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大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量

发布时间:2022-10-02 11:02:48 来源:世界杯押注都在哪 作者:世界杯押注APP

  第 34 卷 第 2期 2 0 1 4年 6 月 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 N uclear F usion and Plasma Phy sics V _ 0 l_3 4.N o . 2 J un e 2 O14 文章 编号 :0254— 6086(2014)02— 0187— 06 大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量 孙成琪 一,高 阳 ,杨德 明 ,冯 健 ( 1.大连海事大学 ,大连 116026;2. 广东海洋大学,湛江 524025) 摘要: 采用焓探针对大气压力下热喷涂等离子体射流的焓和温度进行了测量和计算, 研究了氩气流量变化、 电流变化和喷涂距离对等离子射流的焓和温度分布的影响。结果表明, 氩气流量不变的情况下 , 随着功率的增加 等离子体的焓值和温...

  第 34 卷 第 2期 2 0 1 4年 6 月 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 N uclear F usion and Plasma Phy sics V _ 0 l_3 4.N o . 2 J un e 2 O14 文章 编号 :0254 6086(2014)02 0187 06 大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量 孙成琪 一,高 阳 ,杨德 明 ,冯 健 ( 1.大连海事大学 ,大连 116026;2. 广东海洋大学,湛江 524025) 摘要: 采用焓探针对大气压力下热喷涂等离子体射流的焓和温度进行了测量和计算, 研究了氩气流量变化、 电流变化和喷涂距离对等离子射流的焓和温度分布的影响。结果表明, 氩气流量不变的情况下 , 随着功率的增加 等离子体的焓值和温度增加;电流保持不变时, 随着氩气流量的增加等离子体的焓值和温度不断减小,随着距离 喷嘴出口轴向距离的增加,等离子体的焓值和温度都大幅度的降低; 氩气流量变化对喷枪热效率影响不大 , 功率 增大时,喷枪热效率增加显著,喷枪热效率最高可达到 60%。 关键词:焓探针;等离子喷涂;热效率 中图分类号 :0 539 文献标 识码 :A 1 引言 在等离子喷涂过程中, 气体的成分、 流量及等 离子电弧的电流、 电压对等离子炬的特性都有着重 要的影响。其中,等离子体的温度直接影响着被喷 涂粒子的加热和加速 ,这也决定着涂层质量的好 坏。采用激光 Doppler法和光谱仪谱线强度法可以 测量等离子体的速度和温度分布, 但往往需要昂贵 的光学仪器和适宜的工作环境。 焓探针测量技术是 在 20 世纪 60 年代发展起来 ,并在 80 年代开始用 来测量等离子气体的温度 ,通常被认为是测量 2000~ 14000K 范围内高温气体的可靠工具【 l 。其 焓探针通过量热法来测定等离子气体的焓值, 进而 确定其温度[ 1;同时它又可以作为水冷的 Pitot 管, 来测量气体的速度。其测量原理简单,结果可靠 ,价格低廉,又可以进行局域测量。Swankt[41 等人详 细地介绍了利用焓探针测量等离子体温度和速度 的方法,其测量的温度最高值可达到 1 3434K ,在 这样高的温度下,焓探针依然能够正常使用。 在确定的气体流量、 成分、 输入电弧电流和电 压的条件下, 利用自制焓探针测量等离子体射流的 焓值,并进一步计算了等离子体的温度;给出气体 流量和电弧电流变化对等离子体射流焓值和温度 的影响, 同时对不同条件下喷枪的传热效率进行了 计算。 2实验 方法与分 析 2. 