RU2268558C2 - Water-steam plasma generator - Google Patents
Water-steam plasma generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2268558C2 RU2268558C2 RU2004102659/06A RU2004102659A RU2268558C2 RU 2268558 C2 RU2268558 C2 RU 2268558C2 RU 2004102659/06 A RU2004102659/06 A RU 2004102659/06A RU 2004102659 A RU2004102659 A RU 2004102659A RU 2268558 C2 RU2268558 C2 RU 2268558C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steam
- nozzle
- plasma
- water
- electrode
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 claims description 13
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 5
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- ALKZAGKDWUSJED-UHFFFAOYSA-N dinuclear copper ion Chemical compound [Cu].[Cu] ALKZAGKDWUSJED-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к плазменной технике, и может быть использовано в различных технологических операциях: плазменной резке, сварке, наплавке, металлургии, плазмохимии.The invention relates to mechanical engineering, in particular to plasma technology, and can be used in various technological operations: plasma cutting, welding, surfacing, metallurgy, plasma chemistry.
При конструировании плазмотронов наиболее важными являются две проблемы: обеспечение стойкости элементов, контактирующих с высокотемпературной плазмой и уменьшение вредных выбросов, возникающих в процессе работы плазмотрона при одновременном сохранении высоких технологических параметров, например, скорости резки металла.When designing plasmatrons, two problems are most important: ensuring the durability of elements in contact with high-temperature plasma and reducing harmful emissions arising during the operation of the plasma torch while maintaining high technological parameters, for example, the speed of metal cutting.
Известен плазмотрон ПВР-402 ("Плазмотрон для механизированной воздушно-плазменной резки металлов типа ПВР-402М". Паспорт. Производственный кооператив "Спектр плюс", Санкт-Петербург, 2000 г.) для воздушно-плазменной резки, включающий корпус с установленными в нем соплом, электрододержателем с катодом и системой водяного охлаждения.Known plasmatron PVR-402 ("Plasmatron for mechanized air-plasma cutting of metals such as PVR-402M. Passport. Production cooperative" Spectrum Plus ", St. Petersburg, 2000) for air-plasma cutting, including a case with installed in it nozzle, electrode holder with cathode and water cooling system.
Несмотря на наличие водяного охлаждения, стойкость сопла и электрода у этого плазмотрона незначительна (порядка двух часов), ввиду их малоэффективного охлаждения по причине образования пленочного кипения из-за больших тепловых потоков (порядка 106 Вт/м2). Кроме того, при работе плазмотрона возникает большое количество выбросов, в частности вредных окислов азота, генерация которых происходит в низкотемпературной зоне плазмы. Сократить низкотемпературную зону плазмы за счет повышения плотности тока (увеличив обжатие плазмы) не удается по причине плохого охлаждения сопла и быстрого выхода его из строя.Despite the presence of water cooling, the resistance of the nozzle and electrode of this plasma torch is insignificant (about two hours), due to their ineffective cooling due to the formation of film boiling due to large heat fluxes (about 10 6 W / m 2 ). In addition, when the plasma torch operates, a large number of emissions occur, in particular harmful nitrogen oxides, the generation of which occurs in the low-temperature zone of the plasma. It is not possible to reduce the low-temperature zone of the plasma by increasing the current density (increasing the compression of the plasma) due to poor cooling of the nozzle and its rapid failure.
Известен также пароводяной плазмотрон (патент РФ №1620032), включающий корпус с установленными в нем соплом-анодом, катодом и системой охлаждения с капиллярно-пористой структурой и системой воздушного запуска, в котором в качестве рабочего тела используется водяной пар.Also known is a steam-water plasmatron (RF patent No. 1620032), including a housing with an anode nozzle, a cathode and a cooling system with a capillary-porous structure and an air start system installed in which water vapor is used as a working medium.
Наличие медных вытеснителей в капиллярно-пористой системе исключает пленочное кипение, обеспечивая тем самым более эффективное охлаждение сопла-анода.The presence of copper displacers in the capillary-porous system eliminates film boiling, thereby providing more efficient cooling of the anode nozzle.
