CN112377341A - 一种基于表面波模式的微波等离子体助燃装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，包括微波源(1)、表面波等离子体发生器(6)、进气系统(7)、助燃系统(10)，所述表面波等离子体发生器(6)上设置有金属管(18)；所述助燃系统(10)包括放电腔室(9)、燃烧室(11)，所述放电腔室(9)一端伸入到金属管(18)内，另一端伸入到燃烧室(11)内；所述放电腔室(9)包括同轴嵌套在一起的内管和外管，本发明不仅解决了微波谐振等离子体助燃技术对燃烧室尺寸和形状的限定问题，而且能够改善表面波等离子体在助燃过程中的放电稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，属于低温等离子体助燃技术领域。
背景技术
目前，世界上大部分的能量来自于燃烧方式。随着雾霾、气候变化等环境问题和能源问题的愈加严峻，世界各国对节能减排的需求变得尤为紧迫。然而，燃气轮机、内燃机等燃烧系统都普遍存在着能量转化效率偏低和污染物排放较大的客观问题，其中一个重要因素是燃烧火焰的温度偏高。高温燃烧导致燃烧系统的热损耗增大，并且会促进氮氧化物的生成。于是通过降低燃空当量比来实现贫燃料的低温燃烧成为了一种主流燃烧技术，但是它也带来了燃烧不稳定和熄火等严重问题。传统的燃烧技术已经很难实现贫燃料的低温燃烧。研究表明低温等离子体所产生的热效应、动力学效应和输运效应能够缩短点火延迟时间、拓宽可燃极限、提高燃烧效率和稳定性等诸多优势。以微波方式激励产生的低温等离子体由于无需驱动电极、能量密度大、活性粒子密度高等优点有望成为了一种新型的辅助燃烧技术。公开号CN103982917A专利提出了通过在谐振腔内设置多个电场畸变导体来实现燃烧室内多点点火的一种微波等离子体助燃装置。公开号CN102080619B专利介绍了一种用于发动机的微波谐振等离子体点火装置。然而，这些技术方案都对燃烧室的几何尺寸和形状有特定的要求，使得特定频率的微波在燃烧室内能够发生谐振。以表面波模式激励的微波等离子体具有射流的形态特征，但又不同于传统的大气压子弹型射流，表面波等离子体射流在空间和时间上都呈现连续性。因此，表面波等离子体助燃既不需要限定燃烧室的几何尺寸和形状，又能够将微波放电产生在燃烧室内从而保证等离子体助燃的效率。公开号CN104314692A专利提出了一种利用特定金属启动器在超燃冲压发动机中实现表面波等离子体点火的装置，但是金属长针易受到等离子体或是燃烧过程的侵蚀从而影响其使用寿命。此外，由于表面波等离子体需要满足一定的电子密度阈值，所以载气大多以惰性气体为主。当载气中加入少量的可燃气体、氧气或空气等分子气体时，表面波等离子体很容易出现不稳定甚至是熄灭。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种稳定的且无电极的基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，本发明不仅解决了微波谐振等离子体助燃技术对燃烧室尺寸和形状的限定问题，而且能够改善表面波等离子体在助燃过程中的放电稳定性和使用寿命。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，包括微波源、表面波等离子体发生器、进气系统、助燃系统，其中：
所述微波源与表面波等离子体发生器相连接；
所述进气系统包括惰性气体气源、气体阀门二、分子气体气源、气体阀门一，所述惰性气体气源、气体阀门二通过管路连接，所述分子气体气源、气体阀门一通过管路连接；
所述表面波等离子体发生器上设置有金属管；
所述助燃系统包括放电腔室、燃烧室，所述放电腔室一端伸入到金属管内，另一端伸入到燃烧室内；
所述放电腔室与金属管之间设置有密封件，所述放电腔室与燃烧室之间设置有O型密封圈；
所述放电腔室包括同轴嵌套在一起的内管和外管，内管和外管之间存在有间隙，所述内管的上下两端都是开口端，上端为内管进气口，下端为内管出气口；所述内管上端为封闭端，且所述内管上开设有外管进气口，下端为外管出气口，所述内管出气口位于外管出气口内，所述气体阀门二与内管进气口连接，所述气体阀门一与外管进气口连接。
优选的：包括环形器、定向耦合器、波导管，所述微波源、环形器、定向耦合器、波导管、表面波等离子体发生器依次连接。