1 实验设备与测量原理 焓探针测量系统如图 1所示。 个三相高压水 泵为焓探针提供冷却水,其压头达到 8000kPa,可 为探针提供 2kgr a in- 的冷却水供给。水泵的入水 端连接高置水箱用于冷却水循环, 水泵的出水端放 节流阀以调节进入焓探针的冷却水流量。 在探针 的入水口的前端放置一个恒温冷却装置(冰水混合 物), 以减少进入焓探针的冷却水水温波动, 提高测 量精度。冷却水使用去离子的纯净水, 一方面减少 热电阻的测量误差, 另一方面防止冷却水在焓探针 中结垢 ,阻塞焓探针。三支热 电阻被分别置于焓探 针的进出水口及气体的出口, 用来测量进出口的水 温和出口气体的温度。 测温用的仪表选用了 ADlink 一收稿日期:2013 0613;修订日期 :2013 12~ 27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51172033) 作者简介:孙成琪(1979一 ),男,辽宁省庄河人 ,博士研究生,讲师 ,主要从事热喷涂等离子体的科研工作。 188 核聚变与等离子体物理 第 34 卷 公司的NuDam一 6018模块。 其连接在计算机上使用,在 15mV 的量程下具有 16 位的分辨力,温度读数 精确到 0. 1℃,可以满足测温的要求。焓探针的气 体出口一端与 u 型管压力计相连接, 用来测量等离 子炬的总压头, u 型管中装入水或密度较大的四氯 化碳。 气体出口的另一端与真空泵连接,线. h一,前端置一截止阀。测量时,先将 截止阀关闭,从压力计中读取焓探针前端的总压 头,并记录下无气体流经焓探针时的冷却水温升。 然后将截止阀打开, 让真空泵抽取等离子气体, 再 次记录下抽气状态下的冷却水温升。 从真空泵排 出的等离子气体采用排水取气法进行回收, 通过单 位时间的排水量可以计算出真空泵的排气量。 直型 焓探针由两层铜管焊接制成, 最外层铜管的直径为 6r a m,内部管的内直径为0. 8r a m。由于直型焓探针 只需要双层同轴管,结构简单,减少它的直径 , 从 而提高探针的灵敏度。冷却水进出水口开在焓探针 的两端, 其结构如图2 所示, 冷却水流过两层铜管 中间。在焓探针的冷却水的进、出口分别安装电子 显示热电阻温度计。 为了保持冷却水流量和压力的 稳 定 ,冷却水 由高压 螺杆泵提供 ,水流量为 1. 74kgr a in- 。 为保持焓探针进口水温不变, 在水泵 和焓探针入 口间增加恒温稳定装置 。 一置黧 _ 一 I 显 等离子体 体出口 镶 [ d=f i r 21恒 三螺杆泵 图 1焓探针测量系统图 H数 蔓计 v ) 大气压力下喷涂时, 等离子体处于局域热力学 平衡。根据热平衡关系, 流入焓探针的冷却水温的 变化和抽取气体的放热量存在如下热平衡关系:m g pg(h, 一 h 2 g)= P ( (△ 札 一 △ 加 ) (1 ) 式中, m 为高温气体的体积流量; P 为标准状态下 气体密度; h。 为焓管入口处气体的焓值;h2 为焓 管出口处气体的焓值;Cp 为冷却水的比热; m 为 冷却水的体积流量; P 为水的密度;ATno . 哪. f l。 为 无气体流过时焓探针冷却水的温升;A 空泵抽气时冷却水的温升 。 . n。 w为真 根据上式焓探针测定气体焓值的原理 , 当等离 子气体流过焓探针的内层的通道时, 被冷却水冷却 而放出热量 Q; 同时, 冷却水也因为吸热而升温△ 。 若知道冷却水的质量流量 m , 、 则气体的放热量 Q 就可以由Q=m p CD w△ 来确定。 焓探针的巧妙之 处就在于其消除了等离子炬对探针的入口和外壁 传热而对冷却水的水温产生的影响。 其具体方法如 下。首先, 关闭焓探针的气体出口,测量冷却水的 进出口水温差为△ . 哪. f low。此时由于没有等离子 气体流过焓探针, 冷却水的温升纯粹是由于等离子 炬对焓探针的前端和外壁传热而引起的。然后, 打 开探针的气体出口, 用真空泵抽取等离子气体, 使 其流过焓探针, 再一次测量出进出口冷却水的温升 为△T 札 。 