專(zhuān)利名稱(chēng)：一種變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子射流領(lǐng)域，特別涉及一種變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法。
背景技術(shù)：
采用懸浮溶液作為前驅(qū)物的等離子射流是近十年新興的一種加工特殊材料的優(yōu)選方法，由于該項(xiàng)技術(shù)擁有產(chǎn)生等離子體穩(wěn)定，熱射流過(guò)程清潔，顆粒在熱流場(chǎng)中滯留時(shí)間較長(zhǎng)，顆粒入射位置可調(diào)節(jié)，采用懸浮液可攜帶固體顆粒尺寸小至納米量級(jí)等優(yōu)勢(shì)，因而該項(xiàng)技術(shù)在納米噴涂，化學(xué)蒸汽合成，微小顆粒球化等領(lǐng)域已得到越來(lái)越多的應(yīng)用和關(guān)注。懸 浮溶液等離子噴涂的基本過(guò)程分為三個(gè)階段，首先將納米量級(jí)的固體粉末(通常是金屬，陶瓷或生物材料)均勻懸浮于液體中，納米顆粒的固體粉末有可能聚合為微米量級(jí)的聚合物，該懸浮液經(jīng)霧化裝置破碎為液滴；其次霧化后的液滴在等離子流場(chǎng)中被加速加熱，包裹在固體顆粒外的液體首先受熱蒸發(fā)，固體顆粒及其聚合物從而被釋放到熱流場(chǎng)中；最后固體顆粒及其聚合物在等離子流場(chǎng)中受熱融化進(jìn)而氣化。傳統(tǒng)的直接以固體粉末注入的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)微納固體顆粒的輸送，而懸浮溶液由于可攜帶納米量級(jí)的固體粉末因而更適用于納米物質(zhì)的合成和噴涂。對(duì)于不同的應(yīng)用背景，經(jīng)等離子流場(chǎng)加熱加速后的顆粒最終狀態(tài)的要求是不同的，比如在化學(xué)蒸汽合成，污染物處理等領(lǐng)域需要顆粒完全氣化，但在納米噴涂，顆粒球化等領(lǐng)域理想的狀態(tài)是顆粒融化但未全部氣化。因而顆粒完全氣化的尺寸界定有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法，變頻感應(yīng)等離子射流所用噴炬為常見(jiàn)典型噴炬，噴炬腔體的軸向長(zhǎng)度20cm，徑向尺寸3cm-5cm，其額定功率30KW-50KW，變頻頻率為3MHz_5MHz，顆粒入射張角0-15°，運(yùn)載氣體的入射速度為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下3升/分鐘-8升/分鐘，液滴入射的軸向距離為4cm-6cm,液滴入射的初始速度在15m/s-35m/s,工作時(shí)等離子核心區(qū)域溫度可達(dá)到8000K-10000K，屬于正常的工作范圍；等離子氣體為氬氣，工作介質(zhì)為常用的乙醇-氧化鋯懸浮溶液，該懸浮溶液中氧化鋯所占質(zhì)量百分比例在15%以下；在上述工作范圍內(nèi)，乙醇-氧化鋯懸浮液滴可完全氣化的臨界顆粒尺寸為乙醇溶液液滴直徑小于等于50,，乙醇液滴中的氧化鋯固體顆粒粒徑小于等于I 。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過(guò)對(duì)懸浮液滴在等離子流場(chǎng)中的相變過(guò)程進(jìn)行理論分析及大量的數(shù)值模擬計(jì)算，并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，界定了變頻等離子射流中顆粒完全氣化的尺寸，提供了通過(guò)控制工況條件和初始條件來(lái)得到理想顆粒狀態(tài)的有效途徑，可為懸浮溶液等離子噴涂的實(shí)際應(yīng)用提供調(diào)節(jié)方法和判斷依據(jù)。


圖I是變頻感應(yīng)等離子噴炬示意 圖2是懸浮液滴在等離子流場(chǎng)中經(jīng)歷的過(guò)程示意 圖3是變頻感應(yīng)等離子噴炬內(nèi)部溫度場(chǎng)等值線(xiàn)圖和流線(xiàn) 圖4是不同工況下氧化鋯顆粒粒徑隨軸向距離的變化趨勢(shì)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1，是典型的變頻感應(yīng)等離子噴炬，它有三個(gè)氣體入射口，噴口 I是攜帶懸浮溶液的運(yùn)載氣體入口，噴口 2是中心氣流入口，是等離子體的主要?dú)怏w來(lái)源，噴口 3是保護(hù)氣體入口，保護(hù)氣體使高溫等離子氣體不接觸噴炬壁面，避免石英壁面高溫受損。X是軸向·距離，噴腔軸向距離約為20cm，r是徑向距離，噴腔徑向距離為3-5cm。