專利名稱：介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及先進(jìn)燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種提高氣體燃料燃燒效率及燃燒穩(wěn)定性的助燃裝置，可用于航空、化工、發(fā)電、冶金等行業(yè)。特別地涉及一種介質(zhì)阻擋放電等離子體穩(wěn)燃、助燃裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，航空燃?xì)廨啓C(jī)在空中熄火后如果未能成功點(diǎn)火，往往會造成極大的飛行事故。由于高空中空氣稀薄，空氣中氧氣含量低，壓力和溫度低，這些因素都增加了點(diǎn)火的難度，因此對于航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的穩(wěn)定燃燒和點(diǎn)火性能提出了很大的挑戰(zhàn)，需要采用更加可靠的穩(wěn)燃和點(diǎn)火裝置。
在化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過程中都會產(chǎn)生一些低熱值的氣體燃料。 以高爐煤氣為例，它是煉鐵過程產(chǎn)生的伴生氣，所含可燃成分C0、H2較少，而惰性氣體C02、 N2較多，熱值僅為2. 5 3. 5MJ/Nm3。燃?xì)廨啓C(jī)在燒高爐煤氣時遇到的問題有1)熱值較低使得點(diǎn)火困難；2)H2含量較少使得燃燒穩(wěn)定性差，容易發(fā)生稀態(tài)熄火；3)低負(fù)荷工況下容易發(fā)生CO燃燒不完全的現(xiàn)象，致使燃燒效率明顯下降。當(dāng)前解決這些問題的主要方法有 I)使用焦?fàn)t煤氣摻混入高爐煤氣中以提高熱值，使燃燒容易組織；2)在燃燒室中使用高爐煤氣和燃油兩種燃料，在缺少高爐煤氣(低負(fù)荷)時可隨時切換燃油，以確保燃燒穩(wěn)定；3) 使用輕質(zhì)柴油點(diǎn)火并作為值班火焰以穩(wěn)定燃燒。焦?fàn)t煤氣、燃油及柴油等相對于高爐煤氣來說都是高品位能源，為了有效利用高爐煤氣而大量耗費(fèi)這些高品位能源，無疑會增加系統(tǒng)運(yùn)行成本，使得經(jīng)濟(jì)效益大打折扣。因此，我們迫切需要找到一種更為簡單有效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法來實(shí)現(xiàn)低熱值氣體燃料在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。
本項(xiàng)發(fā)明正是基于上述兩方面的應(yīng)用背景而提出的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，有助于解決燃?xì)廨啓C(jī)燃燒低熱值氣體時點(diǎn)火困難和燃燒不穩(wěn)定的問題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的整體思路是在燃燒器噴嘴的出口段布置多組等離子體激勵器，激勵器接通高壓電后，將附近空氣電離產(chǎn)生等離子體，所產(chǎn)生的等離子體一方面可以增強(qiáng)空氣的旋流，另一方面可以產(chǎn)生活性自由基，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)燃、助燃提高燃燒效率的效果。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其特征在于，該裝置包括多組等離子體激勵器、噴嘴出口段和高壓電源，其中，
所述多組等離子體激勵器沿周向均勻布置于所述噴嘴出口段上；
每組等離子體激勵器包括一對金屬電極和絕緣材料，這一對金屬電極交錯布置在所述噴嘴出口段的兩側(cè)，其中一個金屬電極接所述高壓電源的高壓端，另一個金屬電極接所述高壓電極的接地端，接通高壓電后將等離子體激勵器附近空氣電離，產(chǎn)生活性自由基，同時加速附近空氣。
本發(fā)明提供的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置與目前燃燒器上旋流器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
I)該裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，容易安裝在燃燒器上；
2)該裝置通過將電能轉(zhuǎn)化為空氣的動能，使空氣旋流，流動損失??；
3)該裝置在使空氣旋流的同時產(chǎn)生活性自由基；
4)該裝置功耗較低，只消耗較少的電量就能保證燃燒器的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒， 不需要耗費(fèi)燃油燃?xì)獾荣Y源；
5)該裝置操作簡便，能夠針對不同的工況調(diào)節(jié)不同的放電參數(shù)以滿足需求。


