CN113923845A - 一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法 - Google Patents

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欧东斌
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Abstract

本发明提供了一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法，系统包括阴极、阴极水套、进气孔、进气压力传感器、进气管道、阳极、阳极水套、回水管道、回水温度传感器、电流传感器、直流供电电路、电压传感器、直流电源、进水温度传感器、进水管道和进水流量传感器；利用测得的电弧电压和电流电弧电流得到施加在电弧等离子炬上的总功率，利用测得的回水温度、进水温度和进水流量得到冷却水带走的功率，最后利用总功率和冷却水损失功率得到等离子炬的热效率；利用测得的供气压力、进气总面积、工作气体的绝热指数和气体常数得到工作气体质量流量，最后利用利用等离子炬的总功率、冷却水带走的功率和供气的质量流量得到等离子体焰流的焓值。

Description

一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法
技术领域
本发明属于低温热等离子体技术领域，特别涉及一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法。
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。在利用电弧对气体进行加热的过程中，主要难题之一是保护电弧室壁使其免受高温气流和电弧的热作用，以及最大可能的降低电弧附着区域内电极的烧蚀速率。对等离子炬进行热防护一方面是保护各部件的正常工作和运行，另一方面是保证一定的热效率，工业中最长使用的是在电弧等离子炬电极外部通过循环冷却水进行强制冷却，能够有效的对电极进行冷却保护，防止迅速烧损，为电极的长时间使用、等离子炬的稳定可靠运行提供了有效的技术手段，但也不可避免的，循环冷却水的通入会带走一部分热量，使得该部分能量无法转化为工作气体的能量。与此同时，对电弧等离子体的工业应用中，通常主要是利用其射流高温高焓的优势，因此，如何得到电弧等离子炬的射流的焓值、等离子炬的热效率，对于其定向、高效的工业应用具有重要的提供价值。然而，由于电弧等离子炬射流的焓值及温度极高，采用传统的热量测试方法是很难直接测量得到射流的焓值和温度等性能参数的，继而也难以直接得到等离子炬的热效率等运行性能指标。
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，提供了一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法，高效准确地得到电弧等离子炬的热特性，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，包括阴极、阴极水套、进气孔、进气压力传感器、进气管道、阳极、阳极水套、回水管道、回水温度传感器、电流传感器、直流供电电路、电压传感器、直流电源、进水温度传感器、进水管道和进水流量传感器；
所述阴极和阴极水套之间及阳极和阳极套之间为冷却水通道，冷却水由阴极侧通过进水管道进入冷却水通道，由阳极侧通过回水管道流出；所述进水温度传感器布置在进水管道上，且测温点插入到管道中心，用于测定进水温度；所述进水流量传感器串接在进水管道上，用于测定进水流量；所述回水温度传感器布置在回水管道上，且测温点插入到回水管道的中心，用于测定回水温度；
所述工作气体通过进气管道由进气孔进入等离子炬，所述进气压力传感器旁路安装在进气管道上，用于测定供气压力；
所述直流电源输出的正负极分别通过直流供电电路施加在阳极和阴极上，等离子炬内阴极和阳极间产生电弧，工作气体在等离子炬出口形成高温的等离子体焰流；所述电流传感器套装在直流供电电路上，用于测定供电电流；所述电压传感器并联在直流供电电路上，两接线端分别连接在阴极和阳极上，用于测定供电电压。
进一步地，所述进水温度传感器采用K型、S型或E型热电偶。
进一步地，所述回水温度传感器采用K型、S型或E型热电偶。
进一步地，所述进水流量传感器采用涡轮流量计、涡街流量计、容积式流量计或差压式流量计。
进一步地，所述进气压力传感器的测量范围为0.2～10MPa。
进一步地，所述电流传感器采用霍尔互感器，测量范围为10～10000A。
进一步地，所述电压传感器的测量范围为10～10000V。
进一步地，所述工作气体为空气、氩气、氮气、氧气、二氧化碳、氦气、氢气、甲烷或水蒸气。
进一步地，所述测量系统还包括数据采集处理系统，所述数据采集处理系统包括信号调理模块、PXI采集卡和PC端数据处理系统，所述进气压力传感器、回水温度传感器、电流传感器、电压传感器、进水温度传感器和进水流量传感器得到的电信号经过信号调理模块处理，再输入PXI采集卡，最后经过数据处理系统转换得到测试结果。
第二方面，一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量方法，包括如下步骤：
利用电压传感器测得的电压U和电流传感器测得的电流I得到施加在电弧等离子炬上的总功率Pw，即Pw＝U·I；利用回水温度传感器测得的回水温度T2、进水温度传感器测得的进水温度T1和进水流量传感器测得的体积流量Q得到冷却水带走的功率P1，即P1＝4.2×106·Q·(T2-T1)，最后利用总功率Pw和冷却水损失功率P1得到等离子炬的热效率，即η＝1-P1/Pw；
利用进气压力传感器测得的供气压力p、进气孔总面积F、工作气体的绝热指数γ和气体常数R得到工作气体质量流量G，即
