CN103229601A - 用于形成非等温等离子体射流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过在气流中通过在单相或三相的直流或交流电高电压下的电放电，生成非等温的等离子体轴对称射流的方法，其中上述放电由等离子体放电触发，并由电磁力和由气流施加的拉力推动且被限定在电极的端部，其特征在于：推动放电的等离子体的气流在所得到的等离子体射流的所有点都是稳定的，本发明还涉及使用方法的设备，特别气流推动分配器包括在蜂巢系统中分层流或迅速扩充系统的部件，其中磁场系统形成等离子体线和导管，该导管用于引导推动气流的推动和旋转气体组分。

Description

用于形成非等温等离子体射流的方法和装置

技术领域

本发明涉及通过临近大气压的压力来控制非等温等离子体射流的生成的方法和实现该方法的装置。

背景技术

等离子体射流的生成与物质转换技术相关，尤其与等离子化学，更特别地与产品、废料的销毁相关。

实践上，尤其是在工业上和特别用于销毁家庭、医疗、工业和其他方面的废料最公知和最常用的等离子体发生器是采用直流电、交流电和高频、微波的等温等离子体发生器。

“等温”意味着等离子体不同组分、尤其是较重粒子（分子、原子、基和离子）的温度Ta和电子的温度Te实际上相等。根据定义，无论在其体积的哪一点，具备下述条件，

Te＝Ta    [1]

则等离子体是等温的。

上述发生器产生的等离子体通常都是等温的。其意味着等离子体发生的化学反应是由例如著名的阿伦尼乌斯（Arrhenius）法则规定的局部热力学平衡反应。等温等离子体的组分浓度通常由公知的萨哈（saha）方程确定。

若加速等离子体电子以及在等离子体中引起激励和电离反应的电场强度升高得足够多，等离子体可变为非等温，即：

Te>Ta    [2]

为了产生关系（2），电场强度E需服从这一类条件（等离子体弱电离的情形）：

E>k.T_a.n_e.Q/e    [3]

其中，e是电子电荷（e＝1,610^-19C）

K是玻耳兹曼常数（k=1,410^-19J/K）

Ta是等离子体的较重组分（分子、基、原子、离子）的温度；

Q是等离子体的电子和中性组分之间弹性碰撞的有效截面（m²）；

n_e是自由电子的浓度（m^-3）

若Ta~2000K,ne~10⁺¹⁹m-^3,Q~10-¹⁸m²,则有E>2.10⁴V/m。

在非等温状态下，等离子体的实际应用在技术上可能是有利的。例如用于上述废料销毁的情形。实际上，在该情形下，具有巨大动能的电子有利于形成活化分子和基（受激发的分子状态和基的状态形成），尤其对破坏有机分子特别有效。

现有技术中，尤其是涉及废料销毁的现有技术给使用者带来了与传统焚化方法相比更有效的等离子技术，上述等离子技术是在大气压下，利用等温（即，在热力学平衡状态）的如供给直流电、交流电、无线频率或微波的电弧发生器这样的等离子体射流发生器。

根据生成条件，该等离子体的温度等级是6000～12000K。

很显然这种等离子体对销毁组成所述废料的大部分有机分子是有效的。其对于销毁非有机分子也同样有效。

伴随等离子体淬火（阻止很多有害分子、尤其是二恶英和呋喃的状态重组的快速冷却）方法，与传统热化学技术相比，这些技术被证明更有优势（例如，请参见ZhukovM.F.Izv.S.O.AN USSR,Ser.Techn.Nauk,197U,VI(8)P 12-18;Burov I.S.,Ermolaeva E.M.,Mosse A.L.,Minsk ITMO 1975,p.71-78;同样可参见www.europlasma.com）。

但是，所提到的温度水平（6000－12000K）是多余的。如果我们在大气压下使用等温等离子体，因为温度水平（T＝Ta＝Te）可将需要的电子浓度确定为等离子体的电导率，上述电导率确保了电弧和所产生的等离子射流的能量平衡，所以该温度水平是必须的。但是，温度水平对实现待解决的废料销毁的等离子化学反应是多余的。该温度水平使得使用等温等离子体发生器本身产生巨大的能量消耗，使得人们怀疑。尽管相比等温等离子体射流更好，但是使用特别便宜、体积大且效率低的过滤器技术的传统焚化技术仍是当前的解决方案。

