本發(fā)明涉及能源利用與燃燒技術領域，更具體地說，涉及一種介質(zhì)阻擋等離子放電下靜止預混氣燃燒極限擴展測試裝置。

背景技術：

可燃氣的燃燒極限是能源及燃燒領域中的重要課題，而通常情況下在恒定氣體壓力和溫度條件下，燃燒極限包括濃度的下限和上限也為固定值，因此對于一些可燃氣濃度超出燃燒極限范圍(如濃度極低，低于下限)的預混氣而言，在不施加其它外部作用的情況下，希望通過燃燒的形式將其熱能進行充分利用則是難以實現(xiàn)的，事實上由于工業(yè)生產(chǎn)過程和自然環(huán)境中存在大量此類超低濃度可燃氣，常見的例如工業(yè)排放尾氣和海洋滲漏甲烷等，若任其自由排放，將造成難以估計的能源浪費。

而等離子體助燃及強化燃燒技術是目前國際上新興的低濃度和低熱值可燃氣燃燒技術，有望顯著提升該類可燃氣的燃燒效率和利用率，例如穆海寶等人在2014年的《高壓電技術》第40卷10期2980-2985頁“ch4/o2/he混合氣體作大氣介質(zhì)阻擋放電處理后其燃燒特性的改變”一文中提到一種裝置，主要研究等離子介質(zhì)阻擋放電對甲烷、空氣及氦氣混合氣的助燃作用，該裝置采用射流燃燒，混合氣體在一定流速下經(jīng)過等離子活化后，繼續(xù)向上流動并在燃燒器的噴口處點燃，該裝置的局限性首先在于混合程度上無法達到完全充分混合，且點火時間與活化時間相對滯后，助燃效能有所減弱。

因此，對于低濃度可燃預混氣的燃燒極限擴展而言，需要采用更加有效的燃燒裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用以研究復雜條件包括極端壓力、濃度等的可燃預混氣燃燒極限的可擴展性能的介質(zhì)阻擋等離子放電下靜止預混氣燃燒極限擴展測試裝置。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種介質(zhì)阻擋等離子放電下靜止預混氣燃燒極限擴展測試裝置，包括燃燒腔、空氣氣源、可燃氣氣源、真空泵，空氣氣源、可燃氣氣源、真空泵分別連接至主氣路，主氣路與燃燒腔相通，燃燒腔內(nèi)設置有點火機構、介質(zhì)阻擋等離子放電機構。

作為優(yōu)選，空氣氣源、可燃氣氣源、真空泵分別通過空氣氣路、可燃氣氣路、氣泵氣路與主氣路連接。

作為優(yōu)選，空氣氣路、可燃氣氣路、氣泵氣路上分別設置空氣閥門、可燃氣閥門、真空閥門，主氣路在空氣閥門、可燃氣閥門、真空閥門與燃燒腔之間設置燃燒腔閥門。

作為優(yōu)選，主氣路上還設置有排氣口，在排氣口之間的主氣路上設置有排氣閥門。

作為優(yōu)選，主氣路上還設置有氣壓計。

作為優(yōu)選，介質(zhì)阻擋等離子放電機構包括兩塊相同的石英板、放電極正極、放電極負極、高壓接線、地線接線、等離子電壓源，石英板豎直固定于燃燒腔內(nèi)，放電極正極、放電極負極分別貼于石英板上，分別與高壓接線、地線接線連接，高壓接線、地線接線連接在燃燒腔外與等離子電壓源的兩極相連；

點火機構包括點火器正極、點火器負極、點火器高壓源，點火器正極、點火器負極豎直設置在燃燒腔內(nèi)，并在燃燒腔外與點火器高壓源的兩極相連；

點火器正極、點火器負極分別設置于兩塊石英板的兩側(cè)，與石英板的中心相對，點火器正極、點火器負極的頂端高于石英板。

作為優(yōu)選，燃燒腔的底蓋開設有連接孔，連接孔上分別密封塞設有電路接頭、氣路接頭，電路接頭用于點火機構、介質(zhì)阻擋等離子放電機構在燃燒腔的內(nèi)外進行導電連接，氣路接頭連接主氣路，主氣路通過氣路接頭與燃燒腔相通。

