CN106885870A - 测量混合气体淬熄直径的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量混合气体淬熄直径的装置，主要解决现有技术中配套装置要求较高、测量范围较窄、测量灵活性较差的问题。本发明通过采用一种测量混合气体淬熄直径的装置，所述装置包括刻蚀有微通道的芯片、带有两根电极的电火花发生器、气源；气源与刻蚀有微通道的芯片连接，刻蚀有微通道的芯片与电火花发生器相连，刻蚀有微通道的芯片上设有废气出口的技术方案较好地解决了上述问题，可用于测量混合气体淬熄直径中。

Description

测量混合气体淬熄直径的装置
技术领域
本发明涉及一种测量混合气体淬熄直径的装置。
背景技术
对于可燃气体的燃烧传播过程来说，当传播通道的直径减小到某一数值时，火焰在管道中便不能够传播，这种现象叫做火焰淬熄，这个数值被称为淬熄距离或者临界直径。造成淬熄的原因有二：一是小尺度对应大的比表面积，燃烧产生的热量经管壁这一冷源迅速撤走，火焰不能保持一定的温度；二是反应中生成的活性自由基在接触壁面后会淬灭，无法继续进行链式反应。在燃烧学中，淬熄距离是非常重要的燃爆参数，这一参数对火焰的驻定、内燃机的点火、燃烧过程的优化、化工过程的安全性等都具有重要的影响。淬熄距离的测量是相关研究中的重要问题。大部分研究都是通过测量火焰照片中发光区边缘与壁面的距离来测定淬熄距离。目前在科研文献中已见报道的测试方法主要有：本生灯测试法(黄夏、黄勇，本生灯预混火焰淬熄距离实验分析，北京航空航天大学学报，2015,41,1513-1519)、密闭容器成像法(M.Bellenoue,et al.Direct measurement of laminar flamequenching distance in a closed vessel,Experimental Thermal and Fluid Science,2003,27,323-331)、环形阶梯式分流管法(Y.Jung,et al.Direct prediciton of laminarburning velocity and quenching distance of hydrogen-air flames using anannular stepwide diverging tube,Combustion and Flame,2016,164,397-399)等。上述方法均依赖于相机成像效果，对配套装置要求较高，且测量的尺度范围受到管壁材料的限制，很难加工至0.1mm以下，难以满足某些极端条件下的测试需求。CN102608287B提供一种可燃气体爆轰临界管径的测试系统和方法，能够测试爆轰的临界管径而非爆燃临界管径，其管径尺度范围和测量方法并不具备测试火焰传播淬灭距离的能力，测量原理与本专利本质不同。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中配套装置要求较高、测量范围较窄、测量灵活性较差的问题，提供一种新的测量混合气体淬熄直径的装置。该装置具有配套装置要求较低、测量范围较宽的优点。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种测量混合气体淬熄直径的装置，所述装置包括刻蚀有微通道的芯片、带有两根电极的电火花发生器、气源；气源与刻蚀有微通道的芯片连接，刻蚀有微通道的芯片与电火花发生器相连，刻蚀有微通道的芯片上设有废气出口；刻蚀有微通道的芯片材质为高分子聚合物、不锈钢或陶瓷；微通道截面为椭圆形、圆形、长方形、圆角方形或三角形；微通道直径为待考察的临界直径。
上述技术方案中，优选地，在芯片出口处设有安全阀或爆破片，减少微通道内压力。
上述技术方案中，优选地，测试区为均一直径的通道，在上游设置点火区，两根电极通入点火区，每次测试时确保点火区有火焰产生，然后观察火焰是否传播到测试区，或将点火器直接置于测试区，两根电极直接通入测试区，测试是否有火焰生成。
上述技术方案中，优选地，一块芯片上刻蚀一条或多条微通道，微通道间是隔离的或共享一个点火区。
上述技术方案中，优选地，通道直径在0.05mm～5cm之间。
