Технологические свойства дуговой плазмы

Основой высокотемпературной технологии с использованием низкотемпературной плазмы является плазменно-дуговой нагрев вещества.

Различают нагрев плазменной струей, выделенной из разряда, т. е. вне действия электрического поля, и плазменной дугой, когда вещество находится одновременно и в плазменной струе и в электрическом поле, являясь участком цепи тока. При нагреве плазменной струей передача тепла веществу обусловлена теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. При нагреве плазменной дугой к перечисленным выше механизмам теплопередачи добавляется передача энергии веществу заряженными частицами, двигающимися в электрическом поле.

Примерами обработки материала плазменной струей являются нагрев порошка при напылении, резка и поверхностная обработка неэлектропроводных материалов в строительстве и горном деле.

Нагрев вещества плазменной дугой осуществляют при резке, сварке, наплавке и плазменно-механической обработке металлов, в металлургии, при нагреве газа, используемого в качестве химического реагента в плазмохимических процессах.

Нагрев газа в электродуговых генераторах плазмы происходит за счет теплообмена со столбом дуги. Показателями процесса дугового нагрева являются среднемассовая температура газа, его теплосодержание и эффективный к. п. д. нагрева, определяемый отношением мощности нагреваемого газа к мощности, подводимой к дуговому разряду.

Среднемассовая температура нагреваемого газа увеличивается с ростом тока и длины дуги. При возрастании массового расхода газа и размеров разрядной камеры плазмотрона среднемассовая температура снижается. Для увеличения мощности нагреваемого газа необходимо также увеличить ток дуги, расход газа и длину дуги.

Вместе с тем эффективный к. п. д. нагрева практически не зависит от тока дуги и имеет максимум при определенной длине дуги. Для повышения к. п. д. нагрева следует увеличивать массовый расход газа и уменьшать размеры дуговой камеры плазмотрона. Эффективный к. п. д. нагрева газа возрастает с ростом теплопроводности плазмообразующего газа. В настоящее время максимальный к. п. д. нагрева газа (80%) достигается при нагреве водорода.

Нагрев вещества в конденсированном состоянии (жидком или твердом) осуществляют с помощью плазменной струи или плазменной дуги. Основными характеристиками источника нагрева в этом случае являются его мощность, эффективный к. п. д., а также характер распределения теплового потока по пятну нагрева. При этом мощность и к. п. д. изменяются так же, как и при нагреве газа в плазмотроне.

Изменение плотности теплового потока по радиусу пятна нагрева приближенно описывается законом нормального распределения:
q=q₀e^-kr²
где q₀ — плотность теплового потока в центре пятна нагрева;
k — коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения;
r —текущий радиус пятна нагрева.

Установлено, что увеличение тока приводит к возрастанию k, при этом размер пятна нагрева меняется слабо, т. е. возрастает сосредоточенность распределения теплового потока.

При нагреве плазменной дугой, когда изделие включено в цепь источника тока, тепловая мощность в изделии возрастает за счет мощности, передаваемой изделию носителями электрических зарядов.

При атмосферном давлении доля энергии, передаваемой изделию плазменной струей, составляет примерно 70%, электродным пятном — 20% и излучением — 10%.

Эффективный к. п. д. плазменной дуги в среднем на 10—30% выше, чем к. п. д. плазменной струи, и достигает 70—80%.

Эффективная тепловая мощность плазменной дуги повышается при использовании высокоэнтальпийных молекулярных газов и их смесей (например, водорода, аммиака, азота). Еще большие мощности реализуются при использовании химически активных плазмообразующих газов, способных вступать в экзотермические реакции с обрабатываемым изделием (например, при плазменно-дуговой обработке в окислительных плазмообразующих средах — кислороде, воздухе).

Таким образом, в настоящее время плазменно-дуговой нагрев является наиболее перспективным средством преобразования электрической энергии в тепловую.