CN107790444A

CN107790444A - 微通道内壁在线清焦装置及清焦方法

Info

Publication number: CN107790444A
Application number: CN201711060105.6A
Authority: CN
Inventors: 朱权; 李象远; 王健礼; 张其翼; 鲍泽威
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-03-13

Abstract

本发明提供一种微通道内壁在线清焦装置及清焦方法，该装置包括进气系统、焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统，所述进气系统通过气体输送管路依次与焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统连接；该方法包括：向焦炭反应系统通入空气，并控制反应段的进口温度为220℃～270℃、壁温为480℃～750℃、出口温度为280℃～320℃；打开冷却降温系统的减压阀，控制压力为0.08Mpa～0.12Mpa。本发明能进行在线检测，实时得到焦炭的含量，测量结果相对准确，可以将反应管重复利用，不用进行切割检测，可以解决对一些复杂、昂贵的管路或材料进行切割导致其无法还原的问题，节约成本。

Description

微通道内壁在线清焦装置及清焦方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其是涉及一种微通道内壁在线清焦装置及清焦方法。

背景技术

在航空发动机领域，使用吸热型碳氢燃料进行燃烧，这种燃料可以通过燃料自身物理吸热和裂解反应吸热两种方式带走飞行器高速飞行所产生的废热，从而降低飞行器的温度。但是，伴随在燃料裂解反应的同时，结焦反应不可避免地发生，产生的焦炭对发动机换热和燃料系统会造成不良后果。

燃料在流动过程中不断吸收通道壁面热量而裂解，裂解得到的小分子物质一部分随流体流出反应通道，而另一部分一方面在气相中相互聚集成球状的气相颗粒焦碳，另一方面则被壁面Fe、Ni催化形成碳纳米管形状的丝状碳。焦碳的形成加大了流体流动阻力，更为严重时则对反应管造成堵塞，甚至反应管爆裂。并且已有文献报道，积碳导致传热恶化，最终会影响到雷诺数、停留时间以及燃料对于热量吸收等。

水蒸汽清焦是一种较为温和的清焦方式，对于通道内的积碳基本可以清理干净，能清理掉通道内80％积碳。整个清焦时间相对较长，清焦过程温和。由于水蒸汽清焦在反应管前半段壁温过低，因此清焦不彻底。

检测焦炭含量，通常采用将清除焦炭的反应管放入瓷舟进行燃烧，将焦炭转化成二氧化碳进行测量，最终得到焦炭的含量的方法。但由于管式炉的长度有限，通常将反应管切割成小段，在有氧条件下灼烧积碳，通过检测得到的CO₂量来计算积碳生成量。该方法虽然相当精确，但同时也令通道无法重复利用。不仅人工操作的工作量加大，同时反应管不能继续利用，只能切割之后废弃，造成浪费。

因此，开发出合适的方案对通道内的焦碳及时清理，并且在线检测焦炭的含量，对于反应管的重复利用以及延长运行时间都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种微通道内壁在线清焦装置及清焦方法，解决现有清焦方式会导致通道无法重复利用的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，该装置包括进气系统、焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统，所述进气系统通过气体输送管路依次与焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统连接。

优选的，所述进气系统包括气源罐和减压阀，所述气源罐通过减压阀与预热段连接。

优选的，所述焦炭反应系统包括预热段和反应段，预热段和反应段分别通过电流加热。

优选的，所述反应段的进口设有压力检测装置和温度检测装置，反应段的出口设有压力检测装置和温度检测装置，反应段的外壁设有温度检测装置。

优选的，所述反应段的进口设有压力传感器和温度传感器，反应段的出口设有压力传感器和温度传感器，反应段的外壁设有热电偶。

优选的，所述冷却降温系统包括依次连接的空气冷却管、减压阀和干燥器。

优选的，所述空气冷却管为弯管。

优选的，所述CO₂检测系统包括依次连接的氧化炉和CO₂检测装置。

一种微通道内壁在线清焦方法，该方法包括：

向焦炭反应系统通入空气，并控制反应段的进口温度为220℃～270℃、壁温为480℃～750℃、出口温度为280℃～320℃；

打开冷却降温系统的减压阀，控制压力为0.08Mpa～0.12Mpa。

优选的，向焦炭反应系统通入空气前，先向反应通道持续通入N₂持续时间13min～17min，控制压力为0.28Mpa～0.32Mpa，用以清除管内残留燃料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点:

1、采用压缩空气进行在线清焦及实时检测，操作简单，相比于现有阶段的清焦及检测装置节约时间，极大地减轻操作者的劳动强度。

2、采用空气清除焦炭，清焦比较彻底。进行清除焦炭的操作后，最终残留焦炭的含量低于焦炭总量的1.5％。

3、进行在线检测，可以实时得到焦炭的含量。相比于原来的切割反应管进行焦炭含量的测量的工艺，可以将反应管重复利用，不用进行切割检测，极大地节约成本。

附图说明

图1为图1为本发明装置的示意图；

图2为本发明实例在线除焦CO₂的信号；

图3为本发明实例在线清焦的壁温；

图4为本发明实例在线清焦空气的温度；

图5为本发明实例在线清焦的功率；

图6为本发明实例在线除焦后碳残余分析。

附图标注说明：

1-气源罐；2-减压阀；3-预热段；4-反应段；5-温控柜；6-压力传感器；7-温度传感器；8-空气冷却管；9-干燥器；10-氧化炉；11-CO₂检测装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种微通道内壁在线清焦装置，该装置包括进气系统、焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统。进气系统通过气体输送管路依次与焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统连接。

进气系统包括气源罐1和减压阀2，气源罐通过减压阀与预热段连接。

焦炭反应系统包括预热段3和反应段4，预热段和反应段分别通过电流加热。反应段的进口设有压力检测装置和温度检测装置，反应段的出口设有压力检测装置和温度检测装置，反应段的外壁设有温度检测装置。在本实施例中，反应段的进口设有压力传感器6和温度传感器7，反应段的出口设有压力传感器6和温度传感器7，反应段的外壁设有热电偶。

冷却降温系统包括依次连接的空气冷却管、减压阀和干燥器。

空气冷却管为弯管。

CO₂检测系统包括依次连接的氧化炉和CO₂检测装置。

该装置的气体压缩空气从气源罐1排出，通过减压阀2输送到焦炭反应系统的预热段3。气体从预热段3输送到反应段4，从反应段出来的气体进入到空气冷却管8，采用减压阀来控制出口压力。气体从减压阀出来进入到干燥器9，再输送气体到氧化炉10，最后进入CO₂检测装置11。其中，预热段和加热段采用电流加热，用控温柜5来控制电流大小。

另外，本发明还提供一种微通道内壁在线清焦方法，该方法包括：

打开冷却降温系统的减压阀，控制压力为0.08Mpa～0.12Mpa。

基于前述方法的基础上，还可以增加步骤：向焦炭反应系统通入空气前，先向反应通道持续通入N₂持续时间13min～17min，控制压力为0.28Mpa～0.32Mpa，用以清除管内残留燃料。

下面，进一步详细说明本发明的具体操作方法：

1)输送气体：

向反应通道持续通入N₂持续15min，控制压力为0.3Mpa，用以清除管内残留燃料。打开减压阀，将钢瓶内的压缩空气输送到后续装置中。控制减压阀的压力为0.35Mpa，保证输送到CO₂检测装置气体的压力。

2)清除焦炭：

焦炭反应系统采用两段加热，分别为预热段和反应段。在反应段中，通过升高温度压缩空气与焦炭反应生成CO₂，从而清除焦炭。

采用电加热的方式来升高预热段和反应段的温度。反应管两端固定两块铜片，接通交流电源作为加热热源。将铜片一端固定在右边反应通道出口处，另一端左移至反应通道出口处，铜片两端保持实验设定长度为止。

调节控温柜的电流，升高预热段出口温度也就是反应段的进口温度，使其达到250℃。同样的方式升高反应段的温度，使反应管的壁温达到500℃，控制出口温度为300℃。

焦炭反应系统需要测量温度和压力，测量温度需分别测量反应管的进出口温度和反应管的壁温，测量压力为测量反应管进出口压力。在反应管的进出口端要用四通的螺母进行连接。其中，四路通道分别为进气口、出气口、测压和测温装置。测压和测温装置可分别测量反应管出入口的压力和温度。测量反应管的壁温需要在反应管外壁焊接热电偶，采用的热电偶为k型热电偶。热电偶两极用的材料为镍铬和镍硅，通过加热热电偶的热端，使得冷端和热端的温度不同，形成电势差，测量出管壁的温度。

