Водно-паровой ПЛАЗМОТРОН

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:

  1. Создать технологический образец ВПП мощностью 5-20 кВт;
  2. Провести испытания и доводку тех- нологического образца ВПП;
  3. Подготовить производство ВПП;
  4. 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).