一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置

摘要

本发明公开了一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，属于燃烧实验加热设备领域。本发明中内管与外管之间形成的环形空腔为加热腔，在外管的外周设置有耐火隔热层，耐火隔热层上设置有窥视窗；样品推送装置安装于炉体的第一密封法兰，该样品推送装置用于将固体燃料送入炉体的内部；进排气系统安装于炉体的第一密封法兰和第二密封法兰上，该进排气系统用于调整炉体内部的燃烧气氛及压力；数据采集系统分别与进排气系统、样品推送装置相连，该数据采集系统用于采集炉体内部的燃烧参数。本发明实现了对燃料在不同气氛及压力下燃烧特性的研究，从而为探究燃料燃烧机理提供了基础，对研究燃料燃烧机理及应用具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧实验加热设备领域，更具体地说，涉及一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置。

背景技术

固体燃料燃烧机理研究往往需要从温度变化、火焰形貌结构、烟气成分、产气量等多个方面同时测试燃料相关燃烧特性，而管式炉作为常用的加热装置广泛应用于高等院校、科研院所、工矿企业等实验和小批量生产。传统的管式炉一般都是采用螺线加热丝供热，外面用薄钢板加工成型，中间填充耐火纤维来保温。这种管式炉的结构优点是保温效果好，但缺点是体积过大，熄火时散热慢，加热区温度差异大，最为关键的是炉膛多为非透明结构，加热过程完全不可见，无法观察燃料燃烧时的火焰形貌及传播速度，且由于自身密封性差而无法获取燃料燃烧过程中产气量及炉内压力变化，对于深入研究燃料燃烧特性，探索燃烧机理造成巨大障碍。因此开发一种能够同时测试燃料燃烧时温度变化、产气量、烟气成分、火焰传播速度及形貌结构的透明可视、耐高温高压的多用途固体燃料燃烧特性测试实验系统显得极为必要。

通过专利检索发现，中国专利申请号201210076605.X，发明创造名称为：一种全透明管式电阻炉，该申请案公开了一种全透明管式电阻炉，具体结构包括进气端、炉体和出气端三部分，进气端设置流量计和针阀、指针式真空表、真空转接接头，炉体包括炉体支架，透明石英外壳以及透明加热管，透明石英外壳以及透明加热管之间腔体为真空绝热腔，电热丝缠绕到透明加热管外壁上。上述专利方案中外壳及加热管用透明石英管制作，方便添料、烧制、观察。但透明石英管辐射散热损失大，且其电热丝缠绕到透明加热管外壁上，电热丝发热后光线很强，且加热丝各匝之间间距较小，不能看清楚内部物料状态，且其功能简单，仅能测试炉膛温度，无法同时获取烟气成分、产气量及炉膛内压力变化等数据。

此外，中国专利号ZL99245415.8，发明创造名称为：一种新型管式高温炉；中国专利号ZL201210361878.9，发明创造名称为：一种密封可视管式炉。上述专利方案的电阻丝或加热丝发热后均会影响观察的效果，同样没有很好地解决方便观察炉子内样品反应状况及同步测试其他相关参数的问题。所以对于上述问题仍有待进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明目的在于克服现有技术中无法同时测试燃料温度变化、炉内压力变化、产气量及烟气成分等燃烧性能及无法方便观察炉子内燃料燃烧火焰形貌及传播方式的不足，提供一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，本发明能够通过简单操作采集固体燃料在不同气氛、压力、升温速率等条件下加热、燃烧、熄灭过程中温度变化数据、炉膛压力变化数据、生成烟气成分和火焰形貌及传播方式、速度等信息，从而对固体燃料燃烧机理进行研究分析，为燃料的使用安全及应用奠定了必要基础，且本发明装置的散热损失小，受加热丝发光影响小，窥视窗可以方便调整观察角度，操作简单，具有巨大的推广应用价值。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，包括炉体，还包括样品推送装置、进排气系统和数据采集系统，其中：所述的炉体包括内管、外管、耐火隔热层、窥视窗、保温盖、加热丝、固定栓、第一密封法兰和第二密封法兰，其中：所述的内管和外管同轴设置，在炉体的两端部分别安装有第一密封法兰和第二密封法兰，内管与外管之间形成的环形空腔为加热腔，该加热腔中设置有四根或四根以上的加热丝，该加热丝沿内管中心轴的长度方向设置，且加热丝的两端各自固定在第一密封法兰和第二密封法兰上；在外管的外周设置有耐火隔热层，所述的耐火隔热层上设置有窥视窗，该窥视窗采用直径为6～10cm的圆形耐热玻璃，所述的窥视窗上设有保温盖，在保温盖的边缘设置有固定栓，该固定栓与耐火隔热层上设置的孔配合连接；

