УДК 533.9.03

ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

Гуляев Игорь Павлович
Югорский государственный университет
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физико-химии процессов и материалов

Аннотация
В работе показана оригинальная методика расчета движения и нагрева частиц в потоке плазмы, основанной на безразмерных критериях подобия в плазменной струе и эмпирических моделях. Полуэмпирическая модель позволяет вносить поправки для чисел критериев подобия по экспериментальным данным, Особую практическую значимость для выбора технологического оборудования имеет решение вопроса оценки эффективности работы плазмотрона, сформулированное в виде теплового критерия эффективности плазменной струи.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 15-48-00100 и № 14-08-90428.

Ключевые слова: нагрев, плазменная струя, скорость потока, температура, тепловая эффективность


THE THERMAL EFFICIENCY OF THE PLASMA JET

Gulyaev Igor Pavlovich
Ugra State University
PhD of Physical and Mathematical Sciences, vice-professor of physical chemistry processes and materials

Abstract
The paper shows original method of calculation of the motion and heating of the particles in the plasma flow based on the dimensionless similarity criteria in the plasma jet and empirical models. Semi-empirical model allows you to make adjustments to the numbers of similarity to the experimental data, of particular practical importance for selection of process equipment has solution to assess the performance of the plasma torch, formulated in the form of a thermal test the effectiveness of the plasma jet.
The reported study was funded by RFBR according to the research projects No. 15-48-00100 and No. 14-08-90428.

Keywords: heat, jet velocity, plasma, temperature, thermal efficiency


Рубрика: 01.00.00 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Гуляев И.П. Тепловая эффективность плазменной струи // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/60184 (дата обращения: 19.11.2016).

ВВЕДЕНИЕ.

При выборе режима плазменной обработки дисперсных материалов встает задача оперативной оценки эффективности межфазного теплопереноса на качественном уровне [1,2]. Обычно набор режимных параметров процесса включает массовый расход плазмообразующего газа, ток электрической дуги, выходной диаметр канала плазмотрона. При использовании определенных упрощений удается получить аналитические выражения для скорости и температуры частиц материала в начальный период нахождения в плазменной струе [3-5].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Рассмотрим движение одиночной сферической частицы диаметром Dp, которая была помещена в равномерный плазменный поток со скоростью Vg  и температурой Tg (плотность, теплопроводность, вязкость плазмы соответственно равны ρg, λg, μg) [6,7]. В начальный момент времени t=0 скорость частицы равна нулю, а температура – начальному значению TPo. Будем считать, что температура сферы в каждый момент времени равномерна по объему (число Био Bi<<1), радиационными потерями пренебрегаем [8,9]. В таком случае уравнения движения и нагрева частицы в потоке можно представить в следующем виде:

.

Величины времени ускорения и нагрева:

 

– имеют ясный физический смысл: это время, которое понадобилось частице, чтобы достичь скорости (температуры) плазмы, если бы она двигалась с начальным ускорением (нагревалась с начальной скоростью). В условиях плазменной обработки τDT ~ 10-102, то есть процесс нагрева частиц практически всегда протекает быстрее их ускорения [10-13].

На начальном этапе движения частицы ее скорость мала по сравнению со скоростью потока: (Vg-VP)~Vg, поэтому можно считать, что параметр Рейнольдса остается постоянным, а следовательно – и величины τD и τT. В таком случае [14-16],  интегрирование дифференциальных уравнений движения и нагрева частицы, с использованием начальных условий VP(0)=0, TP(0)=TPo, позволяет получить следующие решения:

.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

В работах [3, 4, 19-23] для оценки эффективности плазменного нагрева порошковых материалов при использовании различных плазмообразующих газов введен параметр Tg λg L/Vg, в котором L – длина зоны термической обработки или длина плазменной струи (см. рис.1). Конструкция этого комплекса получена из следующих соображений: полное количество тепла ΔH, переданного частице от потока, пропорционально плотности теплового потока q~ λg (Tg-TP)~ λg Tg и времени пребывания частице в струе τ~ L/Vg.

Рисунок 1. К оценке тепловой эффективности плазменной струи

Уточним эту оценку в условиях задачи одномерного движения частицы, рассмотренного в предыдущем работах [2,3, 23-24]. Будем считать, что скорость частицы изменяется по закону:

.

Разлагая экспоненту в ряд Тейлора на малых временах t<< τD, найдем время Δt, которое потребуется частице для преодоления дистанции L:

.

Вычислим количество теплоты, полученное частицей от потока за время нахождения в ядре струи:

.

Подставив выражения для коэффициента теплоотдачи  и времени нагрева Δt, используя оценку TP<<Tg, найдем

.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Выделим в полученном выражении комплекс, который зависит от характеристик плазменного потока:

и может являеться показателем тепловой эффективности плазменной струи [26-28]. Очевидно, что этотпараметр определяет полное количество тепла, которое получит от потока частица заданного диаметра и плотности [29-32]. Следует обратить внимание на отличие полученного критерия от параметра, предложенного в работах [3, 4]:

- время пребывания в струе пропорционально не отношению L/Vg, а комплексу:

,

учитывающему зависимость динамики ускорения частицы от вязкости газового потока [33, 34]. Отношение

слабо зависит от характеристик плазменной струи, например, в условиях атмосферного давления для частиц диаметром 100 мкм оно изменяется в диапазоне 2.6 − 2.9 как для аргона, так и для азота [35, 36].

