作者简介: 吴贵清(1974—), 男(汉), 湖南, 博士研究生。
该文采用实验测量方法研究了气体压力对双射流直流电弧等离子体弧电压、放电稳定性及等离子体电弧-射流区二维投影温度场的影响规律。通过引入可见光测温技术,对不同工况下的热等离子体放电图像进行采集,并采用二值化阈值分割方法求取投影温度场对应的等灰度线,利用8方向Freeman链码对特定边界进行描述,从而对热等离子体电弧-射流稳定性进行评估。研究结果表明: 在其他参数保持不变的情况下,随着反应器内工作压力的降低,电弧-射流区二维投影温度场高温区面积增大,同时,电弧的稳定性也会受到一定影响; 但随着工作气体流量的增大,反应器内工作压力对电弧-射流二维投影温度场高温区面积变化的影响减弱; 在本文实验研究参数范围内压力对弧电压的影响较小。
This paper experimentally studies the influence of the operation pressure on arc voltages, discharge stabilities and projective areas of dual-jet dc arc 2-D high-temperature plasma regions. The visible pyrometry, the contour extraction method with the variable binary thresholding technique, and an eight-direction Freeman chain coding technique were used based on the recorded digital discharge images to quantitatively in situ describe the 2-D grayscale contour distributions of the arc-jet plasmas and the discharge stabilities during discharge processes. Experimental results show that with other parameters being unchanged, the 2-D high-temperature region of the arcjet increases with decreasing operation pressure, which also affects the discharge stabilities of the plasmas. The results also show that with increasing argon flow rate, the differences of the arcjet 2-D high-temperature region areas at different operation pressures decease, while the influences of the operation pressure on the arc voltage are not significant within the parameter ranges studied in this paper.
随着人类社会的不断发展,建立健康、低碳的生活环境受到世界各国的高度重视。热等离子由于具有高能量密度、高活性粒子浓度等特点,将有望在高危有害固体废弃物(如医疗垃圾等)的减量化、无害化、资源化处理方面发挥其独特的优势[1,2]。目前文献报道的用于固体废弃物处理的热等离子体发生器有传统的直流非转移弧型等离子体发生器(包括多个发生器的组合)[3,4,5]、 直流电弧空心阴极等离子体发生器[6,7]、 双射流直流电弧等离子体发生器[8,9,10,11]等。其中双射流直流电弧等离子体发生器具有结构简单、产生的电弧-射流区气体温度高且高温区体积较大、等离子体反应气氛易于控制、不受被处理材料导电性能限制等特点。以固体高危有害废弃物处理为研究背景,目前有关双射流直流电弧等离子体源研究的重点主要集中在如何扩大等离子体高温区域的体积、降低能耗或提高热效率以及减少电极烧蚀和有害气体排放等方面,这需要系统研究等离子体发生器结构参数与工作参数对等离子体特性的影响规律。文[10]的研究结果表明,等离子体发生器的结构参数和工作参数,如电极材料及结构、电极间距及电极几何轴线间夹角、等离子体工作气体的化学成分及流量、弧电流、顶部冷气体流量等均会对等离子体发生器的电特性、热效率、放电稳定性及反应器内部的传热与流动特性产生影响。