所述的样品推送装置安装于炉体的第一密封法兰，该样品推送装置用于将固体燃料送入炉体的内部并采集固体燃料燃烧温度；所述的进排气系统安装于炉体的第一密封法兰和第二密封法兰上，该进排气系统用于调整炉体内部的燃烧气氛及压力；所述的数据采集系统分别与进排气系统、样品推送装置相连，该数据采集系统用于采集炉体内部的燃烧参数。

作为本发明更进一步地改进，所述的样品推送装置包括密封堵头、密封圈、样品推送杆和手柄，其中：在第一密封法兰的中心位置开设有样品推送孔，该样品推送孔内安装有密封堵头，该密封堵头通过密封圈密封固定，在上述的密封堵头的内部开设有通孔，在该通孔内安装有样品推送杆，所述的样品推送杆伸入炉体内部的一端设置有固体燃料放置槽，样品推送杆的另一端安装有手柄，样品推送杆通过控制手柄将固体燃料送入炉体的内部；在固体燃料放置槽内安放有样品测温热电偶，该样品测温热电偶的连接导线穿过样品推送杆的内部连接至热电偶冷端。

作为本发明更进一步地改进，所述的进排气系统包括进气管道、出气管道、阀门、气体钢瓶和压力控制器，其中：所述的进气管道的一端与气体钢瓶相连接，进气管道的另一端与第二密封法兰相连并与炉体内部相连通，该进气管道上安装有压力控制器；所述的出气管道的一端与第一密封法兰相连并与炉体内部相连通，该出气管道上安装有阀门。

作为本发明更进一步地改进，所述的数据采集系统包括炉膛测温热电偶、温度数据采集器、温度控制器、压力传感器、压力数据采集器、烟气采样管、烟气分析仪和计算机，其中：所述的炉膛测温热电偶安装于炉体的内部，该炉膛测温热电偶与温度数据采集器相连接，样品测温热电偶也与温度数据采集器相连接，样品测温热电偶用于采集固体燃料燃烧温度，炉膛测温热电偶用于采集炉体的内部温度；加热丝的两端均与温度控制器相连接，该温度控制器通过调整加热丝的功率控制炉体的内部温度；烟气采样管的入口端安装于炉体的内部，该烟气采样管穿过第二密封法兰连接至烟气分析仪；压力传感器的检测端安装于炉体的内部，该压力传感器的信号连接线穿过第二密封法兰连接至压力数据采集器，上述的压力数据采集器、烟气分析仪、温度控制器、温度数据采集器均与计算机相连接，进气管道上的压力控制器也与计算机相连接。

作为本发明更进一步地改进，所述的加热丝为螺旋弹簧状，在内管与外管之间的环形加热腔中均匀分布有4～10根加热丝，且窥视窗位于相邻两根加热丝的间隙位置，加热丝的直径为6～8mm，所述的加热丝为镍铬丝。

作为本发明更进一步地改进，所述的第一密封法兰和第二密封法兰的材质为不锈钢材料，烟气采样管、压力传感器信号连接线、进气管道穿过第二密封法兰处均设置有密封圈，出气管道、炉膛测温热电偶穿过第一密封法兰处均设置有密封圈。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，其样品推送装置用于将固体燃料送入炉体的内部，进排气系统用于调整炉体内部的燃烧气氛及压力，数据采集系统用于采集炉体内部的燃烧参数，使得通过简单操作即可改变燃料燃烧环境的气体成分，并通过计算机与压力控制器精确控制调节炉体内部的压力，实现对燃料在不同气氛及压力下燃烧特性的研究，从而为探究燃料燃烧机理提供了基础；同时，可以测得燃料的温度变化、环境压力变化及烟气成分，从而对研究燃料燃烧机理及应用具有重要意义。

(2)本发明的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，结构设计合理，原理简单，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置的结构示意图；

