申请/专利权人：安徽工业大学

申请日：2018-10-22

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109310003B

主分类号：H05H1/24

分类号：H05H1/24;F23C99/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.03.05#实质审查的生效;2019.02.05#公开

摘要：本发明公开了同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃技术领域的同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，包括脉冲微波发生器、功率显示器和等离子体发生器，脉冲微波发生器包括微波信号发生器、脉冲调制发生器和功率放大器；本发明通过用微波脉冲共振作为放电驱动器，U型钨丝电极的钨丝尖端产生局域增强电场，产生气体放电，生成等离子体，将产生大量具有化学活性的粒子，改变等离子体及其相邻区域内的燃烧状态，而且高能粒子扩散形成的波扰动可增强燃气紊流度，促进燃油的雾化、气化及与空气的混合，增大火焰前锋与燃料的接触面积，以达到增强燃烧稳定性、提高燃烧效率和降低排气污染的目的。

主权项：1.同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，包括脉冲微波发生器20、功率显示器30和等离子体发生器40，其特征在于：所述脉冲微波发生器20包括微波信号发生器21、脉冲调制发生器22和功率放大器23，所述微波信号发生器21和脉冲调制发生器22均与功率放大器23的输入端电性连接，所述功率显示器30包括定向耦合器31、检波器32和显示屏33，所述功率放大器23分别与定向耦合器31和检波器32电性连接，所述定向耦合器31和检波器32均与显示屏33电性连接，所述等离子体发生器40为蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41，所述蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41通过同轴线连接定向耦合器31；所述蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41包括螺纹固定装置1、同轴谐振腔2、同轴线3、同轴接头4、蜻蜓型石英管5、燃料6、石英管长度调节装置7、圆环型螺旋开口盖8、助燃气体9、等离子体射流10和U型钨丝电极11，所述螺纹固定装置1的表面设有同轴谐振腔2，所述同轴谐振腔2的右侧端口套接有圆环型螺旋开口盖8，所述同轴谐振腔2的内腔通过固定装置插接有蜻蜓型石英管5，所述蜻蜓型石英管5的外壁套接有石英管长度调节装置7，所述同轴谐振腔2的顶部中央贯穿插接有同轴接头4，所述同轴接头4的内腔插接有同轴线3，所述蜻蜓型石英管5的右端设有等离子体射流10，所述蜻蜓型石英管5的内腔右侧设有U型钨丝电极11，所述等离子体射流10的左端位于U型钨丝电极11的U型开口处，所述蜻蜓型石英管5的顶部右侧设有燃料输入端口，所述蜻蜓型石英管5的底部右侧设有助燃气体输入端口，所述燃料输入端口中输入燃料6，所述助燃气体输入端口中输入助燃气体9；所述燃料输入端口和助燃气体输入端口均采用切向进气口。