因此，可接受的解决方案是利用非等温等离子体，其较重组分的温度水平（Ta）等级应是2000－2500K，该温度等级对于实现所追求的化学反应已经足够，例如，其对于销毁废料，但不形成有害的化学组分是必需的，但当电子温度等级在6000－12000K时，其确保了支持放电机制和等离子体射流能量平衡所需的足够电流。

非等温等离子体发生器已被提出且通过专利得到保护，并在新工业中被应用（例如参见Engelsht V.S.,Saichenko A.N.,Okopnik G.M.,Musin N.U.XI Vsesoyuznaya Konf.Po generatoram nizkotemperaturnoyplazmi,Novosibirsk,1989;P 255;Desiatkov G.A.,Enguelsht V.S.,Saichenko A.N.,Musin N.U.等Plasma Jets in the Development of NewMaterials Technology.Proc.Of the International Workshop 3-9September,Frunze,USSR Ed.O.P.Solonenko,A.I.Fedorchenko.VSP，Utrecht,(NL),Tokyo(Japan),pp 499-509;也可以参见www.glidarc.com）。

上述发生器基于电弧在高电压下在不同几何形状的两个电极之间滑动的原理的应用。受电极彼此之间最接近的位置上的放电激发，因磁场产生的电磁力，电弧推动这些电极的长向，其中上述磁场由在电极上流过的电流和在电弧上实际上沿垂直于这些电极的轴方向流过的电流产生。进一步，电弧的运动可能是由推动气体的纵向气流激发，上述气流有助于在电极下游形成等离子体射流。随着电弧逐渐滑动，其长度和电抗增加，但电流强度减小。在某个时刻电流变得太弱，以致不能支持放电的能量平衡，且电弧消失。因此，新的放电是电极为基础的新激发，且其过程反复进行。因此，沿电极的长向电弧永远“来回”运动。在该运动中，电弧在其周围形成“等离子体云”，该等离子体云的特性、尤其是生命周期依赖于在其中产生放电的气体的特性、气体的流动力学通量的存在情况、电极之间的电压幅度水平和电极的不同几何形状。该等离子体云可确保在其生命周期中无电流的情形下，电导体区域的存在。若等离子体的周期超过这些电极之间电压脉冲相分离的间隔，则可以不仅将直流电供给电弧，还可将脉冲电流供给电弧，尤其，也可以向滑动电弧供给交流电，例如50Hz的交流电。

这些滑动电弧由供给直流电、单相和三相交流电的发生器形成。在供给三相交流电情形下，三电极或六电极的解决方案已在工业上提出并实现。提出应用三电极和六电极（参见Engelsht V.S.，Gurovich V.Ts.,Desyatkov G.A.，Musin N.U.，Saitchenko A.N.Experimentalinvestigation and application of the high-voltage low-current arc in gasflow.20th ICPIG.-Barga,1991-P.978-919）是为了尽可能统一所生成的等离子体的区域，这是因为该等离子体不具有热力学平衡且因此包含亚稳状态的分子和基的大集合。这些分子的潜在能量（非热效应），而不仅仅是其动力能量（热效应）可以分解这些物质的粒子，以由等离子体销毁。

所提到的方法和发生器具有如下缺点，使得其在实践中很难应用，或明显地降低其效能：

1.所生成的等离子体射流在空间上不均匀；

2.所生成的等离子体不稳定；

3.不能控制方法及其参数；

4.等离子体区域的有限（缩小）尺寸；

5.等离子体生成区域受电极限制（等离子体区域中电极的存在妨碍了生成范围）。

定义中滑动的电弧作恒定运动的事实可能是不好的，因为其决定了空间上的不均匀性和所生成的等离子体的不稳定性。

上述提到的作者（Desyatkov等）也提议了电极的一种配置，一旦电弧到达电极的端部，就在空间上固定电弧的位置。因此，一方面，电流线受到推动气流的拉力和电磁力而弯曲，另一方面，受到在空间的电离化程度最高的区域保持其位置的电弧流动力阻力而弯曲。

