CN103953474B - 定向自旋等离子体助燃系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定向自旋等离子体助燃系统，该定向自旋等离子体助燃系统包括中空壳体、纳秒脉冲等离子体电源以及与纳秒脉冲等离子体电源相连的等离子体激励器；中空壳体的顶端以及低端分别设置有气体收集装置以及气体进口；中空壳体内部自上而下形成燃烧区以及预混区；等离子体激励器以及纳秒脉冲等离子体电源分别设置在中空壳体内部和外部；气体进口依次通过预混区、燃烧区和气体收集装置相贯通。本发明提供了一种可提升助燃性能和能效比的定向自旋等离子体助燃系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体助燃系统，尤其涉及一种定向自旋等离子体助燃系统。
技术背景
等离子体助燃的基本原理是利用产生的非平衡等离子体的化学活性提高燃料的点火性能及燃烧特性，其实质是等离子体中高能电子与反应物分子的非弹性碰撞，使反应物分子内能增加或能量转移及“形变”，导致分子键松弛、断裂或裂解成自由基，放电过程中产生了大量的活性原子、基团，从而影响燃烧系统的化学平衡，加速燃烧的化学动力学过程。
采用等离子体点火和助燃会有诸多好处：等离子体不仅能快速加热气流，而且还会产生大量化学活性物质，如处于激发态的分子和自由基，可以实现大范围点火、减小点火延迟、改善火焰稳定性、拓宽可燃极限并且同时保持低NOx的排放等。此外，等离子体激励没有运动部件，具有结构简单紧凑、激励参数容易调节、响应迅速等优点。近年来，等离子体点火和助燃成为国际上应用基础研究领域中颇受关注的一个研究方向。
在一些高寒地带，因海拔高度的上升，大气压力下降，空气密度逐渐减小，易使柴油机增压器效率降低，柴油机后燃现象增加，燃烧持续时间长，冒烟严重。柴油机的动力性和经济性显著降低，排放恶化。另一方面，因气候严寒，机油黏度大，起动阻力大；燃油黏度高，混合气形成质量差；压缩温度与压力降低，首次着火困难；蓄电池内部化学反应缓慢，内阻增大，端电压下降，起动力矩降低，着火困难。对于航空发动机，当在高空发生熄火时，要求能够重新点火。由于高空中氧气含量低，压力和温度低，同时由于压气机处于风车状态，也无法为燃烧室提供高压空气，这些因素都增加了点火的难度，因此对于燃烧室的点火性能提出了很大的挑战，需要采用更加可靠的点火方式。等离子体激励在点火、助燃、提高燃烧稳定性和效率等方面，都有显著效果，对提高航空发动机、柴油发动机等在在恶劣条件下(低温、缺氧)启动稳定性及燃烧速度等有重要作用和意义。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可提升助燃性能和能效比的定向自旋等离子体助燃系统。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述定向自旋等离子体助燃系统包括中空壳体、纳秒脉冲等离子体电源以及与纳秒脉冲等离子体电源相连的等离子体激励器；所述中空壳体的顶端以及低端分别设置有气体收集装置以及气体进口；所述中空壳体内部自上而下形成燃烧区以及预混区；所述等离子体激励器以及纳秒脉冲等离子体电源分别设置在中空壳体内部和外部；所述气体进口依次通过预混区、燃烧区和气体收集装置相贯通。
上述等离子体激励器包括高压电极、低压电极以及设置在高压电极和低压电极之间的绝缘介质，所述高压电极、绝缘介质以及低压电极依次叠加后环绕设置在中空壳体的内壁上；所述高压电极以及低压电极分别与纳秒脉冲等离子体电源相连。
上述高压电极以及低压电极均是紫铜电极、铜镀锌电极或不锈钢电极。
上述高压电极的宽度是3-8mm；所述低压电极的宽度是3-20mm；所述高压电极以及低压电极的厚度均是0.1-0.3mm；所述高压电极与低压电极之间的放电间隙是0-0.2mm。
上述绝缘介质是由聚酰亚胺或聚四氟乙烯所形成的绝缘介质。
上述绝缘介质的厚度是0.3-0.5mm。
