CN107064410B - 介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，包括燃烧腔、空气气源、可燃气气源、真空泵，空气气源、可燃气气源、真空泵分别连接至主气路，主气路与燃烧腔相通，燃烧腔内设置有点火机构、介质阻挡等离子放电机构。本发明中，燃烧腔采用静止预混气封闭点火的方式，可以使可燃气和空气达到非常充分的混合程度，且利用所述气压计可以完成精确的气体成份配比。在所述燃烧腔内通过石英板间的可控介质阻挡等离子放电，能提供良好的助燃效果，对于扩展预混气燃烧极限有直接效果。本发明可用于各种压力、极端浓度配比下的预混气燃烧极限扩展性能测试，并为未来此类测试标准的建立提供参考。

Description

介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置

技术领域

本发明涉及能源利用与燃烧技术领域，更具体地说，涉及一种介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置。

背景技术

可燃气的燃烧极限是能源及燃烧领域中的重要课题，而通常情况下在恒定气体压力和温度条件下，燃烧极限包括浓度的下限和上限也为固定值，因此对于一些可燃气浓度超出燃烧极限范围(如浓度极低，低于下限)的预混气而言，在不施加其它外部作用的情况下，希望通过燃烧的形式将其热能进行充分利用则是难以实现的，事实上由于工业生产过程和自然环境中存在大量此类超低浓度可燃气，常见的例如工业排放尾气和海洋渗漏甲烷等，若任其自由排放，将造成难以估计的能源浪费。

而等离子体助燃及强化燃烧技术是目前国际上新兴的低浓度和低热值可燃气燃烧技术，有望显著提升该类可燃气的燃烧效率和利用率，例如穆海宝等人在2014年的《高压电技术》第40卷10期2980-2985页“CH₄/O₂/He混合气体作大气介质阻挡放电处理后其燃烧特性的改变”一文中提到一种装置，主要研究等离子介质阻挡放电对甲烷、空气及氦气混合气的助燃作用，该装置采用射流燃烧，混合气体在一定流速下经过等离子活化后，继续向上流动并在燃烧器的喷口处点燃，该装置的局限性首先在于混合程度上无法达到完全充分混合，且点火时间与活化时间相对滞后，助燃效能有所减弱。

因此，对于低浓度可燃预混气的燃烧极限扩展而言，需要采用更加有效的燃烧装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用以研究复杂条件包括极端压力、浓度等的可燃预混气燃烧极限的可扩展性能的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置。

本发明的技术方案如下：

一种介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，包括燃烧腔、空气气源、可燃气气源、真空泵，空气气源、可燃气气源、真空泵分别连接至主气路，主气路与燃烧腔相通，燃烧腔内设置有点火机构、介质阻挡等离子放电机构。

作为优选，空气气源、可燃气气源、真空泵分别通过空气气路、可燃气气路、气泵气路与主气路连接。

作为优选，空气气路、可燃气气路、气泵气路上分别设置空气阀门、可燃气阀门、真空阀门，主气路在空气阀门、可燃气阀门、真空阀门与燃烧腔之间设置燃烧腔阀门。

作为优选，主气路上还设置有排气口，在排气口之间的主气路上设置有排气阀门。

作为优选，主气路上还设置有气压计。

作为优选，介质阻挡等离子放电机构包括两块相同的石英板、放电极正极、放电极负极、高压接线、地线接线、等离子电压源，石英板竖直固定于燃烧腔内，放电极正极、放电极负极分别贴于石英板上，分别与高压接线、地线接线连接，高压接线、地线接线连接在燃烧腔外与等离子电压源的两极相连；

点火机构包括点火器正极、点火器负极、点火器高压源，点火器正极、点火器负极竖直设置在燃烧腔内，并在燃烧腔外与点火器高压源的两极相连；

点火器正极、点火器负极分别设置于两块石英板的两侧，与石英板的中心相对，点火器正极、点火器负极的顶端高于石英板。

作为优选，燃烧腔的底盖开设有连接孔，连接孔上分别密封塞设有电路接头、气路接头，电路接头用于点火机构、介质阻挡等离子放电机构在燃烧腔的内外进行导电连接，气路接头连接主气路，主气路通过气路接头与燃烧腔相通。