该解决方案比滑动电弧方案具有优势。但是实验工作显示电弧以及由其生成的等离子体射流不稳定。该不稳定性主要由推动气流的杂乱特性引起。

另外，考虑到所生成的等离子射流长度较短，很难通过避免由处理对象反射的射流不使发生器的部件，尤其是电极发生改变，来实施对象的处理工作。因此，很希望等离子射流应明显更长。但是，根据现有技术，延长等离子体射流是不可能的，因为现有技术中，考虑到功率损失的提高在实践上与射流尺寸的平方、接近于球体形状的平方成比例，因此这种发生器的输入功率、能量效率的提高得很少。

发明内容

在前述背景下，本发明的所要解决的一个技术问题是设计在临近大气压或超过大气压的压力下，一种稳定的非等温等离子体射流的生成方法，其可以以较好方式使用，从而尤其在废料，特别是有机废料销毁或再生领域，在工业上实现等离子化学反应。

一个优点是在等离子化学反应器空间利用均匀的非等温等离子体射流生成方法。

同样更好的是在等离子化学处理的所有期间随时稳定利用非等离子等离子体射流生成方法。

同样更好以加长形状使用等离子体射流，且因此长度与直径的关系实质上超过度量单位。同样更好利用分层的非等温等离子体射流，以通过全部限制与环境气体中心的能量交换的方式来增加其长度。

一个更大的优点是：按照供给气体组分、形状、特性和处理物质的组成，所有的技术都可确保可变控制处理。

由于在临近大气压的压力下，生成非等温等离子体射流，本发明的所有目的都可实现。根据在气流中通过在单相或三相的直流或交流电高电压下的电放电的协助下，生成非等温的等离子体轴对称射流的方法，该放电由击穿等离子体触发，由电磁力和由气流施加的拉力推动且被限定在电极的端部，其特征在于：推动放电的等离子体的气流在所得到的等离子体射流的所有点都是稳定的，与气体有关的速度V*，在推动流的所有点，服从类型关系：

r*<D*：V*(r*)=1

D*≤r*≤1:V*(r*)=1-cos[π(r*-1)/2(D*-1)]

且满足电弧的流动力学稳定性条件，

V≤Re*·η/ρ·D

其中，

D*＝D/D₀；r*=2r/D₀

D和D₀分别是射流的外径和分层区域的直径，且D≤D₀；

r是由决定流速V的射流点半径；

V₀是分层流的速度；

Re*是稳定流的雷诺值的临界数；

η和ρ分别是在本发明的推动流的温度下，推动气体的动力粘性和密度。和实现如上所述的生成非等温等离子射流的方法的装置，在上述装置中，推动气流通过本发明的具有进入汇流器、形成速度剖面的装置和栅筛的气流分配器进入导形成电弧的区域中。

附图说明

本发明的其他所要解决的技术问题、特征和优点可通过附加于本申请的附图、图表和说明来清晰表现，其中：

图1表示在两种情形下在由气流传送的交流电（50Hz）状态下，在两个电极之间生成的高电压下的电弧的配置：

图1a：气流是杂乱的；

图1b：气流以如下方式形成：流动力脉冲很小，特别是气流分层；

图1c同样示出了像本发明提议那样稳定的，尤其是分层的非等温等离子体射流沿明显超过不稳定流的长度的距离传播的情形；

图2表示实现可实施本发明（《a》）的装置的机制与冷却电极的两个变形例；

图2a：用空气冷却；

图2b：用水冷却；

图3表示具有三个电极的非等温等离子体射流生成系统，该三个电极由三相电流源供给电流；

图4表示基于两个配置，具有六个电极的非等温等离子体射流生成系统，该六个电极由三相电流源供给电流；

图4b：星型连接；

图4c：三角形连接；

图5a表示当发生器通过三相交流电来供电，且在基底上装有三个电极，同时具有一个环形电极以拉伸由电流激励的等离子体射流的部分，并以此方式来控制配置，从而应用本发明的特殊情形；

