湍流等離子體發(fā)生器工作特性實(shí)驗(yàn)

何潤(rùn)東， 曹修全*， 徐浩銘， 馬耀明， 趙明波， 鐘柳花

(1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 宜賓 644000； 2.成都航利航空科技有限責(zé)任公司， 成都 610000)

由于湍流等離子體射流具有溫度高、熱效率高、對(duì)所處理材料無(wú)嚴(yán)格要求等諸多優(yōu)點(diǎn)，常被用于危廢處理[1-2]、材料加工[3-6]等諸多領(lǐng)域[7-9]。為了滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν牧鞯入x子體射流特性的要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在湍流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作特性等方面開展了諸多研究工作。

在湍流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，Joseph 等[10]、翟長(zhǎng)生等[11]設(shè)計(jì)了一種兩極式等離子體發(fā)生器，即等離子體電弧直接在陰極和陽(yáng)極之間產(chǎn)生，但該發(fā)生器所產(chǎn)生的射流穩(wěn)定性較差，電極燒蝕較嚴(yán)重，弧壓低，只能通過(guò)增大電流來(lái)提高其工作功率。Schein等[12]、高陽(yáng)[13]提出了一種多陰極或多陽(yáng)極式湍流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，即采用多個(gè)陰極或陽(yáng)極同時(shí)工作的方式代替單個(gè)電極的工作方式，從而在相同功率條件下，成倍的降低了電極弧根的電流密度，進(jìn)而降低電極的燒蝕速率，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電極的燒蝕程度一致性較差。Bora等[14]、Ghorui等[15]提出一種分段式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，即在陰陽(yáng)極間增加多個(gè)中間電極，從而延長(zhǎng)等離子體電弧通道達(dá)到增加等離子體電弧弧壓的目的，進(jìn)而在相同功率下降低了等離子體發(fā)生器的工作電流，延長(zhǎng)電極使用壽命，但是該類型發(fā)生器容易產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象，從而造成電極的燒蝕。

在湍流等離子體發(fā)生器工作特性方面，Rat等[16-17]研究了電弧的亥姆霍茲振蕩現(xiàn)象、陽(yáng)極弧根運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)等離子體射流穩(wěn)定性的影響。Schein等[12, 18]基于多陽(yáng)極或多陰極式湍流等離子體發(fā)生器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：湍流等離子體射流長(zhǎng)度隨著氣流量增加而增長(zhǎng)；在相同工作狀態(tài)下，與加入氮?dú)庀啾?，在氬氣中加入氦氣的湍流等離子體射流長(zhǎng)度明顯更長(zhǎng)，且通過(guò)數(shù)值模擬得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合。Cao等[19-20]探究了注氣角度對(duì)等離子體發(fā)生器工作特性的影響；以及研究了分段式等離子體發(fā)生器的引弧過(guò)程特性。Qiu等[21]提出了一種用于等離子球化的三陰極式等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)(TCCPT)，即采用三個(gè)陰極、一個(gè)陽(yáng)極和中間電極組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的TCCPT在工作過(guò)程中電弧電壓波動(dòng)較小，在5.3%以內(nèi)；且適用于尺寸較大的金屬粉末的球化。Zhukov等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真研究了不同等離子體發(fā)生器的工作特性。

綜合上述文獻(xiàn)分析，中外學(xué)者主要側(cè)重于單路進(jìn)氣式的湍流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作特性方面的研究，而對(duì)于兩路進(jìn)氣式等離子體發(fā)生器的研究還有待加強(qiáng)。因此，現(xiàn)基于自行設(shè)計(jì)的兩路進(jìn)氣式湍流等離子體發(fā)生器，通過(guò)改變保護(hù)氣、主氣氣流量和電流大小，研究其對(duì)工作弧壓、熱效率和熱焓值的影響。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

