Công nghệ và thiết bị dùng ngọn lửa plasma

Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
Khoa Công Nghệ Điện
Tiểu Luận Môn
Điện Công Nghệ
Đề Tài: Công Nghệ Và Thiết Bị Dùng
Ngọn Lửa Plasma
GVHD : Trần Minh Hiếu
SVTH: Nguyễn Minh Đức 10038821
Nguyễn Văn Trường 10045061
TP.HCM, Ngày 28, tháng 05, năm 2014
I. Sơ lược về plasma:
Công nghệ dùng ngọn lửa plasma là lĩnh vực công nghiệp trẻ tuổi phát triển
mạnh mẽ vào đầu những năm 1950.Ngày nay công nghệ ngọn lửa plasma được
ứng dụng nhiều trong công nghiệp.Ví dụ, dùng dùng thiết bị plasma công suất
100KW có thể cắt được thép dày 30 mm với tốc độ 4m/phút.
I.1 Định nghĩa:
“Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lượng tương đương các ion
dương và các điện tử và có vài đặc tính của khí nhưng khác với khí là có tính dẫn
điện tốt”. Sự ion hóa khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dương giữa các nguyên
tử khí. Khi điều này xảy ra, khí trở thành dẫn điện với khả năng mang dòng điện.
Như vậy, plasma hình thành - đó là hình thái phong phú nhất của vật chất trong vũ
trụ.
1.2 Trạng thái vật chất plasma:
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí)
trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại
hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma
không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ
tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem
như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ.
Ba trạng thái đầu tiên của vật chất là: chất rắn, chất lỏng và chất khí.
• Ví dụ về chuyển hóa của nước sang plasma:

Trên thực tế, một thực thể thông dụng nhất trong tự nhiên là nước (H
2
O), tồn tại
ở ba trạng thái là chất rắn (băng), nước và hơi nước. Ở nhiệt độ âm ( theo thang
Celsius) sẽ ở trạng thái rắn, trong khoảng từ 0 đến 100
0
C nó ở trạng thái lỏng, cao
hơn 100
0
C nó ở trạng thái khí. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng các nguyên tử và các
phân tử bắt đầu mấu các electron của mình: chúng bị ion hóa, và chất khí biến
thành plasma. Ở nhiệt độ trên 1000000
0
C plasma bị ion hóa tuyệt đối nó chỉ gồm
các electron và các ion dương.

rắn

lỏng

Khí
Khi năng lượng ở dạng nhiệt tác động vào nước đá (băng), nước đá tan chảy
thành nước. H2O chuyển từ trạng thái rắn (băng) thành trạng thái lỏng là nước.

rắn

Khi nhiều nhiệt lượng hơn chuyển vào nước, nước bốc hơi thành hơi nước.
H
2
O chuyển từ trạng thái lỏng (nước) sang trạng thái khí (hơi nước).

Lỏng

Khí
Cuối cùng, khi bổ sung nhiệt lượng vào khí, khí bị ion hóa. Sự ion hóa khí là
sự biên đổi trạng thái cuối cùng . Khí ở trạng thái dẫn điện được gọi là plasma



plasma
Khí
Trạng thái thứ tư của vật chất được gọi là Plasma. Khí ion hóa với các đặc tính của
nó là cơ sở chủ yếu để các hệ thống plasma hoạt động.

1.3Các trường hợp thường thấy xuất hiện plasma:
Một ví dụ của plasma được thấy trong tự nhiên là hiện tượng tia chớp, khi điện
trường trở nên rất mạnh và đủ kiều kiện thì không khí bắt đầu bị chọc thủng.
Điện trường làm cho không khí xung quanh trở nên bị phân li thành các ion dương
và các electron – không khí bị ion hóa. Và không khí bị ion hóa này chính là
plasma được tạo ra một cách tự nhiên nhất.

Một ví dụ tiếp theo là đèn huỳnh quang – Đèn Neon, tương tự như sét sự phóng
điện giữa hai cực của bóng đèn huỳnh quang hay đèn Neon đã ion hóa chất khí bên
trong và chuyển chúng về dạng vật chất thứ 4.
Ngoài ra còn dễ thấy plasma như mặt trời, các ngôi sao vì ở đó tồn tại nhiệt độ
rất cao.
1.4Thu nhận Plasma:
Để thu nhận plasma có thể sự dụng thiết bị tạo plasma (plasmatron) theo các sơ
đồ nguyên lý khác nhau. Phản ứng plasma hóa học có thể thực hiện được theo
hai cách

1- Đưa các thành phần tạo plasma vào trong khu vực có sự phóng điện hồ
quang, thiết bị plasma hoạt động kết hợp với các chất phản ứng.
2- Đưa các chất phản ứng vào trong buồng plasma ở bên ngoài vùng phóng
điện, sử dụng buồng phóng điện là các ống trụ được giải nhiệt, trong đó
diễn ra sự trộn lẫn dòng plasma với các chất đưa vào
Có thể phân loại các biện pháp thu nhận plasma như sau:
1- Gây nổ dây dẫn điện trong mạch điện;
2- Tia lửa điện;
3- Sự phóng điện vầng quang cao tần;
4- Sự phóng điện ăn mòn;
5- Sự phóng điện hồ quang.
Hiện tại, biện pháp thứ năm được ứng dụng rông rãi vì có những ứng dụng
sau đây.
1- Khả năng nhận plasma cháy lâu dài với hiệu suất cao từ các chất rắn,
lỏng, khí có thành phần hóa học khác nhau.
2- Khả năng thu nhận plasma trong điều kiện chân không và trong môi
trường có áp suất cao.
3- Khả năng sử dụng các nguồn điện tiêu chuẩn.

