CN102928056B - 碳氢燃料结焦量的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳氢燃料结焦量的测量方法。包括步骤：S1，设置试验管并称量试验管的重量记为M0；S2，将试验管连入测量气路中，将碳氢燃料通入试验管内并加热，使试验管内的碳氢燃料达到预定温度、压力和流量，保温15～20分钟，得到内壁结焦的试验管；以及S3，称量内壁结焦的试验管，重量记为M1，根据M1与M0之间的差值计算出碳氢燃料的结焦量。通过称量结焦前以及碳氢燃料在预定温度、压力和流量下结焦后的试验管重量，避免了各种因素干扰的情况下对试验管内的碳氢燃料结焦量进行测量，避免了影响测量结果的干扰因素和以往研究结焦的笼统性，保证了测量的准确性，为碳氢燃料的筛选、评测、改良和应用等提供了定量依据。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术和燃料技术领域，具体而言，涉及一种碳氢燃料结焦量的测量方法。
背景技术
在航空航天领域，碳氢燃料以其高密度、高安全性和可操作性、经济性等优势而被广泛用作发动机的燃料和主动冷却的冷却剂。但碳氢燃料在高温下会发生裂解反应而生成积碳，积碳进一步与金属壁面反应形成结焦，粘附在金属壁面上，结焦严重时会导致一系列不良后果，如堵塞供应系统，降低热交换效率，降低结构材料的抗氧化性和稳定性，引起催化剂失活等等。结焦正成为碳氢燃料应用于航空航天领域的一个瓶颈。
目前对结焦的研究多集中于结焦原因、形态等方面，研究方法多采用管道或反应器内加热。对于结焦量的研究较少。原因之一是结焦量通常是个mg量级的小量，以至于其他因素很容易对测量造成干扰。比如加热过程中，试验段外壁由于高温而被环境中的空气氧化，氧化量就有可能达到mg量级；试验结束后，残留在试验段内壁的液滴，单颗液滴的质量也可能达到mg量级；微量天平称量过程中环境湿度、空气对流等均会对测量结果造成干扰，甚至操作者手上的汗液粘附到试验段外壁都会带来误差。
因此，有必要发展一种准确测量碳氢燃料结焦量的方法。目前对整个冷却系统结焦量的测量从实验上来讲是不现实的，也没有必要。可行的做法是选取其中某一段冷却通道，研究这一通道内的结焦量，然后按照一定的换算原则估算出整个冷却系统的结焦量。因此，发展一种准确测量管道内碳氢燃料结焦量的方法就显得更为必要。
发明内容
本发明旨在提供一种碳氢燃料结焦量的测量方法，该测量方法可以准确测量出碳氢燃料的结焦量。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳氢燃料结焦量的测量方法，包括以下步骤：S1，设置试验管，并称量试验管的重量记为M0；S2，将试验管连入整个测量气路中，将碳氢燃料通入试验管内并加热，使试验管内的碳氢燃料达到预定温度、压力和流量，保温15～20分钟，得到内壁结焦的试验管；以及S3，称量内壁结焦的试验管，重量记为M1，根据M1与M0之间的差值计算出碳氢燃料的结焦量。
进一步地，试验管包括依次连接的预热段和试验段，在预热段的两端加载有第一变压器，在试验段的两端加载有第二变压器，通过智能控制系统控制第一变压器的输出功率进而调控预热段的出口处温度，通过智能控制系统控制第二变压器的输出功率。
进一步地，通过智能控制系统控制第一变压器的输出功率进而调控预热段的出口处温度的步骤包括：通过智能控制系统采集预热段的出口处温度数值，将出口处温度数值与预定温度数值进行比较，根据比较结果进而调控第一变压器的输出功率，使得预热段的出口处温度数值与预定温度数值一致。
进一步地，通过智能控制系统控制第二变压器的输出功率的步骤包括：通过智能控制系统控制第二变压器的输出功率，使第二变压器的输出功率与第一变压器的输出功率一致进而保证试验段的温度与预热段出口处的温度一致。
进一步地，通过在测量气路上设置压力控制装置对试验管内的压力进行调节使试验管内的压力达到预定压力值。
进一步地，步骤S1中在称量试验管的重量M0之前，还包括对试验管的外壁进行加热预处理的步骤。
进一步地，步骤S2中将碳氢燃料通入试验管内进行加热之前，还包括向试验管内通入氮气的步骤。
进一步地，还包括对进入预热段前的碳氢燃料气体的温度和压力进行测量的步骤。
进一步地，采用微量天平对步骤S1中的试验管和步骤S3中内壁结焦的试验管进行称量，称量在湿度和温度恒定且无空气对流的超净间中进行。
进一步地，还包括对试验段出口逸出的气体进行冷却和回收的步骤。
进一步地，S3步骤中还包括测量结束后用氮气对试验管的内壁进行吹扫的步骤，氮气的压力为1MPa，温度为100℃。
