CN108760589A - 一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法，属于碳烟颗粒分析领域。本发明的碳烟采集系统，采集网安装在气缸的活塞杆上，气缸的进气管道和出气管道通过双向电磁阀与氮气瓶连接；双向电磁阀通过信号发生器控制其阀芯动作，驱动夹持着采集网的自锁镊子快速进出火焰，碳烟颗粒在热泳力的作用下沉积到铜网上并被碳膜吸附。分析时，通过透射电子显微镜表征碳烟颗粒形貌结构；借助Nano Measurer粒径分析软件对碳烟基本粒子粒径进行统计，再对粒子直径分布进行非线性拟合。本发明可实现不同火焰高度、毫秒级采样时间内的碳烟颗粒采样，可以实现碳烟生长阶段形貌观察，为碳烟颗粒综合特性的研究奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及碳烟颗粒分析技术领域，更具体地说，涉及一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法。
背景技术
能源和环境是当今世界的两大问题。燃烧是人类利用化石燃料的主要途径，清洁高效的燃烧方式是人类解决两大问题的有效方式之一。碳烟是燃料(包括煤)未充分燃烧的一种重要产物，它对燃烧效率、传热过程和环境效应有着多方面的影响。化石燃料不完全燃烧产生的碳烟不仅降低化石燃料燃烧经济性，而且对人类身体健康也有很大影响。碳烟颗粒进入大气中造成能见度降低，形成雾霾天气；此外，碳烟也是造成“温室效应”的原因之一，是全球变暖的第二大因素，仅次于二氧化碳；纳米级的碳烟颗粒有较大的吸附力，易携带大量有毒物质导致呼吸道疾病，并且作为碳烟前体的多环芳香烃极易诱发癌症；另一方面，碳烟对辐射也有很大影响，能加强火焰辐射传热特性。对碳烟形成机理的理解对碳烟的形成与控制至关重要。
碳烟颗粒在火焰中的生成和演化是一个复杂的物理化学过程，火焰中碳烟生成机理研究十分困难，必须借助一定的检测手段才能获得碳烟的形貌、数目、浓度等参数，为碳烟的初生、成核、生长以及氧化等过程提供定量的数据支持。发展碳烟测量技术，对于碳烟形成过程中的物理化学机理研究和碳烟模型的检验都有着重要的科学价值，对提高燃烧效率和降低污染物的排放也具有重要的现实意义。
碳烟形成发生在几毫秒甚至更短的时间范围内，对这一过程的理解和描述需要从微观原子尺度的化学动力学到介观的颗粒动力学，耦合考虑前驱体化学、粒子成核、颗粒质量/尺寸生长和烧蚀等，这是一项非常有挑战性的任务。目前虽然也有部分碳烟采样装置用于碳氢燃料层流火焰中碳烟的采样，但是其大多只能分析碳烟形貌、火焰不同位置处的碳烟特性等，很难观测到碳烟颗粒的初始形成过程，一直被视为目前实验研究中的一个难点。
例如中国专利申请号：201610811876.3，申请日：2016年9月8日，发明创造名称为：一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法，该申请案利用接触法进行碳烟检测，测量装置包括火焰燃烧机构、消光采样机构和层流火焰采样机构，层流火焰采样机构安装在燃烧器上，层流火焰采样机构中设置有SiC纤维，通过SiC纤维采集层流火焰的碳黑颗粒。该方案的创新点在于可同时在燃烧火焰不同高度、不同角度采集碳烟颗粒；但是无法采集到碳烟生长过程中的样貌特性，难以实现碳烟生长机理的研究。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中采样装置无法实现对碳烟生长机理研究的不足，提供了一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法，本发明在进行碳烟采集时可将时间精准控制在毫秒级，从而实现在碳烟形成过程中进行碳烟收集，为生长机理的研究提供基础。
本发明提供的粒径分析方法，借助透射电子显微镜(TEM)和Nano Measurer软件，实现了对层流火焰中碳烟颗粒浓度及形貌的检测分析，为碳烟颗粒生成机理研究奠定了基础。2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，包括燃烧器，用于产生层流火焰；还包括采集网、气缸和信号发生器，所述采集网安装在气缸的活塞杆上，能够在火焰上往复运动；所述气缸的进气管道和出气管道通过双向电磁阀与氮气瓶连接；所述双向电磁阀通过信号发生器控制其阀芯动作。
