CN102728292B - 一种变频等离子射流中颗粒完全气化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频等离子射流中颗粒完全气化的方法，该方法通过对悬浮溶液变频等离子射流进行理论分析，数值模拟，所用数值模型经实验验证后，用于分析运载气体速度，功率，悬浮液滴入射位置和角度，液滴初始粒径和速度等工况条件对悬浮液滴中固体颗粒粒径，温度和速度的影响，得出对于典型的变频等离子射流中乙醇-氧化锆悬浮液滴，当乙醇溶液液滴直径小于或等于50μm时，乙醇液滴中的氧化锆固体颗粒粒径小于或等于1μm则可完全气化。本发明通过对乙醇-氧化锆悬浮溶液变频等离子射流过程进行大量数值计算，界定了乙醇-氧化锆悬浮液滴在变频等离子射流中可完全气化的临界尺寸，可为变频等离子射流的实际应用提供预测标准。
Description
技术领域
本发明属于等离子射流领域，特别涉及一种变频等离子射流中颗粒完全气化的方法。
背景技术
采用悬浮溶液作为前驱物的等离子射流是近十年新兴的一种加工特殊材料的优选方法，由于该项技术拥有产生等离子体稳定，热射流过程清洁，颗粒在热流场中滞留时间较长，颗粒入射位置可调节，采用悬浮液可携带固体颗粒尺寸小至纳米量级等优势，因而该项技术在纳米喷涂，化学蒸汽合成，微小颗粒球化等领域已得到越来越多的应用和关注。悬浮溶液等离子喷涂的基本过程分为三个阶段，首先将纳米量级的固体粉末（通常是金属，陶瓷或生物材料）均匀悬浮于液体中，纳米颗粒的固体粉末有可能聚合为微米量级的聚合物，该悬浮液经雾化装置破碎为液滴；其次雾化后的液滴在等离子流场中被加速加热，包裹在固体颗粒外的液体首先受热蒸发，固体颗粒及其聚合物从而被释放到热流场中；最后固体颗粒及其聚合物在等离子流场中受热融化进而气化。传统的直接以固体粉末注入的方式无法实现微纳固体颗粒的输送，而悬浮溶液由于可携带纳米量级的固体粉末因而更适用于纳米物质的合成和喷涂。对于不同的应用背景，经等离子流场加热加速后的颗粒最终状态的要求是不同的，比如在化学蒸汽合成，污染物处理等领域需要颗粒完全气化，但在纳米喷涂，颗粒球化等领域理想的状态是颗粒融化但未全部气化。因而颗粒完全气化的尺寸界定有着重要的现实意义和应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种变频等离子射流中颗粒完全气化的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种变频等离子射流中颗粒完全气化的方法，变频感应等离子射流所用喷炬为常见典型喷炬，喷炬腔体的轴向长度20cm，径向尺寸3cm-5cm，其额定功率30KW-50KW，变频频率为3MHz-5MHz，颗粒入射张角0-15°，运载气体的入射速度为标准大气压下 3升/分钟-8升/分钟，液滴入射的轴向距离为4cm-6cm， 液滴入射的初始速度在15m/s-35m/s, 工作时等离子核心区域温度可达到8000K-10000K，属于正常的工作范围；等离子气体为氩气，工作介质为常用的乙醇-氧化锆悬浮溶液，该悬浮溶液中氧化锆所占质量百分比例在15%以下；在上述工作范围内，乙醇-氧化锆悬浮液滴可完全气化的临界颗粒尺寸为乙醇溶液液滴直径小于等于50 ，乙醇液滴中的氧化锆固体颗粒粒径小于等于1
。
本发明的有益效果是：本发明通过对悬浮液滴在等离子流场中的相变过程进行理论分析及大量的数值模拟计算，并辅以实验验证，界定了变频等离子射流中颗粒完全气化的尺寸，提供了通过控制工况条件和初始条件来得到理想颗粒状态的有效途径，可为悬浮溶液等离子喷涂的实际应用提供调节方法和判断依据。
附图说明
图1是变频感应等离子喷炬示意图；
图2是悬浮液滴在等离子流场中经历的过程示意图；
图3是变频感应等离子喷炬内部温度场等值线图和流线图；
图4是不同工况下氧化锆颗粒粒径随轴向距离的变化趋势图。
具体实施方式
如图1，是典型的变频感应等离子喷炬，它有三个气体入射口，喷口1是携带悬浮溶液的运载气体入口， 喷口2是中心气流入口，是等离子体的主要气体来源，喷口3是保护气体入口，保护气体使高温等离子气体不接触喷炬壁面，避免石英壁面高温受损。x是轴向距离，喷腔轴向距离约为20cm，r是径向距离，喷腔径向距离为3-5cm。线圈4环绕喷炬内腔旋绕三圈，线圈靠近气体入射口，其内输入高频率的交流电。根据麦克斯韦电磁感应原理，线圈内的交变电流将产生交变磁场，从而使喷腔内部气体电离为等离子体。等离子体核心区域5是温度最高的区域，正常工作时该区域的温度可高达8000K-10000K。图2是乙醇-氧化锆悬浮液滴在等离子流场中经历的过程，步骤1：悬浮液滴经雾化后平均粒径值可达到50