作為優(yōu)選，電路接頭包括陶瓷主體、導電棒，陶瓷主體包括同心設置的螺紋接頭、密封圓臺，密封圓臺的直徑大于螺紋接頭，導電棒穿設于陶瓷主體上，導電棒的兩端分別延伸出螺紋接頭、密封圓臺，導電棒的兩端分別開設有繞線槽，用于纏繞導線；氣路接頭包括同心設置且貫通的螺紋接頭、密封圓臺、氣路接口，密封圓臺的直徑大于螺紋接頭。

作為優(yōu)選，用于備用的連接孔通過密封堵頭進行密封，密封堵頭包括同心設置的螺紋接頭、密封圓臺，密封圓臺的直徑大于螺紋接頭。

作為優(yōu)選，燃燒腔的設置觀察窗，透明玻璃通過后蓋緊固夾持于觀察窗與后蓋之間。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明所述的介質(zhì)阻擋等離子放電下靜止預混氣燃燒極限擴展測試裝置，燃燒腔采用靜止預混氣封閉點火的方式，可以使可燃氣和空氣達到非常充分的混合程度，且利用所述氣壓計可以完成精確的氣體成份配比。在所述燃燒腔內(nèi)通過石英板間的可控介質(zhì)阻擋等離子放電，能提供良好的助燃效果，對于擴展預混氣燃燒極限有直接效果。

本發(fā)明可用于各種壓力、極端濃度配比下的預混氣燃燒極限擴展性能測試，并為未來此類測試標準的建立提供參考。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是燃燒腔的橫向剖視圖；

圖3是氣路接頭的剖視圖；

圖4是電路接頭的剖視圖；

圖5是密封堵頭的剖視圖；

圖6是燃燒腔內(nèi)設置有點火機構、介質(zhì)阻擋等離子放電機構的結構示意圖；

圖中：100是空氣氣源，101是可燃氣氣源，102是真空泵，103是氣壓計，104是燃燒腔閥門，105是空氣閥門，106是可燃氣閥門，107是真空泵閥門，108是排氣閥門，109是排氣口，110是氣泵氣路，111是可燃氣氣路，112是空氣氣路，113是主氣路，114是燃燒腔，200是外壁，201是頂蓋，202是底蓋，203是觀察窗，204是透明玻璃，205是緊固螺栓，206是點火器正極，207是點火器負極，208是放電極負極，209是放電極正極，210是地線接線，211是高壓接線，212是石英板，213是點火器高壓源，214是等離子電壓源，215是連接孔，300是后蓋，301是固定螺絲，400是氣路接頭，401是氣路接口，410是電路接頭，411是導電棒，412是繞線槽，420是密封堵頭，500是螺紋接頭，501是密封圓臺。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。

本發(fā)明為了提供一種介質(zhì)阻擋等離子放電下靜止預混氣燃燒極限擴展測試裝置，如圖1所示，包括燃燒腔114、空氣氣源100、可燃氣氣源101、真空泵102，空氣氣源100、可燃氣氣源101、真空泵102分別連接至主氣路113，空氣氣源100、可燃氣氣源101、真空泵102分別通過空氣氣路112、可燃氣氣路111、氣泵氣路110與主氣路113連接，主氣路113與燃燒腔114相通；燃燒腔114內(nèi)設置有點火機構、介質(zhì)阻擋等離子放電機構。燃燒腔114采用靜止預混氣封閉點火的方式，可以使可燃氣和空氣達到非常充分的混合程度，且利用所述氣壓計103可以完成精確的氣體成份配比。在所述燃燒腔114內(nèi)通過石英板212間的可控介質(zhì)阻擋等離子放電，能提供良好的助燃效果，對于擴展預混氣燃燒極限有直接效果。

為了保證內(nèi)部充入可燃預混氣后可長時間放置，以待其充分混合，燃燒腔114需要有良好的氣密性。由于在配氣過程中會數(shù)次對主氣路113抽真空和排氣，則實施時，應當控制主氣路113的長度不應過長，主氣路113太長易造成氣體浪費；因此，在方便操作的前提下，適度維持較短總長度即可。