作为本发明更进一步的改进，所述采集网通过自锁镊子安装在气缸的活塞杆上，且采集网平行于气流方向放置。
作为本发明更进一步的改进，所述采集网由载网、支持膜和碳膜组成，所述支持膜是在载网的基础上搭载的一层有机膜，所述碳膜是在支持膜表面喷涂的一层碳颗粒膜。
作为本发明更进一步的改进，所述气缸安装在升降台上，该升降台能够在竖直方向上调节高度。
作为本发明更进一步的改进，所述燃烧器主要由外管和内管组成，内管用于燃料流出，外管用于喷射氧化剂；该燃烧器通过滑套与光学平台上的导柱滑动连接。
作为本发明更进一步的改进，所述升降台为剪式升降台，在升降台外侧设置标尺，作为高度调节基准。
作为本发明更进一步的改进，通过CCD相机进行火焰图像采集，并通过高速摄像机标定采集网的采样时间。
作为本发明更进一步的改进，所述气缸为双向气缸，其内部的气体介质为压缩氮气。
本发明的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，其过程为：
步骤1、检查气体管路，调整燃烧器出口与气缸活塞杆上的自锁镊子处于同一高度，再设置采样高度；
步骤2、质量流量计预热，通过质量流量计获得不同氧浓度下的层流扩散火焰；调节信号发生器设置取样时间，使气缸上的自锁镊子夹持着采集网按设定时间进出火焰；
步骤3、重复步骤1、2，采集不同取样时间、不同取样高度的碳烟，并进行编号；
步骤4、通过透射电子显微镜表征步骤3采集的碳烟颗粒形貌结构；在合适的放大倍数下观察碳烟形貌，并得到扫描图片；
步骤5、借助透射扫描电子显微镜仪器和Nano Measurer软件进行碳烟颗粒分析。
作为本发明更进一步的改进，步骤1中通过移动滑套来调节燃烧器出口处的高度；然后通过升降台调节采样高度。
作为本发明更进一步的改进，步骤2中信号发生器的调节包括对信号发生器的波形、周期、占空比的调节。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的碳烟采集系统，把采集网安装在气缸活塞杆上，并由压缩氮气作为气缸运动介质，通过信号发生器控制双向电磁阀的动作，能够精准控制铜网在火焰中停留时间，并可把采样时间控制在毫秒级，从而实现在碳烟形成过程中进行碳烟收集，为生长机理的研究提供基础。
(2)本发明的碳烟采集系统，采集网的与气流方向平行设置，从而可减少由于采集网的引入而对火焰温度场和流场造成的影响；支持膜是在载网的基础上搭载的一层有机膜，为了提高支持膜的导电性，在膜上又喷了一层大概厚度为10-15nm左右的碳颗粒，使其达到良好的观察效果。
(3)本发明的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，通过透射电子显微镜(TEM)表征碳烟颗粒形貌结构，利用Nano Measurer软件进行碳烟基本粒子粒径进行统计，并使用LogNormal对粒子直径分布进行非线性拟合，能直观形象地展示碳烟生成规律。
附图说明
图1为本发明中碳烟采集系统的结构示意图；
图2为本发明中燃烧器的结构示意图；
图3为本发明中采集网的结构示意图；
图4为本发明中氧体积分数21％不同高度碳烟沉积TEM图谱；
图5为本发明中氧体积分数31％不同高度碳烟沉积TEM图谱；
图6为本发明中不同氧体积分数下基本粒子平均粒径示意图；
图7为本发明不同燃料不同火焰高度处的碳烟生成情况对比。
示意图中的标号说明：1、燃烧器；2、采集网；3、自锁镊子；4、气缸；5、双向电磁阀；6、信号发生器；7、升降台；8、氮气瓶；9、燃料瓶；10、混合罐；11、三通阀；12、质量流量计；13、氧气瓶；14、氮气瓶；15、外管；16、内管；17、导柱；18、滑套；19、光学平台；20、燃料入口；21、氧化剂入口；22、碳膜；23、支持膜；24、载网。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本实施例的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，包括燃烧器1、采集网2、气缸4和信号发生器6，采集网2安装在气缸4的活塞杆上，能够在火焰上往复运动；气缸4的进气管道和出气管道通过双向电磁阀5与氮气瓶8连接；双向电磁阀5通过信号发生器6控制其阀芯动作。
