ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................... 5 Глава 1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ И ЭЛЕКТРОДУГОВОМ НАГРЕВЕ ГАЗА ................................................ 10 1.1. Возникновение электрической дуги и свойства дуговой плазмы ......................................... - 1.2. Электродуговые нагреватели газа - плазмотроны ......... 17 Глава 2 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМОТРОНЕ 25 2.1. Особенности течения холодного газа в длинном цилиндрическом канале .................................. - 2.2. Особенности горения электрической дуги в длинном цилиндрическом канале ................................. 32 2.3. Скоростные и пульсационные характеристики элементов дуги .................................................. 43 2.4. Томографические исследования электрической дуги ....... 47 2.4.1. Краткий обзор ..................................... - 2.4.2. Экспериментальные исследования нестационарной электродуговой плазмы ............................ 50 2.5. Шунтирование .......................................... 73 2.5.1. Качественная картина .............................. - 2.5.2. Некоторые количественные результаты исследования процесса шунтирования ............... 80 2.5.3. Электрический разряд между телами ................ 89 2.6. Пульсации "радиального" участка дуги в выходном электроде осевого плазмотрона ......................... 94 2.7. Автоколебания параметров электрической дуги .......... 101 2.8. Аэродинамика внутреннего электрода ................... 110 2.9. Аэродинамика цилиндрического выходного электрода с внезапным расширением .............................. 121 Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДУГОВЫХ РАЗРЯДОВ ........ 140 3.1. Основные уравнения электродуговой плазмы ............. 141 3.1.1. Система МГД уравнений ........................... 143 3.1.2. Приближение МГД пограничного слоя ............... 147 3.1.3. Интегральные соотношения ........................ 148 3.2. Аналитические модели дуговых разрядов ................ 149 3.2.1. Распределения температуры в цилиндрических дугах ............................................ - 3.2.2. Динамика длинной дуги во внешних полях .......... 160 3.3. Влияние электромагнитных сил на формирование потоков плазмы в дугах ............................... 164 3.3.1. Численный анализ на основе уравнений пограничного слоя ............................... 165 3.3.2. Численный анализ на основе системы МГД уравнений ....................................... 169 3.4. Неравновесные процессы в плазме дугового разряда ..... 172 3.5. Дуга в турбулентном потоке ........................... 179 3.5.1. Модель турбулентности ........................... 180 3.5.2. Анализ результатов .............................. 183 Глава 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНАХ ...... 186 4.1. Понятие моделирования процессов ....................... - 4.2. Методы получения критериев подобия ................... 187 4.3. Критерии подобия электродуговых процессов ............ 193 4.4. Физический смысл полученных критериев подобия ........ 198 4.5. Методика обобщения экспериментальных материалов ...... 201 Глава 5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ В РАЗНЫХ ГАЗАХ .......... 205 5.1. Обобщенные вольт-амперные характеристики дуги в разных газах ........................................ - 5.2. Энергетические характеристики дуги в плазмотронах с межэлектродными вставками ............. 224 5.2.1. Распределение напряженности электрического поля дуги в длинном цилиндрическом канале ....... 227 5.2.2. Зависимость напряженности электрического поля дуги от определяющих параметров на начальном и переходном участках канала .................... 232 5.2.3. Изменение напряжения горения дуги газодинамическим воздействием ................... 237 5.2.4. Зависимость напряженности электрического поля дуги от определяющих параметров на участке развитого турбулентного течения газа ............ 244 5.3. Энергетические характеристики дуги в пористом канале .................................... 253 5.4. Напряженность электрического поля дуги в водороде и водород-содержащих газах ........................... 269 5.4.1. Длины характерных участков течения газа в канале ........................................ 273 5.4.2. Напряженность электрического поля водородной дуги на начальном участке канала ................ 276 5.4.3. Напряженность электрического поля дуги в развитом турбулентном потоке водорода ......... 278 5.4.4. Электрическая дуга в смеси газов ................ 283 Глава 6 ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ КАМЕРЕ ЛИНЕЙНОГО ПЛАЗМОТРОНА ... 287 6.1. Интегральные тепловые характеристики плазмотронов с самоустанавливающейся и фиксированной уступом длиной дуги .......................................... 