大氣壓空氣等離子體射流發(fā)生器設(shè)計及實驗研究

董威武，李占賢

(1.華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

空氣等離子體射流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對研究在大氣壓下以空氣為工作氣體并且產(chǎn)生等離子體射流具有重要的意義[1]。目前人們對射流的研究集中在大氣壓冷等離子體放電技術(shù)上[2,3]，而這些射流的工作氣體大多都是諸如氦氣、氬氣等稀有氣體或者是以一些惰性氣體為主的氣體混合物[4]，但這些氣體存在成本高、不利于大規(guī)模應(yīng)用的弊端。空氣射流具有在工作氣體上不受時間地點的限制、成本低廉等優(yōu)勢[5-7]。Nunnally T等[8]發(fā)明了“龍卷風(fēng)”電極結(jié)構(gòu)，其通過旋流進氣式進氣孔道的發(fā)生器結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了對H2S的分解。本文采用類似的進氣方式設(shè)計了等離子體射流裝置，并且設(shè)計了電極的冷卻回路，以這種方式形成的等離子體射流溫度較低，避免了電極的燒蝕、延長了等離子體源的使用壽命，同時兼具了暖等離子體的優(yōu)點，具有更大的能量密度和處理能力。

1 大氣壓空氣等離子體射流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)生器中電極材料和絕緣材料的選擇是發(fā)生器設(shè)計的重點，影響電極選材的因素有材料的電子逸出功、材料的可加工性和材料的傳熱性能，根據(jù)相關(guān)文獻可知，紫銅、鎢、鈰鎢合金和石墨等材料為常用的電極材料，本文設(shè)計的發(fā)生器擬采用紫銅為外部裸露電極材料，鎢作為內(nèi)部電極材料。由于鎢的熔點和沸點非常高，并且在高溫下蒸發(fā)速度慢、膨脹系數(shù)很小，所以很適合用作暖等離子體發(fā)生器的電極。在絕緣材料的選擇上，由于發(fā)生器所用的電源為高頻高壓等離子體電源，因此選用絕緣性能良好的聚四氟乙烯作為內(nèi)外電極連接件的材料，同時用其保證發(fā)生器電極的同軸度。由于聚四氟乙烯材料具有很好的表面自潤滑性，因此可以實現(xiàn)高壓電極的位置移動，同時也存在一定的夾緊力并具有一定的密封特性。發(fā)生器的其余外殼部分選用黃銅作為加工材料。

本文設(shè)計的同軸型空氣射流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示，電弧在接地電極1和高壓鎢棒電極9之間產(chǎn)生，兩者相距最近的距離約為2 mm，通過高速旋轉(zhuǎn)氣流將產(chǎn)生的等離子體吹出產(chǎn)生射流。本發(fā)生器采用分段式結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便電極等易損件更換和電極間距的調(diào)節(jié)。

1-接地電極；2-接地極外壁；3-聚四氟乙烯墊圈；4-高壓極外壁；5-地電極螺母；6-高壓極螺母；7-聚四氟乙烯絕緣棒；8-高壓電極；9-鎢棒電極

1.2 接地電極結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為接地電極結(jié)構(gòu)示意圖，采用了錐形出氣道的方式，這種錐形的結(jié)構(gòu)能夠減少對氣體旋向的干擾，同時也保證了高壓電極和接地電極的距離呈線性變化，使得放電只在電極尖端部位產(chǎn)生，從而保證射流的穩(wěn)定性和內(nèi)部電弧的旋轉(zhuǎn)特性。接地電極外壁也做了相同的圓錐形設(shè)計，能夠使得通入的冷卻氣體均勻分布在整個冷卻腔體內(nèi)，對電極具有較好的冷卻效果。而在接地電極與發(fā)生器外部的連接處，設(shè)計了一個倒錐形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有較好的密封效果。

