CN208540207U - 一种超高温气体加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高温气体加热装置，以气体流动方向定义上游和下游，从上游至下游依次设置有上游顶盖、总分配器、功率传递管、二次分配器、轴线式电极双电弧放电室和下游顶盖，轴线式电极双电弧放电室通过外部线圈经导电夹与功率传递管连接，总分配器和下游顶盖之间从内到外依次安装下游衬套和下游外壳，总分配器和上游顶盖之间从内到外安装上游衬套和上游外壳，轴线式电极双电弧放电室内的电极与外部线圈串行相连形成随动磁场结构；由总分配器、功率传递管、二次分配器、轴线式电极双电弧放电室、外部线圈、下游顶盖、下游衬套、下游外壳、上游外壳和上游衬套共同组成混合结构冷却水通道。本实用新型结构简单、功率可调、热效率高、寿命长。

Description

一种超高温气体加热装置

技术领域

本实用新型属于气体高温加热技术领域，具体涉及一种超高温气体加热装置。

背景技术

直流超高温气体加热装置，又称为直流电弧等离子体炬，是利用直流电弧加热工质气体，使之形成高温高速等离子体射流，从而达到将气体加热至核心温度上万摄氏度、平均温度 3000～6000摄氏度的状态，并加以利用的装置。适用气体有空气、氮气、惰性气体、氢气、水蒸气等，可以广泛应用于危险废弃物处理、材料表面处理、煤化工、无油点火、辅助燃烧、高温冶金、粉末冶金、临近空间再入模拟等领域。

目前应用于各行各业的直流电弧超高温气体加热装置主要面临以下问题：1.电极寿命过短，以空气为例，百千瓦级加热装置电极寿命一般在100小时以下，使用维护成本高；2.热效率过低，只有60～70％左右，能量利用率较低；3.工作参数范围窄，不利于设备在不同应用环境移植。综合而言，以上几点均不利于该装置在诸多领域的应用，目前技术还很难解决上述难题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种功率范围 70～300kW的直流电弧超高温气体加热装置，利用随动电磁线圈形成磁旋弧环境，双电弧室轴线式电极提供放电通道，从而增长电极间电弧长度，增加电压，降低电流，进一步增加空气加热效率，降低电极烧蚀，最终使电极热效率有效增加、寿命显著提高，更有利于应用于对超高温气体有需求的各种领域。

本实用新型采用以下技术方案：

一种超高温气体加热装置，以气体流动方向定义上游和下游，从上游至下游依次设置有上游顶盖、总分配器、功率传递管、二次分配器、轴线式电极双电弧放电室和下游顶盖，轴线式电极双电弧放电室通过外部线圈经导电夹与功率传递管连接，总分配器和下游顶盖之间从内到外依次包围性安装有下游衬套和下游外壳，总分配器和上游顶盖之间从内到外包围性安装有上游衬套和上游外壳，轴线式电极双电弧放电室内的电极与外部线圈串行相连形成随动磁场结构；由总分配器、功率传递管、二次分配器、轴线式电极双电弧放电室、外部线圈、下游顶盖、下游衬套、下游外壳、上游外壳和上游衬套共同组成混合结构冷却水通道。

具体的，轴线式电极双电弧放电室内从上游至下游依次轴向设置有上游气体分配器、上游电极、下游气体分配器和下游电极；上游电极的外围包围性安装有上游线圈，下游电极的外围包围性安装有下游线圈；上游线圈和下游线圈串行连接，并由导电夹将下游线圈与功率传递管导通形成串行结构。

进一步的，随动磁场结构由电正极至电负极，依次将上游线圈、下游线圈、导电夹、功率传递管、二次分配器、上游气体分配器、上游电极和下游电极串行相连形成随动磁场结构，并由供电电缆与穿过总分配器通孔的上游线圈进线端连接进行统一供电。

更进一步的，上游线圈安装于二次分配器和下游气体分配器之间，轴向长度与上游电极相同；下游线圈安装于下游气体分配器和下游顶盖之间，轴向长度与下游电极相同；上游线圈由上游至下游沿顺时针绕向，下游线圈由上游至下游沿逆时针绕向。