圖I是本發(fā)明的等離子體軸向旋流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的等離子體軸向旋流裝置計算模型。
圖4是來流速度5米/秒時靜壓力場和軸向速度場分布(不施加等離子體激勵) 示意圖。
圖5是來流速度為5米/秒時靜壓力場和軸向速度場分布(施加等離子體激勵) 示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖I是本發(fā)明的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖Ia顯示了組成所述介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置的噴嘴出口段、高壓電源、高壓電源的高壓端和接地端、電極，在所述噴嘴出口段沿周向均勻布置多組等離子體激勵器，例如由圖 Ib的噴嘴出口段三維示意圖以及圖Ic的噴嘴出口段俯視圖可以看到噴嘴出口段沿周向均勻布置4組等離子體激勵器的情況。接通高壓電后等離子體激勵器可將附近的空氣電離， 產(chǎn)生活性自由基，同時加速附近的空氣。
圖Ia所示的所述介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置主要包括等離子體激勵器、噴嘴出口段和高壓電源。其中，等離子體激勵器由一對電極和絕緣材料組成，這兩個電極交錯布置在噴嘴出口段兩側(cè)；高壓電源包括高壓端和接地端；等離子體激勵器中的一個電極與高壓電源的高壓端連接，另一個電極與高壓電源的接地端連接，等離子體激勵器中的絕緣材料可以是噴嘴出口段本身或噴嘴出口段的一部分，所述噴嘴出口段材料為耐高溫絕緣陶瓷或耐高溫絕緣石英玻璃，厚度為1-20_。
等離子體激勵器接通高壓電后，將附近空氣電離產(chǎn)生低溫的非平衡等離子體。非平衡等離子體中的高能電子與反應(yīng)物分子的碰撞，將會導(dǎo)致分子鍵松弛、斷裂或裂解成自由基。而自由基(即活性粒子)在燃燒反應(yīng)中的作用很重要，這是因?yàn)槿剂涎趸幕瘜W(xué)反應(yīng)，特別是連鎖反應(yīng)，是通過生成的活化中心(鏈載體)進(jìn)行的，這些活化中心通常是原子和基團(tuán)等活性粒子，且連鎖反應(yīng)的速度取決于燃燒區(qū)內(nèi)活性粒子的濃度。因此，如果在燃燒前或者燃燒過程中利用放電等離子體在未燃區(qū)產(chǎn)生一定數(shù)量的活性成分，燃燒速度就有可倉。
圖2是本發(fā)明的等離子體軸向旋流裝置中所采用的等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)示意圖，在絕緣材料I兩側(cè)非對稱地，比如交錯地布置兩塊金屬電極裸露電極和掩埋電極，其中裸露電極暴露在周圍的空氣中，掩埋電極嵌在絕緣材料2里，本發(fā)明可以采用但不限于比如銅、鎢、鑰、鋼、或耐高溫合金制成的長方形的金屬電極，絕緣材料可以采用但不限于比如聚四氟乙烯或石英玻璃等，掩埋電極與裸露電極之間的間距為0-5mm。另外，金屬電極的組數(shù)可為1-100組，具體根據(jù)噴嘴出口段的大小來確定所使用的電極數(shù)目。
在高壓高頻交流電源的作用下，可在嵌入絕緣材料2內(nèi)的掩埋電極上方生成弱電離的低溫等離子體，通過離子與中性氣體分子的碰撞向邊界層輸送能量，產(chǎn)生如圖所示的誘導(dǎo)流動，使周圍空氣形成靜流量為零(ZNMF)的水平方向射流，加速附面層內(nèi)的氣流流動。等離子體軸向旋流裝置由多組這樣的等離子體激勵器組成，這些等離子體激勵器沿噴嘴出口段周向布置，與一組等離子體激勵器相比，多組等離子體激勵器會產(chǎn)生一個累積的效果，起到更好的輔助燃燒的作用，也就是說，所述金屬電極的布置方式使得等離子體誘導(dǎo)流動的旋轉(zhuǎn)方向與空氣旋流方向相同。
等離子體軸向旋流裝置的計算模型如圖3所示，圖中采用一管內(nèi)流動來模擬等離子體軸向旋流裝置作用下的燃燒器噴嘴流動。在圓管周向?qū)ΨQ布置4組等離子體激勵器，這些激勵器布置在圓管的中部，圓管直徑30_，壁厚2_，等離子體激勵器電極長度為 50mm,電極寬度為l_20mm，優(yōu)選地，為約4mm，等離子體激勵器的布置方式如圖3a所示；圖 3b給出了等離子體激勵器在管內(nèi)誘導(dǎo)流動方向的示意圖，從圖中可以看到，每一組等離子體激勵器在管內(nèi)均可產(chǎn)生某一方向上的誘導(dǎo)空氣流動，在所述在圓管周向?qū)ΨQ布置的四組等離子體激勵器的共同作用下，管內(nèi)就能夠誘導(dǎo)出如圖3b所示的逆時針方向的空氣旋流。
圖4給出了來流速度為5m/s不施加等離子體激勵的計算結(jié)果。為了分析管內(nèi)的流場特點(diǎn)，沿軸向不同位置截取了 6個截面，圖4a和圖4b分別給出了這6個截面上的靜壓力場和軸向速度場分布。圖4中的中間4個截面對應(yīng)等離子體激勵區(qū)。此外圖4c還給出了某一直徑截面上的靜壓力分布。由圖4a和圖4b可見截面上靜壓分布均勻，軸向速度在附面層以外的區(qū)域也是均勻分布。附面層沿軸向逐漸發(fā)展加厚，由于主流受到了附面層的排擠，沿軸向主流速度略有增加。由于軸對稱的原因，流線沒有扭曲。
