Рисунок 2 - Зависимость количества тепла, водимого в горную породу от времени нагрева:
1 - нагрев плазменно-дуговым способом; 2 - нагрев плазменной струей.
N = 21 кВт. Порода - джеспилит.
Замер тепловых характеристик водяной плазменной струи при плазменно-дуговом нагреве осуществлялся спектроскопическим и калориметрическим методами. В зависимости от режимных и конструктивных параметров плазменного генератора они могут изменятся в широких пределах: среднемассовая температура плазменной струи 2000 - 5000 К, коэффициент теплоотдачи (1-4)•103 Вт(м2•град), удельный тепловой поток (1-8)•106 Вт/м2.
Физическое моделирование параметров теплообмена при плазменном расширении взрывных скважин в горных породах осуществлялось на специальном стенде. Модель - «искусственная» скважина была выполнена в виде водоохлаждаемых медных калориметрических секций с внутренним диаметром 105 мм. Анализ результатов экспериментальных исследований величин тепловых потоков и полезной мощности, водимой в стенки «искусственной» скважины от подведенной, показал (рисунок 3 и 4), что при одинаковой мощности плазмотронов (60 кВт), удельный тепловой поток водяной плазмы, вводимый в стенки скважины и КПД передачи энергии соответственно в 1,5 - 1,6 раза выше, чем воздушной.
Рисунок 3 - Распределение тепловых потоков по длине «искусственной» скважины: 1 - плазмообразующий газ-водяной пар; 2 - плазмообразующий газ-воздух
Рисунок 4 - Зависимость полезной мощности вводимой в стенки «искусственной» скважины от подведенной мощности: 1 - плазмообразующий газ-водяной пар; 2 - плазмообразующий газ-воздух
Таким образом, физическое моделирование процессов нагрева среды плазменным потоком подтвердило возможность интенсификации процессов теплообмена при использовании генераторов водяной плазмы.
На основании комплексных исследований энергетических и тепловых характеристик плазменных генераторов получены обобщенные уравнения вольтамперной характеристики и теплового КПД плазменных генераторов, позволяющие вести расчет режимных и геометрических параметров плазмотронов в диапазоне мощности 20 - 200 кВт, расходов водяного пара (1 -8) г/с.
Вольтамперная характеристика однокамерного плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги водяным паром (Т = 400 - 420 К) определяется уравнением
(1)
Тепловой КПД плазмотрона обобщается уравнением
(2)
где u - напряжение на дуге, В; i - ток дуги, А; G - расход водяного пара, г/с; d- внутренний диаметр электрода, м; l - длина электрода, м; Р - давление плазмообразующего газа в камере плазмотрона, МПа.
Формулы справедливы в диапазоне определяющих комплексов
= (0,7 - 14)•108 А2с/кгм;
= (0,3 - 0,9) кг/м•с;
Pd = (0,15 - 0,2) МПа; 8 - 12.
Данные параметры плазмотронов определяются из решения системы уравнений, включающей уравнения вольтамперной характеристики (1), теплового КПД (2), а также:
- мощности, вкладываемой в дугу
Nд = U•I, (3)
- энергии истекающей струи
U•I з = G (jc - jo), (4)
где jc, jo - энтальпия плазменной струи и плазмообразующего газа.
Ряд конструкций плазменных генераторов прошли испытания в промышленных условиях в различных технологических процессах. Испытания плазменного генератора с паровихревой стабилизацией дуги осуществлялось в подземных условиях шахты им. В.И. Ленина ОАО «КЖРК» с использованием установки плазменного расширения скважин (УПРС) при следующих режимных параметрах генератора: мощность 150 кВт, напряжение на дуге 800В, ток 200А, расход водяного пара (при температуре 320 К) 4 г/с, давление водяного пара (0.2-0.25) МПа, среднемассовая температура плазменной струи 3000 К. В качестве источника водяного пара использовался малогабаритный электрический парогенератор электродного типа (УПВ) конструкции ИГТМ НАНУ [16].
Анализ газового состава в отходящих газах и атмосфере выработки, выполненный службами ВГСЧ и районной санэпидстанцией, показал, что в них отсутствуют токсичные соединения (NO, CO) и данный плазмотрон можно эксплуатировать в подземных условиях в выработках с существующими схемами проветривания. При этом производительность процесса плазменного расширения скважин диаметра 250 мм составила 0,32 м3/ч и превышала в 1,3 раза производительность плазменного расширения генератором с воздушно-вихревой стабилизацией дуги.
При работе плазменного генератора с воздушно-вихревой стабилизацией дуги в отходящих газах содержатся окислы азота в количествах 0,2 - 0,5 % и значительно превышающих допустимые санитарные номы, содержание которых в атмосфере действующих подземных выработок не должно превышать 0,0002% по объему. Поэтому промышленная эксплуатация в подземных условиях установки УПРС с генератором воздушной плазмы осуществлялась с применением дополнительных трудоемких мероприятий - организацией специальных схем проветривания с изоляцией эксплуатационных выработок от отходящих газов.