上述纳秒脉冲等离子体电源的输出电压是0～40kV，放电频率是6～30kV，上升时间是20ns，脉冲宽度是50ns，中心频率是22kHz，脉冲频率是10～2000Hz，占空比是10％～99％。
上述定向自旋等离子体助燃系统还包括套装在中空壳体外部的水冷套。
上述水冷套的底部和顶部分别设置有冷却液进口以及冷却液出口；所述冷却液进口通过水冷套与冷却液出口相贯通。
上述气体进口包括燃料气体入口以及空气入口；所述燃料气体入口以及空气入口分别通过预混区、燃烧区和气体收集装置相贯通。
本发明的优点是：
本发明提出了一种定向自旋等离子体助燃系统，利用燃烧过程产生的活性自由基助燃的同时，又可充分利用等离子体激励产生的气动效应，增强等离子体活性粒子和燃料气体分子的动量和能量交换，提升助燃性能和能效比。本发明基于纳秒脉冲放电过程中，电子从电场中获得能量，与燃烧气体分子等中性粒子碰撞，导致激发、电离等物理化学过程的发生，伴随着能量的转移、释放，并通过转动激发、振动激发、离解、复合等途径导致气体加热，使得局部压力升高；纳秒脉冲放电产生定向自旋，这种定向自旋的冲击波在燃料流体中传播，将带动燃料流体中粒子运动，形成气动激励，冲击波的扰动诱导燃料流体剧烈流动并在电极边缘形成局部的旋涡，促进了燃烧室壁面气流与主流的掺混，充分增加了燃料流体与等离子体活性粒子的相互作用，增加了它们之间的能量和动量交换的速度和效率，实现了助燃性能的提升。
附图说明
图1是本发明所提供的等离子体助燃系统的结构示意图；
其中：
1-冷却水进口；2-冷却水出口；3-燃料气体入口；4-空气入口；5-预混区；6-等离子体激励器；7-低压电极；8-高压电极；9-燃烧区；10-外壳；11-水冷套；12-气体收集器；13-气体检测器；14-气体出口。
具体实施方式
本发明提供了一种定向自旋等离子体助燃系统，该定向自旋等离子体助燃系统包括中空壳体、纳秒脉冲等离子体电源以及与纳秒脉冲等离子体电源相连的等离子体激励器；中空壳体的顶端以及低端分别设置有气体收集装置以及气体进口；中空壳体内部自上而下形成燃烧区以及预混区；等离子体激励器以及纳秒脉冲等离子体电源分别设置在中空壳体内部和外部；气体进口依次通过预混区、燃烧区和气体收集装置相贯通。
等离子体激励器包括高压电极、低压电极以及设置在高压电极和低压电极之间的绝缘介质，高压电极、绝缘介质以及低压电极依次叠加后环绕设置在中空壳体的内壁上；高压电极以及低压电极分别与纳秒脉冲等离子体电源相连。
定向自旋等离子体助燃系统还包括套装在中空壳体外部的水冷套，冷却液例如水可以对中空壳体进行冷却。
本发明是基于纳秒脉冲放电过程中，电子从电场中获得能量，与燃烧气体分子等中性粒子碰撞，导致激发、电离等物理化学过程的发生，伴随着能量的转移、释放，并通过转动激发、振动激发、离解、复合等途径导致气体加热，使得局部压力升高；纳秒脉冲放电产生定向自旋，这种定向自旋的冲击波在燃料流体中传播，将带动燃料流体中粒子运动，形成气动激励，冲击波的扰动诱导燃料流体剧烈流动并在电极边缘形成局部的旋涡，促进了燃烧室壁面气流与主流的掺混，充分增加了燃料流体与等离子体活性粒子的相互作用，增加了它们之间的能量和动量交换的速度和效率，实现了助燃性能的提升。
本发明的具体工作过程是：
本发明提供一种定向自旋等离子体助燃系统，以解决高寒地带柴油机缺氧以及其他稀薄燃烧工况下点火困难及燃烧不稳定的问题。本发明所采用的等离子体激励方式为纳秒脉冲电源激励产生介质阻挡放电，输入能量小，产生的活性粒子浓度更高。
参见图1，燃料气体(CH4、C3H8)和空气分布从燃料气体入口3以及空气入口4进入体系。
纳秒脉冲等离子体电源的具体参数：
纳秒脉冲等离子体电源，输出电压0～40kV可调，放电频率6～30kV可调，上升时间为20ns，脉冲宽度50ns，中心频率22kHz，脉冲频率10～2000Hz可调，占空比10％～99％可调，主要由调节器、电路发生器组成。
