CN103235084A - 一种含能材料燃烧成气率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新的含能材料燃烧成气率测试装置及方法，装置由燃烧器、加热套、称重装置和试验台架组成；燃烧器由过滤器、燃烧室和输气接口组成；燃烧室同轴固定安装在两个过滤器之间，输气接口固定安装在过滤器的外端；过滤器两端为开有通气孔的隔板，隔板之间填充有过滤物质，过滤物质与隔板之间覆盖有防止过滤物质被吹出过滤器的透气材料；燃烧器放置在称重装置上；加热套包裹燃烧器。本发明引入了过滤效果更好的过滤物质并使用加热套对燃烧器进行整体加热，这样在保证对凝聚相产物有效过滤的同时，避免了低沸点气相产物（主要是水）在过滤层中的凝结而造成的实验误差。

Description

一种含能材料燃烧成气率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及燃烧测试技术领域，具体为一种含能材料燃烧成气率测试装置及方法，适用于燃烧过程中凝聚相物质生成较多的含能材料的燃烧成气率测试。

背景技术

燃烧成气率是指物质燃烧过程中产生的气相物质质量占燃烧前样品质量的百分数。对于含能材料来说，由于能量较高、燃烧剧烈，导致燃烧过程气相物质的生成速率较大，且气相物质与凝聚相物质混合程度较高，使两者很难有效地分开，因此如何准确测试含能材料的燃烧成气率便成为业界的一个难题。

西北工业大学王英红研制了一种推进剂燃烧成气率的测试装置及测试方法，初步实现了推进剂气相产物与凝聚相产物的分离。但在实践过程中，这种方法存在一定的缺陷，主要表现在：（1）采用酸洗石棉作为过滤物质。由于酸洗棉具有致癌作用，会对实验人员的身体健康造成较大的损害；酸洗石棉具有较强的吸湿性，在实验过程中很容易吸收含能材料燃烧产生的水分及空气中的水分，使实验测得的燃烧成气率往往明显小于实际值；酸洗石棉的过滤效果较差，必须使用较多的量才能保证过滤效果，在增加了装置质量的同时，增加了实验的不确定度；酸洗石棉的耐高温能力不强，在实验过程中经常会出现酸洗石棉由于高温而发生破坏的现象，干扰了实验结果。（2）实验环境为室温。由于过滤段较长、燃烧反应的速度较快，燃烧产物在过滤层中运动的过程中，温度逐渐下降，部分生成的气相产物（主要是水蒸气）便可能由气相变为液相而留在过滤层中，直接导致实验结果偏低。（3）燃烧室内的具有较多的空气。考虑到使用环境，含能材料的成气率一般是指在惰性气氛下燃烧的成气率，燃烧室内有较多的空气使燃烧条件发生改变，不能满足实验条件的要求。（4）点火与称量过程分开进行。不但增加了测试过程的复杂程度，而且装置的转移称量可能带来一定的质量称量误差。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有含能材料燃烧成气率测试中存在的问题，本发明提出了一种新的含能材料燃烧成气率测试装置及方法，能够在模拟含能材料实际燃烧条件的基础上，准确地对燃烧的成气率进行测试。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：由燃烧器、加热套、称重装置和试验台架组成；所述燃烧器由两个过滤器、一个燃烧室和一个输气接口组成；燃烧室同轴固定安装在两个过滤器之间，输气接口固定安装在一个过滤器的外端；所述过滤器两端为开有通气孔的隔板，隔板之间填充有过滤物质，过滤物质与隔板之间覆盖有防止过滤物质被吹出过滤器的透气材料；燃烧器放置在称重装置上；加热套包裹燃烧器。

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：燃烧室侧面开有测压口，外部压力测量装置通过测压口测量燃烧室内压力。

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：所述过滤物质由碳纤维和细粉末状过滤物质组成，碳纤维处于过滤器轴向两端，细粉末状过滤物质处于碳纤维之间。

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：所述细粉末状过滤物质为MgO或CaO或钛白粉；细粉末状过滤物质粒度为1μm～3μm；细粉末状过滤物质在过滤器中的堆积密度不小于其自身密度的75%。

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：所述碳纤维为1K～5K的纤维束，纤维束的长度为20～40mm，碳纤维在过滤器中的堆积密度不小于其自身密度的50%。

