CO_(2)电弧等离子加热器电热特性研究

对管状阴极轴线式CO_(2)电弧等离子加热器的电热特性进行了实验研究,得到了电流、气体流量、励磁电流和前电极长径比对电弧加热器的伏安特性和热效率的影响规律。采用相似理论模型,对实验数据进行回归分析,得到了加热器伏安特性和热损失系数的近似表达式。研究结果发现,CO_(2)气体流量和电弧电流对加热器的伏安特性和热效率都具有显著的影响,前电极的长径比和励磁电流则只对热效率具有影响。电弧加热器伏安特性和热损失系数的回归公式计算值与实验数据一致性较好,伏安特性回归误差<10.0%,热损失系数回归误差<18.2%。

新型环保绝缘介质CF_(3)SO_(2)F混合气体电弧等离子体输运参数计算与影响因素分析

绝缘气体输运参数计算对于其绝缘灭弧性能和其他宏观物性研究具有重要意义。首先基于最小吉布斯自由能方法,获得了CF_(3)SO_(2)F混合气体在300~30000 K温度下的粒子组分。在粒子组分的基础上,采用Chapman-Enskog方法求解Boltzmann方程,计算了0.01~1 MPa压强范围内CF_(3)SO_(2)F混合气体的输运系数(电导率、热导率和黏滞系数),重点考察了气压、混合比例和缓冲气体类别对CF_(3)SO_(2)F混合气体输运参数的影响。结果表明:增大气压会抑制气体解离和电离反应,延缓升温过程对输运系数的影响;增大CF_(3)SO_(2)F混合比例则会直接影响体系主要粒子的相对含量,进而使解离和电离反应的温度发生变化,导致低温区的电导率和中高温区的黏滞系数增大,中高温区的热导率减小;与前两者相比,气体混合类别对输运参数影响较小。此外,相比SF_(6),CF_(3)SO_(2)F混合气体具有更大的热导率和更小的黏滞系数,能够更有效地将焦耳热传递到电弧外从而避免弧后击穿。该研究不仅为CF_(3)SO_(2)F混合气体用于高压电气设备提供一定的指导,也为进一步评估其绝缘和灭弧能力及绝缘气体配置优化提供了必要的数据支撑。

C_(4)F_(7)N混合气体电弧等离子体热力学性质研究

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为目前极具潜力的SF_(6)替代气体之一,在开断大容量短路电流中存在固体碳析出的问题。研究表明,向混合气体中加入O_(2)能够抑制固体碳的生成,也能有效增大灭弧室压力并提高气体的熄弧性能。为深入探究O_(2)对混合气体电弧能量耗散影响,在假设局部热力学平衡条件下,基于吉布斯自由能计算了不同O_(2)含量的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体电弧等离子体粒子组分,并用标准的统计热物理的计算方法得到了不同混合比例气体的热力学性质,对比分析了不同O_(2)含量及压强对混合气体电弧等离子体热力学性质的影响。结果表明:O_(2)在低温区抑制了CO的生成,导致不同O_(2)含量的混合气体在热力学性质上有一定的差异;C_(4)F_(7)N混合气体的轴向热对流能力大于SF_(6),且在低温(大于8 kK)区与O_(2)浓度成正相关;温度小于5 kK时,C_(4)F_(7)N混合气体的径向热对流能力弱于SF_(6),且在低温(大于8 kK)区与O_(2)浓度成正相关。

小电流情形下塑壳断路器电弧等离子体安全特性研究

塑壳断路器(MCCB)作为电气设备和电力系统的安全保护装置,其品质好坏主要取决于灭弧性能。目前在电力系统中小电流情形下的短路故障日益增多,基于磁流体动力学理论建立触头旋转的电弧等离子体的运动仿真模型,模拟在小电流情形时电弧的熄灭演变过程,研究电弧在熄弧过程中温度场、压力场及电流密度分布的变化,以不同特征量分析灭弧室磁场强度、触头分断角速度对灭弧性能的影响。研究不同条件下电弧的运动特性,可以为断路器的结构设计和性能提升提供参考。