优选的：所述发生器的末端设置有可移动金属挡板，用于调节表面波放电的阻抗特性。
优选的：所述金属管相背离燃烧室的一端是封闭的，即在所述金属管相背离燃烧室的一侧设置有金属板，设置有与放电腔室对应位置的进气口。
优选的：所述气体阀门二与内管进气口连接的管路上设置有流量计二，所述气体阀门一与外管进气口连接的管路上设置有流量计一。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明采用了同轴结构的放电腔室以及相应的进气系统，这不仅保证了表面波等离子体放电的稳定性，而且流经同轴管间隙的气流能够对内管起到冷却作用，也能够加热气流中的分子从而提高其化学反应活性。本发明将放电腔室的开口端延伸到燃烧室内实现助燃功能，这不仅提高了装置在实际使用中的寿命和灵活性，能够适应不同的助燃应用场景，而且保证助燃中活性粒子的浓度。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意框图；
图2为本发明的放电腔室和助燃系统结构示意图。
其中：1.微波源；2.环形器和水负载；3.定向耦合器和功率计；4.三销钉；5.波导管；6.表面波等离子体发生器；7.进气系统；8.可移动挡板；9.放电腔室；10.助燃系统；11.燃烧室；12.分子气体气源；13.惰性气体气源；14.气体阀门1；15.气体阀门2；16.流量计1；17.流量计2；18.金属管；19.进气口1；20.进气口2；21.密封材料；22.O型密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，如图1、2所示，包括微波源1、环形器和水负载2、定向耦合器和功率计3、波导管5、表面波等离子体发生器6、进气系统7、可移动金属挡板8、助燃系统10，所述微波源1、环形器和水负载2、定向耦合器和功率计3、波导管5、表面波等离子体发生器6依次连接，所述微波源1的频率为2.45GHz，工作模式可以是连续、脉冲和正弦方式中的任一种。所述波导管5可以根据实际应用情况选择矩形直波导、圆弧弯波导和矩形扭波导中的任一种，本实施例中表面波等离子体发生器6采用矩形波导结构。所述定向耦合器和功率计3、波导管5之间设置有三销钉4。
进气系统7是由两个独立的气路组成，一路是在放电腔室的外管进气口中通入分子气体，另一路是在内管的进气口中通入惰性气体，从而保证在内管中表面波等离子体的稳定性，所述进气系统7包括惰性气体气源13、气体阀门二15、流量计二17、分子气体气源12、气体阀门一14、流量计一16，所述惰性气体气源13、气体阀门二15、流量计二17通过管路依次连接，所述分子气体气源12、气体阀门一14、流量计一16通过管路依次连接，所述助燃系统10包括放电腔室9、燃烧室11。惰性气体气源13可以是氩气。分子气体气源12可以是烷烃、空气、氧气和水蒸气以及它们的混合气体中的任一种。这样可以保证内管中表面波等离子体放电的稳定性。
所述表面波等离子体发生器6上设置有金属管18，所述金属管18的侧壁上设置有开口，所述表面波等离子体发生器6通过开口与金属管18连接在一起，所述放电腔室9一端伸入到金属管18内，另一端伸入到燃烧室11内，即将放电腔室9开口端的一侧延伸至燃烧室11内，放电腔室的延伸长度视具体情况进行设置，放电腔室的外管端口位置相对内管端口位置凸出，这使得表面波等离子体射流与外管中分子气体能够发生相互作用，从而能够保证外管中的气体与喷出管口的表面波等离子体射流能够发生充分的相互作用。所述表面波等离子体发生器6可以紧贴着燃烧室11的外壁，从而保证燃烧室内的等离子体具有较高的电子密度和温度。金属管18相背离燃烧室的一端是封闭的，即所述金属管18相背离燃烧室11的一侧设置有金属板，减少能量散失。
所述放电腔室9与金属管18之间设置有密封件21，所述放电腔室9与燃烧室11之间设置有O型密封圈22，即放电腔室可以穿过金属管18两侧的两个圆孔(通孔和调节口)，并由密封O圈进行密封。金属管的轴线与两个圆孔的圆心连线是重合的。所述金属管的内径大于放电腔室的外径，用于包裹放电腔室，两者之间的缝隙使用密封材料进行密封。
所述发生器6的末端设置有可移动金属挡板8，用于调节表面波放电的阻抗特性接。可移动金属挡板8是用于改变等离子体放电系统的特征阻抗，从而使等离子体的吸收能量达到最大值。
