一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置

摘要

一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，包括底座、气体缓冲单元和等离子体反应单元；气体缓冲单元包括固定法兰、固定棒等；等离子体反应单元包括外电极、内电极和石英玻璃管；固定法兰的底部固定在底板中心处，其中心处自下而上开设有相连通的集气腔室和阶梯孔，固定法兰的侧壁上开设有与集气腔室相连通的进气口，石英玻璃管的底部固定在阶梯孔处，顶部伸出至固定法兰外，固定棒的底部固定在底板中心处，法兰帽套装在石英玻璃管上，且连接在固定法兰顶部，内电极的底部固定在固定棒的顶部，外电极套装在与内电极相对的石英玻璃管上。本发明可拆装更换，便于使用与后期维护。放电产生的低温等离子体富含各种活性粒子，对燃烧有明显的增强效果。

权利要求

1.一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，包括底座、气体缓冲单元和等离子体反应单元；其中，底座包括底板(1)以及设置在底板上的地线接线柱(2)；

气体缓冲单元包括固定法兰(3)、法兰帽(4)和固定棒(5)；

等离子体反应单元包括外电极、内电极(8)和石英玻璃管(6)；

固定法兰(3)的底部固定在底板(1)中心处，其中心处自下而上开设有相连通的集气腔室和阶梯孔，固定法兰(3)的侧壁上开设有与集气腔室相连通的进气口(7)，石英玻璃管(6)的底部固定在阶梯孔处，顶部伸出至固定法兰(3)外，固定棒(5)的底部固定在底板(1)中心处，顶部不超过固定法兰(3)的集气腔室，法兰帽(4)套装在石英玻璃管(6)上，且连接在固定法兰(3)顶部，内电极(8)的底部固定在固定棒(5)的顶部，顶部不超过石英玻璃管(6)顶部，外电极套装在与内电极(8)相对的石英玻璃管(6)上；

固定法兰(3)包括螺纹连接在一起且自下而上的第一固定法兰(301)和第二固定法兰(302)，且第一固定法兰(301)的中心处开设有相连通的集气腔室和阶梯孔；

进气口(7)外端连接有Φ8气管软，燃料气体或预混气体由此通入固定法兰(3)内部的集气腔室，充分混合后保证最终达到管口为层流气体。

2.根据权利要求1所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，内电极(8)采用不锈钢制成的柱状电极，且内电极(8)放电部分开设有50mm长的细牙螺纹。

3.根据权利要求1或2所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，内电极(8)上还套装有多个同心块(9)，且每个同心块(9)与石英玻璃管(6)的内壁贴合。

4.根据权利要求3所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，同心块(9)采用金属烧结滤芯制成。

5.根据权利要求1所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，外电极为不锈钢网，其包裹在石英玻璃管(6)的外壁上，其上下两端分别通过固定铝块(10)固定。

6.根据权利要求5所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，不锈钢网的高度为50mm，石英玻璃管(6)的外径为12mm，内径为8mm，内电极(8)的直径为2mm，放电部分表面攻有50mm细牙螺纹，石英玻璃管(6)内等离子体的反应长度为50mm，单边放电间隙为3mm。

7.根据权利要求1所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，工作时，高压电源的一端连接在外电极上，另一端接地，地线接线柱(2)通过电阻Rm接地。

8.根据权利要求7所述的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，其特征在于，还包括示波器(11)、高压探头(12)、高压电源(13)和电阻Rm，其中，高压探头(12)与示波器连接，且高压探头(12)和地线接线柱(2)通过电阻Rm接地，高压探头(12)的一端和高压电源(13)的一端连接在外电极上，高压探头(12)的另一端和高压电源(13)的另一端接地，高压探头(12)包括串联的电阻R1和电阻R2以及串联的电容C1和电容C2，串联的电阻R1和电阻R2与串联的电容C1和电容C2并联设置。

说明书

一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置

技术领域：

[0001] 本发明属于低温等离子体应用技术领域，特别地涉及一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置。背景技术：

[0002] 近年来，随着低温等离子体技术的发展，基于低温等离子体的助燃技术引起了国内外学者的关注。低温态等离子体具有大量的活性粒子，在降低点火延迟，提高燃烧效率上具有重要的作用，低温等离子体助燃技术也已成为各国学者研究的热点问题之一。

