CN106908247A - 定容燃烧弹加热装置及温控方法 - Google Patents

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张尊华
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Abstract

本发明公开了一种定容燃烧弹加热装置及温控方法，该装置包括均匀缠绕在定容弹弹体表面的加热带，定容弹弹体的内外壁分别设置有弹内壁温度传感器、弹外壁温度传感器，弹内壁温度传感器和弹外壁温度传感器的信号输出端分别通过控制器与PC机连接，控制器具有三个输出端，一个输出端与供电装置的输入端连接，一个输出端通过真空泵与抽气电磁阀连接，另一个输出端与排气电磁阀连接，供电装置的输出端与加热带连接。本发明根据定容弹内外温差来调节加热带电压，使加热带电压根据定容弹内外温差时时做出反应，以限制温差进一步增大，保证加热的均匀性；同时，定容弹电压根据温差变化逐级调节，使得加热带电压更趋于线性变化，缩短了加热过程所需时间。

Description

定容燃烧弹加热装置及温控方法
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，具体地指一种定容燃烧弹加热装置及温控方法。
背景技术
为缓解能源短缺和减少环境问题，替代燃料正成为内燃机领域的研究热点。燃料燃烧的完善程度影响着发动机的动力性、经济性以及排放特性，因此，有必要研究燃料的燃烧特性。由于发动机的工况和条件的不稳定性，很难做到燃烧情况完全一致。而定容燃烧弹实验装置实现燃烧条件一致相对简单，便于定性及定量的研究燃料的燃烧特性。为了探究初始温度对燃料燃烧特性的影响，需要调控燃料-空气混合物的初始温度。将混合物加热至预设温度需要通过加热系统辅助完成。小功率加热势必会导致加热效率低，加热时间长；以大功率加热可以提高加热效率，缩短加入时间，但是容易使混合气温度超过预设温度。其次，在开展定容燃烧弹实验中，一般采用分压配气法进行配气，根据气体状态方程可知，温度的不稳定必然会导致压力表读数的波动，严重影响实验效率，或者引起实验结果的误差。此外，燃料燃烧放热，定容燃烧弹内温度急剧升高，在热传导和热辐射的作用下，定容燃烧弹内外壁的温度随实验的开展会逐渐升高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种能快速加热并稳定至预设温度的定容燃烧弹加热装置及温控方法。
为实现上述目的，本发明所设计的一种定容燃烧弹加热装置，包括均匀缠绕在定容弹弹体表面的加热带，其特殊之处在于可以紧贴定容弹外壁面并且提供输出较高的热流密度，所述定容弹弹体的内壁设置有弹内壁温度传感器、外壁设置有弹外壁温度传感器，所述弹内壁温度传感器和弹外壁温度传感器的信号输出端分别通过控制器与PC机连接，所述控制器具有三个输出端，一个输出端与供电装置的输入端连接，一个输出端通过真空泵与抽气电磁阀连接，另一个输出端与排气电磁阀连接，所述供电装置的输出端与加热带连接。
进一步地，所述弹外壁温度传感器为贴片式温度传感器。贴片式温度传感器可以紧贴容弹外壁，且与外壁的接触面积大，能较为准确、快速的测量定容弹外壁的温度。
更进一步地，所述弹内壁温度传感器为探头式温度传感器。探头式温度传感器可以伸入到内部，对弹壁附近指定区域流体介质的温度进行测量。
一种利用上述定容燃烧弹加热装置的温控方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
1)采集定容弹的弹内壁温度Tn，与预设温度Ts比较，若Tn＜Ts，将供电装置的电压调制140～180V；
2)采集定容弹的弹内壁温度Tn和弹外壁温度Tw，若Tw-Tn≥50K，将供电装置的电压减小5V，重复本步骤直至Tw-Tn＜50K；
3)采集定容弹的弹内壁温度Tn，若Ts-Tn＜5K，将供电装置(5)的电压减小1V，重复本步骤直至Ts＝Tn；
4)定容弹的弹内电极点火，进行球形传播火焰试验，弹内温度和压力迅速上升，此时Tn＞Ts；
5)打开与真空泵连接的抽气电磁阀，抽掉定容弹内的高温废气，弹内温度缓慢降低；
6)当弹内压力P0等于0.5kPa时，打开排气电磁阀，弹内温度Tn快速降低，当Tn＝Ts时，关闭排气阀；
7)当弹内压力P0＝0kPa时，关闭真空泵与抽气电磁阀；
8)进行下一轮配气操作，向定容弹内注入可燃混合气体，返回步骤1)。
优选地，所述步骤2)的重复频率为20分钟，以保证定容弹能够快速加热同时避免定容弹内部与外部温差过大给定容弹系统带来的热应力损害。
优选地，所述步骤3)的重复频率为2分钟，以保证定容弹内部流体介质的温度场更加均匀且稳定。
本发明根据定容弹内外温差来调节加热带电压，使加热带电压根据定容弹内外温差时时做出反应，以限制温差进一步增大，保证加热的均匀性；同时，定容弹电压根据温差变化逐级调节，使得加热带电压更趋于线性变化，缩短了加热过程所需时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)该加热装置和温控方法可以大大减少定容弹加热过程所需的时间，相较于没有采用本发明温控方法的定容弹加热方式，采用本发明将定容弹加热到稳态所需要的时间可以节省30-60分钟；2)使用本发明加热装置和温控方法，定容弹在加热过程中，弹内和弹外温度差更小，加热的均匀性更好。相较于没有采用本发明温控方法的定容弹加热方式，采用本发明加热方式的加热过程中，定容弹弹内与外壁的最大温差要小5-15K。本发明显著提高了加热均匀性，同时减小了定容弹弹体在加热过程中承受的热应力，延长了设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明方法的流程图。
