CN107339695B - 一种层流扩散火焰气体燃烧测试系统 - Google Patents

一种层流扩散火焰气体燃烧测试系统 Download PDF

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Abstract

一种层流扩散火焰气体燃烧测试系统属实验设备技术领域，本发明中氧化剂引入管Ⅱ两端分别连接层流扩散火焰燃烧器的氧化剂入口Ⅱ和三通阀出口Ⅱ，氧化剂引入管Ⅰ两端分别连接层流扩散火焰燃烧器的氧化剂入口Ⅰ和三通阀出口Ⅰ，三通阀进口与气体流量显示控制装置的空气出口连接，气体流量显示控制装置的空气入口与空气储气瓶出口连接，气体流量显示控制装置的气体燃料入口与乙烯罐出口连接，气体流量显示控制装置的气体燃料出口与层流扩散火焰燃烧器的燃料引入管连接。本发明能实现不同空燃比的精确调节和控制，气体燃料可换，火焰稳定、高度可调，且可重复性好，可作为光学试验前的调试系统，或用作燃烧过程的机理研究，本发明结构简单，成本低廉。

Description

一种层流扩散火焰气体燃烧测试系统
技术领域
本发明属于实验设备技术领域，具体涉及一种层流扩散火焰气体燃烧测试系统。
背景技术
随着近些年激光器和CCD技术的发展，光学技术成为发动机燃烧过程研究的重要手段，它能对燃烧过程的中间产物进行测量，了解燃烧机理，同时也为各种排放污染物的测量提供了强有力的支持。光学测试是一个很精密的过程，前期需要对其进行大量的调试，由于内燃机缸内的工作环境复杂，燃烧器产生的标准火焰稳定且便于控制，所以先在燃烧器上进行预备性试验。该燃烧器系统能形成高度可调、燃烧稳定和可重复性好的层流扩散燃烧火焰，并且还可以对燃料进行替换，形成别的气体燃烧器，可用在光学试验前调试系统或对燃烧过程中机理进行研究，是可视化研究中必不可少的实验设备。
目前国外性能好的燃烧器价格较贵，而国内燃烧器中对气体流量达不到精确控制，火焰很难在同一工况下稳定，重复性较差，然后，对于碳烟的研究中，有的气体燃烧器火焰碳烟生成量少，不利于探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学实验前期实验中的气体燃料层流扩散火焰燃烧测试系统，它能提供稳定的火焰，通过对燃料与空气的精确控制，能控制火焰长度与碳烟生成量，方便对光学手段进行调试，主要用于科研教学中对燃烧过程机理性的研究。
本发明由气体提供装置A、气体流量显示控制装置B、层流扩散火焰燃烧器C、导管Ⅲ1、导管Ⅱ2、三通阀3、导管Ⅰ4、氧化剂引入管Ⅱ5、氧化剂引入管Ⅰ6、导管Ⅵ7、导管Ⅴ8和导管Ⅳ9组成，其中气体提供装置A由乙烯罐11和空气储气瓶10组成，其中三通阀3设有阀进口e、阀出口Ⅱf和阀出口Ⅰg。
氧化剂引入管Ⅱ5一端固接于层流扩散火焰燃烧器C的氧化剂入口Ⅱ32，氧化剂引入管Ⅱ5另一端经导管Ⅰ4与三通阀3的阀出口Ⅱf连接。
氧化剂引入管Ⅰ6一端固接于层流扩散火焰燃烧器C的氧化剂入口Ⅰ34，氧化剂引入管Ⅰ6另一端经导管Ⅵ7与三通阀3的阀出口Ⅰg连接。
三通阀3的阀进口e经导管Ⅱ2与气体流量显示控制装置B的空气出口b连接。
