一種產生大氣壓非平衡等離子體的滑動弧助燃裝置的製作方法

2024-03-25 01:11:05 2

本發明涉及一種助燃裝置，屬於燃燒化工裝備領域。

背景技術：

據等離子體的粒子溫度，等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體，人類通過控制手段和科學方法，可以產生並大量利用於工農業生產的多為低溫等離子體。根據電弧區域的熱力學平衡特性，低溫等離子體可以分為熱等離子體和冷等離子體。冷等離子體是一種非熱平衡等離子體，電子溫度遠遠高於離子溫度，離子溫度又遠遠高於中性粒子的溫度。從已有的文獻來看，產生非平衡等離子體的方法主要有介質阻擋放電、高壓脈衝電暈放電、高壓輝光放電、射頻放電、微波放電等等，滑動弧放電方式，也是產生大氣壓非平衡等離子體的主要方法之一。

20世紀90年代初，法國人首先提出用滑動弧放電產生大氣壓非平衡等離子體的概念，並做了許多開創性的工作，隨後國內外科技工作者，對這種滑動電弧等離子體，應用於較大氣流量，做成等離子體矩，在化工行業和環境工程應用方面做了大量的理論和試驗性研究。研究發現，冷等離子體能夠以很小的能量把原本主要用於加熱和低能振動的能量，通過電子碰撞轉移到分子分解、激發甚至電離上，產生大量的活性基，極大的加速了化學反應速度，這種低溫等離子體，被認為同時具有平衡性和非平衡性，有平衡性，代表有足夠的能量水平，從而保證較大的能量應用，具有非平衡性，可以維持宏觀溫度較低，同時通過產生電子以及激發的離子、原子和分子，促進化學反應的進行，實現很高的化學反應效率。發動機點火，就是燃料流從非反應狀態到強烈放熱反應狀態的過渡過程，是發動機工作最基本的前提條件。

在超聲速燃燒和稀薄燃燒技術領域，非平衡等離子體燃燒強化的研究中發現，非平衡等離子體點火方式比火花塞點火更具有應用潛力，比較完善的解決方案就是脈衝電暈點火方式。但目前階段，非平衡等離子體燃燒強化技術仍處於燃燒強化機理的研究階段，雖有詳細的實例測試研究，尚未達到成熟應用的程度。

等離子體對碳氫燃料點火延遲時間影響的研究中，冷等離子體被認為是最有效方法，並提出了高壓納秒脈衝放電等離子體的應用方法。但所用手段僅局限於超然衝壓發動機燃燒室點火，以及減小點火延遲時間的研究。

基於拉瓦爾噴管的滑動弧放電等離子體發生器及其工作特性分析研究，指出拉瓦爾噴管滑動弧放電產生於一個立體空間，比以往刀型電極滑動電弧會產生更大的放電區域，研究不同流量工作氣體條件下產生等離子體電弧的伏安特性，並強調了重點在工業廢氣、廢液處理方面進行研究，沒有涉及助燃的應用。

產生大氣壓非平衡等離子體點火裝置，原理上給出了滑動弧助燃的可行性，通過拉瓦爾噴管和中心電極產生滑動弧來催化油氣混和物，雖然實際工程應用中提出過這類點火裝置的應用前景，目前還沒有相關的設計方法和應用。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，本發明提供一種產生大氣壓非平衡等離子體的滑動弧助燃裝置，用於各種燃燒設備的輔助點火和持續助燃，結構簡單，裝配容易實現，引燃迅速，助燃穩定。

本發明所採用的技術方案是：一種產生大氣壓非平衡等離子體的滑動弧助燃裝置，包括壓力氣體管道、連接法蘭盤、外殼體、旋流器、拉瓦爾噴管和中心電極管；壓力氣體管道連接氣體進氣通道，並通過分支管道與連接法蘭盤連接，氣體從氣體進氣通道進入；連接法蘭盤安裝在外殼體一端，拉瓦爾噴管安裝在外殼體另一端，拉瓦爾噴管的收縮管端插入外殼體埠內；旋流器安裝在外殼體內，使進入外殼體內的氣流旋轉；中心電極管插入連接法蘭盤中心孔中並固定，一端穿過旋流器中心、插入拉瓦爾噴管中，另一端與燃料管相連；中心電極管在連接法蘭盤外部的部分通過高壓電源接頭接電源陽極，拉瓦爾噴管接電源陰極；拉瓦爾噴管噴管口形成的燃燒火焰進入外接設備。