进一步的，冷却水通道的冷却水由进水管进入总分配器后，由总分配器分两路，一路经上游线圈、下游线圈回到总分配器；

第二路进入功率传递管内，并由二次分配器将冷却水导至上游电极和上游线圈之间夹层，再经由下游气体分配器轴向通孔导入下游电极和下游线圈之间夹层，经由下游顶盖径向通孔导入下游外壳和下游衬套之间的夹层回到总分配器的外围；

第一和第二两条冷却水通路汇合于总分配器的外围再经由上游外壳和上游衬套之间的夹层通过出水口排出加热装置之外。

进一步的，总分配器的形状为圆柱结构，中部外壁上均布有四个固定爪，下游端外侧均布若干径向盲螺孔，用于与上游衬套和下游衬套限位固定，总分配器轴向设置有四个通孔，包括中心孔和三个外围孔，中心孔为进水通孔，上游接进水管，下游连接功率传递管；第一外围孔为电连接孔，分布于中心孔上部，中段与中心孔之间有径向通孔，上游线圈的电连接头穿过第一外围孔，实心端与供电电缆相连，径向通孔与电连接头侧壁通孔相通；第二外围孔为进气孔，分布于中心孔的左侧或右侧，上游端插入进气管路；第三外围孔为回水孔，分布于中心孔下部，并从总分配器的外围向第三外围孔打有通孔，下游线圈的管状接头从第三外围孔下游插入，通孔与管状接头侧壁通孔相通。

进一步的，上游气体分配器为上游端封闭、下游端开口的管状结构；上游侧外径与上游电极的外径相同，侧壁由外向内设有切向孔；下游侧为外螺纹结构，内径与上游电极的内径相同；

上游电极为厚壁管状结构，上游侧为内螺纹结构，下游侧内壁倒有喇叭形圆角、外壁为向内安装台阶；

下游气体分配器为管状结构，内壁和外壁均设置有定位台阶；下游气体分配器的轴向中部设有切向孔，壁上设有与切向孔错开的轴向通孔。

下游电极为厚壁管状结构，采用轴对称结构，外径与上游电极相同，上游和下游的内壁均倒有喇叭形圆角、外壁为向内安装台阶。

更进一步的，上游气体分配器与下游气体分配器的切向孔旋向相反，上游气体分配器切向孔旋向与上游线圈旋向相同，下游气体分配器切向孔旋向与下游线圈旋向相同。

进一步的，下游顶盖为厚壁环状结构，上游端分别设置有与下游电极、下游线圈和下游衬套相连接的定位台阶，下游端设置有与下游外壳相连接的定位台阶；下游顶盖与下游电极和下游线圈的两个定位台阶之间均匀分布有至外壁的径向通孔，径向通孔成射线状分布形成冷却水通路。

进一步的，二次分配器为圆柱结构，上下游两侧中心各有一个互不相通的盲孔；下游中心盲孔外侧均匀分布有与之平行的盲孔，盲孔直径小于下游中心盲孔直径，且通过环槽与上游中心盲孔相连形成冷却水通路；近下游端开有与下游外围盲孔错开的径向通孔，与下游中心盲孔相连，形成进气通路。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型一种超高温气体加热装置，从上游至下游依次设置有上游顶盖、总分配器、功率传递管、二次分配器、轴线式电极双电弧放电室和下游顶盖，通过多个组件复合功能设计，实现在冷却水对线圈、电极、外壳起到良好冷却作用的同时，大大简化系统复杂度；线圈和电极串联结构可以在仅使用一套电源系统和进线的情况下，实现磁控等离子体生成，简化系统组成，提高可靠性，电压的提高可以有效增加对空气的加热效率，降低电流可以降低对阴极和阳极的烧蚀，增长电极寿命。

进一步的，上游线圈和下游线圈与上游电极串联，通过合理的结构设计，可以在直流电加载至放电通路的同时提供与注入电功率匹配的磁场环境，使气体等离子体射流产生恰当频率的周向旋转，形成磁旋弧。通过形成磁旋弧的方式，可以有效增长电弧长度，进而提高注入功率的电压，降低电流。

进一步的，随动磁场结构由电正极至电负极设置，保证上游电极作为阳极，下游电极作为阴极，由于阴极寿命较阳极寿命更短，更换频率要高于阳极，下游电极作为阴极可以更便捷进行电极更换，方便使用。

