技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于低溫等離子體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別地涉及一種本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置。

背景技術(shù)：
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近年來，隨著低溫等離子體技術(shù)的發(fā)展，基于低溫等離子體的助燃技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。低溫態(tài)等離子體具有大量的活性粒子，在降低點火延遲，提高燃燒效率上具有重要的作用，低溫等離子體助燃技術(shù)也已成為各國學(xué)者研究的熱點問題之一。

然而，目前人們對低溫等離子體助燃機制的認(rèn)識仍不明確，非熱平衡態(tài)等離子體對燃燒特性的影響作用是一個極其復(fù)雜的理化過程，涉及電學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，導(dǎo)致目前尚無有效地利用等離子體對燃燒進行精準(zhǔn)調(diào)控的技術(shù)。國際上對于非熱平衡等離子體輔助燃燒的研究主要包括等離子體助燃裝置的設(shè)計、助燃效率及機理研究等方面。

根據(jù)不同應(yīng)用和研究需求，研究學(xué)者設(shè)計了不同的低溫等離子體輔助燃燒裝置，如印度的chintala等人采用了平板介質(zhì)阻擋放電電極結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了射頻等離子體。俄羅斯學(xué)者a.yu.starikovskii等人在噴嘴處設(shè)計了介質(zhì)阻擋放電發(fā)生裝置，利用納秒脈沖放電等離子體改善了火焰的傳播速度。目前等離子體助燃裝置設(shè)計的重點也是瓶頸是：(1)電源和高效、穩(wěn)定的等離子體的電極結(jié)構(gòu)的匹配。一般裝置產(chǎn)生的等離子體面積很小，能量較高的等離子體往往面臨溫度過高的問題，因此，在高壓環(huán)境下易發(fā)生弧光放電，而最前沿的裝置需要的微波源或納秒脈沖源又價格昂貴；(2)等離子體反應(yīng)器和燃燒器結(jié)構(gòu)的匹配。便于診斷的平板電極結(jié)構(gòu)難以作為燃燒器使用，而廣泛采用的中心電極結(jié)構(gòu)面臨著中心電極無法很好的固定，制作工藝復(fù)雜等弊端。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置，可產(chǎn)生層流的預(yù)混火焰和擴散火焰，并將高效率、低溫的等離子體作用于燃燒，明顯改善燃料的燃燒特性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置，包括底座、氣體緩沖單元和等離子體反應(yīng)單元；其中，

底座包括底板以及設(shè)置在底板上的地線接線柱；

氣體緩沖單元包括固定法蘭、法蘭帽和固定棒；

等離子體反應(yīng)單元包括外電極、內(nèi)電極和石英玻璃管；

固定法蘭的底部固定在底板中心處，其中心處自下而上開設(shè)有相連通的集氣腔室和階梯孔，固定法蘭的側(cè)壁上開設(shè)有與集氣腔室相連通的進氣口，石英玻璃管的底部固定在階梯孔處，頂部伸出至固定法蘭外，固定棒的底部固定在底板中心處，頂部不超過固定法蘭的集氣腔室，法蘭帽套裝在石英玻璃管上，且連接在固定法蘭頂部，內(nèi)電極的底部固定在固定棒的頂部，頂部不超過石英玻璃管頂部，外電極套裝在與內(nèi)電極相對的石英玻璃管上。

本發(fā)明進一步的改進在于，固定法蘭包括螺紋連接在一起且自下而上的第一固定法蘭和第二固定法蘭，且第一固定法蘭的中心處開設(shè)有相連通的集氣腔室和階梯孔。