提出了一種非轉(zhuǎn)移型直流電弧湍流等離子體發(fā)生器，如圖1所示。該發(fā)生器主要由陰極、陽(yáng)極和引弧電極及其組件構(gòu)成。該發(fā)生器結(jié)構(gòu)特征在于采用一路冷卻水以串聯(lián)的方式冷卻陰極和引弧電極，而單獨(dú)采用一路冷卻水冷卻陽(yáng)極；保護(hù)氣以切向供入的方式從陰極根部供入弧室內(nèi)，主氣則從引弧電極和陽(yáng)極之間切向供入發(fā)生器弧室內(nèi)。所采用的等離子體發(fā)生系統(tǒng)如圖2所示，主要由湍流等離子體發(fā)生器、等離子體專用電源、氣源與氣流量控制器、冷卻機(jī)4部分組成。等離子體專用電源是采用JCL-DL30等離子體電源，以逆變電源技術(shù)將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給等離子體發(fā)生器，并采用高頻引弧技術(shù)完成等離子體發(fā)生器的自動(dòng)引弧。氣流量控制器采用成都萊峰科技有限公司生產(chǎn)的LF-400S型質(zhì)量流量計(jì)。冷卻機(jī)組采用成都美森制冷設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MGFW-25GT風(fēng)冷柜式水冷機(jī)組，將水箱的去離子水冷卻至設(shè)定溫度供入發(fā)生器。等離子體發(fā)生器引弧過(guò)程如下：在高頻高壓作用下，陰極與引弧電極之間的工作氣體被擊穿而產(chǎn)生原始電弧；然后接通陰極與陽(yáng)極之間的電源，從而促使弧根從引弧電極轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極上形成主??；隨后自動(dòng)斷開引弧極電路，電源以設(shè)定電流給主弧供給電能，最終陽(yáng)極弧根逐漸穩(wěn)定在陽(yáng)極軸向某一位置，并產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體射流。

圖1 湍流等離子體發(fā)生器示意圖

①等離子體專用電源；②氣源與氣流量控制器；③冷卻機(jī)組；④湍流等離子體發(fā)生器；⑤測(cè)量系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)如式(1)和式(2)所示的熱效率、熱焓值公式，需采集弧壓值、冷卻水流量及進(jìn)出口冷卻水溫度?；盒盘?hào)首先經(jīng)過(guò)分壓板，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，弧壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)分壓板，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，National Instruments USB-6210數(shù)據(jù)采集卡以100 ks/s的采樣頻率采集，最后傳遞給裝有LabVIEW采集程序的電腦實(shí)時(shí)記錄。冷卻水進(jìn)出口溫度采用兩個(gè)數(shù)顯測(cè)溫儀(熱電耦式)現(xiàn)場(chǎng)顯示。冷卻水體積流量利用渦輪式質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)顯示。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，將采集所得電壓信號(hào)的平均值作為發(fā)生器弧壓，并讀取3次冷卻水進(jìn)出口溫度取平均值作為冷卻水溫差。最后根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算出各參數(shù)下湍流等離子體發(fā)生器的熱效率η和熱焓值h：

(1)

(2)

式中：U為弧壓；I為弧電流；c為冷卻水的比熱容；ρL為冷卻水密度；Q冷卻水流量；ΔT為冷卻水進(jìn)出口溫差；Gg為工作氣體的體積流量；ρg為氣體密度。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

表1列出了用于研究湍流等離子體發(fā)生器工作特性的工作參數(shù)。純氮?dú)?N2)用作產(chǎn)生等離子體射流的工作氣體。通過(guò)改變保護(hù)氣流量、主氣流量和電流大小，探究湍流等離子體發(fā)生器的弧壓值、熱效率、熱焓值的變化趨勢(shì)。

表1 湍流等離子體發(fā)生器工作參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 弧壓特性

圖3為在不同弧電流和不同保護(hù)氣流量(G)情況下，弧壓隨主氣變化圖。由圖3可知，電流增加，而湍流等離子體發(fā)生器的弧壓會(huì)減小。這是由于在氣體流量一定的情況下，弧電流增加，電弧溫度、電弧截面積和電離粒子密度跟著增加，從而使電弧電阻降低，因此弧壓下降。

圖3 兩種電流下湍流等離子體發(fā)生器弧壓特性

當(dāng)保護(hù)氣流量不變時(shí)，湍流等離子體發(fā)生器的弧壓隨著主氣流量的增加而明顯增加。例如：在保護(hù)氣G=13 L/min時(shí)，主氣流量從13 L/min增至25 L/min過(guò)程中，弧壓從141 V增加到171 V，平均增長(zhǎng)速率為2.5 V/(L·min-1)。由U=IR知，在弧電流一定的情況下，當(dāng)氣體流量增加時(shí)，由于弧柱上的氣動(dòng)力增加，電弧被壓縮得更強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致電弧截面積減小。另外，隨著氣體流量的增加，電離粒子的密度會(huì)降低。因此，電弧截面積和電離粒子密度的減小會(huì)導(dǎo)致電弧的電阻增加。

當(dāng)主氣流量不變時(shí)，保護(hù)氣變化對(duì)弧壓影響很?。涸谄鸪鯐r(shí)，保護(hù)氣高的弧壓偏高，而隨著主氣流量增加，保護(hù)氣高的弧壓會(huì)偏低。而主氣對(duì)弧壓影響更加明顯，因此，為了獲得較高功率工作狀態(tài)下的湍流等離子體，可以在可控范圍內(nèi)適當(dāng)加大主氣流量。

