Разработчик: ОАО "Инновации и технологии".
Название проекта: Разработка и создание технологических образцов новых видов водно-парового плазмотрона (ВПП) мощностью 5-20 кВт.
Цель проекта : Целью проекта является проведение опытно-конструкторских работ по созданию технологических образцов водно-парового плазмотрона (ВПП) для внедрения их в серийное производство.
Обоснование проекта
- Водно-паровой плазмотрон (ВПП) является универсальным прибором, предназначенным для резки, сварки, пайки, плавления, очистки, нагрева различных материалов (металлов, минералов, бетона, резинотехнических изделий, пластмасс).
Разработана и создана опытная конструкция водно-парового плазмотрона мощностью 1кВт, где рабочим телом является вода. Выбор воды обусловлен ее высокой теплоемкостью. Вода нагревается электрической дугой в закрытом плазмотроне, выполненном в виде пистолета с рукояткой. Подача воды осуществляется насосом из резервуара. К плазмотрону подается комбинированное электрическое питание.. Постоянное напряжение получается из сетевого инверторным малогабаритным преобразователем. Характерная особенность разработанного ВПП в том, что охлаждающая анод плазмотрона вода в парогенераторе переходит в пар, который становится рабочим телом. Затем, пройдя через электрический разряд, пар превращается в плазму, истекающую из сопла в виде тонкой, светящейся иглы, с рабочей температурой 8000-10000 С .
- В парогенераторе происходит регенерация тепла и это определяет высокий К.П.Д.. ВПП, - энергетический 95-98%, полный - не менее 60%.
Технические характеристики ВПП мощностью 1кВт:
- подводимая мощность 0.3-100 Вт;
- расход воды 0.5-5 л/час;
- избыточное давление поступающей из насоса воды 1 атм.;
- КПД преобразователя эл. энергии в энергию струи плазмы до 80 %;
- диаметр струи плазмы 1-5 мм;
- температура струи плазмы на активном участке до 8000 С;
- диапазон температур струи плазмы с расширяющими сопловы- ми насадками 100-8000 С;
- диапазон скоростей струи плазмы с расширяющими сопловы ми насадками 3-300 м/с;
- длина струи плазмы в активной части до 100 мм;
- масса пистолета 1-2 кг;
- масса блока питания 5-10кг;
- масса насоса 1кг;
- масса резервуара с водой 3-10кг;
- подводимое напряжение 220; 380В;
- Другие типы плазмотронов из-за невысокой теплоёмкости рабочего газа требуют дополнительного контура охлаждения анода. Тепло, ушедшее в анод в других плазмотронах не регенерируется и идет в потери. Поэтому К.П.Д. аналогичных плазмотронов не превышает 30-40 %.
Срок реализации проекта
- 14 месяцев.
Объем инвестиций
- Для осуществления всего комплекса планируемых работ необходимо 350 тыс. $ США. Форма инвестиций - кредит.
Форма сотрудничества
- Создание совместного предприятия с инвестором.
Результаты исследований
- В настоящее время группой разработчиков создан ВПП мощностью 1кВт. На нем отработаны оптимальные режимы работ и конструкция перспективных образцов. Отдельно отработаны узлы: комбинированного подвода напряжения; насосной подачи воды; эффективного охлаждения; бесконтактного поджига.
- Единственным аналогом ВПП является аппарат "Алплаз", серийно выпускаемый заводом "Элакс" в г. Зеленограде.
Указанный аппарат обладает рядом недостатков:
- недостаточная мощность от 600 Вт до 1,8 кВт;
- отсутствие насосной подачи воды;
- контактный поджиг разряда, что приводит к ограниченному ресурсу узлов плазмотрона.
- Другими конкурентами ВПП для резки, сварки, плавления являются стандартные и электролизные сварочные аппараты, воздушно-плазменные и керосиновые резаки, теплоэлектронагреватели.
В отличие от них, ВПП обладает следующими преимуществами:
- высокая производительность;
- высокая экономичность;
- высокий КПД;
- меньшая толщина шва или зоны об- работки материала;
- возможность регулирования, в ши- роком диапазоне, температур и ско рости рабочего газа;
- экологичность;
- отсутствие вредных выбросов и воз- можность работы в замкнутом по мещении;
- отсутствие дорогих расходных ма- териалов.
- По сравнению с воздушным плазмотроном аналогичной мощности толщина разрезаемого металла, (например, нержавеющая сталь) у водно- парового плазмотрона в 2,5 - 3 раза выше (соответственно 4-5 мм и 1,3-1,6 мм).
- ВПП отличюет высокая технологичность и простота конструкции, минимум деталей (12-15 элементов), лёгкая замена быстроизнашивающихся частей анода и катода. Полная замена анода и катода требует 3-5 минут.
- Объем работ
При получении инвестиций предлагается провести следующие работы:
- Создать технологический образец ВПП мощностью 5-20 кВт;
- Провести испытания и доводку тех- нологического образца ВПП;
- Подготовить производство ВПП;
- Освоить серийный выпуск ВПП;
Области применения проектируемых модификаций различных ВПП
- 1.Резка металлов.
- Наиболее эффективно ВПП может применяться для резки металлов. Расчеты и экспериментальные данные позволяют предположить необходимые параметры ВПП в зависимости от толщины металла при постоянной скорости резания - 0,5 см/сек.
Мощность, кВт 1 5 10 20
Толщина, мм 5 15-20 30-40 50-60
- Для резки металла толщиной 50 мм и выше целесообразно применять комбинацию струи плазмы ВПП и, подводимой коаксиально, снаружи, струи сжатого воздуха или кислорода. Комбинированная струя более эффективно разделывает металл и выносит продукты резки из зоны плавления. Этот метод также эффективен в случае разделки горячего проката металлов.
- 2. Разделка металлолома (в том числе автомобилей, танков, судов подводных лодок).
3. Резка:
- металлических материалов;
- минералов (гранит, мрамор);
- бетона;
- резинотехнических изделий (шины).
- 4. Резка вязких металлов и соединений
- 5. Сварка, пайка и нагрев
Для этих задач применяются ВПП с расширяющими сопловыми насадками, позволяющими получить оптимальную температуру и обеспечить локальную обработку.
- 6. Обдирка и очистка поверхностей
Применение расширяющих сопловых насадок позволяет увеличить скорость струи до 200-300 м/с, что позволяет очищать поверхности аналогично пескоструйке. При этом метод более экологичен.
- 7. Герметизация фундаментов подземных перекрытий (метро) путем оплавления материалов.
8. Создание реакторов с высокой температурой в активной зоне (8000 - 10000 град. С).