作为优选，电路接头包括陶瓷主体、导电棒，陶瓷主体包括同心设置的螺纹接头、密封圆台，密封圆台的直径大于螺纹接头，导电棒穿设于陶瓷主体上，导电棒的两端分别延伸出螺纹接头、密封圆台，导电棒的两端分别开设有绕线槽，用于缠绕导线；气路接头包括同心设置且贯通的螺纹接头、密封圆台、气路接口，密封圆台的直径大于螺纹接头。

作为优选，用于备用的连接孔通过密封堵头进行密封，密封堵头包括同心设置的螺纹接头、密封圆台，密封圆台的直径大于螺纹接头。

作为优选，燃烧腔的设置观察窗，透明玻璃通过后盖紧固夹持于观察窗与后盖之间。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，燃烧腔采用静止预混气封闭点火的方式，可以使可燃气和空气达到非常充分的混合程度，且利用所述气压计可以完成精确的气体成份配比。在所述燃烧腔内通过石英板间的可控介质阻挡等离子放电，能提供良好的助燃效果，对于扩展预混气燃烧极限有直接效果。

本发明可用于各种压力、极端浓度配比下的预混气燃烧极限扩展性能测试，并为未来此类测试标准的建立提供参考。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是燃烧腔的横向剖视图；

图3是气路接头的剖视图；

图4是电路接头的剖视图；

图5是密封堵头的剖视图；

图6是燃烧腔内设置有点火机构、介质阻挡等离子放电机构的结构示意图；

图中：100是空气气源，101是可燃气气源，102是真空泵，103是气压计，104是燃烧腔阀门，105是空气阀门，106是可燃气阀门，107是真空泵阀门，108是排气阀门，109是排气口，110是气泵气路，111是可燃气气路，112是空气气路，113是主气路，114是燃烧腔，200是外壁，201是顶盖，202是底盖，203是观察窗，204是透明玻璃，205是紧固螺栓，206是点火器正极，207是点火器负极，208是放电极负极，209是放电极正极，210是地线接线，211是高压接线，212是石英板，213是点火器高压源，214是等离子电压源，215是连接孔，300是后盖，301是固定螺丝，400是气路接头，401是气路接口，410是电路接头，411是导电棒，412是绕线槽，420是密封堵头，500是螺纹接头，501是密封圆台。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了提供一种介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，如图1所示，包括燃烧腔114、空气气源100、可燃气气源101、真空泵102，空气气源100、可燃气气源101、真空泵102分别连接至主气路113，空气气源100、可燃气气源101、真空泵102分别通过空气气路112、可燃气气路111、气泵气路110与主气路113连接，主气路113与燃烧腔114相通；燃烧腔114内设置有点火机构、介质阻挡等离子放电机构。燃烧腔114采用静止预混气封闭点火的方式，可以使可燃气和空气达到非常充分的混合程度，且利用所述气压计103可以完成精确的气体成份配比。在所述燃烧腔114内通过石英板212间的可控介质阻挡等离子放电，能提供良好的助燃效果，对于扩展预混气燃烧极限有直接效果。

为了保证内部充入可燃预混气后可长时间放置，以待其充分混合，燃烧腔114需要有良好的气密性。由于在配气过程中会数次对主气路113抽真空和排气，则实施时，应当控制主气路113的长度不应过长，主气路113太长易造成气体浪费；因此，在方便操作的前提下，适度维持较短总长度即可。

为了对进气、抽气进行控制，空气气路112、可燃气气路111、气泵气路110上分别设置空气阀门105、可燃气阀门106、真空阀门；即空气气源100通过一条空气气路112串接上一个空气阀门105后接入主气路113，高纯度可燃气气源101通过一条可燃气气路111并串接一个可燃气阀门106后接入主气路113，真空泵102通过一条气泵气路110串接一个真空泵阀门107后接入主气路113。

为了对进入燃烧腔114内的混合气体、对抽出燃烧腔114内的混合气体进行控制，主气路113在空气阀门105、可燃气阀门106、真空阀门与燃烧腔114之间设置燃烧腔阀门104。主气路113上还设置有排气口109，在排气口109之间的主气路113上设置有排气阀门108，用于排出燃烧腔114与主气路113中的气体，以及控制排出效率。即主气路113的下游端依次串联一个排气阀门108和一个排气口109，而在主气路113的上游端串接燃烧腔阀门104，燃烧腔114紧靠燃烧腔阀门104。主气路113上还设置有气压计103，用于观察主气路113的气压大小。