图2为本发明中炉体的结构示意图；

图3为本发明中样品推送装置的结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、内管；2、外管；3、耐火隔热层；4、窥视窗；5、保温盖；6、加热丝；7-1、样品测温热电偶；7-2、炉膛测温热电偶；8、烟气采样管；9、压力传感器；10、进气管道；11、出气管道；12、阀门；13、温度数据采集器；14、温度控制器；15、压力数据采集器；16、烟气分析仪；17、计算机；18、气体钢瓶；19、密封堵头；20、固定栓；21、密封圈；22、样品推送杆；23、手柄；24、热电偶冷端；25、第一密封法兰；26、第二密封法兰；27、压力控制器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1、图2和图3所示，本实施例的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，主要由炉体、样品推送装置、进排气系统和数据采集系统等组成。如图2所示，本实施例中的炉体包括内管1、外管2、耐火隔热层3、窥视窗4、保温盖5、加热丝6、固定栓20、第一密封法兰25和第二密封法兰26，其中：所述的内管1和外管2同轴设置，在炉体的两端部分别安装有第一密封法兰25和第二密封法兰26，内管1与外管2之间形成的环形空腔为加热腔，该加热腔中均匀分布有6根加热丝6，且窥视窗4位于相邻两根加热丝6的间隙位置，加热丝6的直径为7mm，所述的加热丝5为镍铬丝，且加热丝6为螺旋弹簧状，该加热丝6沿内管1中心轴的长度方向设置，且加热丝6的两端各自固定在第一密封法兰25和第二密封法兰26上。在外管2的外周设置有耐火隔热层3，所述的耐火隔热层3上设置有窥视窗4，该窥视窗4采用直径为8cm的圆形耐热玻璃，所述的窥视窗4上设有保温盖5，在保温盖5的边缘设置有固定栓20，该固定栓20与耐火隔热层3上设置的孔配合连接，可通过旋转开启和关闭保温盖5，本实施例中设置耐火隔热层3，炉体的保温效果好，且窥视窗4上设有保温盖5，在不观察时盖上保温盖5，可以减少炉体的散热损失。本实施例中窥视窗4位于相邻两根加热丝6的间隙位置，不会因加热丝6发热发亮而遮挡视线，且窥视窗4与耐火隔热层3通过关节轴承活动连接，窥视窗4外部安装有CCD高速摄像机，可在一定范围内旋转窥视窗4，方便调整观察角度，从而可以清楚地观察加热的样品情况、各热电偶的位置及操作过程等。

样品推送装置安装于炉体的第一密封法兰25，该样品推送装置用于将固体燃料送入炉体的内部并采集固体燃料燃烧温度，样品推送装置的结构如图3所示。具体在本实施例中的样品推送装置包括密封堵头19、密封圈21、样品推送杆22和手柄23，其中：在第一密封法兰25的中心位置开设有样品推送孔，该样品推送孔内安装有密封堵头19，该密封堵头19通过密封圈21密封固定，在上述的密封堵头19的内部开设有通孔，在该通孔内安装有样品推送杆22，所述的样品推送杆22伸入炉体内部的一端设置有固体燃料放置槽，样品推送杆22的另一端安装有手柄23，样品推送杆22通过控制手柄23将固体燃料送入炉体的内部；在固体燃料放置槽内安放有样品测温热电偶7-1，该样品测温热电偶7-1的连接导线穿过样品推送杆22的内部连接至热电偶冷端24。

进排气系统安装于炉体的第一密封法兰25和第二密封法兰26上，该进排气系统用于调整炉体内部的燃烧气氛及压力。具体在本实施例中的进排气系统包括进气管道10、出气管道11、阀门12、气体钢瓶18和压力控制器27，其中：所述的进气管道10的一端与气体钢瓶18相连接，进气管道10的另一端与第二密封法兰26相连并与炉体内部相连通，该进气管道10上安装有压力控制器27；所述的出气管道11的一端与第一密封法兰25相连并与炉体内部相连通，该出气管道11上安装有阀门12。本实施例中的气体钢瓶18盛装有高压CO₂气体。

数据采集系统分别与进排气系统、样品推送装置相连，该数据采集系统用于采集炉体内部的燃烧参数，可以实时记录及显示燃料燃烧的温度变化、烟气成分、及装置内部压力变化等数据信息。具体在本实施例中的数据采集系统包括炉膛测温热电偶7-2、温度数据采集器13、温度控制器14、压力传感器9、压力数据采集器15、烟气采样管8、烟气分析仪16和计算机17，其中：所述的炉膛测温热电偶7-2安装于炉体的内部，该炉膛测温热电偶7-2与温度数据采集器13相连接，样品测温热电偶7-1也与温度数据采集器13相连接，样品测温热电偶7-1用于采集固体燃料燃烧温度，炉膛测温热电偶7-2用于采集炉体的内部温度；加热丝6的两端均与温度控制器14相连接，该温度控制器14通过调整加热丝6的功率控制炉体的内部温度；烟气采样管8的入口端安装于炉体的内部，该烟气采样管8穿过第二密封法兰26连接至烟气分析仪16；压力传感器9的检测端安装于炉体的内部，该压力传感器9的信号连接线穿过第二密封法兰26连接至压力数据采集器15，上述的压力数据采集器15、烟气分析仪16、温度控制器14、温度数据采集器13均与计算机17相连接，进气管道10上的压力控制器27也与计算机17相连接，因此可以通过压力数据采集器15和压力控制器27准确控制炉体内的压力。本实施例中应用炉膛测温热电偶7-2和温度控制器14综合使用，可以实现炉体温度的精密控制，保证炉体内温度的恒定，而且检测的炉体的内部温度通过计算机17显示，可以读取温度数据，实时显示和记录，方便准确。为了保证整个装置的密封性，第一密封法兰25和第二密封法兰26的材质为不锈钢材料，烟气采样管8、压力传感器9信号连接线、进气管道10穿过第二密封法兰26处均设置有密封圈21，出气管道11、炉膛测温热电偶7-2穿过第一密封法兰25处均设置有密封圈21；且加热丝6的两端各自固定在第一密封法兰25和第二密封法兰26的位置也通过密封圈21密封固定。