在实际的热等离子体固体废弃物处理过程中,为防止处理过程中气体泄漏、并避免可能造成的空气污染,反应器内的工作压力( p)一般维持在低于1.0 atm(1 atm=101 325 Pa)的水平。而随着反应器内工作压力的降低,等离子体发生器的放电特性将有可能明显不同于1.0 atm下的情况。然而到目前为止尚未看到相关研究结果的公开报道。本文对反应器内不同工作压力下双射流直流电弧等离子体发生器的放电特性进行了实验研究,并对热等离子体电弧-射流区二维投影温度场高温区形状及放电稳定性进行了定量评估。
本文研究采用如图1所示的双射流直流电弧等离子体实验平台,该平台包括配气系统、直流电源、循环水冷系统、真空系统、顶部冷气体注入装置、等离子体发生器、数码相机(Fujifilm FinePix S9600)、 电特性测量系统、控制系统及冷却水温度测量系统。等离子体发生器电极材料均采用铈钨合金,直径均为10.0 mm, 阴极前端为圆锥形(锥角为60°), 阳极前端为半椭球形。等离子体发生器工作时,工作气体(纯度为99.999%的氩气)沿等离子体发生器两电极外侧的12个小孔流出,在电极间放电,形成等离子体电弧-射流。
为了定量研究热等离子体电弧-射流区二维投影温度场面积的变化,本文引入了二值化阈值分割边界提取算法以及8方向Freeman链码图像处理技术[12], 其简要原理如下。
1) 将数码相机所记录的彩色图像通过如下的线性变换转换成灰度图像[12]。
其中: GSR、 GSG、 GSB是国际照明委员会(CIE)标准色度系统定义的三基色刺激值,下标R、 G、 B表示红、绿、蓝三基色; IGray是转换后灰度图像某一像素点的灰度值(该灰度值亦对应于某一气体温度值[10])。
2) 通过指定特定阈值,对灰度图像进行二值化分割得到灰度边界,进而得到描述电弧-射流区二维投影温度场的等灰度线图(亦即等温线图)。
3) 通过8方向Freeman链码对等温边界(等灰度线)进行定量描述,得到对应于某一灰度值的等温边界周长( L)和其所包围的投影面积( S)[13,14]。
在此基础上,根据同一工况下 L、 S以及某一等温边界链码值随时间的变化,描述电弧-射流高温区二维投影温度场的变化以及放电的稳定性。
在本文实验中,由于热等离子体的辐射强度大,因此,通过在数码相机镜头前加装3块滤光片,将光通量减至其初始光通量的3.125%。其他实验条件均保持不变,即: 电极间距 D=3.0 cm, 电极夹角 α =140°,弧电流 I=60 A; 照片拍摄参数: 光圈 F=3.9, 焦距 f=25 mm, 曝光时间 Tex=1/50 s, 感光度ISO=80。
实验观察表明,电极结构对电极的烧蚀与放电的稳定性有明显的影响。本文研究中,主要针对如图2所示的各种不同结构的电极进行了比较研究。实验结果表明: i) 从放电稳定性的角度考虑,采用如图2a所示的锥形结构的电极有利于电弧的稳定; 而从电极的烧蚀情况考虑,由于锥形电极的电极尖附近会出现很高的电流密度,导致阳极尖附近因为电子“凝结热”效应而产生严重的电极烧蚀; ii) 采用如图2b、 c所示的半球形和半椭球形结构的电极,由于放电时弧根面积增大,冷却效果增强,从而能够有效减少电极烧蚀,但放电会变得不稳定,特别是阴极弧根在阴极表面的无规则滑动会显著影响放电的稳定性。因此,在电极结构的设计方面,阴极结构的设计主要考虑如何提高放电稳定性,而阳极结构设计则主要考虑如何降低电极烧蚀率。基于上述结果,在本文实验中,等离子体发生器阴极采用如图2a所示的锥形电极,而阳极则采用如图2c所示的半椭球形电极。
 | 图2 不同结构的电极结构示意图及照片 |
