Нагрев газа в плазмотроне происходит в результате его взаи­модействия с дугой, поэтому эффективность нагрева существенно зависит от того, каким образом организовано это взаимодействие, т. е. рабочий процесс.

Оптимальный рабочий процесс должен удовлетворять двум требо­ваниям. Во-первых, очевидно, что для получения максимальной сред­немассовой температуры большая часть нагреваемого газа должна взаимодействовать с дуговым разрядом. Во-вторых, необходимо обес­печить такие тепловые режимы всех узлов плазмотрона, при которых ресурс его работы был бы достаточно велик. Для плазмотронов боль­шой мощности это требование сводится, в первую очередь, к обес­печению стойкости электродов.

Рассмотрим процесс нагрева газа дугой. Здесь могут встретиться два случая. В первом случае весь нагреваемый газ проходит через дугу. Например, если представить себе дугу, горящую в узком ци­линдрическом канале и занимающую практически все его поперечное сечение, то каждая порция газа на время ее прохождения по каналу становится частью столба дуги и на выходе из канала имеет среднюю температуру, равную средней температуре дуги. Таким образом, в этом случае реализуется максимально возможный нагрев газа. Плаз­мотроны, в основу которых положен такой рабочий процесс, получили условное название высокотемпературных.

Значительно чаще в плазмотронах реализуется другой рабочий процесс, при котором дуга как бы обтекается потоком газа (вдоль или поперек). При этом нагрев газа осуществляется за счет тепло­обмена (который обычно имеет турбулентный характер) периферийной относительно низкотемпературной зоны дуги с обтекающим газом. Уси­ленный теплоотвод от дуги приводит к сокращению поперечного раз­мера ее проводящей зоны, при этом увеличиваются плотность тока и джоулева диссипация (величину тока дуги считаем постоянной) и растет температура дуги. Описанный процесс является отражением общего принципа, согласно которому для повышения температуры дуги необходимо увеличивать интенсивность охлаждения ее периферийной зоны или ограничить поперечный размер дуги стенкой канала. Следует обратить внимание на то, что повышение температуры дуги не ведет автоматически к росту среднемассовой температуры нагреваемого газа. Поэтому рабочий процесс в плазмотроне должен быть органи­зован таким образом, чтобы расход охлаждающего дугу газа был ми­нимально возможным.

Тот факт, что с ростом плотности тока / температура дуги воз­растает, можно проиллюстрировать следующим рассуждением.

Джоулева диссипация в единице объема газа равна q = ; /а, где а - удельная электропроводность газа, являющаяся монотонной воз­растающей функцией температуры. Пусть при прочих равных усло­виях плотность тока возросла, например, за счет увеличения силы тока /. Очевидно, что температура газа в дуге Т не может

при этом уменьшиться. Предположим, что значения Т и, следо­

вательно, а в первый момент остались неизменными. Тогда перво­начальный рост q будет пропорционален Д что приведет к рос­ту температуры газа. Рост Т прекратится тогда, когда джоулева диссипация газа q будет скомпенсирована отводом энергии за счет конвекции и излучения (теплопроводностью обычно можно прене­

бречь). Таким образом, чем интенсивнее отводится энергия от дуги, тем при более высокой температуре будет достигнуто равновесное

состояние.

По типу рабочего процесса все многочисленные схемы плазмо­тронов можно объединить в 3 класса: 1) плазмотроны с вих­ревой стабилизацией дуги; 2) плазмотроны с магнитной стабили­зацией дуги и 3) плазмотроны со стабилизацией дуги стенками канала.

Поясним смысл термина "стабилизация дуги". Киносъемка дуги, горящей между торцевыми электродами в большом объеме без протока газа, показала, что в результате возникновения свободной конвекции форма дуги непрерывно меняется, а места привязки дуги к электродам хаотически перемещаются по их поверхностям. В плазмотронах рабочий процесс организуют таким образом, чтобы положение дуги было ста­бильным в пространстве или чтобы движение дуги происходило упо­рядоченно. В этом смысле говорят о стабилизации дуги.