288 6.2. Тепловые потери в разрядной камере плазмотрона с межэлектродной вставкой ............................ 291 6.2.1. Тепловые потери в плазмотроне с газовихревой стабилизацией дуги .............................. 292 6.2.2. Характеристики дуги в осевом потоке газа ........ 295 6.3. Теплообмен электрической дуги в турбулентном потоке газа со стенками разрядной камеры ............. 299 6.3.1. Теплообмен на начальном участке канала ........... - 6.3.2. Теплообмен на участке развитого турбулентного течения газа ...................... 303 6.3.3. Эффективность газовой завесы стенок разрядной камеры .......................................... 305 6.3.4. Распределение тока и теплообмен в выходном электроде плазмотрона с межэлектродной вставкой 317 6.3.5. Тепловой КПД плазмотрона с МЭВ .................. 326 6.4. Электродуговой генератор низкотемпературной плазмы с газовихревой МЭВ ................................... 328 6.5. Теплообмен в комбинированном и проницаемом канале с интенсивным вдувом газа ............................ 333 6.6. Теплообмен водородной дуги со стенками электроразрядной камеры .............................. 349 6.6.1. Тепловой поток в торцевой катод ................. 350 6.6.2. Тепловой поток в секции межэлектродной вставки и пусковой электрод ...................... - 6.6.3. Тепловой поток в выходной электрод-анод ......... 354 6.7. Обобщенная тепловая характеристика паровихревого плазмотрона .......................................... 355 Глава 7 ЛИНЕЙНЫЕ ПЛАЗМОТРОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ...................... 359 7.1. Классификация плазмотронов линейной схемы ............ 360 7.2. Плазмотроны с самоустанавливающейся длиной дуги ...... 363 7.2.1. Однокамерные плазмотроны ......................... - 7.2.2. Двухкамерный плазмотрон ......................... 374 7.2.3. Двухкамерный плазмотрон с выносной дугой ........ 375 7.3. Плазмотрон с фиксированной средней длиной дуги уступом .............................................. 377 7.4. Плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги межэлектродной вставкой .............................. 379 7.4.1. Плазмотроны для нагрева водорода и водородсодержащих сред .......................... 382 7.4.2. Унифицированный плазмотрон (ПУН-3) для напыления ................................... 391 7.5. Плазмотроны с расщепленной дугой ..................... 392 7.5.1. Плазмотрон с продольным расщеплением дуги в выходном электроде ............................ 393 7.5.2. Плазмотрон с делением радиального участка дуги .. 394 7.5.3. Плазмотрон с расщепленным входным катодным участком дуги ................................... 396 7.5.4. Плазмотрон с диффузной привязкой катодного участка дуги к поверхности трубчатого электрода 397 7.5.5. Многодуговой катод без балластных сопротивлений в электрической цепи .............. 398 Глава 8 ДВУХСТРУЙНЫЕ ПЛАЗМОТРОНЫ ................................... 403 8.1. Двухструйный плазмотрон с неподвижными опорными пятнами дуги ......................................... 405 8.1.1. Схема плазмотрона и его электрического питания ... - 8.1.2. Анодный и катодный узлы ......................... 407 8.1.3. Ресурсные характеристики электродов ............. 409 8.1.4. Тепловые и электрические характеристики ......... 410 8.1.5. Поле температур потока плазмы ................... 415 8.1.6. Электрическая структура потока плазмы ........... 419 8.1.7. Взаимодействие токоведущих плазменных струй ..... 424 8.2. Двухструйный плазмотрон со сканирующей дугой и неподвижными опорными пятнами дуги ................. 426 8.2.1. Электрические характеристики ..................... - 8.2.2. Взаимодействие электрической дуги с поверхностью твердого тела .................... 431 8.3. Двухструйный плазмотрон с трубчатыми электродами ..... 436 8.3.1. Устройство плазмотрона и электрическая схема его подключения .................................. - 8.3.2. Характеристики плазмотрона ...................... 438 Глава 9 ПЛАЗМОТРОНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ .......... 443 9.1. Однофазный плазмотрон переменного тока ............... 445 9.1.1. Особенности электропитания дуги переменного тока ............................................. - 9.1.2. Совместное горение сильноточной и высокочастотной дуг ........................... 449 9.1.3. Вольт-амперные характеристики дуги переменного тока, горящей в фазном ламинарном плазмотроне вихревой схемы ...................... 456 9.2. Трехфазные плазмотроны типа "звезда" ................. 461 9.2.1. Схема плазмотрона и принцип его работы ........... - 9.2.2. Вольт-амперные и тепловые характеристики дуги ... 464 9.2.3. Обобщенные рабочие характеристики плазмотронов .. 