CN106937470B - 基于等离子弧的加热方法、加热装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于等离子弧的加热方法及加热装置。高频电流击穿雾化水分子，雾化水分子电离，阴极与阳极之间形成功率电弧。功率电弧促使雾化水分子电离形成高温等离子弧。高温等离子弧促使雾化水分子电离，高温等离子弧与雾化水分子电解产生氢氧气互助推挽模式，高温等离子弧喷射为等离子火焰，实现加热。氢气和氧气的燃烧值很高，水的电解效率很高，本发明提供的基于等离子弧的加热方法具有很高的电热转换效率，能够用于加热，节约能源。高温等离子弧喷射形成及加热的过程中仅使用水，氢氧燃烧还原为水，不会产生有害气体成分，不会污染空气，实现无污染加热、燃烧。本发明提供的加热方法及加热装置能够用于垃圾焚烧、工业独立加热或民用加热。
Description
技术领域
本发明涉及加热设备技术领域，尤其涉及基于等离子弧的加热方法、加热装置及应用。
背景技术
等离子体是目前工业化应用中的新型热源，主要应用于冶炼、喷涂、焊接、垃圾处理以及工业加热、民用加热等领域。等离子体分为低温等离子体和高温等离子体。低温等离子体主要用于等离子电视、表面防水涂层以及电脑芯片等产品的应用。高温等离子体主要利用等离子弧的高温、能量集中以及电热转换效率高等特性而应用于垃圾处理以及作为工业加热、民用加热等的热源。
根据等离子体的特性研制出用于实现各种应用的等离子发生器。等离子发生器能够同时产生正离子和负离子，所产生的正离子和负离子在空气中进行正负电荷中和的瞬间易产生巨大的能量。巨大能量在释放过程中能够使周围的细菌结构发生改变或发生能量转换，进而导致细菌死亡，实现杀菌、灭菌的作用。
目前，等离子发生器主要通过氩气、氮气以及混合气体等作为电弧的压缩介质。采用氩气、氮气以及混合气体等作为压缩介质的等离子发生器在加热或垃圾焚烧时不可避免地会出现较大的烟尘以及氧化物。烟尘以及氧化物的产生容易污染环境，影响人类生活。氩气、氮气以及混合气体等成本较高，造成资源及能源的浪费。等离子发生器的阴极电极为金属钨。金属钨容易在使用过程中发生烧损，缩短金属钨的使用寿命，因而金属钨仅能使用十几至二十几个小时。由于现有等离子发生器为固定式电极，因而当金属钨烧损至不能使用时，必须更换阴极电极。阴极电极的频繁更换导致工作效率低。
发明内容
本发明提供一种基于等离子弧的加热方法、加热装置及应用，以解决现有等离子发生器使用时污染环境的问题。
本发明提供一种基于等离子弧的加热方法，所述方法包括：
高频电流击穿腔体内的雾化水分子，以使所述雾化水分子电离，阴极与阳极之间形成初始引导电弧喷射；
所述初始引导电弧喷射促使所述阴极与所述阳极之间形成功率电弧；
所述功率电弧加速所述雾化水分子电离；
所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射；
断开所述高频电流，所述高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使所述等离子火焰加热。
优选地，所述阳极包括第一阳极和第二阳极；
所述高频电流击穿腔体内的所述雾化水分子，以使所述阴极与所述第一阳极之间形成所述初始引导电弧喷射；
所述初始引导电弧喷射促使所述阴极与所述第二阳极之间形成功率电弧；
所述功率电弧加速所述雾化水分子电离；
所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射；
断开所述高频电流，所述高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使所述等离子火焰加热。
优选地，所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射包括：
所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧；
所述高温等离子弧使所述雾化水分子雪崩式电离；
所述雾化水分子雪崩式电离出的氢气和氧气对所述功率电弧再次压缩，形成高温等离子弧喷射。
优选地，所述雾化水分子为所述腔体的冷却用水经雾化装置雾化形成。
本发明提供一种基于等离子弧的加热装置，所述加热装置包括腔体、第一阳极电极座和雾化装置；
所述第一阳极电极座位于所述腔体正下方，所述第一阳极电极座与所述腔体之间设置有阳极绝缘体，且所述腔体与所述第一阳极电极座之间相连通；
所述雾化装置的第一排气管贯穿所述第一阳极电极座，且所述第一排气管的端部位于所述腔体与所述第一阳极电极座之间；
所述腔体内部设置有安装座、电极夹头和阴极电极棒，所述安装座、所述电极夹头和所述电极夹头的中心线重合；所述安装座位于所述电极夹头的上方，且所述阴极电极棒贯穿所述安装座和所述电极夹头；
