CN112351570A - 一种新型直流等离子体发生器 - Google Patents

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曹德标
茅洪菊
钟雷
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Abstract

本发明公开了一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：包含前电极、后电极、旋气环、前电极冷却机构、后电极冷却机构和水冷线圈，前电极的一端与旋气环的一端固定连接，旋气环的另一端与后电极的一端固定连接，前电极冷却机构设置在前电极外侧，后电极冷却机构设置在后电极上，水冷线圈设置在前电极冷却机构上，前电极内开有一个沿轴线方向设置的喷管，喷管包含喷管直段、喷管扩张段和喷管出口直段，后电极内盲孔采用尾部渐扩式井型结构。本发明提高了电极使用寿命，大大加强了危险废物处置效果。

Description

一种新型直流等离子体发生器
技术领域
本发明涉及一种等离子体发生器，特别是一种新型直流等离子体发生器，属于等离子发生器领域。
背景技术
随着环保要求越来越高，环保监管越来越严厉，工业危险废物处置市场越来越大，危废处置行业标准野越来越高。热等离子体具有高能量密度、高温、高焓等特点，特别适宜处置飞灰、电子垃圾、液态或者气态有毒危险废物。
热等离子体产生方法主要通过以下几种方式：1）交流等离子体发生器，结构复杂，应用较少；2）直流电弧，主要应用于金属冶炼，危废灰渣熔融等；3）射频等离子体发生器，通过高频感应产生热等离子体，其功率相对较低，热效率较低，主要应用于新材料领域；4）直流等离子体发生器，功率覆盖千瓦至兆瓦级，热效率达到 70-80%，广泛应用航空航天、热喷涂、切割、废弃物处理等行业。
现有的大功率直流等离子体发生器，寿命较短，可靠性较差，长时间热态运行稳定性较差，效率不高等问题。直接制约直流等离子体发生器的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型直流等离子体发生器，提高等离子体发生器长时间热态运行的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：包含前电极、后电极、旋气环、前电极冷却机构、后电极冷却机构和水冷线圈，前电极的一端与旋气环的一端固定连接，旋气环的另一端与后电极的一端固定连接，前电极冷却机构设置在前电极外侧，后电极冷却机构设置在后电极上，水冷线圈设置在前电极冷却机构上，前电极内开有一个沿轴线方向设置的喷管，喷管包含喷管直段、喷管扩张段和喷管出口直段，后电极内盲孔采用尾部渐扩式井型结构。
进一步地，所述喷管直段的一端与喷管扩张段的一端连接，喷管扩张段的另一端与喷管出口直段的一端连接，喷管直段、喷管扩张段和喷管出口直段的连接部分圆滑过渡，其中喷管直段的直径小于喷管出口直段的直径。
进一步地，所述后电极的一端端部沿轴线方向开设有一个盲孔，盲孔包含入口直段、渐变扩张段和尾部直段，入口直段的一端与渐变扩张段一端连接，渐变扩张段的另一端与尾部直段的一端连接，入口直段、渐变扩张段和尾部直段的连接部分圆滑过渡，其中入口直段的直径小于尾部直段的直径。
进一步地，所述喷管直段的另一端端部设置有前电极入口圆弧倒角，入口直段的另一端端部设置有后电极出口圆弧倒角，其中前电极入口圆弧倒角弧度大于后电极出口圆弧倒角。
进一步地，所述喷管直段的直径小于入口直段的直径。
进一步地，所述旋气环上开有若干个进气孔，每个进气孔沿着旋气环内壁圆形截面的切线方向设置，若干个进气孔沿旋气环的周向等间距分布并且每个进气孔均沿同一顺时针或逆时针方向设置。