进一步的，上游线圈和下游线圈由方铜管制成，可以最大限度保证绕线空间合理性的同时，在铜管内部通入冷却水对线圈进行冷却，从而使线圈在通入数百安培电流时发挥较高的工作性能。上游线圈由上游至下游沿顺时针绕向，下游线圈由上游至下游沿逆时针绕向，这样可以使线圈产生的磁场方向与磁场所覆盖区域的气流旋转方向向匹配，达到最好的磁旋弧匹配效果，提高气体加热效率，降低电极损耗。

进一步的，冷却水通道的冷却水由进水管进入总分配器后分为两路，一路作为干流依次流经进入功率管、二次分配器、上游电极、下游气流分配器、下游电极、下游顶盖、下游衬套和下游外壳夹层；另一路作为支流依次流经下游线圈和上游线圈，与干流汇合，流经上游衬套和上游外壳夹层，从上游外壳出水口流出装置。冷却水分为两路可以使在工作时产生较高温度的零部件最先得到冷却，提高冷却效率，从而保证装置在运行过程中始终保持最佳状态，同时可以进一步减小电极损耗，增长电极寿命。

进一步的，总分配器轴向共设置4个通孔，分别为进水接口安装孔，进气接口安装孔，电接口安装孔和上游线圈出水接口安装孔。在一个零件上实现了水、电、气三种媒质接入接出以及相应的分配功能，大大简化了系统结构，降低装置尺寸重量。

进一步的，上游气体分配器和下游气体分配器均设有相应数量和直径的切向孔，且二者切向孔旋向相反，使进入轴线式电极双电弧室上游电极上游端和上、下游电极之间的气流呈现双反切向进气形式，这样可以使气流在电弧室内部形成涡旋，进而增加气体在电弧室内行程，增加加热时间，提高加热效率；同时涡旋气流可以起到清理电弧室内部作用，防止电弧烧蚀电极脱落的熔渣阻塞切向孔或落在电极上影响放电过程；而旋转的气流可以在电极内壁形成气膜，对电极有一定的冷却作用，进一步降低电极损耗提高电极寿命。相应的上游线圈旋向与上游气体分配器切向孔旋向相同，下游线圈旋向与下游气体分配器切向孔旋向相同，可以使线圈产生的磁场方向与磁场所覆盖区域的气流旋转方向向匹配，达到最好的磁旋弧匹配效果，提高气体加热效率，降低电极损耗。

进一步的，下游顶盖与下游电极和下游线圈的两个定位台阶之间均匀分布有至外壁的径向通孔，径向通孔成射线状分布形成冷却水通路，可以将通过下游电极的冷却水均匀导入下游衬套和下游外壳之间的夹层，进而对下游外壳和上游外壳进行冷却，同时也可以对温度较高的顶端盖端面有充分的冷却作用，以保证装置工作期间正常运行。

进一步的，二次分配器是对水电气三路进行二次分配和传输的零件，作用有三点：一是由功率传递管传递的电能进一步传递至上游气体分配器，再传递至上游电极对气体进行电离加热；二是将沿中轴线传输的冷却水非配到电极外壁对电极进行冷却；三是将在周围传输的气体传递至处于中轴线的电弧室内部参与气体放电。第一点利用二次分配器的金属材质进行导电即可；第二点和第三点利用的是设置在二次分配器两端互不相通的盲孔来实现：冷却水由二次分配器上游端的盲孔进入，经由环槽由均匀分布于二次分配器外围的多个轴向通孔进入上游电极和上游线圈夹层，对电极外壁进行冷却；气体通过与外围轴向通孔互不相通的径向孔进入二次分配器下游端的盲孔，再经由上游气体分配器进入上游电极内部，与通过下游气流分配器进入电极内部的气体共同作用，参与气体放电。这样可以通过一个零件实现水电气三路的再分配和传输，简化装置复杂度，减小装置体积。

综上所述，本实用新型结构简单、功率可调、热效率高、寿命长，应用于对超高温气体有需求的各类领域的直流电弧超高温气体加热装置。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型轴向剖视图；