所述安装座上设置有阴极进水管和阴极出水管，所述阴极进水管的一端和阴极出水管的一端在所述电极夹头处相连通，且所述阴极出水管贯穿所述第一阳极电极座。
优选地，所述加热装置还包括第二阳极电极座，所述第二阳极电极座位于所述第一阳极电极座的下方，所述第二阳极电极座与所述第一阳极电极座之间设置有中空的绝缘垫，且所述第二阳极电极座与所述第一阳极电极座之间相连通。
优选地，所述加热装置还包括阳极水管，所述阳极水管贯穿所述第二阳极电极座；所述阴极出水管的另一端与所述阳极水管的进水端通过调节阀相连通；所述阳极水管的出水端与所述雾化装置相连接。
优选地，所述加热装置还包括电极推进装置，所述电极推进装置设置于所述腔体的顶端，且所述电极推进装置与所述阴极电极棒相接触。
优选地，所述电极推进装置包括调节手柄、调节螺栓和调节螺母；所述调节螺母外设于所述调节螺栓，且所述调节螺母的内螺纹与所述调节螺栓的外螺纹相吻合；所述调节螺栓的两端分别连接所述调节手柄和所述阴极电极棒。
本发明提供的基于等离子弧的加热装置用于垃圾焚烧、工业独立加热或民用加热。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供一种基于等离子弧的加热方法及加热装置，其中，加热方法包括：高频电流击穿腔体内的雾化水分子，以使所述雾化水分子电离，阴极与阳极之间形成初始引导电弧喷射；所述初始引导电弧喷射促使所述阴极与所述阳极之间形成功率电弧；所述功率电弧加速所述雾化水分子电离；所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射；断开所述高频电流，所述高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使所述等离子火焰加热。本发明提供的基于等离子弧的加热方法或加热装置通过高频电流击穿腔体水分子。高频电流的击穿使得雾化水分子发生电离形成氢离子气和氧离子气。同时，高频电流的击穿还使得阴极与阳极之间形成初始引导电弧。氢离子气和氧离子气在初始引导电弧的作用下在阳极处形成小电流离子弧喷射。小电流离子弧喷射立刻加速雾化水分子的电离，进而初始引导电弧在阳极处形成初始引导电弧喷射。初始引导电弧喷射的形成促使阴极与阳极之间形成功率电弧。功率电弧的形成会加速雾化水分子的电离，产生更多的氢离子气和氧离子气。较多的氢离子气和氧离子气聚集形成氢气和氧气。由于氢气和氧气的膨胀作用使得氢气和氧气对功率电弧压缩，压缩的功率电弧形成高温等离子弧。高温等离子弧再次加速雾化水分子的电离，使得高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助推挽模式，极大提高水的电解效率，最终由于腔体空间的限制形成高温等离子弧喷射。高温等离子弧喷射形成后，断开高频电流，高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使等离子火焰持续加热。由于氢气和氧气的燃烧值很高，且水的电解效率很高，因而本发明提供的基于等离子弧的加热方法或加热装置具有很高的电热转换效率，能够用于加热、焚烧，且节约能源。由于高温等离子弧喷射形成及加热的过程中仅使用水，因而不会产生有害气体成分，进而不会污染空气，实现无污染加热、焚烧。
由于高温等离子弧与雾化水分子之间的互助作用以及氢气和氧气的燃烧值，使得高温等离子弧喷射的火焰具有较高的温度，且火焰面积增大40-50％。当本发明提供的加热方法或加热装置在用于垃圾焚烧时，较高的火焰温度使得垃圾直接碳化，杀死细菌及微生物，且不会产生有害物质。较大的火焰面积能够处理大范围的垃圾，从而提高垃圾处理效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的第一种基于等离子弧的加热方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种基于等离子弧的加热方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的第一种基于等离子弧的加热装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的第二种基于等离子弧的加热装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的第三种基于等离子弧的加热装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的图5中A-A出的截面图；
符号表示：