采集网2通过自锁镊子3安装在气缸4的活塞杆上，且采集网2平行于气流方向放置，减少由于采集网的引入而对火焰温度场和流场的影响。
气缸4为双向气缸，气缸4的进气管道和出气管道通过双向电磁阀5与氮气瓶8连接，双向电磁阀5通过信号发生器6控制其阀芯动作。当活塞杆动作时，能够控制采集网2在火焰上往复运动。在燃烧器1旁设置有高速摄像机，用于采集火焰图像。通过高速摄像机标定时间，气缸运动时间约17-22ms。
双向电磁阀工作原理：常闭，双向电磁阀平时处于关闭状态；当线圈通电之后，电磁阀打开，断电后，电磁阀关闭。电磁阀处于开启状态的时候，进口压力大于出口压力，介质由进口端流向出口端；当出口压力大于进口压力，介质由出口端流向进口端。并且不管介质压力是进口端大于出口端，还是出口端大于进口端，电磁阀在断电之后，都能截止介质。
由于碳烟形成发生在几毫秒甚至更短的时间范围内，本实施例通过调整信号发生器6的参数，能精准控制采集网2在火焰中停留时间，并且可以达到毫秒级时间，这为碳烟生长阶段研究提供有效途径。
实施例2
本实施例的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其基本结构与实施例1相同，进一步地：气缸4安装在升降台7上，该升降台7为剪式升降台，在升降台7外侧设置标尺，作为高度调节基准。
结合图2，燃烧器1主要由外管15和内管16组成，内管16通过管道与燃料瓶9连接，用于燃料流出。外管15环绕内管16周围，并与燃烧器1底部空间连通，在燃烧器1底部壳体上设置有氧化剂入口21，该氧化剂入口21通过管道与混合罐10连接，该混合罐10通过管道分别与氧气瓶13和氮气瓶14连接，并用三通阀11连接三个管道，氮气与氧气组成的氧化剂由氧化剂入口21可进入到外管15，通过外管15喷射氧化剂，用于燃料的燃烧。在燃料瓶9、氧气瓶13、氮气瓶14的连接管道上均设置有质量流量计12，用于控制气体流量。
燃烧器1的外壳体通过滑套18与光学平台19上的导柱17滑动连接，光学平台19用于支撑竖直设置的导柱17，通过调节滑套18在导柱17上的位置，可以调节燃烧器1出口的高度。
实施例3
本实施例的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其基本结构与实施例2相同，进一步地：结合图3，采集网2由载网24、支持膜23和碳膜22组成，载网24为铜网，支持膜23是在载网24的基础上搭载的一层有机膜，碳膜22是在支持膜23表面喷涂的一层10-15nm的碳颗粒膜，用于增加支持膜23的导电性，使其达到良好的观察效果。
实施例4
本实施例的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，其过程为：
步骤1、检查气体管路，调整燃烧器1出口与气缸4活塞杆上的自锁镊子3处于同一高度，然后通过升降台7调节采集网2相对于燃烧器1出口高度。
在进行碳烟采集时，需要先确定火焰高度，因此为固定燃烧器1，本实施例中设置导柱17和滑块18用以调节燃烧器高度，使燃烧器1出口与双向运动气缸4上的自锁镊子3在同一轴线上，并且升降台7外侧放置竖直标尺，当燃烧器1出口与自锁镊子3平行时设置标尺基准，然后通过剪式升降台7调节取样高度。
步骤2、打开电源，等待30分钟左右时间，质量流量计12完成预热，调零；设置燃料压力0.14MPa，氧气和氮气压力0.5MPa，燃料由内管16流出，氧化剂通过外管15形成同轴射流扩散火焰，调节质量流量计12可获得不同氧浓度下的层流扩散火焰。
然后调节信号发生器6的波形、周期、占空比参数，设置取样时间，信号发生器5产生的矩形波脉动信号通过双向电磁阀5控制气缸4上的自锁镊子3夹持着采集网2按设定时间进出火焰，在热泳力作用下采集碳烟。
步骤3、重复步骤1、2，采集不同取样时间、不同取样高度的碳烟，并进行编号。
步骤4、通过透射电子显微镜表征步骤3采集的碳烟颗粒形貌结构；在合适的放大倍数下观察碳烟形貌，并得到扫描图片；
步骤5、借助透射扫描电子显微镜仪器和Nano Measurer软件进行碳烟颗粒分析。利用Nano Measurer粒径分析软件对碳烟基本粒子粒径进行统计，各个火焰高度拍摄多张图片进行统计，统计粒子数为上百个，并使用LogNormal对粒子直径分布进行非线性拟合。最后，对层流火焰中碳烟颗粒形成机理或生成规律作出解释。