470 9.3. Трехфазные плазмотроны с соединением типа "треугольник" ........................................ 475 9.3.1. Плазмотроны со стержневыми электродами ........... - 9.3.2. Плазмотрон переменного тока с рельсовыми трубчатыми электродами .......................... 481 9.3.3. Основные физические процессы в разрядных камерах мощных трехфазных генераторов плазмы .... 484 9.3.4. Приэлектродные процессы ......................... 490 9.4. Высоковольтный многоэлектродный плазмотрон ........... 494 Глава 10 ПРИЭЛЕКТРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭРОЗИИ ЭЛЕКТРОДОВ .......................................... 500 10.1. Тепловые потоки в электроды через опорные пятна дуги 504 10.2. Форма эрозированной поверхности стержневого термокатода при неподвижном пятне дуги ............... 513 10.3. Удельная эрозия вольфрамового термокатода ............ 521 10.4. Удельная эрозия термохимических катодов .............. 524 10.5. Структура внутренней поверхности цилиндрического полого вольфрамового катода .......................... 529 10.6. Особенности структуры рабочей поверхности стержневого вольфрама под воздействием опорного пятна дуги ........................................... 531 10.7. Обзор работ по самоустанавливающемуся катоду ......... 538 10.8. Скорость прироста массы катода в углеродсодержащей среде ................................................ 546 10.9. Эрозия медных холодных трубчатых электродов .......... 547 10.9.1. Зависимость удельной эрозии электрода от тока ... 548 10.9.2. Влияние скорости перемещения радиального участка дуги и осевого ее сканирования на удельную эрозию ................................. 551 10.9.3. Влияние осевой магнитной индукции на скорость эрозии .......................................... 555 10.9.4. Аэромагнитное осевое сканирование радиального участка дуги во внутреннем трубчатом электроде-катоде ................................ 557 10.9.5. Влияние температуры поверхности медного электрода на удельную эрозию .................... 562 10.9.6. О магнитном управлении поведением радиального участка дуги в плазмотроне ...................... 564 10.9.7. Роль кислорода в снижении ресурса электрода ..... 571 10.9.8. Интегральная характеристика удельной эрозии выходного медного трубчатого анода .............. 576 10.9.9. Поля температур и температурных напряжений в электроде плазмотрона ......................... 579 10.9.10. Структура материала приповерхностного слоя трубчатого электрода ............................ 594 10.9.11. О некоторых путях снижения скорости эрозии медных трубчатых электродов ..................... 598 Глава 11 ПЛАЗМОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ ............................. 602 11.1. Многоструйные реакторы ................................ - 11.1.1. Кинематическая схема ............................. - 11.1.2. Тепловой КПД .................................... 608 11.1.3. Пульсации полного давления ...................... 610 11.2. Гидродинамические и теплотехнические характеристики трехструнного реактора ................ 612 11.2.1. Некоторые аппаратурные схемы реакторов для высокотемпературного синтеза .................... 614 11.2.2. Реакторы на основе многоструйной камеры смешения ........................................ 617 11.2.3. Теплотехнические характеристики трехструйного прямоточного реактора ........................... 624 11.2.4. Энергетический баланс реактора .................. 628 11.3. Совмещенный реактор постоянного тока с электромагнитным управлением ....................... 633 11.3.1. Принципиальная схема реактора ................... 634 11.3.2. Электромагнитный способ формирования восходящей ВАХ дуги ............................. 636 11.3.3. Влияние величины расхода газа и способа его ввода в реактор на ВАХ дуги ................. 641 11.3.4. Тепловые характеристики реактора ................ 642 11.3.5. Промышленный реактор мощностью 400 кВт для получения плавленного циркония .................. 647 11.4. Плазмотехнологические коаксиальные реакторы .......... 650 11.4.1. Схема коаксиального электродугового плазмотрона постоянного тока .................... 651 11.4.2. Коаксиальный плазмотрон-реактор ................. 654 11.5. Коаксиальный реактор переменного тока с электромагнитным управлением ....................... 656 11.6. Реактор для пиролиза и переработки отходов химических производств на основе линейного плазмотрона .......................................... 662 11.6.1. Получение ацетилена и этилена из нефтепродуктов .. - 11.6.2. Переработка органических и хлорорганических отходов химических производств .................. 663 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................... 668 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................ 673