[0003] 然而，目前人们对低温等离子体助燃机制的认识仍不明确，非热平衡态等离子体对燃烧特性的影响作用是一个极其复杂的理化过程，涉及电学、化学动力学、热力学和流体力学等多个学科领域，导致目前尚无有效地利用等离子体对燃烧进行精准调控的技术。国际上对于非热平衡等离子体辅助燃烧的研究主要包括等离子体助燃装置的设计、助燃效率及机理研究等方面。

[0004] 根据不同应用和研究需求，研究学者设计了不同的低温等离子体辅助燃烧装置，如印度的Chintala等人采用了平板介质阻挡放电电极结构，产生了射频等离子体。俄罗斯学者A.Yu.Starikovskii等人在喷嘴处设计了介质阻挡放电发生装置，利用纳秒脉冲放电等离子体改善了火焰的传播速度。目前等离子体助燃装置设计的重点也是瓶颈是：(1)电源和高效、稳定的等离子体的电极结构的匹配。一般装置产生的等离子体面积很小，能量较高的等离子体往往面临温度过高的问题，因此，在高压环境下易发生弧光放电，而最前沿的装置需要的微波源或纳秒脉冲源又价格昂贵；(2)等离子体反应器和燃烧器结构的匹配。便于诊断的平板电极结构难以作为燃烧器使用，而广泛采用的中心电极结构面临着中心电极无法很好的固定，制作工艺复杂等弊端。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于提供一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，可产生层流的预混火焰和扩散火焰，并将高效率、低温的等离子体作用于燃烧，明显改善燃料的燃烧特性。

[0006] 为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，包括底座、气体缓冲单元和等离子体反应单元；其中，

[0008] 底座包括底板以及设置在底板上的地线接线柱；

[0009] 气体缓冲单元包括固定法兰、法兰帽和固定棒；

[0010] 等离子体反应单元包括外电极、内电极和石英玻璃管；

[0011] 固定法兰的底部固定在底板中心处，其中心处自下而上开设有相连通的集气腔室和阶梯孔，固定法兰的侧壁上开设有与集气腔室相连通的进气口，石英玻璃管的底部固定在阶梯孔处，顶部伸出至固定法兰外，固定棒的底部固定在底板中心处，顶部不超过固定法兰的集气腔室，法兰帽套装在石英玻璃管上，且连接在固定法兰顶部，内电极的底部固定在固定棒的顶部，顶部不超过石英玻璃管顶部，外电极套装在与内电极相对的石英玻璃管上。

[0012] 本发明进一步的改进在于，固定法兰包括螺纹连接在一起且自下而上的第一固定法兰和第二固定法兰，且第一固定法兰的中心处开设有相连通的集气腔室和阶梯孔。

[0013] 本发明进一步的改进在于，内电极采用不锈钢制成的柱状电极，且内电极放电部分开设有50mm长的细牙螺纹。

[0014] 本发明进一步的改进在于，内电极上还套装有多个同心块，且每个同心块与石英玻璃管的内壁贴合。

[0015] 本发明进一步的改进在于，同心块采用金属烧结滤芯制成。

[0016] 本发明进一步的改进在于，外电极为不锈钢网，其包裹在石英玻璃管的外壁上，其上下两端分别通过固定铝块固定。

[0017] 本发明进一步的改进在于，不锈钢网的高度为50mm，石英玻璃管的外径为12mm，内径为8mm，内电极的直径为2mm，放电部分表面攻有50mm细牙螺纹，石英玻璃管内等离子体的反应长度为50mm，单边放电间隙为3mm。

[0018] 本发明进一步的改进在于，进气口外端连接有Φ8气管软，燃料气体或预混气体由此通入固定法兰内部的集气腔室，充分混合后保证最终达到管口为层流气体。

[0019] 本发明进一步的改进在于，工作时，高压电源的一端连接在外电极上，另一端接地，地线接线柱通过电阻Rm接地。

[0020] 本发明进一步的改进在于，还包括示波器、高压探头、高压电源和电阻Rm，其中，高压探头与示波器连接，且高压探头和地线接线柱通过电阻Rm接地，高压探头的一端和高压电源的一端连接在外电极上，高压探头的另一端和高压电源的另一端接地，高压探头包括串联的电阻R1和电阻R2以及串联的电容C1和电容C2，串联的电阻R1和电阻R2与串联的电容C1和电容C2并联设置。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