需要说明的是，为对气缸4的运动时间标定，利用高速摄像机拍摄进行时间标定，如表1所示，设置采样时间60ms，对表1中前五个数据分析，高速摄像机拍摄标定时间约为38.4ms，由于气缸4运动需要时间，所以高速摄像机拍摄标定时间小于信号发生器6设置时间，即气缸4运动时间约21.6ms。同样采样时间设置90ms，高速摄像机拍摄标定时间约为72ms，气缸运动时间约18ms。综上，气缸运动时间约20ms，即实际采样时间与信号发生器设置时间相差约20ms。
表1高速摄像机拍摄时间标定
| 序号 | 周期(ms) | 占空比(％) | 桢速(桢/ms) | 起止桢数 | 桢数 |
| 1 | 300 | 20 | 1000 | 7485-7523 | 39 |
| 2 | 300 | 20 | 1000 | 16107-16143 | 37 |
| 3 | 300 | 20 | 1000 | 16107-16144 | 38 |
| 4 | 300 | 20 | 2000 | 17117-17196 | 80 |
| 5 | 300 | 20 | 2000 | 9102-9177 | 76 |
| 6 | 300 | 30 | 1000 | 5294-5367 | 74 |
| 7 | 300 | 30 | 1000 | 3865-3936 | 72 |
| 8 | 300 | 30 | 2000 | 15159-15297 | 140 |
粒径分析方法主要借助透射扫描电子显微镜仪器和Nano Measurer软件，具体地，采集到的碳烟直接在透射扫描电子显微镜下表征形貌结构，利用Nano Measurer粒径分析软件对碳烟基本粒子粒径进行统计，各个火焰高度拍摄多张图片进行统计，统计粒子数为上百个，例如100个、130个或160个等，并使用LogNormal对粒子直径分布进行非线性拟合。
实施例5
本实施例的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，进一步地：
实验燃料为C2H4，其纯度为99.99％，氧气、氮气由高压气瓶提供，纯度分别为99.99％、99.999％。燃烧器1燃料管高出氧化剂管3.7mm。燃料管内径10.8mm、外径12.8mm，外管内径89.0mm，气体流量由质量控制器12确定，实验中乙烯流量为160mL/min(Vfuel＝2.91cm/s，Re＝41.38，其中Vfuel为燃料喷射速度，Re为雷诺数)，而O2和N2混合流量为48L/min(Voxi＝12.86cm/s，Re＝741.4)，通过调节氧气和氮气的比例来改变氧浓度。通过高速运动的气缸来驱动夹持着碳支持膜、纯碳膜铜网的自锁镊子快速进出火焰，碳烟颗粒在热泳力的作用下沉积到铜网上并被碳膜吸附。之后采用JEM-2100型高分辨率透射电镜(TEM)观察采集到的碳烟样本，获得碳烟微观图像。
实施例6
本实施例的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，进一步地：结合上述实施例，系统中氧体积分数为21％，进行不同高度碳烟检测，其中，在采集网2位于高度10mm处，Hf＝10mm，信号发生器6周期300ms，占空比30％，实际采样时间70ms，其余高度信号发生器6周期280ms，占空比20％，实际采样时间36ms，并进行碳烟颗粒粒径分析。
进而得到氧体积分数21％不同高度碳烟沉积TEM图谱，由图4可以看出，乙烯扩散火焰在燃烧初期Hf＝10mm处，开始出现一些单一的碳核，和粒径较小的、边缘较为模糊的、尺寸规模较小的碳烟团聚体，且其在铜网上的数密度很低；随着火焰高度增大到Hf＝20mm、30mm，单一的碳核发生碰撞，碳烟颗粒表面生长加剧、多环芳烃簇凝并现象更为明显，碳烟颗粒逐渐变为规则的球形，且周围轮廓清晰可见，粒径也不断增大。随着火焰高度增加至Hf＝40mm、50mm，火焰中心温度不断升高，碳烟颗粒碳化程度进一步加强，颗粒继续进行表面生长和凝聚，氧化作用渐渐开始增强，碳烟团聚体所含颗粒数逐渐增大，整体尺寸逐渐变大，已无单个碳核，此时，基本粒子间的碰撞团聚的形成机制不再占主导。