CN107218623B - 一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生大气压非平衡等离子体滑动弧助燃装置，包括压力气体管道、中心电极管、拉瓦尔喷管、旋流器等；中心电极管尾端开有若干小孔，燃料由此喷出雾化，并与经旋流器整流的助燃气体在拉瓦尔喷管内充分混合。中心电极管左端接高压电源作为阳极，拉瓦尔喷管接地作为阴极，中心电极管与拉瓦尔喷管壁面放电产生等离子体，滑动弧的弧柱在气体混合区域产生催化反应进行燃烧，火焰由拉瓦尔喷管喷出作用于外接装置。本发明装置结构紧凑，便于加工，助燃效率高，可用于配套燃烧设备的助燃。

Description

一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置

技术领域

本发明涉及一种助燃装置，属于燃烧化工装备领域。

背景技术

据等离子体的粒子温度，等离子体分为高温等离子体和低温等离子体，人类通过控制手段和科学方法，可以产生并大量利用于工农业生产的多为低温等离子体。根据电弧区域的热力学平衡特性，低温等离子体可以分为热等离子体和冷等离子体。冷等离子体是一种非热平衡等离子体，电子温度远远高于离子温度，离子温度又远远高于中性粒子的温度。从已有的文献来看，产生非平衡等离子体的方法主要有介质阻挡放电、高压脉冲电晕放电、高压辉光放电、射频放电、微波放电等等，滑动弧放电方式，也是产生大气压非平衡等离子体的主要方法之一。

20世纪90年代初，法国人首先提出用滑动弧放电产生大气压非平衡等离子体的概念，并做了许多开创性的工作，随后国内外科技工作者，对这种滑动电弧等离子体，应用于较大气流量，做成等离子体矩，在化工行业和环境工程应用方面做了大量的理论和试验性研究。研究发现，冷等离子体能够以很小的能量把原本主要用于加热和低能振动的能量，通过电子碰撞转移到分子分解、激发甚至电离上，产生大量的活性基，极大的加速了化学反应速度，这种低温等离子体，被认为同时具有平衡性和非平衡性，有平衡性，代表有足够的能量水平，从而保证较大的能量应用，具有非平衡性，可以维持宏观温度较低，同时通过产生电子以及激发的离子、原子和分子，促进化学反应的进行，实现很高的化学反应效率。发动机点火，就是燃料流从非反应状态到强烈放热反应状态的过渡过程，是发动机工作最基本的前提条件。

在超声速燃烧和稀薄燃烧技术领域，非平衡等离子体燃烧强化的研究中发现，非平衡等离子体点火方式比火花塞点火更具有应用潜力，比较完善的解决方案就是脉冲电晕点火方式。但目前阶段，非平衡等离子体燃烧强化技术仍处于燃烧强化机理的研究阶段，虽有详细的实例测试研究，尚未达到成熟应用的程度。

等离子体对碳氢燃料点火延迟时间影响的研究中，冷等离子体被认为是最有效方法，并提出了高压纳秒脉冲放电等离子体的应用方法。但所用手段仅局限于超然冲压发动机燃烧室点火，以及减小点火延迟时间的研究。

基于拉瓦尔喷管的滑动弧放电等离子体发生器及其工作特性分析研究，指出拉瓦尔喷管滑动弧放电产生于一个立体空间，比以往刀型电极滑动电弧会产生更大的放电区域，研究不同流量工作气体条件下产生等离子体电弧的伏安特性，并强调了重点在工业废气、废液处理方面进行研究，没有涉及助燃的应用。

产生大气压非平衡等离子体点火装置，原理上给出了滑动弧助燃的可行性，通过拉瓦尔喷管和中心电极产生滑动弧来催化油气混和物，虽然实际工程应用中提出过这类点火装置的应用前景，目前还没有相关的设计方法和应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，用于各种燃烧设备的辅助点火和持续助燃，结构简单，装配容易实现，引燃迅速，助燃稳定。