气体流量显示控制装置B的空气入口a经导管Ⅲ1与气体提供装置A的空气储气瓶10出口连接。
气体流量显示控制装置B的气体燃料入口c经导管Ⅳ9与气体提供装置A的乙烯罐11出口连接。
气体流量显示控制装置B的气体燃料出口d经导管Ⅴ8与层流扩散火焰燃烧器C的燃料引入管33底端连接。
所述的气体流量显示控制装置B由壳体12、空气干燥器13、空气过滤器14、空气流量控制器15、导线Ⅰ16、空气流量显示仪17、导管Ⅶ18、单向阀Ⅰ19、单向阀Ⅱ20、导管Ⅷ21、气体燃料流量显示仪22、导线Ⅱ23、气体燃料流量控制器24、气体燃料过滤器25、燃料干燥器26和阻燃器27组成，其中壳体12一端设有空气入口a和气体燃料入口c，壳体12另一端设有气体燃料出口d和空气出口b。
空气入口a和空气出口b之间的导管Ⅶ18上，自左至右顺序串接空气干燥器13、空气过滤器14、空气流量控制器15、空气流量显示仪17和单向阀Ⅰ19，其中空气流量显示仪17发出的信号，经导线Ⅰ16对空气流量控制器15进行控制。
气体燃料入口c和气体燃料出口d之间的导管Ⅷ21上，自左至右顺序串接阻燃器27、气体燃料干燥器26、气体燃料过滤器25、气体燃料流量控制器24、气体燃料流量显示仪22、导管Ⅷ21和单向阀Ⅱ20，其中气体燃料流量显示仪22发出的信号，经导线Ⅱ23对气体燃料流量控制器24进行控制。
所述的层流扩散火焰燃烧器C由金属滤板28、玻璃球层29、蜂窝状陶瓷滤板30、燃烧器壳体31和燃料引入管33组成，其中燃烧器壳体31为敞口圆筒形，燃烧器壳体31的左下侧设有氧化剂入口Ⅰ34，燃烧器壳体31的右下侧设有氧化剂入口Ⅱ32。
燃料引入管33下部固接于燃烧器壳体31的底板中心，蜂窝状陶瓷滤板30、玻璃球层29和金属滤板28自下而上顺序排列，固接于燃料引入管33中部，蜂窝状陶瓷滤板30、玻璃球层29和金属滤板28边缘与燃烧器壳体31内壁固接。
本发明中空气从气体提供装置A的空气储气瓶10中流出，导管Ⅲ1从气体流量显示控制装置B的空气入口a进入，再从气体流量显示控制装置B的空气出口b出来经导管Ⅱ2流向三通阀3的阀进口e，然后分别从阀出口Ⅱf和阀出口Ⅰg出来，分别经过导管Ⅰ4和导管Ⅵ7，分别从氧化剂引入管Ⅱ5和氧化剂引入管Ⅰ6进入燃烧器，使空气形成更为均匀的分布。
气体燃料从气体燃料储气瓶11流出，经导管Ⅳ9，从气体流量显示控制装置B的气体燃料入口c进入，再从气体流量显示控制装置B的气体燃料出口d出来之后，经导管Ⅴ8从层流扩散火焰燃烧器C的燃料引入管33进入燃烧器与空气燃烧，生成稳定的扩散火焰。
所述的气体流量装置B中设两套独立的气体管路。空气从空气入口a进来后，依次经过空气干燥器13、空气过滤器14、空气流量控制器15、空气流量显示仪17、导管Ⅶ18和单向阀Ⅰ19，从空气出口b流出，其中通过设定空气流量显示仪17上的流量示数，经导线Ⅰ16反馈给空气流量控制器15，实现空气流量的控制，其量程范围为0-300L/min，实验中调为150L/min。实验中所采用的气体燃料为乙烯，经气体燃料入口c进入，依次经阻燃器27、气体燃料干燥器26、气体燃料过滤器25、气体燃料流量控制器24、气体燃料流量显示仪22、导管Ⅷ21和单向阀Ⅱ20，从气体燃料出口d流出，其中通过设定气体燃料流量显示仪22上的流量示数，经导线Ⅱ23反馈给气体燃料流量控制器24，实现气体燃料流量的控制，其量程范围为0-200mL/min，实验中调为100mL/min，该管路所加阻燃器27，能防止火焰反窜引燃气体燃料储气瓶11。