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：过滤器中透气材料采用高硅氧石棉布。

所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：过滤器中前碳纤维段、细粉末状过滤物质段和后碳纤维段的轴向长度之比为1.5：5：3.5，其中前碳纤维段指靠近燃烧室的碳纤维段。

所述一种含能材料燃烧成气率测试方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：称量质量为m的含能材料样品放入燃烧室；

步骤2：通过输气接口向燃烧器内通入燃烧环境气氛至少5分钟；

步骤3：将燃烧器放入称重装置上，称量燃烧器质量m₁；

步骤4：通过加热套给燃烧器整体加热，并使得样品在燃烧室中燃烧；当样品在燃烧室中燃烧完后，称重装置称量燃烧器质量m₂，得到样品燃烧的成气率为

$\mathrm{\η}=\frac{m_2-m_1}{m}.$

有益效果

本发明的有益效果是：引入了过滤效果更好的过滤物质并使用加热套对燃烧器进行整体加热，这样在保证对凝聚相产物有效过滤的同时，避免了低沸点气相产物（主要是水）在过滤层中的凝结而造成的实验误差。另外，由于碳纤维具有较好的耐烧蚀性，能够消除由于过滤物质的烧蚀对实验结果产生的干扰。通过对燃烧室内持续地通入氮气等惰性气体，将燃烧室中的空气有效驱逐，使含能材料在惰性气体中进行燃烧，保证了实验所应具备的燃烧条件。无线压力变送器及电子天平的同时使用，实现了含能材料燃烧过程中压强和质量的实时测试，提高了测试的可信度、简化了实验步骤。

附图说明

图1为本发明燃烧器及输气转接头内部结构示意图；

图中，1-高硅氧纤维布；2-碳纤维；3-MgO或CaO或钛白粉；4-后过滤器；5-挡板；6-测压孔；7-实验样品；8-燃烧室；9-前过滤器；10-输气接口。

图2和图3分别为图1的A向和B向视图；图4为挡板的A向视图。

图5为燃烧成气率测试示意图；

图中，11-铁架台；12-无线压力变送器；13-加热套；14-燃烧器；15-燃烧器支架；16-电子天平。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例的原理是：采用耐高温、吸湿性差的碳纤维与过滤性较好的细粉末状物质（MgO或CaO或钛白粉）相结合作为过滤器中的过滤物质，能够保证过滤效果。装有含能材料样品的燃烧室两端分别配置一个过滤器。其中的一个过滤器可以通过专用输气接口与氮气瓶相连，通过对一端的过滤器通入氮气5分钟，可将燃烧室内的空气驱逐出去，由于过滤层比较密实，燃烧室与外界气氛在一次实验的时间内无气体交换，能够保证含能材料在惰性气氛内燃烧。另外，也可根据实验的特殊要求，输入不同的气体使含能材料可以在不同的气氛下燃烧。燃烧室通过管路连接无线压力变送器，可以实时测试燃烧室内的压力。装配好的燃烧器通过底座放置到电子天平上，以便实时称量装置的质量。调节加热套的高度及角度使之完全包裹住燃烧器，然后通电对燃烧器加热，使含能材料自燃，由于整个装置的温度都比较高（具体温度可以参照各含能材料的发火点，一般大于250℃）,这样能够保证过滤层也处于较高的温度，使燃烧产物中的低沸点物质（特别是水蒸汽）不会停留在过滤层中。

参照附图5，本实施例中含能材料燃烧成气率测试装置由燃烧器14、加热套13、电子天平16和试验台架组成。

参照附图1，燃烧器14由两个过滤器、一个燃烧室和一个输气接口组成。燃烧室由不锈钢制成，燃烧室长度为30～40mm。每个过滤器的长度约为50mm～80mm，燃烧室与过滤器外径相同，均为30～40mm。燃烧室同轴固定安装在两个过滤器之间，输气接口固定安装在一个过滤器的外端，本实施中在燃烧室与过滤器之间还隔有挡板，将燃烧室和过滤器分开，以增强过滤层的密实程度并减少碳纤维的烧蚀。