還包括鎖緊接頭、電極支撐套、電極固定套；電極支撐套、電極固定套固定在中心電極管上，電極支撐套安裝在鎖緊接頭內，電極固定套安裝在旋流器中心孔中；鎖緊接頭安裝在連接法蘭盤中心孔中，將電極支撐套固定。

還包括內筒；內筒安裝在外殼體內，將旋流器壓緊在外殼體內限位凸臺上，內筒靠近連接法蘭盤。

所述鎖緊接頭的中心孔帶有內螺紋，鎖緊接頭頭部與連接法蘭盤之間安裝密封墊圈。

所述電極支撐套為圓筒結構，帶有外螺紋，與鎖緊接頭的內螺紋配合，電極支撐套為絕緣材料。

所述電極固定套為中心處有通孔的t形迴轉體，為絕緣材料。

所述中心電極管插入拉瓦爾噴管的一端端部的管壁上開有燃油霧化孔，另一端通過絕緣接管與燃料管相連，中心電極管為金屬材料。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)本發明採用拉瓦爾噴管的形式產生滑動弧放電，在中心陽極和噴管壁之間形成一定能量的滑動電弧，電弧弧柱在放電區域對燃料催化充分，形成的混合氣體引燃迅速，點火成功率高。

(2)本發明的助燃裝置實現一定壓力的氣體通過噴管內腔，產生一定速度的氣流，在電場的作用下形成一定頻率的滑動弧放電，燃料通過中心電極的小孔噴射，油氣比參數易於控制，裝置結合了現有的流體控制技術，可以改善火焰結構，燃料燃燒充分，節能環保。

(3)本發明通過產生大氣壓非平衡等離子體對於燃料進行催化助燃，一方面均勻氣流能夠冷卻中心電極，另一方面燃料的供應方式合理，燃料通過中心電極管的內腔流動，再從壁面上的小孔噴出霧化，燃料噴射也會帶走電極上的熱量，降低放電部件的溫度，延長了裝置的使用壽命。

(4)本發明通過助燃裝置的標準化設計，對於不同功率的點火和燃料催化助燃應用，容易形成不同規格的配套產品，節約研製成本。

附圖說明

圖1為本發明產生大氣壓非平衡等離子體滑動弧放電裝置示意圖。

圖2(a)為本發明鎖緊接頭結構正視圖、圖2(b)為本發明鎖緊接頭結構左視圖。

圖3(a)為本發明法蘭盤結構示意圖、圖3(b)為本發明法蘭盤結構剖視圖。

圖4(a)為本發明滑動弧放電裝置外殼體結構剖視圖，圖4(b)為本發明滑動弧放電裝置外殼體結構左視圖。

圖5(a)為本發明電極固定套的結構剖視圖、圖5(b)為本發明電極固定套的結構圖。

圖6(a)為本發明旋流器剖視圖、圖6(b)為本發明旋流器正視圖、圖6(c)為圖6(b)中a-a為位置展開圖、圖6(d)為為圖6(b)中b-b為位置展開圖。

圖7為本發明拉瓦爾噴管的結構剖視圖。

圖8(a)為本發明中心電極管的結構示意圖，圖8(b)為圖8(a)中a-a位置放大圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種產生大氣壓非平衡等離子體的滑動弧助燃裝置，包括壓力氣體管道1、鎖緊接頭2、電極支撐套3、連接法蘭盤4、外殼體6、內筒7、電極固定套8、旋流器9、拉瓦爾噴管13和中心電極管14，其中壓力氣體管道1兩分支管道與連接法蘭盤4焊接固定，大端連接氣體進氣通道，壓力氣體從氣體進氣通道進入，壓力氣體的壓力取值範圍為0.3～0.5mpa；連接法蘭盤4通過螺栓5和密封圈與外殼體6相連，內筒7、旋流器9安裝在外殼體6內，內筒7靠近連接法蘭盤4，內筒7將旋流器9壓緊在外殼體6內限位凸臺上；中心電極管14插入連接法蘭盤4中心孔中，電極支撐套3和電極固定套8通過塗膠手段固定於中心電極管14指定位置，其中電極支撐套3帶有外螺紋，鎖緊接頭2安裝在連接法蘭盤4中心孔中，通過擰入鎖緊接頭2將電極支撐套3固定，進而完全固定中心電極金屬管14；電極固定套8安裝在旋流器9中心孔中，起支撐和軸向定位作用；拉瓦爾噴管13通過管壁上的法蘭結構、螺栓12和密封圈11與外殼體6相連，拉瓦爾噴管13擴張管端位於火焰連接裝置15內，火焰連接裝置15通過螺栓11與外殼體6相連，使得拉瓦爾噴管13內產生的火焰進入火焰連接裝置15內。

