管式直流电弧等离子体喷枪特性的试验研究

周 法，董永辉，陈 峰，朱兴营，陈海群，欧东斌

(中国航天空气动力技术研究院电弧等离子应用装备北京市重点实验室，北京 100074)

0 引 言

管式直流电弧等离子体喷枪是典型的非转移弧等离子体喷枪，此类等离子体喷枪具有结构简单、维护方便、适用范围广等优点，在国防工业以及冶金、环保、化工、新材料制备等领域得到了广泛的应用。近二十年来，热等离子体技术已经在固废处理、金属冶炼、电力环保、材料处理等多种民用工业领域中得到了广泛的应用。由于电弧热等离子体有对工业应用十分有利的特性[1]，如：高能量密度(107-109J/m3)、导电性、高反应活性、高效率、气氛可控等。目前，电弧等离子体在工业领域的应用非常广泛。例如，在机械加工领域，热等离子体被广泛地用于焊接、切割、喷涂等[2-7]；在冶金方面，热等离子体被用于金属的熔化与重溶、保温以及新冶炼工艺过程等[8-10]；在电力领域，热等离子体被用于煤粉锅炉的等离子体点火，取代燃烧重油，实现电厂无油点火[11-12]；在等离子体化工领域，热等离子体被用于裂解煤制乙炔生产等[13-15]；在材料制取方面，热等离子体被用于制取超细超纯材料粉以及各种合成材料等[16-17]；在环境保护领域，它被用于处理垃圾和有毒有害危险废物等[18-20]。

然而，电弧等离子体喷枪电极运行状况、喷枪热效率、工作气体与电弧电压、电流的关系等对等离子体内在特性和处理过程中的基本物理现象的研究显得尤为重要，也是等离子体喷枪在民用工业应用领域中必须考虑的重要特征参数。

试验通过设定等离子体喷枪电源模块的电流输出值，取4组不同的电流输出情况下，研究气体参数与等离子体喷枪输出功率之间的关系。同时，在试验的过程中，研究气体参数的变化与等离子体喷枪火焰长度的关系。在等离子体喷枪输出效率的计算方面，我们采用间接法测量，通过等离子体喷枪运行过程中冷却水带走的热量损失，来计算喷枪的实际有效热量输出。

1 试验方法与试验过程

试验台示意图如图1所示，等离子体喷枪运行过程中，采用压缩空气作为工作气体，气体流量和压力可调，并且通过流量计和压力表进行监测。喷枪运行过程中通过循环冷却水对前后电极进行冷却，冷却水流量、压力、温度等参数通过流量计、压力表和热电偶分别进行测量。与喷枪出口处射流方向平行布置了一块钢板尺，用于直观测量火焰长度。

图1 试验台及测试方法示意图

实验过程中，通过设定等离子体喷枪电源模块的电流输出值，取4组不同的电流输出情况下，研究等离子体喷枪工作气体参数与等离子体喷枪输出功率之间的关系。同时，在试验的过程中，研究气体参数的变化与等离子体喷枪火焰长度的关系。在等离子体喷枪输出效率的计算方面，我们采用间接法测量，通过等离子体喷枪运行过程中冷却水带走的热量损失，来计算喷枪的实际有效热量输出。

2 试验结果与分析

2.1 气体流量与输出功率之间的关系

分别设置等离子体喷枪电源模块的电流值为180A、250A、325A、395A四组不同的参数，通过调节等离子体工作气体的流量，研究工作气体流量的变化对于等离子体喷枪输出功率的影响。在试验台等离子体喷枪配套工作气体管路管径等条件不变的情况下，气体压力与流量一一对应，我们通过调节管路上气体的不同压力来改变气体的流量，将气体压力参数从0.1 MPa调至0.35 MPa，重复四次，将四组试验数据取平均值，原始数据记录见表1，并从中得出了实验过程中等离子体喷枪工作气体管路上气流量与管道气流压力之间的对应关系曲线，如图2所示。