1-腔体，2-第一阳极电极座，3-雾化装置，4-阳极绝缘体，5-第一排气管，6-安装座，7-电极夹头，8-阴极电极棒，9-阴极进水管，10-阴极出水管，11-第二阳极电极座，12-绝缘垫，13-阳极水管，14-调节阀，15-电极推进装置，16-调节手柄，17-调节螺栓，18-调节螺母，19-密封垫，20-腔体绝缘层，21-输电管，22-紧固螺纹，23-外罩，24-推进绝缘层，25-第二排气管。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参考附图1，附图1示出了本发明提供的第一种基于等离子弧的加热方法的流程示意图。
本发明提供一种基于等离子弧的加热方法，该方法包括：
S101：高频电流击穿腔体内的雾化水分子，以使所述雾化水分子电离，阴极与阳极之间形成初始引导电弧喷射。
通过雾化装置将水分子雾化，以备后续的使用。采用高频电流震荡击穿雾化水分子。引弧击穿时间为毫秒级，极短时间击穿的雾化水分子不会产生有害气体成分，因而不会污染空气。雾化水分子在高频电流击穿时会电离出氢离子气和氧离子气，同时阴极与阳极之间产生功率约为1kW的初始引导电弧。氢离子气和氧离子气在初始引导电弧的作用下在阳极形成小电流离子弧喷射。小电流离子弧喷射立刻加速雾化水分子的电离，进而初始引导电弧在阳极处形成初始引导电弧喷射。
S102：所述初始引导电弧喷射促使所述阴极与所述阳极之间形成功率电弧。
由于初始引导电弧的喷射以及不断产生的氢离子气和氧离子气，因而在阴极与阳极之间形成功率电弧。
S103：所述功率电弧加速所述雾化水分子电离。
功率电弧的形成会加速雾化水分子的电离，产生更多的氢离子气和氧离子气。较多的氢离子气和氧离子气聚集形成氢气和氧气。
S104：所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射。
由于氢气和氧气不断产生，且由于氢气和氧气的膨胀作用使得氢气和氧气对功率电弧压缩。经过压缩的功率电弧形成高温等离子弧。高温等离子弧再次加速雾化水分子的电离，使得高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助推挽模式，极大提高水的电解效率，最终由于腔体空间的限制形成高温等离子弧喷射。
在高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助推挽模式中，由于高温等离子弧的功率较高使得雾化水分子呈现雪崩式电离，电离速度明显加快。雾化水分子雪崩式电离产生的氢气和氧气不断对阳极处的高温等离子弧压缩。当高温等离子弧由于腔体空间的限制压缩到一定程度时，高温等离子弧从喷射管道喷射出加热装置，形成高温等离子弧喷射。
S105：断开所述高频电流，所述高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使所述等离子火焰加热。
当高温等离子弧喷射形成后，断开引弧的高频电流，此时初始引导电弧切断。在高温等离子弧与雾化水分子之间所形成互助推挽模式下，高温等离子弧喷射持续喷出，并将氢气与氧气燃烧，形成纯绿色的等离子火焰。引弧的高频电流断开后，等离子火焰完全依靠雾化水分子电解二产生喷弧，进而实现持续加热。
请参考附图2，附图2示出了本发明提供的第二种基于等离子弧的加热方法的流程示意图。
本发明提供一种基于等离子弧的加热方法，在该方法中，阳极包括第一阳极和第二阳极。具体地，本发明提供的基于等离子弧的加热方法包括：
S201：所述高频电流击穿腔体内的所述雾化水分子，以使所述阴极与所述第一阳极之间形成所述初始引导电弧喷射。
采用高频高压震荡电流击穿经雾化装置雾化的水分子。雾化水分子在高频电流击穿震荡时会电离出氢离子气和氧离子气，同时阴极与第一阳极之间产生功率约为1kW的初始引导电弧。氢离子气和氧离子气在初始引导电弧的作用下在第一阳极处形成小电流离子弧喷射。小电流离子弧喷射立刻加速雾化水分子的电离，进而初始引导电弧在第一阳极处形成初始引导电弧喷射。
S202：所述初始引导电弧喷射促使所述阴极与所述第二阳极之间形成功率电弧。
由于初始引导电弧的喷射以及不断产生的氢离子气和氧离子气，因而使得氢离子气和氧离子气范围扩大。当氢离子气和氧离子气扩大至第二阳极处时，阴极与第二阳极之间形成功率电弧。
S203：所述功率电弧加速所述雾化水分子电离。
功率电弧在阴极与第二阳极之间形成的过程中同时使得雾化水分子的电离速度加快，产生更多的氢离子气和氧离子气。较多的氢离子气和氧离子气聚集形成氢气和氧气。
S204：所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射。
由于氢气和氧气不断产生，且由于氢气和氧气的膨胀作用使得氢气和氧气对第二阳极处的功率电弧压缩。经过压缩的功率电弧形成高温等离子弧。高温等离子弧再次加速雾化水分子的电离，使得高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助推挽模式，极大提高水的电解效率，最终由于腔体空间的限制形成高温等离子弧喷射。