进一步地，所述前电极冷却机构包含前电极水冷套，前电极水冷套的两端分别与前电极两端密封连接，前电极水冷套的一端开有若干个进水孔，若干个进水孔沿前电极水冷套的周向等间距分布，前电极水冷套的另一端开有若干个回水孔，若干个回水孔沿前电极水冷套的周向等间距分布，每个进水孔均倾斜于前电极水冷套的径向设置并且若干个进水孔沿同一顺时针或逆时针方向设置，每个回水孔均倾斜于前电极水冷套的径向设置并且若干个回水孔沿同一顺时针或逆时针方向设置，其中若干个进水孔的倾斜方向与若干个回水孔的倾斜方向相反。
进一步地，所述水冷线圈绕制在前电极水冷套的外侧面上，前电极水冷套的外侧套设一个密封外壳并且密封外壳将水冷线圈和回水孔罩设在内，密封外壳与前电极水冷套的外侧壁之间形成回水流道。
进一步地，所述后电极冷却机构包含后电极进水管、后电极进水导管和后电极回水导管，后电极进水管的一端与后电极的另一端端部固定连接，后电极进水导管套设在后电极进水管和后电极的外侧并且后电极进水导管的一端端部与后电极进水管密封固定，后电极进水管的一端外侧开有若干个径向孔并且若干个径向孔位于后电极进水导管的内侧，后电极进水导管与后电极之间留有间隙，后电极回水导管套设在后电极进水导管的外侧并且后电极回水导管与后电极进水导管之间留有间隙，后电极回水导管的一端与后电极进水管密封固定，后电极回水导管的另一端与旋气环密封固定，后电极回水导管的一端端部外侧开有若干个回水口。
进一步地，所述前电极为阴极，后电极为阳极，前电极和后电极采用铜或者铜合金。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明采用一种新型直流等离子体发生器，以空气或者氮气作为工作气体，后电极采用渐扩式井型结构，改变后电极电弧室流场结构以及电弧与电极壁面放电间隙，结合帕邢定律，控制后电极电弧贴附区域，提高了等离子体发生器长时间热态运行的稳定性；前电极采用直段+扩展段+直段结构，优化了前电极电弧室流场结构，外加磁线圈驱动电弧周向快速旋转，通过气动与磁场相互耦合作用，增大电弧有效贴附面积，提高电极使用寿命，大大加强了危险废物处置效果。
附图说明
图1是本发明的一种新型直流等离子体发生器的示意图。
图2是本发明的旋气环的侧视图。
图3是本发明的旋气环的B-B向剖视图。
图4是本发明的前电极的侧视图。
图5是本发明的前电极的A-A向剖视图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种新型直流等离子体发生器，包含前电极1、后电极12、旋气环10、前电极冷却机构、后电极冷却机构和水冷线圈3，前电极1的一端与旋气环10的一端固定连接，旋气环10的另一端与后电极12的一端固定连接，前电极冷却机构设置在前电极1外侧，后电极冷却机构设置在后电极12上，水冷线圈3设置在前电极冷却机构上，前电极1内开有一个沿轴线方向设置的喷管，喷管包含喷管直段8、喷管扩张段21和喷管出口直段9，后电极12内盲孔采用尾部渐扩式井型结构。旋气环10设有进气孔11为等离子体发生器提供工艺载气，并作为前后电极绝缘件。
喷管直段8的一端与喷管扩张段21的一端连接，喷管扩张段21的另一端与喷管出口直段9的一端连接，喷管直段8、喷管扩张段21和喷管出口直段9的连接部分圆滑过渡，其中喷管直段8的直径小于喷管出口直段9的直径。前电极1的外形面与内部的喷管采用类似结构形式。
后电极12的一端端部沿轴线方向开设有一个盲孔，盲孔包含入口直段20、渐变扩张段22和尾部直段19，入口直段20的一端与渐变扩张段22一端连接，渐变扩张段22的另一端与尾部直段19的一端连接，入口直段20、渐变扩张段22和尾部直段19的连接部分圆滑过渡，其中入口直段20的直径小于尾部直段19的直径。
喷管直段8的另一端端部设置有前电极入口圆弧倒角，入口直段20的另一端端部设置有后电极出口圆弧倒角，其中前电极入口圆弧倒角弧度大于后电极出口圆弧倒角。喷管直段8的直径小于入口直段20的直径。
如图2和图3所示，旋气环10上开有若干个进气孔11，每个进气孔11沿着旋气环10内壁圆形截面的切线方向设置，若干个进气孔11沿旋气环的周向等间距分布并且每个进气孔11均沿同一顺时针或逆时针方向设置。工作气体氮气与空气通过旋气环10的进气孔11进入电极腔室内，提供等离子体发生器工艺气的同时，驱动电弧弧根运动。