為了對進氣、抽氣進行控制，空氣氣路112、可燃氣氣路111、氣泵氣路110上分別設置空氣閥門105、可燃氣閥門106、真空閥門；即空氣氣源100通過一條空氣氣路112串接上一個空氣閥門105后接入主氣路113，高純度可燃氣氣源101通過一條可燃氣氣路111并串接一個可燃氣閥門106后接入主氣路113，真空泵102通過一條氣泵氣路110串接一個真空泵閥門107后接入主氣路113。

為了對進入燃燒腔114內(nèi)的混合氣體、對抽出燃燒腔114內(nèi)的混合氣體進行控制，主氣路113在空氣閥門105、可燃氣閥門106、真空閥門與燃燒腔114之間設置燃燒腔閥門104。主氣路113上還設置有排氣口109，在排氣口109之間的主氣路113上設置有排氣閥門108，用于排出燃燒腔114與主氣路113中的氣體，以及控制排出效率。即主氣路113的下游端依次串聯(lián)一個排氣閥門108和一個排氣口109，而在主氣路113的上游端串接燃燒腔閥門104，燃燒腔114緊靠燃燒腔閥門104。主氣路113上還設置有氣壓計103，用于觀察主氣路113的氣壓大小。

具體實施時，空氣氣源100可采用30升10mpa的高壓空氣氣瓶，可燃氣氣源101可采用10升10mpa的高純度的高壓甲烷氣瓶。本實施例中，使用的所述氣泵氣路110、可燃氣氣路111、空氣氣路112、主氣路113均可采用內(nèi)徑5mm的不銹鋼氣管，具體長度不應過長(否則氣體將在氣路的管道中造成浪費)，在方便操作的前提下適度維持較短的總長度即可。

燃燒腔114的設置觀察窗203，如圖2所示，透明玻璃204通過后蓋300緊固夾持于觀察窗203與后蓋300之間。觀察窗203與透明玻璃204用于對燃燒腔114內(nèi)的情況進行觀察。本實施例中，燃燒腔114的殼體呈立方體形狀，其四個壁面由一個觀察窗203和一個“匚”型的外壁200圍成，觀察窗203與外壁200之間采用6個緊固螺栓205進行固定，且觀察窗203的中間部位安裝一塊大占比(18cm長、18cm寬及8mm厚)耐高溫防爆的透明玻璃204，外壁200的上、下方分別用一個頂蓋201及底蓋202進行封閉，本實施例中的燃燒腔114外部尺寸為25cm長、25cm寬及25cm高，外壁200、觀察窗203、頂蓋201及底蓋202的厚度均為5mm，由不銹鋼板加工制成。

透明玻璃204通過后蓋300和4顆固定螺絲301進行固定；同時頂蓋201通過頂蓋201四角螺紋孔、頂蓋201邊緣螺紋孔進行固定，與此類似，所述底蓋202也通過底蓋202四角螺紋孔和底蓋202邊緣螺紋孔進行固定。

由于整個燃燒腔114需要保持氣密，因此所述地線接線210、高壓接線211、點火器正極206、點火器負極207以及主氣路113在通過底蓋202時，均需要利用連接孔215并配合一些輔助構件進行連接。本實施例中，連接孔215配套氣路接頭400、電路接頭410等，在安裝后同樣需要保證氣密性。

如圖3所示，氣路接頭400包括同心設置且貫通的螺紋接頭500、密封圓臺501、氣路接口401，密封圓臺501的直徑大于螺紋接頭500。通過螺紋接頭500旋接于連接孔215，密封圓臺501對連接孔215進行密封。氣路接頭400的內(nèi)部中軸開貫通的4mm通孔，用于氣體傳輸。

電路接頭410的主體需要采用耐高溫的非導體材料，中間嵌入一個導電棒411作為所述燃燒腔114內(nèi)、外部電路的連接物即可。如圖4所示，電路接頭410包括陶瓷主體、導電棒411，陶瓷主體包括同心設置的螺紋接頭500、密封圓臺501，密封圓臺501的直徑大于螺紋接頭500，通過螺紋接頭500旋接于連接孔215，密封圓臺501對連接孔215進行密封。導電棒411穿設于陶瓷主體上，導電棒411的兩端分別延伸出螺紋接頭500、密封圓臺501，導電棒411的兩端分別開設有繞線槽412，用于纏繞導線。