图5b表示通过气体或水来冷却环形电极的情形；

图6表示向非等温射流发生器馈电的六个电极中的每个应用磁场的特殊情形；

图6a是装置横截部分；

图6b是纵向部分，定向供给磁场，以将放电会聚到等离子体射流的轴向区域；

图6c是纵向部分，定向供给磁场，以将放电定位到等离子体射流的外围区域；

图6d是纵向部分，磁场一直持续且随时间保持不变。在该情形下，放电影响振荡；

图7表示由六个电极生成且因偏向系统和/或同轴磁场而受牵引绕其轴作旋转运动的非等温等离子体射流的横截部分；

图8表示非等温等离子射流受气体的同心区域组成的气流推动和稳定的特殊情形，其中，每个气体同心区域具有受阀门控制的流量；

图9是两个电压值下，根据输入的推动气体的速度V，生成非等温等离子体射流的电弧的长度变化曲线，其中根据本发明，该推动气体用来稳定非等温等离子体射流V；

图10是去除中心主要部分后的电极配置；

图11是具有薄片的电极配置。

具体实施方式

所提议的方法的原理在于：

建议作为基础使用射流生成方法，该射流生成方法是在气流中在高电压下供给直流或单相或三相交流电流的放电帮助下，非等温的等离子体的轴对称射流的方法，该放电由击穿等离子体触发，且由电磁力和由气流施加的拉力推动且被限定在电极的端部。

这种射流中的等离子体处于如公式[1]－[3]定义的非等温状态，该非等温状态是本发明的主要优点。但是，在现有应用下，所生成的等离子体射流是杂乱的，在实践中，非等温等离子体的优点没有被利用，由于在杂乱的等离子体中的能量交换过强，这些能量无法加以利用：电子的能量、受激发粒子和最终形成的自由基的能量以及处于亚稳状态，能量都被“浪费”和热耗散了。

本发明可以通过相反地限制热耗散并可最佳利用被激发粒子的状态来利用这些基本优点。

本发明通过对供给并推动等离子体射流的气流施加作用以稳定等离子体射流。稳定性主要是流动力学的特征。该稳定性在于组织包围和推动等离子射流的气流的所有点处于下述条件：对流交换已消除，仅存在分子耗散，尤其是热传导和扩散时存在。本发明的发明人的经验显示：

气体的相对速度V*，在推动流的所有点上应满足这一类经验关系：

r*<D*:V*(r*)=l    [1]

D*≤r*≤l:V*(r*)=1-cos[π(r*-1)/2(D*-1)]    [2]

应满足流动动力学稳定的条件：

V≤Re*.η/ρ.D    [3]

其中，

D*=D/D₀;r*=2r/D₀

D和D₀分别是射流的外径和稳定区域的直径（D≤D₀）；

r是由流动速度V决定的射流点的半径；

V₀是分层流的速度；

Re*是稳定流的临界雷诺数；

η和ρ分别是推动气体的动力粘度和密度，该气体在推动流的温度和压力下推动。

根据临界雷诺数Re*，我们知道流以自发方式从分层状态转变为湍流状态的雷诺数的值。对于轴对称管道中的流，该值是公知的且数量级为2000。经验显示该自发转变由邻近流层间的速度差、更精确地由所述速度的梯度来决定。本发明的发明人的经验已将其确认，可以想象，对于高速和限定尺寸的基流，即使雷诺数大大超过了2000，交换的属性依旧保持在分子层级。本发明的发明人将这种类型的流称作伪分层。本发明的发明人观察该伪分层，雷诺数（正式计算）可以达到100000。对于被包裹在流质“外壳”中的流是足够的，流在流质“外壳”中以单一方式转变，作用形式为从基础流的中心速度值滑至环境流的速度值，尤其是静止环境下的零速。另外，经验显示为了使流为伪分层，需要使中间区域中的流的速度梯度在中间流与基础流和环境流的边界上等于零。