Рисунок 2. Эффективность плазмы аргона и азота при различных значениях тока дуги  и расходах газа

На рисунке 2 приведены  результаты  расчета тепловой эффективности плазменных струй азота и аргона атмосферного давления при различных режимах работы электродугового плазмотрона с межэлектродными вставками (МЭВ) (номинальная мощность 50 кВт, диаметр анода10 мм).  Температура аргоновой плазмы составляет 10-12 тысяч градусов, а азотной – 6-8 тысяч градусов.

ВЫВОДЫ.

Несмотря на то, что температура аргона почти в два раза выше азота [37], показатель тепловой эффективности аргоновой струи в 3-5 раз ниже, чем эффективность азотной струи. По этой причине в технологиях напыления используют добавки многоатомных газов (гелий, водород, метан) для увеличения тепловой эффективности струи в первую очередь за счет повышения теплопроводности смеси.

 

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 15-48-00100 и № 14-08-90428.


Библиографический список
  1. Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes / P. Gulyaev, H. Cui, I. Gulyaev, I. Milyukova // High Temperatures – High Pressures. 2015. Т. 44. № 2. С. 83-92.
  2. Гуляев П.Ю., Гуляев И.П. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины // Системы управления и информационные технологии. 2009. Т. 35. № 1.1. С. 144-148.
  3. Газотермическое напыление: учебное пособие/Л.X. БалдаевВ.Н. БорисовКудинов В.В. и др. ; под общ. ред. Л.X. Балдаева. -М.: Маркет ДС, 2007. -344 с.
  4. Физическая модель взаимодействия высокочастотной плазмы с твеpдыми телами в динамическом вакууме/ Абдуллин И. Ш., Желтухин В. С., Кудинов В. В. //Физика и химия обpаботки матеpиалов. 2003. № 3. С. 40-46. .
  5. Плазменная обработка дисперсных материалов: монография/И.П. Гуляев. – Югорский государственный университет. Ханты-Мансийск, 2013. Том Часть I. Физические основы. –115 с.
  6. Бороненко М.П., Гуляев П.Ю., Гуляев И.П., Демьянов А.И., Долматов А.В., Иордан В.И., Коржик В.Н., Кривцун И.В., Харламов М.Ю. Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления // Фундаментальные исследования. 2014. № 11-10. С. 2135-2140.
  7. Бороненко М.П., Гуляев П.Ю., Гуляев И.П., Демьянов А.И., Долматов А.В., Иордан В.И., Коржик В.Н., Кривцун И.В., Харламов М.Ю. Методы контроля температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе плазменно-дугового напыления // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-6. С. 1194-1199.
  8. Gulyaev I.P., Ermakov K.A., Gulyaev P.Yu. New High-Speed Combination of Spectroscopic And Brightness Pyrometry For Studying Particles Temperature Distribution In Plasma Jets // European researcher. Series A. 2014. № 3-2 (71). С. 564-570.
  9. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51. № 9-3. С. 69-76.
  10. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51. № 9-3. С. 79-87.
  11. Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Трековый анализ скорости частиц и определение фундаментальной  диаграммы потока ламинарного плазмотрона // Ползуновский альманах. 2008. № 2. С. 23-26.
  12. Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Иордан В.И. Разрешающая способность виртуальных приборов контроля температуры частиц в плазменных потоках по суммарному спектру // Ползуновский альманах. 2008. № 2. С. 13-14.
  13. Бороненко М.П., Гуляев П.Ю., Трифонов А.Л. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка // Вестник Югорского государственного университета. 2012. № 2 (25). С. 16-20.
  14. Gulyaev P.Yu., Gulyaev I.P., Cui Hong-zhi, Milyukova I.V. In-situ selfpropagating–hightemperature–synthesis controlled by plasma // Вестник Югорского государственного университета. 2012. № 2 (25). С. 28-33.
  15. V.V. Evstigneev, P.J. Guljaev, I.V. Miljukova, V. D. Goncharov, V.A.Vagner and A.A. Gladkih Development Prospects of SHS Technologies in Altai State Technical University // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2006. Т. 15. № 1. С. 99-104.
  16. Experimental investigation of process of plasma-arc wire spraying / I.P. Gulyaev, P.Yu. Gulyaev, V.N. Korzhik, A.V. Dolmatov, V.I. Iordan, I.V. Krivtsun, M.Yu. Kharlamov and A.I. Demianov // The Paton Welding Journal. – 2015. – № 3-4. – p. 36-41.
  17. Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an optical converter / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin and K. G. Poluhina // Journal of Physics: Conference Series.- 2015.- Vol. 643.-  № 1 .- 012028. doi:10.1088/1742-6596/643/1/012028
  18. Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin and А. G Bebiya // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.- 2015.- Vol. 93.- №  1.- 012021. doi:10.1088/1757-899X/93/1/012021
