CN113905499B - 一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动‑磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，包括内电极、输出电极、极间进气孔、尾端进气孔、尾端气路、供气调压阀和励磁线圈；内电极与输出电极前后同轴布置，输出电极和内电极之间布置周向均匀分布的切向极间进气孔；尾端气路包括n条通道，每条通道上有不同喉道面积的声速喷嘴，同一时刻有且只有一条通道处于打开状态；励磁线圈同轴缠绕在内电极的外部。通过极间进气孔和尾端进气孔进气量比例的调节，使弧根在加热器内电极壁面上的烧蚀沟环由1条扩展为n条；通过励磁电流在一定范围内按照设计频率变化，实现弧根以某一烧蚀沟环所在横截面为中心在一定宽度范围内进行扫描，增加了弧根的扫略面积，提高了电极的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于低温热等离子体技术领域，特别涉及一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，该加热器及使用方法实现了内电极的长使用寿命。
背景技术
电弧等离子体具有温度高、活性高、工作状态稳定、环境气氛可控等优点，在航空航天、机械加工、冶金、电力、材料和环保等多个领域都具有很高的应用价值，尤其是近年全球爆发的新冠疫情产生了更大量的医疗废弃物，等离子体对以医疗废弃物为代表的危险固体废弃物进行无害化、减量化处理，更使得这一技术成为重点研究和关注的对象。
电弧等离子加热器是工业中用来产生稳定的热等离子体的主要装备，在电弧等离子加热器的内电极和输出电极间产生电弧，电极间隙内的气体被击穿，之后在电磁与气动等作用下在加热器内形成自持的具有一定长度的电弧，进入加热器内的工作气体在电热转化作用下受热并部分产生电离，形成等离子体。电弧等离子加热器有多种形式，从电弧长度方面区分，可分为自稳弧长型、台阶形电极固定弧长型(弧长小于自稳弧长)和电极间插入段型(弧长大于自稳弧长)电弧等离子加热器，其中自稳弧长型等离子加热器在工业应用中最为广泛。自稳弧长型电弧等离子加热器又包括平端内电极、杯状内电极、管状内电极以及同轴式等多种形式的加热器，其中管状内电极电弧等离子加热器由于其结构相对简单、运行稳定可靠等优点，尤其受到人们的青睐。管状内电极电弧等离子加热器采用水冷的内电极和输出电极，但由于弧根在电极上的落点(弧斑)处热流密度高，电极仍不可避免的会产生熔融、蒸发和氧化等，造成电极材料的损失。电极的烧蚀速率决定了电极的使用寿命，目前国内研发的先进的百千瓦级电弧等离子体加热器电极工作寿命仅为300-400h左右，国外先进的等离子发生器电极使用寿命在也仅能达到800-1000h左右，且成本较高。与此同时，随着加热器输出功率的提高，电极的使用寿命降低，电极使用寿命受限这一难题很大程度上制约了该技术的发展、工业化应用和推广。
如何延长电极，尤其是内电极(通常情况下，内电极烧蚀速率大于输出电极的烧蚀速率)的工作寿命，对于管状电弧等离子加热器向更大功率方向的发展和更大规模的应用具有重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，增加内电极的烧蚀面积，降低烧蚀速率，提高内电极的使用寿命，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种管状电弧等离子加热器，包括内电极、输出电极、极间进气孔、尾端进气孔、尾端气路和供气调压阀；所述内电极为带有尾端进气孔的深杯状结构，所述输出电极为圆管状薄壁结构，输出电极和内电极前后同轴布置；所述极间进气孔布置在输出电极和内电极之间，尾端进气孔布置在内电极的尾部；供气调压阀布置在主供气管道上，工作气体经过供气调压阀降压之后分别由极间进气孔、以及经尾端气路后由尾端进气孔进入电弧等离子加热器；内电极和输出电极之间施加直流电后形成电弧；
所述尾端气路包括n条通道，n＞1，第一通道上包括通道1声速喷嘴和通道1电磁阀，…，第n条通道上包括通道n声速喷嘴和通道n电磁阀，各通道声速喷嘴的喉道面积不完全一致；工作气体由尾端进气孔进入电弧等离子加热器时，通道1电磁阀到通道n电磁阀设计只有一个电磁阀处于打开状态，各通道电磁阀按照间隔时间t依次交替打开，通过打开不同通道上的电磁阀实现尾端气通过不同的通道进入等离子加热器。
进一步地，所述极间进气孔和尾端进气孔为沿周向均布的切向小孔，以法线方向作为0°角计，切向角度为45°～90°，两者切向方向相同。
进一步地，所述极间进气孔的截面积之和为F1，尾端进气孔的截面积之和为F2，尾端气路的通道1声速喷嘴的喉道面积为F2-1，通道n声速喷嘴的喉道面积为F2-n，F2-1到F2-n是依次均匀增加或减小的。
进一步地，如果F2-1到F2-n是依次均匀增加的，则F2≥F2-n，F2-1/F1＝0.4～0.5，F2-n/F1＝0.85～0.9；或者
如果F2-1到F2-n是依次均匀减小的，则F2≥F2-1，F2-n/F1＝0.4～0.5，F2-1/F1＝0.85～0.9。
进一步地，所述尾端气路的通道数量n为2-5。
进一步地，所述内电极直径d为10～100mm，长径比L0/d为8≤L/d≤10。
进一步地，所述内电极的外部同轴缠绕有励磁线圈，线圈缠绕方向与极间进气孔引入的气流旋转方向相反。
进一步地，所述励磁线圈采用变化的直流电源供电，供电电流为0～Ib，供电电流变化频率为f，Ib为10～100A，f为40～100Hz。
进一步地，所述励磁线圈采用直径为d1的铜线圈缠绕而成，励磁线圈的最前端至内电极尾端距离为L1，d1为3～5mm，L1/d≤2。
第二方面，一种管状电弧等离子加热器的使用方法，包括如下步骤：
工作气体经过供气调压阀调压后一部分气体经过极间进气孔进入加热器，另一部分气体则经过尾端气路和尾端进气孔进入加热器，加热器通电后在加热器内形成电弧，电弧的弧根分别落在内电极和输出电极的内壁面上，由于气体是切向进入的，弧根会在气动力作用下在电极内壁面某一个截面上旋转；
按时间间隔t依次交替打开尾端气路不同通道的电磁阀，控制尾端供气经过不同通道上不同喉道面积的通道声速喷嘴，实施极间供气和尾端供气流量的比值的调节，使内电极上的弧根旋转截面在一轴向范围内移动，循环此过程，使电弧在内电极内壁面的烧蚀沟环由单个扩展到n个；
对励磁线圈通变化的直流电，励磁线圈的励磁电流按照设计频率f进行交变，使励磁线圈在加热器内产生的磁场强度以及弧根径向段受到的轴向洛伦兹力也会对应的发生交变，此时弧根会以所在旋转截面为中心，向两侧进行扫描，扩展弧根在内电极内壁面上的烧蚀沟环的宽度。
根据本发明提供的一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，按照设计间隔控制尾端气通过不同的通道，实现通过极间进气孔和尾端进气孔的进气量比例的调节，使加热器内电极上的弧根在轴向位置的变化，弧根在内电极壁面上的烧蚀沟环由1条扩展为n条，避免了在某一固定截面上的长时间烧蚀，通过气动调节大幅增加电极的使用寿命；
(2)本发明提供的一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，使励磁电流在一定范围内按照设计频率变化，线圈在加热器内产生的磁场强度以及电弧径向部分受到的洛伦兹力按照固定频率随之发生变化，实现弧根以某一烧蚀沟环所在横截面为中心在一定宽度范围内进行扫描，增加了弧根的扫略面积，降低烧蚀速率，进一步提高了电极的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种优选实施方式中气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器的结构示意图；
图2为本发明中尾端气路的结构示意图。
附图标号说明