Re*值可能仅仅由实验决定。本发明发明人所实施的工作显示实际上Re*~1,5.10⁴。该结论可能适用于所有提到的等离子体射流的配置和本发明中提到的实现该方法的装置。对于其他配置，为了保持在本发明应用的领域，在确定利用等离子体射流的参数和规则之前，需要将公知的、经典的流动力学方法在所采用的装置上执行，以凭经验决定Re*，之后，根据公式[3]来选择V的值。

本发明的发明人的经验显示，当伪分层流流经等离子线或电弧时，等离子线附近的伪分层条件在实际上自动得到了满足，等离子线相互不干扰。与流之间的交换保持分层。

为了使等离子线（即使其轴线具有与绕过其的流方向垂直的方向）不受推动流干扰，流是伪分层的就足够了。

关系[1]-[3]是实现本发明所要求保护的伪分层条件的实际例子。因此，特别是，本发明可以使等离子体射流和环境介质之间的能量交换最小化。一些例子显示稳定的、伪分层等离子体射流可能很长。因此，有可能以优化射流与被处理的物质的电荷（charge）的热交换和总量交换的方式控制并优化射流的形状及其能量损失。

例如，有可能最佳的例子是采用与流过生成等离子射流的等离子线的电流方向垂直的磁场。电磁力引起电弧旋转，该电弧旋转在非等温等离子体射流内部激发能量交换。

非等温等离子体射流的旋转同样可以通过以一定角度引入推动气流在等离子射流中激发了能量交换形成等离子体涡流来获得。

可以通过相对于放电电流方向（流过交流电），沿着磁场施加的方向，在每个电极中应用磁场，使等离子线靠近或远离射流轴线而改变等离子线的形状。恒定磁场可以放大或缩短射流的形状。

一旦等离子体射流稳定（伪分层），通过决定等离子线周围的能量交换强度和非等温等离子的形成，稳定和伪分层（推动气体的速度条件组成）、电磁旋转、流动力学旋转、压缩或等离子线的形状拉伸的效果，结合等离子体射流的速度是有好处的。其中，上述拉伸可以在非等温等离子射流中提供引入混合气体（包括通过与非等温等离子接触，分解为活动粒子的组分）的可能性，且使这些气体的激励状态和组合，尤其是对有机分子的销毁和例如如沼气这样的有用组分的重组有利的自由基的会聚最佳。

图1示出了本发明的装置的原理。

图1a示出了如实际上使用和用户多次拍摄获得的那样，由供给气体的涡旋流的标准装置的电极1产生的等离子体线2的杂乱特征。可以看到电极1以在空间和时间上不确定、不稳定的形式发射等离子线2。线周围的等离子体区域3同样在时间和空间上不稳定。该配置大大限制了该类型的等离子体的应用，其不能被称作等离子体射流。

图1b示出了使用分配推动气体的流量的装置的原理结果。等离子体线2是稳定的。等离子体射流4被分配器6产生的气体射流5包围。其是稳定和均匀的配置。

图1c给出了上述提到的两种情形的原理对比：等离子体线2、等离子体区域3比标准装置的情形显著拉长且长度上更长。由气体射流5产生稳定的等离子体射流4。

一般情况下，实现如本发明中所定义的稳定的非等温等离子体射流的生成方法的装置由图2所示。在高电压下形式为实际上恒定的部分的等离子线的放电2放在两个电极1之间，该两个电极平行或相对于发生器的对称轴相差特定角度，其通过金属杆7和金属锥体8与交流电源9连接。金属锥体通过电容器10与供电系统相连，且可移动其轴的长度，以使其与金属杆相分离的距离变化。

