[发明专利]基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统

说明书

技术领域

本发明属于微燃烧技术领域，涉及一种基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统。

背景技术

微燃烧与传统燃烧功能相同，就是将燃料的化学能高效转化为热能和动能，同时具有可靠的点火方式、较宽的运行界限和较小的压力损失。但尺度的减小为微尺度燃烧带来了很多挑战：（1）燃料混合困难：因为微尺度小燃料混合物流动的雷诺数很小，流动处于层流状态。因此混合不能依靠强烈的湍流混合，而是依靠分子扩散。（2）较小的燃料滞留时间：随着尺度的减小，燃料在燃烧室内的滞留时间大大缩减，通常约为0.5ms，达到了燃料的特征反应时间，因此邓克尔准数Da接近于甚至小于1，因此很多燃料来不及反应就被排除室外，燃烧效率降低。（3）较大的燃烧热损失：随着尺度的减小，燃烧室的表面积体积比大大增加，相应的表面散热量也大大增加，从而影响燃烧效率。同时散热严重，会造成燃烧室温度降低，降低反应速度，增加反应时间，使得燃烧运行界限变窄，邓克尔数更小，燃烧效率降低。燃烧的不稳定性增强：随着尺度的减小，燃烧不稳定，甚至出现熄火现象。主要因为：表面积体积比增大，热损失增大，反应温度降低，延缓燃烧反应速率反应运行界限减小，反应延缓甚至停止；燃烧室体积减小，从而减小了燃料的停留时间，加大气体流速，短时间内可导致不反应而出现吹熄。反应过程产生许多中间产物，其中具有活性的自由基将会影响反应的连续性。大尺度下，自由基壁面消耗可以忽略，但在微尺度下，分子扩散到壁面的距离很短，单位时间与壁面的碰撞频率增加，因此自由基壁面消耗很大，对整体反应影响加大。

因此，本发明提出采用基于数字全息光镊的微颗粒燃料微燃烧控制系统，可以增加燃料在微燃烧芯片中的滞留时间，提高燃料的混合程度，实现微颗粒燃料在微燃烧芯片里燃烧，而且可以有效进行操控，提高燃烧的效率和燃料能量利用率。

发明内容

本发明为了解决使用液体或固体微颗粒燃料微燃烧系统中微燃烧有效控制及系统集成问题，提出了一种基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统。

本发明采取的技术方案为：

基于数字全息光镊的微颗粒群燃料微燃烧系统包括第一激光驱动器、第一激光器、第一分光镜、第二激光器、衰减片、第二反光镜、准直透镜组、第一反光镜、空间光调制器、扩束镜组、第二分光镜、物镜、微颗粒群燃料、微燃烧芯片、第三分光镜、第三反光镜、CCD相机、红外摄像机、第一图像采集卡、第二图像采集卡、数据采集卡、计算机、氮气储气瓶、氧气储气瓶、第一流量计、第二流量计、缓冲罐、第一阀门、第二阀门、气相色谱质谱联用仪、第三阀门、真空泵、照明系统、载物台、压电陶瓷和压力表。

第一激光器发出的光经过第一分光镜入射到准直透镜组中对光路进行准直；然后经第一反光镜入射到空间光调制器中，空间光调制器反射的光经过扩束镜组扩束，扩束光束经第二分光镜反射至物镜聚焦于微颗粒群燃料上，微颗粒群燃料被捕获而均匀分布；第一激光器由第一激光驱动器驱动和控制；微颗粒群燃料被置于微燃烧芯片中。

第二激光器发出的光经衰减片、第二反光镜、准直透镜组、第一反光镜、空间光调制器、扩束镜组、第二分光镜、物镜到达微颗粒群燃料上，用于对光路进行辅助调节，确保微颗粒群燃料能够被准确捕获。

照明系统发出的光经微颗粒群燃料、载物台、微燃烧芯片、物镜、第二分光镜到达第三分光镜，经第三分光镜分光后，一束光进入CCD相机中，对微颗粒群燃料进行成像并观察燃料分布情况；另一束光经第三反光镜进入红外摄像机中，对微颗粒群燃料进行温度分布测试。

CCD相机经第一图像采集卡与计算机相连；红外摄像机经第二图像采集卡与计算机相连；根据微颗粒群燃料的位置分布和燃烧情况，计算机通过数据采集卡对第一激光驱动器和空间光调制器进行反馈控制。

氮气从氮气储气瓶经第一流量计进入缓冲罐，氧气从氧气储气瓶经第二流量计进入缓冲罐，氮气与氧气按照79:21的比例在缓冲罐中进行混合成为混合气。

混合气在未进入微燃烧芯片之前，先利用真空泵经第三阀门对微燃烧芯片抽真空；满足真空度要求后，混合气经第一阀门进入微燃烧芯片中，压力表检测微燃烧芯片中的压力；微颗粒群燃料在混合气气氛中被均匀捕获，通过调节第一激光驱动器的驱动电流提高第一激光器的输出功率，至微颗粒群燃料被点燃。

微颗粒群燃料发生燃烧后析出的挥发分和燃烧尾气经第二阀门进入气相色谱质谱联用仪中进行成分分析。

所述的微颗粒燃料为液体、固体、生物质颗粒或混合燃料；液体选用油或醇类，固体选用煤或金属，生物质颗粒选用稻草或秸秆。