在高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助推挽模式中，由于高温等离子弧的功率、弧压、电场强度倍数加大，使得阴极与第二阳极之间的雾化水分子呈现雪崩式电离，电离速度明显加快，实现氧气和氢气的高速高效产生。雾化水分子雪崩式电离产生的氢气和氧气不断对第二阳极处的高温等离子弧压缩。当高温等离子弧由于腔体空间的限制压缩到一定程度时，即达到平衡状态时，高温等离子弧从喷射管道稳定喷射出加热装置，形成高温等离子弧喷射。
S205：断开所述高频电流，所述高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使所述等离子火焰加热。
当高温等离子弧喷射形成后，断开高频电流，此时初始引导电弧切断。在高温等离子弧与雾化水分子之间所形成互助模式下，高温等离子弧喷射持续喷出，并将氢气与氧气燃烧，形成纯绿色的等离子火焰。等离子火焰实现持续加热。
由于本发明实施例提供的第二种等离子弧的加热方法包括两个阳极，因而能够大大提高水的电解效率，使电弧压缩比增强，电弧始终集中在喷嘴孔中心位置，延长阳极的使用寿命，进而延长加热装置的使用寿命。另外，初始引导电弧和高温等离子弧分别在阴极与第一阳极之间以及阴极与第二阳极之间形成。高温等离子弧形成后，功率电弧由阴极8与第二阳极电极座11之间产生。尽管第一阳极电极座2的引导电源已经切断，此时水雾化后通过第一排气管5排入第一阳极电极座2和阴极电极棒8之间，强电场及电弧高温的作用仍然高速电离出氢氧离子气，其氢氧气与第一阳极喷嘴形成第一次电弧压缩；水雾化后通过第二排气管25排入第二阳极电极座11和第一阳极电极座2之间，高速电离的氢氧离子气与第二阳极喷嘴形成第二次电弧压的缩气。由于第二阳极电极座11的弧压成倍增高，则电场强度成倍加大，加上电弧温度更高，因而电解速度更快，提高高温等离子弧与雾化水分子之间的协同作用。
在本发明实施例提供的基于等离子弧的加热方法中，雾化水分子可以为外接水源经过雾化装置雾化后进入到加热装置的腔体内。由于经过压缩的高温等离子弧温度能够达到11000-15000℃，因而加热装置的材质必须为耐热材质。然而由于加热装置长期处于高温状态，因而加热装置的使用寿命较短。为进一步延长加热装置的使用寿命，需要对加热装置进行冷却处理。通常使用的冷却剂为水。通入加热装置的水对阴极以及阳极进行冷却。已经通过阴极以及阳极的水经过热交换后往往具有较高的温度，但较高温度的水通常被排掉，造成资源浪费。由于经过热交换的水具有较高的温度，有利于雾化装置雾化为水分子，因而在本发明实施例中，经过热交换的水经过雾化装置重新进入腔体内，实现水资源的再利用，降低使用成本。
在高温等离子弧喷射形成等离子火焰的过程中，若腔体的雾化水分子较多，则在高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助模式下产生的氢气和氧气较多。较多的氧气和氢气燃烧过程中产生较高的热量，因而等离子火焰的外围温度仍然较高。但在有些工业及民用加热中并不需要较高的温度，因而需要调节等离子火焰的温度。等离子火焰温度的调节通过水进入雾化装置的速度、电源电流的大小、改变第二阳极喷嘴孔径或燃烧孔径等实现。
进一步，在本发明实施例中，等离子火焰的长度以及直径可以根据加热室的尺寸进行调节。如在相同的功率情况下，加热室的直径越小，等离子火焰越细长。反之，则等离子火焰越粗短。
请参考附图3，附图3示出了本发明实施例提供的第一种基于等离子弧的加热装置的结构示意图。
本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置包括腔体1、第一阳极电极座2和雾化装置3。腔体1为加热装置的结构本体，用于承载加热装置的其余部件。第一阳极电极座2为本发明实施例中的阳极电极，用于与阴极电极棒8配合使用。雾化装置3为将水雾化为水分子的装置。
具体地，腔体1为类似于圆柱的柱状体。腔体1的两端均开口，且腔体1内部的底部与电极夹头7端部的外形相一致。腔体1的外侧设置有腔体绝缘层20。腔体绝缘层20由防护绝缘材料制备，以防止加热装置在使用时漏电。由于等离子火焰的温度较高，腔体绝缘层20还能够起到隔绝温度的作用。腔体1的内部设置有安装座6、电极夹头7和阴极电极棒8。安装座6为安装阴极进水管9和阴极出水管10的装置。电极夹头7用于夹住阴极电极棒8，以防止阴极电极棒8在腔体1内部发生晃动。为便于电极夹头7夹住阴极电极棒8以及安装座6的设置，安装座6、电极夹头7和阴极电极棒8的竖直中心线重叠。