Однако конструкция плазмотрона сложна. Из-за отсутствия парогенератора для запуска плазмотрона в работу требуется сжатый воздух, а также наличие специальной системы, состоящей из патрубков и вентилей, для подачи его в плазмотрон. Для выхода на рабочий режим необходимо определенное время. Экологическая безопасность выполняется лишь частично, так как первоначальный запуск плазмотрона осуществляется сжатым воздухом.However, the design of the plasma torch is complex. Due to the lack of a steam generator, compressed air is required to start the plasma torch into operation, as well as the presence of a special system consisting of pipes and valves for supplying it to the plasma torch. To enter the operating mode, a certain time is required. Environmental safety is only partially implemented, since the initial start of the plasma torch is carried out by compressed air.
В пароводяных плазмотронах (патенты РФ №2071190, №2060131) также имеются сопла-аноды, капиллярно-пористые структуры для впитывания влаги и парообразования, резервуары для воды, каналы для подачи пара, но в них отсутствует система запуска плазмотрона сжатым воздухом. Это упрощает конструкцию, обеспечивает экологическую чистоту процесса работы плазмотрона, но то обстоятельство, что генерация пара идет за счет разогрева сопла-анода ограничивает плотность тока в плазменном канале, в свою очередь это ведет к уменьшению технологических параметров работы плазмотрона, в частности, к уменьшению скорости резки металла. Так в установках "Мультиплаз", "Плазар" и "Алплаз", в основе которых лежат указанные патенты, плотность тока в канале сопла составляет всего j=5÷10 А/мм2, скорость резки стальных листов толщиной 1÷2 мм не превышает 5÷7 мм/сек, при мощности плазмотронов 1,8÷2,5 кВт. В типичных воздушно-плазменных плазмотронах (например, по патенту РФ №950507) плотность тока в канале сопла превышает 150 А/мм2, скорость резки стальных листов толщиной 1÷2 мм составляет 67 мм/сек при том же уровне мощности. Попытки увеличить плотность тока в канале сопла-анода ведут к увеличению тепловой нагрузки на сопло и преждевременному выходу его из строя, за счет перегрева. Кроме того, отсутствие независимого парогенератора, не связанного с электродуговым процессом в сопле-аноде, ухудшает процесс запуска плазмотрона, ограничивает его мощность. В первоначальный момент времени включения плазмотрона рабочее тело в виде водяного пара отсутствует, нет вихревой стабилизации дуги, в результате уменьшается ресурс работы сопла и электрода из-за интенсивной их эрозии. Ограничение мощности плазмотрона возникает в связи с вялым процессом парообразования, так как этот процесс основан только на тепловых потерях в сопле-аноде и электроде, поэтому производительность парообразования и давление его недостаточны для эффективной высококачественной резки. Для выхода плазмотрона на рабочий режим требуется также определенное время (в указанных случаях ~ 3 минуты).Steam-water plasmatrons (RF patents No. 2071190, No. 2060131) also have nozzle anodes, capillary-porous structures for absorbing moisture and vaporization, water tanks, channels for supplying steam, but they do not have a system for starting the plasma torch with compressed air. This simplifies the design, ensures the environmental cleanliness of the plasma torch operation process, but the fact that steam is generated by heating the anode nozzle limits the current density in the plasma channel, which in turn leads to a decrease in the technological parameters of the plasma torch operation, in particular, to a decrease in the speed metal cutting. So in installations "Multiplaz", "Plazar" and "Alplaz", which are based on these patents, the current density in the nozzle channel is only j = 5 ÷ 10 A / mm 2 , the cutting speed of steel sheets with a thickness of 1 ÷ 2 mm does not exceed 5 ÷ 7 mm / s, with a plasma torch power of 1.8 ÷ 2.5 kW. In typical air-plasma plasmatrons (for example, according to RF patent No. 950507), the current density in the nozzle channel exceeds 150 A / mm 2 , the cutting speed of steel sheets with a thickness of 1 ÷ 2 mm is 67 mm / s at the same power level. Attempts to increase the current density in the channel of the anode nozzle lead to an increase in the heat load on the nozzle and its premature failure due to overheating. In addition, the absence of an independent steam generator, not associated with the electric arc process in the anode nozzle, worsens the process of starting the plasma torch, limits its power. At the initial time when the plasma torch is turned on, the working fluid in the form of water vapor is absent, there is no vortex stabilization of the arc, as a result, the service life of the nozzle and electrode decreases due to their intense erosion. The limitation of the plasma torch power arises in connection with a sluggish process of vaporization, since this process is based only on heat losses in the nozzle-anode and electrode, therefore, the vaporization rate and its pressure are insufficient for efficient high-quality cutting. For the plasma torch to reach the operating mode, a certain time is also required (in these cases ~ 3 minutes).