镍铁矿热炉内电弧等离子体的数值模拟

电弧热是矿热炉内热量的主要来源,对镍铁矿热炉冶炼工艺过程中的炉内升温阶段极其重要。本文建立了直流矿热炉中电弧等离子体的三维数学模型,采用磁流体动力学方程组(MHD)和麦克斯韦方程组耦合求解了电弧等离子体的多物理场分布。通过对电弧的电磁场、温度场、速度场进行耦合求解,分析了电流大小对电弧等离子体的影响。结果表明:电弧等离子体呈“长钟形”,随着电流从30 kA增大到50 kA,电弧等离子体的高温核心区域增大,弧柱区域变粗,同时电弧的射流速度、温度呈非线性增长,传热效率有所提高。

直流电弧等离子体下共蒸发无定型TiO_(2)基纳米复合材料及储锂性能

零应变TiO_(2)由于结构稳定、安全无污染,以及循环过程中低的体积膨胀(≤4%),是一类极具潜力的锂电负极材料。但较低的理论比容量(335 mAh·g^(-1))和较小的锂离子扩散系数无法满足市场对高能量密度和快速充放电电池的需求,限制了其进一步的应用。本工作利用共蒸发混合原料(CuO+TiO_(2)粗粉)法,原位合成了核/壳型无定型二氧化钛(a.-TiO_(2))包覆的铜纳米粒子(Cu@a.-TiO_(2)NPs),通过后续热氧化处理将Cu核部分氧化为电化学活性的CuO中间包覆层,最终获得了Cu@CuO@a.-TiO_(2)纳米复合粒子(Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs)。结果表明,Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs电极的首周放电比容量为1936.1 mAh·g^(-1),200次循环后放电比容量保持在882.3 mAh·g^(-1),库伦效率为98.8%。无定型TiO_(2)壳层提供了快速的离子/电子渗透通道,促进锂离子扩散迁移,提高了电荷的传输效率;金属Cu核组元有利于提高电极整体电导率,氧化过程产生的空隙缓解了电化学活性CuO相的体积膨胀效应,从而提高了Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs电极整体的电化学性能。

氮氩直流电弧等离子体射流特性实验研究

基于自主研发的等离子体射流性能监测系统,文中通过实验研究了氮氩直流电弧等离子体射流特性:利用基于LabVIEW虚拟仪器技术的监测系统研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流的弧压、热效率及热焓值特性;利用CCD图像采集与MATLAB图像处理融合技术研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流长度特性;提出通过钨棒熔断时间表征等离子体射流相对温度的方法,并研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流在离喷出口5mm处的相对温度变化规律。实验结果表明:氮氩混合比例会对直流电弧等离子体射流特性产生明显影响,具体为直流电弧等离子体的弧压、热效率、热焓值、射流长度、喷口射流温度均随着氮气所占氮氩混合比例的增加呈现出先急剧增加后以某一恒定速率缓慢增加的现象。

直流双管式电弧等离子体发生器性能研究

利用实验手段研究了双管式电弧等离子体发生器的特性,包括旋流进气特性、伏安特性和运行热效率等,建立了基于双管式电弧等离子体发生器的数学模型。结果表明,旋流流速对电极烧蚀速率有较大影响,电弧电压降和发生器热效率随电流增加而下降,发生器热效率随气流量增大而增大。根据相似理论建立的数学模型能够准确模拟等离子体发生器的负电弧动态电阻伏安特性。以上研究可为大功率、长寿命双管式电弧等离子体发生器的开发及其在材料制备和环境保护领域的应用提供参考。

电弧等离子体射流核脉动的实验研究

电弧等离子体射流中的湍流是等离子体射流的典型物理现象之一 ,而以往的研究认为射流存在一个处于稳定状态的核心区域 ,也有人认为这个状态是层流的。本文采用电弧等离子体光谱诊断及数字高速摄影的方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究 ,采用了傅里叶变换的方法分析弧电压和射流光谱强度信号 ,发现电源的交流分量和阳极弧点运动对整个射流核的脉动特性都有体现 ,射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域 ,相反谱线强度脉动图中可以看到 ,射流核的脉动是由电弧电压脉动造成的 。

