一种等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台的制作方法

1.本发明属于新型燃烧技术领域，具体涉及一种等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台。


背景技术：

2.发动机作为车辆、船舶、飞机等交通工具的主要动力来源，在现代交通运载体系中扮演着重要的角色。燃料的着火与燃烧，对发动机的动力性、经济性和排放性有着极大的影响。节能减排和发展清洁替代燃料的能源趋势，对发动机的燃烧技术提出了新的发展方向。等离子体作为不同于气、液、固的物质第四态，其中包含的电子、离子、活性自由基、激发态组分等粒子可以通过热效应、动力学效应以及输运效应对燃烧起到促进作用。等离子体辅助燃烧作为一种调控发动机点火与燃烧特性的新型技术手段，在拓宽着火极限、缩短着火延迟时间、提高火焰稳定性等方面体现出较大的应用价值。等离子体助燃技术中最常采用的是非平衡等离子体，即电子温度较高，而离子和中性粒子的温度较低，这种等离子体可以通过介质阻挡放电、滑动弧放电、电晕放电和微波放电等方式产生。
3.目前，等离子体辅助气体燃料氧化、热解和重整的实验和模拟研究被更多地关注，而液体燃料的相关研究比较缺乏。另外，非平衡等离子体对燃烧的动力学增强作用在低温条件下更为显著，但是由于等离子体反应与燃烧反应复杂的相互作用，目前的反应动力学模型仍然存在较大的不确定性，需要大量实验数据的支持。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台，具体是一种能够在不同放电形式及不同反应温度的条件下，气体或液体燃料在等离子体辅助氧化、热解或重整反应过程中，对其中间反应产物进行检测分析的实验装置，有利于气液燃料的等离子体
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燃烧化学反应动力学的研究及相关机理的发展。
5.本发明采用如下的技术方案实现：
6.一种等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台，该实验平台用于气体燃料和液体燃料在等离子体中的氧化、热解和重整研究，包括进气系统、反应系统、电源供电系统、产物检测系统及排气系统；
7.进气系统，用于提供稀释气体及燃料气体的混合与加热，当燃料为液体时，首先将液体燃料气化，再与稀释气体进行混合；
8.反应系统，用于为实验过程提供温度、压力可控的反应区域，同时提供双介质阻挡放电结构，产生均匀的非平衡等离子体；
9.电源供电系统，用于提供持续的电场，检测放电过程中的电压和电流，确保反应过程中有非平衡等离子的参与；
10.产物检测系统，用于收集恒定体积的反应产物并对其离线检测，实现能源转换过程中微观组分的诊断与分析；
11.排气系统，用于控制反应器中的压力变化，并将反应产生的气体排出系统。
12.本发明进一步的改进在于，进气系统包括气体燃料、质量流量计、流量计控制器、液体燃料、液体注射泵、加热带以及蒸发罐；
13.气体燃料以及稀释气体通过质量流量计连接至不锈钢管中进行加热与混合，质量流量计由流量计控制器为其提供电源并控制流量；
14.若为燃料为液体，液体通过液体注射泵连接至蒸发罐进行气化，蒸发罐外设置的加热带被设定为目标燃料沸点以上的温度，蒸发后的气体与稀释气同样在不锈钢管中进行加热与混合。
15.本发明进一步的改进在于，反应系统包括电加热炉、石英流动管、k型热电偶、数字温度计、密封法兰、外置铜环电极、内置铜棒电极以及包覆在铜棒电极上的石英管；
16.整个反应结构的两端由密封法兰结合橡胶圈密封，反应器温度由电加热炉控制；外置铜环电极、石英流动管、内置铜棒电极以及包覆在铜棒电极上的石英管四个部件之间保证预设的同轴度，从而构成均匀的放电区域；反应气体能够由进气端进入石英流动管后流经放电区域，从排气端流出；k型热电偶通过密封法兰上的开孔放置进石英流动管内对反应温度进行实时监测，探头处位于放电区域末端以避免对放电的干扰。
17.本发明进一步的改进在于，电源供电系统包括电压探头、电流探头、示波器以及放电电源；
18.放电电源的正负两极分别接在外置铜环电极和内置铜棒电极上，为其提供电压，放电电压和电流通过电压探头和电流探头探测并在示波器上显示记录。
19.本发明进一步的改进在于，该实验平台支持多种放电电源产生的等离子体放电。
20.本发明进一步的改进在于，石英流动管具有双层介质阻挡放电结构，其能够产生更加均匀的放电电场。
