Электродуговой плазмотрон

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Галиновский Антон Александрович Горбунов Андрей Васильевич Кнак Александр Николаевич Баранышин Евгений Александрович Ермолаева Елена Михайловна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Электродуговой плазмотрон, включающий катод и анод, стержневой электронноэмиссионный элемент из гафния, установленный в катоде, камеру завихрения, образованную прикатодной и прианодной ее частями с расположенным внутри камеры завихрителем и содержащую штуцер для подачи плазмообразующего газа, причем катод и анод содержат корпусную рубашку охлаждения, штуцеры для подвода и отвода хладоагента и токонесущую вставку, выполненную в аноде цилиндрической в виде сопла с образованием разрядной камеры, а также уплотнительные элементы, расположенные в местах соединения корпусной рубашки охлаждения с токонесущей вставкой, отличающийся тем, что часть цилиндрического сопла токонесущей вставки анода в зоне камеры завихрения выполнена диффузорно-конфузорной, при этом токонесущая вставка анода снабжена выступом конусообразной формы, корпусная рубашка охлаждения катода выполнена из диэлектрического материала, а в качестве хладоагента для охлаждения плазмотрона используют сжатый воздух. 47572008.10.30 2. Электродуговой плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что камера завихрения выполнена металлической, а уплотнительные элементы анода выполнены из термостойкого эластомерного материала.(56) 1. Заявка на изобретение 2001134154, МПК Н 05 Н 1/32, 2003. 2. Моссэ А.Л. Унифицированный ряд электродуговых плазмотронов для плазменных нагревательных устройств // ИТМО АН БССР. -6. - Мн., 1988. - С. 40 (прототип). Предлагаемая полезная модель относится к плазменной технике, преимущественно к оборудованию для нагрева газов электродуговым разрядом и может найти применение, в частности, в технологиях переработки токсичных промышленных и бытовых отходов на органической основе, требующих минимального содержания оксидов азота в отходящих газах. Известен электродуговой плазмотрон 1, состоящий из последовательно установленных водоохлаждаемого торцевого катода, электрически изолированной с обеих сторон полой межэлектродной вставки с кольцевым каналом, сообщающимся с источником плазмообразующего газа, полого водоохлаждаемого анода, штуцера для подвода плазмообразующего газа и завихрителей этого газа, расположенных по обеим сторонам межэлектродной вставки. Штуцер для подвода плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой - дуговой канал плазмотрона. Кроме того,соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3. Недостатком электродугового плазмотрона является то, что он работает с применением только воздуха или смеси воздуха с природным газом в качестве плазмообразующего газа, что обусловлено выполнением анода полым водоохлаждаемым, а межэлектродной вставки электрически изолированной с обеих сторон. Известен унифицированный ряд электродуговых плазмотронов для плазменных нагревательных устройств, в котором наиболее близким к заявляемому является электродуговой плазмотрон 2, выбранный в качестве прототипа. Электродуговой плазмотрон состоит из катодного узла (катода) и анодного узла (анода) с расположенным между ними газовым кольцом (камерой завихрения), предназначенным для газовихревой стабилизации дуги и подвода плазмообразующего газа. Катод и анод содержат токонесущую вставку, корпусную рубашку охлаждения и штуцеры для подвода и отвода хладагента. Токонесущая вставка катода снабжена стержневым электронно-эмиссионным элементом, который служит источником электронов и выполнен из гафния или циркония. Токонесущая вставка анода выполнена цилиндрической в виде сопла и образует разрядную камеру, предназначенную для поджига и горения газового разряда. В качестве хладоагента, предназначенного для охлаждения плазмотрона, используют воду. Камера завихрения, образованная прикатодной и прианодной ее частями, содержит штуцер для подачи плазмообразующего газа, а также расположенные внутри камеры вставку-изолятор из оргстекла или диэлектрических материалов, обеспечивающую электрическую изоляцию между катодом и анодом, и завихритель с каналами для газовихревой стабилизации электрической дуги, выполненный из нержавеющей стали. Для герметиза 2 47572008.10.30 ции плазмотрона по хладоагенту в качестве уплотнительных элементов для анода и катода используют резиновые кольца, которые расположены в местах соединения корпусной рубашки охлаждения с токонесущей вставкой. Камера завихрения и корпусная рубашка охлаждения анода и катода выполнены из нержавеющей стали. Электродуговой плазмотрон работает следующим образом. В камеру завихрения через штуцер, расположенный в ней, подают сжатый воздух. Каналы завихрителя, через которые проходит сжатый воздух, обеспечивают его закручивание и создают вихревой поток внутри разрядной камеры. Между катодом и анодом прикладывают напряжение холостого хода. Затем с помощью устройства поджига пробивают межэлектродный промежуток, после чего загорается дуга, которая выдувается плазмообразующим газом в разрядную камеру. Для охлаждения катода и анода в штуцеры подвода хладоагента вводят воду к внутренним полостям корпусных рубашек охлаждения. Отвод хладоагента осуществляют через штуцеры отвода. Недостатком электродугового плазмотрона является то, что он работает с применением только