表1 等离子体喷枪气体流量与压力原始数据记录表

从实验数据得出的图形分析曲线可以看出，等离子体喷枪工作气体可以通过调节气体压力来实现流量控制，在试验研究过程中发现，等离子体喷枪的工作气体压力变化范围为0.1 MPa至0.35 MPa之间，对应的气体流量为7.66 m3/h至20.96 m3/h之间，等离子体喷枪起弧最佳气体参数为0.10～0.15 MPa之间，起弧稳定后逐渐调节气体压力(流量)来调节等离子体喷枪的输出功率。在设定电源模块输出电流值一定的情况下，等离子体喷枪工作气体的流量(压力)与等离子体喷枪的输出功率正相关，随着工作气体流量(压力)的增加，等离子体喷枪输出功率也随之增大，如图3所示。这是因为，随着等离子体喷枪工作气体流量(压力)的增加，等离子体流速也随之增加，增大了等离子体电弧被压缩的程度，导致电弧电压升高。此外，工作气体流量的增大，阳极电弧根向喷嘴下游移动，电弧柱增长，电弧电压也升高。因此，随着工作气体流量(压力)的增加，等离子体喷枪输出功率也随之增大。

图2 气体流量与气体压力之间的对应关系

图3 等离子体喷枪工作气体流量与输出功率之间的关系

试验研究发现，随着等离子体喷枪工作气体流量的增加电弧电压以及电弧电压波动的幅度都相应的增加。当等离子体喷枪电源模块的电流值分别为180A、250 A、325 A、395 A时，随着气体流量的增大(10.11 m3/h增大至20.96 m3/h，增大倍率2.07)，输出功率分别从72.73 kW提升至89.27 kW(增大倍率1.23)、90.72 kW提升至116.72 kW(增大倍率1.29)、107.58 kW提升至141.26 kW(增大倍率1.31)、125.45 kW提升至166.49 kW(增大倍率1.33)。试验过程中发现，随着等离子体喷枪电源模块输出电流值的增大，单位气体流量变化率对于输出功率的变化率(δP/δV)的影响在逐渐增大，如图4所示。这说明，在等离子体喷枪电源模块电流参数增大的情况下，输出功率对于工作气体流量(压力)变化的响应更加灵敏。

图4 不同电流参数条件下单位气体流量变化率对于输出功率变化率的影响

等离子体电弧电压及其波动的幅度在本实验的参数范围内随着气体流量的增加而升高。因此，针对不同实际应用，选取合适的气体流量，小的气体流量虽然使电弧等离子体炬更稳定，但一方面它可能不能满足气体供给的要求，另一方面电弧电压低，电弧等离子体的功率较低，不能满足工业应用的需求；大的气体流量虽然提高电弧电压使电弧等离子体炬的功率提高，但是同时增加电弧等离子体的不稳定性，另外，气体流量越大等离子体射流的焓值降低，降低电弧等离子体炬的效率。

2 等离子体喷枪输出功率及热效率分析

为了使等离子体喷枪工作在一个稳定的状态，并且减小电极的高温腐蚀和烧损，需要对喷枪各个部件进行有效地冷却。在我们的设计中，前后电极(阴极，阳极)和中间件均采用独立水冷。在每个独立水冷管路的入口和出口均布置了K型热电偶，用来测量进出冷却水的温度。

在整个等离子体喷枪试验过程中冷却水流量和压力等参数并没有做调整，基本上是一个固定值，为9.1 m3/h，折合成质量流量约为2.53 kg/s。冷却水进水温度t1=18 ℃保持恒定，等离子体喷枪试验运行过程中，冷却水出口温度分别为t2=19、19.5和20 ℃三种，分三组考核等离子体喷枪输出功率和热效率之间的关系，将不同的等离子体喷枪输出功率和ΔT值按照公式(1)计算出各自条件下的热效率，并得到如图5所示的关系曲线。

(1)

其中，η为等离子体喷枪输出的热效率； UI为喷枪输出电流和电压的乘积(功率)；qw、C和ΔT分别表示冷却水流量(阴极、阳极和中间件)，水的比热和温度变化量。

从试验研究的结果来看，管式电弧等离子体喷枪输出的热效率并不是一个固定值，而是随着等离子体喷枪输出功率的变化而变化，但是电弧等离子体喷枪输出的热效率均在80%以上。

研究发现，电弧等离子体喷枪输出的热效率随着功率的上升不断上升。这是因为每一组试验的喷枪输出功率的增大均是通过增大工作气体氩气流量来实现的，气体流量增大的过程中电弧被不断拉长，等离子体气体和阳极壁面间对流换热损失的能量较小，从而减少了热量损失。因此，从电弧等离子体喷枪的热效率方面来考虑，在等离子体喷枪可以输出的功率范围之内，尽量提升电弧等离子体喷枪的输出功率，尽最大程度的发挥等离子体喷枪的功率输出能力，可以实现更高效率的热量转化效率。