平衡态与非平衡态电弧等离子体微观特性计算研究综述

以SF_6、CO_2、C_3F_8、C_5F_(10)O等气体为主要介质,介绍了近三十年来国内外对平衡态与非平衡态电弧等离子体微观特性计算的研究进展。平衡态等离子体的微观特性研究,以粒子组分、统计热力学参数、输运系数以及混合扩散系数等物性参数计算为主。而非平衡态等离子体的微观特性研究是在量子化学计算理论的支持下,以化学反应和化学反应速率研究为基础,通过建立双温化学动力学模型来描述粒子浓度的时间演化规律。

弓网电弧等离子体光谱特性实验

弓网电弧等离子体具有高温度、高能量的特点,对高速铁路弓网电接触的性能造成了威胁。基于弓网电弧模拟实验平台,利用光谱诊断法对弓网电弧等离子体进行研究。对辐射的主要特征谱线进行标识和归属,并计算弓网电弧等离子体的激发温度、转动温度、振动温度和电子密度。此外,还研究了电源输出电流对激发温度和电子密度的影响。实验结果表明,弓网电弧等离子体对接触网铜导线和浸金属碳滑板强烈的烧蚀作用会产生丰富的铜原子谱线、铁原子谱线和CN B2∑+→X2∑+谱线。同时,基于Boltzmann斜线法,发现了弓网电弧等离子体激发温度随电流的增加而增加。通过拟合电弧等离子体中CN B2∑+→X2∑+谱线,可知在30A电流条件下,弓网电弧等离子体的转动温度和振动温度分别达到6 800K和9 000K。最后,讨论了特征谱线的展宽机制,并利用Cu I 521.82nm谱线,探讨了弓网电弧等离子体的电子密度随电流的增加而上升的情况。

直流电弧等离子体法制备铋纳米粉体

采用自行研制的高真空三枪直流电弧金属纳米粉体连续制备设备,通过控制充气压力制备不同粒径的纳米铋粉。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和相应的选区电子衍射(SAED)以及SimplePCI软件等测试手段对样品的成分、晶体结构、形貌和粒径分布进行表征。结果表明:等离子体法制备的纳米铋粉纯度高,粒径分布窄,分散性好,颗粒呈链球状均匀分布;纳米粉体的晶体结构与块体材料相同,为六方结构、空间群R-3m,晶格常数略有增大;当电流恒定为250A、充气压力从5kPa增加到60kPa时,纳米铋粉的平均粒径从35nm增加到143nm。

电弧等离子体裂解甲烷制乙炔

对C-H单相及多相热力学平衡体系进行了比较和计算,在H/C为4时,单相体系中乙炔收率最大值为98.6%,而多相体系中乙炔收率最大值为53.1%。实验考察了影响甲烷转化率、乙炔选择性、乙炔收率以及乙炔能耗的因素,分析了乙炔收率、浓度、能耗三者的关系。实验结果表明,随着甲烷进气量的增加,产品气乙炔等碳氢化合物的浓度逐渐增大,甲烷转化率、乙炔选择性以及收率呈减小趋势,乙炔能耗在出现一个最低值后开始增大。当甲烷进气量达到4.0m3.h-1时,得到乙炔能耗的最小值为9.68kW.h.kg-1,此时乙炔体积分数为11.4%,乙炔收率为86.2%。淬冷后,乙炔收率增加的最大幅度为18%,减小反应气体的停留时间使乙炔收率提高的最大幅度达到55%。

电弧等离子体辅助渗氮处理Cr12MoV钢的组织结构及硬度

采用不同温度对Cr12MoV钢进行电弧等离子体辅助渗氮处理。采用X射线衍射(XRD)分析渗氮层的相组成,采用扫描电子显微镜(SEM)及光学显微镜分别观察渗氮样品表面形貌及横截面形貌,利用显微硬度计测试渗氮层的硬度分布。结果表明:实验钢渗氮层的结构由CrN+γ'-Fe4N+ε-Fe3N的化合物层及由含氮马氏体相α-Fe(N)组成,渗氮层的厚度随处理温度的升高而增加。渗氮处理后能明显提高Cr12MoV钢基体的显微硬度。

煤在直流电弧等离子体中的气化

实验利用由我国完全自主研制的一套直流电弧等离子体煤气化装置 ,以空气为等离子发生器气源 ,大同煤为原料 ,在水蒸气参与下 ,初步考察了工艺条件 (等离子发生器功率、供煤速率和空气流量等 )对等离子体煤气化过程的影响 ,并优化了部分工艺参数 .同时发现没有液体焦油生成 ,并且在气相产物中没有检测到甲烷 .