Оценка эффективности процесса обработки горных пород плазменно-дуговым способом осуществлялась в промышленных условиях при поверхностной обработке строительных изделий из гранитов Константиновского месторождения ручным плазменным генератором.
Установлено, что объемная производительность процесса обработки плазменно-дуговым способом в диапазоне изменения мощности генератора 30 - 50 кВт составила 800 - 1400 см3/мин и на 40 - 60 % превышала производительность процесса обработки изделия плазменной струей.
Разработанные электродуговые генераторы водяной плазмы для разрушения и обработки горных пород могут быть также использованы при термомеханической обработке сверхтвердых материалов, упрочнении поверхностного слоя изделий, нанесении защитных покрытий, термической газификации углей и т.д.
Результаты лабораторных и промышленных исследований электродуговых плазмотронов свидетельствуют о принципиальной возможности создания экологически чистых плазменных технологий на базе генераторов водяной плазмы в различных технологических процессах и необходимости дальнейшего развития работ в области создания высокоэффективных генераторов водяной плазмы.
Перечень ссылок
1. Fauchais P., Vardelle and B.Dussoubs, J. of Thermal Spray Technol. 10(1). 2001.- pp. 44-46.
2. Bulat A., Bulany P., Osenny Y. Control of the heat flux distribution at the anode of a transferred are argon stabilized and flowing in air // Proc. of the VII European Conference on Thermal plasma Processes-Strasbourg. 2002. - pp. 211-218.
3. Cuenca Alvarez R., Ageorges H., Fauchais. Influence of mechano-fused carbide - oxide and carbide - metal powders on plasma sprayed deposits // Proc. of the VII European Conference on Thermal plasma Processes-Strasbourg. 2002. - pp. 447-453.
4. Петров С.В., Саков В.А. Плазменное оборудование для восстановления с упрочнением изношенных цилиндровых втулок ДВС / Матер. IV Междунар. конф. Славское, Карпаты - Киев. Украинский информ. Центр «Наука. Техника. Технология», 2004. - с 80-82.
5. Eduipment and technology for plasma enlarging of boreholes in hard rocks. L. Kholjavchenko, V. Osenny, B. Alymov, U. Remkha / Proc. Of 6th European Conference on Thermal Plasma Processes, Strasburg. 2000, A/P81.
6. И. Георгиев, Б.И. Михайлов. Влияние температуры и состава среды на энергозатраты при плазменной газификации бурых углей различного качества. // Известия СО АН СССР, серия технических наук, №15, вып. 4, 1987 - с.83 - 89.
7. Михайлов Б.И. Физико-химические основы электродуговых генераторов водяной плазмы: Автореф. дис. докт. техн. наук. - Новосибирск, 1991 - 36с.
8. Михайлов Б.И., Перегудов В.С., Урбах Э.К. Электродуговая плазма в процессах воспламенения и газификации углей. / 2-ая Всесоюз. конф. по теплообмену в парогенераторах: Тез. докл. - Новосибрск, 1990 - с. 13-15.
9. Самарский А.А., Галактионов В.А., Курдюмов С.П., Михайлов А.П. Режимы с обострением в задачах для квазилинейных параболических уравнений. - М.: Наука, 1987. - 480 с.
10. Кустанович В.А., Овсянников А.А., Полак Л.С., Рытова Н.М. Оптическая пирометрия плазменных струй // в кн. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме. Под ред. Полака Л.С.: Наука, 1965. - 254 с.
11. Оптическая пирометрия плазмы / под редакцией Соболева Н.Н.: М.: Изд-во ин. литературы, 1960. - 428 с.
12. Многодуговые системы / Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - 133 с.
13. Алымов Б.Д., Кузменко С.А., Юхимчук С.А. Расщепление дугового столба в плазматронах коаксиальной схемы. // Плазмотехнология - 97 - Запорожье ЗМИ. - 1997. - с. 168-178.
14. Булат А.Ф., Алымов Б.Д., Осенний В.Я. Исследование ресурса работы термомеханических катодов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов. - Днепропетровск: Полиграфист. - 2001. - № 29. - с. 152 - 156.
15. В.А. Конотоп, А.В. Крымасов, Е.В. Лебсак. Электродуговой подогреватель линейного типа с дугой, протянутой через горловину сопла. // Тез. докл. XI Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Новосибирск, 1989. - т. II - с. 67 - 68
16. Чемерис И.Ф. Влияние режимных параметров на устойчивость работы электрических парогенераторов. Сб. науч. тр. Надежность горных машин. - Киев: Наук. думка, 1989. - с. 91-94.