过滤器两端为开有通气孔的隔板，通气孔直径约为3mm。在过滤器内，隔板之间填充有过滤物质，过滤物质由碳纤维和细粉末状过滤物质组成，碳纤维处于过滤器轴向两端，细粉末状过滤物质处于碳纤维之间。细粉末状过滤物质为MgO或CaO或钛白粉，本实施例中细粉末状过滤物质采用CaO粉末，CaO粉末粒度为1μm～3μm，且在CaO粉末装入过滤器后要进行压实，使得CaO粉末在过滤器中的堆积密度不小于CaO自身密度的75%。碳纤维为1K～5K的纤维束，纤维束的长度为20～40mm，装入过滤器后的碳纤维进行压实处理，使得碳纤维在过滤器中的堆积密度不小于其自身密度的50%。在过滤器中碳纤维和CaO粉末分为三段，本实施例中前碳纤维段、细粉末状过滤物质段和后碳纤维段的轴向长度之比为1.5：5：3.5，其中前碳纤维段指靠近燃烧室的碳纤维段。过滤器中在过滤物质与隔板之间覆盖有防止过滤物质被吹出过滤器的透气材料，本实施例中采用高硅氧石棉布。

在燃烧室侧面开有测压孔，经管道与无线压力变送器相连以测量燃烧室内压力，无线压力变送器的型号为JYB-KB-CW2000，量程为0～35MPa。

在燃烧器外部包裹有加热套，加热套完整地套住燃烧器，以实现整体加热，加热功率在200～2000W内可调。

燃烧器通过支架15放置在电子天平上，电子天平16采用XS2002S型精密天平，量程为2000g，结果精确至0.05g，实现燃烧器质量变化的实时测量。

采用上述装置测量含能材料燃烧成气率的方法为以下步骤：

步骤1：称量质量为m=3.5667g的含能材料样品放入燃烧室，连接好测试装置；

步骤2：通过输气接口向燃烧器内通入燃烧环境气氛至少5分钟，本实施例采用氮气，以0.2MPa的压强，通入氮气5分钟后将输气接口拆下；

步骤3：将燃烧器放入称重装置上，称量燃烧器质量m₁=9052.32g；

步骤4：通过加热套给燃烧器整体加热，并使得样品在燃烧室中燃烧；当样品在燃烧室中燃烧完后，称重装置称量燃烧器质量m₂=9050.89g，得到样品燃烧的成气率为 $\mathrm{\η}=\frac{9052.32-9050.89}{3.5667}=40.09\%.$

Claims (8)

1.一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：由燃烧器、加热套、称重装置和试验台架组成；所述燃烧器由两个过滤器、一个燃烧室和一个输气接口组成；燃烧室同轴固定安装在两个过滤器之间，输气接口固定安装在一个过滤器的外端；所述过滤器两端为开有通气孔的隔板，隔板之间填充有过滤物质，过滤物质与隔板之间覆盖有防止过滤物质被吹出过滤器的透气材料；燃烧器放置在称重装置上；加热套包裹燃烧器。

2.根据权利要求1所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：所述过滤物质由碳纤维和细粉末状过滤物质组成，碳纤维处于过滤器轴向两端，细粉末状过滤物质处于碳纤维之间。

3.根据权利要求2所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：所述细粉末状过滤物质为MgO或CaO或钛白粉；细粉末状过滤物质粒度为1μm～3μm；细粉末状过滤物质在过滤器中的堆积密度不小于其自身密度的75%。

4.根据权利要求2或3所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：所述碳纤维为1K～5K的纤维束，纤维束的长度为20～40mm，碳纤维在过滤器中的堆积密度不小于其自身密度的50%。

5.根据权利要求4所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：过滤器中透气材料采用高硅氧石棉布。

6.根据权利要求4所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：过滤器中前碳纤维段、细粉末状过滤物质段和后碳纤维段的轴向长度之比为1.5：5：3.5，其中前碳纤维段指靠近燃烧室的碳纤维段。

7.根据权利要求6所述一种含能材料燃烧成气率测试装置，其特征在于：燃烧室侧面开有测压口，外部压力测量装置通过测压口测量燃烧室内压力。

8.一种使用权利要求1所述含能材料燃烧成气率测试装置的测试方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：称量质量为m的含能材料样品放入燃烧室；

步骤2：通过输气接口向燃烧器内通入燃烧环境气氛至少5分钟；

步骤3：将燃烧器放入称重装置上，称量燃烧器质量m₁；

步骤4：通过加热套给燃烧器整体加热，并使得样品在燃烧室中燃烧；当样品在燃烧室中燃烧完后，称重装置称量燃烧器质量m₂，得到样品燃烧的成气率为

$\mathrm{\η}=\frac{m_2-m_1}{m}.$

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