平衡态电弧等离子体统计热力学属性的计算

以热力学平衡和化学平衡假设为前提,在求解电弧等离子体统计热力学参数的基本原理的基础上,考虑了粒子激发态的影响,得到精确的粒子配分函数,进而运用德拜模型将等离子体粒子相作用的影响包含在内,从化学平衡方程得到氮气和氩气平衡态电弧等离子体内部粒子成分与温度、气压的函数,并以此计算获得相应的统计热力学参数.利用此方法计算出了不同气压条件下(0.01、0.10、0.30、0.50、1.00MPa)、不同温度范围内(300～40 000K)氮气和氩气电弧等离子体热力学参数,并与以往文献中的部分结果进行了对比与分析.结果表明,在15 000K以内统计热力学参数的计算结果良好,随着温度的继续升高,计算结果产生了误差,误差主要来源于配分函数计算方法和德拜修正带来的计算精度的差异.

真空开关电弧等离子体几何形态研究

真空断路器逐渐向高压等级发展,工作时电弧等离子体几何形态直接影响其开断能力。本文利用高速摄像机对电弧几何形态进行数字采集,运用图像去噪声、选取合适阈值方法,对采集数据进行形态学操作,得到内部高能等离子体及电弧外部轮廓的时间-面积变化曲线。从引弧、稳定燃弧、熄弧及弧后介质恢复四个角度,对不同阶段的电弧面积变化做出定量分析,并探究电弧熄弧阶段电弧内外面积差变化。实验表明,通过分析不同阶段的等离子体形态变化,能够找到电弧平稳燃弧及弧后介质恢复的关键点,为高压等级真空断路器研发设计及后期电弧形态诊断提供进一步参考。

直流电弧炉电弧等离子体射流的数值模拟

数值模拟是研究直流电弧炉中电弧等离子体射流特性的有效方法,它可为理解和优化电弧炉冶炼过程提供参考依据。本文对直流电弧炉冶炼过程建立了电弧等离子体的二维稳态轴对称磁流体力学模型,采用大型商业软件PHOENICS对电弧流场和温度场进行了计算,仿真结果与文献报导的实际测量结果吻合良好。

高温氮气电弧等离子体物性参数的计算分析

等离子体的宏观特性与其内部的微观过程紧密联系在一起。研究电弧等离子体不同粒子组分构成以及对组分有强烈依赖关系的热力学参数、输运参数,将为深入了解电弧等离子体的形成机理奠定微观理论基础,并为利用磁流体动力学（MHD）仿真研究电弧特性提供前提条件。假定氮气电弧等离子体处于局部热力学平衡态（LTE）,介绍了求解电弧等离子体物性参数的基本原理,采用最新的配分函数计算方法和碰撞积分参数,给出了不同气压条件下（0.01、0.1、0.3、0.5和1 MPa）、不同温度范围内（300-40 000 K）氮气电弧等离子体热力学参数与输运参数的最新计算结果,并与以往文献中的部分结果进行了对比与分析。结果表明,氮气电弧等离子体热力学参数与输运参数的计算结果与文献中较近的计算结果十分接近;微小差别的产生,主要来源于配分函数和碰撞积分的差异。

基于N_2^+(B^2∑_u^+→X^2∑_g^+)的电弧等离子体振动温度和转动温度测量

通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩氮等离子体射流的发射光谱,在光谱紫外波段观察到氮的第一负带系N2+(B2∑u+→X2∑g+),利用N2+(B2∑u+→X2∑+g)跃迁的Δν=0谱带系ν′=0→ν″=0和ν′=1→ν″=1谱带,对实验测得的谱带和模拟计算得到的谱带进行点对点对比,得到了等离子体射流的振动温度和转动温度,并就仪器展宽、振动温度和转动温度对谱带结构和形状的影响进行了分析。结果表明在文章所述的实验条件下,等离子体的电子温度、振动温度、转动温度和化学动力学温度基本相等,大气压直流氩氮等离子体射流达到局域热力学平衡。