在Hf＝60mm处，氧化作用进一步增强，团聚体之间在范德华力和布朗力的作用下，进一步发生团聚形成链状的团聚体颗粒，整体结构变得疏松，碳烟颗粒粒径进一步变小。火焰高度增加，碳烟颗粒粒径变化主要是多环芳烃PAHs在颗粒表面基于脱氢加碳(HACA)机理的表面沉积、生长以及颗粒间凝并团聚所致。氧化反应存在于碳烟颗粒成核、生长、凝并、团聚、氧化的各个发展阶段。在火焰的较低位置，氧的扩散作用较弱，碳烟颗粒的表面生长占主导，颗粒的数量和尺寸不断增加，随着火焰高度的不断上升，氧化反应逐渐成为主导因素，碳烟颗粒的直径逐渐减小，在接近火焰尖端位置，由于火焰中心温度很高，氧化反应十分剧烈，生成的碳烟团聚体被很快氧化消耗殆尽。拟合结果表明，不同高度处的碳烟颗粒粒径基本服从正态分布，粒径分布范围为11nm～63nm。
实施7
本发明的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，结合上述实施例，对系统中氧体积分数为31％时不同高度碳烟进行检测，其中，在采集网2位于高度10mm处，Hf＝10mm，信号发生器周期300ms，占空比30％，实际采样时间70ms，其余高度信号发生器周期280ms，占空比20％，实际采样时间36ms，并进行碳烟颗粒粒径分析。
结合图5，氧体积分数为31％时碳烟的生成过程与氧体积分数21％时类似，即碳烟颗粒的发展经过了成核、生长、凝并、团聚和氧化五个阶段。所不同的是，随着氧体积分数增加，相同高度处碳烟的表面生长、团聚和氧化开始提前。在氧体积分数为31％时，单个的碳核和小尺寸的团聚体在火焰的更低位置Hf＝5mm处就已经消失，取而代之的是尺寸规模更大、颗粒粒径更小的碳烟团聚体，表明在此位置碳烟团聚已经开始，之后随火焰高度增加，火焰的温度急剧增大，碳烟团聚体被氧化为松散的链状团聚物。
结合图6，我们可以直观的看出不同氧体积分数下基本粒子平均粒径皆随火焰高度增加而呈现先增大后减小的趋势。此外，在火焰根部高度10mm时，随着氧体积分数的增大，基本粒子平均粒径逐渐增大，因为在火焰根部主要是碳烟颗粒的表面生长和团聚过程，这些过程与火焰温度具有很大相关性，温度越高，碳烟颗粒生长速度越快，基本粒子平均粒径也越大。如氧体积分数21％时，Hf＝10mm处的粒子直径为22.1nm，当氧体积分数增加到31％时，碳烟颗粒粒径增加到36.4nm。而在火焰较高位置30mm处，由于氧的扩散作用增强，碳烟颗粒表面氧化占主导地位，随着氧气体积分数的升高，基本粒子平均粒径不断减小。碳烟粒径的最大值出现在氧体积分数21％，火焰高度30mm处，为41.8nm。
结合图7，甲烷火焰中，在20mm高度处，只有少许单一的、尺寸较小的碳核生成，且碳核边缘较为模糊，这里的碳烟前驱物虽然占碳烟总质量很小(通常小于10％)，但它决定了提供碳烟质量增长的表面积和碳烟颗粒的数目。随高度增加到30mm，部分碳核发生碰撞凝并形成尺寸较大的成熟碳烟颗粒，这些碳烟颗粒又通过团聚形成链状的碳烟团聚体，在40mm高度处，随着表面生长和团聚的增强，碳烟颗粒尺寸持续增大，单个碳烟颗粒呈类球状，且周围轮廓清晰可见，该阶段仍伴随少量半透明状碳烟前驱体的生成，在50mm处，随着温度进一步升高，碳烟表面氧化开始增强，碳烟基本粒子表面生长与氧化基本平衡，粒子尺寸不再增加，值得注意的是该处有大量半透明状的、尺寸较大的碳烟前驱物生成，在60mm高度处，基本粒子继续进行表面生长和团聚，但是由于之前已形成大量的团聚体，因而基本粒子间的碰撞团聚不再占主导，此时，在范德华力和布朗力的作用下，基本粒子和团聚体以及团聚体之间进一步发生团聚形成链状碳烟颗粒，且由于氧化作用开始占主导，基本粒子的尺寸由于氧化消耗而明显减小，基本粒子的碳化程度进一步增强，该位置单个基本粒子与链状团聚体并存，其中主要为碳烟团聚体。此外，从图3甲烷TEM检测结果可以看出即使在同一位置，基本粒子和团聚体的尺寸分布也很广泛，这是由碳烟成核和聚集机制非常复杂而决定的。对比乙烯TEM检测结果可以看出，乙烯火焰中碳烟生成的各个阶段均有所提前，如：(1)乙烯火焰中，碳烟颗粒在10mm高度处就已经发生凝并、团聚现象，而甲烷火焰中在30mm处才出现相应现象；乙烯火焰中，在30mm高度处，碳烟颗粒出现了大规模的团聚，并且该位置已经没有单一的碳烟粒子，而甲烷火焰中，大规模的团聚发生在60mm高度处；氧化过程亦是如此，甲烷火焰直到60mm处氧化作用才开始占主导，碳烟颗粒粒径降低，而乙烯火焰中，在火焰高度50mm处就已经出现明显的氧化痕迹，碳烟颗粒尺寸开始降低。此外，值得一提的是，甲烷火焰高度50mm处依然存在大量半透明的碳烟前驱体，而乙烯火焰高度30mm处，半透明的碳烟前驱体即已消失。从前面测温结果可知，甲烷、乙烯在氧浓度21％时对应位置处温度相差不大，出现以上现象的主要原因在于甲烷、乙烯燃料结构差异所致，乙烯为双碳原子燃料，存在的C＝C双键会加速碳烟的生成，使得碳烟生成量要大于甲烷的。