此外，底蓋202上的若干連接孔215用作備用的連接孔215，可擴展接入各類傳感器，如溫度傳感器、氣體濃度傳感器等，用于備用的連接孔215通過密封堵頭420進行密封。即當某個連接孔215不使用時，可用一個密封堵頭420進行封閉。如圖5所示，密封堵頭420包括同心設置的螺紋接頭500、密封圓臺501，密封圓臺501的直徑大于螺紋接頭500。

如圖6所示，介質(zhì)阻擋等離子放電機構包括兩塊相同的石英板212、放電極正極209、放電極負極208、高壓接線211、地線接線210、等離子電壓源214，石英板212豎直固定于燃燒腔114內(nèi)，放電極正極209、放電極負極208分別貼于石英板212上，分別與高壓接線211、地線接線210連接，高壓接線211、地線接線210連接在燃燒腔114外與等離子電壓源214的兩極相連；點火機構包括點火器正極206、點火器負極207、點火器高壓源213，點火器正極206、點火器負極207豎直設置在燃燒腔114內(nèi)，并在燃燒腔114外與點火器高壓源213的兩極相連；點火器正極206、點火器負極207分別設置于兩塊石英板212的兩側(cè)，與石英板212的中心相對，點火器正極206、點火器負極207的頂端高于石英板212。燃燒腔114的底蓋202開設有連接孔215，連接孔215上分別密封塞設有電路接頭410、氣路接頭400，電路接頭410用于點火機構、介質(zhì)阻擋等離子放電機構在燃燒腔114的內(nèi)外進行導電連接，氣路接頭400連接主氣路113，主氣路113通過氣路接頭400與燃燒腔114相通。

本實施例中，在底蓋202的中間位置，豎直固定兩塊石英板212，尺寸均為厚度2mm，高15cm，寬8cm，間距為5mm。點火器正極206和點火器負極207的點火端處于兩塊石英板212中心上方5mm處(不與該石英板212發(fā)生接觸)。

為了保證在預混氣點燃后形成的爆燃中不發(fā)生損壞，觀察窗203使用的透明玻璃204應為防爆、耐高溫玻璃。介質(zhì)阻擋等離子放電機構的兩塊石英板212也應具有較高強度。

利用本發(fā)明的所述的裝置進行測試實驗前，首先需要在所述燃燒腔114內(nèi)配比一定濃度的可燃氣，具體步驟如下：

1)關閉空氣閥門105、可燃氣閥門106和排氣閥門108，打開所述燃燒腔閥門104和真空泵閥門107，然后開啟真空泵102，待抽至真空后關閉真空泵閥門107，真空泵102可繼續(xù)工作，暫不關閉；

2)打開可燃氣閥門106，使可燃氣(如高純度甲烷)緩慢進入燃燒腔114，并實時監(jiān)測氣壓計103，直到讀數(shù)為預設值，如5kpa后關閉燃燒腔閥門104和可燃氣閥門106；

3)打開真空泵閥門107，帶主氣路113中氣體抽空，即氣壓計103讀數(shù)降至0kpa后，關閉真空泵閥門107；

4)打開空氣閥門105，使空氣緩慢進入燃燒腔114，同樣，監(jiān)測氣壓計103直到讀數(shù)達到預設值，如100kpa后關閉燃燒腔閥門104和空氣閥門105；

5)打開排氣閥門108，關閉真空泵102，并使燃燒腔114靜置12小時，以使其內(nèi)部氣體完全均勻混合。

在進行靜止預混氣燃燒極限擴展測試時，開啟等離子電壓源214，在石英板212間形成介質(zhì)阻擋等離子放電，然后開啟點火器高壓源213，并逐步增大等離子電壓源214的功率，直至燃燒腔114內(nèi)的靜止預混氣被點燃，并觀察到明顯的爆燃現(xiàn)象發(fā)生。此時，記錄下相關的火焰形貌、等離子體強度等數(shù)據(jù)；以此，可進一步研究預混氣在等離子體活化作用下的燃燒極限擴展規(guī)律。

上述實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作對本發(fā)明的限定。只要是依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)，對上述實施例進行變化、變型等都將落在本發(fā)明的權利要求的范圍內(nèi)。