所述的层流扩散火焰燃烧器C中，燃料通过燃料引入管33直接在燃烧器出口出来，与空气在常压下燃烧，空气首先经过蜂窝状陶瓷滤板30进行一级稳流，减缓空气流速，然后经过一层直径为2mm的玻璃球层29，使整个燃烧器内气体均匀分布，最后经过金属滤板28形成稳定流速的气流，与燃料一起氧化燃烧，形成稳定的轴对称乙烯层流扩散燃烧火焰。
本系统带有流量设定功能，通过定量控制气体燃料与空气的比例，实现不同的空燃比调节。各个部件结构简单，与国外燃烧器系统相比成本较低，同时，本系统还具有气体燃料可换、火焰高度可调、燃烧稳定和可重复性好等特点，可用在光学试验前调试系统，或对燃烧过程的机理进行研究。
附图说明
图1为层流扩散火焰气体燃烧测试系统结构示意图
图2为气体提供装置示意图
图3为气体流量显示控制装置的结构示意图
图4为层流扩散火焰燃烧器结构示意图
图5为三通阀气体流向示意图
其中：A.气体提供装置 B.气体流量显示控制装置 C.层流扩散火焰燃烧器 a.空气入口 b.空气出口 c.气体燃料入口 d.气体燃料出口 e.阀进口 f.阀出口Ⅱ g.阀出口Ⅰ1.导管Ⅲ 2.导管Ⅱ 3.三通阀 4.导管Ⅰ 5.氧化剂引入管Ⅱ 6.氧化剂引入管Ⅰ 7.导管Ⅵ8.导管Ⅴ 9.导管Ⅳ 10.空气储气瓶 11.气体燃料储气瓶 12.壳体 13.空气干燥器 14.空气过滤器 15.空气流量控制器 16.导线Ⅰ 17.空气流量显示仪 18.导管Ⅶ 19.单向阀Ⅰ20.单向阀Ⅱ 21.导管Ⅷ 22.气体燃料流量显示仪 23.导线Ⅱ 24.气体燃料流量控制器25.气体燃料过滤器 26.气体燃料干燥器 27.阻燃器 28.金属滤板 29.玻璃球层 30.蜂窝状陶瓷滤板 31.燃烧器壳体 32.氧化剂入口Ⅱ 33.燃料引入管 34.氧化剂入口Ⅰ
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明。
如图1、图2和图5所示，本发明由气体提供装置A、气体流量显示控制装置B、层流扩散火焰燃烧器C、导管Ⅲ1、导管Ⅱ2、三通阀3、导管Ⅰ4、氧化剂引入管Ⅱ5、氧化剂引入管Ⅰ6、导管Ⅵ7、导管Ⅴ8和导管Ⅳ9组成，其中气体提供装置A由乙烯罐11和空气储气瓶10组成。
三通阀3设有阀进口e、阀出口Ⅱf和阀出口Ⅰg。
氧化剂引入管Ⅱ5一端固接于层流扩散火焰燃烧器C的氧化剂入口Ⅱ32，氧化剂引入管Ⅱ5另一端经导管Ⅰ4与三通阀3的阀出口Ⅱf连接。
氧化剂引入管Ⅰ6一端固接于层流扩散火焰燃烧器C的氧化剂入口Ⅰ34，氧化剂引入管Ⅰ6另一端经导管Ⅵ7与三通阀3的阀出口Ⅰg连接。
三通阀3的阀进口e经导管Ⅱ2与气体流量显示控制装置B的空气出口b连接。
气体流量显示控制装置B的空气入口a经导管Ⅲ1与气体提供装置A的空气储气瓶10出口连接。