本发明所采用的技术方案是：一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，包括压力气体管道、连接法兰盘、外壳体、旋流器、拉瓦尔喷管和中心电极管；压力气体管道连接气体进气通道，并通过分支管道与连接法兰盘连接，气体从气体进气通道进入；连接法兰盘安装在外壳体一端，拉瓦尔喷管安装在外壳体另一端，拉瓦尔喷管的收缩管端插入外壳体端口内；旋流器安装在外壳体内，使进入外壳体内的气流旋转；中心电极管插入连接法兰盘中心孔中并固定，一端穿过旋流器中心、插入拉瓦尔喷管中，另一端与燃料管相连；中心电极管在连接法兰盘外部的部分通过高压电源接头接电源阳极，拉瓦尔喷管接电源阴极；拉瓦尔喷管喷管口形成的燃烧火焰进入外接设备。

还包括锁紧接头、电极支撑套、电极固定套；电极支撑套、电极固定套固定在中心电极管上，电极支撑套安装在锁紧接头内，电极固定套安装在旋流器中心孔中；锁紧接头安装在连接法兰盘中心孔中，将电极支撑套固定。

还包括内筒；内筒安装在外壳体内，将旋流器压紧在外壳体内限位凸台上，内筒靠近连接法兰盘。

所述锁紧接头的中心孔带有内螺纹，锁紧接头头部与连接法兰盘之间安装密封垫圈。

所述电极支撑套为圆筒结构，带有外螺纹，与锁紧接头的内螺纹配合，电极支撑套为绝缘材料。

所述电极固定套为中心处有通孔的T形回转体，为绝缘材料。

所述中心电极管插入拉瓦尔喷管的一端端部的管壁上开有燃油雾化孔，另一端通过绝缘接管与燃料管相连，中心电极管为金属材料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用拉瓦尔喷管的形式产生滑动弧放电，在中心阳极和喷管壁之间形成一定能量的滑动电弧，电弧弧柱在放电区域对燃料催化充分，形成的混合气体引燃迅速，点火成功率高。

(2)本发明的助燃装置实现一定压力的气体通过喷管内腔，产生一定速度的气流，在电场的作用下形成一定频率的滑动弧放电，燃料通过中心电极的小孔喷射，油气比参数易于控制，装置结合了现有的流体控制技术，可以改善火焰结构，燃料燃烧充分，节能环保。

(3)本发明通过产生大气压非平衡等离子体对于燃料进行催化助燃，一方面均匀气流能够冷却中心电极，另一方面燃料的供应方式合理，燃料通过中心电极管的内腔流动，再从壁面上的小孔喷出雾化，燃料喷射也会带走电极上的热量，降低放电部件的温度，延长了装置的使用寿命。

