大功率长寿命电弧等离子体炬的研制

大功率长寿命电弧等离子体炬的研制 核 聚 变 与 离 子 体 物 理 第 20 卷 第 4 期 等 V o l. 20, N o. 4 2 0 0 0 年 12 月 2 0 0 0 N uc lea r F u sio n P la sm a P h y sic s and D ec. () 文章编号: 0254- 6086 200004- 0246- 05 大功率长寿命电弧等离子体炬的研制 冯晓珍, 尹猷钧, 程昌明, 李裔红, 张传成, 张开武, 郝宏光, 彭建飞 ( )核工业西南物理研究院, 成都 610041 摘 要: 通过对大功率长寿命等离子体炬的基本特性的深入了解, 得到了一套完整的等离子 体炬运行参数。制成的等离子体炬功率在 80, 250之间可任意调节, 弧电压最高达到 490, 热 kW V 效率最高达到 73% , 等离子体射流长度大于 40。研制的等离子体系统运行稳定, 性能可靠, 阴极cm - 1 烧损量仅为 4. 1?。 该等离子体炬已成功地应用于三废处理实验中, 运行时间已超过 100。ngC h 关键词: 电弧等离子体炬; 伏安特性; 阴极烧损 中图分类号: 539 文献标识码: O A 引言1 () () 等离子体开发的核心技术是等离子体发生器 炬和反应器 炉。 热等离子体发生器 1, 2 的种类较多, 其形式有: a. 直流非转移弧型; b. 直流转移弧型; c. 交流弧型; d. R F 感应耦合 型; e. D C 和 R F 混合型; f. 燃烧型。 其中直流电弧型等离子体发生器应用得最多, 这种发生器 按它的结构和电弧在发生器的位置可分为轴线型和同轴型, 有中心电极的轴线型发生器、固定 弧长型发生器、空心阴极发生器等。轴线型发生器的特点是电弧主要被稳定在弧室的中心轴线 上, 常用于切割、喷涂、等离子体化工等方面。 固定弧长型发生器的特点是可以提高寿命, 容易得到平坦的或上升型的等离子体伏安特性, 有利于电弧的稳定工作。 直流电弧等离子体发生 器, 在工业应用中, 功率已达到 10。目前国外许多种类型的等离子体反应器和发生器已经 M W 商品化, 国内等离子体反应器和发生器的研制正处在研究发展阶段。 型等离子体炬的结构与特点948 2 P 2. 1 等离子体炬的结构 型电弧等离子体炬是属于固定弧长型发生器。它主要由四个部件组成: 阴极、启动阳 948 P ()()()极 第一阳极、中间阳极 第二阳极、大阳极 第三阳极。这些部件可以单独进行拆换和检漏, 使用和维修较方便。 图 1 是 型电弧等离子体炬示意图。948 P 收稿日期: 2000- 03- 02; 修订日期: 2000- 07- 15 () 作者简介: 冯晓珍 1956—, 女, 四川省内江市人, 毕业于上海复旦大学核物理专业, 主要从事受控核聚变 图 1 P 9478 型电弧等离子体 2. 2 等离子体炬的特点 a. P 948 型等离子体炬阴极采用难熔金属钨合金制成, 发射电极嵌装在导热性较好的铜 中心, 可以方便地拆装更换。阴极部件小巧, 包括铜座重量约为 80g, 采用冷却水强制冷却 弧工作气体采用旋流氮气, 以保护阴极不易氧化, 提高使用寿命和使弧稳定工作。 b. 等离子体炬采用了中间插入段固定弧长型, 弧电压可由 200V 提高到 500V 左右, 实 ) 了低电流下的高功率输出。 采取这个措施带来如下好处: 减少热辐射损失, 提高电热转换 a ) ) 率; 减少外电路损耗, 提高有用功率; 避免了大电流传输的困难。 b c c. 在等离子体炬第三阳极段外部安装有螺旋管磁场线圈, 使阳极弧斑快速旋转, 弧斑不 定在电极某一处以免局部温度过高而烧蚀。 d. 等离子体炬的所有工作气体均采用旋流进气, 用气动力使弧点在电极表面高速运动 长电极寿命并使弧稳定工作。 ) 采用多种电极水冷却结构, 保证电极不易烧损: 螺旋式导水通道冷却水结构, 强制 . ea ) 却水旋转流动, 快速带走电极上的热负荷; 直流式微旋转冷却水结构, 用导流内筒把水流 b ) 开, 使水流环绕冷却电极面由内向外流, 进水管与轴线有一定角度使水呈旋转流动; 多孔 c 核聚变与等离子体物理 248 第 20 卷 等离子体炬特性的实验结果与讨论3 实验测量了等离子体炬的特性, 如等离子体炬伏安特性、电热转换效率和等离子体射流总焓与各外界参数的关系。 3. 1 等离子体炬的伏安特性测量 等离子体伏安特性表示电弧稳定工作时弧电压与电流之间的关系。 等离子体炬伏安特性 主要受阴极、结构和几何尺寸, 电弧长度及工作气体种类和流量等因素的影响。 图 2 是实 验测量的 型等离子体炬伏安特性曲线。从图 2 中可见, 此种类型的等离子体炬的伏安特 948 P 性是平坦型, 即增加弧电流, 弧电压变化不大, 这样调节电流就可以达到稳定调节功率之目的。 3. 2 等离子体炬的电热转换效率和气体总焓测量 1 , 3 电能通过等离子体炬转变成热能, 但这些 热能 并不是全部被用于加热气体, 这是因为冷却 水带走了由电弧的热传导和热辐射损失的一部分 热量。 等离子体炬的有效热功率 Q 为: ()1 Q = ΓIU () 为 弧 电 压式 中, Γ 为 热 效 率; I 为 弧 电 流 A ; U ()V 。热效率为: 图 2 等离子体炬伏安特性曲线 = 1 - W ( ) () C t - qt 1 U I 2 ƒΓ = Q ƒIU p 弧电压; V 电源电压。 工作 U - 1 () 式中 , W q 为冷却水流量 g r s ; C p 为水比热- 1气体流量为 7. 76?。 gs- 1 - 1 () () kJ r gr ?; t 为水温 ?。 这里忽略了辐射 损失等。 由于气体热焓与气体温度具有函数关系, 通常由测量总焓得到等离子体射流温度。等离子 体气体总焓为: U I ()3 H = ΓQ g - 1 - 1 () () 式中, Q g 是气体质量流量 g r s; H是气体总焓 kJ g。