具体实施时，空气气源100可采用30升10Mpa的高压空气气瓶，可燃气气源101可采用10升10Mpa的高纯度的高压甲烷气瓶。本实施例中，使用的所述气泵气路110、可燃气气路111、空气气路112、主气路113均可采用内径5mm的不锈钢气管，具体长度不应过长(否则气体将在气路的管道中造成浪费)，在方便操作的前提下适度维持较短的总长度即可。

燃烧腔114的设置观察窗203，如图2所示，透明玻璃204通过后盖300紧固夹持于观察窗203与后盖300之间。观察窗203与透明玻璃204用于对燃烧腔114内的情况进行观察。本实施例中，燃烧腔114的壳体呈立方体形状，其四个壁面由一个观察窗203和一个“匚”型的外壁200围成，观察窗203与外壁200之间采用6个紧固螺栓205进行固定，且观察窗203的中间部位安装一块大占比(18cm长、18cm宽及8mm厚)耐高温防爆的透明玻璃204，外壁200的上、下方分别用一个顶盖201及底盖202进行封闭，本实施例中的燃烧腔114外部尺寸为25cm长、25cm宽及25cm高，外壁200、观察窗203、顶盖201及底盖202的厚度均为5mm，由不锈钢板加工制成。

透明玻璃204通过后盖300和4颗固定螺丝301进行固定；同时顶盖201通过顶盖201四角螺纹孔、顶盖201边缘螺纹孔进行固定，与此类似，所述底盖202也通过底盖202四角螺纹孔和底盖202边缘螺纹孔进行固定。

由于整个燃烧腔114需要保持气密，因此所述地线接线210、高压接线211、点火器正极206、点火器负极207以及主气路113在通过底盖202时，均需要利用连接孔215并配合一些辅助构件进行连接。本实施例中，连接孔215配套气路接头400、电路接头410等，在安装后同样需要保证气密性。

如图3所示，气路接头400包括同心设置且贯通的螺纹接头500、密封圆台501、气路接口401，密封圆台501的直径大于螺纹接头500。通过螺纹接头500旋接于连接孔215，密封圆台501对连接孔215进行密封。气路接头400的内部中轴开贯通的4mm通孔，用于气体传输。

电路接头410的主体需要采用耐高温的非导体材料，中间嵌入一个导电棒411作为所述燃烧腔114内、外部电路的连接物即可。如图4所示，电路接头410包括陶瓷主体、导电棒411，陶瓷主体包括同心设置的螺纹接头500、密封圆台501，密封圆台501的直径大于螺纹接头500，通过螺纹接头500旋接于连接孔215，密封圆台501对连接孔215进行密封。导电棒411穿设于陶瓷主体上，导电棒411的两端分别延伸出螺纹接头500、密封圆台501，导电棒411的两端分别开设有绕线槽412，用于缠绕导线。

此外，底盖202上的若干连接孔215用作备用的连接孔215，可扩展接入各类传感器，如温度传感器、气体浓度传感器等，用于备用的连接孔215通过密封堵头420进行密封。即当某个连接孔215不使用时，可用一个密封堵头420进行封闭。如图5所示，密封堵头420包括同心设置的螺纹接头500、密封圆台501，密封圆台501的直径大于螺纹接头500。

如图6所示，介质阻挡等离子放电机构包括两块相同的石英板212、放电极正极209、放电极负极208、高压接线211、地线接线210、等离子电压源214，石英板212竖直固定于燃烧腔114内，放电极正极209、放电极负极208分别贴于石英板212上，分别与高压接线211、地线接线210连接，高压接线211、地线接线210连接在燃烧腔114外与等离子电压源214的两极相连；点火机构包括点火器正极206、点火器负极207、点火器高压源213，点火器正极206、点火器负极207竖直设置在燃烧腔114内，并在燃烧腔114外与点火器高压源213的两极相连；点火器正极206、点火器负极207分别设置于两块石英板212的两侧，与石英板212的中心相对，点火器正极206、点火器负极207的顶端高于石英板212。燃烧腔114的底盖202开设有连接孔215，连接孔215上分别密封塞设有电路接头410、气路接头400，电路接头410用于点火机构、介质阻挡等离子放电机构在燃烧腔114的内外进行导电连接，气路接头400连接主气路113，主气路113通过气路接头400与燃烧腔114相通。

本实施例中，在底盖202的中间位置，竖直固定两块石英板212，尺寸均为厚度2mm，高15cm，宽8cm，间距为5mm。点火器正极206和点火器负极207的点火端处于两块石英板212中心上方5mm处(不与该石英板212发生接触)。