Figure BDA0003237523150000031
最后利用等离子炬的总功率Pw、冷却水带走的功率P1和供气的质量流量G得到等离子体焰流的焓值h，即h＝(Pw-P1)/G。
根据本发明提供的一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法，利用合理布置的测量传感器，测量得到等离子炬的电流、电压、供气压力、进回水温度和进水流量，通过热量反平衡法计算得到等离子炬的热效率和等离子体焰流的焓值，解决了因焰流温度高而难以对气体焓值进行直接测量的难题；
(2)本发明提供的一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统及方法，采用以PXI采集卡为核心的数据采集处理系统，测量时间段内对数据进行高精度、高频率采集，最后采用数据平均值进行计算，测量误差小，精度高。
附图说明
图1为本发明中电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统的结构示意图。
附图标号说明
1-阴极；2-阴极水套；3-进气孔；4-进气压力传感器；5-进气管道；6-阳极；7-阳极水套；8-电弧；9-等离子体焰流；10-回水管道；11-回水温度传感器；12-电流传感器；13-直流供电电路；14-电压传感器；15-直流电源；16-数据采集处理系统；17-进水温度传感器；18-进水管道；19-进水流量传感器。
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。
根据本发明的第一方面，提供了一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，如图1所示，包括阴极1、阴极水套2、进气孔3、进气压力传感器4、进气管道5、阳极6、阳极水套7、回水管道10、回水温度传感器11、电流传感器12、直流供电电路13、电压传感器14、直流电源15、进水温度传感器17、进水管道18和进水流量传感器19；
所述阴极1和阴极水套2之间及阳极6和阳极套7之间为冷却水通道，冷却水由阴极侧通过进水管道18进入冷却水通道，由阳极侧通过回水管道10流出；所述进水温度传感器17布置在进水管道18上，且测温点插入到管道中心，用于测定进水温度；所述进水流量传感器19串接在进水管道18上，用于测定进水流量；所述回水温度传感器11布置在回水管道10上，且测温点插入到回水管道10的中心，用于测定回水温度；
所述工作气体通过进气管道5由进气孔3进入等离子炬，所述进气压力传感器4旁路安装在进气管道5上，用于测定供气压力；
所述直流电源15输出的正负极分别通过直流供电电路13施加在阳极6和阴极1上，等离子炬内阴极1和阳极6间产生电弧8，工作气体在等离子炬出口形成高温的等离子体焰流9；所述电流传感器12套装在直流供电电路13上，用于测定供电电流；所述电压传感器14并联在直流供电电路13上，两接线端分别连接在阴极1和阳极6上，用于测定供电电压。
在一种优选的实施方式中，所述进水温度传感器17采用K型、S型、E型等热电偶。
在一种优选的实施方式中，所述回水温度传感器11采用K型、S型、E型等热电偶。
在一种优选的实施方式中，所述进水流量传感器19采用涡轮流量计、涡街流量计、容积式流量计、差压式流量计等形式的流量计。
在一种优选的实施方式中，所述进气压力传感器4的测量范围为0.2～10MPa。
在一种优选的实施方式中，所述电流传感器12采用霍尔互感器，测量范围为10～10000A。
在一种优选的实施方式中，所述电压传感器14的测量范围为10～10000V。
在一种优选的实施方式中，所述工作气体可以为空气、氩气、氮气、氧气、二氧化碳、氦气、氢气、甲烷、水蒸气等不同种类的气体。
在一种优选的实施方式中，所述测量系统还包括数据采集处理系统16，所述数据采集处理系统16包括信号调理模块、PXI采集卡和PC端数据处理系统，所述进气压力传感器4、回水温度传感器11、电流传感器12、电压传感器14、进水温度传感器17和进水流量传感器19得到的电信号经过信号调理模块处理如滤波处理后，再输入PXI采集卡，最后经过数据处理系统转换得到测试结果。
根据本发明的第二方面，提供了一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量方法，利用以上测量系统测量，包括如下步骤：
利用电压传感器14测得的电压U和电流传感器12测得的电流I得到施加在电弧等离子炬上的总功率Pw，即Pw＝U·I；利用回水温度传感器11测得的回水温度T2、进水温度传感器17测得的进水温度T1和进水流量传感器19测得的体积流量Q得到冷却水带走的功率P1，即P1＝4.2×106·Q·(T2-T1)，最后利用总功率Pw和冷却水损失功率P1得到等离子炬的热效率，即η＝1-P1/Pw；
利用进气压力传感器4测得的供气压力p、进气孔3总面积F、工作气体的绝热指数γ和气体常数R得到工作气体质量流量G，即
Figure BDA0003237523150000061
最后利用等离子炬的总功率Pw、冷却水带走的功率P1和供气的质量流量G得到等离子体焰流的焓值h，即h＝(Pw-P1)/G，其中，所述工作气体的绝热指数γ和气体常数R为本领域技术人员的公知参数。
在一种优选的实施方式中，数据处理系统利用PXI采集卡采集到的等离子炬的电流、电压、供气压力、回水温度、进水温度和进水流量各参数的平均值，实施等离子炬热效率和焰流焓值的测量。
通过系统中合理布置的测量传感器，测量得到等离子炬的电流、电压、供气压力、进回水温度和进水流量，通过热量反平衡法计算得到等离子炬的热效率和等离子体焰流的焓值，解决了因焰流温度高而难以对气体焓值进行直接测量的难题。
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 (10)