壓力氣體管道1兩分支管道與連接法蘭盤4焊接固定；另一端通過螺紋或者其他方式與壓縮機或壓力氣罐的管道相連，為燃燒提供空氣。

如圖2(a)、圖2(b)所示，鎖緊接頭2帶有內螺紋，外部與連接法蘭盤4的中心孔配合，為了防止漏氣，鎖緊接頭2與連接法蘭盤4之間安裝密封墊圈。

電極支撐套3固定於中心電極金屬管14上，帶有外螺紋，與鎖緊接頭2配合，防止中心電極金屬管14軸向移動，為絕緣材料。

如圖3(a)、圖3(b)所示，連接法蘭盤4沿周向開有螺栓連接孔、中心孔兩側對稱開有壓力氣體進氣孔和用於中心電極管14插入的中心孔。

如圖4(a)、圖4(b)所示，外殼體6一端的法蘭盤上開有螺栓連接孔，用於與連接法蘭盤4通過螺栓5、10的連接；另一端法蘭開有螺栓連接孔和螺紋孔，用於與火焰連接裝置15和拉瓦爾噴管13的連接，通過螺栓5、10與火焰連接裝置15連接；外殼體6內部裝有旋流器9，用於空氣的旋轉，利於與燃料的混合。

內筒7，主要用於固定旋流器9；

如圖5(a)、圖5(b)所示，電極固定套8為中心處有通孔的t形迴轉體，用於中心電極管14定位和支撐，為絕緣材料；

如圖6(a)、圖6(b)、6(c)、圖6(d)所示，旋流器9包括內外兩層環形圈，兩層環形圈之間通過葉片連接，用於使氣流旋轉，增強氣體與而燃料混合；

如圖7所示，拉瓦爾噴管13，作為放電的陰極，收縮管插入外殼體6埠內，並通過外壁的法蘭結構、螺釘12固定在外殼體6端部，拉瓦爾噴管13與外殼體6端部通過密封圈11密封；在氣流的吹動下，喉道和噴管內壁上持續形成滑動電弧放電。拉瓦爾噴管13與外殼體6通過螺釘連接，兩者同為金屬材料共同接電源的陰極，本實施例為接地；

如圖8(a)、圖8(b)所示，中心電極管14，金屬材料，帶內孔，插入拉瓦爾噴管13中心位置，一端端部的周邊部分開有燃油霧化孔141，另一端通過絕緣接管16與燃料管17相連，其上固定有電極支撐套3和電極固定套8，中心電極管14在連接法蘭盤4外部的部分通過高壓電源接頭15接高壓電源作為陽極，高壓電源的電壓取值範圍為10～15kv。燃料通過燃料管道17由經絕緣接管16進入中心電極管14，在拉瓦爾噴管13內部區域時由燃油霧化孔141噴出與旋轉的空氣充分混合，在滑動弧放電的作用下迅速燃燒。

螺栓5、10，密封圈11、螺釘12，均可選用標準件。

拉瓦爾噴管13通入助燃空氣，在電極之間接通12kv電源，拉瓦爾噴管13喉部和中心電極管14之間形成強大的電場，空氣在電場的作用下被擊穿，形成等離子體電弧放電，在氣流的推動下電弧向下遊移動，弧長在漸擴型的拉瓦爾噴管13內壁逐漸增加，到一定長度時電弧被吹滅，同時在喉道處產生新的滑動電弧，滑動電弧的弧柱在氣體混合區域產生催化反應進行燃燒，火焰由拉瓦爾噴管13噴出作用於外接裝置。隨著通氣流量的不同，有不同的電弧擊穿頻率，噴管內形成連續氣體催化。通過中心電極管14輸送燃料，由小孔霧化在噴管擴張段形成可燃混合氣體，在噴管口形成燃燒火焰，火焰區域可以利用助燃空氣的大小，吹離噴管口。本發明採用中心電極管14作為燃料進口，一方面冷卻電極延長使用壽命，一方面滑動弧的弧柱與霧化燃料的接觸面積增大和接觸時間延長，使燃料在等離子區域催化加強，起到減小點火延遲時間、強化燃燒的作用。本發明裝置的部件以法蘭連接密封安裝，降低了加工難度，提高裝配效率。

本發明未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知技術。