推动和稳定非等温等离子体射流4的供给气体通过具有集流管12、筛栅13和流量（速度）分配装置14的导管11引入。

集流管通过入口导管15来供给气体。气体、液体或喷射的水滴形式的组分可以通过导管16加到气流中。

流量分配器14可以用来预先决定和控制气流流量的径向分配。如图2所示，其可以构成为特别是以蜂巢这样的小直径管配置的集合。这些管的长度情况决定随分配器的发射半径变化的动力学阻抗的情况。其可以建立预先决定气流的稳定性并由此预先决定生成等离子体的流的稳定性的速度情况17（V(r)）。由此，可以形成气流，其直径为D的中心部分18具有恒定速度，受直径D₀（19）限制的外围部分具有预先决定的径向情况。经验显示这种流具有分层流的所有现象和特征。当该流包围等离子体线时，其使等离子体线变稳定。该射流内部（区域4）的交换是分子交换，其浓度实质上低于涡流交换的浓度。尤其，热交换和总量交换由热电导率和中间扩散决定，而不由热交换和杂乱的总量交换决定。因此，强度上更弱，面积上更大。其可以获得大尺寸，尤其是更长的等离子体射流，也就是说，可以将等离子体送到更远的距离，而不会丢失图1c表示的所决定的特征（热函）。

另一方面，根据本发明的装置，其特征在于：形成推动气流的速度情况的装置（14）是同轴管的轴对称系统，该同轴管以蜂巢方式配置并通过电极的导电支持部件纵向贯穿，管轴与流的轴平行且管的流长度与气流的本地速度成反比。

杆7以表现最小的流力学阻抗形式构建，以使气流仅局部干扰气流特征。

支持因电子电荷在气体（电子自动释放）中的金属区域穿过进行的热释放且不可避免受到侵蚀的电极1可以通过气流（在此情况下，可以如图2b所示，电极1可以通过经过其的气体凹槽20贯通）或水流（在此情况下，可以如图2c所示，电极1通过水流21经过）来冷却。

可在电极之间触发放电的金属锥体8可以通过如图10所示那样的纵向铣削加工后的主体35来代替，由此可以减小流动力学的阻抗。若金属锥体8由固定在电极上的径向金属片（36）代替，该金属片设计为片之间的距离在气体轴向流的最上面的电极部分最小，则该图10所示的结构也可以较小。

装置以下列方式运行：在放电触发时，在锥体8和杆7之间点亮短电弧。

通过由电磁力和围绕等离子体线2的气流阻力推动，等离子体线2向右边移动，到达电极1，并在位置22固定到其端部。其稳定的形式由上面提到的力和热阻抗力之间的平衡来决定，该热阻抗力限制电弧占据建立电离后的管道，而非在未电离的附近区域移动。在等离子体线的附近形成了稳定和均匀的非等温等离子体区域4：发生条件（2）和（3）。该区域的等离子体成分的温度和浓度的值和梯度（Ta，Te）由分子交换（热传导、发散和电导率）决定，且决定射流的非等温等离子体区域的范围。

图3表示了实现本发明的图示，基于本发明，由三个电极1生成等离子体线2，该三个电极通过金属锥体8与具有形式为可使能量功率尤其高的电感23的镇流器元件的三相电流的发生器相连。该系统通过由气体分配器6产生的气流变稳定，上述气体分配器使得可通过气流包围电极和等离子体线，其中预先决定该气流流量的径向情况，以稳定放电且使等离子体射流分层。

图4又建议了更好的方案。在该情况下，该等离子体线2由六个电极1生成，该六个电极通过金属锥体8与三相电流发生器9相连。电极整体由来自分配器14的稳定气体的分层流5包围。基于电极以三角形（如图4b的连接9’所示）或星形（如图4c的连接9”所示）连接，而具有集中24’或外围24”的等离子体线配置。根据非等温等离子体射线的应用，最好具有一个或其他的方案。

图5表示了本发明的另一个可能实现方案。在该情况下，稳定的非等温等离子体射流4由连接到由三相交流电源9向环状电极5供电的三个电极的等离子线2组成。如图5c所示，考虑到其与等离子体射流接触，环状电极25有可能配置为过热，需要例如通过由导管26提供和排出的水流进行冷却。突起27可被应用为确定并固定等离子体线的基底。

以上述方式，本发明所要求保护的装置其特征在于，其具有大量的圆形同轴的产生分层射流的的电极25且电极围绕分层区域内部，以将放电确定在所生成的射流的分层区域中。

通过来自分配器6的气流5来实现稳定（见图5b），在上述分配器6中图2的蜂巢装置14被迅速扩充的系统27代替，该系统可以产生经验上可适于图5的方案的流速情况17。可以看到推动气体28被引入到在以剖面30的气流中产生涡流29的分配器6中，该气流被导入到栅筛13，也形成了想要的速度V（r）17。

