一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置及设计方法与流程

本发明涉及一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置及设计方法，大功率长寿命等离子体炬具有高温、高焓、能量高度集中、能量转换效率高和工作寿命长等特点，主要用于产生高温环境，广泛用于航天、航空、冶金、喷涂、耐高温陶瓷材料制备和处理、纳米材料制备、材料表面处理、燃料转化和助燃、有害垃圾处理等领域。

背景技术：

目前影响大功率等离子体炬寿命和使用维护成本的主要因素电极烧蚀，而制约电极寿命和工作可靠性的核心问题是等离子体炬的冷却方式和结构设计。现有等离子体炬冷却方式主要是通过阴极和阳极分路水冷结构，两路冷却方式结构复杂，冷却效率低，导致电极烧蚀严重和热损失大，工作寿命短，使用维护成本高。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置及设计方法，利用液体火箭发动机、磁等离子体发动机冷却技术，采取单路液相冷却和气膜冷却相结合的复合冷却设计方法，以及电极、磁场一体化冷却结构设计，大幅简化了结构设计，冷却效率显著提升。

本发明的技术解决方案是：一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却设计方法，包括如下步骤：

(1)将液相冷却用去离子水由冷却水进口输入，经液路分配器将冷却液分为两路分流，得到电磁线圈冷却分流、电极冷却分流；

(2)使用电磁线圈冷却分流对电磁线圈进行冷却，然后流经线圈内部通道返回到等离子体炬壳体的壳体夹层；

(3)使用电极冷却分流对电极进行冷却，然后经线圈与电极形成的间隙返回等离子体炬壳体的壳体夹层，与电磁线圈冷却分流汇总至冷却水出口流出；

(4)将旋流电离介质由电离介质进口输入，经气体分配器在电极内表面产生高速旋流气膜，使得高速旋流气膜将电弧弧柱与电极壁面隔离，增强对流换热系数，并将电弧弧柱稳定在轴线上。

所述的液相冷却用去离子水的输入压力为0.2mpa～0.8mpa间，绝缘电阻>0.5mω·cm。

所述的旋流电离介质包括空气、氮气、氩气、氦气、氢气。

所述的旋流电离介质的供气压力在0.2mpa～0.7mpa间。

所述的大功率等离子体炬的输入功率在20～1000kw间，电流在50～1200a间。

所述大功率等离子体炬为直流电弧等离子体炬。

所述的电磁线圈为螺线管线圈。

所述的电极为同轴电极。

所述的气体分配器为切向涡流分配器，液路分配器为多路节流圈流量分配器。

一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置，包括冷却水进口、电离介质进口、电极、电弧弧柱、等离子体炬壳体、气体分配器、液路分配器、冷却水出口，其中：

液相冷却用去离子水由冷却水进口输入，经液路分配器将冷却液分为两路分流，得到电磁线圈冷却分流、电极冷却分流，电磁线圈冷却分流对电磁线圈进行冷却，然后流经线圈内部通道返回到等离子体炬壳体的壳体夹层，电极冷却分流对电极进行冷却，然后经线圈与电极形成的间隙返回等离子体炬壳体的壳体夹层，与电磁线圈冷却分流汇总至冷却水出口流出；旋流电离介质由电离介质进口输入，经气体分配器在电极内表面产生高速旋流气膜，使得高速旋流气膜将电弧弧柱与电极壁面隔离，增强对流换热系数，并将电弧弧柱稳定在轴线上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用复合冷却设计方法，通过一体化单路液相冷却和高速旋流气膜冷却，液相冷却通过内部节流圈进行电磁线圈和电极的流量分配，并最终汇总至液相冷却出口，实现了单路液相冷却所有高温部件的目的；

