一种新型高效率微波等离子体炬

微波等离子体具有无电极、电子密度大、电子温度高和能量效率高等优势,广泛应用于日常生活、能源、化工和材料等领域,但是目前微波等离子体装置作用距离短,效率低,因此等离子体在腔体中停留时间较短,很难发挥出更好的性能,限制了等离子体在工业领域很好的应用。本文提出了一种新型等离子体炬结构,电磁波通过波导馈入圆柱腔体,能量在圆柱腔体中心聚集,形成中心等离子体,再通过纵向叠加另一个圆柱腔体,形成同轴结构,进一步将能量耦合到上圆柱腔体,进而增大等离子体的体积和高度。本文基于有限元方法的电磁仿真建立了等离子体高效激发装置模型,通过模型仿真不断优化腔体的各尺寸参数,然后通过流体仿真模拟了管道内气体流动,最后搭建了微波等离子体实验系统,并分析了不同流速、不同功率、不同气体、不同进气孔数目、不同进气孔倾斜角度等对于等离子体形成的影响。实验结果表明,微波利用效率平均在90%以上,最好可达到99%;通入气体后,火焰最高可达到70 cm以上。

基于圆脊波导的双端口微波等离子体射流装置

针对现有微波等离子体射流装置微波功率低、射流长度短和能量利用率低等问题,本文设计了一种圆脊压缩结构(可增强波导内电场强度)的等离子体射流装置,两个矩形波导分别经转换器连接圆脊波导,以双端口方式馈入微波能量,激发出大功率、高长度的等离子射流,可应用于工业处理危险固废等。使用COMSOL软件建立了圆脊模型,仿真结果表明,双端口微波能量反射较低,电场强度可达到1.54×10^(5) V/m,经实验测量,能量利用率可达到88%,于圆脊波导的石英管内产生稳定等离子体射流,高度可达400 mm。