[0022] 本发明提供的本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，核心是由不锈钢内电极、不锈钢网外电极和石英玻璃管阻挡介质组成的放电单元。基于中心电极的结构，在不锈钢网上加装固定和均匀用铝块，在石英管内部配置烧结金属，保证了内电极位于中心位置；法兰内部气体充足的缓冲距离及集气腔层流保证到达管口为混合均匀的层流气体，提高燃烧的稳定性；装置材料以不锈钢为主，可靠耐用，便于携带，且考虑到实验操作时石英管可能出现破碎、污秽的情况，所述的石英管和不锈钢电极皆可更换。

[0023] 本发明提供的本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，在常温常压下工作，不需要成本昂贵的真空设备，等离子体源选择高频交流源；放电单元能够产生高效率、均匀且富含活性成份的低温等离子体，产生的活性粒子能够参与燃烧中的链式反应进程，从而促进燃烧。

[0024] 进一步，本发明适用于单纯甲烷等燃料气体或预混气体，分别对应于扩散燃烧和预混燃烧，也可以加入适量惰性气体，如氩气、氦气等气体，增加等离子体活性粒子的种类，进而产生新的反应途径。

[0025] 进一步，本发明提供的本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置放电产生的低温等离子体对火焰燃烧有明显增强效果，能提高火焰传播速度和火焰温度。尤其是在稀薄燃烧条件下，低温等离子体作用会生成更多的含氧活性粒子促进燃烧，其助燃效果更为显著。

[0026] 进一步，为了解决中心电极无法很好固定的问题，内电极与石英玻璃管之间安装有两块同心块，同心块采用金属烧结滤芯制成，起到定心和防回火的作用。

[0027] 进一步，为了产生密集、均匀的丝状放电，不锈钢内电极放电部分开设有50mm长的细牙螺纹。

[0028] 进一步，为获得高效率、低温的等离子体，不锈钢网的高度为50mm，在不锈钢网边缘安装了两个固定铝块，不仅固定了不锈钢网，也起到均匀电场的作用；石英玻璃管外径为12mm，内径为8mm，不锈钢内电极直径为2mm，放电部分表面攻有50mm细牙螺纹，以产生密集、均匀的丝状放电。

[0029] 进一步，采用中心电极的结构便于燃烧，为了解决中心电极无法很好固定的问题，不锈钢内电极与石英管之间装有两块同心块。不锈钢内电极可向下调节0～10mm，石英玻璃管管口与内电极的距离可在30～40mm之间调节，既保证放电区与燃烧区互不干扰，又保证了等离子体中的活性粒子能够促进燃烧中的链式反应进程。附图说明：

[0030] 图1a为本发明本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置的结构示意图；图1b为图1a的A-A向剖视图；图1c为图1a的俯视图；图1d为图1b的B处局部视图。

[0031] 图2为本发明本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置的接线图。

[0032] 图中：1-底板，2-地线接线柱，3-固定法兰，301-第一固定法兰，302-第二固定法兰，4-法兰帽，5-固定棒，6-石英玻璃管，7-进气口，8-内电极，9-同心块，10-固定铝块，11-示波器，12-高压探头，13-高压电源。具体实施方式：

[0033] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，以更好地理解本发明的功能、特点。

[0034] 如图1a至图1d，本发明提供的一种本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置，包括底座、气体缓冲单元和等离子体反应单元；其中，底座包括底板1以及设置在底板上的地线接线柱2；气体缓冲单元包括固定法兰3、法兰帽4和固定棒5；等离子体反应单元包括外电极、内电极8和石英玻璃管6；固定法兰3的底部固定在底板1中心处，其中心处自下而上开设有相连通的集气腔室和阶梯孔，固定法兰3的侧壁上开设有与集气腔室相连通的进气口7，石英玻璃管6的底部固定在阶梯孔处，顶部伸出至固定法兰3外，固定棒5的底部固定在底板1中心处，顶部不超过固定法兰3的集气腔室，法兰帽4套装在石英玻璃管6上，且连接在固定法兰3顶部，内电极8的底部固定在固定棒5的顶部，顶部不超过石英玻璃管6顶部，外电极套装在与内电极8相对的石英玻璃管6上。石英玻璃管6用作绝缘阻挡介质。

[0035] 其中，固定法兰3包括螺纹连接在一起且自下而上的第一固定法兰301和第二固定法兰302，且第一固定法兰301的中心处开设有相连通的集气腔室和阶梯孔。内电极8采用不锈钢制成的柱状电极。

