Электродуговой нагреватель водяного пара

Электродуговой нагреватель водяного пара

Реферат

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.

Электродуговой нагреватель водяного пара, содержащий последовательно установленные вдоль продольной оси внутренний полый ступенчато сужающийся цилиндрический электрод-анод, кольцо подачи рабочего газа и выходной полый ступенчато расширяющийся электрод-катод, отличающийся тем, что 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, соотношения геометрических размеров электродов составляют: d₁/d₂=1,1÷1,3, l₁/d₁=1,5÷4, l₂/d₂=3÷7, D₁/d₁≥1,5, D₂/d₂≥1,6, где d₁, d₂ - диаметры зауженных частей (м), D₁, D₂ - диаметры расширенных частей (м), l₁, l₂ - длины зауженных частей (м) внутреннего электрода-анода и выходного электрода-катода соответственно.