CN105717161A

CN105717161A - 一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置

Info

Publication number: CN105717161A
Application number: CN201610199835.3A
Authority: CN
Inventors: 王玉刚; 杜军燕; 潘江; 秦宇; 孙喜荣; 周秉直
Original assignee: SHAANXI INSTITUTE OF METROLOGY SCIENCE; China Jiliang University
Current assignee: SHAANXI INSTITUTE OF METROLOGY SCIENCE; China Jiliang University
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2016-06-29

Abstract

本发明公开了一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，包括外部恒温槽、主体容器、燃烧室、导流筒、斜桨式搅拌器、测温元件、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元，燃气燃烧释放的热量在主体容器内被吸热介质吸收而得到精确测量，热值测量不确定度优于0.3%（<i>k</i>=2）。本发明的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置通过设置电功率模拟燃气燃烧放热过程，精确测量系统等效热容量；通过燃烧的方法直接测量燃气热值，保证热值测量不确定度优于0.3%（<i>k</i>=2）。

Description

一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置

技术领域

本发明属于计量测试领域，涉及基于燃烧法测定燃气热值的实验装置，尤其涉及不确定度（≤0.3%）的燃气热值计量系统。

背景技术

目前，气体燃料在我国能源结构中所占比重快速提高，燃气热值作为天然气国际贸易的结算单位，其准确度对燃气的公平贸易具有十分重要的意义。但是我国现有燃气热值计量体系不完善，远落后于欧洲国家。

燃气热值指一定体积或质量的燃气完全燃烧所放出的热量，当所生成的水蒸气完全冷凝成水而释放的热量称为高位热值。气体燃料热值测试仪主要基于开放火焰燃烧法，即燃气样品在等温环境下定压燃烧。开放火焰燃烧法又分为两类：定流量法和定质量法。GB/T12206-2006中采用“容克式水流式热量计”就是定流量法开放火焰燃烧法热值测量装置，其热值不确定度只能达到1%。定质量法最早由Rossini提出，欧洲燃气测试联盟和法国国家计量院对Rossini法改进后，研制出热值不确定度达到0.05%的燃气热值测量装置。国内技术远不如国际技术。

基于Rossini法直接测试燃气热值的基本原理是：一定质量的燃气送入燃烧室中缓慢定压燃烧，释放的热量全部由容器内的吸热介质吸收，通过测试吸热介质的温升，可得到总发热量，则燃气热值可由下式计算得到：

式中c_eq为容器内吸热介质与燃烧室、搅拌器等的当量比热，ΔT为吸热介质的温升，m_gas为燃气质量，K为考虑系统散热等引起的热量修正。

获得高准确度燃气热值测试结果的前提是准确测试得到系统当量比热、吸热介质的温升、燃气质量以及系统散热引起的热量修正。

因此，一种高准确度的燃气热值测量系统要求实现系统当量比热和吸热介质温升的准确测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，包括外部恒温槽、主体容器、燃烧室、导流筒、斜桨式搅拌器、测温元件、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元，燃气燃烧释放的热量在主体容器内被吸热介质吸收而得到精确测量，热值测量不确定度优于0.3%（k=2）。

进一步的，所述外部恒温槽的控温准确度为±2mK，为燃烧测试提供恒定的环境温度，修正吸热介质的传热量。

进一步的，所述主体容器内所设置吸热介质是纯净水。进一步的，所述主体容器由不锈钢制成双层壳体和双层盖板，所述壳体是直径不一的两个圆弧壁面及三块平板焊接而成的不规则桶体。所述壳体与盖板通过法兰密封。所述盖板上加工一定数目的圆孔，所述搅拌轴和测温元件通过直径不同的圆孔插入主体容器内的吸热介质中。所述双层盖板的开孔的密封通过紧固件组合与密封圈的配合完成。

进一步的，还包括燃烧室，燃烧室由进气管、点火腔、燃烧腔、出气盘管以及点火装置和感温元件组成。

进一步的，所述进气管包括：燃气进气管，自所述点火腔的底部伸入到点火腔的中上部；氧、氩混合气体进气管，分别通过点火腔壁面的下部与点火腔连通。

进一步的，所述点火装置由两根金属点火线及圆环管组成。所述点火线之间的距离通过所述圆环管固定；所述出气盘管的下部设有水平储液管；所述感温元件置于点火腔的上端。

进一步的，所述斜桨式搅拌器安装于搅拌轴的底部，位于吸热介质水位高度的中部。

进一步的，所述等效热容测试电加热单元由电加热带、参考电阻和恒定电源串联组成，电加热带两端电压与参考电阻两端电压由数字万用表采集。所述电加热带均匀缠绕在燃烧腔的外壁面上。

