Портативные плазменно-водяные аппараты. |
Аппараты типа “Алплаз” предназначены для удовлетворения потребностей производственников, ремесленников и частных лиц в портативных, экологически чистых резаках и сварочных аппаратах.
Попробуем разобраться, чем они отличаются от других плазменных аппаратов. Дл начала немного теории.
Среди распространенных электродуговых способов обработки металлов широкое применение находят способы, основанные на использовании сжатой дуги, получившие название плазменно-дуговых способов обработки. Наибольша эффективность достигается в случаях использования плазменной технологии для резки, сварки, наплавки и напыления. Высока производительность и качество резки плазменной струей с каждым днем все более вытесняет из технологических процессов на производстве такие способы как газо-кислородная резка. Сварка сжатой дугой имеет много общего с аргоно-дуговой сваркой вольфрамовым электродом, но является более совершенным способом получения сварных соединений. Наиболее универсальными и совершенными методами нанесения защитных покрытий являются наплавка и напыление плазменной дугой.
Непосредственное влияние на все технологические параметры плазменной струи оказывает плазмообразующая среда. В качестве плазмообразующих сред применяются аргон, гелий, азот, воздух, водород и их смеси, механизм образования плазмы которых различен.
Низкие энергетические характеристики и энтальпия аргоновой плазмы ограничивают ее технологические возможности.
Гелий обладает более высокими энергетическими показателями, но из-за высокой стоимости и дефицитности не может иметь широкого применения.
Азот по сравнению с аргоном имеет лучшие энергетические и экономические показатели, но при нагреве до высоких температур оказывает вредное влияние на окружающую среду.
Воздушная плазма является самой экономичной высоко энергетической и доступной из существующих, однако образующиес нитриды и озон значительно ухудшают санитарно-гигиенические условия труда.
Водород имеет отличные теплофизические свойства. Он позволяет достичь напряженность электрического поля в 2-3 раза выше, чем в аргоновой дуге, и повысить энергетический потенциал сжатой дуги, за счет высокой теплопроводности и энтальпии. Наличие водорода в плазменной струе благоприятно сказывается на качестве сварного соединения, поскольку водород предохраняет расплавленный металл от действи окружающей среды. Вместе с тем недостатком плазмообразующей водородной среды являетс взрывоопасность и пониженный ресурс работы сопла плазмотрона. Высокая теплопроводность снижает теплоизоляцию и электроизоляцию сопла от плазменной струи.
Кроме вышеперечисленных применяютс также и другие инертные, активные газы и газовые соединения, какими являются, например, водород-аргон, водород-аргон-азот, дистилированный аммиак-аргон, углекислый газ-водород-азот и другие, обладающие комбинированными свойствами - достоинствами и недостатками, применение которых определяетс специфическими технологическими требованиями процесса плазменной обработки.
Имеются данные о создании экспериментальных плазменных установок плазмообразующей средой которых является водяной пар. Водяной пар является идеальной плазмообразующей средой, представляющей удачное и дешевое сочетание водорода с кислородом. Однако, технические и технологические сложности разработки и изготовления таких приборов не дают возможности их широкого промышленного применения. Практически водяной пар являетс экологически-чистым, взрывобезопасным и безотходным соединением, благоприятно влияющим на санитарно-гигиенические услови труда.
При образовании плазмы воды (ионизации) образуетс два объема ионов водорода и один объем ионов кислорода. Диссоциаци водного пара на водород и кислород начинается при температуре 1500К с поглощением тепла (136,8 ккал на один грамм-молекулу) и при температуре 2300К составляет 1,8%.
Основная масса водяного пара диссоциируется при температуре 4000К. Дальнейшее повышение температуры способствует диссоциации водорода с поглощением тепла, которое составляет 105 ккал на одну грамм-молекулу. Соответственно при рекомбинации в области анода (изделия) высвобождается большое количество энергии, способствующей интенсификации процесса расплавления металла.
При высоких температурах, которые имеют место в зоне плазменной струи, водяной пар может также диссоциировать на водород и гидроксил (ОН). Последний не растворяется в металле, являясь высокоустойчивым соединением и способствуя тем самым улучшению поверхности расплавленного металла (поверхность характеризуется металлическим блеском).