圖2 接地電極結(jié)構(gòu)示意圖

2 發(fā)生器進氣和冷卻回路的設(shè)計

2.1 進氣結(jié)構(gòu)設(shè)計

等離子體射流的產(chǎn)生主要依靠內(nèi)部氣流將發(fā)生器電極間產(chǎn)生的等離子體從噴嘴處噴出而形成，因此，進氣結(jié)構(gòu)和工作氣體的流量將會直接影響產(chǎn)生的等離子體射流的特性。本文設(shè)計了一種切向進氣環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，保證了所產(chǎn)生的等離子體充滿整個射流區(qū)間，并且通過增加氣流的行程長度來保證放電的穩(wěn)定性。

圖3 發(fā)生器內(nèi)部工作氣體流向

2.2 冷卻回路設(shè)計

在發(fā)生器工作過程中，為了減少電極燒蝕，需要對內(nèi)、外電極進行冷卻。由于采用氣冷進行冷卻，因此電極與外壁之間采用緊配方式，并且加裝密封圈來預(yù)防可能產(chǎn)生的漏氣問題。發(fā)生器內(nèi)冷卻氣體流向如圖4所示，高流速氣體從氣口1進入氣口2流出，在此期間冷卻氣體將充滿整個接地電極與外壁之間的空間，以達到對接地電極冷卻的目的，隨后冷卻氣流入氣口3，最后從氣口4流出。由于整個高壓電極內(nèi)部設(shè)計了冷卻氣流回路，因此可以保證氣流能對高壓電極產(chǎn)生一個很好的降溫效果。

圖4 發(fā)生器內(nèi)冷卻氣體流向

3 發(fā)生器放電實驗

3.1 發(fā)生器放電實驗測量系統(tǒng)搭建

本次實驗裝置的供電電源為南京蘇曼低溫等離子體實驗電源CTP-2000K，可支持在0～30 kV范圍內(nèi)輸出電壓，輸出頻率為0～30 kHz。用于電壓電流采樣的測試系統(tǒng)主要包括電壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Tektronix TCP202)以及用于處理采樣信號的示波器(Tektronix DPO4034)，攝像機為Nicon D7000單反相機。搭建的空氣等離子體射流實驗平臺如圖5所示。

圖5 空氣等離子體射流實驗平臺

3.2 工作氣體流量對放電現(xiàn)象的影響

用所設(shè)計的發(fā)生器進行實驗，保持頻率在24.2 kHz穩(wěn)定狀態(tài)下，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕至示波器顯示電壓為6 kV。在無氣體流量時，此時放電現(xiàn)象為弧根約束放電；當(dāng)氣體流量增加到0.5 L/min時，可以看到微弱的氣流推動電弧根在接地電極圓柱內(nèi)部旋轉(zhuǎn)；當(dāng)氣流增大到2 L/min左右時，放電區(qū)形成明亮的區(qū)域，放電狀態(tài)由約束弧根轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒒「?；?dāng)氣流量增大到3 L/min左右時，發(fā)生器端口開始產(chǎn)生等離子體，判斷此時應(yīng)是電弧弧根隨氣流沿電極軸向下移動，導(dǎo)致產(chǎn)生的等離子體逐漸外溢；繼續(xù)增大氣流至4 L/min左右時，發(fā)生器端口出現(xiàn)等離子體射流，而據(jù)實驗所采集的數(shù)據(jù)來看，發(fā)生器射流長度最長時對應(yīng)的氣體流量約為4.5 L/min左右，此時射流長度約為12 mm，但并不穩(wěn)定，而隨著氣體流量的增大，射流長度逐漸縮小。不同氣體流量對應(yīng)的射流長度如圖6所示。

圖6 不同氣體流量對應(yīng)的射流長度

4 結(jié)語

本文設(shè)計了在大氣壓空氣環(huán)境下工作的等離子體射流發(fā)生器，選擇了發(fā)生器的進氣模式，對工作氣體的流量和冷卻方式進行了一系列的設(shè)計，并對氣體流量對放電現(xiàn)象的影響進行了實驗探究。實驗結(jié)果表明：等離子體發(fā)生器工作氣體的流量會對氣體放電的狀態(tài)產(chǎn)生顯著的影響，射流長度會隨著氣體流量的增加呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢。