湍流等離子體發生器工作特性實驗

何潤東， 曹修全*， 徐浩銘， 馬耀明， 趙明波， 鐘柳花

(1.四川輕化工大學機械工程學院， 宜賓 644000； 2.成都航利航空科技有限責任公司， 成都 610000)

由于湍流等離子體射流具有溫度高、熱效率高、對所處理材料無嚴格要求等諸多優點，常被用于危廢處理[1-2]、材料加工[3-6]等諸多領域[7-9]。為了滿足不同應用領域對湍流等離子體射流特性的要求，國內外學者在湍流等離子體發生器結構設計及其工作特性等方面開展了諸多研究工作。

在湍流等離子體發生器結構設計方面，Joseph 等[10]、翟長生等[11]設計了一種兩極式等離子體發生器，即等離子體電弧直接在陰極和陽極之間產生，但該發生器所產生的射流穩定性較差，電極燒蝕較嚴重，弧壓低，只能通過增大電流來提高其工作功率。Schein等[12]、高陽[13]提出了一種多陰極或多陽極式湍流等離子體發生器結構，即采用多個陰極或陽極同時工作的方式代替單個電極的工作方式，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，進而降低電極的燒蝕速率，但是其結構復雜，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生器結構，即在陰陽極間增加多個中間電極，從而延長等離子體電弧通道達到增加等離子體電弧弧壓的目的，進而在相同功率下降低了等離子體發生器的工作電流，延長電極使用壽命，但是該類型發生器容易產生雙弧現象，從而造成電極的燒蝕。

在湍流等離子體發生器工作特性方面，Rat等[16-17]研究了電弧的亥姆霍茲振蕩現象、陽極弧根運動等因素對等離子體射流穩定性的影響。Schein等[12, 18]基于多陽極或多陰極式湍流等離子體發生器，通過實驗得出：湍流等離子體射流長度隨著氣流量增加而增長；在相同工作狀態下，與加入氮氣相比，在氬氣中加入氦氣的湍流等離子體射流長度明顯更長，且通過數值模擬得出的結果與實驗相吻合。Cao等[19-20]探究了注氣角度對等離子體發生器工作特性的影響；以及研究了分段式等離子體發生器的引弧過程特性。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生器結構(TCCPT)，即采用三個陰極、一個陽極和中間電極組成。實驗結果表明，提出的TCCPT在工作過程中電弧電壓波動較小，在5.3%以內；且適用于尺寸較大的金屬粉末的球化。Zhukov等[22]通過實驗和仿真研究了不同等離子體發生器的工作特性。

綜合上述文獻分析，中外學者主要側重于單路進氣式的湍流等離子體發生器結構設計及其工作特性方面的研究，而對于兩路進氣式等離子體發生器的研究還有待加強。因此，現基于自行設計的兩路進氣式湍流等離子體發生器，通過改變保護氣、主氣氣流量和電流大小，研究其對工作弧壓、熱效率和熱焓值的影響。

1 實驗與方法

1.1 實驗裝置

提出了一種非轉移型直流電弧湍流等離子體發生器，如圖1所示。該發生器主要由陰極、陽極和引弧電極及其組件構成。該發生器結構特征在于采用一路冷卻水以串聯的方式冷卻陰極和引弧電極，而單獨采用一路冷卻水冷卻陽極；保護氣以切向供入的方式從陰極根部供入弧室內，主氣則從引弧電極和陽極之間切向供入發生器弧室內。所采用的等離子體發生系統如圖2所示，主要由湍流等離子體發生器、等離子體專用電源、氣源與氣流量控制器、冷卻機4部分組成。等離子體專用電源是采用JCL-DL30等離子體電源，以逆變電源技術將三相交流電轉換為直流電供給等離子體發生器，并采用高頻引弧技術完成等離子體發生器的自動引弧。氣流量控制器采用成都萊峰科技有限公司生產的LF-400S型質量流量計。冷卻機組采用成都美森制冷設備有限公司生產的MGFW-25GT風冷柜式水冷機組，將水箱的去離子水冷卻至設定溫度供入發生器。等離子體發生器引弧過程如下：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生原始電弧；然后接通陰極與陽極之間的電源，從而促使弧根從引弧電極轉移到陽極上形成主弧；隨后自動斷開引弧極電路，電源以設定電流給主弧供給電能，最終陽極弧根逐漸穩定在陽極軸向某一位置，并產生穩定的等離子體射流。