1-尾端进气孔；2-尾端气路；3-励磁线圈；4-供气调压阀；5-内电极；6-极间进气孔；7-输出电极；8-电弧；21-通道1声速喷嘴；22-通道1电磁阀；23-通道n声速喷嘴；24-通道n电磁阀。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种管状电弧等离子加热器，如图1和图2所示，包括内电极5、输出电极7、极间进气孔6、尾端进气孔1、尾端气路2和供气调压阀4；所述内电极5为带有尾端进气孔1的深杯状结构，所述输出电极7为圆管状薄壁结构，输出电极7和内电极5前后同轴布置；所述极间进气孔6布置在输出电极7和内电极5之间，尾端进气孔1布置在内电极5的尾部；供气调压阀4布置在主供气管道上，工作气体经过供气调压阀4降压之后分别由极间进气孔6、以及经尾端气路2后由尾端进气孔1进入电弧等离子加热器；内电极5和输出电极7之间施加直流电后形成电弧8；
尾端气路2包括n条通道，第一通道上包括通道1声速喷嘴21和通道1电磁阀22，…，第n条通道上包括通道n声速喷嘴23和通道n电磁阀24，各通道声速喷嘴的喉道面积不完全一致；尾端气路2的通道数量n为2-5；工作气体由尾端进气孔1进入电弧等离子加热器时，通道1电磁阀22到通道n电磁阀24设计只有一个电磁阀处于打开状态，各通道电磁阀按照间隔时间t依次交替打开，通过打开不同通道上的电磁阀实现尾端气通过不同的通道进入等离子加热器，所述尾端气路2各通道电磁阀依次交替打开的间隔时间为t为0.5～1h。
在一种优选的实施方式中，所述极间进气孔6和尾端进气孔1为沿周向均布的切向小孔，切向角度为45°～90°(以法线方向作为0°角)，两者切向方向相同。
在一种优选的实施方式中，所述极间进气孔6的截面积之和为F1，尾端进气孔1的截面积之和为F2，尾端气路2的通道1声速喷嘴21的喉道面积为F2-1，通道n声速喷嘴23的喉道面积为F2-n，F2-1到F2-n是依次均匀增加或减小的。
进一步地，如果F2-1到F2-n是依次均匀增加的，即F2-n＞F2-(n-1)＞…＞F2-1，则F2≥F2-n，F2-1/F1＝0.4～0.5，F2-n/F1＝0.85～0.9。
进一步地，如果F2-1到F2-n是依次均匀减小的，即F2-n＜F2-(n-1)＜…＜F2-1，则F2≥F2-1，F2-n/F1＝0.4～0.5，F2-1/F1＝0.85～0.9。
在一种优选的实施方式中，所述内电极5直径d为10～100mm，长径比L0/d为8≤L/d≤10。
在一种优选的实施方式中，所述内电极5的外部同轴缠绕有励磁线圈3，线圈缠绕方向与极间进气孔6引入的气流旋转方向相反。如图1所述，极间进气孔6为切向方向朝左，极间进气孔6处引入的气流旋转方向为逆时针，因而励磁线圈的缠绕方向为顺时针。
进一步地，所述励磁线圈3采用变化的直流电源供电，供电电流为0～Ib，供电电流变化频率为f，Ib为10～100A，f为40～100Hz。
进一步地，所述励磁线圈3采用直径为d1的铜线圈缠绕而成，励磁线圈(3)的最前端至内电极5尾端距离为L1，d1为3～5mm，L1/d≤2。
本发明中加热器的工作方法是：工作气体经过供气调压阀4调压后一部分气体经过极间进气孔6进入加热器，另一部分气体则经过尾端气路2和尾端进气孔1进入加热器，加热器通电后在加热器内形成电弧8，电弧的弧根分别落在内电极5和输出电极7的内壁面上，由于气体是切向进入的，弧根会在气动力作用下在电极内壁面某一个截面上旋转。按时间间隔t依次交替打开尾端气路2不同通道的电磁阀，控制尾端供气经过不同通道上不同喉道面积的通道声速喷嘴，以此实现了极间供气和尾端供气流量的比值的调节，使内电极5上的弧根旋转截面在一轴向范围内(截面A1到An间)移动，循环此过程，使电弧在内电极5内壁面的烧蚀沟环由单个扩展到n个，提高了内电极的使用寿命。与此同时，当弧根在某一特定截面内旋转时，励磁线圈的励磁电流按照设计频率f进行交变，使励磁线圈在加热器内产生的磁场强度以及弧根径向段受到的轴向洛伦兹力也会对应的发生交变，此时弧根会以所在旋转截面为中心，向两侧进行扫描，扩展了弧根在内电极内壁面上的烧蚀沟环的宽度，降低了电极的烧蚀速率，延长电极的工作寿命。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，包括内电极(5)、输出电极(7)、极间进气孔(6)、尾端进气孔(1)、尾端气路(2)和供气调压阀(4)；所述内电极(5)为带有尾端进气孔(1)的深杯状结构，所述输出电极(7)为圆管状薄壁结构，输出电极(7)和内电极(5)前后同轴布置；所述极间进气孔(6)布置在输出电极(7)和内电极(5)之间，尾端进气孔(1)布置在内电极(5)的尾部；供气调压阀(4)布置在主供气管道上，工作气体经过供气调压阀(4)降压之后分别由极间进气孔(6)、以及经尾端气路(2)后由尾端进气孔(1)进入电弧等离子加热器；内电极(5)和输出电极(7)之间施加直流电后形成电弧(8)；所述内电极(5)的外部同轴缠绕有励磁线圈(3)，线圈缠绕方向与极间进气孔(6)引入的气流旋转方向相反；