Để thu nhận được plasma trong các thiết bị plasma phải sử dụng các chất
khí (các môi trường tạo plasma), chúng có thể là khí một hoặc nhiều thành phần.
Khí một thành phần có thể là argon, helium, nitrogen, hydrogen. Khí nhiều thành
phần có thể nhận được trong các mơi trường khác nhau như: môi trường oxy hóa,
môi trường phục hồi hoặc môi trường trung tính.

Một trong các thông số nhiệt quan trọng nhất đối với plasma là entapi có nghĩa
là nhiệt lượng chứa đựng trong một đơn vị thể tích hoặc khối lượng.
II. Ứng dụng của ngọn lửa plasma vào công nghiệp:
2.1Thiết bị tạo plasma nhiệt độ thấp (plasmatron):
Người ta chia plasma khí thành hai loại – plasma nhiệt độ thấp (đến 100 độ

ngàn), và plasma nhiệt độ cao (đến 100 triệu đô). Hiện có các máy phát plasma
nhiệt độ thấp gọi là plasmatron, ở đó người ta dùng hồ quang điện.
Nhờ plasmatron, có thể đốt nóng hầu như bất kỳ chất khí nào tới 7000 – 10000
độ trong vòng phần ngàn và phần trăm giây.
Vậy plasmatron là thiết bị kĩ thuật điện, đốt nóng khí tạo plasma được thực
hiện nhờ sự phóng điện.
Các bộ phận chủ yếu của plasmatron là: điện cực, buồng phóng điện, bộ
phận tạo luồng plasma, hệ thống đầu phun ngọn lửa plasma, hệ thống điều khiển sự
phóng điện hồ quang.
Hình- Kết cấu của plasmatron
1- Điện cực cathode, 2- điện cực anode hình vành, 2- vách ngăn cách
điện, 4- rãnh làm mát bằng nước, 5-bề mặt làm mát
2.2Thiết bị plasma dùng để cắt và hàn:
Việc cắt kim loại nhờ plasma được thực hiện nhờ năng lượng hồ quang và ngọn
lửa plasma sinh ra từ thiết bị plasmatron. Khả năng cắt kim loại được biểu điễn bởi
quan hệ:
Với: – tốc độ cắt kim loại; - độ dày của kim loại
I,U – dòng điện và điện áp hồ quang
- hiệu suất nhiệt; –khối lượng riêng của kim loại cắt;
b – bề rộng của vết cắt; S – entapi của kim loại nóng chảy.
Quá trình cắt kim loại bằng plasma cần phải được tính toán để có thể phối
hợp tốt giữa công suất và tốc độ cắt. Điều này được thực hiện khi lựa chọn dòng
điện, điện áp, dạng khí tạo plasma và kết cấu của plasmatron.
Hình- Cho thấy việc cắt lim loại bằng plasmatron kết hợp với luồng plasma.
1- Dòng plasma; 2- Hồ quang; 3- Catot; 4- Vật liệu cắt; 5- Nguồn cung cấp .
• Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt plasma:
Cắt plasma là quy trinh sử dụng miệng đầu phun thích hợp để làm thắt lại luồng
khí ion hóa có nhiệt độ rất cao sao cho có thể sử dụng để làm nóng chảy và cắt đứt
các kim loại dẫn điện Khi dẫn điện (plasma) được sử dụng để chuyển năng lượng
âm – cung cấp bởi một nguồn điện từ mỏ plasma đến vật liệu cắt. Mỏ plasma đóng

vai trò như công cụ lắp các phụ tùng tiêu hao và có vai trò cung cấp chất làm mát
( khí hoặc nước ) cho các phụ tùng này. Đầu phun và điện cực duy trì tia plasma