線(xiàn)圈4環(huán)繞噴炬內(nèi)腔旋繞三圈，線(xiàn)圈靠近氣體入射口，其內(nèi)輸入高頻率的交流電。根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)原理,線(xiàn)圈內(nèi)的交變電流將產(chǎn)生交變磁場(chǎng),從而使噴腔內(nèi)部氣體電離為等離子體。等離子體核心區(qū)域5是溫度最高的區(qū)域，正常工作時(shí)該區(qū)域的溫度可高達(dá)8000K-10000K。圖2是乙醇-氧化鋯懸浮液滴在等離子流場(chǎng)中經(jīng)歷的過(guò)程，步驟I :懸浮液滴經(jīng)霧化后平均粒徑值可達(dá)到50 _以下；步驟2 :懸浮液滴經(jīng)運(yùn)載氣體攜帶由噴口 I入射后乙醇溶液受熱蒸發(fā)；步驟3 :懸浮在液滴中的氧化鋯固體顆粒及其聚合物在乙醇溶液蒸發(fā)后釋放到流場(chǎng)中；步驟4 :納米量級(jí)的氧化鋯固體顆粒，受熱融化進(jìn)而完全氣化(步驟6);步驟5 :微米量級(jí)的氧化鋯固體顆粒，受熱融化且部分氣化(步驟7)。懸浮溶液等離子射流是一個(gè)多種參數(shù)共同作用的復(fù)雜過(guò)程，且等離子噴炬為半封閉腔體，其內(nèi)部溫度變化極其劇烈，顆粒在等離子流場(chǎng)中的受力及受熱情況復(fù)雜多變，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)量顆粒狀態(tài)的具體信息難度極高。因而本發(fā)明所提出的方法其推導(dǎo)依據(jù)是基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)值模型包括等離子體流場(chǎng)模型和顆粒模型。顆粒在等離子流場(chǎng)中飛行時(shí)其質(zhì)量，動(dòng)量和能量將受流場(chǎng)速度和溫度的極大影響。變頻感應(yīng)等離子射流其能量來(lái)源于電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，等離子流場(chǎng)模型首先基于麥克斯韋電磁感應(yīng)方程計(jì)算了交變電流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)，其次將電磁場(chǎng)的洛倫茨力及熱量以源項(xiàng)方式加入流場(chǎng)的控制方程，從而推導(dǎo)出熱流場(chǎng)的動(dòng)能和能量輸運(yùn)方程，既而采用Simple求解方法，得到等離子流場(chǎng)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，為顆粒的計(jì)算提供了環(huán)境參數(shù)。圖3是變頻感應(yīng)等離子噴炬正常工作時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)和流線(xiàn)圖，由圖可知在線(xiàn)圈附近的等離子體核心區(qū)域可達(dá)到10000K的高溫。在顆粒模型中分為兩個(gè)階段，第一階段是懸浮液滴的受力加速和受熱蒸發(fā)，第二階段是固態(tài)顆粒的受力加速和受熱融化蒸發(fā)。模型中對(duì)顆粒采用拉格朗日顆粒追蹤法，分析每個(gè)計(jì)算粒子在每個(gè)計(jì)算步驟內(nèi)的速度，溫度，質(zhì)量，蒸發(fā)率，熔化率等詳細(xì)狀態(tài)信息。模型經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后用于分析各種工況條件和初始條件對(duì)顆粒狀態(tài)變化的影響。經(jīng)過(guò)大量計(jì)算分析，最終得出顆粒完全氣化的臨界尺寸，以及功率，運(yùn)載氣體速度，入射位置及張角，初始液滴大小和速度等工況條件和初始條件對(duì)最終顆粒狀態(tài)的影響程度。本發(fā)明變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法，具體為確認(rèn)變頻感應(yīng)等離子射流所用噴炬為常見(jiàn)典型噴炬，噴炬腔體的軸向長(zhǎng)度20cm，徑向尺寸3cm-5cm，其額定功率30KW-50KW，變頻頻率為3MHz-5MHz，工作時(shí)等離子核心區(qū)域溫度可達(dá)到8000K-10000K，屬于正常的工作范圍；等離子氣體為氬氣，工作介質(zhì)為常用的乙醇-氧化鋯懸浮溶液，該溶液中氧化鋯固體顆粒的尺寸30-200nm，其聚合物尺寸小于I ,;乙醇溶液經(jīng)霧化其液滴尺寸小于50 _ ;該懸浮溶液氧化鋯所占質(zhì)量百分比例15%以下。