图2为本实用新型后视图；

图3为总分配器右视半剖图；

图4为总分配器后视图；

图5为总分配器上视半剖；

图6为二次分配器右视半剖图；

图7为二次分配器径向通孔处的后向剖视图；

图8为二次分配器轴向通孔处的右向剖视图。

其中：1.总分配器；101.总分配器电流方向；102.总分配器冷却水流方向；103.总分配器气体流动方向；2.功率传递管；3.二次分配器；301.二次分配器电流方向；302.二次分配器冷却水流方向；303.二次分配器气体流动方向；4.上游气体分配器；5.上游电极；6.下游气体分配器； 7.下游电极；8.下游顶盖；9.上游线圈；10.下游线圈；11.上游衬套；12.下游衬套；13.上游外壳；14.下游外壳；15.导电夹；16.上游顶盖。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1和图2，本实用新型一种超高温气体加热装置，以气体流动方向定义上游和下游，从上游至下游依次安装有总分配器1、功率传递管2、二次分配器3、上游气体分配器4、上游电极5、下游气体分配器6、下游电极7和下游顶盖8，上游电极5的外围包围性安装有上游线圈9，下游电极7的外围包围性安装有下游线圈10；上游线圈9和下游线圈10串行连接，并由导电夹15将下游线圈10的出端与功率传递管2导通，形成串行结构；以上述为整体，整体下游外围从内到外依次包围性安装有下游衬套12和下游外壳14，整体上游由内到外包围性安装有上游衬套11和上游外壳13，上游顶盖16安装在上游外壳13的上游端进行固定。

上游气体分配器4、上游电极5、下游气体分配器6和下游电极7从上游至下游依次轴向安装构成轴线式电极双电弧放电室；上游气体分配器4与上游电极5通过螺纹相连，上游电极 5、下游气体分配器6、下游电极7套接相连；上游电极5和下游电极7与下游气体分配器6 的接触面均有O形橡胶圈进行密封。

O形橡胶密封圈主要作用是对水路、气路和外界进行隔离，既结构简单又有非常好的效果，维修、更换非常方便，经济性较好，利于降低装置成本。

下游电极7采用轴对称结构；上游线圈9、下游线圈10与上游电极5、下游电极7(直流电弧击穿气体后)串行相连，形成随动磁场结构；随动磁场结构由电正极至电负极，依次将上游线圈9、下游线圈10、导电夹15、功率传递管2、二次分配器3、上游气体分配器4、上游电极5和下游电极7(直流电弧击穿气体后)串行相连，形成随动磁场结构，并由供电电缆直接接通穿过总分配器1通孔的上游线圈9进线端，进行统一供电。

上游气体分配器4和下游气流分配器6构成双反切向进气结构；由总分配器1、功率传递管2、二次分配器3、上游电极5、下游气体分配器6、下游电极7、上游线圈9、下游线圈10、下游顶盖8、下游衬套12、下游外壳14、上游外壳13和上游衬套11共同组成了对电极、线圈、外壳均具有冷却作用的混合结构冷却水通道。

冷却水通道的冷却水由进水管进入总分配器1后，由总分配器1分为两路：

①进入上游线圈9的进端，经由上游线圈9的铜管、上游线圈9的出端、下游线圈10的进端、下游线圈10的铜管、下游线圈10的出端回到总分配器1；

②进入功率传递管2内，并由二次分配器3将冷却水导至上游电极5和上游线圈9之间夹层，再经由下游气体分配器6轴向通孔，导入下游电极7和下游线圈10之间夹层，经由下游顶盖8径向通孔导入下游外壳14和下游衬套12之间的夹层，回到总分配器1的外围。

最终两条冷却水通路汇合于总分配器1的外围再经由上游外壳13和上游衬套11之间的夹层，通过出水口排出装置之外。

总分配器1的形状为圆柱结构，轴向共有4个通孔：

①中心孔为进水通孔，上游接进水管，下游接功率传递管；

②第一外围孔为电连接孔，分布于中心孔上部，中段与中心孔之间有径向通孔，上游线圈电连接头穿过第一外围孔，实心端与供电电缆相连，径向通孔与电连接头侧壁通孔相通；

③第二外围孔为进气孔，分布于中心孔左侧或右侧，上游端插入进气管路；

④第三外围孔为回水孔，分布于中心孔下部，并从总分配器外围向第三外围孔打有通孔，下游线圈管状接头从第三外围孔下游插入，通孔与管状接头侧壁通孔相通。

总分配器1中部外壁均布四个固定爪，下游端外侧均布若干径向盲螺孔，用于与上游衬套 11和下游衬套12限位固定，总分配器1的材料为聚甲醛树脂。

总分配器作为水电气总通路，需要具备以下特点：具有良好的绝缘性、较高的机械强度和耐一定的高温。聚甲醛树脂作为重要的工程塑料完全满足上述要求，且经济性较高，是制造总分配器的首选材料。