21.本发明进一步的改进在于，电加热炉为燃料反应提供了298k
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1200k宽广范围的初始温度条件；
22.k型热电偶的放置位置能够使其监测到真实的燃料与等离子体的反应温度，且有效避免了热电偶对放电电场的影响。
23.本发明进一步的改进在于，产物检测系统包括负压气体收集装置、真空计、气相色谱仪和气相色谱/质谱联用仪以及计算机；
24.反应后的气体由负压气体收集装置收集并压缩，收集装置内的压力由真空计检测，压缩后的反应气体进入气相色谱仪和气相色谱/质谱联用仪进行组分检测，并将结果反馈于计算机上。
25.本发明进一步的改进在于，负压气体收集装置的使用允许反应在绝压0
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100kpa的负压条件下进行。
26.本发明进一步的改进在于，产物排气系统包括微量调节阀和真空泵；
27.通过旋转调节微量阀，控制从真空泵排入大气的气量，进一步控制反应结构中的压力，使其恒定在负压状态，并将多余产物气体及时排出。
28.本发明至少具有如下有益的技术效果：
29.本发明提供的一种等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台，该实验平台首先通过进气系统实现气体或液体燃料与稀释气体的混合及进气，接着外加电压通过
在石英流动管的内外电极间放电产生等离子体，与流入石英管的气体发生反应，产物气体被负压气体收集装置收集，并增压到一个大气压以上，使产物气体可以顺利进入检测系统进行检测分析。概括来说，本发明具有如下优点：
30.1、本发明可用于气体燃料和液体燃料在等离子体中的氧化、热解和重整研究。
31.2、本发明通过双层介质阻挡放电结构产生更加均匀的放电电场。
32.3、本发明支持多种电源形式产生的等离子体放电。
33.4、本发明通过电炉加热为燃料反应提供了宽广范围的初始温度条件。
34.5、本发明中热电偶的放置位置可以使其监测到真实的燃料与等离子体的反应温度，且有效避免了热电偶对放电电场的影响。
35.6、本发明采用的负压气体收集装置允许燃料反应在负压条件下进行。
附图说明
36.图1为本发明等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台结构图。
37.图2为双层介质阻挡放电结构放电区域的局部剖视图。
38.图3为双层介质阻挡放电结构的左侧剖视图。
39.附图标记说明：
[0040]1‑
气体燃料，2
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液体燃料，3
‑
质量流量计，4
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流量计控制器，5
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液体注射泵，6
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蒸发罐，7
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加热带，8
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电加热炉，9
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石英流动管，10
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热电偶，11
‑
数字温度计，12
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密封法兰，13
‑
电压探头，14
‑
电流探头，15
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示波器，16
‑
放电电源，17
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微量调节阀，18
‑
真空泵，19
‑
负压气体收集装置，20
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真空计，21
