CN109640503A - 一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬 - Google Patents

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Abstract

一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，包括：气体分配器、一体化电极、电磁线圈、等离子体炬壳体。一体化电极、电磁线圈、等离子体炬壳体由内到外依次套装；气体分配器设置在等离子体炬壳体的头部，外部电离介质气体通过气体分配器后切向喷入一体化电极的内腔并在内腔内形成螺旋气流；一体化电极的阳极与阴极由绝缘体隔开，阳极和阴极之间产生电弧，电弧击穿螺旋气流形成电弧等离子体射流；外部电源的正极连接电磁线圈的绕线头端；电磁线圈的绕线尾端连接阳极，阴极连接外部电源的负极并接地处理。本发明解决了直流电弧等离子体炬在实现宽范围功率调节时磁场与等离子体参数不匹配从而导致的，热转换效率低、电极寿命短的问题。

Description

一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬
技术领域
本发明涉及一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，特别是一种具有高温、高焓、能量高度集中、能量转换效率高和工作寿命长特点的等离子体炬。
背景技术
目前影响大功率等离子体炬工程应用、工作寿命和使用维护成本的主要因素功率调节范围窄、现场适应性差、控制调节复杂和电极烧蚀，而制约功率调节范围、电极寿命和工作可靠性的核心问题是等离子体炬的磁场设计、功率与磁场匹配、结构设计，以及系统参数调节。现有等离子体炬没有磁场约束、或者功率与磁场单独设计和独立调节，导致系统结构复杂，功率与磁场调节复杂，参数匹配性无法保证，使得功率调节范围窄(一般最小功率与最大功率比为1:2)，电极寿命短(以空气为工作介质为例，一般仅有100小时)和能量转换效率低(一般为60％)，使用维护成本高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，解决了目前直流电弧等离子体炬在实现宽范围功率调节时磁场与等离子体参数不匹配从而导致的，热转换效率低、电极寿命短的问题。
本发明的技术方案是：
一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，包括：气体分配器、一体化电极、电磁线圈、等离子体炬壳体；
所述一体化电极、电磁线圈、等离子体炬壳体由内到外依次套装；
所述气体分配器设置在等离子体炬壳体的头部，外部电离介质气体通过所述气体分配器后切向喷入一体化电极的内腔并在所述内腔内形成螺旋气流，所述螺旋气流的轨迹为柱面螺旋线；
所述一体化电极为空心圆柱体，所述空心圆柱体的一端作为一体化电极的阳极，所述空心圆柱体的另一端作为一体化电极的阴极，所述阳极与阴极之间隔离处理，所述阳极和阴极之间产生电弧，所述电弧击穿所述螺旋气流形成电弧等离子体射流；
所述外部电源的正极连接所述电磁线圈的绕线头端；所述电磁线圈的绕线尾端连接所述阳极，所述阴极连接外部电源的负极并接地处理。
所述外部电离介质气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体，所述外部电离介质气体的气压范围为0.2MPa～0.7MPa。
所述螺旋气流与电磁线圈所产生的磁场方向满足右手定则。
所述作为一体化电极阳极的圆柱体和作为一体化电极阴极的圆柱体之间通过绝缘体相连。
所述作为一体化电极阳极的圆柱体内径小于所述作为一体化电极阴极圆柱体内径。
所述作为一体化电极阳极的圆柱体的材料为银铜合金。
所述电磁线圈用于产生保护磁场；所述保护磁场包括：轴向磁场和径向磁场；
所述轴向磁场用于稳定电弧的弧柱，所述径向磁场用于驱动电弧的弧根旋转。
所述电弧位于所述阳极处的弧根的旋转频率大于200Hz，所述电弧位于所述阴极处的弧根的旋转频率大于400Hz。
所述气体分配器为切向旋流分配器。所述等离子体炬壳体的材料为不锈钢。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采取合理设计的电磁线圈作为电磁透镜，在等离子体炬电极内部产生了特定位型的磁场，一方面使直流电弧弧柱产生高速旋转，减少电极同一位置的烧蚀；另一方面可有有效约束所产生的高温高速等离子体射流，减少与电极接触。这样可以有效提高电极寿命和等离子体炬能量转换效率。能量转换效率提高15％，电极工作寿命提高400％。
2)本发明产生磁场的电磁线圈和用于放电的一体化电极采取串连供电，减小了结构尺寸同时，实现了等离子体炬功率与磁场的同步调节。形成宽范围功率调节时磁场与等离子体参数始终匹配，等离子体炬稳定高效工作的功率调节范围扩大至最小功率与最大功率比1:50。
3)本发明可另行搭配电离工质气体和冷却水压力的自动调节设备，通过数据库调取的方式自动根据所选等离子体炬功率提供相对应的电离工质气体和冷却水压力。从而实现一键式宽范围功率调节等离子体炬，极大满足了宽范围不停机功率调节的工程实际需求。
附图说明