总分配器1设有供电接口、进水接口和进气接口，供电线缆、进水管和进气管经由上游衬套11内形成的管道连接至总分配器1相应接口。

二次分配器3的形状为圆柱结构，上下游两侧中心各有一个互不相同的盲孔；下游盲孔外侧均匀分布有与之平行的小直径盲孔，通过环槽与上游中心盲孔相连，形成冷却水通路；近下游端开有与下游外围小盲孔错开的径向通孔，与下游中心盲孔相连，形成进气通路。二次分配器3的材质为纯铜，表面镀镍。

二次分配器需要具备良好的导电性，又要经受冷却水和气体的长期冲刷，因此二次分配器选择铜为基材表面镀镍的形式，既可以保证其具备非常优异的导电能力，又可以防止其快速氧化，确保较长的使用寿命。

上游气体分配器4为上游一端封闭、下游一端开口的管状结构；材质为纯铜，表面镀镍，上游一侧外径与上游电极外径相同，壁厚3～4mm；侧壁由外向内设有切向孔；下游一侧较上游一侧半径小，为外螺纹结构，内径与上游电极内径相同。

上游气体分配器要具有良好的导电性，同时又有高速气流从其切向孔内流入，因此采用材质纯铜、表面镀镍的方式，可以再保证良好导电的同时，防止其磨损，延长使用寿命。

上游电极5为厚壁管状结构，外径34～38mm，厚度7～9mm，长度70～80mm。上游一侧为内螺纹结构，下游一侧内壁倒有喇叭形圆角、外壁为向内安装台阶。上游电极5材质为银铜合金，其中银占90％±2％，铜占10％±2％。

以上数据均为长期仿真及实验结果得出的最佳匹配尺寸及材质，可以使装置对气体加热效率达到最高的同时，电极寿命较现有同类产品显著提高，电极的寿命成本比达到最优。

上游电极为阳极，在工作过程中，电子长期撞击会导致其快速升温，因此上游电极要同时保证较高的导电性，也要保证较好的导热性，以延长其使用寿命。经过长期仿真及实验结果得出结论，上游电极采用银铜合金材质，其中银占90±2％，铜占10％±2％，可以最大限度保证阳极使用寿命。

下游气体分配器6为具有一定厚度的管状结构内壁和外壁均有与上游电极5、下游电极7、上游线圈9和下游线圈10的定位台阶；材质为氧化铝陶瓷；轴向中部设有切向孔，壁上设有与切向孔错开的轴向通孔。

下游气体分配器需要具备高绝缘性能、耐超高温度和抗磨损等特点。而氧化铝陶瓷既有较高的绝缘等级、也具备非常良好的耐超高温能力，同时抗磨损性能也比较优异，是作为下游气体分配器材料的非常好的选择。

上游气体分配器4与下游气体分配器6的切向孔旋向相反，上游气体分配器4切向孔旋向与上游线圈9旋向相同，下游气体分配器6切向孔旋向与下游线圈10旋向相同。

下游气体分配器6的切向孔为4个直径2mm(装置功率150～300kW)或4个直径1.6mm(70～150kW)周向均布，上游气体分配器4切向孔按照与下游气体分配器切向孔总面积1:8进行个数和直径选取。

下游电极7为厚壁管状结构，上游下游结构轴对称，外径与上游电极相同，厚度10～12mm，长度210～240mm，上下游内壁均倒有喇叭形圆角、外壁为向内安装台阶。下游电极7材质为纯铜材质，内壁需要进行喷砂处理。

下游电极为阴极，与上游电极相同的银铜合金材质是寿命和性能最优的选择，但下游电极体积较大，且在工作时有大量的质量较大的离子轰击其表面，因此下游电极的寿命较之上游电极要短很多，即使选择银铜合金增加的寿命也并不可观，但采用纯铜材质虽然寿命较银铜材质有所降低，但寿命价格比可以达到最大，具有最优的经济性。对下游电极内壁进行喷砂处理是为了在高压起弧瞬间有更好的放电效果，确保放电成功率。