以下；步骤2：悬浮液滴经运载气体携带由喷口1入射后乙醇溶液受热蒸发；步骤3：悬浮在液滴中的氧化锆固体颗粒及其聚合物在乙醇溶液蒸发后释放到流场中；步骤4：纳米量级的氧化锆固体颗粒，受热融化进而完全气化（步骤6）；步骤5：微米量级的氧化锆固体颗粒，受热融化且部分气化（步骤7）。
悬浮溶液等离子射流是一个多种参数共同作用的复杂过程，且等离子喷炬为半封闭腔体，其内部温度变化极其剧烈，颗粒在等离子流场中的受力及受热情况复杂多变，因此实验测量颗粒状态的具体信息难度极高。因而本发明所提出的方法其推导依据是基于数值模拟和实验验证。
数值模型包括等离子体流场模型和颗粒模型。颗粒在等离子流场中飞行时其质量，动量和能量将受流场速度和温度的极大影响。变频感应等离子射流其能量来源于电磁感应加热系统，等离子流场模型首先基于麦克斯韦电磁感应方程计算了交变电流产生的感应电磁场，其次将电磁场的洛伦茨力及热量以源项方式加入流场的控制方程，从而推导出热流场的动能和能量输运方程，既而采用Simple求解方法，得到等离子流场的速度场和温度场，为颗粒的计算提供了环境参数。图3是变频感应等离子喷炬正常工作时内部温度场和流线图,由图可知在线圈附近的等离子体核心区域可达到10000K的高温。在颗粒模型中分为两个阶段，第一阶段是悬浮液滴的受力加速和受热蒸发，第二阶段是固态颗粒的受力加速和受热融化蒸发。模型中对颗粒采用拉格朗日颗粒追踪法，分析每个计算粒子在每个计算步骤内的速度，温度，质量，蒸发率，熔化率等详细状态信息。模型经公开发表的实验数据验证后用于分析各种工况条件和初始条件对颗粒状态变化的影响。经过大量计算分析，最终得出颗粒完全气化的临界尺寸，以及功率，运载气体速度，入射位置及张角，初始液滴大小和速度等工况条件和初始条件对最终颗粒状态的影响程度。
本发明变频等离子射流中颗粒完全气化的方法，具体为：确认变频感应等离子射流所用喷炬为常见典型喷炬，喷炬腔体的轴向长度20cm，径向尺寸3cm-5cm，其额定功率30KW-50KW，变频频率为3MHz-5MHz，工作时等离子核心区域温度可达到8000K-10000K，属于正常的工作范围；等离子气体为氩气，工作介质为常用的乙醇-氧化锆悬浮溶液，该溶液中氧化锆固体颗粒的尺寸30-200nm，其聚合物尺寸小于1
；乙醇溶液经雾化其液滴尺寸小于50
；该悬浮溶液氧化锆所占质量百分比例15%以下。
该悬浮液滴入射后，氧化锆固体颗粒可在喷腔内完全气化。增大功率，减小运载气体速度，扩大液滴入射张角将明显有利于包裹在乙醇液滴中的氧化锆固体颗粒完全气化；但改变液滴入射的轴向距离，改变入射液滴的初始直径和初始入射速度，改变幅度在20%以内时对最终颗粒的状态影响较小。
以下结合两个例子来说明本发明的有效性。实施例1取了本发明中所界定的颗粒尺寸临界值，实施例2给出了不同工况条件对颗粒最终状态的影响。
实施例1：当喷炬功率为30KW，变频频率为3MHz，入射口1.2.3的氩气气体流速分别是标准大气压下6、7、30升/分钟，入射的初始位置在轴向距离x=5cm，入射的角度为0°，液滴的初始温度为300K，乙醇-氧化锆悬浮溶液中，氧化锆所占质量百分比例15%，液滴的初始的粒径为50μm，初始速度为25m/s， 氧化锆颗粒的粒径为1μm，经计算可得在轴向距离x=19.7cm时，氧化锆颗粒完全气化。如图4所示为氧化锆颗粒粒径随轴向距离的变化趋势图。
实施例2：如图4所示，当喷炬功率为增大为40KW，在轴向距离x=12.2cm时，氧化锆颗粒完全气化；当入射角度为5°时，在x=13.6cm左右时，氧化锆颗粒完全气化；当入射口1、2、3的气体流速减小为标准大气压下4、5.6、24升/分钟，在x=14.8cm，氧化锆颗粒完全气化.当液滴初始粒径为30μm，或液滴初始速度为35m/s，或入射位置为x=4cm时，氧化锆颗粒完全气化的轴向距离与例1中相近。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种变频等离子射流中颗粒完全气化的方法，其特征在于，变频感应等离子射流所用喷炬的腔体的轴向长度为20cm，径向尺寸为3cm-5cm，其额定功率为30KW-50KW，变频频率为3MHz-5MHz，颗粒入射角度为0-15°，运载气体入射速度为标准大气压下3升/分钟-8升/分钟，液滴入射的轴向距离为4cm-6cm，液滴入射的初始速度在15m/s-35m/s, 工作时等离子核心区域温度可达到8000K-10000K；等离子气体为氩气，工作介质为乙醇-氧化锆悬浮溶液，该悬浮溶液中氧化锆所占质量百分比例在15%以下；在上述工作范围内，乙醇-氧化锆悬浮液滴可完全气化的临界颗粒尺寸为：乙醇溶液液滴直径小于等于50 
，乙醇液滴中的氧化锆固体颗粒粒径小于等于1
。
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