气体流量显示控制装置B的气体燃料入口c经导管Ⅳ9与气体提供装置A的乙烯罐11出口连接。
气体流量显示控制装置B的气体燃料出口d经导管Ⅴ8与层流扩散火焰燃烧器C的燃料引入管33底端连接。
如图3所示，所述的气体流量显示控制装置B由壳体12、空气干燥器13、空气过滤器14、空气流量控制器15、导线Ⅰ16、空气流量显示仪17、导管Ⅶ18、单向阀Ⅰ19、单向阀Ⅱ20、导管Ⅷ21、气体燃料流量显示仪22、导线Ⅱ23、气体燃料流量控制器24、气体燃料过滤器25、燃料干燥器26和阻燃器27组成，其中壳体12一端设有空气入口a和气体燃料入口c，壳体12另一端设有气体燃料出口d和空气出口b。
空气入口a和空气出口b之间的导管Ⅶ18上，自左至右顺序串接空气干燥器13、空气过滤器14、空气流量控制器15、空气流量显示仪17和单向阀Ⅰ19，其中空气流量显示仪17发出的信号，经导线Ⅰ16对空气流量控制器15进行控制。
气体燃料入口c和气体燃料出口d之间的导管Ⅷ21上，自左至右顺序串接阻燃器27、气体燃料干燥器26、气体燃料过滤器25、气体燃料流量控制器24、气体燃料流量显示仪22、导管Ⅷ21和单向阀Ⅱ20，其中气体燃料流量显示仪22发出的信号，经导线Ⅱ23对气体燃料流量控制器24进行控制。
如图4所示，所述的层流扩散火焰燃烧器C由金属滤板28、玻璃球层29、蜂窝状陶瓷滤板30、燃烧器壳体31和燃料引入管33组成，其中燃烧器壳体31为敞口圆筒形，燃烧器壳体31的左下侧设有氧化剂入口Ⅰ34，燃烧器壳体31的右下侧设有氧化剂入口Ⅱ32。
燃料引入管33下部固接于燃烧器壳体31的底板中心，蜂窝状陶瓷滤板30、玻璃球层29和金属滤板28自下而上顺序排列，固接于燃料引入管33中部，蜂窝状陶瓷滤板30、玻璃球层29和金属滤板28边缘与燃烧器壳体31内壁固接。
所述气体提供装置A提供纯度为99.99％的乙烯和压力为0.6MPa的空气。
所述气体流量显示控制装置B中所设单向阀Ⅰ19和单向阀Ⅱ20可防止空气和气体燃料倒流，所设空气干燥器13、燃料干燥器26、空气过滤器14和气体燃料过滤器25，可对进入空气流量显示仪17和气体燃料流量显示仪22的空气和气体燃料进行干燥和过滤，防止对空气流量显示仪17和气体燃料流量显示仪22产生污染和破坏。
所述流量显示仪对于不同的气体燃料选用不同的气体流量显示仪，该流量仪能发出控制信号实时控制流量控制器的开度。
所述层流扩散火焰燃烧器C包含三级稳流层：一级稳流层采用蜂窝状陶瓷滤板30，加大气体在其中的流通路径，降低其流速；二级稳流层采用直径为2mm的玻璃球层29，形成均匀气流；三级稳流层采用金属滤板28，形成轴对称的气流。
具体实验中将乙烯流量控制为100mL/min，空气流量为150L/min，生成稳定的扩散火焰。实验完成之后，先关闭气体燃料储气瓶11阀门，空气储气瓶10阀门保持打开状态，让燃烧器继续燃烧5-10分钟，将管路内的乙烯燃烧完全，然后关闭空气储气瓶10阀门。

Claims (1)

1.一种层流扩散火焰气体燃烧测试系统，其特征在于：由气体提供装置(A)、气体流量显示控制装置(B)、层流扩散火焰燃烧器(C)、导管Ⅲ(1)、导管Ⅱ(2)、三通阀(3)、导管Ⅰ(4)、氧化剂引入管Ⅱ(5)、氧化剂引入管Ⅰ(6)、导管Ⅵ(7)、导管Ⅴ(8)和导管Ⅳ(9)组成，其中