上游线圈9包裹于上游电极5外围，安装于二次分配器3和下游气体分配器6之间，轴向长度与上游电极5相同。上游线圈9由截面5mm×5mm、壁厚1mm的方铜管绕制，由上游像下游看去，绕向为顺时针，铜管共绕制两层，绕制于一个由聚醚醚酮材质制成的支架之上。上游线圈9进端焊接一个电连接接头，电连接头顶端为实心，侧壁开有通孔与中心管路相连，该接头穿过总分配器与供电电缆相连；上游线圈9出端焊接一个管连接头，与下游线圈10进端相连。

铜管绕制两层是长期仿真和实验的最优结果，线圈与电极串联结构使线圈流经的电流与电极间的放电电流相同，而绕制两层铜管在这个电流强度时，可以产生最优的磁场强度和位形，使磁旋弧效果最佳。在装置启动时，需要电源产生数千伏高压击穿气体，因此需要线圈与电极之间较高的绝缘性能，而线圈轴向长度较长，陶瓷材料结构强度较低，因此选用高绝缘等级、高强度的聚醚醚酮材质作为上、下游线圈的支架材质，可以最大限度满足需求。

下游线圈10包裹于下游电极7外围，安装于下游气体分配器6和下游顶盖8之间，轴向长度与下游电极7相同。下游线圈10由截面5mm×5mm、壁厚1mm的方铜管绕制，由上游像下游看去，绕向为逆时针，铜管共绕制两层，绕制于一个由聚醚醚酮材质制成的支架之上。下游线圈10进端焊接一个管连接头，该接头与上游出端相连；下游线圈10出端焊接一个管状接头，管状接头顶端为实心，侧壁开有通孔与中心管路相连，管状接头插入总分配器1，并用导电夹15与功率传递管2相连形成电连接。

下游顶盖8为一个厚壁环状结构，上游一端分别有与下游电极7、下游线圈10和下游衬套12相连接的定位台阶，下游一端有与下游外壳14相连接的定位台阶。下游顶盖8在与下游电极7和下游线圈10的两个定位台阶之间，均匀分布有至外壁的径向通孔，成射线状分布，形成冷却水通路，下游顶盖8的材质为纯铜，表面镀镍。

下游顶盖需要具备良好的导电性和导热性，同时需要抗长期冷却水冲刷腐蚀，因此采用以纯铜为基材、表面镀镍的形式最为适宜。

下游衬套12的形状为薄壁管状结构，被下游外壳14包裹并与其形成夹层，固定于总分配器1和下游顶盖8之间；材质为环氧树脂。

下游外壳14的形状为薄壁管状结构，包覆于装置整体结构外围，与上游外壳13通过螺纹连接；材质为不锈钢。

上游衬套11的形状为薄壁管状结构，被上游外壳13包裹并与其形成夹层，固定于总分配器1和上游顶盖16之间；材质为环氧树脂。

上游衬套和下游衬套均为长管状结构，要在具备绝缘性能的同时，与上游外壳和下游外壳形成的夹层内长期有冷却水流过进行冲刷，环氧树脂管具有较好的绝缘性能且已大量用于液体管路，经济性较好，成熟度较高。

上游外壳13的形状为薄壁管状结构，包覆于装置整体结构外围上游，与下游外壳14通过螺纹连接；与上游衬套11形成装置延长段及放置供电电缆、进水管路和进气管路的通道；上游外壳13近上游端外壁焊接有接地端子，与接地电缆相连，与接地端子相对一侧外壁焊接有出水接口，与出水管路相连；上游外壳13的材质为不锈钢。

上游外壳13的上游端外壁设有接地端子和出水接口，接地电缆和出水管路连接至相应端子和接口；

根据需要，可在上游外壳13或下游外壳14的外壁相应位置焊接法兰盘，用于安装固定直流电弧超高温气体加热装置；各部组件需要气密、水密位置，均用O形橡胶密封圈进行密封。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本实用新型实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型一种超高温气体加热装置的工作原理如下：