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является пароводяной плазмотрон (патент РФ №2041039), использующий водяной пар в качестве рабочего тела. Пароводяной плазмотрон содержит корпус с рубашкой охлаждения, выполненной в его нижней части, установленный в корпусе электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе с зазором относительно электрода, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубка подачи воды, с регулирующим устройством, а также парогенератор с минимальным тепловым воздействием на канал сопла, так как он закреплен на нерабочем торце плазмотрона и нагревательным элементом, закрепленным на парогенераторе. Нагревательный элемент снабжен источником питания с регулятором тока. На камере формирования дуги установлен датчик температуры, связанный с регулятором тока.Closest to the claimed technical essence and the achieved result is a steam-water plasmatron (RF patent No. 2041039), using water vapor as a working fluid. The steam-water plasmatron contains a housing with a cooling jacket made in its lower part, an electrode holder installed in the housing with an electrode fixed in it, a nozzle mounted on the housing with a gap relative to the electrode forming an arc-forming chamber, a cooling system in the form of channels and nozzles in the housing, a nozzle water supply, with a control device, as well as a steam generator with minimal thermal effect on the nozzle channel, since it is fixed on the inactive end of the plasma torch and the heating element, steam generator. The heating element is equipped with a power source with a current regulator. A temperature sensor connected to a current regulator is installed on the arc-forming chamber.
Закрепление парогенератора на нерабочем торце плазмотрона (за пределами камеры формирования дуги), соединение его последовательно с системой охлаждения плазмотрона, снабжение регулятором подачи воды и регулятором тока позволило получить плазмообразующее тело в виде осушенного пара, в котором исключено наличие капелек воды в камере формирования дуги при всех уровнях мощности плазмотрона с гарантированным охлаждением теплонагруженных узлов, и обеспечить тем самым оптимальные условия работы плазмотрона, увеличив его мощность и стабильность в работе.Fixing the steam generator on the non-working end of the plasma torch (outside the arc chamber), connecting it in series with the plasma torch cooling system, supplying a water supply regulator and current regulator made it possible to obtain a plasma-forming body in the form of dried steam, in which there are no water droplets in the arc forming chamber for all power levels of the plasma torch with guaranteed cooling of heat-loaded nodes, and thereby ensure optimal operating conditions of the plasma torch, increasing its power and stable nnost in work.
Однако в известной конструкции плазмотрона недостаточно эффективно охлаждаются его наиболее теплонагруженные зоны: канал сопла и термохимическая вставка из-за того, что они не содержат капиллярно-пористых структур и возможно пленочное кипение в рубашке охлаждения. Кроме того, рубашка охлаждения сопла удалена от теплонагруженных участков сопла. Все это в известной степени ограничивает плотность тока плазменной дуги.However, in the known plasmatron design, its most heat-loaded zones are not sufficiently cooled: the nozzle channel and the thermochemical insert due to the fact that they do not contain capillary-porous structures and film boiling in the cooling jacket is possible. In addition, the nozzle cooling jacket is removed from the heat-loaded portions of the nozzle. All this to a certain extent limits the current density of the plasma arc.
В основу изобретения положена задача увеличения плотности тока плазменной дуги за счет увеличения степени ее обжатия, при увеличении стойкости сопла и электрода путем увеличения интенсивности теплосъема с теплонагруженных частей и упрощение конструкции.The basis of the invention is the task of increasing the current density of the plasma arc by increasing the degree of compression, while increasing the resistance of the nozzle and electrode by increasing the intensity of heat removal from heat-loaded parts and simplifying the design.
