空气暖等离子体射流发生器降温系统设计

刘振华,黄宝旺,李占贤

(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 063210)

利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管中喷出,在无约束的外界环境中作定向流动,等离子体射流技术在航空航天、点火推进以及生物医学等领域均有应用[1-6].等离子体射流通常使用惰性气体作为工作气体,其产生的射流温度较低,放电方式多为介质阻挡放电.相对于惰性气体,空气作为工作气体产生的等离子体反应活性更高,由于不受时间、空间的限制从而具有更大的优越性[7-10].另一方面,以滑动弧放电[11]为基础产生的暖等离子体可以产生多种活性粒子,具有高反应活性,在杀菌消毒、材料表面处理等领域效果明显.暖等离子体射流温度较高,但过高的射流温度不仅会导致铝等较低熔点的处理材料产生变形,而且会影响等离子体射流发生器的使用寿命,因此,实验中等离子体射流发生器部分多引入冷却系统[12-13].

传统等离子体射流发生器的冷却系统,多采用去离子水冷却发生器壳体来实现.便携式空气等离子体发生器克服了包含大体积电源以及气源设备的传统离子体发生器笨重、难以移动的缺点,具有广泛的应用前景.水冷却尽管可以起到降低便携式空气等离子体射流发生器壳体温度的作用,但是,在野外等一些环境,使用水冷却系统可能会导致不便,并且不能直接冷却射流区.另一方面,以空气作为冷却气体也可以起到降温的效果,空气作为介质的冷却系统在分子泵、激光器冷却等领域已经得到了应用,与水冷不同,气冷系统可以直接对射流区进行冷却,在保留暖等离子体活性成分的基础上降低其射流温度,克服水冷系统笨重、难以移动的缺点,满足便携等条件,方便在野外等特定环境应用.降低射流温度对被处理材料有帮助,扩宽被处理材料适用范围,在应用暖等离子体高活性粒子的同时保持材料特性不发生形变,延长电极与发生器使用寿命,但是,空气作为冷却介质进行便携式等离子体射流降温处理的研究鲜有报导,因此,开展空气暖等离子体射流发生器空气降温系统设计研究具有重要的意义.本文以滑动弧放电空气暖等离子体射流发生器为研究目标,通过对接地电极的改造,使得引入的冷却气体与工作气体在高压电极轴线处混合,研究工作气体流量、放电电压、频率对暖等离子体射流温度影响的规律.

1 空气等离子体发生器结构设计

1.1 发生器结构设计

实验中空气暖等离子体射流发生器外部壳体选用导热性良好的黄铜材料,为方便两电极之间间距的调节,避免出现因电极烧蚀而影响正常工作问题,发生器采用可拆卸分体结构设计.发生器腔体空间内加入聚四氟乙烯垫圈,增加装置气密性.在高压电极与发生器壳体之间设计一个聚四氟乙烯绝缘件,绝缘件具有较高的润滑度,方便调节高压电极位置以及保持电极同轴度.旋流进气结构可以使工作气体在放电空间中旋转,增大放电空间气体压力,保证工作气体在放电空间中实现更长时间停留[11].实验中采用了旋流进气结构,设计了切向进气环.图1给出了暖等离子体射流发生器结构示意,为增大腔体内部气体压力,使放电更加稳定,实验中发生器进气口6相对于水平线偏移30°.

1.2 发生器电极设计

锥形结构相对于圆形电极结构尖端场强更高,击穿电压更小,更有利于放电的进行,实验中高压电极采用锥形结构.图2a和图2b分别给出了高压电极和地电极的实物图.钨具有熔点高(3 380 ℃)、热膨胀系数小等特点,实验中将钨作为高压电极材料,铜作为地电极材料.传统金属锥形电极不设有冷却射流的通路,为了保证射流稳定以及冷却气体对射流的冷却效果,在传统金属锥形地电极结构位置引进了2个孔径为1.5 mm斜孔,2个斜孔可以保证进入腔体的冷却气体在进入接地电极喷管后实现围绕等离子体射流冷却.冷却气体与工作气体充分混合,与等离子体射流一起向下游喷出,达到降低发生器系统的射流温度目的.

图2 高压电极实物(a)及接地电极实物(b)Fig.2 Pictures of high voltage electrode (a) and earth electrode (b)

1.3 冷却结构设计

为了保证离子体射流发生器使用寿命,通常会对射流发生器的放电部位以及发生器壳体进行水循环冷却,但是,这种冷却系统不利于携带,使用成本较高.希望通过气冷取代传统水冷却系统,图3给出了等离子体射流发生器冷却回路示意.来自气口1的冷却气体进入并充满高压电极腔体后,经气口2流出进入气口3随之对接地电极进行冷却,保证在地电极与发生器壳体中间的腔体空间内充满冷却气体,冷却气体通过地电极上斜孔进入地电极喷管内部对射流进行冷却,最后冷却气体与工作气体混合一起向下游喷出.