腔体1内各部件在具体设置时，安装座6和电极夹头7分别位于腔体1的两端，其中，安装座6位于电极夹头7的上方。电极夹头7的上部与腔体1的底部相吻合，且电极夹头7的下部突出于腔体1，以便于电极夹头7夹住的阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间建立初始引导电弧。为增加安装座6和腔体1之间的密封性，安装座6和腔体1之间设置有密封垫19。为便于阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间建立初始引导电弧，阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间需要近距离设置。由于第一阳极电极座2设置于腔体1的外侧底部，因而为便于初始引导电弧的建立，阴极电极棒8贯穿电极夹头7。尽管本发明实施例提供的阴极电极棒8的材质采用抗氧化性非常强、烧损远远强于钨的稀有金属，然而在使用过程中也会发生烧损。为便于更换烧损的阴极电极棒8，阴极电极棒8贯穿安装座6，进而便于阴极电极棒8拆卸。若在本发明中采用金属钨作为电极，由于钨不能遇空气及氧气，所以只能使用氩气或氮气等作为压缩气体，且烧损速度较快，金属钨仅能使用十几至二十几个小时。
进一步，安装座6上设置有阴极进水管9和阴极出水管10。阴极进水管9用于将外部的水引入阴极电极棒8，通过水与阴极电极棒8之间的热交换实现对阴极电极棒8的冷却。阴极出水管10用于将经过热交换的水排出阴极电极棒8。阴极进水管9的一端与外接水源相连通，另一端在电极夹头7处与阴极出水管10的一端相连通。阴极出水管10的另一端贯穿第一阳极电极座2，进而通过水与第一阳极电极座2之间的热交换实现对第一阳极电极座2的冷却。经过再次热交换的水可以直接排出加热装置。由于经过两次热交换后，水的温度较高，因而容易气化及雾化。在本发明实施例中，阴极出水管10穿过第一阳极电极座2后，阴极出水管10中温度较高的水直接排入雾化装置3中，进而由雾化装置3对水进行雾化。
在本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置中，第一阳极电极座2设置于腔体1的正下方，且第一阳极电极座2与腔体1相连通。第一阳极电极座2为中空的部件，以便于形成的等离子火焰由中空处排入燃烧管路中，进而排出加热装置。由于电极夹头7的下部突出于腔体1，且第一阳极电极座2与腔体1相连通，因而阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间的距离较近，进而便于初始引导电弧建立。进一步，第一阳极电极座2与腔体1之间设置有阳极绝缘体4。阳极绝缘体4用于隔离阴极电极棒8与第一阳极电极座2，以防止阴极电极棒8与第一阳极电极座2发生接触。阳极绝缘体4为中空部件，以便于阴极电极棒8靠近第一阳极电极座2。
在本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置中，雾化装置3设置有第一排气管5。雾化装置3将水雾化后由第一排气管5排入第一阳极电极座2和阴极电极棒8之间。第一排气管5贯穿第一阳极电极座2，且第一排气管5的端部位于腔体1与第一阳极电极座2之间，以便于雾化水分子由第一排气管5排入后作用于第一阳极电极座2和阴极电极棒8。
进一步，加热装置还包括设置于安装座6上的输电管21，且输电管21贯穿安装座6。安装座6的下部设有紧固螺纹22。输电管21、阴极电极棒8、阴极进水管9和阴极出水管10均贯穿紧固螺纹22。由于输电管21、阴极电极棒8均贯穿紧固螺纹22，因而当输电管21接通电源时，电流能够通过输电管21、紧固螺纹22传输至阴极电极棒8。通常的，阴极电极棒8通过输电管21连接电源的负极，第一阳极电极座2连接电源的正极。另外，第一阳极电极座2还连接引弧线端。
本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置的工作过程为：通过阴极进水管9向阴极进水管9、阴极出水管10等水流管路中注入水，直至水到达雾化装置3处。雾化装置3将水雾化后通过第一排气管5排入第一阳极电极座2和阴极电极棒8之间。将加热装置的输电管21和第一阳极电极座2分别接通电源。接通电源的瞬间，高频电流震荡击穿腔体内已雾化的水分子。高频电流的击穿使得雾化水分子发生电离形成氢离子气和氧离子气。同时，高频电流的击穿还使得阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间形成初始引导电弧。氢离子气和氧离子气在初始引导电弧的作用下在第一阳极电极座2处形成小电流离子弧喷射。小电流离子弧喷射立刻加速雾化水分子的电离，进而初始引导电弧在第一阳极电极座2处形成初始引导电弧喷射。初始引导电弧喷射的形成促使阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间形成功率电弧。功率电弧的形成会加速雾化水分子的电离，产生更多的氢离子气和氧离子气，同时引燃第二阳极电极座11主功率电弧的建立，由于主功率弧建立弧压成倍增高、电场强度成倍增大，此时分别进入第一阳极与第二阳极区域的雾化水分子进入高速电离过程。