Поставленная задача решается тем, что пароводяной плазмотрон, включающий корпус с рубашкой охлаждения сопла, выполненной в его нижней части, установленный в корпусе электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе относительно электрода с зазором, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубка для подачи воды с регулирующим устройством, а также парогенератор с нагревательным элементом, закрепленным на нерабочем торце плазмотрона и связанным с камерой формирования дуги и с системой охлаждения, согласно изобретения корпус снабжен защитным чехлом, установленным в зоне сопла, система охлаждения снабжена конденсатором пара, установленным на рабочем конце плазмотрона, и капиллярно-пористыми структурами с водоподводящими и пароотводными каналами, установленными на внешней поверхности сопла в зазоре между конденсатором пара и рубашкой охлаждения и в зазоре между конденсатором пара, примыкающим к соплу, и защитным чехлом, соединенным с корпусом, в рубашке охлаждения, на внутренней поверхности парогенератора и в вертикальном зазоре между внутренней поверхностью электрода и трубкой для подачи воды.The problem is solved in that a steam-water plasma torch, including a housing with a nozzle cooling jacket, made in its lower part, an electrode holder installed in the housing with an electrode fixed thereto, a nozzle mounted on the housing relative to the electrode with a gap forming an arc-forming chamber, a cooling system in in the form of channels and nozzles in the housing, a nozzle for supplying water with a regulating device, as well as a steam generator with a heating element fixed to the inactive end of the plasma torch and connected to the cam In order to form an arc and with a cooling system, according to the invention, the housing is equipped with a protective cover installed in the nozzle area, the cooling system is equipped with a steam condenser mounted on the working end of the plasma torch, and capillary-porous structures with water supply and steam channels installed on the outer surface of the nozzle in the gap between the steam condenser and the cooling jacket and in the gap between the steam condenser adjacent to the nozzle and the protective cover connected to the housing, in the cooling jacket, on the inside the surface of the steam generator and in the vertical gap between the inner surface of the electrode and the water supply pipe.
При этом пароводяной плазмотрон снабжен сепаратором пара, установленным между камерой формирования дуги и парогенератором, капиллярно-пористая структура выполнена в виде медной сетки, а корпус плазмотрона заземлен.In this case, the steam-water plasmatron is equipped with a steam separator installed between the arc-forming chamber and the steam generator, the capillary-porous structure is made in the form of a copper mesh, and the plasma torch body is grounded.
Наличие в системе охлаждения сопла конденсатора пара, установленного на рабочем торце плазмотрона в виде капиллярно-пористой структуры с пароотводными и водоподводящими каналами, связанного тепловым контактом с соплом и капиллярно-пористой структуры с пароподводящими и водоотводными каналами в рубашке охлаждения, в зазоре между конденсатором пара и рубашкой охлаждения и в зазоре между конденсатором пара, примыкающем к соплу, и защитным чехлом, соединенным с корпусом, а также наличие капиллярно-пористой структуры с пароотводными и водоподводящими каналами в системе охлаждения термохимической вставки позволяет интенсифицировать отвод тепла от сопла и электрода, что в свою очередь дает возможность увеличить плотность тока, скорость плазменной обработки и ресурс быстро изнашиваемых элементов (электрода, сопла).The presence in the cooling system of the nozzle of a steam condenser installed on the working end of the plasma torch in the form of a capillary-porous structure with steam and water channels connected by thermal contact with the nozzle and a capillary-porous structure with steam and water channels in the cooling jacket, in the gap between the steam condenser and the cooling jacket and in the gap between the steam condenser adjacent to the nozzle and the protective cover connected to the housing, as well as the presence of a capillary-porous structure with steam and water feed channels in the cooling system of the thermochemical insert allows to intensify the heat removal from the nozzle and electrode, which in turn makes it possible to increase the current density, the plasma processing speed and the resource of quickly wearing elements (electrode, nozzle).