此时由于等离子气体流过焓探针放热, 从而使△ -n 0 要高于△ 离子气体放出热量 Q 而使冷却水产生的温升就是 . _n 0 , 则流过探针的等 △ T gas. f l 0、 v一 △ T n。.gas. f l 。 w 。 在本实验范围内由于水温变化范围小, 水的比 热 、 密度等物理量随温度的变化可以忽略, 冷却水 的比热 CD 、 v=4. 18kJ -kg-1 . ℃ (1o isT70o C) ; 水的 密度pw =lOO O kgm (20~ C)。对于纯氩气 M=39. 95, 标准状态下的密度 pg : 1. 782kgm- ,采用一定温度 第 2 期 孙成瑛等:大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量 I89 下排水取气法测量抽出等离子体的流量,误差较 小。冷却水的体积流量 m w、气体的真空泵抽气时 排气量 m 以及△Tg a S _ n 0w - AT 。 . g a s-n 0 都可由实验直 接测量得到。由于出口气体的焓值 h: 和等离子气 体的质量流量可通过实验直接测量, 且知道等离子 气体的组成成分, 则由式(1)就可以求出入口处等离 子气体的焓值 h 。 焓探针由于其自身结构的以及内部的几何尺 寸限制了冷却水的流量,在其端部容易出现烧损, 并且由于其要插入等离子体射流中, 对射流产生一 等程度 的干扰 ,所 以测量温度会产生误 差 。 Rahmane[5 】 通过定义一个敏感因子 盯来给出焓探针 的测量精度 ,公式为 : △Qs 。 呷 l。 一 △Q 0一 _= ■ 一 △Qs, 一。 。 一 式中,△Qs 一 为真空泵抽气时焓探针的热流量; △ 在大于 5%,才认为探针的精度满足要求。增加真 空泵抽取的气体流量和减少△Q乜 都可提高测量精 度 。由于受到焓探针内径的限制,实验中真空泵 的抽气量一般都是固定的,所以就只有通过减少 △Q 来提高测量精度 盯 。 * Y-YA: 使用的焓探针, 在 等离子气体在探针的入口处喷涂氧化钇稳定氧化 锆涂层,由于热障涂层的保护, 一方面可以减少真 空泵不抽气时的热流量, 来提高测量精度,另一方 面, 涂层的保护也可以使焓探针在温度较高区域内 进行测量, 特别是喷嘴出口处等离子体焰流的中心 区 。 为真空泵处不抽气时焓探针的热流量。 只有 2-2实验条件 在本文的实验中, 使用大连海事大学热喷涂研 究中心的大气等离子喷涂系统, 喷枪是由水冷的涂 钍钨阴极和铜阳极喷嘴构成。 等离子焰流如图3 所 示, 等离子体电弧由气体的持续供给来保持。一般 来说氩气是很好的稳定等离子体电弧的气体, 同时 引弧的电压比较低。 本文实验条件和实验中测量的 等离子电压列于表 1中,表中z 为测量点距离喷枪 出口轴向距离, 同时记录了在不同条件下喷枪的进 出口水温。 图 3等离子体焰流 表 1试验条件 3结果与讨 论 3. 1 等离子炬的焓值与温度 不同电流条件下, 氩气流量对等离子体焓值的 变化情况如图 4 所示。从图4 中可以看出, 在氩气 流量不变的情况下, 随着电流的增加等离子体的焓 值和温度都增加, 这是因为弧电流增加会导致功率 增加而使等离子体能量增加, 从而引起等离Y-I* 焓 值的增加。从测量和计算的结果可以看出, 在弧电 流保持不变的隋况下, 增加氩气流量等离子体的电 压略有增加,这是由于对于热喷涂等离子电弧,其 电弧电压与阳极弧根的位置密切相关,通常认为, 阳极弧根的位置可以根据 Steenbeck 弧电压最小值 原理来确定。李和平【 6 】 对等离子电弧的数值模拟证 明,电弧电压会随着阳极弧根向下游的移动而升 高。对比 100A 和 200A 时的曲线可以看出,随着 电流的增加 , 氩气流量变化对等离子}巨 焓值的影响 变小。在 100A 时,氩气流量从 25Lr a in- 变化到 40Lmin 时, 电压 由23V 变化到27V , 功率 由2. 3kW 变化到 2. 7kW ,由氩气流量变化所引起的功率增加 0. 4kW , 而在 200A 时, 功率由4. 6kW 变化到 5. 4kW , 功率增加 0. 8kW。