所述励磁线圈(3)采用变化的直流电源供电，供电电流为0～Ib，供电电流变化频率为f，Ib为10～100A，f为40～100Hz；所述励磁线圈(3)采用直径为d1的铜线圈缠绕而成，励磁线圈(3)的最前端至内电极(5)尾端距离为L1，d1为3～5mm，L1/d≤2；
所述极间进气孔(6)的截面积之和为F1，尾端进气孔(1)的截面积之和为F2，尾端气路(2)的通道1声速喷嘴(21)的喉道面积为F2-1，通道n声速喷嘴(23)的喉道面积为F2-n，F2-1到F2-n是依次均匀增加或减小的；如果F2-1到F2-n是依次均匀增加的，则F2≥F2-n，F2-1/F1＝0.4～0.5，F2-n/F1＝0.85～0.9；如果F2-1到F2-n是依次均匀减小的，则F2≥F2-1，F2-n/F1＝0.4～0.5，F2-1/F1＝0.85～0.9；
所述尾端气路(2)包括n条通道，n＞1，第一通道上包括通道1声速喷嘴(21)和通道1电磁阀(22)，…，第n条通道上包括通道n声速喷嘴(23)和通道n电磁阀(24)，各通道声速喷嘴的喉道面积不完全一致；工作气体由尾端进气孔(1)进入电弧等离子加热器时，通道1电磁阀(22)到通道n电磁阀(24)设计只有一个电磁阀处于打开状态，各通道电磁阀按照间隔时间t依次交替打开，通过打开不同通道上的电磁阀实现尾端气通过不同的通道进入等离子加热器。
2.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述极间进气孔(6)和尾端进气孔(1)为沿周向均布的切向小孔，以法线方向作为0°角计，切向角度为45°～90°，两者切向方向相同。
3.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述尾端气路(2)的通道数量n为2-5。
4.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述内电极(5)直径d为10～100mm，长径比L0/d为8≤L/d≤10。
5.一种权利要求1至4之一所述的管状电弧等离子加热器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
工作气体经过供气调压阀(4)调压后一部分气体经过极间进气孔(6)进入加热器，另一部分气体则经过尾端气路(2)和尾端进气孔(1)进入加热器，加热器通电后在加热器内形成电弧(8)，电弧的弧根分别落在内电极(5)和输出电极(7)的内壁面上，由于气体是切向进入的，弧根会在气动力作用下在电极内壁面某一个截面上旋转；
按时间间隔t依次交替打开尾端气路(2)不同通道的电磁阀，控制尾端供气经过不同通道上不同喉道面积的通道声速喷嘴，实施极间供气和尾端供气流量的比值的调节，使内电极(5)上的弧根旋转截面在一轴向范围内移动，循环此过程，使电弧在内电极(5)内壁面的烧蚀沟环由单个扩展到n个；
对励磁线圈(3)通变化的直流电，励磁线圈(3)的励磁电流按照设计频率f进行交变，使励磁线圈(3)在加热器内产生的磁场强度以及弧根径向段受到的轴向洛伦兹力也会对应的发生交变，此时弧根会以所在旋转截面为中心，向两侧进行扫描，扩展弧根在内电极内壁面上的烧蚀沟环的宽度。
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| 风洞供气控制系统数字阀的设计与应用;康洪铭;霍国;陈辅政;刘晓林;;实验流体力学(第05期);全文 * |
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