Наличие капиллярно-пористой структуры в парогенераторе позволяет увеличить интенсивность процесса парообразования, к.п.д. плазмотрона (за счет снижения тепловых потерь), уменьшить его габариты при одновременном увеличении производства объема и давления пара, создав тем самым оптимальные условия для технологического процесса. Снижение тепловых потерь позволяет также увеличить мощность плазмотрона, повысить плотность тока.The presence of a capillary-porous structure in the steam generator allows to increase the intensity of the process of vaporization, efficiency plasmatron (by reducing heat loss), reduce its dimensions while increasing the production of volume and vapor pressure, thereby creating optimal conditions for the process. Reducing heat loss can also increase the power of the plasma torch, increase the current density.
Введение сепаратора дало возможность отделить сконденсированные капельки воды от сухого пара, при этом сухой пар направляется на парообразование, а капельки воды - в камеру конденсации, что повышает надежность работы плазмотрона, исключая взрывные процессы. Выполнение капиллярно-пористой структуры в виде медной сетки, введение участков конденсации пара, адиабатической зоны и участка генерации пара с минимальными конструктивными размерами значительно повысило эффективность охлаждения теплонагруженных участков сопла и электрода, так как в конструкцию плазмотрона введены, по сути, тепловые трубы максимально возможной мощности, эффективная теплопроводность которых λэфф=107 Вт/м К значительно превышает теплопроводность меди λмеди=393 Вт/м К (Большой энциклопедический словарь, Физика./ Под ред. А.М.Прохорова, М.: Научное издательство "Большая Российская Энциклопедия", 1999 г.).The introduction of a separator made it possible to separate condensed water droplets from dry steam, while dry steam is sent to vaporization, and water droplets are sent to the condensation chamber, which increases the reliability of the plasma torch, excluding explosive processes. The implementation of the capillary-porous structure in the form of a copper mesh, the introduction of steam condensation sections, an adiabatic zone and a steam generation section with minimum structural dimensions significantly increased the cooling efficiency of the heat-loaded sections of the nozzle and electrode, since, in essence, heat pipes of the maximum possible power are introduced into the plasma torch design , which are the effective thermal conductivity λ eff = 10 7 W / m K is much greater than the thermal conductivity of copper copper λ = 393 W / m K (Large encyclopedic dictionary of Physics. / p Under d. Prokhorov, M .: Scientific Publishers "Great Russian Encyclopedia", 1999).
Заземление кожуха плазмотрона позволяет увеличить стойкость сопла и электрода, в результате уменьшения эрозии их в пусковой период за счет введения режима дежурной дуги и непрерывности ее горения в процессе работы плазмотрона при переносе плазмотрона от одного участка обрабатываемой детали к другому.Grounding the plasma torch casing allows increasing the resistance of the nozzle and electrode, as a result of reducing their erosion in the start-up period due to the introduction of a duty arc mode and its continuous burning during the operation of the plasma torch when the plasma torch is transferred from one section of the workpiece to another.
На фиг.1 представлен пароводяной плазмотрон в разрезе;In Fig.1 presents a steam-plasma torch in the context;
на фиг.2 - участок корпуса плазмотрона, примыкающий к соплу в разрезе.figure 2 is a section of the body of the plasma torch adjacent to the nozzle in section.
