等离子发生器同轴双电极液态金属复合冷却系统及方法与流程

本发明属于离子体点火设备热管理，具体涉及一种等离子发生器同轴双电极液态金属复合冷却系统及方法。

背景技术：

1、大功率等离子发生器是火电厂燃煤锅炉无油点火、低负荷稳燃的核心关键设备。设备工作过程中，同轴布置的阴阳电极持续进行电弧放电，会产生极高热流密度，致使电极表面极易产生局部热斑，长期高温工况易造成电极烧蚀失效。目前行业内普遍采用纯水循环水冷方式对等离子电极进行散热降温，但传统水冷结构换热效率低、散热极限有限，难以满足350kw及以上大功率等离子发生器长期连续运行的散热需求。同时，水冷系统多采用橡胶密封结构，管路密封可靠性差，极易发生渗漏问题，冷却水一旦渗入炉膛内部，易引发爆燃等安全事故。此外，传统水冷仅能实现电极整体粗放降温，无法针对性消除阴极电弧斑点带来的局部高温，电极烧蚀速率快、设备检修频次高、运行稳定性差。现有少数液态金属冷却方案结构单一，仅针对阳极设置单向循环冷却结构，未结合阴阳极差异化热负荷特性设计复合散热架构，缺失阴极毛细相变均温结构与自适应温控调节机制，无法同时兼顾大功率工况下的高效散热、无泄漏安全运行与长寿命使用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种等离子发生器同轴双电极液态金属复合冷却系统及方法，用以解决现有等离子发生器采用水冷散热存在换热极限低、易渗漏引发安全隐患、阴极局部高温烧蚀严重，且传统液态金属冷却方案结构单一、未设置阴阳极差异化散热结构、缺乏自适应温控调节机制，导致电极散热效果差、运行安全性低、设备使用寿命短、难以适配大功率工况稳定运行的技术缺陷。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术第一方面，提供了一种等离子发生器同轴双电极液态金属复合冷却系统，包括:

4、同轴电极组件，包括同轴套装布设的阴极与阳极，所述阴极设于阳极内部，阴极与阳极之间围合形成电弧空腔；

5、阳极冷却回路组件，包括一体成型于阳极壁的环形流通流道、直流电磁泵以及翅片散热器；所述环形流道出液端连接所述直流电磁泵的进液口，所述直流电磁泵的出液口连接所述翅片散热器进液端，所述翅片散热器的出液端回流连通环形流道进液端构成密闭循环管路，所述密闭循环管路内部填充低熔点液态金属工质；

6、阴极均温组件，包括阴极背部凹槽内的多孔毛细芯和真空密封壳体，所述多孔毛细芯固定嵌装于阴极背部开设的凹槽中，所述真空密封壳体与阴极背部固接且包覆所述多孔毛细芯外侧，所述真空密封壳体与阴极合围形成真空相变腔，所述真空相变腔内部填充与阳极冷却回路同源的液态金属工质；

7、温控组件，包括固装于所述阴极、所述阳极表面的温度采集件和plc控制器，所述温度采集件信号连接plc控制器，所述plc控制器电性连接所述直流电磁泵，用于采集温度调控电磁泵输出流量。