(4)本发明通过助燃装置的标准化设计，对于不同功率的点火和燃料催化助燃应用，容易形成不同规格的配套产品，节约研制成本。

附图说明

图1为本发明产生大气压非平衡等离子体滑动弧放电装置示意图。

图2(a)为本发明锁紧接头结构正视图、图2(b)为本发明锁紧接头结构左视图。

图3(a)为本发明法兰盘结构示意图、图3(b)为本发明法兰盘结构剖视图。

图4(a)为本发明滑动弧放电装置外壳体结构剖视图，图4(b)为本发明滑动弧放电装置外壳体结构左视图。

图5(a)为本发明电极固定套的结构剖视图、图5(b)为本发明电极固定套的结构图。

图6(a)为本发明旋流器剖视图、图6(b)为本发明旋流器正视图、图6(c)为图6(b)中A-A为位置展开图、图6(d)为为图6(b)中B-B为位置展开图。

图7为本发明拉瓦尔喷管的结构剖视图。

图8(a)为本发明中心电极管的结构示意图，图8(b)为图8(a)中A-A位置放大图。

具体实施方式

如图1所示，一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，包括压力气体管道1、锁紧接头2、电极支撑套3、连接法兰盘4、外壳体6、内筒7、电极固定套8、旋流器9、拉瓦尔喷管13和中心电极管14，其中压力气体管道1两分支管道与连接法兰盘4焊接固定，大端连接气体进气通道，压力气体从气体进气通道进入，压力气体的压力取值范围为0.3～0.5MPa；连接法兰盘4通过螺栓5和密封圈与外壳体6相连，内筒7、旋流器9安装在外壳体6内，内筒7靠近连接法兰盘4，内筒7将旋流器9压紧在外壳体6内限位凸台上；中心电极管14插入连接法兰盘4中心孔中，电极支撑套3和电极固定套8通过涂胶手段固定于中心电极管14指定位置，其中电极支撑套3带有外螺纹，锁紧接头2安装在连接法兰盘4中心孔中，通过拧入锁紧接头2将电极支撑套3固定，进而完全固定中心电极金属管14；电极固定套8安装在旋流器9中心孔中，起支撑和轴向定位作用；拉瓦尔喷管13通过管壁上的法兰结构、螺栓12和密封圈11与外壳体6相连，拉瓦尔喷管13扩张管端位于火焰连接装置15内，火焰连接装置15通过螺栓11与外壳体6相连，使得拉瓦尔喷管13内产生的火焰进入火焰连接装置15内。

压力气体管道1两分支管道与连接法兰盘4焊接固定；另一端通过螺纹或者其他方式与压缩机或压力气罐的管道相连，为燃烧提供空气。

如图2(a)、图2(b)所示，锁紧接头2带有内螺纹，外部与连接法兰盘4的中心孔配合，为了防止漏气，锁紧接头2与连接法兰盘4之间安装密封垫圈。

电极支撑套3固定于中心电极金属管14上，带有外螺纹，与锁紧接头2配合，防止中心电极金属管14轴向移动，为绝缘材料。

如图3(a)、图3(b)所示，连接法兰盘4沿周向开有螺栓连接孔、中心孔两侧对称开有压力气体进气孔和用于中心电极管14插入的中心孔。

如图4(a)、图4(b)所示，外壳体6一端的法兰盘上开有螺栓连接孔，用于与连接法兰盘4通过螺栓5、10的连接；另一端法兰开有螺栓连接孔和螺纹孔，用于与火焰连接装置15和拉瓦尔喷管13的连接，通过螺栓5、10与火焰连接装置15连接；外壳体6内部装有旋流器9，用于空气的旋转，利于与燃料的混合。

内筒7，主要用于固定旋流器9；

如图5(a)、图5(b)所示，电极固定套8为中心处有通孔的T形回转体，用于中心电极管14定位和支撑，为绝缘材料；

如图6(a)、图6(b)、6(c)、图6(d)所示，旋流器9包括内外两层环形圈，两层环形圈之间通过叶片连接，用于使气流旋转，增强气体与而燃料混合；

如图7所示，拉瓦尔喷管13，作为放电的阴极，收缩管插入外壳体6端口内，并通过外壁的法兰结构、螺钉12固定在外壳体6端部，拉瓦尔喷管13与外壳体6端部通过密封圈11密封；在气流的吹动下，喉道和喷管内壁上持续形成滑动电弧放电。拉瓦尔喷管13与外壳体6通过螺钉连接，两者同为金属材料共同接电源的阴极，本实施例为接地；

如图8(a)、图8(b)所示，中心电极管14，金属材料，带内孔，插入拉瓦尔喷管13中心位置，一端端部的周边部分开有燃油雾化孔141，另一端通过绝缘接管16与燃料管17相连，其上固定有电极支撑套3和电极固定套8，中心电极管14在连接法兰盘4外部的部分通过高压电源接头15接高压电源作为阳极，高压电源的电压取值范围为10～15KV。燃料通过燃料管道17由经绝缘接管16进入中心电极管14，在拉瓦尔喷管13内部区域时由燃油雾化孔141喷出与旋转的空气充分混合，在滑动弧放电的作用下迅速燃烧。