圖5給出了來流速度為5m/s時在等離子體激勵作用下的靜壓力場和軸向速度場分布。由圖5可見，施加等離子體激勵后，每一組等離子體激勵器都會加速附近的空氣，使附近的空氣形成一流動方向，在周向?qū)ΨQ布置的四組等離子體激勵器的共同作用下，可以誘導(dǎo)出逆時針方向的空氣旋流，由于等離子體誘導(dǎo)旋流的作用，附面層厚度減小，軸向截面上的靜壓和軸向速度分布變得不均勻。經(jīng)過等離子體激勵器區(qū)后附面層附近的流線發(fā)生了大角度扭轉(zhuǎn)，主流流線的扭轉(zhuǎn)也很明顯。通過對進(jìn)出口流線位置的對比可以發(fā)現(xiàn)主流流線的周向扭轉(zhuǎn)角度超過了 30度，由此可見主流發(fā)生了旋流，進(jìn)而造成了軸心附近的低壓、低速區(qū)，在燃燒過程中，該區(qū)域有助于穩(wěn)定火焰，增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性。
以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其特征在于，該裝置包括多組等離子體激勵器、噴嘴出口段和高壓電源，其中， 所述多組等離子體激勵器沿周向均勻布置于所述噴嘴出口段上； 每組等離子體激勵器包括一對金屬電極和絕緣材料，這一對金屬電極交錯布置在所述噴嘴出口段的兩側(cè)，其中一個金屬電極接所述高壓電源的高壓端，另一個金屬電極接所述高壓電極的接地端，接通高壓電后將等離子體激勵器附近空氣電離，產(chǎn)生活性自由基，同時加速附近空氣。
2.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述一對金屬電極分別為裸露電極和掩埋電極，所述裸露電極暴露在周圍的空氣中，所述掩埋電極嵌在絕緣材料里，且掩埋掩埋電極的絕緣材料為耐高溫絕緣陶瓷或耐高溫絕緣石英玻璃。
3.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述噴嘴出口段材料為耐高溫絕緣陶瓷或耐高溫絕緣石英玻璃。
4.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述噴嘴出口段的厚度為I-20mm。
5.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述金屬電極材料為鎢、鑰、鋼、或耐高溫合金。
6.如權(quán)利要求I所述的的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述金屬電極形狀為長方形。
7.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述金屬電極寬度為 l_20mm。
8.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述金屬電極的組數(shù)為1-100組，根據(jù)噴嘴出口段的大小來確定使用的電極數(shù)目。
9.如權(quán)利要求2所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，每對金屬電極交錯布置，每對金屬電極中掩埋電極與裸露電極之間的間距為0-5mm。
10.如權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，其中，所述金屬電極的布置方式使得等離子體誘導(dǎo)流動的旋轉(zhuǎn)方向與空氣旋流方向相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于燃燒器穩(wěn)燃、助燃的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置，該裝置包括多組等離子體激勵器、噴嘴出口段和高壓電源，所述多組等離子體激勵器沿周向均勻布置于所述噴嘴出口段上。通過在燃燒器噴嘴出口段施加適當(dāng)強(qiáng)度的等離子體激勵，一方面可以起到增強(qiáng)空氣旋流的作用，另一方面通過電離空氣產(chǎn)生活性自由基，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)燃、助燃提高燃燒效率的效果，有助于解決航空燃?xì)廨啓C(jī)空中熄火的問題以及地面燃?xì)廨啓C(jī)燃燒低熱值氣體時點(diǎn)火困難和燃燒不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明提供的介質(zhì)阻擋放電等離子體軸向旋流裝置具有機(jī)構(gòu)簡單緊湊、反應(yīng)迅速、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F23D14/26GK102927570SQ20111023127
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者李鋼, 徐燕驥, 楊凌元, 朱俊強(qiáng), 聶超群 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所