较多的氢离子气和氧离子气聚集形成氢气和氧气。由于氢气和氧气的膨胀作用使得氢气和氧气对主功率电弧的强性压缩，压缩的功率电弧形成高温等离子弧。强磁场的高温等离子弧再次加速雾化水分子的电离，使得高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助推挽模式。强磁场的高温等离子弧实现对水分子的高速度、高效率的电解，电离的氢氧气同时作用电弧的压缩形成高温等离子弧喷射。高温等离子弧喷射形成后，电源自动断开高频引弧回路，此时水雾化后通过第一排气管5排入第一阳极电极座2和阴极电极棒8之间，电离的氢氧离子气与第一阳极形成第一次电弧压缩；水雾化后通过第二排气管25排入第二阳极电极座11和第一阳极电极座2之间，电离的氢氧离子气与第二阳极电极座11形成第二次电弧压缩气。高温等离子弧喷射形成等离子火焰，等离子火焰由第一阳极电极座2的喷嘴间隙处排出，只要在阴极棒8与第二阳极座电极11通入电，进而实现等离子火焰的持续加热。
请参考附图4，附图4示出了本发明实施例提供的第二种基于等离子弧的加热装置的结构示意图。
基于本发明实施例提供的第一种加热装置，本发明实施例提供的第二种基于等离子弧的加热装置还包括第二阳极电极座11。第二阳极电极座11用于与第一阳极电极座2配合使用，进而由阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间形成初始引导电弧，阴极电极棒8与第二阳极电极座11之间形成高温等离子弧。由于两种电弧分别在两个阳极上形成，因而能够延长阳极的使用时间，同时增大加热装置的功率。高温等离子弧形成后，功率电弧由阴极8与第二阳极电极座11之间产生。尽管第一阳极电极座2的引导电源已经切断，此时水雾化后通过第一排气管5排入第一阳极电极座2和阴极电极棒8之间，强电场及电弧高温的作用仍然高速电离出氢氧离子气，其氢氧气与第一阳极喷嘴形成第一次电弧压缩；水雾化后通过第二排气管25排入第二阳极电极座11和第一阳极电极座2之间，高速电离的氢氧离子气与第二阳极喷嘴形成第二次电弧压的缩气。由于第二阳极电极座11的弧压成倍增高，则电场强度更大，加上电弧温度更高，所以电解速度更快。
第二阳极电极座11设置于第一阳极电极座2的下方。与第一阳极电极座2相同的，第二阳极电极座11中间部位也设置为中空的，进而便于等离子火焰的喷射。第一阳极电极座2与第二阳极电极座11之间设置有中空的绝缘垫12，以隔绝第一阳极电极座2与第二阳极电极座11。由于第一阳极电极座2和第二阳极电极座11均为中空的，且绝缘垫12也为中空，因而第一阳极电极座2和第二阳极电极座11之间相连通，进而便于高温等离子弧的形成与喷射。
进一步，加热装置还包括贯穿第二阳极电极座11的阳极水管13，阳极水管13的一端与阴极出水管10的一端相连通，进而便于已经冷却阴极电极棒8、第一阳极电极座2的水对第二阳极电极座11进行冷却。阳极水管13的另一端与雾化装置3相连接。由于水已经与阴极电极棒8、第一阳极电极座2和第二阳极电极座11进行三次热交换，因而水的温度较高，且接近或到达水的气化温度。较高温度的水通过雾化装置3后容易加速雾化装置3对水的雾化，提高雾化效率。雾化装置3上还设置有第二排气管25。第二排气管25贯穿第二阳极电极座11，且第二排气管25的端部位于阴极电极棒8和第二阳极电极座11之间，以便于为阴极电极棒8和第二阳极电极座11处提供雾化水分子。
由于阴极电极棒8与第二阳极电极座11之间形成高温等离子弧，而高温等离子弧具有很高的温度，因而第二阳极电极座11的温度较高，且远远高于阴极电极棒8、第一阳极电极座2的温度。为充分冷却第二阳极电极座11及充分加热水，阳极水管13设置为螺旋状。在本发明实施例中，第二阳极电极座11与外接电源的正极相连接。
更进一步，阳极水管13与阴极出水管10的连通处设置有调节阀14。调节阀14用于调节阴极出水管10进入阳极水管13的进水量。由于能够通过调节阀14控制进入阳极水管13的进水量，进而能够调节雾化装置3的雾化率。由于雾化率可控，因而进入阴极电极棒8与第二阳极电极座11之间的雾化水分子的量可控，进而能够控制氢气和氧气的产出量，并达到最大电解率。由于电解水分子产生最大化的氢氧气，使得等离子火焰流得以最大化的增加，以便于适用于不同环境的加热以及垃圾处理。