全文数据：同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置技术领域本发明涉及同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃技术领域，具体涉及同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置。背景技术等离子体中含有丰富的活性粒子，如离子、原子团、原子和电子等，物理化学活性高，其高温热化学作用可有效促进生成着火点的双组分燃料，进而提升燃料混合物反应程度，在点火和辅助燃烧中具有很高的应用价值。等离子体是由大量的带电正、负粒子及中性粒子组成的准中性系统，它是在高温或者其他特定激励条件下产生的一种除固态、液态及气态以外的第四种物质状态。作为物质存在的第四态，等离子体的温度高，粒子动能较大，且其化学性质极为活泼，这些独特的物理及化学性质使其在诸多领域具有性能和技术上的优势。等离子体射流加热技术就是利用高温、高速的等离子体射流及其化学效应发展起来的。由于等离子体助燃技术具有没有燃烧极限、火焰稳定、燃烧效率高、燃烧区域大等特点，其在军事、航空航天、发电等诸多领域都具有非常良好的应用前景。如中国专利201520364431.6公开了一种等离子体助燃激励器，该装置采用网状电极结构，其工作原理是介质阻挡放电，产生高温高速的等离子体射流，但仍存在对通道中心助燃效果差、火焰抬举高度不可控等缺陷。如中国专利201010183105.7公开了一种微波等离子体点燃器，所述微波等离子体点燃器,当输入微波功率超过临界值时,在煤粉流中的微小煤粉激励下,微波等离子体产生区产生初始电离,通过雪崩效应过渡到整个石英玻璃管内,从而形成微波等离子体火炬。但是高温等离子体火炬时间长了就会将同轴线内导体熔化的缺点。因此，研究一种集等离子大尺度均匀加热、燃烧火焰稳定、没有燃烧极限、燃烧效率高、燃烧区域大的装置尤为重要，目前人们已经研发了几种装置，但是它们的作用单一，适用范围狭窄，处理效果不明显，或价格昂贵，而未能被人们很好的使用。基于此，本发明设计了同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，以解决上述问题。发明内容本发明的目的在于提供同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，以解决上述背景技术中提出的现有技术存在的助燃区域有限、抬举高度不可控、等离子体火炬长时间高温熔化同轴线内导体的缺点。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，包括脉冲微波发生器、功率显示器和等离子体发生器，所述脉冲微波发生器包括微波信号发生器、脉冲调制发生器和功率放大器，所述微波信号发生器和脉冲调制发生器均与功率放大器的输入端电性连接，所述功率显示器包括定向耦合器、检波器和显示屏，所述功率放大器分别与定向耦合器和检波器电性连接，所述定向耦合器和检波器均与显示屏电性连接，所述等离子体发生器为蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器，所述蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器通过同轴线连接定向耦合器。优选的，所述蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器包括螺纹固定装置、同轴谐振腔、同轴线、同轴接头、蜻蜓型石英管、燃料、石英管长度调节装置、圆环型螺旋开口盖、助燃气体、等离子体射流和U型钨丝电极，所述螺纹固定装置的表面设有同轴谐振腔，所述同轴谐振腔的右侧端口套接有圆环型螺旋开口盖，所述同轴谐振腔的内腔通过固定装置插接有蜻蜓型石英管，所述蜻蜓型石英管的外壁套接有石英管长度调节装置，所述同轴谐振腔的顶部中央贯穿插接有同轴接头，所述同轴接头的内腔插接有同轴线，所述蜻蜓型石英管的右端设有等离子体射流，所述蜻蜓型石英管的内腔右侧设有U型钨丝电极，所述等离子体射流的左端位于U型钨丝电极的U型开口处，所述蜻蜓型石英管的顶部右侧设有燃料输入端口，所述蜻蜓型石英管的底部右侧设有助燃气体输入端口，所述燃料输入端口中输入燃料，所述助燃气体输入端口中输入助燃气体。优选的，所述同轴谐振腔为金属铝制环形圆柱腔体，且环形圆柱腔体的内径为2cm。优选的，所述蜻蜓型石英管的左端为载气输入端口，所述蜻蜓型石英管的右端为圆弧状等离子体射流工作区域，所述等离子体射流位于圆弧状等离子体射流工作区域。优选的，所述燃料输入端口和助燃气体输入端口均采用切向进气口。优选的，所述U型钨丝电极呈发卡状，其长度为3.1cm。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明由微波信号发生器发生信号，同时调整脉冲调制发生器保持特定功率输出，使温度可调；产生的微波按一定的定向耦合器比例进行功率分配，再由同轴线馈入蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器，达到一定功率的微波，在U型钨丝尖端产生局域增强电场，在增强电场的放电驱动下，将气体击穿后产生大量非热平衡等离子体，其中包含的大量高能电子与各类活性基团通过碰撞作用使分子裂解，产生额外的活化原子团和自由基，由此引起一系列链式反应，从而促进了快速点火并增强燃烧。