本發(fā)明進一步的改進在于，內(nèi)電極采用不銹鋼制成的柱狀電極，且內(nèi)電極放電部分開設(shè)有50mm長的細(xì)牙螺紋。

本發(fā)明進一步的改進在于，內(nèi)電極上還套裝有多個同心塊，且每個同心塊與石英玻璃管的內(nèi)壁貼合。

本發(fā)明進一步的改進在于，同心塊采用金屬燒結(jié)濾芯制成。

本發(fā)明進一步的改進在于，外電極為不銹鋼網(wǎng)，其包裹在石英玻璃管的外壁上，其上下兩端分別通過固定鋁塊固定。

本發(fā)明進一步的改進在于，不銹鋼網(wǎng)的高度為50mm，石英玻璃管的外徑為12mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)電極的直徑為2mm，放電部分表面攻有50mm細(xì)牙螺紋，石英玻璃管內(nèi)等離子體的反應(yīng)長度為50mm，單邊放電間隙為3mm。

本發(fā)明進一步的改進在于，進氣口外端連接有φ8氣管軟，燃料氣體或預(yù)混氣體由此通入固定法蘭內(nèi)部的集氣腔室，充分混合后保證最終達(dá)到管口為層流氣體。

本發(fā)明進一步的改進在于，工作時，高壓電源的一端連接在外電極上，另一端接地，地線接線柱通過電阻rm接地。

本發(fā)明進一步的改進在于，還包括示波器、高壓探頭、高壓電源和電阻rm，其中，高壓探頭與示波器連接，且高壓探頭和地線接線柱通過電阻rm接地，高壓探頭的一端和高壓電源的一端連接在外電極上，高壓探頭的另一端和高壓電源的另一端接地，高壓探頭包括串聯(lián)的電阻r1和電阻r2以及串聯(lián)的電容c1和電容c2，串聯(lián)的電阻r1和電阻r2與串聯(lián)的電容c1和電容c2并聯(lián)設(shè)置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置，核心是由不銹鋼內(nèi)電極、不銹鋼網(wǎng)外電極和石英玻璃管阻擋介質(zhì)組成的放電單元?；谥行碾姌O的結(jié)構(gòu)，在不銹鋼網(wǎng)上加裝固定和均勻用鋁塊，在石英管內(nèi)部配置燒結(jié)金屬，保證了內(nèi)電極位于中心位置；法蘭內(nèi)部氣體充足的緩沖距離及集氣腔層流保證到達(dá)管口為混合均勻的層流氣體，提高燃燒的穩(wěn)定性；裝置材料以不銹鋼為主，可靠耐用，便于攜帶，且考慮到實驗操作時石英管可能出現(xiàn)破碎、污穢的情況，所述的石英管和不銹鋼電極皆可更換。

本發(fā)明提供的本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置，在常溫常壓下工作，不需要成本昂貴的真空設(shè)備，等離子體源選擇高頻交流源；放電單元能夠產(chǎn)生高效率、均勻且富含活性成份的低溫等離子體，產(chǎn)生的活性粒子能夠參與燃燒中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進程，從而促進燃燒。

進一步，本發(fā)明適用于單純甲烷等燃料氣體或預(yù)混氣體，分別對應(yīng)于擴散燃燒和預(yù)混燃燒，也可以加入適量惰性氣體，如氬氣、氦氣等氣體，增加等離子體活性粒子的種類，進而產(chǎn)生新的反應(yīng)途徑。

進一步，本發(fā)明提供的本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置放電產(chǎn)生的低溫等離子體對火焰燃燒有明顯增強效果，能提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟?。尤其是在稀薄燃燒條件下，低溫等離子體作用會生成更多的含氧活性粒子促進燃燒，其助燃效果更為顯著。

進一步，為了解決中心電極無法很好固定的問題，內(nèi)電極與石英玻璃管之間安裝有兩塊同心塊，同心塊采用金屬燒結(jié)濾芯制成，起到定心和防回火的作用。

進一步，為了產(chǎn)生密集、均勻的絲狀放電，不銹鋼內(nèi)電極放電部分開設(shè)有50mm長的細(xì)牙螺紋。

進一步，為獲得高效率、低溫的等離子體，不銹鋼網(wǎng)的高度為50mm，在不銹鋼網(wǎng)邊緣安裝了兩個固定鋁塊，不僅固定了不銹鋼網(wǎng)，也起到均勻電場的作用；石英玻璃管外徑為12mm，內(nèi)徑為8mm，不銹鋼內(nèi)電極直徑為2mm，放電部分表面攻有50mm細(xì)牙螺紋，以產(chǎn)生密集、均勻的絲狀放電。

