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申请/专利权人：山东师范大学

摘要：本发明公开了一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，利用具有纳秒脉冲的微孔双电极结构进行气体电离形成等离子体，加速燃料低温氧化和燃烧链式反应，包括脉冲电源、双电极结构和密闭容器，所述脉冲电源包括纳秒脉冲电源转化器，所述纳秒脉冲电源转换器能够与交流电和数字延时发生器连接，所述脉冲电源电连接所述双电极结构，所述密闭容器中贮藏的气体能够喷射至双电极结构；所述双电极结构包括双层金属片与单层介质，单层介质设于双层金属片中间，金属片和单层介质均设有微孔，微孔均布于金属片和单层介质。

主权项：1.一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，包括脉冲电源、双电极结构和密闭容器，所述脉冲电源包括纳秒脉冲电源转化器，所述纳秒脉冲电源转换器能够与交流电和数字延时发生器连接，所述脉冲电源电连接所述双电极结构，所述密闭容器中贮藏的气体能够喷射至双电极结构；所述双电极结构包括双层金属片与单层介质，单层介质设于双层金属片中间，金属片和单层介质均设有微孔，微孔均布于金属片和单层介质；所述双层金属片和单层介质均呈圆形，所述微孔在所述双层金属片和单层介质中圆周阵列，所述双电极结构构成介质阻挡放电；所述密闭容器包括多个气罐；多个气罐中至少包括用于存放氧气的氧气罐和用于存放氩气的第一氩气罐，氧气和氩气混合为第一混合气体，喷入位于第一侧金属片，在微孔内形成氧化混合气体放电等离子体；多个气罐中至少还包括用于存放甲烷气体的甲烷气体罐、用于存放空气的空气罐和用于存放氩气的第二氩气罐，甲烷气体、空气和氩气混合为第二混合气体，进入第二侧金属片，在微孔内形成燃料混合气体放电等离子体；第一侧金属片以内的氧化混合气体放电等离子体和第二侧以内的燃料混合气体放电等离子体同时进入电极间隙，并发生等离子体化学反应与燃烧化学反应以及更复杂的物理化学与相互作用，在双电极间隙内形成相对稳定的对撞扩散燃烧等离子体。

全文数据：一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置技术领域本发明属于能源领域，具体涉及一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置。背景技术碳氢化合物的燃烧既能推动人类社会进步，也会造成自然环境恶化与化石能源枯竭。在燃烧过程中减少污染物排放并提高能量转化效率是保持经济与社会可持续发展时需要解决的重要问题。等离子体辅助燃烧是利用等离子体的动力学增强效应、温升增强效应和输运增强效应，提高燃烧效率和点火能力的新兴科学技术，在燃料重整、柔和燃烧和冷火焰技术等方向具有广阔的实践应用前景和重要的科学研究意义。辅助燃烧的放电等离子体可通过介质阻挡放电DielectricBarrierDischarge,DBD、纳秒脉冲放电、射频放电和微波放电等方式产生。纳秒脉冲介质阻挡放电纳秒脉冲DBD兼具纳秒脉冲放电和DBD的优良特性，是产生高化学活性和大面积均匀的非热平衡等离子体的理想途径。现有的利用放电等离子体进行辅助燃烧的技术方案中，如公开号为CN109264671A的中国专利公开了一种等离子体喷涂薄膜协同DBD催化甲烷干重整装置及方法，其使用电极杆、DBD石英管、铜网和聚四氟乙烯固件构成等离子发生器，这种技术方案是传统的等离子体发生装置，其使用平板式片状构件进行等离子体的催化，但是发明人认为，其形成时间等离子体的时间可以进一步缩短，其热负荷以及维持稳定放电等离子体的外施电压明显也可以进一步降低。发明内容本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在问题，一方面，提供一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，解决现有等离子体辅助燃烧装置存在的点火速度慢、能量转化率低、火焰不稳定以及电极热负荷与外施电压较高的问题；另一方面，提供一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧方法。