Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ВОДЯНОГО ПАРА

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродуговым нагревателям газа (плазмотронам), используемым для получения стационарных потоков низкотемпературной плазмы различных газов, и может быть применено в химической и металлургической промышленности, машиностроении, энергетике, экологии.

Известен электродуговой подогреватель водяного пара с торцевым вольфрамовым катодом, пусковой вставкой и ступенчатым выходным электродом [Авторское свидетельство СССР №792614, кл. H05B 7/18, 1980]. Его отличает высокий КПД и стабильность горения дуги, однако ресурс непрерывной работы лимитируется в основном вольфрамовым катодом. Для его защиты от окислительных сред необходимо применять достаточно дорогие газы (аргон, чистый азот), которые, по существу, являются и загрязнителями пароводяной плазмы.

Целью изобретения является создание длительно работающего устройства для нагрева водяного пара без использования защитных газов.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном электродуговом нагревателе водяного пара, содержащем последовательно установленные вдоль продольной оси внутренний полый ступенчато сужающийся цилиндрический электрод-анод, кольцо закрутки для подачи плазмообразующего газа и выходной полый ступенчато расширяющийся цилиндрический электрод-катод, согласно изобретению наружная поверхность внутреннего электрода-анода и зауженной части выходного электрода-катода охвачены плотно прилегающей металлической трубой с низкой теплопроводностью, например, из нержавеющей стали, толщина стенки которой δ=(4÷8)·10^-3 м, через которую косвенно осуществляется охлаждение внутреннего электрода-анода и зауженной части выходного электрода-катода длиной не более 4d₂. Также в предложенном электродуговом нагревателе водяного пара согласно изобретению соотношение диаметров зауженных частей внутреннего электрода-анода d₁ и выходного электрода-катода d₂ составляет d₁/d₂=1,1÷1,3, отношение длины l₁ к диаметру d₁ зауженной части внутреннего электрода-анода - l₁/d₁=1,5÷4, отношение длины l₂ к диаметру d₂ зауженной части выходного электрода-катода - l₂/d₂=3÷7, отношение диаметра D₁ расширенной части внутреннего электрода-анода к диаметру d₁ его зауженной части - D₁/d₁≥1,5, отношение диаметра D₂ расширенной части выходного электрода-катода к диаметру d₂ его зауженной части - D₂/d₂≥1.6.

На фиг.1 приведена схема электродугового нагревателя водяного пара. Электродуговой нагреватель водяного пара состоит из медных внутреннего электрода-анода 1 и выходного электрода-катода 2 ступенчатой геометрии, изолятора 3 между электродами и кольца 4 закрутки плазмообразующего газа. Кольцо закрутки 4 плазмообразующего газа (водяного пара) находится между электродами. Внутренний электрод-анод выполнен в виде ступенчато сужающегося цилиндра в направлении потока газа. Наружная поверхность электрода 1 и наружная поверхность зауженной части электрода 2 длиной l₂ охвачены металлической трубой 5 с низкой теплопроводностью, например, из нержавеющей стали. Через металлическую трубу 5 из нержавеющей стали охлаждаются косвенно внутренний электрод-анод 1 и зауженная часть выходного электрода-катода 2 длиной не более 4d₂, где d₂ - диаметр зауженной части выходного электрода-катода. Толщина стенки трубы 5 определяется токовой нагрузкой и величиной тепловых потерь в электродах, при которых температура рабочих поверхностей внутреннего электрода-анода 1 и выходного электрода-катода 2 на длине его зауженной части l₂ выше температуры насыщения водяного пара для устранения конденсации пара в этих местах. Рекомендуемая величина толщины стенки трубы δ=(4÷8)·10^-3 м. При вводе газа большая его часть из-за разницы диаметров зауженных частей электродов d₁/d₂=1,1-1,3 поступает во внутренний электрод-анод, а меньшая - в выходной электрод-катод. Отношение длины зауженной части внутреннего электрода-анода 1 l₁ к диаметру его зауженной части d₁ составляет l₁/d₁=1,5÷4, а отношение длины зауженной части выходного электрода-катода 2 l₂ к диаметру его зауженной части d₂ составляет l₂/d₂=3÷7. Отношения диаметров расширенных частей электродов к зауженным частям составляют D₁/d₁≥1,5 и D₂/d₂≥1,6 соответственно для электродов 1 и 2.

Запуск плазмотрона производится на подогретом до 150°C воздухе путем пробоя межэлектродного промежутка осциллятором. После разогрева всех элементов разрядной камеры плазмотрона при горении дуги в воздушной среде в течение 3-4 минут осуществляется плавный переход на сухой перегретый водяной пар с уменьшением расхода воздуха. Для предотвращения конденсации пара на рабочей поверхности электродов внутренний электрод-анод и зауженная часть выходного электрода-катода охлаждаются косвенно через металлическую трубу из нержавеющей стали, а расширенная часть электрода-катода охлаждается водой непосредственно.

Пример

Электродуговой плазмотрон с внутренним электродом-анодом ступенчатой геометрии с размерами d₁=19,8·10^-3 м, D₁=3,5·10^-2 м, l₁=30,3·10^-3 м и выходным ступенчатым электродом-катодом с размерами d₂=16·10^-3 м, D₂=2,6·10^-2 м, l₂=7,6·10^-2 м и толщиной стенки трубы из нержавеющей стали δ=6·10^-3 м испытан на экспериментальном стенде. Плазмообразующий газ - сухой водяной пар с температурой 250°C, расход - (2,5÷4,1)·10^-3 кг/с. При силе тока дугового разряда 250-300 А падение напряжения на дуге составило 320-340 В. При мощности плазмотрона 80-100 кВт тепловой коэффициент полезного действия составил 60-65%. Горение дуги устойчивое, пульсации параметров разряда не превышали 7-8%.

Конструктивная схема предложенного дугового плазмотрона достаточно простая, а вариацией геометрических размеров электродов и расхода водяного пара возможно создание серии технологических плазмотронов различной мощности от 50 до 1000 кВт.