進一步，采用中心電極的結(jié)構(gòu)便于燃燒，為了解決中心電極無法很好固定的問題，不銹鋼內(nèi)電極與石英管之間裝有兩塊同心塊。不銹鋼內(nèi)電極可向下調(diào)節(jié)0～10mm，石英玻璃管管口與內(nèi)電極的距離可在30～40mm之間調(diào)節(jié)，既保證放電區(qū)與燃燒區(qū)互不干擾，又保證了等離子體中的活性粒子能夠促進燃燒中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進程。

附圖說明：

圖1a為本發(fā)明本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b為圖1a的a-a向剖視圖；圖1c為圖1a的俯視圖；圖1d為圖1b的b處局部視圖。

圖2為本發(fā)明本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置的接線圖。

圖中：1-底板，2-地線接線柱，3-固定法蘭，301-第一固定法蘭，302-第二固定法蘭，4-法蘭帽，5-固定棒，6-石英玻璃管，7-進氣口，8-內(nèi)電極，9-同心塊，10-固定鋁塊，11-示波器，12-高壓探頭，13-高壓電源。

具體實施方式：

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，以更好地理解本發(fā)明的功能、特點。

如圖1a至圖1d，本發(fā)明提供的一種本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置，包括底座、氣體緩沖單元和等離子體反應(yīng)單元；其中，底座包括底板1以及設(shè)置在底板上的地線接線柱2；氣體緩沖單元包括固定法蘭3、法蘭帽4和固定棒5；等離子體反應(yīng)單元包括外電極、內(nèi)電極8和石英玻璃管6；固定法蘭3的底部固定在底板1中心處，其中心處自下而上開設(shè)有相連通的集氣腔室和階梯孔，固定法蘭3的側(cè)壁上開設(shè)有與集氣腔室相連通的進氣口7，石英玻璃管6的底部固定在階梯孔處，頂部伸出至固定法蘭3外，固定棒5的底部固定在底板1中心處，頂部不超過固定法蘭3的集氣腔室，法蘭帽4套裝在石英玻璃管6上，且連接在固定法蘭3頂部，內(nèi)電極8的底部固定在固定棒5的頂部，頂部不超過石英玻璃管6頂部，外電極套裝在與內(nèi)電極8相對的石英玻璃管6上。石英玻璃管6用作絕緣阻擋介質(zhì)。

其中，固定法蘭3包括螺紋連接在一起且自下而上的第一固定法蘭301和第二固定法蘭302，且第一固定法蘭301的中心處開設(shè)有相連通的集氣腔室和階梯孔。內(nèi)電極8采用不銹鋼制成的柱狀電極。

為了保證裝置的氣密性，第一固定法蘭301與第二固定法蘭302銜接處以及第二固定法蘭302與法蘭帽4銜接處均設(shè)置有密封圈。

為了解決中心電極無法很好固定的問題，內(nèi)電極8與石英玻璃管6之間安裝有兩塊同心塊9，同心塊9采用金屬燒結(jié)濾芯制成，起到定心和防回火的作用，以保證內(nèi)電極8在石英玻璃管6中心。為了產(chǎn)生密集、均勻的絲狀放電，不銹鋼內(nèi)電極放電部分開設(shè)有50mm長的細(xì)牙螺紋。內(nèi)電極8與氣體緩沖單元中的固定棒5以螺紋銜接，內(nèi)電極8可向下調(diào)節(jié)0～10mm，調(diào)節(jié)前需拿下石英玻璃管6，其中，固定棒5的直徑為5mm。石英玻璃管6比內(nèi)電極8高出30～40mm。

優(yōu)選的，外電極為不銹鋼網(wǎng)，其包裹在石英玻璃管6的外壁上，其上下兩端分別通過固定鋁塊10固定。其中，不銹鋼網(wǎng)的高度為50mm，石英玻璃管6的外徑為12mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)電極8的直徑為2mm，放電部分表面攻有50mm細(xì)牙螺紋，石英玻璃管6內(nèi)等離子體的反應(yīng)長度為50mm，單邊放電間隙為3mm。