应用本发明的测量方法，通过称量碳氢燃料结焦前的试验管和碳氢燃料在特定温度、压力和流量下结焦后的试验管，在充分考虑了测量结果带来干扰的各种因素的情况下，在预定温度、压力和流量下对试验管内的碳氢燃料结焦量进行准确测量，避免了客观因素对测量结果所带来的误差干扰，保证了测量的准确性，为碳氢燃料的筛选、评测、改良和应用等提供了定量依据。该测量方法通过研究碳氢燃料在特定温度和压力下的结焦特性，避免了以往研究从室温到高温结焦的笼统性，有利于对碳氢燃料结焦特性的深入了解。本发明的测量原理简单且方案可行，无需昂贵精密的仪器，节约了实验成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一种典型实施例的测量碳氢燃料结焦量的工艺流程图；
图2示出了根据本发明一种典型实施例的测量碳氢燃料结焦时采用的系统装置结构示意图；以及
图3示出了根据本发明一种典型实施例的碳氢燃料在预定压力和气体流量的条件在不同温度下的结焦量的变化趋势示意图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
根据本发明的一种典型实施方式，如图1所示，碳氢燃料结焦量的测量方法包括以下步骤：S1，设置试验管，并称量试验管的重量计为M0；S2，将试验管连入整个测量气路中，将碳氢燃料通入试验管内并加热，使试验管内的碳氢燃料达到预定温度、压力和流量，保温15～20分钟，得到内壁结焦的试验管；S3，称量内壁结焦的试验管，重量记为M1，根据M1与M0之间的差值计算出碳氢燃料的结焦量。
通过称量碳氢燃料结焦前的试验管和碳氢燃料在特定温度、压力和流量下结焦后的试验管，充分考虑了测量结果带来干扰的各种因素，在预定的温度、压力和流量下对试验管内的碳氢燃料结焦量进行准确测量，避免了客观因素对测量结果所带来的误差干扰，保证了测量的准确性，为碳氢燃料的筛选、评测、改良和应用等提供了定量依据。该测量方法通过研究碳氢燃料在特定温度和压力下的结焦特性，避免了以往研究从室温到高温结焦的笼统性，有利于对碳氢燃料结焦特性的深入了解。本发明的测量原理简单且方案可行，无需昂贵精密的仪器，节约了实验成本。
优选地，试验管包括依次连接的预热段11和试验段12，在预热段11的两端加载有第一变压器，在试验段12的两端加载有第二变压器，通过智能控制系统控制第一变压器的输出功率进而调控预热段11的出口处温度，通过智能控制系统控制第二变压器的输出功率。智能控制系统控制第一变压器和第二变压器进而调控第一变压器和第二变压器的输出功率，通过第一变压器和第二变压器提供低电压大电流对预热段11和试验段12进行加热，使得预热段11和试验段12达到预定温度。
其中预热段11的控制方式为温度反馈，即通过智能控制系统控制第一变压器的输出功率进而调控预热段11的出口处温度，该步骤包括：通过智能控制系统采集预热段11的出口处温度数值，将出口处温度数值与预定温度数值进行比较，根据比较结果调控第一变压器的输出功率，进而调控预热段11的出口处温度数值使与预定温度数值一致。这样做的目的在于保证从预热段11的出口流入试验段12的碳氢燃料的状态为该测量方法所需的预定状态，因为该测量方法是在预定的温度、压力和流量下进行的，所以必须保证温度达到预先预定温度。
通过在试验段12的两端设置第二变压器，以便通过智能控制系统控制第二变压器对试验段的输出功率进行调控，该调控步骤包括：通过智能控制系统控制第二变压器的输出功率。使第二变压器的输出功率与第一变压器的输出功率一致进而保证试验段12的温度与预热段11出口处的温度一致，这样就保证了在整个试验段12内的温度与预定温度一致。
本发明所采用的试验管中的预热段11和试验段12均为321不锈钢管，该型号的不锈钢结构强度大，耐高温性能好。试验管既是碳氢燃料的流经通道，又是碳氢燃料的加热载体。本发明通过采用低电压大电流直接作用于预热段和试验段的两端，不锈钢管由于本身的电阻将管道加热，进而对流经管道的碳氢燃料加热。
为了进一步观测碳氢燃料在进入预热段11和流出试验段12时的状态，除了测量预热段11的出口处（也即试验段12的入口处）的温度和压力外，本发明优选对进入预热段11前的碳氢燃料气体的温度和压力进行测量。通过在预热段11的入口处以及试验段12的出口处设置温度压力测量装置30，以观测液态碳氢燃料进入预热段11时的温度和压力，以及从试验段12出口处逸出的气态的碳氢燃料的温度和压力。
根据本发明的一种典型实施方式，通过在测量气路上设置压力控制装置对试验管内的压力进行调节使试验管内的压力达到预定压力值。本发明的压力控制装置优选为背压调节阀50。优选地，本发明的测量方法还包括对从试验段12出口处逸出的气体进行冷却和回收的步骤。从试验段12的出口处逸出的加热后的碳氢燃料如高温煤油及裂解产物经过冷却器后降到室温，再经过背压调节阀50进入收集系统40，其中背压调节阀50对整个气路中的压力包括预热段11和试验段12处的压力进行调节。