Пароводяной плазмотрон включает корпус 1, патрубок 2 подачи дистиллированной воды в плазмотрон со встроенным в него клапаном 3, регулирующим подачу воды в плазмотрон и токоподвод 4, соединенный с электрододержателем 5, установленным в корпусе 1. Электрододержатель 5 электрически соединен с медным электродом 6 гайкой 7 и в него запрессована термохимическая вставка 8. Внутри электрододержателя 5 установлена с зазором трубка 9 подачи воды для охлаждения электрода 6. Снаружи электрода 6 укреплены завихритель 10 плазмообразующего газа и изолирующая втулка 11, которая вместе с изолирующей втулкой 12 центрирует электрод 6 относительно медного сопла 13 с плазмоформирующим каналом 14. В корпусе 1 установлена рубашка 15 для охлаждения сопла 13. Плазмоформирующий канал 14 выполнен в виде центрального сквозного отверстия. С рубашкой 15 охлаждения сопла 13 соединены каналы 16 и 17 подвода и отвода воды к ней соответственно, входящие в систему охлаждения сопла 13.The steam-water plasma torch includes a
Имеющаяся в пароводяном плазмотроне система охлаждения электрода 6 включает в себя установленные по ходу движения воды и последовательно соединенные патрубок 2 подачи воды в плазмотрон, клапан 3, регулирующий подачу воды, трубку 9 подачи воды, капиллярно-пористую структуру 18 с каналами 19 и 20 водоподводящими и пароотводными соответственно и систему каналов электрододержателя 5, связанную с парогенератором 21.The cooling system of the
Система охлаждения сопла 13 включает патрубок 2 подачи воды в плазмотрон клапан 3, регулирующий подачу воды, канал 16, рубашку 15 охлаждения сопла 13, снабженную капиллярно-пористой структурой 22 с каналами 23 и 24 водоподводящими и пароотводными соответственно, канал 17, соединяющий рубашку 15 с парогенератором 21. Парогенератор 21 связан через систему каналов электрододержателя 5 с сепаратором 25, с конденсатором 26, выполненным в виде втулки, находящейся в тепловом контакте с соплом 13. Система охлаждения сопла включает также капиллярно-пористую структуру 27 с каналами 28 и 29 водоподводящими и пароотводными соответственно. Одна часть капиллярно-пористой структуры 27 установлена в зазоре между конденсатором 26 пара и рубашкой 15 охлаждения, а другая часть - в зазоре между конденсатором 26 пара, примыкающим к соплу 13 и защитным чехлом 30, соединенным с корпусом 1. Защитный чехол 30 установлен на корпусе 1 с герметизирующим элементом 31.The cooling system of the
Парогенератор 21 снабжен нагревательным элементом 32 и капиллярно-пористой структурой 33, расположенной на внутренней поверхности парогенератора 21, с водоподводящими и пароотводными каналами 34 и 35 соответственно. Нагревательный элемент 32 выполнен, например, в виде спирали из нихрома, выводы которой подключены к цепи 36 электропитания с регулятором 37 тока. Снаружи нагревательный элемент 32 закрыт кожухом 38.The steam generator 21 is equipped with a heating element 32 and a capillary-porous structure 33 located on the inner surface of the steam generator 21, with water supply and steam channels 34 and 35, respectively. The heating element 32 is made, for example, in the form of a spiral of nichrome, the terminals of which are connected to the power supply circuit 36 with a current regulator 37. Outside, the heating element 32 is closed by a casing 38.
На нерабочем конце парогенератора 21 закреплена кнопка 39 пуска плазмотрона с герметизирующим элементом 40 и закрыта крышкой 41. При использовании контактного зажигания парогенератор 21 подпружинен пружиной 42.At the non-working end of the steam generator 21, a trigger for starting the plasma torch with a sealing element 40 is fixed and is closed by a cover 41. When using contact ignition, the steam generator 21 is spring-loaded with a spring 42.
Завихритель 10 соединен с камерой 43 формирования дуги, образованной в зазоре между электродом 6 и соплом 13. На корпусе 1 установлен датчик 44 температуры, выполненный в виде термопары, соединенной с системой управления электропитания нагревательного элемента 32. Корпус 1 плазмотрона снабжен заземляющим проводом 45.The
Пароводяной плазмотрон работает следующим образом.Steam-plasma torch works as follows.