Một tín hiệu khởi động được gửi tới nguồn công suất DC. Khi đó, đồng thời
xuất hiện điện áp mạchhở (OCV) và khí phun ra mỏ.
Sau khi có luồng khí ổn định, mạch tần số cao (HF) được kích hoạt.
HF phóng hồ quang giữa điệncực và đầu phun bên trong mỏ và hồ quang làm cho
khí thổi qua đó bị ion hóa.
Khí dẫn điện tạo nên dòng điện giữa điện cực và đầu phun và kết quả là hình
thành hồ quang mồi(pilot arc).
Khi hồ quang mồi tiếp xúc với vật cắt, hồ quang plasma hình thành giữa điện cực
và vật cắt. Hồquang plasma làm nóng chảy kim loại, và luồng khí tốc độ cao thổi đ
i kim loại nóng chảy.
2.3Thiết bị plasma tạo lớp phủ bề mặt:
Việc phủ lên trên bề mặt kim loại một lớp phủ chịu nhiệt và có tác dụng chống
oxy hóa được thực hiện bởi phương pháp công nghệ phun nhờ luồng plasma mang
theo vật chất phủ nóng chảy. Vật chất phủ có thể là chất dẫn điện hoặc không dẫn
điện. Trước hết luồng plasma đốt nóng bề mặt chi tiết đến nhiệt độ cao, sau đó chất
phủ nóng chảy được phun lên bề mặt chi tiết sẽ bám dính lên đó, sau khi nguội đi
sẽ trở thành một lớp phủ bền vững.
III. Thiết bị ứng dụng ngọn lửa plasma trong thực tế:
Công nghệ plasma được ứng dụng vào công nghiệp là các máy cắt-hàn plasma
gồm máy cắt plasma cầm tay và tự động.
Một trong những trong những thiết bị trong thực tế ứng dụng công nghệ
plasma là thiết bị cầm tay: máy hàn cắt plasma Multiplaz 3500.
 Các ưu điểm chính của máy hàn cắt plasma Multiplaz 3500:
 Ưu điểm nỗi trội là: Thông thường để hàn hơi, hay còn gọi là “hàn xì”,
người ta dùng khí từ bình oxy kết hợp với khí acetylene tạo nhiệt nung
chảy mối hàn. thiết bị cầm tay này có thể tạo ra nhiệt cho mỏ hàn từ nước
lã hoặc dung dịch có chứa 90% chất cồn được sử dụng làm chất lỏng làm

việc của thiết bị Multiplaz-3500. ). Không sử dụng khí ga độc hại, nguy
hiểm như là propan, axetylen, v.v…
 Có thể cho thiết bị đó vào một cái túi nhỏ và mang tới nơi làm việc.
 Không cần đến máy nén, biến áp, bình ga hay các thiết bị cồng kềnh khác
để vận hành thiết bị này.
 Tiêu hao ít năng lượng cũng là một yếu tố tăng hiệu quả kinh tể của máy
này. Việc vắng bóng các vật tư tiêu hao, bao gồm que hàn đặc biệt, chai
khí propan, acetylene hay oxy, giúp bạn tiết kiệm được rất nhiều tiền.
• Thông số kĩ thuật:
o Nguồn cung cấp chính V 110/220
o Tần số Hz 50-60
o Dung cất Nước
o Dung dịch hàn Nước-cồn
o Nhiệt độ ngọn lửa plasma
0
C 8000
o Loại hàn Plasma and hồ quangarc
o Độ dày của tấm thép cắt mm Lên tới 12
o Độ dày của tấm thép hàn mm Từ 0,3 trở lên
o Tốc độ cắt bản thép mm/2 lên tới 7
o Thời gian làm việc với một đèn xì đầy: 20-30 phút
Nguyên tắc hoạt động của máy hàn cắt plasma Multiplaz 3500:
Khi đèn xì được đổ đầy bằng một loại chất lỏng thích hợp, nguồn điện sẽ được
đóng mạch và điện áp đi vào cực âm (khi nút ON được ấn), người điều khiển có
thể dùng đèn xì đó để tạo ra hồ quang bằng cách ấn nhanh nút khởi động. Kết quả
là cực âm dần lại gần đầu phun lửa. Khi nút khởi động được nhả ra, một tia hồ
quang điện được sinh ra giữa cực âm và đầu phun lửa. Năng lượng do hồ quang
điện sinh ra sẽ làm nóng đầu phun, cung cấp nhiệt cho bộ bốc hơi, tại đó, chất lỏng
sẽ được làm nóng lên và hóa hơi. Hơi nước được dẫn tới vòi phun nhờ áp suất
trong máy (0.4-1.2 bar). Thoát ra khỏi vòi phun, hơi nước làm nén hồ quang điện.

Sức nén của tia hồ quang điện sẽ làm tăng nhiệt độ và đốt nóng hơi nước tới nhiệt
độ i-on hóa.
 Hình ảnh ứng dụng của máy hàn cắt plasma đa năng Multiplaz 3500
vào công nghiệp:
Hàn cơ khí ô tô
Hiện nay còn có những thiết bị ứng dụng công nghệ plasma hiện đại
khác như:
Máy cắt Plasma CNC dùng công nghệ điều khiển bằng máy vi tính (PC-base
CNC Control software) là công nghệ mới nhất có trên các máy cắt Plasma CNC
hiện đại. Đem đến sự tiện lợi và dể sử dụng.

Với những ứng dụng đáng kể của công nghệ plasma không những trong công
nghiệp, mà trong những hoạt động khác như sinh hoc như xử lý rác thải, điện tử:
tivi plasma, v.v… . Công nghệ plasma đang giúp ích rất nhiều trong đời sống hiện
nay.