根据本发明的一种优选实施方式，为了进一步准确测量碳氢燃料的结焦量，排除环境因素的干扰，步骤S1中在称量试验管的重量M0之前，还包括对试验管的外壁进行加热预处理的步骤。在对试验管的外壁进行加热预处理时，需要先向试验管内通入惰性气体以排除试验管内的空气，以免试验管内存有空气导致加热试验管时试验管的内壁被氧化。通过评估氧化影响的实验发现，当试验段的外壁加热到800℃并持续30分钟后，试验管外壁的氧化量在10分钟内增加了不到1mg，说明试验管的外壁已被充分氧化，空气中的氧气很难再与金属壁接触发生氧化作用。因此，在每次结焦实验前将试验管的外壁进行30分钟的加热预氧化可以将氧化对结焦的影响降到最小。
优选地，在S3中还包括测量结束后用氮气对试验管的内壁进行吹扫的步骤，其中氮气的压力为1MPa，温度为100℃。每次实验结束后，由高压氮气对整个实验管路进行吹除，以排除管道内剩余的煤油残液和裂解产物。
本发明提供的测量方法其目的是研究某一特定状态的煤油在特定实验条件下的结焦特性。如以研究温度500℃、压力3MPa和气体流量为2g/s(1MW/m2的热流密度下)的煤油在保温20分钟内的结焦量，其操作方法是首先在煤油经过预热段11时将煤油加热到500℃，使预热段11出口处的温度达到500℃，调整背压阀使得试验段12内的煤油压力为3Mpa。煤油在流经试验段12时由于对流和辐射，热流会散失，导致煤油流经试验段12后温度会降到500℃以下，所以本发明通过设置第二变压器对试验段进行很小功率的加热，以平衡掉散失的热量，进而保证了试验段12内的煤油温度为500℃。经过20分钟后从整个气路中卸下试验管12，为了消除周围环境对微量天平称量的影响，将微量天平置于湿度、温度恒定，且无空气对流的超净间中去称。通过和实验前称得的质量进行比较，就能知道500℃、3MPa和气体流量为2g/s状态下的煤油在20分钟里形成的结焦量。
下面结合图2说明具体的实验过程。将碳氢燃料如煤油储存于储罐20中，由高压氮气（如8MPa）增压，储存在储罐20中的碳氢燃料经高压氮气增压后流经针型阀，然后经过滤器后由科氏力流量计测量流量，科氏力流量计测量流量后流经试验管的预热段11和试验段12。其中液态煤油流量的调节通过针型阀实现，煤油供应管路的开启和关闭由气动和电磁阀完成。在预热段11和试验段12的两端，均加载有低电压大电流的第一变压器和第二变压器对其进行加热，两个变压器共同由一套智能控制系统控制。预热段11用于将煤油加热到预定温度，试验段12用于评估煤油在一定温度、压力和流量下一定时间段内的结焦量。
本发明通过设置第二变压器还有助于进一步研究碳氢燃料在一定热流密度下的结焦量。比如要测定温度为500℃、压力为3MPa以及流量为2g/s的煤油在1MW/m2的热流密度下的结焦量，此时第一变压器能够将流经预热段11的碳氢燃料加热到测量所需的温度500℃，调整背压阀使测量气路的压力为3MPa，流量为2g/s。第二变压器提供所需的热流密度。假设第二个加热器的输出功率是Q，那么试验段的热流密度就是q=(Q-Qloss)/A,A为试验段的内表面面积，Qloss为散失掉的热量，散失掉的热量可以通过提前标定得到，具体标定方法为：在不通煤油情况下，由电加热器对试验段12进行加热，待试验段12外壁的温度不再上升并在较长时间内均维持恒定时，可认为已达到稳定状态，此时的电加热器输入功率即等于试验段12在该外壁温度下的散失热量。第一个电加热器采用温度控制，这样能够保证进入试验段11的碳氢燃料达到预定状态，第二个电加热器采用功率反馈控制，使得试验段12所接受的电功率保持在预定值，便于对试验段12上的气体的热流密度进行计算，通过这样的组合，可以根据输出功率进而计算出试验段12的热流密度，就能研究特定状态下的碳氢燃料在特定实验工况下的结焦特性。本发明的由智能控制系统和两个变压器所组成的电加热系统可将0~15g/s流量的煤油迅速加热到1000K，并能研究煤油在特定状态如超临界态、裂解态的传热、积碳结焦等特性。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
以中国3号航空煤油为例，本发明所用的电加热系统选用最大功率分别为28KW和6KW的第一变压器和第二变压器，智能控制系统为可控硅仪表控制，采用这套电加热系统可将0~15g/s流量范围内的中国3号航空煤油快速升温至1000K。预热段和试验段选用内径为1.6mm，外径为3mm和长度为60cm的321型号的不锈钢管。
将中国3号航空煤油通入试验管内，并在试验管的试验段内达到预定温度670℃、压力3.5MPa和气体流量120g/min的预定状态，并保持20分钟，记录通入航空煤油之前的试验管的重量M0以及结焦后的试验管的重量M1，其结焦量=M1-M0。为了检测试验方法的可重复性，分别在不同日期内以相同测试条件下测量其结焦量，数据结果见表1。
