一种基于磁约束的火焰约束强化装置的制作方法

2021-03-04 06:03:50|

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本实用新型涉及一种基于磁约束的火焰约束强化装置。

背景技术：

磁约束是基于磁场与电子相互作用的反应过程约束手段之一。长期以来，磁约束在原子能应用方向有了长足的研究，特别是针对核聚变的等离子体约束，国内外学者开展了大量基础及应用研究，取得了可观的研究及应用成果。

等离子体是处于高温或特定激励下的一种物质状态，是部分或完全电离的离子化的气态状物质，由大量的带电粒子(离子、电子)和中性粒子(原子、分子)组成，其温度可以高达上万度。当前，等离子体技术已广泛应用于焊接、切割、点火、金属冶炼、垃圾焚烧及废物处理等领域，但是这些领域中对火焰的控制大部分是基于对助燃剂量的控制。

现有技术对于高温火焰(2200℃以上)的控制大多是通过耐火材料(如耐火砖、石棉等)将其约束在一定空间内，但是高温火焰的高温或者在高温下的反应物容易对耐火材料造成腐蚀(或者损害)，使耐火材料的耐火性能失效(普通耐火砖失效温度约为1600℃左右)。因此，对于约束高温火焰而言，对耐火材料的要求很高，从而增加了工厂的成本、浪费人力物力。

因此，亟需一种简单、有效的约束火焰的方式。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是为了克服在高温(火焰外焰温度大于2200℃)下，耐火材料无法安全、有效约束火焰，以及为强化燃烧过程而提高单位体积燃烧强度(或者单位体积内单位时间完全燃烧掉的燃料量)困难的缺陷，而提供一种基于磁约束的火焰约束强化装置。

本实用新型基于磁镜原理，利用磁场对火焰中等离子体的作用以及直流电场作用于燃烧火焰内的等离子体产生电流，电子数量的增加强化了磁场对火焰的约束，通过调整磁铁的布置方式、磁铁之间的间距，从而对火焰进行不同程度的约束，设计了一种简单、有效的火焰强化约束装置。

本实用新型通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于磁约束的火焰约束强化装置，其包括相对设置的第一导轨和第二导轨；

所述第一导轨上设置有第一环形永磁铁，所述第二导轨上设置有位于所述第一环形永磁铁上方区域的第二环形永磁铁；

所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距调整通过所述第一环形永磁铁和/或所述第二环形永磁铁的移动实现；

所述第一环形永磁铁的磁极与所述第二环形永磁铁的磁极的设置方式：由上至下均为n极→s极或者均为s极→n极；

所述火焰约束强化装置还包括喷嘴；

所述第一环形永磁铁位于所述喷嘴的出口处形成的火焰顶点下方区域、且所述第二环形永磁铁位于所述喷嘴的出口的上方区域；

所述火焰约束强化装置还包括位于所述喷嘴上方的、且与正极相连的第一导体；

所述喷嘴的中心轴线贯穿所述第一环形永磁铁的环形区域内、所述第二环形永磁铁的环形区域内，且贯穿所述第一导体围合的区域或者与所述第一导体相交；

当所述火焰约束强化装置不包括套设于所述喷嘴的出口处、且与负极相连的第二导体时，所述喷嘴为可导电材质、且与负极相连；

当所述火焰约束强化装置还包括套设于所述喷嘴的出口处、且与负极相连的第二导体时，所述喷嘴为导电材质或非导电材质；

所述第一导体与所述第二导体或与所述喷嘴的配合用于产生直流电场。

本实用新型中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第一导轨之间通过第一滑块连接。

本实用新型中，较佳地，所述第二环形永磁铁与所述第二导轨之间通过第二滑块连接。

其中，较佳地，所述第一滑块与所述第二滑块分别可沿所述第一导轨与所述第二导轨移动。

其中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距通过所述第一滑块和/或所述第二滑块的移动来调整。此处，“移动”的调整方式可为本领域常规，例如采用轨道顶端螺杆头部的手柄摇动轨道内螺杆的方式调节，并能够在适当的位置锁住。