‑
气相色谱仪，22
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气相色谱/质谱联用仪，23
‑
计算机，24
‑
外置铜环电极，25
‑
内置铜棒电极，26
‑
石英管。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
[0042]
参见图1至图3，本发明提供了一种等离子体辅助气液燃料氧化、热解和重整的实验平台，其中，进气系统主要由气体燃料1、液体燃料2、质量流量计3、流量计控制器4、液体注射泵5、蒸发罐6以及加热带7组成；反应系统主要由电加热炉8，石英流动管9、密封法兰12、热电偶10及数字温度计11组成，其中石英流动管9中包括了外置铜环电极24、内置铜棒电极25以及包覆于内电极上的石英管26；电源供电系统由电压探头13、电流探头14、示波器15及放电电源16组成；排气系统由微量调节阀17和真空泵18组成；产物检测系统由负压气体收集装置19、气相色谱仪21、气相色谱/质谱联用仪22及计算机23组成。
[0043]
反应系统在外加电场的作用下，通过放置在石英流动管9内外且保持同轴的铜棒电极和铜环电极，在流动管放电区域产生均匀的等离子体放电现象。
[0044]
进气系统中包括一个用于液体燃料2蒸发的蒸发罐6，蒸发罐6外通过加热带7加热使罐内温度保持在液体燃料2沸点之上，蒸发罐6内加入钢珠以增加换热面积，一方面促进液体燃料2蒸发，另一方面有利于载气和气化后的燃料混合。蒸发罐6的设计使本发明不仅可以用于气体燃料1的研究，也可用于液体燃料2的研究。加热过程是为了使液体燃料始终保持气化状态，同时减小反应系统与混合反应气体的温度梯度。
[0045]
反应系统采用了双层介质阻挡放电结构，包括石英流动管主体、外置铜环电极24、
内置铜棒电极25、以及包覆在内置铜棒电极25外的石英管26，其中外置铜环电极24与内置铜棒电极25保证了一定的同轴度。在两个放电电极间插入双层绝缘介质，形成双层介质阻挡放电系统，可以在一定空间内获得大流量、高能量、高密度的非平衡等离子体，且更有利于放电的均匀性。
[0046]
反应系统中包含了一个电加热炉8，用于实现对放电结构的加热，从而对气液燃料反应提供宽广范围的初始温度条件。
[0047]
用于监测反应温度的热电偶10直接位于气体流动的流场内部，而不是与气体流场之间相隔一层绝缘介质，这种放置方式使热电偶10监测到的温度能够真实地反映燃料分子与等离子体发生反应时的实际温度；且热电偶10的探头位于等离子体放电区域的末端，有效地避免了热电偶10对放电场强的干扰。
[0048]
采用了一种负压气体收集装置19，通过将装置抽真空来实现负压气体的收集，通过手动增压使收集到的气体顺利进入检测系统。这种负压气体收集装置16，为气液燃料反应提供了的宽广范围的初始压力条件，允许反应在负压环境下进行。
[0049]
在电源供电系统中，可以方便地更换放电电源16，根据不同的研究需求，可以进行纳秒脉冲放电、射频放电、直流放电、交流放电等多种形式的等离子体放电。
[0050]
工作过程：首先打开电加热炉8将温度上升到设定值。当需要在负压环境下开展研究时，先通过真空泵18将负压气体收集装置19与石英流动管9抽真空。气体燃料1通过流量计控制器4控制的质量流量计3进行进气和混合，液体燃料2通过液体注射泵5进入蒸发罐6，加热带7将蒸发罐6的温度加热到液体燃料沸点以上，使燃料蒸发，并汇入主气路，进入石英流动管9。开启真空泵18，通过调节微量调节阀17使石英流动管9内部保持恒定的负压状态，此时，已经真空状态的负压气体收集装置19并未开始收集气体。接着通过对放电电源16进行电压、频率、脉宽等的参数设置，在外置铜环电极24和内置铜棒电极26之间加上施加电压开始放电，放电电压和放电电流分别通过电压探头13和电流探头14探测并在示波器15上显示记录。放电过程稳定后，负压收集装置19开始收集反应气体，装置内的压力由真空计20检测并显示。完成气体收集后，通过手动增压，使收集到的反应气体进入气相色谱仪21和气相色谱/质谱联用仪22进行产物组分的检测，并将检测结果反馈在计算机23上。通过数据分析，可以得到在一定温度和压力条件下，气体燃料或液体燃料在等离子体辅助氧化、热解和重整过程中表现出的化学反应动力学特性，有助于等离子体
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燃烧化学反应机理的研究。