本发明解决这一问题所提供的第一个技术方案是：一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，包括脉冲电源、双电极结构和密闭容器，所述脉冲电源包括纳秒脉冲电源转化器，所述纳秒脉冲电源转换器能够与交流电和数字延时发生器连接，所述脉冲电源电连接所述双电极结构，所述密闭容器中贮藏的气体能够喷射至双电极结构；所述双电极结构包括双层金属片与单层介质，单层介质设于双层金属片中间，金属片和单层介质均设有微孔，微孔均布于金属片和单层介质。进一步的，所述双层金属片和单层介质均呈圆形，所述微孔在所述双层金属片和单层介质中圆周阵列，所述双电极结构构成DBD。进一步的，所述纳秒脉冲电源的正极性端和负极性端分别连接一侧的金属片。当纳秒脉冲DBD采用所述双电极结构时，放电等离子体的形成时间更短，微孔电极的热负荷以及维持稳定放电等离子体的外施电压明显低于传统的交流DBD和平板电极结构。此外，采用双电极对撞扩散燃烧能在双电极间隙形成稳定的等离子体辅助燃烧区域，具有较高的火焰稳定性和燃烧效率。进一步的，所述金属片为金属铝片，厚度为150μm；所述单层介质为云母片，云母片厚度为200μm，所述微孔孔径为100μm。进一步的，所述密闭容器包括多个气罐。进一步的，多个气罐中至少包括用于存放氧气的氧气罐和用于存放氩气的第一氩气罐，氧气和氩气混合为第一混合气体，喷入位于第一侧的金属片，在微孔内形成氧化混合气体放电等离子体；多个气罐中至少还包括用于存放甲烷气体的甲烷气体罐、用于存放空气的空气罐和用于存放氩气的第二氩气罐，甲烷、空气和氩气混合为第二混合气体，进入第二侧的金属片，在微孔内形成燃料混合气体放电等离子体。进一步的，双层金属片与单层介质之间的电极间隙为0.5cm至2cm。进一步的，第一侧金属片以内的氧化混合气体放电等离子体和第二侧以内的燃料混合气体放电等离子体同时进入电极间隙，并发生等离子体化学反应与燃烧化学反应以及更复杂的物理化学与相互作用，在双电极间隙内形成相对稳定的对撞扩散燃烧等离子体。采用双电极对撞扩散燃烧，在双电极间隙内形成稳定的等离子体辅助燃烧区域，有较高的火焰稳定性和燃烧效率。进一步的，还包括真空腔，所述双电极结构设于真空腔内，真空腔两侧开有玻璃观察窗。本发明所公开的装置的运行原理是，等离子体中的电子与中性分子碰撞，发生解离、激发和电离等物理化学反应，生成活性粒子、激发态粒子、带电粒子和起催化作用的中间产物，加速燃料低温氧化和燃烧链式反应，形成动力学增强效应；等离子体中的物理化学反应、能量传递过程和离子焦耳效应引起气体加热和温度提升，加速化学反应，缩短燃料达到点火温度的时间，形成温升增强效应；等离子体通过燃料重整提高燃料的扩散率，改变局部流速并加速湍流和混合，形成扩散输运增强效应和对流输运增强效应。本发明的有益效果为：本发明由于采取上述技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：1在动力学增强效应、温升增强效应、扩散输运增强效应和对流输运增强效应的协同作用下，本发明能显著提高碳氢化合物燃烧的稳定性、点火速度和能量转化效率。2本发明采用纳秒脉冲电源驱动DBD微孔双电极结构，能实现明显的周期性脉冲放电，降低微孔圆阵列电极内氧化混合气体放电和燃料混合气体放电的等离子体温度，降低电极热负荷并提高系统的能量利用效率。3本发明采用具有圆周阵列微孔的双电极，形成多通道微放电和阵列状分布的均匀放电等离子体，能提高放电点火速度并降低维持稳定放电等离子体的外施电压。4本发明采用双电极对撞扩散燃烧，在双电极间隙内形成稳定的等离子体辅助燃烧区域，有较高的火焰稳定性和燃烧效率。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明附图用来提供对本发明的进一步了理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。图1为实施例1结构示意图。图中，1、脉冲电源，2、真空腔，201、观察窗，301、第一侧金属片，302、单层介质，303、第二侧金属片，4、真空泵，5、氧气罐，6、第一氩气罐，7、空气罐，8、甲烷气体罐，9、第二氩气罐，10、第一管道，11、第二管道。