本实用新型中，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的形状可为本领域常规的闭合形状永磁铁，例如圆环形、空心圆柱体、椭圆形、方形空心型永磁铁等。

本实用新型中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁为两个相同的磁铁。此处，所述“相同”为本领域常规理解的含义，一般是指磁铁的大小、形状和磁场强度等均相同。

本实用新型中，较佳地，所述第一环形永磁铁的环内中心磁场方向与所述第二环形永磁铁的环内中心磁场方向平行。更佳地，所述第一环形永磁铁的环内中心磁场方向与所述第二环形永磁铁的环内中心磁场方向均与所述第一导轨或所述第二导轨平行。进一步更佳地，所述第一环形永磁铁的环内中心磁场方向与所述第二环形永磁铁的环内中心磁场方向在同一直线上。本实用新型中的环形磁铁的环内中心磁场方向与环形磁铁的中心轴线在同一条直线上。

本实用新型中，较佳地，所述喷嘴的中心轴线、所述第一导体的中心轴线和所述第二导体的中心轴线平行。更佳地，所述喷嘴的中心轴线、所述第一导体的中心轴线和所述第二导体的中心轴线均与所述第一导轨或所述第二导轨平行。进一步更佳地，所述喷嘴的中心轴线、所述第一导体的中心轴线和所述第二导体的中心轴线在同一直线上。

本实用新型中，较佳地，所述第一环形永磁铁的中心轴线、所述第二环形永磁铁的中心轴线、所述喷嘴的中心轴线、所述第一导体的中心轴线和所述第二导体的中心轴线相互平行。更佳地，所述第一环形永磁铁的中心轴线、所述第二环形永磁铁的中心轴线、所述喷嘴的中心轴线、所述第一导体的中心轴线和所述第二导体的中心轴线均与所述第一导轨或所述第二导轨平行。进一步更佳地，所述第一环形永磁铁的中心轴线、所述第二环形永磁铁的中心轴线、所述喷嘴的中心轴线、所述第一导体的中心轴线和所述第二导体的中心轴线在同一直线上。

本实用新型中，所述第一导体和/或所述第二导体可为本领域常规的导电材质，例如铜。所述第一导体的形状可为本领域常规，较佳地为闭合形状导电环，例如圆环、方环。所述第二导体的形状可为本领域常规的闭合形状导电环，例如圆环、方环。

本实用新型中，较佳地，当所述火焰约束强化装置包括套设于所述喷嘴的出口处、且与负极相连的第二导体时，所述第二导体和所述第一导体均与一调压器的输出端连接，且所述第二导体与所述调压器的输出端子负极相连，所述第一导体与所述调压器的输出端子正极相连。所述连接方式可为本领域常规，例如通过导线连接。

本实用新型中，较佳地，当所述火焰约束强化装置不包括套设于所述喷嘴的出口处、且与负极相连的第二导体时，所述喷嘴和所述第一导体均与一调压器的输出端连接，且所述喷嘴与所述调压器的输出端子负极相连，所述第一导体与所述调压器的输出端子正极相连。

其中，所述调压器一般设有调压器输入端子。所述调压器可将外部交流电转换为直流电，经过调压后输出至所述调压器的输出端子正极和所述调压器的输出端子负极。

本实用新型中，较佳地，所述第一环形永磁铁的内径与所述第二环形永磁铁的内径为所述喷嘴的出口直径的10倍以上。一般永磁铁的直径过小，火焰高温会导致永磁铁过热而消磁速度较快。