воздуха в качестве плазмообразующего газа, что обусловлено выполнением токонесущей вставки анода цилиндрической в виде сопла, а вставки-изолятора из оргстекла или диэлектрических материалов, а также охлаждением плазмотрона водой. Задачей предлагаемого технического решения является расширение области применения плазмотрона за счет возможности использования в качестве плазмообразующего газа водяного пара или его смеси с другими газами. Задача решается следующим образом. Известный электродуговой плазмотрон включает катод и анод, стержневой электронноэмиссионный элемент из гафния, установленный в катоде, камеру завихрения, образованную прикатодной и прианодной ее частями с расположенным внутри камеры завихрителем и содержащую штуцер для подачи плазмообразующего газа, причем катод и анод содержат корпусную рубашку охлаждения, штуцеры для подвода и отвода хладоагента и токонесущую вставку, выполненную в аноде цилиндрической в виде сопла с образованием разрядной камеры, а также уплотнительные элементы, расположенные в местах соединения корпусной рубашки охлаждения с токонесущей вставкой. Согласно предлагаемому техническому решению, часть цилиндрического сопла токонесущей вставки анода в зоне камеры завихрения выполнена диффузорно-конфузорной, при этом токонесущая вставка анода снабжена выступом конусообразной формы, корпусная рубашка охлаждения катода выполнена из диэлектрического материала, а в качестве хладоагента для охлаждения плазмотрона используют сжатый воздух. Кроме того, камера завихрения выполнена металлической, а уплотнительные элементы анода выполнены из термостойкого эластомерного материала. Выполнение части цилиндрического сопла токонесущей вставки анода в зоне камеры завихрения диффузорно-конфузорной препятствует конденсации влаги на ее поверхности,что в совокупности с использованием термостойкого эластомерного материала в качестве уплотнительных элементов анода для герметизации плазмотрона по охлаждающему сжатому воздуху и выполнением камеры завихрения металлической позволяет использовать в качестве плазмообразующего газа водяной пар. На чертеже изображена схема общего вида предлагаемого электродугового плазмотрона. Электродуговой плазмотрон состоит из катода 1 и анода 2, стержневого электронноэмиссионного элемента 3, выполненного из гафния, установленного в катоде и служащего источником электронов, и камеры завихрения 4, выполненной металлической, которая образована прикатодной частью 5 и прианодной частью 6. Камера завихрения 4, установленная между катодом 1 и анодом 2, служит для подвода плазмообразующего газа. Внутри камеры завихрения 4 расположен завихритель 7, служащий для завихрения плазмообразующего газа, а снаружи к камере завихрения 4 подсоединен штуцер 8 для подачи плазмообразующего газа. 3 47572008.10.30 Кроме того катод 1 содержит корпусную рубашку 9 охлаждения, выполненную из диэлектрического материала, токонесущую вставку 10, установленную в корпусной рубашке 9,металлические штуцеры 11 для подвода и отвода хладоагента, а также уплотнительные элементы 12, расположенные в местах соединения корпусной рубашки 9 с токонесущей вставкой 10 и служащие для герметизации плазмотрона по охлаждающему воздуху. Анод 2 содержит корпусную рубашку 13 охлаждения, металлические штуцеры 14 для подвода и отвода хладоагента, токонесущую вставку 15, выполненную цилиндрической в виде сопла 16 с образованием разрядной камеры, в которой часть цилиндрического сопла 16 в зоне камеры завихрения 4 выполнена диффузорно-конфузорной. При этом токонесущая вставка 15 снабжена выступом 17 конусообразной формы, экранирующим поток ультрафиолетового излучения электрической дуги на поверхность катода 1. Анод 2 содержит также уплотнительные элементы 18, выполненные из термостойкого эластомерного материала, расположенные в местах соединения корпусной рубашки 13 с токонесущей вставкой 15 и служащие для герметизации плазмотрона по охлаждающему воздуху. Электродуговой плазмотрон работает следующим образом. На вход камеры завихрения 4, образованной ее прикатодной 5 и прианодной 6 частями,через штуцер 8 подают сжатый газ, который проходит через завихритель 7 и создает вихревой поток внутри разрядной камеры. Между катодом 1, содержащим стержневой электронноэмиссионный элемент 3 из гафния, и анодом 2 прикладывают напряжение холостого хода. С помощью устройства поджига (на чертеже не показано) пробивают межэлектродный промежуток, после чего загорается дуга, которая выдувается плазмообразующим газом в разрядную камеру. Для охлаждения токонесущей вставки 10 катода по штуцерам 11 для подвода и отвода хладоагента подводят (отводят) охлаждающий сжатый воздух к корпусной рубашке9 охлаждения катода. Для герметизации по охлаждающему воздуху используют уплотнительные элементы 12. Для охлаждения токонесущей вставки 15 анода 2,выполненной цилиндрической в виде сопла 16 и имеющей выступ 17 конусообразной формы, экранирующий поток ультрафиолетового излучения электрической дуги на поверхность катода 1, по штуцерам 14 подвода и отвода хладоагента охлаждающий сжатый воздух подводят (отводят) к корпусной рубашке 13 охлаждения анода. Для герметизации по охлаждающему воздуху используют уплотнительные элементы 18, выполненные из термостойкого эластомерного материала, устойчивого к воздушному хладоагенту с температурой не более 200 С. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4