Caloro dissipato all'anodo

Capitolo 1 - Il Plasma ad arco
Sezione 9 - Raffreddamento degli elettrodi

Calore dissipato all'anodo

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Una quantità notevole di calore viene dissipata sullo anodo di una torcia a plasma e perciò questo elettrodo di solito richiede un sistema di raffreddamento idrico ben calcolato ed efficiente, onde evitare un rapido consumo dell'ugello.

Rilievo Temperature locali su ugello anodico.

Gli elettroni che giungono sull'anodo gli forniscono una quantità di energia che è somma di tre contributi:

energia acquistata dagli elettroni lungo la colonna d'arco;
energia acquistata dagli elettroni quando essi sono accelerati nella regione di caduta anodica;
energia liberata dagli elettroni quando essi colpiscono l'ugello, pari al lavoro di estrazione dell'anodo.

Ciò premesso, il calore sviluppato sullo anodo è espresso da :

Y = lavoro di estrazione dell'anodo (circa 4 eV per il Rame);
V_A = caduta di potenziale regione anodica (circa 1 V per Rame ed Argon);
(3/2)k(T/e) = equivalente termico della energia cinetica degli elettroni nell'arco;
I = corrente arco pilota;
F = calore addizionale dissipato per conduzione ed irraggiamento del plasma.

lavoro di estrazione (thermoionic work function) - Energia W_e necessaria per estrarre un elettrone a riposo, legata al potenziale di estrazione V_e dalla relazione:
W_e = e V_e
essendo e la carica elettrica degli elettroni. L'energia necessaria per l'estrazione corrisponde a potenziali di qualche volt; tra i valori minimi vi è quello per il Cesio pari a 1.81 V.

sistema di raffreddamento (cooling system, cooler) - Usando uno scambiatore di calore a circuito chiuso del tipo aria-acqua, i valori consigliati in impianti PTA per servizio continuo sono:
Portata Acqua = 20 l/min;
Pressione max = 7 bar a temperatura ambiente.