图中：加热带1，弹内壁温度传感器2，弹外壁温度传感器3，控制器4，PC机5，真空泵6，抽气电磁阀7，排气电磁阀8，供电装置9。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的一种定容燃烧弹加热装置包括供电装置9、加热带1、弹内壁温度传感器2、弹外壁温度传感器3、控制器4、PC机5、真空泵6、抽气电磁阀7、排气电磁阀8和保温材料。
定容弹弹体的内壁设置有弹内壁温度传感器2、外壁设置有弹外壁温度传感器3，弹内壁温度传感器2和弹外壁温度传感器3的信号输出端分别通过控制器4与PC机5连接，分别用于将定容弹的弹内壁温度Tn和定容弹的弹外壁温度Tw发送至控制器4和PC机5。控制器4具有三个输出端，一个输出端与供电装置9的输入端连接，一个输出端通过真空泵6与抽气电磁阀7连接，另一个输出端与排气电磁阀8连接。供电装置9的输出端与加热带1连接。加热带1均匀缠绕在定容弹弹体表面。PC机和控制器根据预设温度调节供电装置9的输出电压，达到对供电装置9加载在加热带1上电压进行相应调节，从而实现对定容弹弹内温度的控制。真空泵6和抽气电磁阀7用于抽除弹体内的废气，使定容弹内部达到真空状态；保温材料包裹在弹体外表面，以减少弹内流体介质的温度损失。
利用本发明开展温度高于常温的定容弹实验时，需要对定容弹进行加热。本发明提供的定容燃烧弹加热装置的温控方法，包括如下步骤：
1)利用弹内壁温度传感器2采集定容弹的弹内壁温度Tn，将Tn与预设温度Ts比较，若Tn＜Ts，将供电装置9的电压调至140、150V、170V、180V中任一电压值；
2)利用弹内壁温度传感器2和弹外壁温度传感器3采集定容弹的弹内壁温度Tn和弹外壁温度Tw，若Tw-Tn≥50K，将供电装置9的电压减小5V，每隔二十分钟重复一次本步骤，每次下调电压5V，直至Tw-Tn＜50K，进入步骤3)；
3)利用弹内壁温度传感器2采集定容弹的弹内壁温度Tn，若Ts-Tn＜5K，将供电装置5的电压减小1V，每隔2分钟重复本步骤直至Ts＝Tn；
4)定容弹的弹内电极点火，进行球形传播火焰试验，弹内的可燃气体迅速燃烧，弹内温度和压力迅速上升，此时Tn＞Ts；
5)打开与真空泵6连接的抽气电磁阀7，抽掉定容弹内的高温废气，弹内温度缓慢降低；
6)当弹内压力P0等于0.5kPa时，打开排气电磁阀8，弹内温度Tn快速降低，当Tn＝Ts时，关闭排气阀8；
7)当弹内压力P0＝0kPa时，关闭真空泵6与抽气电磁阀7；
8)进行下一轮配气操作，向定容弹内注入可燃混合气体，有于重新配气后，弹内壁温度Tn和预设温度Ts都会发生变化，返回步骤1)重复操作。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种定容燃烧弹加热装置，包括均匀缠绕在定容弹弹体表面的加热带(1)，其特征在于：所述定容弹弹体的内壁设置有弹内壁温度传感器(2)、外壁设置有弹外壁温度传感器(3)，所述弹内壁温度传感器(2)和弹外壁温度传感器(3)的信号输出端分别通过控制器(4)与PC机(5)连接，所述控制器(4)具有三个输出端，一个输出端与供电装置(9)的输入端连接，一个输出端通过真空泵(6)与抽气电磁阀(7)连接，另一个输出端与排气电磁阀(8)连接，所述供电装置(9)的输出端与加热带(1)连接。
2.根据权利要求1所述的定容燃烧弹加热装置，其特征在于：所述弹内壁温度传感器(2)为贴片式温度传感器。
3.根据权利要求1或者2所述的定容燃烧弹加热装置，其特征在于：所述弹外壁温度传感器(3)为探头式温度传感器。
4.一种利用权利要求1或者2所述的定容燃烧弹加热装置的温控方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)采集定容弹的弹内壁温度Tn，与预设温度Ts比较，若Tn＜Ts，将供电装置(9)的电压调制140～180V；
2)采集定容弹的弹内壁温度Tn和弹外壁温度Tw，若Tw-Tn≥50K，将供电装置(9)的电压减小5V，重复本步骤直至Tw-Tn＜50K；
3)采集定容弹的弹内壁温度Tn，若Ts-Tn＜5K，将供电装置(9)的电压减小1V，重复本步骤直至Ts＝Tn；
4)定容弹的弹内电极点火，进行球形传播火焰试验，弹内温度和压力迅速上升，此时Tn＞Ts；
5)打开与真空泵(6)连接的抽气电磁阀(7)，抽掉定容弹内的高温废气，弹内温度缓慢降低；
6)当弹内压力P0等于0.5kPa时，打开排气电磁阀(8)，弹内温度Tn快速降低，当Tn＝Ts时，关闭排气阀(8)；
7)当弹内压力P0＝0kPa时，关闭真空泵(6)与抽气电磁阀(7)；
8)进行下一轮配气操作，向定容弹内注入可燃混合气体，返回步骤1)。
5.根据权利要求3所述的定容燃烧弹加热装置的温控方法，其特征在于：所述步骤2)的重复频率为20分钟。
6.根据权利要求4所述的定容燃烧弹加热装置的温控方法，其特征在于：所述步骤3)的重复频率为2分钟。
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