使用时，称量1g的50nm铝粉，将其置于样品推送杆22前端的固体燃料放置槽内，使得样品测温热电偶7-1完全埋入铝粉样品内。迅速将样品推送到炉体内部，并通过密封堵头19将燃料样品密封固定于炉膛内；然后缓慢打开CO₂气体钢瓶18，当烟气分析仪16显示O₂含量接近为零时关闭出气管道11并将压力控制器27设定压力为0.5MPa，待压力稳定后，使用计算机17对温度控制器14进行升温调节，以15K/s的升温速率对炉膛进行升温，并使用CCD高速摄像机通过窥视窗4对样品的燃烧火焰传播及形貌进行记录。温度数据采集器13对样品测温热电偶7-1及炉膛测温热电偶7-2的数据进行记录，计算机17对温度数据采集器13、压力数据采集器15和烟气分析仪16的数据进行记录。本实施例可以对纳米铝粉燃料在0.5MPa的CO₂环境气氛中的着火温度、最高温度、火焰形貌及产物中CO含量进行研究，并将燃烧产物置于扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及X射线衍射(XRD)等下进行观察分析，从而可以研究50nm铝粉在CO₂中的燃烧机理。

实施例2

本实施例的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，其基本结构同实施例1，不同之处在于：在内管1与外管2之间的环形加热腔中均匀分布有4根加热丝6，加热丝6的直径为8mm，窥视窗4采用直径为10cm的圆形耐热玻璃，且使用氩气(Ar)钢瓶作为气体钢瓶18与进气管道10进行连接。

使用时，分别称量1g的含有0％、2％、4％、6％、8％高氯酸铵(AP)的铝/水基高能燃料，将其置于样品推送杆22前端的固体燃料放置槽内，使得样品测温热电偶7-1完全埋入样品内。迅速将样品推送到炉体内部，并通过密封堵头19将燃料样品密封固定于炉膛内；然后缓慢打开Ar气体钢瓶18，当烟气分析仪16显示O₂含量接近为零时关闭气体钢瓶18和出气管道11，以15K/s的升温速率对炉膛进行升温，并使用CCD高速摄像机通过窥视窗4对样品的燃烧火焰传播及形貌进行记录。温度数据采集器13对样品测温热电偶7-1及炉膛测温热电偶7-2的数据进行记录，计算机17对温度数据采集器13、压力数据采集器15和烟气分析仪16的数据进行记录。本实施例可以对不同含量高氯酸铵添加剂的铝/水基高能燃料在一个大气压的Ar环境气氛中的着火温度、最高温度、火焰形貌进行研究，并对炉膛内压力变化进行换算，并对燃料燃烧产物分别进行扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及X射线衍射(XRD)等下观察分析，可以得出添加剂对铝/水基高能燃料燃烧特性、比冲及相关机理，为研究铝/水基高能燃料的应用奠定基础。

实施例3

本实施例的一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置，其基本结构同实施例1，不同之处在于：在内管1与外管2之间的环形加热腔中均匀分布有10根加热丝6，加热丝6的直径为6mm，窥视窗4采用直径为6cm的圆形耐热玻璃，且使用氩气(Ar)钢瓶作为气体钢瓶18与进气管道10进行连接。

使用时，称取1g的铝/水基高能燃料，将其置于样品推送杆22前端的固体燃料放置槽内，使得样品测温热电偶7-1完全埋入样品内。迅速将样品推送到炉体内部，并通过密封堵头19将燃料样品密封固定于炉膛内；然后缓慢打开Ar气体钢瓶18，当烟气分析仪16显示O₂含量接近为零时关闭出气管道11，并将压力控制器27分别设定为0.1MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa，以20K/s的升温速率对炉膛进行升温，并使用CCD高速摄像机通过窥视窗4对样品的燃烧火焰传播及形貌进行记录。温度数据采集器13对样品测温热电偶7-1及炉膛测温热电偶7-2的数据进行记录，计算机17对温度数据采集器13、压力数据采集器15和烟气分析仪16的数据进行记录。本实施例可以对不同压力下的铝/水基高能燃料在惰性气体环境下的着火温度、最高温度、火焰形貌进行研究，并对炉膛内压力变化进行换算，并对燃料燃烧产物分别进行扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及X射线衍射(XRD)等下观察分析，可以探究压力因素对铝/水基高能燃料燃烧及比冲的影响机理，并通过计算拟合得到压力对燃料燃烧特性的影响指数。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。