  19. Бороненко М.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Серегин А.Е. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-2. С. 70-73.
  20. Gulyaev P.Yu. Plasma spraying of protective coatings from ferromagnetic SHS-materials//Research Journal of International Studies. 2013. № 12-1 (19). P. 74 -77 .
  21. Долматов А.В., Гуляев П.Ю., Бороненко М.П. Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления // Ползуновский альманах. 2010. № 2. С. 71-73.
  22. Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11. № 5-2. С. 382-385.
  23. Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Диагностика распределения температуры и скорости напыляемого порошка в импульсном плазменном потоке // Известия высших учебных заведений. Физика. 2007. № 9. С. 114-117.
  24. Garkol D.A., Gulyaev P.Y., Evstigneev V.V., Mukhachev A.B. A new high-speed brightness pyrometry method to investigate self-propagating high-temperature synthesis // Combustion, Explosion, and Shock Waves.-1994.-Volume 30, Issue 1 , pp 72-76, DOI: 10.1007/BF00787888
  25. Бороненко М.П.,  Гуляев П.Ю., Иванов А.А., Пермяков И.Ю. Выделение контуров частиц в плазменном потоке // Ползуновский альманах. 2013. № 1. С. 68-72.
  26. Гуляев И.П., Ермаков К.А., Долматов А.В., Гуляев П.Ю. Оценка точности измерения температур спектральным пирометром по результатам виртуального эксперимента // Ползуновский альманах. 2014. № 1. С. 20-25.
  27. Бересток Г.М., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Милюкова И.В. Система оптического контроля тепловых параметров процесса СВ-синтеза // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2-2 (46). С. 71-81.
  28. SHT-Synthesis and application of biofunctional nanoparticals used high photo-thermal effect for laser heating of biotissues / P.Yu. Gulyaev, M.K. Kotvanova, A.I. Omelchenko, E.N. Sobol //The 23-th Annual International Conference on Advanced Laser Technologies, Book of abstracts.- Faro, Portugal. September 7-11, 2015.- p. 46.
  29. Evoluation of combustion temperature and combustion speed of process of SH-Synthesis of titanium oxide bronze/ Margarita Kotvanova, Nadezhda Blinova, P.Yu. Gulyaev, Alexey Dolmatov, Svetlana Pavlova // XIII International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis, Book of abstracts. – October 12 – 15, 2015,Antalya,Turkey, 2015.- P. 160-161.
  30. Plasma spray of metal and cermet coatings from Ni-Al alloys prepared by SHS process / Igor Gulyaev,Pavel Gulyaev, Irina Milyukova // XIII International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis, Book of abstracts.- October 12 – 15, 2015, Antalya, Turkey, 2015.- P. 221-222.
  31. Гуляев П.Ю., Полторыхин М.В., Морозов С.П. АРУ фотодиодных датчиков при измерении скорости дисперсных потоков времяпролетным методом // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.-.1999.- № 2.- С. 79-80.
  32. Бересток Г.М., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Милюкова И.В. Система оптического контроля тепловых параметров процесса СВ-синтеза // Современные научные исследования и инновации.- 2015.- № 2-2 (46).- С. 71-81.
  33. Экспериментальное исследование процесса плазменно-дугового проволочного напыления / П.Ю. Гуляев, И.П. Гуляев, В.Н. Коржик и др. // Автоматическая сварка.- 2015.- № 3-4.- С. 37-43.
  34. Ващенко С.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Кузьмин В.И. Экспресс-контроль движения и нагрева частиц при газотермическом напылении // В сборнике: Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта. Теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 2015. С. 61-68.
  35. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Сыч Т.С., Белов Т.А. Влияние дисперсности порошков на свойства алюминидов титана в условиях теплового взрыва СВ-синтеза // Новые материалы и технологии: сборник научных статей II Российско-Казахстанской  молодежной научно-технической конференции. Барнаул, 12 декабря2014 г.- Барнаул: Изд-во ООО «Алтай-Циклон», 2014.- С. 122-127.
  36. P. Gulyaev, H. Cui, I. Gulyaev, I. Milyukova Effect of plasma spraying on structural phase transitions in powders prepared by SHS // Advanced metals, ceramics and composites, The 12-th China-Russia symposium on advanced materials and technologies (CRSAMT2013), Book of reports. — Vol. 2. — Yunnan Publishing Group Corporation,YunnanScience and Technology Press,Kunming,China, 2013. — P. 326-330.
  37. Экспериментальное исследование процесса плазменно-дугового проволочного напыления / Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Коржик В.Н., Долматов А.В., Иордан В.И., Кривцун И.В., Харламов М.Ю., Демьянов А.И. // Автоматическая сварка.- 2015.- № 3-4.- С. 37-43.


Все статьи автора «Гуляев Игорь Павлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация