Modelación de una antorcha de plasma de arco no transferido

Resumen

Las antorchas de plasma se usan para producir el plasma en la manufactura de materiales e industria energética, donde las antorchas de arco de corriente directa representan los componentes principales de los procesos con plasma térmico (plasma spraying, soldadura, corte de metales, tratamiento de residuos, producción de biogás, etc.). En una antorcha de plasma de arco no trasferido, se desarrolla un arco eléctrico aplicando una corriente directa entre el cátodo y el ánodo de la antorcha. Sucesivamente, el plasma se produce calentando, ionizando y expandiendo un gas alimentado a la antorcha antes de la región del cátodo. Los trabajos de laboratorio que usan técnicas de observación y de medición son de difícil aplicación, debido a las características físicas de estos fenómenos físicos. Así las técnicas computacionales pueden representar una herramienta valiosa para investigar los procesos con plasma, aunque el trabajo computacional es extremadamente desafiante, pues estos fenómenos son interdependientes y simultáneos. En este trabajo se propone un modelo computacional para simular una antorcha de plasma bidimensional de arco no trasferido en equilibrio termodinámico local. Se modelan condiciones de estado estacionario para las ecuaciones de conservación de mecánica de fluidos, trasferencia de calor y electromagnetismo en el software Comsol Multiphysics® 5.1. En la trasferencia de calor por radiación, el plasma se asume ópticamente fino y con un coeficiente de emisión neta. El flujo laminar de gas se modela con vórtice libre en la entrada para dos tipologías de antorchas axis-simétricas, respectivamente con argón y nitrógeno como gases de trabajo.