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所述技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。需要指出的是，以下实施例中的方位用词是根据附图和实际使用习惯进行描述的。实施例1一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，利用具有纳秒脉冲的微孔双电极结构进行气体电离形成等离子体，加速燃料低温氧化和燃烧链式反应，其具体结构包括脉冲电源1、双电极结构和密闭容器，所述脉冲电源1包括纳秒脉冲电源1转化器，所述纳秒脉冲电源1转换器能够与交流电和数字延时发生器连接，所述脉冲电源1电连接所述双电极结构，所述密闭容器中贮藏的气体能够喷射至双电极结构；所述密闭容器包括多个气罐，多个气罐中包括用于存放氧气的氧气罐5和用于存放氩气的第一氩气罐6，氧气和氩气混合为第一混合气体，喷入位于第一侧的金属片，在微孔内形成氧化混合气体放电等离子体；多个气罐中还包括用于存放甲烷气体的甲烷气体罐8、用于存放空气的空气罐7和用于存放氩气的第二氩气罐9，甲烷、空气和氩气混合为第二混合气体，进入第二侧的金属片，在微孔内形成燃料混合气体放电等离子体。还包括真空腔2，所述双电极结构设于真空腔2内，真空腔2两侧开有玻璃观察窗201。脉冲电源1连接50Hz交流电源和数字延时发生器，其中，本实施例中脉冲电源1采用纳秒脉冲电源1。在本实施例中，所述多个气罐的出口均连接气体减压阀和质量流量计，所述氧气罐5和所述第一氩气罐6的出口在经过气体减压阀和质量流量计后均连接同一气体预混阀，进而通过第一管道10进入真空腔2，第一管道10的出口正对于双电极结构的第一侧金属片301；所述甲烷气体罐8、空气罐7和第二氩气罐9的出口在经过气体减压阀和质量流量计后均连接同一气体预混阀，进而通过第二管道11进入真空腔2，第二管道11的出口正对于双电极结构的第二侧金属片303。所述双电极结构包括双层金属片与单层介质302，单层介质302设于双层金属片中间，金属片和单层介质302均设有微孔，微孔均布于金属片和单层介质302。在本实施例中，所述双层金属片和单层介质302均呈圆形，所述微孔在所述双层金属片和单层介质302中圆周阵列，所述双电极结构构成DBD。所述纳秒脉冲电源1的正极性端和负极性端分别连接一侧的金属片。当纳秒脉冲DBD采用所述双电极结构时，放电等离子体的形成时间更短，微孔电极的热负荷以及维持稳定放电等离子体的外施电压明显低于传统的交流DBD和平板电极结构。此外，采用双电极对撞扩散燃烧能在双电极间隙形成稳定的等离子体辅助燃烧区域，具有较高的火焰稳定性和燃烧效率。本实施例中所使用的较佳参数为，所述金属片为金属铝片，厚度为150μm；所述单层介质302为云母片，云母片厚度为200μm，所述微孔孔径为100μm。双层金属片与单层介质302之间的电极间隙为0.5cm至2cm。第一侧金属片301以内的氧化混合气体放电等离子体和第二侧以内的燃料混合气体放电等离子体同时进入电极间隙，并发生等离子体化学反应与燃烧化学反应以及更复杂的物理化学与相互作用，在双电极间隙内形成相对稳定的对撞扩散燃烧等离子体。采用双电极对撞扩散燃烧，在双电极间隙内形成稳定的等离子体辅助燃烧区域，有较高的火焰稳定性和燃烧效率。本实施例所公开的装置的运行原理是，等离子体中的电子与中性分子碰撞，发生解离、激发和电离等物理化学反应，生成活性粒子、激发态粒子、带电粒子和起催化作用的中间产物，加速燃料低温氧化和燃烧链式反应，形成动力学增强效应；等离子体中的物理化学反应、能量传递过程和离子焦耳效应引起气体加热和温度提升，加速化学反应，缩短燃料达到点火温度的时间，形成温升增强效应；等离子体通过燃料重整提高燃料的扩散率，改变局部流速并加速湍流和混合，形成扩散输运增强效应和对流输运增强效应。在本实施例中，为了提高真空腔2的工作水平，真空腔2通过管道连接一真空泵4。在本实施例中，为了将第一管道10和第二管道11的气体均匀喷射至第一侧金属片301和第二侧金属片303，第一管道10的末端设有直径大于第一管道10的出口，第二管道11的末端设有直径大于第二管道11的出口，出口均覆盖于第一侧金属片301或第二侧金属片303。