这说明, 随着电流的增加,氩气 核聚变与等离子体物理 第 34 卷 流量变化所引起的功率增加变多。 在保持电流不变 时 ,随着氩气流量的增加等离子体的焓值不断减 小。 虽然氩气流量增加会导致功率略有增加, 但是 由于更多的气体卷入到等离子炬中, 而总的能量增 加又不多, 这必然会导致等离子体的焓值降低。由 以上分析得出, 随着电流的增加, 氩气流量的变化 对等离子焓值的影响会减小。根据计算得到的焓 值 ,查文献【 7 】 ,可以得到等离子体的温度,如图 5 所示。 气流量和电流变化对等离子体温度的影响与 其对焓值的影响相同。 图 4喷枪出口 1 0r a m处氩气流量和电流 对等离子炬焓值的影响 图 5喷枪出口 1 0mm处氩气流量和电流 对等离子炬温度的影响 不同电流下, 距离喷枪出口轴向 15mm处, 氩 气流量变化对等离子体焓值和温度的影响如图6 和 图 7所示。 变化的趋势与距离喷枪 10mm处时相同,在氩气流量不变的情况下 , 随着电流的增加等离子 体的焓值增加, 在保持电流不变时, 随着氩气流量 的增加等离子体的焓值不断减小。 在氩气流量为 30 L min~,电流为 100A 、150A 和 200A 时,等离子 体的焓值为 575. 81 0 kg~、978. 41 0 -kg- 和 1 150. 99 1 0 kg- ,等离Y-I* 的温度为 1091. 5K 、1862. 3K 和 2194. 2K。而在距离喷枪 10mm时,氩气流量为 3O L . min- ,电流为 100A 、150A 和 200A 时,测量计 算 得 到 的 等 离 子 体 的 焓值 为 805. 81 0 kg- 、 1035. 91 0 kg- 和 13811 0 kg~, 温度为 l532. 3K 、 1973 K 和 2636. 7K ,可见随着距离喷枪出口处轴向距离 的增加,等离Y-t* 的焓值和温度下降明显。 图 6喷枪出口 1 5mm处氩气流量和电流 对等离子炬焓值的影响 图 7喷枪出口 1 5r am 处氩气流量和电流 对等离子射流温度的影响 3. 2喷枪热效率 为了保证等离子体喷枪正常工作, 要对其进行 充分的冷却,喷枪的输入功率一部分 由冷却水带 走,一部分转换成了等离子体射流的能量, 喷枪的 热效率为: ,7: Q~-Q2 Q1 (3) 第 2 期 孙成琪等:大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量 19l 式中, 功率, Q。率,Q2=m pAT,其中,m 为冷却水的体积流量,P 为冷水的密度, △ 为冷却水的进出口温差。 不同电流下, 氩气流量变化对喷枪热效率的影 响如图 8所示。图 8表明在保持电流不变条件下,氩气流量增加,喷枪的热效率会略有增I I ; 在氩气 流量不变时,电流增大,喷枪的热效率增加显著。 氩气流量增加, 氩等离- T-f* 获得的能量会增多,电 流增大时, 一方面冷却水从喷枪中带走的热量会增 加,另一方面氩等离子体得到的能量也会增大。在 电流从 100A 变化到 150A 时,后者增加的比率要 大于前者, 所以结果会导致喷枪热效率增大。计算 结果表明,在电流从 150A 变化到 200A 时,电流 增加后喷枪的热效率增加很少, 在喷枪的热效率到 达 58%左右时, 热效率基本不再增加, 这表明等离 子喷枪的最小损失能量也要达到40%以上。 为喷枪的热效率; Q。 喷涂时喷枪所获得的 ; Q2为冷却水冷却喷枪时所带走的功 图 8氩气流量和电流强度变化对喷枪热效率的影响 4结论 研究了在距离喷嘴出口轴向 lOmm 和 15mm 处, 氩气流量变化和弧电流变化对等离子体射流的 温度特性的影响,并对喷枪的热效率进行了计算。 得到如下结果: (1) 在氩气流量不变的情况下,随着电流的增 加等离子体的焓值和温度增加。增加氩气流量,电 弧弧根向喷嘴出口方向转移 ,提高等离子电弧电 压。这有利于提高喷嘴出口...

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