相比于纯燃料射流，通过蜻蜓型两侧切向入口可以对燃料进行稀释燃烧，达到降低火焰峰值温度，减少污染物NOx的排放。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置的结构示意图。图2为本发明蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器结构示意图。附图中，各标号所代表的部件列表如下：1.螺旋固定装置，2.同轴谐振腔，3.同轴线，4.同轴接头，5.蜻蜓型石英管，6.燃料，7.石英管长度调节装置，8.圆环型螺旋开口盖，9.助燃气体，10.等离子体射流，11.U型钨丝电极，20.脉冲微波发生器，21.微波信号发生器，22.脉冲调制发生器，23.功率放大器，30.功率显示器，31.定向耦合器，32.检波器，33.显示屏，40.等离子体发生器，41.蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，包括脉冲微波发生器20、功率显示器30和等离子体发生器40，脉冲微波发生器20包括微波信号发生器21、脉冲调制发生器22和功率放大器23，微波信号发生器21和脉冲调制发生器22均与功率放大器23的输入端电性连接，功率显示器30包括定向耦合器31、检波器32和显示屏33，功率放大器30分别与定向耦合器31和检波器32电性连接，定向耦合器31和检波器32均与显示屏33电性连接，等离子体发生器40为蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41，蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41通过同轴线连接定向耦合器31。其中，蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41包括螺纹固定装置1、同轴谐振腔2、同轴线3、同轴接头4、蜻蜓型石英管5、燃料6、石英管长度调节装置7、圆环型螺旋开口盖8、助燃气体9、等离子体射流10和U型钨丝电极11，螺纹固定装置1的表面设有同轴谐振腔2，同轴谐振腔2的右侧端口套接有圆环型螺旋开口盖8，同轴谐振腔2的内腔通过固定装置插接有蜻蜓型石英管5，蜻蜓型石英管5的外壁套接有石英管长度调节装置7，同轴谐振腔2的顶部中央贯穿插接有同轴接头4，同轴接头4的内腔插接有同轴线3，蜻蜓型石英管5的右端设有等离子体射流10，蜻蜓型石英管5的内腔右侧设有U型钨丝电极11，等离子体射流10的左端位于U型钨丝电极11的U型开口处，蜻蜓型石英管5的顶部右侧设有燃料输入端口，蜻蜓型石英管5的底部右侧设有助燃气体输入端口，燃料输入端口中输入燃料6，助燃气体输入端口中输入助燃气体9。同轴谐振腔2为金属铝制环形圆柱腔体，且环形圆柱腔体的内径为2cm。蜻蜓型石英管5的左端为载气输入端口，蜻蜓型石英管5的右端为圆弧状等离子体射流工作区域，等离子体射流10位于圆弧状等离子体射流工作区域。燃料输入端口和助燃气体输入端口均采用切向进气口，在保证所需的截面积要求下，应尽量使切向进气口扁平，从而使旋转速度分布均匀，有利于发挥渗透和弥散作用，燃料空气混合更好，可获得更宽的火焰稳定范围。通过切向进气口控制空气伴流的速度，达到控制火焰抬举高度，以获得更大的燃烧区域。U型钨丝电极11呈发卡状，其长度为3.1cm，U型钨丝电极11的作用是为钨丝尖端产生局域增强电场。本实施例的一个具体应用为：脉冲微波发生器20由微波信号发生器21发出信号，设置脉冲调制发生器22的脉冲频率值，同时调整功率放大器23保持特定功率输出。产生的微波按一定的定向耦合器32比例进行功率分配，再由同轴线3馈入蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41，同轴线3的作用为微波能量馈入，实现微波功率向放电加热区域大体积均匀加热。功率显示器30用于显示入射和反射功率。接通市电，由脉冲微波发生器20输出微波，通过同轴接头4与同轴线3连接，同轴线3均匀地辐射能量在同轴谐振腔2内并形成共振，引发放电的金属启动器U型钨丝电极11被水平放置在空气流中，在金属启动器的尖端电场明显增强，有利于稳定放电；从蜻蜓型石英管5一端输入气体，气流方向为由左向右，流经同轴谐振腔2，当蜻蜓型石英管5内的气体达到击穿电压时，在微波脉冲共振的作用下产生气体放电，基于气体放电的焦耳加热作用，加速加热膨胀受限腔体内的气体，形成高速高温等离子体射流10。可通过垂直于同轴谐振腔2的蜻蜓型石英管5两端添加燃料，燃料6进入等离子体射流10后，等离子体助燃时，活性粒子的产生使得化学反应速率提高和O2，CO体积分数变化速率增大，增加了O2参与反应的量，混合气的燃烧效率提高，燃烧稳定。作为燃烧中间产物的CO的量减少，燃料燃烧更加充分。生成等离子体，将产生大量具有化学活性的粒子，改变等离子体及其相邻区域内的燃烧状态。而且高能粒子扩散形成的波扰动可增强燃气紊流度，促进燃油的雾化、气化及与空气的混合，增大火焰前锋与燃料的接触面积，以达到增强燃烧稳定性、提高燃烧效率和降低排气污染的目的。微波放电温度约为2000℃，在无燃料的情况下也可生成火焰，无燃烧极限。微波放电产生自由基，在燃料中产生氧化还原反应，促进燃料充分燃烧，降低了火焰抬举高度的震荡，获得更稳定的火焰区域。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