Большие перспективы использовани водяного пара в качестве плазмообразующей среды вызывают желание разработчиков плазмотронов разных стран искать технические решения, позволяющие создать такие приборы.
Портативный плазменно-водяной аппарат, разработанный в России и производимый серийно (патентна чистота обеспечивается 6 международными патентами и заявками), является одним из примеров, подтверждающих возможность разработки и производства такого типа приборов.
Аппарат “Алплаз” состоит из плазменно-водяной горелки и блока питания.
Плазменна горелка выполнена в форме пистолета и включает в себ разрядную камеру конструктивно объединенную с устройством парообразования. Объединение системы парообразования с разрядной камерой позволило создать эффективную систему охлаждения электродов горелки за счет использования тепловой энергии, выделяемой на электродах, для парообразования. Такой подход позволил создать саморегулирующую систему охлаждения (чем больше мощность, выделяемая на электродах горелки, тем больше количество вырабатываемого плазмообразующего пара). 70 грамм воды, заливаемых непосредственно в горелку, в зависимости от режима использования хватает на 16-35 минут непреывной работы.
Блок питания функционально выполнен как высокочастотный инвертор с низкопадающей вольтамперной характеристикой. Выходная мощность регулируется от 200 Вт до 2,2 кВт.
Этот портативный плазменный аппарат позволяет осуществлять резку, пайку и сварку черных и цветных металлов с толщиной листа до 6 мм и диаметром прутка 6-8 мм. При этом резка металла осуществляется горелкой, заправленной водой, а сварка - горелкой, заправленной сорока процентным водным раствором спирта или ацетона.
В заключении следует отметить, что создание плазменных аппаратов, использующих пары различных жидкостей как плазмообразующую среду, открывает широкие перспективы для разработки новых технологических процессов в различных областях человеческой деятельности.
| 1 | Герметичный металлический корпус горелки | |
| 2 | Заливное отверстие с пробкой | |
| 3 | Резервуар с водой, заполненный влаговпитывающим материалом | |
| 4 | Медный испаритель | |
| 5 | Сопло-анод | |
| 6 | Катод | |
| 7 | Разрядна камера и дуга обжатая потоком пара | |
| 8 | Плазменный факел | |
 |
Направление теплового потока по медному испарителю (теплоотвод от сопла внутрь резервуара с водой) | |
| Направление потока пара (из области парообразования по каналам вдоль испарителя в разрядную камеру) | ||
Основными проблемами проектирования и создания плазменных аппаратов являются вопросы охлаждени электродов (катода и анода) и создание потока плазмообразующей среды, причем немаловажное значение имеет атомарный состав плазмообразующей среды.
В предлагаемом решении эти вопросы взаимосвязаны и создание потока плазмообразующей среды связано с охлаждением электродов.
После возбуждении дуги между электродами (соплом-анодом 5 и катодом 6) они начинают разогреваться. Т.к. они выполнены из меди, обладающей высокой теплопроводностью, и сопло-анод соприкасается с медным испарителем 4, тепловая энерги уходит от электродов внутрь резервуара с водой 3. Вода, в свою очередь, начинает испаряться, потребляя при этом большое количество тепла (2 256 кДж / кг) тем самым охлаждая электроды.
В тоже врем образуется пар и увеличиваетс давление, под действием которого водяной пар выходит из герметичного корпуса горелки по каналам испарителя через разрядную камеру и сопло горелки. При чем при прохождении по каналам испарител пар дополнительно разогревается, охлаждая испаритель, сопло и катод.
Проходя по тангенциальным каналам между испарителем и соплом, поток пара завихряется и попадая в разрядную камеру 7, обжимает электрическую дугу, тем самым стабилизируя ее в пространстве.
При прохождении через дугу начинается процесс ионизации пара и водяной пар переходит в четвертое агрегатное состояние - плазму воды, имеющую температуру около 8000* С.
Прелесть данного подхода заключается в обратной связи между количеством энергии передаваемой горелке и интенсивностью охлаждени электродов:
чем больше энергии выделяется на электродах, тем интенсивнее идет парообразование и соответственно охлаждение электродов.
Это позволяет горелке стабильно работать в широком диапазоне мощностей - от 200 Вт до 2,2 кВт.
|
|