等离子体激励器6的具体参数：电极材料为紫铜或铜镀锌或不锈钢，高压电极8宽度3-8mm，优选5mm，低压电极7宽度是3-20mm，优选12mm，电极厚0.1-0.3mm，放电间隙0-0.2mm，绝缘介质(低压电极7和高压电极8之间)为聚酰亚胺或聚四氟乙烯，厚度为0.3-0.5mm。螺旋形缠绕于燃烧室内壁。可根据需求布置激励器电极的总长度(即强度)。
燃烧室9壁厚：陶瓷或不锈钢，1.4mm，长度：100cm。
燃烧室壳体10上设有水冷套11，冷却水从冷却水进口1进入，冷却水出口2流出，装置上设置此水冷套11起到系统散热作用。
在预混区5充分等离子体化后，体系中产生了大量活性粒子，并形成了定向自旋流体，由喷嘴进入燃烧区9，进行点火燃烧。体系中大量的活性粒子如OH，O等，通过自旋与燃料流体进行充分的能量交换，使燃料气体高度活化，燃烧更完全，且能减少不完全燃烧产物的污染。
燃烧后的气体产物经气体收集器12，部分通过气体检测器13进行成分检测分析，其余经气体出口14进入回收系统处理后排放。
Claims (9)
1.一种定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述定向自旋等离子体助燃系统包括中空壳体、纳秒脉冲等离子体电源以及与纳秒脉冲等离子体电源相连的等离子体激励器；所述中空壳体的顶端以及低端分别设置有气体收集装置以及气体进口；所述中空壳体内部自上而下形成燃烧区以及预混区；所述等离子体激励器以及纳秒脉冲等离子体电源分别设置在中空壳体内部和外部；所述气体进口依次通过预混区、燃烧区和气体收集装置相贯通；
所述等离子体激励器包括高压电极、低压电极以及设置在高压电极和低压电极之间的绝缘介质，所述高压电极、绝缘介质以及低压电极依次叠加后环绕设置在中空壳体的内壁上；所述高压电极以及低压电极分别与纳秒脉冲等离子体电源相连。
2.根据权利要求1所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述高压电极以及低压电极均是紫铜电极、铜镀锌电极或不锈钢电极。
3.根据权利要求2所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述高压电极的宽度是3-8mm；所述低压电极的宽度是3-20mm；所述高压电极以及低压电极的厚度均是0.1-0.3mm；所述高压电极与低压电极之间的放电间隙是0-0.2mm。
4.根据权利要求3所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述绝缘介质是由聚酰亚胺或聚四氟乙烯所形成的绝缘介质。
5.根据权利要求4所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述绝缘介质的厚度是0.3-0.5mm。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述纳秒脉冲等离子体电源的输出电压是0～40kV，放电频率是6～30kV，上升时间是20ns，脉冲宽度是50ns，中心频率是22kHz，脉冲频率是10～2000Hz，占空比是10％～99％。
7.根据权利要求6所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述定向自旋等离子体助燃系统还包括套装在中空壳体外部的水冷套。
8.根据权利要求7所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述水冷套的底部和顶部分别设置有冷却液进口以及冷却液出口；所述冷却液进口通过水冷套与冷却液出口相贯通。
9.根据权利要求8所述的定向自旋等离子体助燃系统，其特征在于：所述气体进口包括燃料气体入口以及空气入口；所述燃料气体入口以及空气入口分别通过预混区、燃烧区和气体收集装置相贯通。
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