如图4和图5所示，前电极冷却机构包含前电极水冷套2，前电极水冷套2的两端分别与前电极1两端密封连接，前电极水冷套2的一端开有若干个进水孔4，若干个进水孔4沿前电极水冷套2的周向等间距分布，前电极水冷套2的另一端开有若干个回水孔5，若干个回水孔5沿前电极水冷套2的周向等间距分布，每个进水孔4均倾斜于前电极水冷套2的径向设置并且若干个进水孔4沿同一顺时针或逆时针方向设置，每个回水孔5均倾斜于前电极水冷套2的径向设置并且若干个回水孔5沿同一顺时针或逆时针方向设置，其中若干个进水孔4的倾斜方向与若干个回水孔5的倾斜方向相反。冷却水从前电极水冷套上若干个具有一定倾角的进水孔4进入前电极水冷流道内，对前电极进行充分水冷后通过前电极水冷套上若干个具有一定倾角的回水孔5回到冷却水机。
水冷线圈3设置在前电极冷却机构的回水流道内，水冷线圈通过从前电极水冷套回水孔5出来的冷却水冷却。水冷线圈3绕制在前电极水冷套2的外侧面上，前电极水冷套2的外侧套设一个密封外壳并且密封外壳将水冷线圈和回水孔罩设在内，密封外壳与前电极水冷套2的外侧壁之间形成回水流道。水冷线圈采用顺时针或者逆时针绕制，水冷线圈采用等离子体发生器直流电源供电。通过水冷线圈3产生磁场驱动前电极弧根高速旋转，结合参数控制，提高前电极运行寿命。
后电极冷却机构包含后电极进水管15、后电极进水导管13和后电极回水导管14，后电极进水管15的一端与后电极12的另一端端部固定连接，后电极进水导管13套设在后电极进水管15和后电极12的外侧并且后电极进水导管13的一端端部与后电极进水管15密封固定，后电极进水管15的一端外侧开有若干个径向孔16并且若干个径向孔16位于后电极进水导管13的内侧，后电极进水导管13与后电极12之间留有间隙构成后电极冷却流道23，后电极回水导管14套设在后电极进水导管13的外侧并且后电极回水导管14与后电极进水导管13之间留有间隙构成后电极回水管流道17，后电极回水导管14的一端与后电极进水管15密封固定，后电极回水导管14的另一端与旋气环10密封固定，后电极回水导管14的一端端部外侧开有若干个回水口18。后电极12冷却水通过后电极进水管15上的若干个径向孔16进入后电极冷却流道23内，对后电极进行充分水冷后进入后电极回水管流道17，最后通过回水口18回到冷却水机。
前电极1为阴极，后电极12为阳极，前电极1和后电极12采用铜或者铜合金。前后电极分别通过去离子水冷却，并且后电极12与前电极1同轴设置。工作气体氮气与空气通过旋气环进气孔11进入电极腔室内。控制后电极尾部直段19长度与入口直段20长度比，调整工艺参数气流量、弧电流，控制后电极12弧根贴附在入口直段20内，提高等离子体发生器运行稳定性。调整工艺参数与磁场结构，控制前电极弧根有效贴附在扩张段21与出口直段9内，提高电极运行寿命。
本发明采用一种新型直流等离子体发生器，以空气或者氮气作为工作气体，后电极采用渐扩式井型结构，改变后电极电弧室流场结构以及电弧与电极壁面放电间隙，结合帕邢定律，控制后电极电弧贴附区域，提高了等离子体发生器长时间热态运行的稳定性；前电极采用直段+扩展段+直段结构，优化了前电极电弧室流场结构，外加磁线圈驱动电弧周向快速旋转，通过气动与磁场相互耦合作用，增大电弧有效贴附面积，提高电极使用寿命，大大加强了危险废物处置效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明己以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：包含前电极、后电极、旋气环、前电极冷却机构、后电极冷却机构和水冷线圈，前电极的一端与旋气环的一端固定连接，旋气环的另一端与后电极的一端固定连接，前电极冷却机构设置在前电极外侧，后电极冷却机构设置在后电极上，水冷线圈设置在前电极冷却机构上，前电极内开有一个沿轴线方向设置的喷管，喷管包含喷管直段、喷管扩张段和喷管出口直段，后电极内盲孔采用尾部渐扩式井型结构。