本实用新型中，较佳地，所述喷嘴位于所述第一环形永磁铁下方区域。

本实用新型中，所述喷嘴的结构可为本领域常规，较佳地，所述喷嘴为双通道结构，所述双通道结构包括用于输送氧化剂的通道和用于输送燃料的通道。

其中，所述用于输送氧化剂的通道可为所述双通道结构中的内通道或外通道。所述用于输送燃料的通道也可为所述双通道结构中的内通道或外通道。

其中，当所述内通道和所述外通道分别用于输送燃料和氧化剂时，一般在所述喷嘴的出口处点燃后形成正扩散火焰。

其中，当所述内通道和所述外通道分别用于输送氧化剂和燃料时，一般在所述喷嘴的出口处点燃后形成反扩散火焰。

其中，较佳地，所述用于输送氧化剂的通道内径与所述用于输送燃料的通道内径比例为4:1～2:1。

本实用新型中，所述喷嘴的出口处形状较佳地为圆柱状。

一般地，正扩散火焰或反扩散火焰在高温下其内部形成部分高温等离子体。

其中，较佳地，所述用于输送氧化剂的通道和所述用于输送燃料的通道分别套设有喷嘴管道绝缘连接器。所述喷嘴管道绝缘连接器用于防止通道接口处导电。

本实用新型中，所述喷嘴的导电材质可为本领域常规，例如不锈钢、铜等材料。较佳地，所述喷嘴套设有喷嘴绝缘法兰。所述喷嘴绝缘法兰用于连接所述喷嘴与所述喷嘴的固定座。所述喷嘴绝缘法兰和所述喷嘴管道绝缘连接器的材质可为本领域常规的绝缘体。

本实用新型中，较佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距大于等于所述喷嘴的出口处形成的火焰自由基高度、且小于等于所述喷嘴的出口处形成的火焰高度。更佳地，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距等于所述喷嘴的出口处形成的火焰自由基高度。

本实用新型中，较佳地，所述第一导体与所述喷嘴的出口的垂直间距大于等于所述喷嘴的出口处形成的火焰自由基高度、且小于等于所述喷嘴的出口处形成的火焰高度。更佳地，所述第一导体与所述喷嘴的出口的垂直间距等于所述喷嘴的出口处形成的火焰自由基高度。

其中，火焰自由基的观测方式可为本领域常规，例如紫外相机。

采用本实用新型的上述火焰约束强化装置约束火焰时，约束方法可以采用以下步骤：

s1：在所述喷嘴的出口处形成外焰温度为2200℃以上的火焰；

s2：改变所述火焰的高度：调整所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距和/或调整所述喷嘴和所述第一导体之间的电压。

其中，较佳地，所述第一导体与所述第二导体或与所述喷嘴之间的施加电压为300v以上，更佳地为600v以上。

其中，所述“调整”的情形例如：当所述第一环形永磁铁位于所述喷嘴的出口处、且所述第二环形永磁铁位于所述火焰的顶点处时，调大所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距，会缩短所述火焰的高度，此时约束效果相对减弱；再例如，减小所述第一导体与所述喷嘴或所述第二导体之间的电压时，依然缩短所述火焰的高度，此时约束效果相对减弱；增大所述第一导体与所述喷嘴或所述第二导体之间的电压时，会相对明显缩短所述火焰的高度，此时约束效果增强。

一般情况，调大所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距时，磁场强度减小，一般情形下约束能力减弱，特殊情形下具体火焰的约束情况根据两磁铁之间含括的等离子体数量和电子数量确定，等离子体数量或电子数量可通过紫外相机或高光谱相机观测；或者调小所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁的垂直间距时，磁场强度减大，一般情形下约束能力增强，特殊情形下具体火焰的约束情况根据两磁铁之间含括的等离子体数量和电子数量确定，等离子体数量或电子数量可通过紫外相机或高光谱相机观测。

本实用新型中，所述氧化剂可为本领域常规，例如纯净的氧气。所述燃料可为本领域常规，例如甲烷。

本实用新型中，所述双通道结构中，所述氧化剂和所述燃料的摩尔流量比可为本领域常规，摩尔流量一般是指单位时间流经管道或设备的流体的物质的摩尔量(单位可为mol/s、mol/min；)，较佳地为1:1～1:6。

