湍流等离子体发生器工作特性实验

2021-09-09何润东曹修全徐浩铭马耀明赵明波钟柳花

科学技术与工程 2021年22期

何润东，曹修全*，徐浩铭，马耀明，赵明波，钟柳花

(1.四川轻化工大学机械工程学院，宜宾 644000； 2.成都航利航空科技有限责任公司，成都 610000)

由于湍流等离子体射流具有温度高、热效率高、对所处理材料无严格要求等诸多优点，常被用于危废处理[1-2]、材料加工[3-6]等诸多领域[7-9]。为了满足不同应用领域对湍流等离子体射流特性的要求，国内外学者在湍流等离子体发生器结构设计及其工作特性等方面开展了诸多研究工作。

在湍流等离子体发生器结构设计方面，Joseph 等[10]、翟长生等[11]设计了一种两极式等离子体发生器，即等离子体电弧直接在阴极和阳极之间产生，但该发生器所产生的射流稳定性较差，电极烧蚀较严重，弧压低，只能通过增大电流来提高其工作功率。Schein等[12]、高阳[13]提出了一种多阴极或多阳极式湍流等离子体发生器结构，即采用多个阴极或阳极同时工作的方式代替单个电极的工作方式，从而在相同功率条件下，成倍的降低了电极弧根的电流密度，进而降低电极的烧蚀速率，但是其结构复杂，电极的烧蚀程度一致性较差。Bora等[14]、Ghorui等[15]提出一种分段式等离子体发生器结构，即在阴阳极间增加多个中间电极，从而延长等离子体电弧通道达到增加等离子体电弧弧压的目的，进而在相同功率下降低了等离子体发生器的工作电流，延长电极使用寿命，但是该类型发生器容易产生双弧现象，从而造成电极的烧蚀。

在湍流等离子体发生器工作特性方面，Rat等[16-17]研究了电弧的亥姆霍兹振荡现象、阳极弧根运动等因素对等离子体射流稳定性的影响。Schein等[12, 18]基于多阳极或多阴极式湍流等离子体发生器，通过实验得出：湍流等离子体射流长度随着气流量增加而增长；在相同工作状态下，与加入氮气相比，在氩气中加入氦气的湍流等离子体射流长度明显更长，且通过数值模拟得出的结果与实验相吻合。Cao等[19-20]探究了注气角度对等离子体发生器工作特性的影响；以及研究了分段式等离子体发生器的引弧过程特性。Qiu等[21]提出了一种用于等离子球化的三阴极式等离子体发生器结构(TCCPT)，即采用三个阴极、一个阳极和中间电极组成。实验结果表明，提出的TCCPT在工作过程中电弧电压波动较小，在5.3%以内；且适用于尺寸较大的金属粉末的球化。Zhukov等[22]通过实验和仿真研究了不同等离子体发生器的工作特性。

综合上述文献分析，中外学者主要侧重于单路进气式的湍流等离子体发生器结构设计及其工作特性方面的研究，而对于两路进气式等离子体发生器的研究还有待加强。因此，现基于自行设计的两路进气式湍流等离子体发生器，通过改变保护气、主气气流量和电流大小，研究其对工作弧压、热效率和热焓值的影响。

1 实验与方法

1.1 实验装置

提出了一种非转移型直流电弧湍流等离子体发生器，如图1所示。该发生器主要由阴极、阳极和引弧电极及其组件构成。该发生器结构特征在于采用一路冷却水以串联的方式冷却阴极和引弧电极，而单独采用一路冷却水冷却阳极；保护气以切向供入的方式从阴极根部供入弧室内，主气则从引弧电极和阳极之间切向供入发生器弧室内。所采用的等离子体发生系统如图2所示，主要由湍流等离子体发生器、等离子体专用电源、气源与气流量控制器、冷却机4部分组成。等离子体专用电源是采用JCL-DL30等离子体电源，以逆变电源技术将三相交流电转换为直流电供给等离子体发生器，并采用高频引弧技术完成等离子体发生器的自动引弧。气流量控制器采用成都莱峰科技有限公司生产的LF-400S型质量流量计。冷却机组采用成都美森制冷设备有限公司生产的MGFW-25GT风冷柜式水冷机组，将水箱的去离子水冷却至设定温度供入发生器。等离子体发生器引弧过程如下：在高频高压作用下，阴极与引弧电极之间的工作气体被击穿而产生原始电弧；然后接通阴极与阳极之间的电源，从而促使弧根从引弧电极转移到阳极上形成主弧；随后自动断开引弧极电路，电源以设定电流给主弧供给电能，最终阳极弧根逐渐稳定在阳极轴向某一位置，并产生稳定的等离子体射流。

