способ получения плазмы

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ, включающий подачу воды в плазмотрон с возможностью охлаждения электрода и сопла плазмотрона, поджиг электрической дуги в рабочей камере плазмотрона и подачу воды в рабочую камеру, отличающийся тем, что воду в рабочую камеру подают в виде газообразной фазы пара, которую получают путем нагрева воды в плазмотроне и последующего выделения газообразной фазы из образующегося пара, состоящего из жидкой и газообразной фаз.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газообразную фазу пара перед подачей в рабочую камеру пропускают через завихритель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в различных технологических операциях, а именно для плазменной резки, сварки, наплавки и т.д.

Известен способ получения плазмы [1] включающий использование водного раствора электролита в качестве плазмообразующего тела, Для зажигания плазменной дуги электролит впрыскивают в межэлектродное пространство, при этом он испаряется с образованием водяного пара и солей. При взаимодействии с дугой водород и кислород ионизируются с образованием плазмы. Кроме того, для охлаждения плазмотрона подают дополнительный объем воды, который далее нагревают до температуры, превышающей точку кипения, и подают в камеру расширения, откуда пар подается к дуге для образования плазмы.

Основным недостатком данного способа является нестабильное горение дуги из-за использования электролита, которое приводит к образованию накипи и отложению солей электролита на электродах. Отложение солей приводит к ухудшению теплообмена при охлаждении и быстрому выходу электродов из строя, что обусловливает низкую надежность работы плазмотрона. Впрыскивание электролита непосредственно между электродами, т.е. в камеру горения дуги, приводит к кипению электролита в каналах разбрызгивающего устройства, а следовательно, к образованию накипи и засорению последних, что приводит к нестабильной подаче электролита, т. е. к нестабильному горению дуги и ненадежной работе плазмотрона. Кроме того, при испарении дополнительного объема воды в известном способе образуется пар в виде двухфазной смеси, а наличие капелек воды в плазмообразующем теле при взаимодействии с дугой каждой капельки воды влечет мгновенное испарение капельки воды, что приводит к увеличению ее объема минимум в 700 раз, в результате чего происходит микровзрыв, вызывающий прерывание дуги, т.е. ее гашение. Наличие капелек воды в двухфазной смеси за счет скрытой теплоты парообразования снижает энергию горения дуги и ее стабильность. Использование электролита в данном способе не обеспечивает требований экологичности работы плазмотрона.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения плазмы [2] включающий подачу воды в плазмотрон для охлаждения рабочей камеры и электрода. В результате охлаждения плазмотрона вода частично испаряется и подается в сужающуюся трубку из пористого материала для создания плазмообразующего тела и подачи его к соплу. Проходя под давлением через пористую трубку с порами размером 1,5-1500 мкм вода испаряется и распыляется, образуя на выходе из пористой трубки двухфазную смесь, которая является плазмообразующим телом. Водород и кислород двухфазной смеси, выходящей из пор трубки с большой скоростью, при взаимодействии с дугой ионизируются, образуя плазму.

Наличие капелек воды в двухфазной смеси приводит к нестабильному горению дуги, так как по воде может происходить электрическое замыкание между соплом и электродом, приводящее к аварийному дугообразованию внутри рабочей камеры, и, кроме того, в процессе горения дуги при взаимодействии с ней каждой из этих капелек возникает ее мгновенное испарение с увеличением объема капельки в 700 раз и более. В результате происходят микровзрывы, вызывающие прерывание дуги вплоть до ее гашения, причем потери на скрытую теплоту парообразования снижают энергию горения дуги. Кроме того, пропускание двухфазной смеси через пористую поверхность трубки не позволяет обеспечить равномерную подачу плазмообразующего тела к дуге, что также вызывает нестабильное горение дуги. При парообразовании в пористой структуре трубки поры частично засоряются из-за образования накипи и оплавляются из-за наличия высоких температур, что также препятствует равномерной и стабильной подаче плазмообразующего тела, это снижает стабильность горения дуги и надежность работы плазмотрона.

Задачей изобретения является получение плазмы, обеспечивающей стабильное горение дуги и надежную работу плазмотрона в течение любого периода его действия за счет использования в качестве плазмообразующего тела воды в газообразной фазе.

Поставленная задача решается тем, что по способу получения плазмы, включающему подачу воды в плазмотрон для охлаждения, ее испарение для образования плазмообразующего тела, подачу его в рабочую камеру и взаимодействие с дугой, перед подачей в рабочую камеру пар сепарируют до получения плазмообразующего тела в газообразной фазе. Отсепарированный пар перед подачей в рабочую камеру завихряют.