工质气体经由总分配器1进入等离子体炬内部，再分别由上游气体分配器4和下游气体分配器6进入上游电极5的上游和上下游电极之间，进入上游电极5的气体通过上游电极5内部与上下游电极之间的气流汇合后，经由下游电极7内部喷出下游电极7，形成工质气体流通通路。高电压加载至上游电极5和下游电极7之间，击穿通入的工质气体，形成放电通路，再由直流电源加载直流至放电通路上，注入百千瓦级电功率，形成高温高速等离子体射流。

请参阅图3、图4和图5,燕尾箭头表示总分配器电流传导方向101，上部侧孔内插入下游线圈10的电连接头，供电电缆连接至电连接头，沿总分配器电流传导方向101通过下游线圈 10进行电流传导；实心箭头表示总分配器冷却水流通方向102，冷却水通过接头连接从中间孔洞进入，一路沿主路继续沿中轴线流动，对上游电极5、下游气流分配器6、下游电极7、下游顶盖8、下游外壳14进行冷却；一路沿侧向开孔流入上部侧孔的下游线圈10方铜管内对线圈进行冷却；流经下游线圈10与上游线圈9的冷却水通过下部侧孔回到总分配器1，再由下部侧孔向外侧开孔与流经下游外壳14和下游衬套12夹层的冷却水主路汇合，进入上游外壳 13和上游衬套11夹层，对上游外壳13进行冷却。虚尾箭头表示总分配器气体传输方向103，通过接头连接进入右部侧孔直接进入装置内部腔室。

请参阅图6、图7和图8，燕尾箭头表示二次分配器电流传导方向301，通过功率传递管2 连接至二次分配器3，沿具有良好导电性的二次分配器整体沿二次分配器电流传导方向301向下游进行传递；实心箭头表示二次分配器冷却水流通方向302，冷却水通过上游端中轴盲孔进入二次分配器2，经侧向环槽，通过侧部周向均匀分布的若干轴向通孔沿二次分配器冷却水流通方向302箭头方向向下游传递；虚尾箭头表示二次分配器气体传输方向303，通过与侧部周向均匀分布的若干轴向通孔相互错开的径向通孔，进入下游端中轴盲孔，沿二次分配器气体传输方向303虚尾箭头方向向下游传递。

本实用新型大大提高了直流电弧超高温气体加热装置的能量转换效率，电极使用寿命成倍增长。以空气作为工质气体为例，在运行功率60～300kW情况下，简化电极整体结构，热转换效率达到75％以上，提高上游电极寿命至1000小时左右，提高下游电极寿命至250小时左右，同时通过对称设计，可将下游电极寿命再提高至500小时，显著降低了装置工业化使用成本，提高了资源利用率。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高温气体加热装置，其特征在于，以气体流动方向定义上游和下游，从上游至下游依次设置有上游顶盖(16)、总分配器(1)、功率传递管(2)、二次分配器(3)、轴线式电极双电弧放电室和下游顶盖(8)，轴线式电极双电弧放电室通过外部线圈经导电夹(15)与功率传递管(2)连接，总分配器(1)和下游顶盖(8)之间从内到外依次包围性安装有下游衬套(12)和下游外壳(14)，总分配器(1)和上游顶盖(16)之间从内到外包围性安装有上游衬套(11)和上游外壳(13)，轴线式电极双电弧放电室内的电极与外部线圈串行相连形成随动磁场结构；由总分配器(1)、功率传递管(2)、二次分配器(3)、轴线式电极双电弧放电室、外部线圈、下游顶盖(8)、下游衬套(12)、下游外壳(14)、上游外壳(13)和上游衬套(11)共同组成混合结构冷却水通道。

2.根据权利要求1所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，轴线式电极双电弧放电室内从上游至下游依次轴向设置有上游气体分配器(4)、上游电极(5)、下游气体分配器(6)和下游电极(7)；上游电极(5)的外围包围性安装有上游线圈(9)，下游电极(7)的外围包围性安装有下游线圈(10)；上游线圈(9)和下游线圈(10)串行连接，并由导电夹(15)将下游线圈(10)与功率传递管(2)导通形成串行结构。

3.根据权利要求2所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，随动磁场结构由电正极至电负极，依次将上游线圈(9)、下游线圈(10)、导电夹(15)、功率传递管(2)、二次分配器(3)、上游气体分配器(4)、上游电极(5)和下游电极(7)串行相连形成随动磁场结构，并由供电电缆与穿过总分配器(1)通孔的上游线圈(9)进线端连接进行统一供电。