螺栓5、10，密封圈11、螺钉12，均可选用标准件。

拉瓦尔喷管13通入助燃空气，在电极之间接通12KV电源，拉瓦尔喷管13喉部和中心电极管14之间形成强大的电场，空气在电场的作用下被击穿，形成等离子体电弧放电，在气流的推动下电弧向下游移动，弧长在渐扩型的拉瓦尔喷管13内壁逐渐增加，到一定长度时电弧被吹灭，同时在喉道处产生新的滑动电弧，滑动电弧的弧柱在气体混合区域产生催化反应进行燃烧，火焰由拉瓦尔喷管13喷出作用于外接装置。随着通气流量的不同，有不同的电弧击穿频率，喷管内形成连续气体催化。通过中心电极管14输送燃料，由小孔雾化在喷管扩张段形成可燃混合气体，在喷管口形成燃烧火焰，火焰区域可以利用助燃空气的大小，吹离喷管口。本发明采用中心电极管14作为燃料进口，一方面冷却电极延长使用寿命，一方面滑动弧的弧柱与雾化燃料的接触面积增大和接触时间延长，使燃料在等离子区域催化加强，起到减小点火延迟时间、强化燃烧的作用。本发明装置的部件以法兰连接密封安装，降低了加工难度，提高装配效率。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，其特征在于，包括压力气体管道(1)、连接法兰盘(4)、外壳体(6)、旋流器(9)、拉瓦尔喷管(13)和中心电极管(14)；压力气体管道(1)连接气体进气通道，压力气体管道(1)通过分支管道与连接法兰盘(4)连接，气体从气体进气通道进入；连接法兰盘(4)安装在外壳体(6)一端，拉瓦尔喷管(13)安装在外壳体(6)另一端，拉瓦尔喷管(13)的收缩管端插入外壳体(6)端口内；旋流器(9)安装在外壳体(6)内，使进入外壳体(6)内的气流旋转；中心电极管(14)插入连接法兰盘(4)中心孔中并固定，一端穿过旋流器(9)中心、插入拉瓦尔喷管(13)中，另一端与燃料管(17)相连；中心电极管(14)在连接法兰盘(4)外部的部分通过高压电源接头(15)接电源阳极，拉瓦尔喷管(13)接电源阴极；拉瓦尔喷管(13)喷管口形成的燃烧火焰进入外接设备；

还包括内筒(7)；内筒(7)安装在外壳体(6)内，将旋流器(9)压紧在外壳体(6)内限位凸台上，内筒(7)靠近连接法兰盘(4)；

所述中心电极管(14)插入拉瓦尔喷管(13)的一端端部的管壁上开有燃油雾化孔(141)，另一端通过绝缘接管(16)与燃料管(17)相连，中心电极管(14)为金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，其特征在于：还包括锁紧接头(2)、电极支撑套(3)、电极固定套(8)；电极支撑套(3)、电极固定套(8)固定在中心电极管(14)上，电极支撑套(3)安装在锁紧接头(2)内，电极固定套(8)安装在旋流器(9)中心孔中；锁紧接头(2)安装在连接法兰盘(4)中心孔中，将电极支撑套(3)固定。

3.根据权利要求2所述的一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，其特征在于：所述锁紧接头(2)的中心孔带有内螺纹，锁紧接头(2)头部与连接法兰盘(4)之间安装密封垫圈。

4.根据权利要求3所述的一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，其特征在于：所述电极支撑套(3)为圆筒结构，带有外螺纹，与锁紧接头(2)的内螺纹配合，电极支撑套(3)为绝缘材料。

5.根据权利要求4所述的一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧助燃装置，其特征在于：所述电极固定套(8)为中心处有通孔的T形回转体，为绝缘材料。