2.2 熱效率特性

圖4為在不同弧電流和不同保護(hù)氣流量情況下，熱效率隨主氣變化圖。由圖4可知，在主氣和保護(hù)氣的氣流量一定時(shí)，湍流等離子體發(fā)生器的熱效率隨著弧電流的增加而下降。這是因?yàn)殡S著弧電流的增加，電弧截面積增加，電離粒子密度增加，導(dǎo)致冷氣層變薄，使得等離子弧向弧室壁面的傳熱加強(qiáng)，冷卻水帶走的熱量增多。因此，弧電流增加，熱效率下降。且在工作范圍內(nèi)，熱效率可達(dá)到66%。

圖4 兩種電流下湍流等離子體發(fā)生器熱效率特性

此外，當(dāng)保護(hù)氣流量不變，I=70 A時(shí)，熱效率隨著主氣流量增加呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)橹鳉饬髁吭黾?，徑向壓力梯度產(chǎn)生的氣動(dòng)力增加，等離子電弧被壓縮得更強(qiáng)烈，從而形成更厚的冷氣層，冷氣層的存在降低了等離子電弧向弧室壁面的徑向傳熱，使得冷卻水帶走的熱量減少，即ΔT變小，則由式(1)可得出，其熱效率增加；在I=100 A時(shí)，主氣流量增加對(duì)熱效率的影響逐漸減小，在主氣流量25 L/min時(shí)，熱效率達(dá)到相同。這是由于電流增加了會(huì)導(dǎo)致熱效率增加，而主氣增加又會(huì)導(dǎo)致熱效率減小。由于兩者增加比例達(dá)到平衡，因此熱效率隨著主氣流量增加趨于穩(wěn)定。當(dāng)主氣流量不變時(shí)，保護(hù)氣的變化對(duì)熱效率影響很小。

2.3 熱焓值特性

圖5為在不同保護(hù)氣氣流量情況下，湍流等離子體發(fā)生器熱焓值隨主氣氣流量的變化情況。結(jié)果表明，在保護(hù)氣一定時(shí)，主氣在10～19 L/min，熱焓值隨著主氣流量的增加而降低；當(dāng)主氣流量不變時(shí)，熱焓值隨著保護(hù)氣的升高而降低。根據(jù)式(2)可得，熱焓值與弧壓、弧電流和熱效率的乘積成正比，與氣體流量成反比。雖然弧壓和熱效率隨著氣體流量的增加而增加，但總的增長(zhǎng)率比氣體流量增加稍微緩慢，從而使熱焓值降低。此外，在主氣為19～25 L/min，熱焓值基本上趨于一個(gè)穩(wěn)定值，這可能是因?yàn)榛汉蜔嵝孰S著氣體流量的增加而增加，其增加速率逐漸與氣流量增加速率一樣。圖5(a)與圖5(b)相比，在主氣和保護(hù)氣的氣流量一定時(shí)，熱焓值隨弧電流的增大而增大，由前面可得，弧壓和熱效率隨著弧電流的增加而降低，但總的下降速率比電流增加速率慢。因此，由式(2)可得，弧電流增大，熱焓值上升。

圖5 不同保護(hù)氣條件下熱焓值隨主氣變化圖

3 結(jié)論

采用自行研制的湍流等離子體發(fā)生器，以純氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了弧電流、主氣和保護(hù)氣流量對(duì)湍流等離子體發(fā)生器的弧壓特性、熱效率特性、熱焓值特性的影響，研究得出以下結(jié)論。

(1) 當(dāng)其他工作條件一定時(shí)，湍流等離子體發(fā)生器的弧壓隨著主氣流量的增加而明顯增加，而保護(hù)氣的變化對(duì)弧壓影響很小；弧電流減小，弧壓會(huì)增加。因此，在保證功率的情況下，電流密度的減小有助于提高等離子體發(fā)生器的電極壽命。

(2) 當(dāng)其他工作條件一定時(shí)，湍流等離子體發(fā)生器的熱效率隨著主氣流量的增加而明顯增加，隨著弧電流增加而降低，且熱效率可達(dá)到66%。當(dāng)主氣流量不變時(shí)，隨著電流上升，保護(hù)氣對(duì)熱效率影響逐漸減小。

(3) 當(dāng)其他工作條件一定時(shí)，湍流等離子體發(fā)生器的熱焓值隨著主氣流量的增加而減小，隨著保護(hù)氣流量的增加而減小，而隨著弧電流增加而增加。且在主氣為19 L/min后，熱焓值會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值。