дуговом столбе —70-80 В.
Скорость движения дуги по пластине, покрытой пленкой парафина толщиной 0.8-1 мм, при тех же входных параметрах снизилась до 12-18 м/с. Падение напряжения на дуге возросло до ~100 В. Ширина очищенной от парафина зоны приблизительно равнялась ~37-40 мм, а удельные затраты энергии по очистке —400 Дж/см2.
При токе 1т = 14 кА и толщине парафинового слоя 0.4-0.5 мм средняя скорость движения дуги по пластине составила ~25-35 м/с, ширина очи-
щенной зоны - 17-25 мм, падение напряжения на
дуге--80-90 В и удельные затраты энергии по
очистке —180-250 Дж/см2.
При движении дуги над чистой металлической поверхностью угол наклона столба дуги относительно вертикали 0° = 0. При движении над поверхностью с диэлектрической пленкой столб дуги отклонялся от вертикали на 0° = 60°-72°.
Смена полярности электродов не оказывала существенного влияния на параметры зоны очистки. Типичная картина снятия дугой парафинового слоя представлена на рис. 3.
Математическая модель. Рассматривается дуговой разряд в воздушной среде между двумя плоскими электродами (рис. 4), образующими шины рельсотрона. Один из электродов покрыт тонким слоем диэлектрика толщиной 8. Физическая модель разряда подробно описана в [3]. Отметим лишь основные моменты. Длина столба дуги может быть определена из эксперимента по углу наклона 0: I ~ й/со8 0 [4]. Предполагается, что дуга имеет вид наклонного цилиндра (рис. 4) с диаметром Б = 2(г1 + А). При отсутствии пленки скорость движения дуги Vf определяется балансом понде-ромоторных сил, сил аэродинамического сопротивления и сопротивления вязких пограничных слоев приэлектродных областей. При узких зазорах (й < Б) получаем
V,
2 Ь'ео8 0
Т 1/2
21р 0 Б (С й ео830 + С ж Б/2) ]
Здесь I = ¡(г) - электрический ток; Ь - погонная индуктивность; р0 - нормальная плотность воздуха; Ср £ - коэффициенты вязкого и аэродинамического сопротивления, зависящие от числа Рейнольдса Ие = Vfd/v [5], где V - кинематическая вязкость.
Скорость дуги при наличии пленки V определяется движением фронта испарения диэлектрика под воздействием притока тепла q из области дугового столба. Время Дг* нагрева и испарения пленки над поверхностью дугового пятна оценим из баланса энергии
W =
" q
W * + Wv + W 8 + We.
(2)
V = D / [ cos 9At * ], nT = W */Wq, П = qS/N.
(3)
I
r д r
dS' r T"
д r
+ aE - Фг(S) = 0,
/
E = I(t)/
\
2 nJardr
v 0 J
(4)
Нагретый газ
(I = 0)
Столб Дуги
Здесь Wq = qДt*S - приток энергии в стенку из дугового столба; $ = п02/(4со8 6) - площадь пятна; W* = р5[С5(Т* - Г0) + Л*]5$ - энергия нагрева и испарения пленки под дугой; Л* - удельная энергия испарения пленки на единицу массы; р§, С§ - плотность и удельная теплоемкость пленки на единицу массы; Т* - температура испарения пленки; Т0 = 20°С - фоновая температура пластины; WV, We и W5 - конвективный тепловой поток за время Дг* в очищаемую пластину и пленку.
Зная мощность дуги N = ¡и, диаметр ее столба D и угол наклона 6, по формуле (2) можно найти характерное время Дг* очистки прилегающего к дуге участка поверхности. Тогда скорость дуги при очистке V, термический к. п. д. пТ и коэффициент использования напряжения ци определяются выражениями
При проведении данных оценок сделаны следующие предположения: пленка тонкая, 5 <§ D; длина 1Г направляющей шины велика, D < 1Г; тепловой поток q достаточно интенсивен, так что размеры термических слоев существенно меньше диаметра D; электрический ток квазистациона-рен, т.е. Ы 1пI/di\-l > Дг*; пленка имеет постоянную толщину 5.
Расчеты [3] показали, что для коротких дуг q ~ ~ 0.51и/$. Если дополнительно пренебречь утечками тепла в шину и покрытие (пТ = 1), то для скорости дуги при очистке получим оценку сверху V < 2!и/{п05[Л* + С5(Т* - Те)]р5}.
Для оценки теплового потока в пленку q использовалась квазистационарная модель дуги (рис. 4) в приближении Эленбааса-Хеллера [6-8]
Рис. 4. Геометрия разряда: (а) - поперечное сечение, (б) - разрез.
где E - параллельная столбу составляющая напряженности электрического поля; r - расстояние от центральной оси дугового столба в виде усеченного цилиндра; a = a(p, T) - электропроводность; р - плотность; T - температура; Фг -
объемные потери на излучение; S = J^ XdT - тепловой потенциал; X = Xg + Xr - эффективный коэффициент теплопроводности; Xg, Xr- коэффициент теплопроводности газа и радиационный коэффициент; Tex - граничная температура внешней зоны горячего газа, окружающего токовый шнур.
В зоне токового шнура (0 < r < r1) сосредоточен весь ток I. В прилегающей газовой оболочке (r1 < < r < rT = r1 + A) тока нет (I = 0), но осуществляется перераспределение теплового излучения от дугового столба в электроды и окружающий воздух.
Граничные условия для (4) имеют вид
-X^ = easT?, T = T,: r = rx, or
-Xd? = a(Tex- To), T = Tex : r = rT = r, + A, (5)
-Xdn = a(T - Ta, c) + eas(T4 - t{ c), : у = 0, d.
638 ГЛИНОВ и др.
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных
Параметры 1т = 30 кА, 8 = 1 мм 1т = 14 кА, 8 = 0.5 мм
расчет измерение расчет измерение
Зазор й, мм 5 5 7 7 ~6 5 5 6 6 5-6 5-6
Угол наклона дуги 0° 0 60 0 60 60 60 72 60 72 60 72
Тепловой поток ц, кВт/см2 52 41 83 61 - 30 28 38 34 - -
Радиус токового шнура г1, мм 14 14 12 12 16 11 12 10 11 5-6.5 6-8
Толщина слоя нагретого газа А, мм 2.3 4.3 3.1 5.7 4 4 6.4 5 7.3 3 4
Ширина трека очистки Б, мм 33 37 31 36 37-40 30 37 29 37 15-20 20-25
Размер дуги мм - - - - - 43 80 39 73 27-29 58-60
Скорость очистки дуги V, м/с 15 21 22 31 12-18 25 36 30 43 17-20 36-42
Скорость свободной дуги Vf, м/с 556 - 494 - 490 - - - - - -
Термический к. п. д. % 0.49 0.4 0.49 0.4 - 0.4 0.3 0.4 0.3 - -
Падение напряжения и + ие, В 62 109 8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.