По цепи 36 нагревательного элемента 32 подается электрический ток. За счет тепла, выделяющегося на спирали, плазмотрон нагревается до температуры 120-180°С. По достижении этой температуры, измеряемой датчиком 44, клапан 3 открывается, по патрубку 2 начинают подавать дистиллированную воду в систему охлаждения плазмотрона. Вода подходит к капиллярно-пористой структуре 22 рубашки охлаждения 15, частично испаряется, образуя двухфазную смесь "пар-вода". Двухфазная смесь поступает по каналу 17 и каналам электрододержателя 5 в парогенератор 21, где осушается, и через систему пароотводящих каналов электрододержателя 5 поступает в центробежный сепаратор 25. В сепараторе 25 происходит отделение жидкой фазы от сухого пара, при этом одна часть сухого пара через завихритель 10 поступает в камеру 43 формирования дуги и оттуда в канал 14 сопла 13. Другая часть пара вместе с жидкой фазой, прижатой центробежными силами к стенкам корпуса 1 поступает в конденсатор 26 пара с капиллярно-пористой структурой 27. На внутренней холодной поверхности корпуса 1, примыкающей к рубашке 15 пар конденсируется и стекает по каналам 28 к капиллярно-пористой структуре 27, контактирующей с самой теплонагруженной частью сопла 13, примыкающей к плазмоформирующему каналу 14.Circuit 36 of the heating element 32 is supplied with electric current. Due to the heat released on the spiral, the plasma torch is heated to a temperature of 120-180 ° C. Upon reaching this temperature, measured by the sensor 44, the valve 3 opens, through the pipe 2, distilled water is supplied to the cooling system of the plasma torch. Water approaches the capillary-
При кратковременном нажатии на кнопку 39 и ее последующем отпускании происходит замыкание сопла 13 с электродом 6, загорается плазменная дуга и начинается работа плазмотрона, например, плазменная резка. При этом тепло, выделившееся в канале 14, будет идти на испарение воды, находящейся в капиллярно-пористой структуре 27 и по пароотводным каналам 29 часть пара будет направляться на плазмообразование в камеру 43, а часть - будет возвращаться в конденсатор 26. В капиллярно-пористой структуре 18 электрода 6 также будет происходить образование пара за счет выделившегося тепла в катодном пятне термохимической вставки 8 электрода 6. Образовавшийся пар по каналам 20 будет поступать в каналы электрододержателя 5 и далее в парогенератор 21.By briefly pressing the button 39 and its subsequent release, the
Интенсивный теплосъем позволяет более сильно обжать плазменную дугу, температуру плазмы при этом повысить в 2-3 раза по сравнению с известными плазмотронами и обеспечить тем самым большую производительность, при повышении стойкости сопла и электрода.Intensive heat removal allows a more intense compression of the plasma arc, while the plasma temperature is increased by a factor of 2–3 compared with the known plasma torches and thereby ensures greater productivity, while increasing the resistance of the nozzle and electrode.
Использование водяного пара в качестве плазмообразующего газа делает процесс плазменной обработки экологически чистым, так как при взаимодействии с дугой водород и кислород осушенного пара ионизируются, образуя плазму с температурой свыше 15000°С, а в теле разрезаемого металла ионы водорода и кислорода рекомбинируют с выделением тепла, идущего на расплавление металла. Так как количество атомов кислорода и водорода строго соответствует стехиометрическому соотношению молекулы воды, в дальнейшем атомы водорода и кислорода соединяются в молекулу воды, обеспечивая экологическую чистоту процесса.The use of water vapor as a plasma-forming gas makes the plasma treatment process environmentally friendly, since when interacting with an arc, the hydrogen and oxygen of the dried steam are ionized, forming a plasma with a temperature above 15,000 ° C, and hydrogen and oxygen ions recombine with heat in the body of the metal being cut. going to the fusion of metal. Since the number of oxygen and hydrogen atoms strictly corresponds to the stoichiometric ratio of the water molecule, in the future the hydrogen and oxygen atoms are combined into a water molecule, ensuring the ecological purity of the process.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004102659/06A RU2268558C2 (en) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | Water-steam plasma generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004102659/06A RU2268558C2 (en) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | Water-steam plasma generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004102659A RU2004102659A (en) | 2005-07-10 |