8、在一种可选的实施例中，所述环形流通流道设置多条，多条所述环形流通流道沿阳极壁周向均匀排布；

9、所述环形流通流道的水力直径为4mm～8mm，截面设置为矩形或圆形。

10、在一种可选的实施例中，所述多孔毛细芯采用铜粉烧结一体成型；

11、所述多孔毛细芯的孔隙率为60%～75%，平均孔径为20μm～50μm；

12、所述多孔毛细芯与阴极凹槽经热压烧结紧密贴合固定。

13、在一种可选的实施例中，所述真空密封壳体与阴极背部采用激光焊接密封连接。

14、在一种可选的实施例中，所述液态金属工质采用镓基合金。

15、在一种可选的实施例中，所述翅片散热器包括：

16、铜铝复合翅片和轴流风机；

17、所述翅片散热器采用铜铝复合翅片结构；

18、所述轴流风机装配于翅 片散热器外侧，用于对翅片散热器实施强制风冷散热。

19、在一种可选的实施例中，所述温度采集件包括铠装热电偶；

20、多组所述铠装热电偶分别布置于阴极斑点区域、阳极高温区域，所述铠装热电偶用于采集阴极、阳极的实时温度信号。

21、在一种可选的实施例中，所述plc控制器内置增量式pid控制算法；

22、所述plc控制器通过所述增量式pid控制算法实时调节直流电磁泵输出流量；

23、所述plc控制器调节电磁泵流量以匹配电极实时热负荷。

24、在一种可选的实施例中，所述温控组件包括声光报警器；

25、所述plc控制器预设有电极温度极限阈值；

26、所述plc控制器在采集温度超出极限阈值时，触发声光报警器报警并联动等离子发生器停机保护。

27、本技术第二方面，提供了一种等离子发生器同轴双电极液态金属复合冷却方法，所述方法应用于如上所述的等离子发生器同轴双电极液态金属复合冷却系统，包括：

28、预先在密闭循环管路与真空相变腔内填充同源镓基液态金属工质，并保持真空相变腔的真空密封状态；

29、等离子发生器工作时，通过铠装热电偶实时采集阴极、阳极的工作温度，并将温度信号实时传输至plc控制器；

30、plc控制器利用内置增量式pid控制算法，根据电极实时热负荷动态调节直流电磁泵输出流量，驱动液态金属工质在阳极环形流通流道内闭环循环，并配合翅片散热器与轴流风机完成阳极强制散热；

31、利用阴极背部烧结固定的多孔毛细芯引导液态金属工质发生真空相变换热，实现阴极全域均温散热；

32、plc控制器实时比对测温数据与预设温度极限阈值，超温时触发声光报警并联动等离子发生器停机保护。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、1、通过阳极液态金属密闭循环冷却、阴极毛细真空相变均温结构配合智能温控组件，克服传统水冷散热极限低、易渗漏、阴极热斑烧蚀的缺陷，解决了传统液态金属冷却方案结构单一、无自适应温控的问题，大幅提升整体散热效率与运行安全性，适配大功率设备长期稳定运行。

35、2、阳极多条环形流通流道周向均匀排布，并规范流道水力直径与截面结构，解决了传统冷却流道换热不均、有效换热面积不足、阳极局部积热的问题，可让液态金属工质均匀覆盖阳极壁面，全面提升阳极换热均匀性与散热效率，满足大功率工况下阳极高热负荷的散热需求。

36、3、多孔毛细芯解决了传统阴极无专属均温结构、电弧斑点引发局部高温、电极烧蚀严重的缺陷，孔隙结构可高效引导液态金属相变换热，无间隙贴合结构保障热量快速导出，有效消除阴极热斑，降低电极烧蚀损耗。

37、4、采用激光焊接实现壳体与阴极密封连接，摒弃传统橡胶、螺纹密封结构，解决了传统水冷系统密封易老化渗漏、易引发炉膛爆燃安全隐患的问题。一体式焊接密封无易损密封件，彻底杜绝工质渗漏风险，极大提升冷却系统密闭性与大功率工况下的运行可靠性。

38、5、采用镓基合金作为冷却工质，解决了传统水冷介质换热性能差、高温易汽化、散热极限低的缺陷，该工质熔点低、沸点极高、导热性能优异，可同时适配阳极循环换热与阴极相变散热工况，高温工况下性能稳定，有效提升整套冷却系统的散热上限与工况适配性。

39、6、采用铜铝复合翅片散热器搭配轴流风机强制风冷，解决了传统散热结构换热效率低、散热滞后、无法匹配液态金属高效换热节奏的问题，复合翅片结构导热性能优异，配合强制风冷可快速带走循环工质热量，保障冷却回路持续高效散热，适配大功率设备连续运行工况。

40、7、将多组铠装热电偶精准布置于阴阳极高温核心区域，解决了传统测温方式点位单一、无法精准捕捉电极热负荷变化、测温数据滞后的缺陷，可实时、精准采集电极全域温度信号，为后续智能温控调节提供精准数据支撑，保障散热调控的精准性与及时性。

41、8、通过plc控制器内置增量式pid控制算法，解决了传统冷却系统无自适应调控功能、电磁泵流量固定、无法匹配电极动态热负荷、散热冗余不足或能耗浪费的缺陷，可根据电极实时温度动态调节工质循环流量，实现按需散热，兼顾散热效果与设备运行能效。

42、9、增设声光报警与联动停机保护机制，解决了传统冷却系统无超温防护、电极高温过载易损毁、设备运行安全性差的缺陷，通过预设温度阈值实时监测比对，超温时快速报警并停机，有效规避电极高温烧蚀、设备故障损坏风险，提升系统安全防护能力。