图1 湍流等离子体发生器示意图

①等离子体专用电源；②气源与气流量控制器；③冷却机组；④湍流等离子体发生器；⑤测量系统

1.2 实验方法

根据如式(1)和式(2)所示的热效率、热焓值公式，需采集弧压值、冷却水流量及进出口冷却水温度。弧压信号首先经过分压板，再经光电转换模块传递给数据采集卡，弧压信号首先经过分压板，再经光电转换模块传递给数据采集卡，National Instruments USB-6210数据采集卡以100 ks/s的采样频率采集，最后传递给装有LabVIEW采集程序的电脑实时记录。冷却水进出口温度采用两个数显测温仪(热电耦式)现场显示。冷却水体积流量利用涡轮式质量流量计现场显示。为了保证测量结果的准确性和科学性，将采集所得电压信号的平均值作为发生器弧压，并读取3次冷却水进出口温度取平均值作为冷却水温差。最后根据式(1)和式(2)计算出各参数下湍流等离子体发生器的热效率η和热焓值h：

(1)

(2)

式中：U为弧压；I为弧电流；c为冷却水的比热容；ρL为冷却水密度；Q冷却水流量；ΔT为冷却水进出口温差；Gg为工作气体的体积流量；ρg为气体密度。

1.3 实验条件

表1列出了用于研究湍流等离子体发生器工作特性的工作参数。纯氮气(N2)用作产生等离子体射流的工作气体。通过改变保护气流量、主气流量和电流大小，探究湍流等离子体发生器的弧压值、热效率、热焓值的变化趋势。

表1 湍流等离子体发生器工作参数表

2 实验结果与分析

2.1 弧压特性

图3为在不同弧电流和不同保护气流量(G)情况下，弧压随主气变化图。由图3可知，电流增加，而湍流等离子体发生器的弧压会减小。这是由于在气体流量一定的情况下，弧电流增加，电弧温度、电弧截面积和电离粒子密度跟着增加，从而使电弧电阻降低，因此弧压下降。

图3 两种电流下湍流等离子体发生器弧压特性

当保护气流量不变时，湍流等离子体发生器的弧压随着主气流量的增加而明显增加。例如：在保护气G=13 L/min时，主气流量从13 L/min增至25 L/min过程中，弧压从141 V增加到171 V，平均增长速率为2.5 V/(L·min-1)。由U=IR知，在弧电流一定的情况下，当气体流量增加时，由于弧柱上的气动力增加，电弧被压缩得更强烈，从而导致电弧截面积减小。另外，随着气体流量的增加，电离粒子的密度会降低。因此，电弧截面积和电离粒子密度的减小会导致电弧的电阻增加。

当主气流量不变时，保护气变化对弧压影响很小：在起初时，保护气高的弧压偏高，而随着主气流量增加，保护气高的弧压会偏低。而主气对弧压影响更加明显，因此，为了获得较高功率工作状态下的湍流等离子体，可以在可控范围内适当加大主气流量。

2.2 热效率特性

图4为在不同弧电流和不同保护气流量情况下，热效率随主气变化图。由图4可知，在主气和保护气的气流量一定时，湍流等离子体发生器的热效率随着弧电流的增加而下降。这是因为随着弧电流的增加，电弧截面积增加，电离粒子密度增加，导致冷气层变薄，使得等离子弧向弧室壁面的传热加强，冷却水带走的热量增多。因此，弧电流增加，热效率下降。且在工作范围内，热效率可达到66%。

图4 两种电流下湍流等离子体发生器热效率特性

此外，当保护气流量不变，I=70 A时，热效率随着主气流量增加呈增加趋势。这是因为主气流量增加，径向压力梯度产生的气动力增加，等离子电弧被压缩得更强烈，从而形成更厚的冷气层，冷气层的存在降低了等离子电弧向弧室壁面的径向传热，使得冷却水带走的热量减少，即ΔT变小，则由式(1)可得出，其热效率增加；在I=100 A时，主气流量增加对热效率的影响逐渐减小，在主气流量25 L/min时，热效率达到相同。这是由于电流增加了会导致热效率增加，而主气增加又会导致热效率减小。由于两者增加比例达到平衡，因此热效率随着主气流量增加趋于稳定。当主气流量不变时，保护气的变化对热效率影响很小。

2.3 热焓值特性

图5为在不同保护气气流量情况下，湍流等离子体发生器热焓值随主气气流量的变化情况。结果表明，在保护气一定时，主气在10～19 L/min，热焓值随着主气流量的增加而降低；当主气流量不变时，热焓值随着保护气的升高而降低。根据式(2)可得，热焓值与弧压、弧电流和热效率的乘积成正比，与气体流量成反比。虽然弧压和热效率随着气体流量的增加而增加，但总的增长率比气体流量增加稍微缓慢，从而使热焓值降低。此外，在主气为19～25 L/min，热焓值基本上趋于一个稳定值，这可能是因为弧压和热效率随着气体流量的增加而增加，其增加速率逐渐与气流量增加速率一样。图5(a)与图5(b)相比，在主气和保护气的气流量一定时，热焓值随弧电流的增大而增大，由前面可得，弧压和热效率随着弧电流的增加而降低，但总的下降速率比电流增加速率慢。因此，由式(2)可得，弧电流增大，热焓值上升。