Курсовая работа: Расчет плазмотрона и определение его характеристик

Представленная система уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести ещё два условия, устанавливающие взаимосвязь между искомыми параметрами. Одно из них вытекающее из опыта работы с электродуговыми нагревателями воздуха, определяет, что при температуре истекающей струи Т=(3000-4000)К и давлении р=105 Н/м2, относительная длина выходного электрода принимается равной . Второе условие определяет отсутствие теплового запирания в канале цилиндрического электрода. С этой целью внутренний диаметр электрода выбирается на 10-30% больше критического. В нашем расчете примем d=1.3dкр.

Тогда мы можем рассчитать диаметр разрядного канала плазмотрона по следующей формуле [1]:

, (2.5)

подставив исходные значения, получим:

Решая полученную систему уравнений с помощью MathCAD, получим:

Given

Таким образом, получили следующие характеристики: напряжение дуги – 173 В, сила тока – 124 А, тепловой КПД – 55,2%. Мощность рассчитанного плазмотрона составляет 21,45 кВт.

Рассчитаем диаметр отверстий, через которые воздух подается в вихревую камеру. Для эффективной стабилизации дугового разряда на оси канала газовым вихрем и снижения эрозии материала катода, вызванной воздействием пятна дуги, необходимо обеспечить скорость газа на выходе из кольца закрутки в пределах 150-200 м/с. Принимаем скорость воздуха на выходе (м/с), плотность воздуха при нормальных условиях (кг/м3). Так как осуществляется распределенный вдув газа через 4 кольца закрутки, то для расчета диаметра отверстий берем расход газа равным G/4 [1].

(2.6)

где n – количество отверстий в одном кольце закрутки, равное четырем.

Подставив численные значения, получим:

.

2.2 Расчет системы охлаждения

2.2.1 Расчёт охлаждения катода

Полный тепловой поток в выходной электрод (катод) равен [1]:

(2.7)

Плотность теплового потока в стенку электрода рассчитывается по формуле:

(2.8)

Найдём температуру насыщения при давлении

(2.9)

Для дальнейшего расчёта нам необходимо принять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипения воды при давлении Па, , и определяем по формуле максимально д пустимый перепад температуры на стенке медного электрода:

(2.10)

где - температура плавления меди (1083 0С).