| RU2268558C2 true RU2268558C2 (en) | 2006-01-20 |
Family
ID=35837862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004102659/06A RU2268558C2 (en) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | Water-steam plasma generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2268558C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2338965C2 (en) * | 2006-12-21 | 2008-11-20 | Михаил Иванович Весенгириев | Contact water heater |
| RU2374791C1 (en) * | 2008-04-17 | 2009-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Electric arc ac plasmotron |
| RU2518171C2 (en) * | 2012-07-31 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Water-steam arc heater |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2673352A1 (en) * | 1991-02-25 | 1992-08-28 | Lincoln Electric Co | IMPROVED COOLING PLASMA TORCH. |
| RU2041039C1 (en) * | 1993-02-08 | 1995-08-09 | Уральское научно-производственное предприятие "Лазер" | Steam-and-water plasmotron |
| SU1620032A1 (en) * | 1989-07-20 | 1995-11-20 | Институт теплофизики СО АН СССР | Electric-arc plasmatron with water-vapor arc stabilization |
| RU2067790C1 (en) * | 1990-02-26 | 1996-10-10 | Машинен-унд Анлагенбау Гримма ГмбХ | Plasmatron using steam as plasma gas and method for ensuring its steady operation |
| RU2071190C1 (en) * | 1993-12-17 | 1996-12-27 | Александр Иванович Апуневич | Electric arc plasma torch |
-
2004
- 2004-02-02 RU RU2004102659/06A patent/RU2268558C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1620032A1 (en) * | 1989-07-20 | 1995-11-20 | Институт теплофизики СО АН СССР | Electric-arc plasmatron with water-vapor arc stabilization |
| RU2067790C1 (en) * | 1990-02-26 | 1996-10-10 | Машинен-унд Анлагенбау Гримма ГмбХ | Plasmatron using steam as plasma gas and method for ensuring its steady operation |
| FR2673352A1 (en) * | 1991-02-25 | 1992-08-28 | Lincoln Electric Co | IMPROVED COOLING PLASMA TORCH. |
| RU2041039C1 (en) * | 1993-02-08 | 1995-08-09 | Уральское научно-производственное предприятие "Лазер" | Steam-and-water plasmotron |
| RU2071190C1 (en) * | 1993-12-17 | 1996-12-27 | Александр Иванович Апуневич | Electric arc plasma torch |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2338965C2 (en) * | 2006-12-21 | 2008-11-20 | Михаил Иванович Весенгириев | Contact water heater |
| RU2374791C1 (en) * | 2008-04-17 | 2009-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Electric arc ac plasmotron |
| RU2518171C2 (en) * | 2012-07-31 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Water-steam arc heater |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004102659A (en) | 2005-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2071190C1 (en) | Electric arc plasma torch | |
| CN103200757B (en) | Arc plasma torch | |
| EP0571374B1 (en) | A gas cooled cathode for an arc torch | |
| US20100300335A1 (en) | AC Plasma Ejection Gun, the Method for Supplying Power to it and Pulverized Coal Burner | |
| CN115175427A (en) | Water vapor plasma generator and implementation method thereof | |
| RU2268558C2 (en) | Water-steam plasma generator | |
| US20160216002A1 (en) | Heating system having plasma heat exchanger | |
| RU2103129C1 (en) | Method of plasma-arc welding of metals | |
| RU2441353C1 (en) | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation | |
| RU2071189C1 (en) | Plasma generator | |
| RU2055449C1 (en) | Plasma generation process | |
| JP2004216246A (en) | High frequency plasma processing apparatus and high frequency plasma processing method | |
| KR20110032551A (en) | Heating source device of boiler used plasma and heat exchanger using the same | |
| RU2041039C1 (en) | Steam-and-water plasmotron | |
| RU2072640C1 (en) | Arc-plasma torch | |
| RU2263564C1 (en) | Steam plasmotron | |
| RU2111098C1 (en) | Method for electric-arc plasma welding of metals | |
| RU2731081C1 (en) | Method for flare combustion of a fuel-air mixture and device for realizing a method using an electro-ionization igniter | |
| CN107931804B (en) | Water injection plasma metal cutting method | |
| RU2704178C1 (en) | Flare combustion device | |
| SU792614A1 (en) | Electric-arc gas heater | |
| TWI325350B (en) | ||
| RU2301375C1 (en) | Device for igniting and stabilizing solid fuel combustion | |
| KR100204354B1 (en) | High temperature plasma torch | |
| RU2358191C1 (en) | High-temperature hydrogenic vapour generator featuring combustion chamber combined cooling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100601 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120203 |