图3 等离子体发生器冷却回路示意Fig.3 Diagram plasma generator cooling loop

本实验系统包括电源系统、温度测量系统、图像采集系统、供气系统、电特性分析系统.发生器的工作介质为空气,无油空气压缩机(TYW-2A)与浮子流量计(0～20 L/min)为暖等离子体射流发生器提供工作气体,流量为0～11 L/min,冷却气体为常温常压下空气(此次实验冷却气体温度为23 ℃),冷却气体控制流量为9 L/min.在射流喷口2 mm处的K型热电偶用来测量射流温度,Nicon D7000单反相机记录放电现象,南京苏曼低温等离子体实验电源CTP-2000K作为供电电源,电压探头(Tektronix P6015A)、电流探头(Tektronix TCP202)与示波器(Tektronix DPO4034)实现对发生器电压和电流的采样分析.

2 实验结果及讨论

图4a和图4b给出了在5.5 kV恒定放电电压下引入冷却气体前、后射流温度与工作气体流量和放电频率的关系曲线.由图4可以看出,射流温度随放电频率或工作气体流量的增加而减小,虽然冷却气体的引入并不改变上述的关系,但是,冷却气体的引入明显降低了射流温度.因为空气等离子体中各种粒子质量不同,电性、所带电荷也有区别,所以,在交变电场作用下运动行为不同,粒子间的碰撞不仅可能包含物理学中的弹性碰撞和非弹性碰撞,而且带电粒子也会受到附近其他带电粒子电场的共同作用.放电频率越高,粒子间碰撞次数越多.粒子碰撞过程也是一个能量传递的过程,高能粒子会在碰撞过程中损失能量,放电频率越高,高能粒子损失能量越多.由于射流温度主要决定于高能粒子的能量,因此,放电频率越高射流温度越低.另一方面,在大气压下,工作气体流量直接影响放电区的热量,气体流量越大,气体带走的热量越多,导致射流温度越低.为了进一步对比冷却气体引入后的降温效果,图4c给出了冷却气体引入后的射流温度的降低与频率以及气体流量的变化关系.在23 kHz频率下,对应7 L/min流量,引入冷却气体后射流温度降低了298.3 ℃.另一方面,在流量11 L/min、频率23 kHz条件下,射流温度降低了151 ℃.在相同的放电电压下,相对于放电频率,气体流量对射流温度影响更大.

a.无冷却气体;b.引入冷却气体;c.引入冷却气体后的降低温度图4 射流温度与工作气体流量和放电频率的关系Fig.4 Relationship between jet temperature, working gas flow rate and discharge frequency

在5.5 kV恒定放电频率下,引入冷却气体前后,工作气体流量和放电电压对射流温度影响的关系曲线如图5a和图5b所示.射流温度随工作气体流量的增加而减小,但是,射流温度随放电电压的增大而增大.在没有引入冷却气体前,在22 kHz频率、7 L/min气体流量下,对应3.5 kV时的射流温度为445 ℃,当电压升至5.5 kV时,射流温度为471 ℃.在恒定的放电频率和工作气体流量下,放电电压增加致使电场强度增加,等离子体获得更多能量,宏观气体温度随之升高,因此,提高放电电压可以导致射流温度的增加.引入冷却气体后,在22 kHz频率、7 L/min气体流量下,对应3.5 kV时的射流温度降至151.3 ℃.图5c给出了冷却气体引入后的射流温度的降低与放电电压以及气体流量的变化关系.可以看出,引入冷却气体后所降低的射流温度随放电压的增加略微增加,在5.5 kV、22 kHz、7 L/min条件下,引入冷却气体使射流温度降低了302 ℃.另一方面,冷却气体对射流温度的降低随着气体流量增加而减小,在5.5 kV、11 L/min条件下,温度降低仅为169 ℃.

3 结论

以空气取代去离子水作为便携式等离子体发生器的冷却介质,采用了旋流进气结构并设计了切向进气环,在增加冷却系统的基础上,实验探索了以空气同时作为工作气体和冷却气体的暖型等离子体射流发生器.研究发现,当气体流量和放电频率增大时,射流温度下降,而当放电电压增大时,射流温度升高.气体流量越大,气体带走的热量越大,导致射流温度越低.放电频率越高,粒子间碰撞次数越多,高能粒子损失能量越多,射流温度越低.放电电压增加致使电场强度增加,等离子体获得更多能量,宏观气体温度随之升高.冷却气体的引入极大地降低了射流温度,研究结果对等离子体风冷系统的设计和应用提供了重要实验参数.