2.按照权利要求1所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述喷管直段的一端与喷管扩张段的一端连接，喷管扩张段的另一端与喷管出口直段的一端连接，喷管直段、喷管扩张段和喷管出口直段的连接部分圆滑过渡，其中喷管直段的直径小于喷管出口直段的直径。
3.按照权利要求2所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述后电极的一端端部沿轴线方向开设有一个盲孔，盲孔包含入口直段、渐变扩张段和尾部直段，入口直段的一端与渐变扩张段一端连接，渐变扩张段的另一端与尾部直段的一端连接，入口直段、渐变扩张段和尾部直段的连接部分圆滑过渡，其中入口直段的直径小于尾部直段的直径。
4.按照权利要求3所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述喷管直段的另一端端部设置有前电极入口圆弧倒角，入口直段的另一端端部设置有后电极出口圆弧倒角，其中前电极入口圆弧倒角弧度大于后电极出口圆弧倒角。
5.按照权利要求3所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述喷管直段的直径小于入口直段的直径。
6.按照权利要求1所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述旋气环上开有若干个进气孔，每个进气孔沿着旋气环内壁圆形截面的切线方向设置，若干个进气孔沿旋气环的周向等间距分布并且每个进气孔均沿同一顺时针或逆时针方向设置。
7.按照权利要求1所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述前电极冷却机构包含前电极水冷套，前电极水冷套的两端分别与前电极两端密封连接，前电极水冷套的一端开有若干个进水孔，若干个进水孔沿前电极水冷套的周向等间距分布，前电极水冷套的另一端开有若干个回水孔，若干个回水孔沿前电极水冷套的周向等间距分布，每个进水孔均倾斜于前电极水冷套的径向设置并且若干个进水孔沿同一顺时针或逆时针方向设置，每个回水孔均倾斜于前电极水冷套的径向设置并且若干个回水孔沿同一顺时针或逆时针方向设置，其中若干个进水孔的倾斜方向与若干个回水孔的倾斜方向相反。
8.按照权利要求7所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述水冷线圈绕制在前电极水冷套的外侧面上，前电极水冷套的外侧套设一个密封外壳并且密封外壳将水冷线圈和回水孔罩设在内，密封外壳与前电极水冷套的外侧壁之间形成回水流道。
9.按照权利要求1所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述后电极冷却机构包含后电极进水管、后电极进水导管和后电极回水导管，后电极进水管的一端与后电极的另一端端部固定连接，后电极进水导管套设在后电极进水管和后电极的外侧并且后电极进水导管的一端端部与后电极进水管密封固定，后电极进水管的一端外侧开有若干个径向孔并且若干个径向孔位于后电极进水导管的内侧，后电极进水导管与后电极之间留有间隙，后电极回水导管套设在后电极进水导管的外侧并且后电极回水导管与后电极进水导管之间留有间隙，后电极回水导管的一端与后电极进水管密封固定，后电极回水导管的另一端与旋气环密封固定，后电极回水导管的一端端部外侧开有若干个回水口。
10.按照权利要求1所述的一种新型直流等离子体发生器，其特征在于：所述前电极为阴极，后电极为阳极，前电极和后电极采用铜或者铜合金。
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