本实用新型的所述约束方法主要基于磁镜原理实现：采用一对环形永磁铁，第一环形永磁铁置于火焰下部，第二环形永磁铁置于火焰上端，两只环形永磁铁磁场方向(即磁感线方向)沿轴向一致，上下构成一套两头强，中间弱的磁镜，所述喷嘴处在燃烧过程中高温火焰内形成等离子体；同时，导体与可导电的喷嘴在喷嘴出口形成的火焰间形成电场，直流电场作用于燃烧火焰内的等离子体产生电流，电子数量(可根据高光谱相机观测)的增加强化了磁镜对火焰的约束作用，从而增强了磁场对火焰的约束，火焰的单位体积内的燃烧强度增加。

第二环形永磁铁与第一环形永磁铁之间的间距可以通过移动而改变，间距的调整将改变磁镜的结构及磁场强度分布，并通过改变调压器电压控制(电压的增大会缩短两电极间的击穿距离，从而增加单位时间内电子通过的数量)等离子体内电流，二者共同作用可以调整火焰内等离子体和电子的数量，从而磁镜对燃烧火焰不同的约束效果，改变火焰结构和燃烧强度，达到燃烧约束强化的目的。

第二环形永磁铁与第一环形永磁铁的间距越小，其所构成的磁镜在两永磁铁轴向间距中心点的磁场强度越强；以及导体与可导电的喷嘴间的距离越小，火焰内等离子体数量越多，对燃烧火焰的约束力越强，燃烧火焰的火焰长度或高度越小，单位体积内的燃烧强度越大，但磁场和电场共同作用时对燃烧约束强化存在极限，即当等离子体在运动至所述第二环形永磁铁时，其运动速度超过磁镜所能约束等离子体的极限速度时，将发生等离子体的逃逸(可以通过本领域常规的紫外相机观测)，因此无法对达到该燃烧扩散速度的火焰进行完全约束，但仍可降低燃烧火焰扩散速度，在一定程度上约束并强化燃烧过程。

本实用新型的上述火焰约束强化装置还可以应用于等离子体喷枪和/或火炬中。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型所用试剂和原料均市售可得。

本实用新型的积极进步效果在于：

1)本实用新型的燃烧火焰约束装置，克服了耐火材料无法在高温下约束火焰结构的困难，利用磁场对火焰中等离子体作用以及直流电场作用于燃烧火焰内的等离子体产生电流，电子数量的增加强化了磁镜对火焰的约束，实现了对高温燃烧火焰的简单、有效的强化约束。

2)本实用新型的火焰约束方法在采用本实用新型的火焰约束装置基础上，调整两磁铁之间的间距，以及导体与喷嘴之间的间距，可以实现对火焰不同程度的约束。

附图说明

图1为本实用新型一种燃烧约束强化装置的结构示意图。

图2为对比例2的基于磁约束的燃烧火焰约束装置。

附图标记说明：

1-第一导轨，2-第二导轨，3-第一环形永磁铁，4-第二环形永磁铁，5-第一滑块，6-第二滑块，7-喷嘴内通道，8-喷嘴外通道，9-喷嘴，10-第二环形永磁铁的环内中心磁场方向，11-喷嘴管道绝缘连接器，12-喷嘴绝缘法兰，13-第一导体，14-正极导线，15-负极导线，16-调压器的输出端子正极，17-调压器的输出端子负极，18-调压器输入端子，19-第一环形永磁铁的环内中心磁场方向，20-调压器。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示为基于磁约束的燃烧火焰约束强化装置的实施例。其包括相对设置的第一导轨1和第二导轨2，第一环形永磁铁3(磁极的设置方式为：沿中心轴线由上至下为s极至n极)和位于上方的第二环形永磁铁4(磁极的设置方式为：沿中心轴线由上至下为s极至n极)，第一滑块5和第二滑块6，设置于第一环形永磁铁3下方区域的可导电的喷嘴9(本实施例中为不锈钢双通道结构的喷嘴)，喷嘴9外套设有喷嘴绝缘法兰12，聚四氟乙烯材质的喷嘴绝缘法兰12与喷嘴支架相连并保持绝缘；喷嘴9上设置有用于输送燃料的喷嘴内通道7和用于输送氧化剂的喷嘴外通道8，且喷嘴内通道7和喷嘴外通道8外壁均套设有聚四氟乙烯材质的喷嘴管道绝缘连接器11，其与燃料或氧化剂管道相连并保持绝缘。