所述的气体流量显示控制装置(B)由壳体(12)、空气干燥器(13)、空气过滤器(14)、空气流量控制器(15)、导线Ⅰ(16)、空气流量显示仪(17)、导管Ⅶ(18)、单向阀Ⅰ(19)、单向阀Ⅱ(20)、导管Ⅷ(21)、气体燃料流量显示仪(22)、导线Ⅱ(23)、气体燃料流量控制器(24)、气体燃料过滤器(25)、燃料干燥器(26)和阻燃器(27)组成，其中壳体(12)一端设有空气入口(a)和气体燃料入口(c)，壳体(12)另一端设有气体燃料出口(d)和空气出口(b)；空气入口(a)和空气出口(b)之间的导管Ⅶ(18)上，自左至右顺序串接空气干燥器(13)、空气过滤器(14)、空气流量控制器(15)、空气流量显示仪(17)和单向阀Ⅰ(19)，其中空气流量显示仪(17)发出的信号，经导线Ⅰ(16)对空气流量控制器(15)进行控制；气体燃料入口(c)和气体燃料出口(d)之间的导管Ⅷ(21)上，自左至右顺序串接阻燃器(27)、气体燃料干燥器(26)、气体燃料过滤器(25)、气体燃料流量控制器(24)、气体燃料流量显示仪(22)、导管Ⅷ(21)和单向阀Ⅱ(20)，其中气体燃料流量显示仪(22)发出的信号，经导线Ⅱ(23)对气体燃料流量控制器(24)进行控制；所述的层流扩散火焰燃烧器(C)由金属滤板(28)、玻璃球层(29)、蜂窝状陶瓷滤板(30)、燃烧器壳体(31)和燃料引入管(33)组成，其中燃烧器壳体(31)为敞口圆筒形，燃烧器壳体(31)的左下侧设有氧化剂入口Ⅰ(34)， 燃烧器壳体(31)的右下侧设有氧化剂入口Ⅱ(32)； 燃料引入管(33)下部固接于燃烧器壳体(31)的底板中心，蜂窝状陶瓷滤板(30)、玻璃球层(29)和金属滤板(28)自下而上顺序排列，固接于燃料引入管(33)中部，蜂窝状陶瓷滤板(30)、玻璃球层(29)和金属滤板(28)边缘与燃烧器壳体(31)内壁固接；气体提供装置(A)由乙烯罐(11)和空气储气瓶(10)组成，三通阀(3)设有阀进口(e)、阀出口Ⅱ(f)和阀出口Ⅰ(g)；氧化剂引入管Ⅱ(5)一端固接于层流扩散火焰燃烧器(C)的氧化剂入口Ⅱ(32)，氧化剂引入管Ⅱ(5)另一端经导管Ⅰ(4)与三通阀(3)的阀出口Ⅱ(f)连接； 氧化剂引入管Ⅰ(6) 一端固接于层流扩散火焰燃烧器(C)的氧化剂入口Ⅰ(34)， 氧化剂引入管Ⅰ(6)另一端经导管Ⅵ(7) 与三通阀(3)的阀出口Ⅰ(g)连接；三通阀(3)的阀进口(e)经导管Ⅱ(2)与气体流量显示控制装置(B)的空气出口(b)连接；气体流量显示控制装置(B)的空气入口(a)经导管Ⅲ(1)与气体提供装置(A)的空气储气瓶(10)出口连接； 气体流量显示控制装置(B)的气体燃料入口(c)经导管Ⅳ(9)与气体提供装置(A)的乙烯罐(11)出口连接；气体流量显示控制装置(B)的气体燃料出口(d)经导管Ⅴ(8)与层流扩散火焰燃烧器(C)的燃料引入管(33)底端连接。
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