图3a、 b分别给出了电极两侧等离子体工作气体流量为 Qa= Qc=8.0 slpm、 对应于反应器不同的工作压力 p=0.5 atm和 p=1.0 atm下的典型放电图像。比较图3a、 b可以看出,在等离子体发生器其他结构参数(如电极几何形状、电极间距及夹角)和工作参数(如工作气体流量、弧电流)保持不变的情况下,随着反应器内工作压力的降低,电弧-射流高温区向下和向外扩展,也就是说等离子体高温区变大。
为了定量表征电弧-射流二维投影温度场高温区面积和形状的变化,本文将灰度值 φ=159所对应的等灰度线定义为高温电离气体与冷气体的交界面,该等值线所包围的面积定义为等离子体高温区面积。图3c、 d和图3e、 f分别给出了对应于图3a、 b的电弧-射流二维投影温度场等值线分布以及 φ=159等灰度线对应的链码图。分析上述实验数据可以得到: i) 对应于 p=0.5 atm和 p=1.0 atm两种工况下的等离子体高温区面积分别为3 756、 3 330像素,即反应器内工作压力的降低使等离子体高温区的面积增大了12.8%; ii) p=0.5 atm和 p=1.0 atm两种工况下的等离子体高温区边界链码完整反映了等离子体高温区边界的形态信息,其中,纵坐标所表示的链码编码0~7代表八个方向,横坐标代表链码序号,等值边界链码的个数表征了边界总长度。经过计算[13], 对应于 p=0.5 atm和 p=1.0 atm两种工况下的等离子体高温区边界周长分别为452、 335像素,即反应器内工作压力的降低使等离子体高温区的边界周长增大了34.9%。从图3还可以看到,随着反应器工作压力的降低,电流通道扩张使得电弧区最大电流密度减小,从而导致电弧区的最高温度降低; 电极附近(特别是阴极附近)的射流强度减弱,从而导致阴、阳极两股射流的会合点向阴极一侧移动。
 | 图3 不同压力下等离子体典型的放电图像、相应的等灰度线分布及φ=159等灰度线对应的链码图 |
图4给出了不同反应器工作压力下,等离子体高温区面积随工作气体流量的变化规律。可以看到: a) 在相同的气流量下,随着反应器工作压力的降低,高温区面积增大; b) 随着等离子体工作气体流量的增大(如 Q>5.0 L·min-1), 两种不同压力下的等离子体高温区面积的差别变小。其原因可能是在等离子体工作气体流量较大的情况下,尽管反应器内的压力较低(如 p=0.5 atm), 但电极附近放电区的局部气体压力会由于工作气体的快速注入仍然保持在比较高的水平,从而导致等离子体高温区面积的变化受反应器工作压力的影响减小。
 | 图4 不同压力下等离子体高温区面积随工作气体流量的变化规律 |
图5给出了反应器内不同工作压力下弧电压( U)随等离子体工作气体流量的变化规律。可以看到,在其他参数保持不变的情况下,压力对弧电压的影响较小。由公式 j=-σÑϕ(其中ϕ为等离子体电位)定性分析可以看到,气体放电的弧电压受等离子体中的电流密度( j)、 电流通道长度( d)以及等离子体电导率( σ)的影响。当反应器工作压力发生变化时,对上述3个参数均有可能产生影响。因此,压力对弧电压的影响需要综合考虑其对等离子体电流密度分布、电弧路径长度以及电导率的影响。这一工作还有待于在今后的研究中结合数值模拟仔细分析上述参数在反应器不同工作压力下的变化规律。
 | 图5 不同反应器工作压力下弧电压随工作气体流量变化规律 |
如本文第2部分所述,在引入二值化阈值分割边界提取算法以及8方向 Freeman链码图像处理技术后,通过设定合适的灰度值(如φ =159)将等离子体高温区的面积和周长转换成可以定量计算的像素值,并结合该等灰度线的链码值可对电弧-射流高温区形状及放电稳定性进行描述。为了研究不同时刻S和L的相对变化,本文定义量纲一参数δ1= 
 | 图6 不同工作压力下 |
本文采用实验方法,研究了等离子体反应器工作压力对双射流直流电弧等离子体发生器特性的影响规律。研究结果表明: i) 在其他参数保持不变的情况下,随着反应器内工作压力的降低,等离子体电弧-射流高温区二维投影温度场的面积增大,同时,气体放电的稳定性亦会受到一定程度影响; ii) 随着等离子体工作气体流量的增大,工作压力对等离子体高温区面积变化的影响减小; iii) 反应器工作压力对弧电压的影响较复杂,但在本文研究的参数范围内,其对弧电压的影响较小。
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