本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置的工作过程为：通过阴极进水管9向阴极进水管9、阴极出水管10等水流管路中注入水，直至水到达雾化装置3处。雾化装置3将水雾化后通过第一排气管5排入第一阳极电极座2和阴极电极棒8之间。将加热装置的输电管21和第一阳极电极座2分别接通电源。接通电源的瞬间，交流电高频击穿腔体内已雾化的水分子。高频电流的击穿使得雾化水分子发生电离形成氢离子气和氧离子气。同时，高频电流的击穿还使得阴极电极棒8与第一阳极电极座2之间形成初始引导电弧。氢离子气和氧离子气在初始引导电弧的作用下在第一阳极电极座2处形成小电流离子弧喷射。小电流离子弧喷射立刻加速雾化水分子的电离，进而初始引导电弧在第一阳极电极座2处形成初始引导电弧喷射。初始引导电弧喷射的形成促使阴极电极棒8与第二阳极电极座11之间形成功率电弧。功率电弧的形成会加速雾化水分子的电离，产生更多的氢离子气和氧离子气。较多的氢离子气和氧离子气聚集形成氢气和氧气。由于氢气和氧气的膨胀作用使得氢气和氧气对第二阳极电极座11处的功率电弧压缩，压缩的功率电弧形成高温等离子弧。高温等离子弧再次加速雾化水分子的电离，使得高温等离子弧与雾化水分子之间形成互助模式，极大提高水的电解效率，最终由于阴极电极棒8与第二阳极电极座11之间的腔体空间的限制形成高温等离子弧喷射。高温等离子弧喷射形成后，断开高频电流，高温等离子弧喷射形成等离子火焰，等离子火焰由第二阳极电极座11的中空处排出，进而实现等离子火焰的持续加热。
请参考附图5，附图5示出了本发明实施例提供的第三种基于等离子弧的加热装置的结构示意图。请参考附图6，附图6示出了附图5中A-A出的截面图。
本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置还包括电极推进装置15。尽管本发明实施例的阴极电极棒8的材质采用抗氧化非常强、烧损远远强于钨的稀有金属，在使用的过程中也会发生烧损。为延长阴极电极棒8的使用寿命以及减少阴极电极棒8的更换次数，本发明实施例提供的基于等离子弧的加热装置设置有电极推进装置15。电极推进装置15设置于腔体1的顶端，且电极推进装置15与阴极电极棒8相接触。由于电极推进装置15与阴极电极棒8相接触，当阴极电极棒8烧损至当前长度不能使用时，通过推动电极推进装置15使得阴极电极棒8向前移动，继而使得阴极电极棒8靠近第一阳极电极座2，保证初始引导电弧的产生。
进一步，电极推进装置15包括调节手柄16、调节螺栓17和调节螺母18。调节手柄16为电极推进装置15的把手，以方便推进阴极电极棒8。调节螺母18外设于调节螺栓17，且调节螺母18的内螺纹与调节螺栓17的外螺纹相吻合，因而调节螺栓17能够在调节螺母18内发生转动。调节螺栓17的两端分别连接调节手柄16和阴极电极棒18。当需要推进阴极电极棒8时，转动调节手柄16，调节手柄16的转动带动调节螺栓17在调节螺母18内发生转动，进而调节螺栓17推动阴极电极棒8移动。更进一步，调节螺母18外侧设置有外罩23，以保护调节螺栓17和调节螺母18。由于调节螺栓17与阴极电极棒8相连接，当阴极电极棒8连通电源时，调节螺栓17有可能发生漏电现象。为防止发生漏电，外罩23的外层还设置有推进绝缘层24。在本发明实施例中，所有起到隔离作用的部件，如绝缘垫12、腔体绝缘层20以及推进绝缘层24等均为陶瓷、绝缘橡胶等绝缘材料。
由于氢气和氧气的燃烧值很高，且水的电解效率很高，因而本发明提供的基于等离子弧的加热方法具有很高的电热转换效率，且电热转换效率能够达到96％以上，进而能够用于加热。通过本发明实施例提供的加热装置与电炉作对比，对于相同的加热功率加热同体积的水，本发明实施例提供的加热装置能够节省1/4-1/5的时间。由于高温等离子弧喷射形成及加热的过程中仅使用水，因而不会产生有害气体成分，进而不会污染空气，实现无污染、环保加热。另外，在雾化水分子电离出的氢气和氧气，而氢气和氧气在高温等离子弧喷射的作用下发生燃烧的过程中，氢气和氧气一直处于安全范围内，不会发生爆炸等危险，进而保证人身以及财物安全。
由于氢气和氧气的燃烧值很高，因而氢气和氧气燃烧所产生的热能接近加热装置总热能的50％。另外，由于氢气和氧气的体积较大，因而能够扩大加热装置高温区域的面积，且使得高温区域面积较现有等离子发生器的高温区域面积增大40-50％。在本发明实施例中，当本发明提供的加热方法或加热装置在用于垃圾焚烧时，较高的火焰温度使得垃圾迅速脱水，细菌、病毒及微生物碳化裂解，彻底消灭病毒源菌以及各种微生物。垃圾、细菌、病毒及微生物等在高温等离子弧的作用下迈开其燃点而直接碳化，没有燃烧的烟尘以及其他产生有害物质。另外，氢气与氧气燃烧产生的水以水蒸汽的形式向外蒸发，实现无污染、环保的垃圾处理。由于高温区域面积的增大使得本发明实施例提供的方法或装置能够处理大范围的垃圾，从而提高垃圾处理效率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种基于等离子弧的加热方法，应用于一种基于等离子弧的加热装置，所述加热装置包括腔体(1)、第一阳极电极座(2)和雾化装置(3)，其特征在于，所述方法包括：
高频电流击穿腔体内的雾化水分子，以使所述雾化水分子电离，阴极与阳极之间形成初始引导电弧喷射；
所述阳极包括第一阳极和第二阳极；
所述高频电流击穿腔体内的所述雾化水分子，以使所述阴极与所述第一阳极之间形成所述初始引导电弧喷射；
