[实用新型]一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬

说明书

技术领域

本实用新型涉及用来加热气体的直流非转移弧等离子体炬技术领域，具体是一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬。

背景技术

电弧等离子体炬是将气体温度提升到3000K以上的最常用的加热器。直流电弧等离子体炬分为转移弧和非转移弧两种基本形式：当电弧的阳极和阴极不在同一个等离子体炬体上时，为转移弧等离子体炬；当电弧的阳极和阴极位于同一个等离子体炬体上时，为非转移弧等离子体炬。非转移弧等离子体炬是依靠在等离子体炬内电弧放电产生等离子体射流或高温气体射流，然后再加以利用，如高温喷涂、冶金加热、材料表面处理、化工材料生产、辅助燃烧、废物再生等。

目前，影响电弧等离子体炬使用的两个关键因素是电极使用寿命短和能量利用效率低（热损耗大），如100~200KW量级的空气非转移弧等离子体炬，通常只有不到100小时的电极寿命，能量利用效率也只有60~70%左右。以前的实用新型多注重于解决局部问题，如采用大体积井型冷阴极延长阴极使用时间（ZL 200420063609.5、USP 003806698、USP 05239162），采用突扩型阳极喷嘴提高阳极寿命（USP 5296670、USP 5374802、USP4587397），采用电磁线圈（USP 3869593、CN 2479380Y）、多段气流控制（ZL 200420063609.5、USP 003806698、USP 05239162）提高电极寿命等。这些实用新型虽然提高了等离子体炬的电极寿命，但却降低了其他面的某些方性能。例如，井型冷阴极相对于棒状热阴、突扩型阳极喷嘴相对于直管型阳极喷嘴，因促使电极弧根移动的气流引起的对流传热的增加，以及电极面积的增大，使能量损耗显著增加；此外，突扩型阳极喷嘴的弧压波动是直管型阳极喷嘴的两倍以上；电磁线圈、多段气流控制虽能提高电极寿命，但增加了等离子体炬的结构复杂性，使用和维护变得更加困难，此外由于也增加了等离子体炬的外形尺寸，给等离子体炬与其它装置设备的配合带来了困难，限制了等离子体炬的使用场合。 

众所周知，阴极和阳极的损耗速率随着电弧电流的上升而迅速增加，因此降低电弧工作电流是提高阴极和阳极寿命的最直接和最有效的手段。在功率一定的条件下，降低电弧电流就必须提高电弧电压，而在电弧电流一定时，增加电弧电压即可提高电弧功率。因此，提高电弧电压是提高电弧功率和电极寿命最有效的方法。此外，提高弧根移动速度和跳动频率是降低阳极损耗速率、延长阳极寿命的有效手段。

等离子体炬的能量损失主要来自弧根对电极的加热以及弧柱与弧室之间的对流传热和辐射换热。其中对流传热最大，而辐射换热最低，几乎可以忽略。弧根对电极的加热随着电弧电流的上升而增加，因此降低电弧电流即可降低弧根在阴极和阳极上的能量损耗。冷阴极弧根对电极传热大于热阴极。电弧与电极之间的对流传热主要来自于因控制电极弧根行为而产生高温气体的紊流。综上，降低电弧电流可以降低弧根对电极的加热；采用热阴极（固定阴极弧根）代替冷阴极，可以避免冷阴极方式下弧根对电极的加热以及高温气体紊流对电极的传热；减小紊流区高温气体与电极的接触面积以及减小阳极喷嘴的内表面积，可以降低弧柱与弧室之间的传热；在非弧根紊流区增加阳极壁热阻，可以降低高温湍流气体与阳极壁的对流传热。

由以上分析可知，提高电弧功率、热效率和电极寿命的主要方法在于提高电弧电压，其次在于降低高温气体与电极之间的对流传热。

提高电弧电压的方法在于提高电弧电场强度和电弧长度。USP 3297899公开了一种具有“束腰”形状阳极电弧通道的等离子体炬，通过“束腰”在其上游产生高气压区域，从而提高电弧电压和产生高功率电弧，但公布的热效率不到42%，更多的是由于下游喷嘴表面积过大，产生过多传热损失所致。USP4570048及其同族专利USP4656330公开了一种类似的电弧通道收缩的阳极，采用突扩阳极喷嘴，其电流运行范围可以拓展到20~400A，热效率可以达到80%，但弧电压（氮气）也只有500V左右。USP 4896017 公开的阳极与USP4570048、USP4656330非常相近的收缩电弧通道和突扩阳极喷嘴，只是在缩口与突扩之间将前者的“刀口”过渡结构改为“梯形”过渡结构，其在热效率方面较前者有所提高，但电弧电压更低。ZL 200910184998.4公开了一种电弧等离子体炬，通过在喷嘴前（上游）设置凹槽扰流段，减少电弧电压波动范围，拓宽气体压力及电弧电流等工作参数范围、热效率可以达到90%，但从公开的技术参数和已有经验判断，空气电弧电压在500V左右，难以获得更高的功率。