图6a示出了附加上螺线管31的情形，该螺线管31产生了与来自每个电极1的等离子体线2垂直的磁场。来自分配器6且稳定等离子体射流4的推动气流被组织为包围等离子体线的所有配置，使得该等离子体线可以由磁场会聚。上述磁场根据场和电流的振荡同相或反相，由交流电沿生成器的轴向方向产生（见图6b），或恰好推到外部（见图6c），或者也可以如图6d所示那样，由随时间保持恒定的磁场作用，在图6b和图6c的两种情形下振荡。

图7a表示实现本发明的另一装置的横截面部分，根据该装置，在离开金属锥体8之后，推动气流28，且由此来自六个电极1的等离子体线2通过流动力学偏向器32或由螺线管31生成的磁场形成涡旋，其中所述磁场的振荡与提供放电的交流电同步。

图7b表示偏向器的轴和推动气流方向之间所成的角度δ。

图7c表示偏向器的轴和偏向器的径向固定圆的切线之间所成的角度δ’。

有δ≤90度且δ’≤90度。

根据本发明的装置其特征还可以在于，其包括流过直流或交流电流的螺线管31，该直流或交流电尤其与提供放电的电流同步，该螺线管31被配置为形成以角度β和角度γ引导的磁场，该角度δ相对于放电电流方向在0度和90度之间，该角度γ相对于分层流方向在0度和90度之间。

图8表示推动气流的分配装置28的纵向部分，根据该装置，在产生于由离开金属锥体8之后的电极1的等离子体线2的位置和等离子体区域3的配置由具有确保推动气体28的分配的阀门34的装置33控制，该推动气流28通过这些部分和金属锥体的长度，贯穿电极（尤其用于使其冷却）和到达发生器的外围。

图9表示在应用于电极的电压为不同值时，等离子射流、推动气体的速度L（m）和V（m/s）的依赖关系。

本发明可以在化学领域、等离子体化学和制药领域，尤其在制造粉剂特别是纳米粉剂方面的使用方面具有优势。

非等温等离子体射流的发生器可以在不同工业领域，用于在污染表面上瞬时灭菌的使用方面具有优势。

本发明的使用在销毁家务废料、工业药物方面，且特别在通过等离子来焚化有机废料方面格外有效且具有优势，并特别经济。在该情况下，本发明可以尤其用于去除二氧芑、呋喃这样的有毒剩余气体，并通过将有机废料转化为如沼气这样的可燃物来回收。

示例：

1.应用于销毁医药废料的基于大气压气体的非等温等离子体射流发生器。

能量：100kW

压力：1巴

电极电压：10kV

频率：50Hz

最大电流：10A

电极数量：6

稳定装置：蜂巢分配器

围绕等离子体电弧的气流的雷诺数：在300和14000之间变化。由于采取了使其稳定的措施，等离子体射流保持准分层的特性。

2、应用于销毁医药废料的基于低于大气压的压力的复杂组成气体的非等温等离子体射流发生器。

能量：100kW

压力：1.7巴

电极电压：20kV

频率：50Hz

最大电流：5A

电极数量：6

稳定装置：迅速扩充分配器

围绕等离子体电弧的气流的雷诺数：在300和14000之间变化。由于采取了使其稳定的措施，等离子体射流保持准分层的特性。

在上述所述的两个示例下，根据图6，按照场的配置，垂直于电流的磁场0，11T的应用可以使长度减小3m到0,8m，并使直径增加4,5cm到12cm。

图9表示了根据本发明，在上述的两个例子中所示的两个电压值情况下，按照推动非等温等离子体射流的气流的速度，生成非等温等离子体射流的电弧的长度变化的情形。

结论：

1.本发明的实现可以获得几米等级的生成非等温等离子体射流的电弧长度，其可以在面积上大大超过著名的滑动电弧和不稳定的非等温等离子体射流。

2.等离子体射流具有准分层的特性，同时雷诺数超过2000。

3.要求保护的方法和如在所示出的示例中使用的实现该方法的装置可以实现本发明的目的。其可以将等离子体传输到超过之前示例可达到的距离，并将其投射到靶上，以可表现医疗废料的电荷，而不会受生成等离子体射流的装置部件，尤其是电极的干扰或受其影响。