[0036] 为了保证装置的气密性，第一固定法兰301与第二固定法兰302衔接处以及第二固定法兰302与法兰帽4衔接处均设置有密封圈。

[0037] 为了解决中心电极无法很好固定的问题，内电极8与石英玻璃管6之间安装有两块同心块9，同心块9采用金属烧结滤芯制成，起到定心和防回火的作用，以保证内电极8在石英玻璃管6中心。为了产生密集、均匀的丝状放电，不锈钢内电极放电部分开设有50mm长的细牙螺纹。内电极8与气体缓冲单元中的固定棒5以螺纹衔接，内电极8可向下调节0～10mm，调节前需拿下石英玻璃管6，其中，固定棒5的直径为5mm。石英玻璃管6比内电极8高出30～40mm。

[0038] 优选的，外电极为不锈钢网，其包裹在石英玻璃管6的外壁上，其上下两端分别通过固定铝块10固定。其中，不锈钢网的高度为50mm，石英玻璃管6的外径为12mm，内径为8mm，内电极8的直径为2mm，放电部分表面攻有50mm细牙螺纹，石英玻璃管6内等离子体的反应长度为50mm，单边放电间隙为3mm。

[0039] 优选的，进气口7外端连接有Φ8气管软，燃料气体或预混气体由此通入固定法兰3内部的集气腔室，充分混合后保证最终达到管口为层流气体。

[0040] 此外，本发明还包括示波器11、高压探头12、高压电源13和电阻Rm，其中，高压探头12与示波器连接，且高压探头12和地线接线柱2通过电阻Rm接地，高压探头12的一端和高压电源13的一端连接在外电极上，高压探头12的另一端和高压电源13的另一端接地，高压探头12包括串联的电阻R1和电阻R2以及串联的电容C1和电容C2，串联的电阻R1和电阻R2与串联的电容C1和电容C2并联设置。

[0041] 本发明反应器材料以不锈钢为主，各部件之间可拆卸，便于维护和更换。实验操作时可将除底座之外的部分拆下，首先调节不锈钢内电极8，两者以螺纹链接，可向下调节10mm。确定内电极8高度后，依次安装第一固定法兰301、第二固定法兰302，接着放置石英玻璃管6后，再安装法兰帽4固定。此时，不锈钢内电极与石英玻璃管6的管口距离为30～40mm，保证燃烧时高温不会破坏放电的稳定性，而等离子体中的活性粒子又不至于猝灭，能够参与燃烧并促进链式反应速率。

[0042] 本发明提供的本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置的电路连接图如图2所示，进气口与Φ8气管软连接，纯甲烷等燃料气体或预混气体由此通入固定法兰3内部的集气腔室，充分混合后保证最终达到管口为层流气体。电源为用于产生低温等离子体的高压高频交流电源，等离子体产生于长度为50mm，单边放电间隙为3mm的环形柱状区域。放电时，在不锈钢网边缘的两个固定铝块相当于两个均压环，具有均匀电场的作用；不锈钢内电极放电部分表面攻有50mm细牙螺纹，以产生密集、均匀的丝状放电。本发明与串联的高压探头12和接地电阻Rm并联，高压探头12引出线接示波器11即可获得放电电压电流波形。

[0043] 放电开始时丝状通道逐渐产生，随着电压的升高，等离子体均匀分布在整个环形柱状区域；提高气体流速，有利于形成稳定的类辉光放电。根据实际需求，可通过调节气流速度，调节电源电压大小和频率不同调节等离子体中的活性粒子成份，获得放电均匀稳定、高效率的低温等离子体。

[0044] 本发明提供的本生灯式低温等离子体辅助燃烧装置主要采用不锈钢材料，运用可拆装的设计理念，便于使用与后期维护。工作环境为常温常压，不需要成本昂贵的真空设备，适用于单纯甲烷等燃料气体或预混气体，分别对应于扩散燃烧和预混燃烧。放电产生的低温等离子体对燃烧有明显增强效果，能提高火焰传播速度和火焰温度。尤其是在稀薄燃烧条件下，低温等离子体作用会生成更多的含氧活性粒子促进燃烧，其助燃效果更为显著。

[0045] 以上所述，仅为本发明的实施案例，但本发明的保护不仅仅局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，尤其是采用中心电极的介质阻挡放电结构，根据本发明的技术方案及发明构思加以移植或者改变，均应涵盖在本发明的保护范围内。