r 由实验测量的热效率与弧功率的结果如表 1 所示。 表 1 实验测量的热效率与弧功率 弧压ƒV 弧流ƒA 功率ƒkW 热效率 Γ ƒ% 430 200 86 69 440 200 88 71 430 250 107 68 460 300 138 72 480 300 144 74 路的损耗加大, 造成热效率降低。 3. 3 工作气体流量对等离子体炬参数的影响 电弧功率、热效率和总焓与工作气体流量的关系的实验测量结果如图 4 所示。增加工 体流量可一定程度地提高弧电压, 增加弧功率。随着气体流量增加, 气体流速也增加, 对弧 冷却作用加剧, 电弧的压缩程度增加, 电弧截面变细, 使电弧电压增加。另外, 流量增加, 弧长 有一定加长, 使弧压有所提高。但对不同的炬结构, 气体流量的增加是有一定限度的, 否则会 致电弧不稳定而熄灭。 还可以看出, 气体流量增加热效率有少量增加, 因此可以认为在气体 量变化不大的情况下, 气体流量对热效率影响不大。 ()图 3 热效率和总焓与等离子体炬功率 P 电弧功率、热效率和总焓与工作气体流 4 图 的关系 () 量 的关系 W ; H 热效率总焓。 工作气体流量为 7. 76g?s。Γ 总焓。 电弧功率; Γ 热效率; H P 由 3 可见, 气体流量与热焓成反比关系, 因此气体流量增加导致热焓下降, 使等离 体射流温度降低。 在使用中要注意气体流量与其它参数的搭配。 在表 2 中给出以 型等离子体炬与俄罗斯等离子体炬的典型参数, 以供比较。948 P 型等离子体矩和俄罗斯炬参数的比较 948 表 2 P 俄罗斯炬 P 948 炬 80, 250 , 250 80功率ƒkW , 490 , 500 弧电流ƒ弧电压V A 电ƒ 等离子180, 550 180, 550 热转换效率% ƒ 体射流长度ƒcm , 73 , 73 3 - 1工作气体流量?ƒm h > 40 > 40 20, 40 20, 40 核聚变与等离子体物理 250 第 20 卷 - 1 标相同。等离子体炬功率最高达到 250, 热效率 73% , 总焓 21?, 阴极烧蚀率 4. 1? kW kJ gn g- 1 , 经寿命考验实验, 连续稳定运行时间超过 50, 并应用于皂化废液粉末处理实验中约C h 50, 累积总运行时间约 100。 该等离子体炬适用于等离子体化工与三废处理领域。h h 感谢王经权和耿曼同志对设计加工图纸的审查, 田忠玉和程仕清对项目的指导与参与, 参 加工作的还有赵雁、王海霞、杨述、石曼莉。 参考文献 2, . [. 21 F eng X iao zh enT ian Zho ngyuT h e Im p ro vem en t o n T rea tm en t o f P u lp W a ste L iquo r A T h e nd A siaP ac if ic Co nfe rence o n P la sm a Sc ience and T ech no lo gy [ C . Ko rea: 1992. 375. C B 德列斯文 1 低温等离子体物理及技术[M ] 1 北京: 科学出版社, 19801 15- 301 2 茹科夫著, 赵华学译 1 热等离子体实用动力学 [M ] 1 北京: 科学出版社, 19821 50—801 3 D EVELO PM ENT O F H IGH POW ER A RC PL A SM A TO RCH W ITH LO NG L IFE 2222, , , , F EN G X iao zh en Y IN Yo u ju n CH EN G C h an gm in gL I Y iho n g 2222, , , ZHA N G C h u an ch en gZHA N G K a iw u HA O H o n g gu an gP EN G J ian fe i (), 610041So u thw e ste rn In st itu te o f P h y sic sC h engdu A bstra c t: A com p le te se t o f p la sm a to rch op e ra t in g p a ram e te r s is o b ta in ed th ro u gh 2deep go in g u n de r stan d in g o f th e b a sic p rop e r t ie s o f a h igh pow e r a rc p la sm a to rch w ith lo n g . 80, 250lifeT h e com p le ted p la sm a to rch h a s an ad ju stab le pow e r in th e ran ge o f kW w ith 490, 73% 40. a rc vo ltage up to V th e rm a l eff ic ien cy up to an d je t len g th m o re th an cmT h e , 4. 1?p la sm a to rch sy stem op e ra te s stab ly an d re liab lyan d th e ca tho de b u rn up is o n ly n g - 1. C T h is p la sm a to rch h a s su cce ssfu lly op e ra ted in w a ste d ispo sa l exp e r im en t s fo r m o re th an 100 .ho u r s : ; ; Key word sA rc p la sm a to rchV o ltage cu r ren t ch a rac te r ist icC a tho de b u rn up