該懸浮液滴入射后，氧化鋯固體顆?？稍趪娗粌?nèi)完全氣化。增大功率，減小運(yùn)載氣體速度，擴(kuò)大液滴入射張角將明顯有利于包裹在乙醇液滴中的氧化鋯固體顆粒完全氣化；但改變液滴入射的軸向距離，改變?nèi)肷湟旱蔚某跏贾睆胶统跏既肷渌俣龋淖兎仍?0%以?xún)?nèi)時(shí)對(duì)最終顆粒的狀態(tài)影響較小。以下結(jié)合兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的有效性。實(shí)施例I取了本發(fā)明中所界定的顆粒尺寸臨界值，實(shí)施例2給出了不同工況條件對(duì)顆粒最終狀態(tài)的影響。實(shí)施例I :當(dāng)噴炬功率為30KW，變頻頻率為3MHz，入射口 I. 2. 3的氬氣氣體流速分別是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下6、7、30升/分鐘，入射的初始位置在軸向距離X=5cm，入射的角度為0°，液滴的初始溫度為300K，乙醇-氧化鋯懸浮溶液中，氧化鋯所占質(zhì)量百分比例15%，液 滴的初始的粒徑為50Mm,初始速度為25m/s,氧化錯(cuò)顆粒的粒徑為IMm，經(jīng)計(jì)算可得在軸向距離x=19. 7cm時(shí)，氧化鋯顆粒完全氣化。如圖4所示為氧化鋯顆粒粒徑隨軸向距離的變化趨勢(shì)圖。實(shí)施例2 :如圖4所示，當(dāng)噴炬功率為增大為40KW，在軸向距離x=12. 2cm時(shí)，氧化鋯顆粒完全氣化；當(dāng)入射角度為5°時(shí)，在x=13. 6cm左右時(shí)，氧化鋯顆粒完全氣化；當(dāng)入射口 1、2、3的氣體流速減小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4、5. 6、24升/分鐘，在x=14. 8cm，氧化鋯顆粒完全氣化.當(dāng)液滴初始粒徑為30Mm，或液滴初始速度為35m/s，或入射位置為x=4cm時(shí)，氧化鋯顆粒完全氣化的軸向距離與例I中相近。上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法，其特征在于，變頻感應(yīng)等離子射流所用噴炬的腔體的軸向長(zhǎng)度約為20cm，徑向尺寸約為3cm-5cm，其額定功率為30KW-50KW，變頻頻率為3MHz-5MHz，顆粒入射角度為0-15°，運(yùn)載氣體入射速度為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下3升/分鐘-8升/分鐘，液滴入射的軸向距離為4cm-6cm，液滴入射的初始速度在15m/s-35m/s，工作時(shí)等離子核心區(qū)域溫度可達(dá)到8000K-10000K ;等離子氣體為氬氣，工作介質(zhì)為常用的乙醇-氧化鋯懸浮溶液，該懸浮溶液中氧化鋯所占質(zhì)量百分比例在15%以下；在上述工作范圍內(nèi)，乙醇-氧化鋯懸浮液滴可完全氣化的臨界顆粒尺寸為乙醇溶液液滴直徑小于等于50_，乙醇液滴中的氧化鋯固體顆粒粒徑小于等于I _。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種變頻等離子射流中顆粒完全氣化的方法，該方法通過(guò)對(duì)懸浮溶液變頻等離子射流進(jìn)行理論分析，數(shù)值模擬，所用數(shù)值模型經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，用于分析運(yùn)載氣體速度，功率，懸浮液滴入射位置和角度，液滴初始粒徑和速度等工況條件對(duì)懸浮液滴中固體顆粒粒徑，溫度和速度的影響，得出對(duì)于典型的變頻等離子射流中乙醇-氧化鋯懸浮液滴，當(dāng)乙醇溶液液滴直徑小于或等于50時(shí)，乙醇液滴中的氧化鋯固體顆粒粒徑小于或等于1則可完全氣化。本發(fā)明通過(guò)對(duì)乙醇-氧化鋯懸浮溶液變頻等離子射流過(guò)程進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算，界定了乙醇-氧化鋯懸浮液滴在變頻等離子射流中可完全氣化的臨界尺寸，可為變頻等離子射流的實(shí)際應(yīng)用提供預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)B01J19/08GK102728292SQ201210237980
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者林建忠, 熊紅兵, 錢(qián)麗娟 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院