图1为本发明一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬示意图。
具体实施方式
本发明采用电磁线圈5与一体化电极串联供电的形式，利用电磁场设计、磁等离子体发动机约束和等离子体输运技术，采取电磁线圈5与电极串连供电，实现等离子体炬的弧流与磁场匹配调节，实现等离子体炬的宽功率范围、高能量转换和长寿命工作。大幅简化了结构设计，工作寿命和可靠性显著提升。
外部电源的正极与电磁线圈5的绕线头端相连，电磁线圈5的绕线尾端与阳极相连，阴极与等离子体炬壳体12相连，等离子体炬壳体12与外部电源的负极相连并可靠接地。当阳极与阴极之间形成电弧10时，整个串联结构形成回路。因此，当需要改变等离子体炬功率时，调节外部电源的供电电流，并通入压力匹配的电离工质，使一体化电极电离加热电离工质气体所产生的功率相应变化。与此同时，电磁线圈5的电流同步改变，所产生的磁场相应变化。通过合理设计电磁线圈5的匝数与层数，使得在宽范围功率调节时，电磁线圈5所产生的磁场与该功率等离子体射流所需的约束磁场始终匹配，所以在极宽范围功率调节时，直流电弧等离子体炬都能够保证极高的转换效率和极长的电极寿命。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，包括：气体分配器2、一体化电极、电磁线圈5、等离子体炬壳体12；
所述一体化电极、电磁线圈5、等离子体炬壳体12由内到外依次套装；所述气体分配器2设置在等离子体炬壳体12的头部，外部电离介质气体通过电离介质进口1进入所述气体分配器2，通过气体分配器2后产生切向喷入一体化电极的内腔的螺旋气流9，形成高速螺旋气流9，所述螺旋气流9的轨迹为柱面螺旋线；
一体化电极为同轴管式电极，包括阳极6、绝缘体7和阴极8，所述一体化电极为空心圆柱体，所述空心圆柱体的一端作为一体化电极的阳极6，所述空心圆柱体的另一端作为一体化电极的阴极8，所述阳极6与阴极8之间由绝缘体7隔开，阳极6和阴极8之间产生电弧10，所述电弧10击穿所述螺旋气流9形成电弧等离子体射流11；所述作为一体化电极阳极6的圆柱体和作为一体化电极阴极8的圆柱体之间通过绝缘体7相连。作为一体化电极阳极6的圆柱体内径小于所述作为一体化电极阴极8圆柱体内径，所述作为一体化电极阳极6的圆柱体的材料为银铜合金。
电磁线圈5由纯铜线绕制而成，外部电源的正极通过正极电缆3连接所述电磁线圈5的绕线头端；所述电磁线圈5的绕线尾端通过电极供电电缆4连接一体化电极的阳极6，一体化电极的阴极8通过负极电缆13连接外部电源的负极并接地处理。在电流调节过程中所述的匹配调节为电磁线圈5和一体化电极采取串连供电，实现功率与磁场同步调节。电磁线圈5用于产生保护磁场；所述保护磁场包括：轴向磁场和径向磁场；所述轴向磁场用于稳定电弧10的弧柱，所述径向磁场用于驱动电弧10的弧根旋转。所述电弧10位于所述阳极6处的弧根的旋转频率大于200Hz，所述电弧10位于所述阴极8处的弧根的旋转频率大于400Hz。在阳极6和阴极8之间产生电弧10，所述电弧10击穿电离介质气体形成电弧等离子体射流11。位于轴线上的电弧10的弧柱通过高速螺旋气流9形成的气膜实现与阳极6和阴极8之间壁面隔离，增强对流换热系数，同时高速螺旋气流9还起到稳定电弧10的作用；高温电弧10加热电离工质形成高温、高速电弧等离子体射流11喷出；放电形成的电弧10将阳极6和阴极8导通，阴极8与等离子体壳体12连接，负极电缆13与等离子体炬壳体12连接，形成回路；同时负极电缆13接地，确保系统安全。
其中，电离介质气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体，所述电离介质气体的气压范围为0.2MPa～0.7MPa。
所述螺旋气流9与电磁线圈5所产生的磁场方向满足右手定则。
所述气体分配器2为切向旋流分配器。所述等离子体炬壳体12的材料为不锈钢。所述的大功率等离子体炬是指外部电源的输入功率取值范围为20～1000kW，电流取值范围为50～1200A)。
使用本发明的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬的方法，包括步骤如下：
(1)等离子体炬电离工质(空气等)由电离介质进口1进入等离子体炬；
(2)等离子体炬电离工质(空气等)经气体分配器2切向喷入等离子体炬电极内部，形成高速螺旋气流9；
(3)外部电源的功率输入由正极电缆3给电磁线圈5供电，形成特定大小和分布的磁场；
(4)电磁线圈5通过电极供电电缆4连接到一体化电极的阳极6上，为阳极6供电；
(5)在等离子体炬一体化电极的阳极6和阴极8之间的高压击穿电离工质(空气)形成电弧10；
(6)放电形成的电弧10的弧柱在高速螺旋气流9和电磁线圈5产生的轴向磁场共同作用下稳定等离子体炬中心轴线上；
(7)位于轴线上的高温电弧10的弧柱通过高速螺旋气流9形成的气膜实现与阳极6和阴极8之间壁面隔离，减小高温弧柱对壁面的传热，并增强对流换热系数，增强冷却效果；
(8)高速螺旋气流9在中心轴线形成低压区，起到稳定电弧的作用；
(9)等离子体电弧进一步加热工质形成高温、高速电弧等离子体射流11喷出；
(10)放电形成的电弧10将一体化电极的阳极6和阴极8导通；
(11)阴极8与等离子体炬壳体12连接导通；