優(yōu)選的，進氣口7外端連接有φ8氣管軟，燃料氣體或預(yù)混氣體由此通入固定法蘭3內(nèi)部的集氣腔室，充分混合后保證最終達(dá)到管口為層流氣體。

此外，本發(fā)明還包括示波器11、高壓探頭12、高壓電源13和電阻rm，其中，高壓探頭12與示波器連接，且高壓探頭12和地線接線柱2通過電阻rm接地，高壓探頭12的一端和高壓電源13的一端連接在外電極上，高壓探頭12的另一端和高壓電源13的另一端接地，高壓探頭12包括串聯(lián)的電阻r1和電阻r2以及串聯(lián)的電容c1和電容c2，串聯(lián)的電阻r1和電阻r2與串聯(lián)的電容c1和電容c2并聯(lián)設(shè)置。

本發(fā)明反應(yīng)器材料以不銹鋼為主，各部件之間可拆卸，便于維護和更換。實驗操作時可將除底座之外的部分拆下，首先調(diào)節(jié)不銹鋼內(nèi)電極8，兩者以螺紋鏈接，可向下調(diào)節(jié)10mm。確定內(nèi)電極8高度后，依次安裝第一固定法蘭301、第二固定法蘭302，接著放置石英玻璃管6后，再安裝法蘭帽4固定。此時，不銹鋼內(nèi)電極與石英玻璃管6的管口距離為30～40mm，保證燃燒時高溫不會破壞放電的穩(wěn)定性，而等離子體中的活性粒子又不至于猝滅，能夠參與燃燒并促進鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率。

本發(fā)明提供的本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置的電路連接圖如圖2所示，進氣口與φ8氣管軟連接，純甲烷等燃料氣體或預(yù)混氣體由此通入固定法蘭3內(nèi)部的集氣腔室，充分混合后保證最終達(dá)到管口為層流氣體。電源為用于產(chǎn)生低溫等離子體的高壓高頻交流電源，等離子體產(chǎn)生于長度為50mm，單邊放電間隙為3mm的環(huán)形柱狀區(qū)域。放電時，在不銹鋼網(wǎng)邊緣的兩個固定鋁塊相當(dāng)于兩個均壓環(huán)，具有均勻電場的作用；不銹鋼內(nèi)電極放電部分表面攻有50mm細(xì)牙螺紋，以產(chǎn)生密集、均勻的絲狀放電。本發(fā)明與串聯(lián)的高壓探頭12和接地電阻rm并聯(lián)，高壓探頭12引出線接示波器11即可獲得放電電壓電流波形。

放電開始時絲狀通道逐漸產(chǎn)生，隨著電壓的升高，等離子體均勻分布在整個環(huán)形柱狀區(qū)域；提高氣體流速，有利于形成穩(wěn)定的類輝光放電。根據(jù)實際需求，可通過調(diào)節(jié)氣流速度，調(diào)節(jié)電源電壓大小和頻率不同調(diào)節(jié)等離子體中的活性粒子成份，獲得放電均勻穩(wěn)定、高效率的低溫等離子體。

本發(fā)明提供的本生燈式低溫等離子體輔助燃燒裝置主要采用不銹鋼材料，運用可拆裝的設(shè)計理念，便于使用與后期維護。工作環(huán)境為常溫常壓，不需要成本昂貴的真空設(shè)備，適用于單純甲烷等燃料氣體或預(yù)混氣體，分別對應(yīng)于擴散燃燒和預(yù)混燃燒。放電產(chǎn)生的低溫等離子體對燃燒有明顯增強效果，能提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟?。尤其是在稀薄燃燒條件下，低溫等離子體作用會生成更多的含氧活性粒子促進燃燒，其助燃效果更為顯著。

以上所述，僅為本發(fā)明的實施案例，但本發(fā)明的保護不僅僅局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，尤其是采用中心電極的介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以移植或者改變，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。