4.考虑到在装置之外未经程序设计的放电的可能及危险，不推荐使用太高的电压。同时我们发现，内部太高的放电电压会“分流”电弧且干扰等离子体射流。

5.使用与放电的电流垂直的磁场使得可控制射流的配置且可优化其尺寸和能量平衡，其对于需要将等立体射流适于电荷，从而例如在销毁或再生尤其是医药废料时进行处理的实践应用方面可确认本发明的用处。

Claims (12)

1.一种在气流中通过在单相或三相的直流或交流电高电压下的电放电的协助下，生成非等温的等离子体轴对称射流的方法，该放电由击穿等离子体触发，由电磁力和由气流施加的拉力推动且被限定在电极的端部，其特征在于：

推动放电的等离子体的气流在所得到的等离子体射流的所有点都是稳定的，与气体有关的速度V*，在推动流的所有点，服从类型关系：

r*<D*：V*(r*)=1

D*≤r*≤1:V*(r*)=1-cos[π(r*-1)/2(D*-1)]

且满足电弧的流动力学稳定性条件，

V≤Re*·η/ρ·D

其中，

D*＝D/D₀；r*=2r/D₀

D和D₀分别是射流的外径和分层区域的直径，且D≤D₀；

r是由决定流速V的射流点半径；

V₀是分层流的速度；

Re*是稳定流的雷诺值的临界数；

η和ρ分别是在推动流的温度下，推动气体的动力粘性和密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电弧受与电流垂直的磁场动作支配。

3.根据上述的其中之一的方法，其特征在于：电弧的电流或电弧沿与推动气流的轴平行或与其成δ≤90度的角度引导，或相对于配置有偏向器的圆的切线成δ’≤90度的角度。

4.根据上述的其中之一的方法，其特征在于：推动气流包括分子组分，例如水蒸汽分子组分，在与非等温等离子体接触后分解为受激的分子粒子和基。

5.实现根据前述其中之一的权利要求的生成非等温等离子体射流的方法的装置，其特征在于：推动气流（28）通过气流分配器（6）进入到形成电弧（4）的区域中，该气流分配器（6）包括进入汇流器（12）、形成速度剖面的装置（14）和栅筛（13）。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：形成推动气流（28）的速度剖面的装置（14）是放在蜂巢上且通过电极的导电支撑纵向贯穿的同轴管的轴对称系统，管轴与流轴平行，且管的电流长度与如权利要求1所确定的气流的局部速度成反比。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于：形成推动气流（28）的速度剖面的装置（14）包括汇流器（12）、迅速扩充环（24）和栅筛（13）。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于：该装置包括其中流过直流或交流电流的螺线管（31），该电流特别与供给放电的电流同步，该螺线管被放置为用来形成相对于放电电流的方向以0度到90度的角度β引导，且相对于分层流的方向以0度到90度的角度γ引导的磁场。

9.根据权利要求5到8的其中之一所述的装置，其特征在于：分层装置的汇流器具有供给液体、喷射的射流或气体形式的组分的导管（15、16）。

10.根据权利要求5到9的其中之一所述的装置，其特征在于：该装置具有大块圆形同轴的形成分层射流的电极，包围分层区域的内部，以在所生成的射流的分层区域中限定放电。

11.根据权利要求5到10的其中之一所述的装置，其特征在于：可以在电极（1）之间触发放电的金属锥体（8）由纵向铣削的部件代替，该纵向铣削的部件可以减少流动力学阻抗。

12.根据权利要求5到11的其中之一所述的装置，其特征在于：金属锥体（8）由固定在电极（1）上的径向金属片（36）代替，且该金属片被设计为片之间的距离在气体的轴向流的最上游的电极部分最小。

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