Сепарирование пара до получения плазмообразующего тела только в газообразной фазе, исключающей наличие в нем капелек воды, позволяет обеспечить стабильное горение дуги за счет снижения потерь ее энергии на скрытую теплоту парообразования.

Кроме того, завихрение отсепарированного пара перед подачей его к дуге "отжимает" дугу от стенок отверстия сопла, исключая возможные замыкания дуги на них, что также обеспечивает стабильное горение дуги.

Использование в качестве плазмообразующего тела воды только в газообразной фазе исключает образование накипи после выхода из сепаратора на входе в рабочую камеру на электроде, что обеспечивает равномерную подачу плазмообразующего тела к дуге, ее стабильное горение и надежную работу плазмотрона.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в получении плазмы, обеспечивающей стабильное горение дуги и надежную работу плазмотрона.

На чертеже, поясняющем сущность изобретения, представлено устройство, в котором реализован способ получения плазмы.

Устройство включает кожух 1 с патрубком 2 для подачи воды в плазмотрон и токоподвод 3. В кожухе 1 установлены соосно сопло 4 и полый электрод 5, выполненный из меди. Устройство включает также рубашку 6 охлаждения сопла 4, парогенератор 7, сепаратор 8, завихритель 9 с углом завихрения, определяемым шестизаходной резьбой с шагом каналов 3 мм, и рубашки 10 охлаждения электрода 5. Токоподвод 3 подключен к электроду 5. Зазор между электродом 5 и соплом 4 образует рабочую камеру 11. В устройстве имеется замкнутая система циркуляции воды с установленными по ее ходу патрубком 2 подачи воды в плазмотрон, соединенным с каналом 12 охлаждения сопла 4, выполненным в рубашке 6, полостью 13 электрода 5, патрубком 14, соединяющим последовательно полость 13 с парогенератором 7, сепаратором 8, каналом 15 подвода газовой фазы в рабочую камеру 11 и каналом 16 отвода жидкой фазы из сепаратора 8 в парогенератор 7. Устройство снабжено керамической втулкой 17 для изоляции электрода 5 от рубашки 6. В сопле 4 выполнено отверстие 18, через которое истекает плазма. В качестве охлаждающей среды и плазмообразующего тела используют дистиллированную воду.

Способ осуществляют следующим образом.

По патрубку 2 постоянно подают дистиллированную воду комнатной температуры в канал 12 рубашки 6. Из канала 12 вода поступает в полость 13 электрода 5 и далее по патрубку 14 в парогенератор 7. В парогенераторе вода нагревается до температуры 105-130^оС и в виде двухфазной смеси поступает в сепаратор 8. В сепараторе двухфазная смесь разделяется на газообразную и жидкую фазы, причем жидкая фаза по каналу 16 возвращается в парогенератор. Газообразная фаза по каналу 15 поступает на завихритель 9 в качестве плазмообразующего тела. На завихрителе 9 отсепарированный пар завихряется и подается в рабочую камеру 11 на конец электрода 5.

По токоподводу 3 подают постоянный ток величиной 100-120 А и напряжением 100 В. Дуга зажигается. От взаимодействия с дугой водород и кислород отсепарированного пара ионизируются, образуя плазму с температурой свыше 10000^оС. Отсутствие капелек воды в плазмообразующем теле обеспечивает высокую температуру плазмы.

Завихрение отсепарированного пара создает вокруг оси электрода разряженное пространство, "отжимая" дугу от стенок отверстия сопла, обеспечивая стабилизацию ее пространственного горения на выходе из сопла 4.

С момента зажигания дуги вода, поступающая по патрубку 2 в плазмотрон, циркулирует по внутренним каналам, охлаждая сопло 4 и электрод 5, при этом, нагреваясь и частично испаряясь, поступает в парогенератор 7, где полностью испаряется и в виде двухфазной смеси поступает в сепаратор 8 для получения плазмообразующего тела. Таким образом идет непрерывный процесс создания плазмообразующего тела, обеспечивающего надежную работу плазмотрона в любой период его действия.

Выделение из двухфазной смеси газообразной фазы для последующего плазмообразования обеспечивает стабильное горение дуги за счет снижения потерь энергии в процессе ее горения.

При работе плазмотрона (резке, сварке и т.п.) в процессе горения дуги кислород и водород плазмы, полученные в результате ионизации плазмообразующего тела в виде газообразной фазы, соединяются, образуя воду. Следовательно, заявляемый способ получения плазмы обеспечивает требования к экологической чистоте работы плазмотрона.