进一步的，所述半导体预冷单元由半导体制冷片、水冷散热翅片、散热风扇、水冷散热器、水泵、水箱及连接管道组成。

本发明的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置通过设置电功率模拟燃气燃烧放热过程，精确测量系统等效热容量；通过燃烧的方法直接测量燃气热值，保证热值测量不确定度优于0.3%（k=2）。

附图说明

图1是发明的总体结构示意图；

图2是燃烧室的结构示意图；

图3a是主体容器示意图，图3b是F-F剖视图，图3c是G-G剖视图；

图4是主体容器的外观示意图；

图5是半导体预冷单元示意图。

图中各附图标记含义：

1-外部恒温槽主体，2-主体容器外壳体，3-主体容器内壳体，4-导流筒，5-斜桨式搅拌器，6-搅拌轴，7-主体容器内壳盖板，8-主体容器外壳盖板，9-外部恒温槽上盖，10-电机，11-恒定电源，12、14-数字万用表，13-参考电阻，15-水泵，16-水箱，17、21-水冷散热器，18-半导体制冷片，19-水冷散热翅片，20-散热风扇，22、25-隔热垫脚，23-电加热带，24-燃烧室，26-测温元件，27-燃气进气管，28、38-氧、氩混合气体进气管，29-点火腔，30-圆环管，31-燃烧腔，32-出气盘管，33-感温元件，34、35-点火线，36-水平储液管，37-磨砂连接件，39-密封圈，40-紧固件。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方式。这些附图均为简化的示意图，仅以示意的方式说明本发明的基本结构。

如图1所示，本发明的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，主要包括外部恒温槽、主体容器单元、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元等四部分。

如图1所示，所述外部恒温槽，包括外部恒温槽主体1和外部恒温槽上盖9。进一步的，所述外部恒温槽主体内的恒温水浴的温度为25℃±2mK。

如图3所述，所述主体容器单元，包括主体容器外壳体2，主体容器内壳体3，主体容器内壳盖板7，主体容器外壳盖板8，燃烧室24、导流筒4、斜桨式搅拌器5、搅拌轴6、电机10、测温元件26等。

进一步的，所述主体容器外壳体2、主体容器内壳体3，体容器内壳盖板7，主体容器外壳盖板8由不锈钢制成。主体容器制成双层结构，中间可注入保温材料减小燃烧热量向外散失。主体容器内吸热介质为纯净水。

如图4所示所述主体容器盖板7、8的开孔通过如紧固件38、40与密封圈39所示的组合配合完成。

如图2所示，所述燃烧室24的燃气进气管27、氧、氩混合气体进气管28、38，点火腔29、燃烧腔31，出气盘管32，水平储液管36都由石英玻璃制成，其透光率高，可提高辐射换热的效率，有助于将燃气的燃烧热快速高效地传递到吸热介质中。

所述出气盘管32自所述燃烧腔31顶部连出后环绕在燃烧腔体31周围，其下部与水平储液管36连通，防止燃烧产物水蒸气冷凝后堵住出气盘管而不利排放。

所述燃气进气管27，自所述点火腔29的底部伸入到点火腔29的中上部；所述氧、氩混合气体进气管28、38，分别通过点火腔29侧壁面的下部与点火腔29连通。如此，保证所述点火腔内的燃气周围均匀分布预混好的氧气、氩气混合气体，为燃气的连续稳定的燃烧提供有利的条件。

所述点火线34、35分别从所述氧、氩混合气体进气管28、38中伸入点火腔29中燃气进气管27的上部。所述圆环管30套在燃气进气管27上并设有两个通孔，点火线通过这两个通孔保持最佳点火距离，有利于电弧的产生并为燃气的燃烧提供足够的点火温度。

所述感温元件33置于点火腔29的上端，燃气点燃时，感温元件的温度开始急剧升高逐渐接近火焰温度；燃气火焰熄灭时，感温元件所在位置的温度即刻降低逐渐接近吸热介质温度。通过点火腔29内感温元件33温度的骤升点和骤降点来判断燃气燃烧的初始时刻和终止时刻。