为了保证在预混气点燃后形成的爆燃中不发生损坏，观察窗203使用的透明玻璃204应为防爆、耐高温玻璃。介质阻挡等离子放电机构的两块石英板212也应具有较高强度。

利用本发明的所述的装置进行测试实验前，首先需要在所述燃烧腔114内配比一定浓度的可燃气，具体步骤如下：

1)关闭空气阀门105、可燃气阀门106和排气阀门108，打开所述燃烧腔阀门104和真空泵阀门107，然后开启真空泵102，待抽至真空后关闭真空泵阀门107，真空泵102可继续工作，暂不关闭；

2)打开可燃气阀门106，使可燃气(如高纯度甲烷)缓慢进入燃烧腔114，并实时监测气压计103，直到读数为预设值，如5kPa后关闭燃烧腔阀门104和可燃气阀门106；

3)打开真空泵阀门107，带主气路113中气体抽空，即气压计103读数降至0kPa后，关闭真空泵阀门107；

4)打开空气阀门105，使空气缓慢进入燃烧腔114，同样，监测气压计103直到读数达到预设值，如100kPa后关闭燃烧腔阀门104和空气阀门105；

5)打开排气阀门108，关闭真空泵102，并使燃烧腔114静置12小时，以使其内部气体完全均匀混合。

在进行静止预混气燃烧极限扩展测试时，开启等离子电压源214，在石英板212间形成介质阻挡等离子放电，然后开启点火器高压源213，并逐步增大等离子电压源214的功率，直至燃烧腔114内的静止预混气被点燃，并观察到明显的爆燃现象发生。此时，记录下相关的火焰形貌、等离子体强度等数据；以此，可进一步研究预混气在等离子体活化作用下的燃烧极限扩展规律。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，包括燃烧腔、空气气源、可燃气气源、真空泵，空气气源、可燃气气源、真空泵分别连接至主气路，主气路与燃烧腔相通，燃烧腔内设置有点火机构、介质阻挡等离子放电机构；

所述燃烧腔的底盖开设有连接孔，连接孔上分别密封塞设有电路接头、气路接头，电路接头用于点火机构、介质阻挡等离子放电机构在燃烧腔的内外进行导电连接，气路接头连接主气路，主气路通过气路接头与燃烧腔相通；

所述电路接头包括陶瓷主体、导电棒，陶瓷主体包括同心设置的螺纹接头、密封圆台，密封圆台的直径大于螺纹接头，导电棒穿设于陶瓷主体上，导电棒的两端分别延伸出螺纹接头、密封圆台，导电棒的两端分别开设有绕线槽，用于缠绕导线；气路接头包括同心设置且贯通的螺纹接头、密封圆台、气路接口，密封圆台的直径大于螺纹接头；

用于备用的连接孔通过密封堵头进行密封，密封堵头包括同心设置的螺纹接头、密封圆台，密封圆台的直径大于螺纹接头。

2.根据权利要求1所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，空气气源、可燃气气源、真空泵分别通过空气气路、可燃气气路、气泵气路与主气路连接。

3.根据权利要求2所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，空气气路、可燃气气路、气泵气路上分别设置空气阀门、可燃气阀门、真空阀门，主气路在空气阀门、可燃气阀门、真空阀门与燃烧腔之间设置燃烧腔阀门。

4.根据权利要求2所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，主气路上还设置有排气口，在排气口之间的主气路上设置有排气阀门。

5.根据权利要求2所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，主气路上还设置有气压计。

6.根据权利要求1所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，介质阻挡等离子放电机构包括两块相同的石英板、放电极正极、放电极负极、高压接线、地线接线、等离子电压源，石英板竖直固定于燃烧腔内，放电极正极、放电极负极分别贴于石英板上，分别与高压接线、地线接线连接，高压接线、地线接线连接在燃烧腔外与等离子电压源的两极相连；

点火机构包括点火器正极、点火器负极、点火器高压源，点火器正极、点火器负极竖直设置在燃烧腔内，并在燃烧腔外与点火器高压源的两极相连；

点火器正极、点火器负极分别设置于两块石英板的两侧，与石英板的中心相对，点火器正极、点火器负极的顶端高于石英板。

7.根据权利要求1所述的介质阻挡等离子放电下静止预混气燃烧极限扩展测试装置，其特征在于，燃烧腔设置观察窗，透明玻璃通过后盖紧固夹持于观察窗与后盖之间。