图5 等离子体喷枪工作输出功率与热效率之间的关系

3 等离子体喷枪火焰长度与气量的关系

通过试验研究，我们发现，电弧等离子体喷枪的火焰分为等离子体火焰核心区和等离子体火焰外焰，等离子体火焰的长度与气量(气压)存在一定的关联，将气压从0.15 MPa调至0.35 MPa的过程中，也就是增大气体流量的过程，火焰长度由50 cm左右缩短至20 cm左右，但是等离子体火焰核心区的长度基本维持在15～20 cm这一区间，随着等离子体工作气体气压(气流)的增大，火焰长度逐渐变短、变得更粗，核心区更加明亮耀眼，随着气压(气流)的减小，火焰长度不断增大，但是火焰整体变得更细，核心区长度基本不变，只是等离子体火焰外焰黄色火焰部分拉长了，核心区火焰亮度降低。随着工作气体氩气流量的增大，电弧柱变粗，这是因为等离子体弧柱被压缩程度增大的结果。

等离子体喷枪火焰示意图如图6所示。

图6 电弧等离子喷枪工作示意图

4 等离子体的热力学特性

等离子体喷枪出口处的比焓可以通过水冷却系统进水和出水温度差ΔT按照下式(2)计算得到。通过试验研究，得到气体流量与等离子体喷枪出口处的比焓之间的关系，如图7所示。

(2)

其中，h0是气体进入等离子体喷枪前的比焓，U、I分别表示电弧电压和电流，qw、c和qg分别表示冷却水流量(阴极、阳极和中间件)，水的比热和工作气体的质量流量。

h0取290 K时空气的比焓，h0=292.25 kJ/kg。

图7 等离子体喷枪工作气体流量与气体比焓之间的关系

h1、h2、h3、h4分别为等离子体喷枪电源模块设定输出电流为180A、250A、325A、395A情况下的等离子体喷枪出口处的气体比焓。试验研究发现，不同电流值的情况下，等离子体喷枪出口处气体比焓随着气体流量的增大而不断降低，由于在同一电源模块电流值条件下，气体流量的增加导致等离子体喷枪输出功率的上升，因此，对于等离子体喷枪而言，提升输出功率的同时，喷枪出口处的气体比焓值在逐渐降低。对于同一气流条件下，当等离子体喷枪电源模块设定的电流值增大时，等离子体喷枪出口处的气体比焓值也在逐渐增大。如在气体流量为10.11 m3/h时，当电源模块设定电流值为395 A和180 A的情况下，气体比焓从28.985 MJ/kg降低到了17.395 MJ/kg。

5 结束语

文中针对民用领域200 kW量级管式直流电弧等离子体喷枪，研究了其输出功率以及等离子体喷枪焰流等与工作气体之间的关系。获得了管式直流电弧等离子体喷枪输出功率、等离子体喷枪焰流长度等参数与工作气体流量的变化相关特性。

(1)在保持等离子体喷枪其他条件不变的情况下，随着等离子体喷枪工作气体流量的增加，等离子体喷枪的输出功率也随之逐渐增大，此外，随着等离子体喷枪电源模块输出电流值的增大，单位气体流量变化率对于输出功率的变化率(δP/δV)的影响在逐渐增大。

(2)在等离子体喷枪电源模块输出电流值一定的情况下，等离子体喷枪出口处气体比焓随着气体流量的增大而不断降低，气体流量的增加导致等离子体喷枪输出功率的上升，因此，对于等离子体喷枪而言，提升输出功率的同时，喷枪出口处的气体比焓值在逐渐降低。对于工作气体气流保持一定的情况下，当等离子体喷枪电源模块设定的电流值增大时，等离子体喷枪出口处的气体比焓值也在逐渐增大。

(3)等离子体火焰的长度与工作气体的气量(气压)存在一定的关联，研究得出增大气体流量(压力)的过程，火焰长度逐渐降低，最长50 cm左右，最短20 cm左右。等离子体火焰核心区的长度基本维持在15～20 cm，受气流的影响较小。随着气压(气流)的增大，火焰变得更粗，核心区更加明亮耀眼，随着气压(气流)的减小，火焰长度不断增大。