上述技术方案中，优选地，每条微通道有选择地只设置单一入口，混合气体在引入通道前已混合均匀，或设置多个入口，在通道内实现气体的均匀混合；由于气体的扩散速度快而通道内的扩散距离短，气体在通道内的混合时间应在毫秒级。
上述技术方案中，优选地，点火器的两个电极穿过芯片上预留的孔道，将尖端深入点火区或测试区。
上述技术方案中，优选地，高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷。
上述技术方案中，优选地，所述装置能够与高速摄像机进一步组装为功能化装置。
本发明提供了一种可以测量可燃气体燃烧传播的临界直径的装置，与现有技术相比本专利可以：1)避免使用较高分辨率的高速摄像机以加强方法的便携性和普适性；2)扩大方法的测量范围；3)用一种简单便携的装置取代常见的复杂大型装置，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1装置整体组成示意图。
图1中，1刻蚀有微通道的芯片；2待测可燃气体；3氧气；4电火花发生器；5废气出口。
图2设置有点火区的芯片结构示意图。
图2中，1待测可燃气体入口；2氧气入口；3两根电极插入孔；4点火区；5待测区；6废气出口。
图3无点火区的芯片结构示意图。
图3中，1待测可燃气体入口；2氧气入口；3两根电极插入孔；4待测区；5废气出口。
图4实施例3中利用高速摄像机拍摄的燃爆现象随时间演化过程。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
不同组成H2和O2混合气体淬熄直径的测量：
一种测量混合气体淬熄直径的装置，在混合气体淬熄直径测量装置上进行混合气体淬熄直径测量，如图1所示，所述装置包括刻蚀有微通道的芯片、带有两根电极的电火花发生器、气源；气源与刻蚀有微通道的芯片连接，刻蚀有微通道的芯片与电火花发生器相连，刻蚀有微通道的芯片上设有废气出口；通过在不同管径的微通道中进行火焰传播实验确定测试对象的淬熄直径。
芯片材质选自聚甲基丙烯酸甲酯，微通道截面为0.05mm。
芯片部分结构如图3所示，将两根电极插入预设的孔道，在上方进行密封。在测试开始前首先封闭各个接口(待测可燃气体入口、氧气入口、废气出口)，将出口连接真空泵抽真空，移除芯片通道内残余的空气。然后连接气瓶与通道，将通道后背压阀设为10psi，H2和O2流量控制为各为1sccm，吹扫通道5分钟。关闭所有接口，调节电火花发生器输出电压为0，将电压逐步增加，同时观察通道内是否有火焰传播。在暗室中，火焰传播直接用肉眼观察。如未观测到火焰，则将电极插入更大直径通道中，重复上述步骤，直至开始观测到火焰传播，则H2和O2在10psi下摩尔比为1：1时的临界直径在此直径与上一直径之间。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件和步骤，芯片材质选自聚甲基丙烯酸甲酯，微通道截面为10mm。
芯片结构如图3所示，测试区为均一直径的通道，在上游设置点火区，两根电极通入点火区，每次测试时确保点火区有火焰产生，然后观察火焰是否传播到测试区。在测试开始前首先封闭各个接口(待测可燃气体入口、氧气入口、废气出口)，将出口连接真空泵抽真空，移除芯片通道内残余的空气。然后连接气瓶与通道，H2和O2流量控制为1sccm与10sccm，吹扫通道5分钟。关闭所有接口，调节电火花发生器输出电压为0，将电压逐步增加，同时观察通道内是否有火焰传播。在暗室中，火焰传播直接用肉眼观察。如未观测到火焰，则将电极插入更大直径通道中，重复上述步骤，直至开始观测到火焰传播，则H2和O2在1大气压下摩尔比为1：10时的临界直径在此直径与上一直径之间。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件和步骤，芯片材质选自聚二甲基硅氧烷，微通道截面为圆形。