调压器20上设置有调压器输入端子18，用于接通电源，调压器的输出端子正极16和17-调压器的输出端子负极；其中调压器的输出端子正极16通过正极导线14与第一导体13(本实施例中为圆环)连接，调压器的输出端子正极17通过正极导线15与喷嘴9连接。调压器20调压器输入端子18输入的电压为220v，50hz的家用电，经过整流电路将交流电变为直流电，直流电输出电压为600v，第一导体13在轴向方向上高于第二环形永磁铁4的垂直间距50mm。

第一导轨1和第二导轨2的长度为800mm，其上分别了设置有第一滑块5和第二滑块6，第一滑块5和第二滑块6分别可沿第一导轨与第二导轨移动，滑块的移动由螺杆和步进电机控制，并能够在适当的位置锁死。第一滑块5连接有第一环形永磁铁3，第二滑块6连接有第二环形永磁铁4，第一环形永磁铁3和第二环形永磁铁4处于同一中心轴线，在沿中心轴线移动并调整间距的同时，二者保持平行，且第一环形永磁铁3的环内磁场方向10和第二环形永磁铁4的环内磁场方向19保持一致。

在此实施例中，两只环形永磁铁规格相同：尺寸均为外径220mm、内径180mm、厚35mm的环形结构，沿10和19的磁场方向从下至上均为n极至s极，磁感应强度在靠近圆环处最大，约为0.05wb/m²。两只滑块带动两只环形永磁铁沿导轨滑动，调整两者的间距，间距调节范围为600mm～30mm，在两磁铁中心连接线的中点处，磁感应强度随两者间距的增加而减小。

在此实施例中，喷嘴内通道7和喷嘴外通道8的通道内径比为3:10，分别用于输送甲烷气体和纯氧，在喷嘴出口处点燃并形成正扩散火焰，火焰的外焰温度可达2850℃，火焰在高温下其内部形成数量可观的高温等离子体。

与此同时，调压器20经过调压后输出至调压器的输出端子正极16和调压器的输出端子负极17，正极通过正极导线14将正电荷转移至正极末端第一导体13，负极通过负极导线15将负电荷转移至可导电材质的喷嘴9，二者在喷嘴出口形成的火焰间施加600v的电场。当燃烧比较强烈、火焰长度较长的情况，在实验之前可适当调大喷嘴和第一导体之间的距离。直流电场作用于燃烧火焰内的等离子体产生电流，电子数量的增加强化了磁镜对燃烧的约束，增加了单位体积内燃烧强度。

对比例1

采用如图1所示的燃烧火焰约束装置，与实施例1不同的是：将第一环形永磁铁和第二环形永磁铁替换为两个非磁铁环(此实施例中为不锈钢)。该装置包括相对设置的第一导轨1和第二导轨2，第一非磁铁环3和位于上方的第二非磁铁环4，第一滑块5和第二滑块6，设置于第一非磁铁环3下方区域的可导电的喷嘴9(本实施例中为不锈钢双通道结构的喷嘴)，喷嘴9外套设有喷嘴绝缘法兰12，聚四氟乙烯材质的喷嘴绝缘法兰12与喷嘴支架相连并保持绝缘；喷嘴9上设置有用于输送燃料的喷嘴内通道7和用于输送氧化剂的喷嘴外通道8，且喷嘴内通道7和喷嘴外通道8外壁均套设有聚四氟乙烯材质的喷嘴管道绝缘连接器11，其与燃料或氧化剂管道相连并保持绝缘。