(12)供电电源负极电缆13与等离子体炬壳体12连接，形成回路；
(13)供电负极电缆13接地处理，确保系统安全；
(14)电磁线圈5和一体化电极串连供电，在放电电流范围在50～1200A调节过程中实现功率与磁场同步调节；
(15)通过集成控制单元同步调节气体电离工质(0.2～0.7MPa)和冷却水供应压力(0.2～0.8MPa)，实现宽范围内参数匹配和可靠工作。
(16)弧流与磁场匹配调节方法极大地简化结构设计，能量转换效率提高15％，工作寿命提高300％；
(17)大功率等离子体炬的功率使用范围为20～1000kW(电流50～1200A)。
实施例
一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其中，作为一体化电极阳极6的圆柱体的外径为70mm，内径为40mm，长度为80mm，材料为银铜合金；作为一体化电极阴极8的圆柱体的外径为70mm，内径为30mm，长度为200mm，材料为纯铜；绝缘体7的外径为70mm，内径为50mm，长度为40mm，材料为氧化铝陶瓷。
电磁线圈5的外径为200mm，内径均为80mm，轴线长度为320mm，由纯铜线绕制而成。
a.当气体电离工质为空气，供气压力为0.2MPa，外部电源的供电电流为50A，外部电源的供电电压为400V，功率为20kW时；本发明等离子体炬的寿命为500小时，能量转换效率为80％；
b.当气体电离工质为空气，供气压力为0.5MPa，外部电源的供电电流为400A，外部电源的供电电压为750V，功率为300kW时；本发明等离子体炬的寿命为450小时，能量转换效率为78％。
c.当气体电离工质为空气，供气压力为0.7MPa，外部电源的供电电流为1200A，外部电源的供电电压为833V，功率为1000kW时；本发明等离子体炬的寿命为400小时，能量转换效率为75％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，包括：气体分配器(2)、一体化电极、电磁线圈(5)、等离子体炬壳体(12)；
所述一体化电极、电磁线圈(5)、等离子体炬壳体(12)由内到外依次套装；
所述气体分配器(2)设置在等离子体炬壳体(12)的头部，外部电离介质气体通过所述气体分配器(2)后切向喷入一体化电极的内腔并在所述内腔内形成螺旋气流(9)，所述螺旋气流(9)的轨迹为柱面螺旋线；
所述一体化电极为空心圆柱体，所述空心圆柱体的一端作为一体化电极的阳极(6)，所述空心圆柱体的另一端作为一体化电极的阴极(8)，所述阳极(6)与阴极(8)之间隔离处理，所述阳极(6)和阴极(8)之间产生电弧(10)，所述电弧(10)击穿所述螺旋气流(9)形成电弧等离子体射流(11)；
所述外部电源的正极连接所述电磁线圈(5)的绕线头端；所述电磁线圈(5)的绕线尾端连接所述阳极(6)，所述阴极(8)连接外部电源的负极并接地处理。
2.根据权利要求1所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述外部电离介质气体为空气、氮气或氢气中的一种或任意一种惰性气体，所述外部电离介质气体的气压范围为0.2MPa～0.7MPa。
3.根据权利要求1所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述螺旋气流(9)与电磁线圈(5)所产生的磁场方向满足右手定则。
4.根据权利要求1～3之一所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述作为一体化电极阳极(6)的圆柱体和作为一体化电极阴极(8)的圆柱体之间通过绝缘体(7)相连。
5.根据权利要求4所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述作为一体化电极阳极(6)的圆柱体内径小于所述作为一体化电极阴极(8)圆柱体内径。
6.根据权利要求5所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述作为一体化电极阳极(6)的圆柱体的材料为银铜合金。
7.根据权利要求6所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述电磁线圈(5)用于产生保护磁场；所述保护磁场包括：轴向磁场和径向磁场；
所述轴向磁场用于稳定电弧(10)的弧柱，所述径向磁场用于驱动电弧(10)的弧根旋转。
8.根据权利要求7所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述电弧(10)位于所述阳极(6)处的弧根的旋转频率大于200Hz，所述电弧(10)位于所述阴极(8)处的弧根的旋转频率大于400Hz。
9.根据权利要求8所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述气体分配器(2)为切向旋流分配器。
10.根据权利要求9所述的一种高效长寿命宽功率范围的直流电弧等离子体炬，其特征在于，所述等离子体炬壳体(12)的材料为不锈钢。
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