4.根据权利要求3所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，上游线圈(9)安装于二次分配器(3)和下游气体分配器(6)之间，轴向长度与上游电极(5)相同；下游线圈(10)安装于下游气体分配器(6)和下游顶盖(8)之间，轴向长度与下游电极(7)相同；上游线圈(9)由上游至下游沿顺时针绕向，下游线圈(10)由上游至下游沿逆时针绕向。

5.根据权利要求2所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，冷却水通道的冷却水由进水管进入总分配器(1)后，由总分配器(1)分两路，一路经上游线圈(9)、下游线圈(10)回到总分配器(1)；

第二路进入功率传递管(2)内，并由二次分配器(3)将冷却水导至上游电极(5)和上游线圈(9)之间夹层，再经由下游气体分配器(6)轴向通孔导入下游电极(7)和下游线圈(10)之间夹层，经由下游顶盖(8)径向通孔导入下游外壳(14)和下游衬套(12)之间的夹层回到总分配器(1)的外围；

第一和第二两条冷却水通路汇合于总分配器(1)的外围再经由上游外壳(13)和上游衬套(11)之间的夹层通过出水口排出加热装置之外。

6.根据权利要求2所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，总分配器(1)的形状为圆柱结构，中部外壁上均布有四个固定爪，下游端外侧均布若干径向盲螺孔，用于与上游衬套(11)和下游衬套(12)限位固定，总分配器(1)轴向设置有四个通孔，包括中心孔和三个外围孔，中心孔为进水通孔，上游接进水管，下游连接功率传递管(2)；第一外围孔为电连接孔，分布于中心孔上部，中段与中心孔之间有径向通孔，上游线圈(9)的电连接头穿过第一外围孔，实心端与供电电缆相连，径向通孔与电连接头侧壁通孔相通；第二外围孔为进气孔，分布于中心孔的左侧或右侧，上游端插入进气管路；第三外围孔为回水孔，分布于中心孔下部，并从总分配器(1)的外围向第三外围孔打有通孔，下游线圈(10)的管状接头从第三外围孔下游插入，通孔与管状接头侧壁通孔相通。

7.根据权利要求2所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，上游气体分配器(4)为上游端封闭、下游端开口的管状结构；上游侧外径与上游电极(5)的外径相同，侧壁由外向内设有切向孔；下游侧为外螺纹结构，内径与上游电极(5)的内径相同；

上游电极(5)为厚壁管状结构，上游侧为内螺纹结构，下游侧内壁倒有喇叭形圆角、外壁为向内安装台阶；

下游气体分配器(6)为管状结构，内壁和外壁均设置有定位台阶；下游气体分配器(6)的轴向中部设有切向孔，壁上设有与切向孔错开的轴向通孔；

下游电极(7)为厚壁管状结构，采用轴对称结构，外径与上游电极(5)相同，上游和下游的内壁均倒有喇叭形圆角、外壁为向内安装台阶。

8.根据权利要求7所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，上游气体分配器(4)与下游气体分配器(6)的切向孔旋向相反，上游气体分配器(4)切向孔旋向与上游线圈(9)旋向相同，下游气体分配器(6)切向孔旋向与下游线圈(10)旋向相同。

9.根据权利要求2所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，下游顶盖(8)为厚壁环状结构，上游端分别设置有与下游电极(7)、下游线圈(10)和下游衬套(12)相连接的定位台阶，下游端设置有与下游外壳(14)相连接的定位台阶；下游顶盖(8)与下游电极(7)和下游线圈(10)的两个定位台阶之间均匀分布有至外壁的径向通孔，径向通孔成射线状分布形成冷却水通路。

10.根据权利要求2所述的一种超高温气体加热装置，其特征在于，二次分配器(3)为圆柱结构，上下游两侧中心各有一个互不相通的盲孔；下游中心盲孔外侧均匀分布有与之平行的盲孔，盲孔直径小于下游中心盲孔直径，且通过环槽与上游中心盲孔相连形成冷却水通路；近下游端开有与下游外围盲孔错开的径向通孔，与下游中心盲孔相连，形成进气通路。