所述斜桨式搅拌器5置于吸热介质中间水位高度。所述测温元件26的放置点必须精确代表吸热介质水浴的平均温度，测温元件26的最佳测温点在燃烧腔31轴心与搅拌轴6轴心的中线上，离壳体底部15cm处。

如图1所示，等效热容测试电加热单元由电加热带23、参考电阻13、恒定电源11串联而成，数字万用表12、14实时采集记录电加热带23和参考电阻13电压。所述电加热带23由聚酰亚胺加热膜制成，贴附在燃烧腔31的外壁面，可提供快速高效的热传输，加热面温度均匀，能高效模拟燃气在燃烧腔燃烧的加热功率，提高系统当量比热测试结果的准确性。

如图5所示，半导体预冷装置包括半导体制冷片18，水冷散热翅片19，散热风扇20，水冷散热器17、21，水箱16、水泵15及连接管道。所述水冷散热器17、21由铜制成并包裹保温材料，防止冷量散失。

半导体预冷装置工作时，半导体制冷片18通电、水泵15通电后，水经过水冷散热器17时从半导体制冷片冷端吸收冷量，再经过水冷散热器21时释放给吸热介质，不断循环以降低吸热介质的温度；半导体制冷片18断电后，半导体预冷装置停止工作，吸热介质不再获得冷量。

燃气热值测试过程中，外部恒温槽内水浴温度始终恒定为25℃±2mK，斜桨式搅拌器5始终保持以一定转速（300rpm）转动，测温元件26和感温元件33始终保持工作状态。通过半导体预冷装置工作将吸热介质温度降低至23.5℃时，燃气开始点火燃烧。首先将按比例预混好的氧气、氩气从通气管28、38通入点火腔29中，然后点火线34、35通电产生电弧，再将1g燃气从燃气通气管27送入点火腔29中，通过感温元件33温度骤升判断燃气点燃后，点火线34、35停止产生电弧。通过调整燃气的流量，使其连续缓慢进入点火腔，保持稳定燃烧，不断释放热量，测温元件26实时采集存储吸热介质温度。待燃气燃烧完全，在感温元件33检测到火焰熄灭后，测温元件26继续采集测量数据20min。

系统等效热容测试过程：如图1所示，用电加热模拟燃烧放热，设置电加热带23的电功率与燃烧实验的放热功率一致，电加热时间也与燃烧时间保持一致，通过测温元件26获得电加热绝热温升，数字万用表12、14实时测量电加热带23、参考电阻14的电压，系统等效热容量可由下式计算得到：

；

式中为系统等效热容量，为电加热能量，为电加热温升，为参考电阻，为电加热带的电压，为参考电阻的电压，为时间。

上述实例仅仅是为说明所做的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这些由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，包括外部恒温槽、主体容器、燃烧室、导流筒、斜桨式搅拌器、测温元件、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元，其特征在于：燃气燃烧释放的热量在主体容器内被吸热介质吸收而得到精确测量，热值测量不确定度优于0.3%（k=2）。

2.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述外部恒温槽的控温准确度为±2mK，为燃烧测试提供恒定的环境温度，修正吸热介质的传热量。

3.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述主体容器内所设置吸热介质是纯净水。

4.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述主体容器是不锈钢制成双层结构，所述主体容器是直径不一的两个圆弧壁面及三块平板焊接而成的不规则桶体。

5.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：还包括燃烧室，燃烧室由进气管、点火腔、燃烧腔、出气盘管以及点火装置和感温元件组成。

6.根据权利要求5所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述进气管包括：燃气进气管27，自所述点火腔（29）的底部伸入到点火腔（29）的中上部；氧、氩混合气体进气管（28、38），分别通过点火腔（29）侧壁面的下部与点火腔（29）连通。

7.根据权利要求5所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述点火装置由两根金属点火线及圆环管组成。所述点火线之间的距离通过所述圆环管固定；所述出气盘管的下部设有水平储液管；所述感温元件置于点火腔的上端。

8.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述斜桨式搅拌器安装于搅拌轴的底部，位于吸热介质水位高度的中部。

9.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述等效热容测试电加热单元由电加热带、参考电阻和恒定电源串联组成，电加热带两端电压与参考电阻两端电压由数字万用表采集。所述电加热带均匀缠绕在燃烧腔的外壁面上。

10.根据权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于：所述半导体预冷单元由半导体制冷片、水冷散热翅片、散热风扇、水冷散热器、水泵、水箱及连接管道组成。