所述初始引导电弧喷射促使所述阴极与所述第二阳极之间形成功率电弧；
所述功率电弧加速所述雾化水分子电离；
所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射；
断开所述高频电流，所述高温等离子弧喷射形成等离子火焰，使所述等离子火焰加热；
其中，所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧喷射包括：
所述雾化水分子电离出的氢气和氧气对所述功率电弧压缩，形成高温等离子弧；
所述高温等离子弧使所述雾化水分子雪崩式电离；
所述雾化水分子雪崩式电离出的氢气和氧气对所述功率电弧再次压缩，形成高温等离子弧喷射；
其中，所述雾化水分子为所述腔体的冷却用水经雾化装置雾化形成；
其中，所述第一阳极电极座(2)位于所述腔体(1)正下方，所述第一阳极电极座(2)与所述腔体(1)之间设置有阳极绝缘体(4)，且所述腔体(1)与所述第一阳极电极座(2)之间相连通；
所述雾化装置(3)的第一排气管(5)贯穿所述第一阳极电极座(2)，且所述第一排气管(5)的端部位于所述腔体(1)与所述第一阳极电极座(2)之间；
所述腔体(1)内部设置有安装座(6)、电极夹头(7)和阴极电极棒(8)，所述安装座(6)、所述电极夹头(7)和所述电极夹头(7)的中心线重合；所述安装座(6)位于所述电极夹头(7)的上方，且所述阴极电极棒(8)贯穿所述安装座(6)和所述电极夹头(7)；
所述安装座(6)上设置有阴极进水管(9)和阴极出水管(10)，所述阴极进水管(9)的一端和阴极出水管(10)的一端在所述电极夹头(7)处相连通，且所述阴极出水管(10)贯穿所述第一阳极电极座(2)；
所述加热装置还包括第二阳极电极座(11)，所述第二阳极电极座(11)位于所述第一阳极电极座(2)的下方，所述第二阳极电极座(11)与所述第一阳极电极座(2)之间设置有中空的绝缘垫(12)，且所述第二阳极电极座(11)与所述第一阳极电极座(2)之间相连通。
2.一种基于等离子弧的加热装置，应用于上述权利要求1中所述的一种基于等离子弧的加热方法，其特征在于，所述加热装置包括腔体(1)、第一阳极电极座(2)和雾化装置(3)；
所述第一阳极电极座(2)位于所述腔体(1)正下方，所述第一阳极电极座(2)与所述腔体(1)之间设置有阳极绝缘体(4)，且所述腔体(1)与所述第一阳极电极座(2)之间相连通；
所述雾化装置(3)的第一排气管(5)贯穿所述第一阳极电极座(2)，且所述第一排气管(5)的端部位于所述腔体(1)与所述第一阳极电极座(2)之间；
所述腔体(1)内部设置有安装座(6)、电极夹头(7)和阴极电极棒(8)，所述安装座(6)、所述电极夹头(7)和所述电极夹头(7)的中心线重合；所述安装座(6)位于所述电极夹头(7)的上方，且所述阴极电极棒(8)贯穿所述安装座(6)和所述电极夹头(7)；
所述安装座(6)上设置有阴极进水管(9)和阴极出水管(10)，所述阴极进水管(9)的一端和阴极出水管(10)的一端在所述电极夹头(7)处相连通，且所述阴极出水管(10)贯穿所述第一阳极电极座(2)；
所述加热装置还包括第二阳极电极座(11)，所述第二阳极电极座(11)位于所述第一阳极电极座(2)的下方，所述第二阳极电极座(11)与所述第一阳极电极座(2)之间设置有中空的绝缘垫(12)，且所述第二阳极电极座(11)与所述第一阳极电极座(2)之间相连通。
3.根据权利要求2所述的基于等离子弧的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括阳极水管(13)，所述阳极水管(13)贯穿所述第二阳极电极座(11)；所述阴极出水管(10)的另一端与所述阳极水管(13)的进水端通过调节阀(14)相连通；所述阳极水管(13)的出水端与所述雾化装置(3)相连接。
4.根据权利要求2-3任一项所述的基于等离子弧的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括电极推进装置(15)，所述电极推进装置(15)设置于所述腔体(1)的顶端，且所述电极推进装置(15)与所述阴极电极棒(8)相接触。
5.根据权利要求4所述的基于等离子弧的加热装置，其特征在于，所述电极推进装置(15)包括调节手柄(16)、调节螺栓(17)和调节螺母(18)；所述调节螺母(18)外设于所述调节螺栓(17)，且所述调节螺母(18)的内螺纹与所述调节螺栓(17)的外螺纹相吻合；所述调节螺栓(17)的两端分别连接所述调节手柄(16)和所述阴极电极棒(8)。
6.根据权利要求2所述的基于等离子弧的加热装置，其特征在于，所述基于等离子弧的加热装置用于垃圾焚烧、工业独立加热或民用加热。
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