1.一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，包括阴极(1)、阴极水套(2)、进气孔(3)、进气压力传感器(4)、进气管道(5)、阳极(6)、阳极水套(7)、回水管道(10)、回水温度传感器(11)、电流传感器(12)、直流供电电路(13)、电压传感器(14)、直流电源(15)、进水温度传感器(17)、进水管道(18)和进水流量传感器(19)；
所述阴极(1)和阴极水套(2)之间及阳极(6)和阳极套(7)之间为冷却水通道，冷却水由阴极侧通过进水管道(18)进入冷却水通道，由阳极侧通过回水管道(10)流出；所述进水温度传感器(17)布置在进水管道(18)上，且测温点插入到管道中心，用于测定进水温度；所述进水流量传感器(19)串接在进水管道(18)上，用于测定进水流量；所述回水温度传感器(11)布置在回水管道(10)上，且测温点插入到回水管道(10)的中心，用于测定回水温度；
所述工作气体通过进气管道(5)由进气孔(3)进入等离子炬，所述进气压力传感器(4)旁路安装在进气管道(5)上，用于测定供气压力；
所述直流电源(15)输出的正负极分别通过直流供电电路(13)施加在阳极(6)和阴极(1)上，等离子炬内阴极(1)和阳极(6)间产生电弧(8)，工作气体在等离子炬出口形成高温的等离子体焰流(9)；所述电流传感器(12)套装在直流供电电路(13)上，用于测定供电电流；所述电压传感器(14)并联在直流供电电路(13)上，两接线端分别连接在阴极(1)和阳极(6)上，用于测定供电电压。
2.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述进水温度传感器(17)采用K型、S型或E型热电偶。
3.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述回水温度传感器(11)采用K型、S型或E型热电偶。
4.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述进水流量传感器(19)采用涡轮流量计、涡街流量计、容积式流量计或差压式流量计。
5.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述进气压力传感器(4)的测量范围为0.2～10MPa。
6.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述电流传感器(12)采用霍尔互感器，测量范围为10～10000A。
7.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述电压传感器(14)的测量范围为10～10000V。
8.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述工作气体为空气、氩气、氮气、氧气、二氧化碳、氦气、氢气、甲烷或水蒸气。
9.根据权利要求1所述的电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括数据采集处理系统(16)，所述数据采集处理系统(16)包括信号调理模块、PXI采集卡和PC端数据处理系统，所述进气压力传感器(4)、回水温度传感器(11)、电流传感器(12)、电压传感器(14)、进水温度传感器(17)和进水流量传感器(19)得到的电信号经过信号调理模块处理，再输入PXI采集卡，最后经过数据处理系统转换得到测试结果。
10.一种电弧等离子炬热效率和焰流焓值测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用电压传感器(14)测得的电压U和电流传感器(12)测得的电流I得到施加在电弧等离子炬上的总功率Pw，即Pw＝U·I；利用回水温度传感器(11)测得的回水温度T2、进水温度传感器(17)测得的进水温度T1和进水流量传感器(19)测得的体积流量Q得到冷却水带走的功率P1，即P1＝4.2×106·Q·(T2-T1)，最后利用总功率Pw和冷却水损失功率P1得到等离子炬的热效率，即η＝1-P1/Pw；
利用进气压力传感器(4)测得的供气压力p、进气孔(3)总面积F、工作气体的绝热指数γ和气体常数R得到工作气体质量流量G，即
Figure FDA0003237523140000031
最后利用等离子炬的总功率Pw、冷却水带走的功率P1和供气的质量流量G得到等离子体焰流的焓值h，即h＝(Pw-P1)/G。
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