圖1 湍流等離子體發生器示意圖

①等離子體專用電源；②氣源與氣流量控制器；③冷卻機組；④湍流等離子體發生器；⑤測量系統

1.2 實驗方法

根據如式(1)和式(2)所示的熱效率、熱焓值公式，需采集弧壓值、冷卻水流量及進出口冷卻水溫度。弧壓信號首先經過分壓板，再經光電轉換模塊傳遞給數據采集卡，弧壓信號首先經過分壓板，再經光電轉換模塊傳遞給數據采集卡，National Instruments USB-6210數據采集卡以100 ks/s的采樣頻率采集，最后傳遞給裝有LabVIEW采集程序的電腦實時記錄。冷卻水進出口溫度采用兩個數顯測溫儀(熱電耦式)現場顯示。冷卻水體積流量利用渦輪式質量流量計現場顯示。為了保證測量結果的準確性和科學性，將采集所得電壓信號的平均值作為發生器弧壓，并讀取3次冷卻水進出口溫度取平均值作為冷卻水溫差。最后根據式(1)和式(2)計算出各參數下湍流等離子體發生器的熱效率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為冷卻水進出口溫差；Gg為工作氣體的體積流量；ρg為氣體密度。

1.3 實驗條件

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

表1 湍流等離子體發生器工作參數表

2 實驗結果與分析

2.1 弧壓特性

圖3為在不同弧電流和不同保護氣流量(G)情況下，弧壓隨主氣變化圖。由圖3可知，電流增加，而湍流等離子體發生器的弧壓會減小。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生器弧壓特性

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

當主氣流量不變時，保護氣變化對弧壓影響很小：在起初時，保護氣高的弧壓偏高，而隨著主氣流量增加，保護氣高的弧壓會偏低。而主氣對弧壓影響更加明顯，因此，為了獲得較高功率工作狀態下的湍流等離子體，可以在可控范圍內適當加大主氣流量。

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，在主氣和保護氣的氣流量一定時，湍流等離子體發生器的熱效率隨著弧電流的增加而下降。這是因為隨著弧電流的增加，電弧截面積增加，電離粒子密度增加，導致冷氣層變薄，使得等離子弧向弧室壁面的傳熱加強，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，熱效率可達到66%。

圖4 兩種電流下湍流等離子體發生器熱效率特性

此外，當保護氣流量不變，I=70 A時，熱效率隨著主氣流量增加呈增加趨勢。這是因為主氣流量增加，徑向壓力梯度產生的氣動力增加，等離子電弧被壓縮得更強烈，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，主氣流量增加對熱效率的影響逐漸減小，在主氣流量25 L/min時，熱效率達到相同。這是由于電流增加了會導致熱效率增加，而主氣增加又會導致熱效率減小。由于兩者增加比例達到平衡，因此熱效率隨著主氣流量增加趨于穩定。當主氣流量不變時，保護氣的變化對熱效率影響很小。

2.3 熱焓值特性

圖5為在不同保護氣氣流量情況下，湍流等離子體發生器熱焓值隨主氣氣流量的變化情況。結果表明，在保護氣一定時，主氣在10～19 L/min，熱焓值隨著主氣流量的增加而降低；當主氣流量不變時，熱焓值隨著保護氣的升高而降低。根據式(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穩定值，這可能是因為弧壓和熱效率隨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，在主氣和保護氣的氣流量一定時，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 不同保護氣條件下熱焓值隨主氣變化圖

3 結論

采用自行研制的湍流等離子體發生器，以純氮氣為工作氣體，通過實驗研究了弧電流、主氣和保護氣流量對湍流等離子體發生器的弧壓特性、熱效率特性、熱焓值特性的影響，研究得出以下結論。

(1) 當其他工作條件一定時，湍流等離子體發生器的弧壓隨著主氣流量的增加而明顯增加，而保護氣的變化對弧壓影響很小；弧電流減小，弧壓會增加。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生器的電極壽命。

(2) 當其他工作條件一定時，湍流等離子體發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，且熱效率可達到66%。當主氣流量不變時，隨著電流上升，保護氣對熱效率影響逐漸減小。

(3) 當其他工作條件一定時，湍流等離子體發生器的熱焓值隨著主氣流量的增加而減小，隨著保護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，熱焓值會趨于一個穩定值。