本实施例的有益效果为：本发明由于采取上述技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：1在动力学增强效应、温升增强效应、扩散输运增强效应和对流输运增强效应的协同作用下，本发明能显著提高碳氢化合物燃烧的稳定性、点火速度和能量转化效率。2本发明采用纳秒脉冲电源1驱动DBD微孔双电极结构，能实现明显的周期性脉冲放电，降低微孔圆阵列电极内氧化混合气体放电和燃料混合气体放电的等离子体温度，降低电极热负荷并提高系统的能量利用效率。3本发明采用具有圆周阵列微孔的双电极，形成多通道微放电和阵列状分布的均匀放电等离子体，能提高放电点火速度并降低维持稳定放电等离子体的外施电压。4本发明采用双电极对撞扩散燃烧，在双电极间隙内形成稳定的等离子体辅助燃烧区域，有较高的火焰稳定性和燃烧效率。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

权利要求：1.一种微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，包括脉冲电源、双电极结构和密闭容器，所述脉冲电源包括纳秒脉冲电源转化器，所述纳秒脉冲电源转换器能够与交流电和数字延时发生器连接，所述脉冲电源电连接所述双电极结构，所述密闭容器中贮藏的气体能够喷射至双电极结构；所述双电极结构包括双层金属片与单层介质，单层介质设于双层金属片中间，金属片和单层介质均设有微孔，微孔均布于金属片和单层介质。2.如权利要求1所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源的正极性端和负极性端分别连接一侧的金属片。3.如权利要求1所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，所述金属片为金属铝片，厚度为150μm；所述单层介质为云母片，云母片厚度为200μm，所述微孔孔径为100μm。4.如权利要求1所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，所述密闭容器包括多个气罐。5.如权利要求4所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，多个气罐中至少包括用于存放氧气的氧气罐和用于存放氩气的第一氩气罐，氧气和氩气混合为第一混合气体，喷入位于第一侧金属片，在微孔内形成氧化混合气体放电等离子体；多个气罐中至少还包括用于存放甲烷气体的甲烷气体罐、用于存放空气的空气罐和用于存放氩气的第二氩气罐，甲烷气体、空气和氩气混合为第二混合气体，进入第二侧金属片，在微孔内形成燃料混合气体放电等离子体。6.如权利要求5所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，所述氧气罐和第一氩气管通过第一管道将气体喷射至第一侧金属片，所述甲烷气体罐、空气罐和第二氩气管通过第一管道将气体喷射至第一侧金属片，所述第一管道的末端设有直径大于第一管道的第一出口，第二管道的末端设有直径大于第二管道的第二出口，第一出口覆盖于第一侧金属片，第二出口覆盖于第二侧金属片7.如权利要求5所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，第一侧金属片以内的氧化混合气体放电等离子体和第二侧以内的燃料混合气体放电等离子体同时进入电极间隙，并发生等离子体化学反应与燃烧化学反应以及更复杂的物理化学与相互作用，在双电极间隙内形成相对稳定的对撞扩散燃烧等离子体。8.如权利要求1所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，双层金属片与单层介质之间的电极间隙为0.5cm至2cm。9.如权利要求1所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，还包括真空腔，所述双电极结构设于真空腔内，真空腔两侧开有玻璃观察窗。10.如权利要求9所述的微孔双电极等离子体辅助对撞扩散燃烧装置，其特征在于，所述真空腔还连接真空泵。

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