表1不同日期内测量的结焦量
| 日期 | 流量 | 温度 | 压力 | 结焦量 |
| 2012.6.21 | 120g/min | 670 | 3.5MPa | 14.1mg |
| 2012.6.25 | 120g/min | 670 | 3.5MPa | 14.8mg |
| 2012.6.27 | 120g/min | 670 | 3.5MPa | 14.6mg |
| 2012.6.28 | 120g/min | 670 | 3.5MPa | 14.4mg |
从表1的数据中可以看出，采用本发明的碳氢燃料结焦量的测量方法，分批次对相同预定状态（在相同预定温度、压力和流量）下的碳氢燃料的结焦量进行测量，数据表面不同日期内测量的结焦量相差甚微，说明测量结果准确且可重复性较好。本发明的测量方法综合考虑各种影响因素，排除了各种影响误差对测量结果的影响，为碳氢燃料的筛选、评测、改良以及应用等提供了定量依据。
本发明进一步研究了中国3号航空煤油在预定压力和气体流量的条件在不同温度下的结焦量的变化趋势，见图3。图3示出了3.5MPa和120g/min的气体流量下的3号航空煤油在保温20分钟的结焦量随温度的变化趋势图。从图3中可以看出结焦量随着温度的升高而增加，当温度仅增加80℃时，3号航空煤油的结焦量却增长5倍之多，可见温度对结焦量有着巨大的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种碳氢燃料结焦量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设置试验管，并称量所述试验管的重量记为M0；
S2，将所述试验管连入整个测量气路中，将所述碳氢燃料通入所述试验管内并加热，使所述试验管内的所述碳氢燃料达到预定温度、压力和流量，保温15～20分钟，得到内壁结焦的试验管；以及
S3，称量所述内壁结焦的试验管，重量记为M1，根据M1与M0之间的差值计算出所述碳氢燃料的结焦量；
所述步骤S1中在称量所述试验管的重量M0之前，还包括对所述试验管的外壁进行加热预处理的步骤；向所述试验管的外壁进行加热预处理时，先向所述试验管内通入惰性气体以排除所述试验管内的空气；
所述试验管包括依次连接的预热段(11)和试验段(12)，在所述预热段(11)的两端加载有第一变压器，在所述试验段(12)的两端加载有第二变压器，通过智能控制系统控制所述第一变压器的输出功率进而调控所述预热段(11)的出口处温度，通过智能控制系统控制所述第二变压器的输出功率；
所述试验管为321不锈钢管。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过智能控制系统控制所述第一变压器的输出功率进而调控所述预热段(11)的出口处温度的步骤包括：
通过所述智能控制系统采集所述预热段(11)的出口处温度数值，将所述出口处温度数值与预定温度数值进行比较，根据比较结果进而调控所述第一变压器的输出功率，使得所述预热段(11)的出口处温度数值与所述预定温度数值一致。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过智能控制系统控制所述第二变压器的输出功率的步骤包括：
通过所述智能控制系统控制所述第二变压器的输出功率，使所述第二变压器的输出功率平衡掉散失热量，进而保证所述试验段(12)的温度与所述预热段(11)出口处的温度一致。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过在测量气路上设置压力控制装置对所述试验管内的压力进行调节使所述试验管内达到预定压力值。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中将所述碳氢燃料通入所述试验管内进行加热之前，还包括向所述试验管内通入氮气的步骤。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括对进入所述预热段(11)前的碳氢燃料气体的温度和压力进行测量的步骤。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，采用微量天平对所述步骤S1中的所述试验管和所述步骤S3中所述内壁结焦的试验管进行称量，所述称量在湿度和温度恒定且无空气对流的超净间中进行。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括对所述试验段(12)出口逸出的气体进行冷却和回收的步骤。
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