第一导轨1和第二导轨2的长度为800mm，其上分别了设置有第一滑块5和第二滑块6，第一滑块5和第二滑块6分别可沿第一导轨与第二导轨移动，滑块的移动由螺杆和步进电机控制，并能够在适当的位置锁死。第一滑块5连接有第一非磁铁环3，第二滑块6连接有第二非磁铁环4，第一非磁铁环3和第二非磁铁环4处于同一中心轴线，在沿中心轴线移动并调整间距的同时，二者保持平行。

在此实施例中，两只非磁铁环规格相同：尺寸均为外径220mm、内径180mm、厚35mm的环形结构。两只滑块带动两只环形非磁铁环沿导轨滑动，调整两者的间距，间距调节范围为600mm～30mm。

与此同时，调压器20经过调压后输出至调压器的输出端子正极16和调压器的输出端子负极17，正极通过正极导线14将正电荷转移至正极末端第一导体13，负极通过负极导线15将负电荷转移至可导电材质的喷嘴9，二者在喷嘴出口形成的火焰间施加600v的电场，当燃烧比较强烈、火焰长度较长的情况，在实验之前可适当调大喷嘴和第一导体之间的距离。直流电场作用于燃烧火焰内的等离子体产生电流，电子数量虽然增加，但并不对火焰有约束力，燃烧强度并未增加。

对比例2

采用如图2所示的基于磁约束的燃烧火焰约束装置，与实施例1不同的是：去掉电场相关的结构。其包括相对设置的第一导轨1和第二导轨2，第一环形永磁铁3(磁极的设置方式为：沿中心轴线由上至下为s极至n极)和位于上方的第二环形永磁铁4(磁极的设置方式为：沿中心轴线由上至下为s极至n极)，第一滑块5和第二滑块6，设置于第一环形永磁铁3下方区域的喷嘴9，喷嘴9外套设有喷嘴绝缘法兰12，聚四氟乙烯材质的喷嘴绝缘法兰12与喷嘴支架相连并保持绝缘；喷嘴9上设置有用于输送燃料的喷嘴内通道7和用于输送氧化剂的喷嘴外通道8，且喷嘴内通道7和喷嘴外通道8外壁均套设有聚四氟乙烯材质的喷嘴管道绝缘连接器11，其与燃料或氧化剂管道相连并保持绝缘。

第一导轨1和第二导轨2的长度为800mm，其上分别了设置有第一滑块5和第二滑块6，第一滑块5和第二滑块6分别可沿第一导轨与第二导轨移动，滑块的移动由螺杆和步进电机控制，并能够在适当的位置锁死。第一滑块5连接有第一环形永磁铁3，第二滑块6连接有第二环形永磁铁4，第一环形永磁铁3和第二环形永磁铁4处于同一中心轴线，在沿中心轴线移动并调整间距的同时，二者保持平行，且第一环形永磁铁3的环内磁场方向19和第二环形永磁铁4的环内磁场方向19保持一致。

在此实施例中，喷嘴内通道7和喷嘴外通道8的通道内径比为3:10，分别用于输送甲烷气体和纯氧，在喷嘴出口处点燃并形成正扩散火焰，火焰的外焰温度可达2850℃，火焰在高温下其内部形成数量可观的高温等离子体。通过磁镜对等离子体的约束作用，将高温火焰约束于两磁铁之间。但是在同样磁场、同样磁间距的条件下，火焰被约束的效果弱于实施例1，或者说火焰被缩短的趋势小于实施例1。

本实用新型不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，均落在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

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