芯片结构如图2所示，测试区为4条并联的均一直径的通道，直径分别为0.1mm、0.3mm、0.5mm与0.7mm，在上游设置点火区，两根电极通入点火区，每次测试时确保点火区有火焰产生，然后观察火焰是否传播到测试区。在测试开始前首先封闭各个接口(待测可燃气体入口、氧气入口、废气出口)，将出口连接真空泵抽真空，移除芯片通道内残余的空气。然后连接气瓶与通道，将通道后背压阀设为29psi，H2和O2流量控制为各为2sccm，吹扫通道2分钟。关闭所有接口，调节电火花发生器输出电压为0，将电压逐步增加，同时观察通道内是否有火焰传播。在暗室中，火焰传播直接用肉眼观察。如未观测到火焰，则将电极插入更大直径通道中，重复上述步骤，直至开始观测到火焰传播，则H2和O2在29psi下摩尔比为1：1时的临界直径在此直径与上一直径之间。
利用高速摄像机拍摄的燃爆现象随时间演化过程见图4所示。
【实施例4】
按照实施例1所述的条件和步骤，芯片材质选自聚二甲基硅氧烷，微通道截面为圆形。
芯片结构如图2所示，测试区为4条并联的均一直径的通道，直径分别为0.1mm、0.3mm、0.5mm与0.7mm，在上游设置点火区，两根电极通入点火区，每次测试时确保点火区有火焰产生，然后观察火焰是否传播到测试区。在测试开始前首先封闭各个接口(待测可燃气体入口、氧气入口、废气出口)，将出口连接真空泵抽真空，移除芯片通道内残余的空气。然后连接气瓶与通道，将通道后背压阀设为14.5psi，H2和O2流量控制为各为2sccm，吹扫通道2分钟。关闭所有接口，调节电火花发生器输出电压为0，将电压逐步增加，同时观察通道内是否有火焰传播。在暗室中，火焰传播直接用肉眼观察。如未观测到火焰，则将电极插入更大直径通道中，重复上述步骤，直至开始观测到火焰传播，则H2和O2在14.5psi下摩尔比为1：1时的临界直径在此直径与上一直径之间。
显然，本发明提供的测量可燃气体燃烧传播的临界直径的方法，避免使用较高分辨率的高速摄像机以加强方法的便携性和普适性，扩大方法的测量范围，用一种简单便携的装置取代常见的复杂大型装置，取得了较好的技术效果。

Claims (9)

1.一种测量混合气体淬熄直径的装置，所述装置包括刻蚀有微通道的芯片、带有两根电极的电火花发生器、气源；气源与刻蚀有微通道的芯片连接，刻蚀有微通道的芯片与电火花发生器相连，刻蚀有微通道的芯片上设有废气出口；刻蚀有微通道的芯片材质为高分子聚合物、不锈钢或陶瓷；微通道截面为椭圆形、圆形、长方形、圆角方形或三角形；微通道直径为待考察的临界直径。
2.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于在芯片出口处设有安全阀或爆破片，减少微通道内压力。
3.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于测试区为均一直径的通道，在上游设置点火区，两根电极通入点火区，每次测试时确保点火区有火焰产生，然后观察火焰是否传播到测试区，或将点火器直接置于测试区，两根电极直接通入测试区，测试是否有火焰生成。
4.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于一块芯片上刻蚀一条或多条微通道，微通道间是隔离的或共享一个点火区。
5.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于通道直径在0.05mm～5cm之间。
6.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于每条微通道有选择地只设置单一入口，混合气体在引入通道前已混合均匀，或设置多个入口，在通道内实现气体的均匀混合；由于气体的扩散速度快而通道内的扩散距离短，气体在通道内的混合时间应在毫秒级。
7.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于点火器的两个电极穿过芯片上预留的孔道，将尖端深入点火区或测试区。
8.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷。
9.根据权利要求1所述测量混合气体淬熄直径的装置，其特征在于所述装置能够与高速摄像机进一步组装为功能化装置。
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