所述放电腔室9包括同轴嵌套在一起的内管和外管，放电腔室的内管的内径在0-10mm范围内。内管和外管之间存在有间隙，间隙中的气流不仅可以对内管起到冷却保护作用，也可以加热分子气体来提高其化学反应活性，起到节能的作用。所述内管的上下两端都是开口端，上端为内管进气口19，下端为内管出气口。所述内管上端为封闭端，且所述内管上开设有外管进气口20，下端为外管出气口，用于向间隙中通入气体，所述内管出气口位于外管出气口内。所述放电腔室9的材料选用耐高温、耐腐蚀且无极性的绝缘陶瓷材料或者石英，不能吸收微波，表面波等离子体只在所述放电腔室的内管中产生。所述金属管上开设有与内管进气口、外管进气口一一对应的通孔，能将所述流量计二17与内管进气口通过管道连接，流量计一16与外管进气口通过管道连接。
操作时，首先打开惰性气体气源13的阀门二15和流量计二17，将惰性气体注入到放电腔室9的内管中，然后通过外部点火方式给内管中提供种子电子，再打开微波源1输入电磁波。通过表面波等离子体发生器6将微波能量耦合到气体中形成表面波等离子体放电，再打开分子气体气源12的阀门一14和流量计一16，将可燃性预混气体通入到放电腔室的间隙中，与端口处的等离子体射流发生相互作用，产生活性基团来辅助燃烧。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：包括微波源(1)、表面波等离子体发生器(6)、进气系统(7)、助燃系统(10)，其中：
所述微波源(1)与表面波等离子体发生器(6)相连接；
所述进气系统(7)包括惰性气体气源(13)、气体阀门二(15)、分子气体气源(12)、气体阀门一(14)，所述惰性气体气源(13)、气体阀门二(15)通过管路连接，所述分子气体气源(12)、气体阀门一(14)通过管路连接；
所述表面波等离子体发生器(6)上设置有金属管(18)；
所述助燃系统(10)包括放电腔室(9)、燃烧室(11)，所述放电腔室(9)一端伸入到金属管(18)内，另一端伸入到燃烧室(11)内；
所述放电腔室(9)与金属管(18)之间设置有密封件(21)，所述放电腔室(9)与燃烧室(11)之间设置有O型密封圈(22)；
所述放电腔室(9)包括同轴嵌套在一起的内管和外管，内管和外管之间存在有间隙，所述内管的上下两端都是开口端，上端为内管进气口(19)，下端为内管出气口；所述内管上端为封闭端，且所述内管上开设有外管进气口(20)，下端为外管出气口，所述内管出气口位于外管出气口内，所述气体阀门二(15)与内管进气口(19)连接，所述气体阀门一(14)与外管进气口(20)连接。
2.根据权利要求1所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：包括环形器(2)、定向耦合器(3)、波导管(5)，所述微波源(1)、环形器(2)、定向耦合器(3)、波导管(5)、表面波等离子体发生器(6)依次连接。
3.根据权利要求2所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：所述发生器(6)的末端设置有可移动金属挡板(8)，用于调节表面波放电的阻抗特性。
4.根据权利要求3所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：所述金属管(18)相背离燃烧室(11)的一侧设置有金属板。
5.根据权利要求4所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：所述气体阀门二(15)与内管进气口(19)连接的管路上设置有流量计二(17)，所述气体阀门一(14)与外管进气口(20)连接的管路上设置有流量计一(16)。
6.根据权利要求5所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：内管的内径在0-10mm范围内。
7.根据权利要求6所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：所述表面波等离子体发生器(6)紧贴着燃烧室(11)的外壁。
8.根据权利要求7所述基于表面波模式的微波等离子体助燃装置，其特征在于：所述放电腔室(9)的材料选用耐高温、耐腐蚀且无极性的绝缘陶瓷材料或者石英。
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