(2)本发明与现有技术相比，通过单路冷却，内部流量分配，显著简化了结构设计，减小了结构尺寸和重量；

(3)本发明通过高速旋流气膜将高温弧柱与壁面隔离，并增强对流换热系数，同时高速旋流还起到稳定电弧的作用，具有高效冷却的效果；

(4)本发明复合冷却设计与现有技术相比，使得冷却效率提高50％，同时工作寿命和工作可靠性显著提高。

附图说明

图1为一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置及设计方法，利用液体火箭发动机冷却技术，采取单路液相冷却和气膜冷却相结合的复合冷却设计方法，以及电极磁场一体化冷却结构设计；本发明中供电电缆、放电电极、电磁线圈采用一体化单路液相冷却，单路夹层液体回路输入输出方式完成高温部件的液相高效冷却，换热效率提高50％；电极壁面与高温等离子体弧柱之间采用高速切向气流形成的气膜将高温弧柱与壁面隔离，并增强对流换热系数，同时高速旋流还起到稳定电弧的作用；本发明显著简化了结构设计，减小了结构尺寸，冷却效率、工作寿命和工作可靠性显著提高，形成的大功率等离子体炬在航空航天、能源环境、纳米粉制备、煤化工等领域具有广阔的应用前景。

如图1所示为一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置示意图，大功率长寿命等离子体炬复合冷却装置包括冷却水进口(1)、电离介质进口(2)、电磁线圈冷却分流(3)、电极冷却分流(4)、旋流电离介质(5)、电极(6)、电弧弧柱(7)、等离子体炬壳体(8)、气体分配器(9)、液路分配器(10)、冷却水出口(11)、等离子体射流(12)。

本发明一种大功率长寿命等离子体炬复合冷却设计方法包括如下步骤：

(1)液相冷却用去离子水按给定压力(0.2～0.8mpa)由冷却水进口(1)供应；

(2)液相冷却用去离子水经内部的序号(10)液路分配器将冷却液分为两路分流，得到电磁线圈冷却分流(3)、电极冷却分流(4)；

(3)电磁线圈冷却分流(3)对电磁线圈进行冷却，电磁线圈冷却分流(3)经线圈内部通道返回到等离子体炬壳体(8)的壳体夹层；

(4)电极冷却分流(4)对电极(6)进行冷却，电极冷却分流(4)经线圈与电极形成的间隙返回等离子体炬壳体(8)的壳体夹层；

(5)电磁线圈冷却分流(3)、电极冷却分流(4)汇总至冷却水出口(11)，最终由冷却水出口(11)流出；

(6)旋流电离介质(5)，即气相冷却的电离介质(空气、氮气、氢气或惰性气体)按给定压力(0.2～0.7mpa)由电离介质进口(2)供给，电离介质经气体分配器(9)在电极(6)内表面产生高速旋流气膜；

(7)高速旋流气膜将电弧弧柱(7)与电极(6)壁面隔离，增强对流换热系数，对电极(6)的内表面进行冷却；

(8)另外高速旋流还起到稳定电弧的作用，将电弧弧柱(7)稳定在轴线上，进一步提高冷却效率和工作稳定性；

(9)本发明一体化单路液相冷却换热效率提高50％，极大地简化结构设计，提高了工作寿命和可靠性；

(10)大功率等离子体炬的功率使用范围为20～1000kw(电流50～1200a)。

本发明方中供电电缆、放电电极、电磁线圈采用一体化单路液相冷却，通过由供电接头、电极、绝缘层和壳体形成的夹层液体回路，单路输入输出方式完成高温部件的液相高效冷却，换热效率提高50％，极大地提高了工作寿命。

本发明电极壁面与高温等离子体弧柱之间采用高速切向气流形成的气膜将高温弧柱与壁面隔离，并增强对流换热系数，同时高速旋流还起到稳定电弧的作用，提高冷却效率和工作稳定性。

本发明一体化单路液相冷却和高速旋流气膜冷却方法，显著简化了结构设计，减小了结构尺寸，冷却效率、工作寿命和工作可靠性显著提高

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。