权利要求：1.同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，包括脉冲微波发生器20、功率显示器30和等离子体发生器40，其特征在于：所述脉冲微波发生器20包括微波信号发生器21、脉冲调制发生器22和功率放大器23，所述微波信号发生器21和脉冲调制发生器22均与功率放大器23的输入端电性连接，所述功率显示器30包括定向耦合器31、检波器32和显示屏33，所述功率放大器30分别与定向耦合器31和检波器32电性连接，所述定向耦合器31和检波器32均与显示屏33电性连接，所述等离子体发生器40为蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41，所述蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41通过同轴线连接定向耦合器31。2.根据权利要求1所述的同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，其特征在于：所述蜻蜓型同轴谐振微波放电等离子体发生器41包括螺纹固定装置1、同轴谐振腔2、同轴线3、同轴接头4、蜻蜓型石英管5、燃料6、石英管长度调节装置7、圆环型螺旋开口盖8、助燃气体9、等离子体射流10和U型钨丝电极11，所述螺纹固定装置1的表面设有同轴谐振腔2，所述同轴谐振腔2的右侧端口套接有圆环型螺旋开口盖8，所述同轴谐振腔2的内腔通过固定装置插接有蜻蜓型石英管5，所述蜻蜓型石英管5的外壁套接有石英管长度调节装置7，所述同轴谐振腔2的顶部中央贯穿插接有同轴接头4，所述同轴接头4的内腔插接有同轴线3，所述蜻蜓型石英管5的右端设有等离子体射流10，所述蜻蜓型石英管5的内腔右侧设有U型钨丝电极11，所述等离子体射流10的左端位于U型钨丝电极11的U型开口处，所述蜻蜓型石英管5的顶部右侧设有燃料输入端口，所述蜻蜓型石英管5的底部右侧设有助燃气体输入端口，所述燃料输入端口中输入燃料6，所述助燃气体输入端口中输入助燃气体9。3.根据权利要求1所述的同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，其特征在于：所述同轴谐振腔2为金属铝制环形圆柱腔体，且环形圆柱腔体的内径为2cm。4.根据权利要求1所述的同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，其特征在于：所述蜻蜓型石英管5的左端为载气输入端口，所述蜻蜓型石英管5的右端为圆弧状等离子体射流工作区域，所述等离子体射流10位于圆弧状等离子体射流工作区域。5.根据权利要求1所述的同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，其特征在于：所述燃料输入端口和助燃气体输入端口均采用切向进气口。6.根据权利要求1所述的同轴谐振微波放电等离子体大尺度高效助燃装置，其特征在于：所述U型钨丝电极11呈发卡状，其长度为3.1cm。

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