3)冷却气体：

从反应管出来的气体通入到空气冷却管中，空气冷却管为弯管，气体与空气进行换热从而冷却降温。打开减压阀，控制压力为0.1Mpa。将气体通入到干燥器中进行干燥。该干燥过滤器装入的干燥剂为变色硅胶干燥剂，该干燥器入口和出口直径均1/4英寸。

4)检测焦炭含量：

干燥过后的气体通入到氧化炉中进行燃烧氧化，将一部分未转化完全的CO气体氧化成CO₂气体。最终，气体通入到CO₂检测装置测量CO₂的含量，从而在线测量出焦炭的含量。通过观察CO₂的信号来判断是否清焦结束。进入CO₂检测装置的气体压力至少为0.05Mpa，才能进行测量。

下面是对本发明的清焦效果进行验证的实验的步骤：

如图1～图6所示，实验条件：某航空燃料，SS304#不锈钢管Φ3,ID2mm×800mm，分两段式加热，恒温段出口温度为700℃。

具体实验操作步骤如下所示：

1)结焦实验：调整燃油流量为76ml/min(1.0g/s)，备压为3.5Mpa，待系统稳定后逐渐增加电流直至出口油温到达约700℃，此时稳定电流电压持续30min,监测加热段差压Δp和沿程壁温分布T_wall。

2)通入冷油直至管道冷却后，向反应通道持续通入大流量N₂(壁温300-400℃)持续15min，用以清除管内残留燃料。

3)按图1在线除焦装置实现在线除焦，壁温控制在700℃左右。通过CO₂信号判断除焦完毕，降温结束除焦实验和CO₂信号测量。

将除焦完成的实验管取下烧炭测量残余碳量，确认除焦效果。

空气除焦后产生的CO₂进入红外检测器前压力控制为0.05MPa，流量为2.6L/min。从CO₂信号分析，从300-1000s完成除焦过程，总碳量为26.48mg。

在线除焦壁温记录，与在线除焦CO₂信号相对应，升温过程中从壁温到达500℃，开始出现CO₂信号，最后壁温稳定在700±30℃，直到最终CO₂信号消失。

开始出现CO₂信号时，预热段出口(除焦段入口)空气温度为256℃，除焦段空气出口温度为296℃。CO₂信号结束时，预热段出口空气温度为296℃，除焦段空气出口温度为495℃。

在线除焦功率，预热段为22.2V×14.9A＝330.8W，清焦段为29.6A×9.4V＝278.2W。

在线除焦后做碳残余分析，表明剩余碳量为0.36mg，占在线结焦碳量质量百分数的1.36％，除焦效果达到预期。

综上结果分析，空气在线除焦和碳量测量方案实际可行。在其能快速清焦和准确测量碳量的前提下，还能保证被测工件的完整性。对易被氧化的材料存在限制，如果进一步控制壁温条件(500℃左右)，可以减小材料的被氧化程度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，该装置包括进气系统、焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统，所述进气系统通过气体输送管路依次与焦炭反应系统、冷却降温系统和CO₂检测系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述进气系统包括气源罐和减压阀，所述气源罐通过减压阀与预热段连接。

3.根据权利要求1所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述焦炭反应系统包括预热段和反应段，预热段和反应段分别通过电流加热。

4.根据权利要求3所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述反应段的进口设有压力检测装置和温度检测装置，反应段的出口设有压力检测装置和温度检测装置，反应段的外壁设有温度检测装置。

5.根据权利要求4所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述反应段的进口设有压力传感器和温度传感器，反应段的出口设有压力传感器和温度传感器，反应段的外壁设有热电偶。

6.根据权利要求1所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述冷却降温系统包括依次连接的空气冷却管、减压阀和干燥器。

7.根据权利要求6所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述空气冷却管为弯管。

8.根据权利要求1所述的一种微通道内壁在线清焦装置，其特征在于，所述CO₂检测系统包括依次连接的氧化炉和CO₂检测装置。

9.一种微通道内壁在线清焦方法，其特征在于，该方法包括：

打开冷却降温系统的减压阀，控制压力为0.08Mpa～0.12Mpa。

10.根据权利要求9所述的一种微通道内壁在线清焦方法，其特征在于，向焦炭反应系统通入空气前，先向反应通道持续通入N₂持续时间13min～17min，控制压力为0.28Mpa～0.32Mpa，用以清除管内残留燃料。