本发明通过透射电子显微镜(TEM)表征碳烟颗粒形貌结构，利用Nano Measurer软件进行碳烟基本粒子粒径进行统计，并使用LogNormal对粒子直径分布进行非线性拟合，能直观形象地展示碳烟生成规律。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，包括燃烧器(1)，用于产生层流火焰；其特征在于：还包括采集网(2)、气缸(4)和信号发生器(6)，所述采集网(2)安装在气缸(4)的活塞杆上，能够在火焰上往复运动；所述气缸(4)的进气管道和出气管道通过双向电磁阀(5)与氮气瓶(8)连接；所述双向电磁阀(5)通过信号发生器(6)控制其阀芯动作。
2.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其特征在于：所述采集网(2)通过自锁镊子(3)安装在气缸(4)的活塞杆上，且采集网(2)平行于气流方向放置。
3.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其特征在于：所述采集网(2)由载网(24)、支持膜(23)和碳膜(22)组成，所述支持膜(23)是在载网(24)的基础上搭载的一层有机膜，所述碳膜(22)是在支持膜(23)表面喷涂的一层碳颗粒膜。
4.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其特征在于：所述气缸(4)安装在升降台(7)上，该升降台(7)能够在竖直方向上调节高度。
5.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其特征在于：所述燃烧器(1)主要由外管(15)和内管(16)组成，内管(16)用于燃料流出，外管(15)用于喷射氧化剂；该燃烧器(1)通过滑套(18)与光学平台(19)上的导柱(17)滑动连接。
6.根据权利要求4所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其特征在于：所述升降台(7)为剪式升降台，在升降台(7)外侧设置标尺，作为高度调节基准。
7.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，其特征在于：通过CCD相机进行火焰图像采集，并通过高速摄像机标定采集网(2)的采样时间。
8.一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，其过程为：
步骤1、检查气体管路，调整燃烧器(1)出口与气缸(4)活塞杆上的自锁镊子(3)处于同一高度，再设置采样高度；
步骤2、质量流量计(12)预热，通过质量流量计(12)获得不同氧浓度下的层流扩散火焰；调节信号发生器(6)设置取样时间，使气缸(4)上的自锁镊子(3)夹持着采集网(2)按设定时间进出火焰；
步骤3、重复步骤1、2，采集不同取样时间、不同取样高度的碳烟，并进行编号；
步骤4、通过透射电子显微镜表征步骤3采集的碳烟颗粒形貌结构；在合适的放大倍数下观察碳烟形貌，并得到扫描图片；
步骤5、借助透射扫描电子显微镜仪器和Nano Measurer软件进行碳烟颗粒分析。
9.根据权利要求7所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，其特征在于：步骤1中通过移动滑套(18)来调节燃烧器(1)出口处的高度；然后通过升降台(7)调节采样高度。
10.根据权利要求7所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集及粒径分析方法，其特征在于：步骤2中信号发生器(6)的调节包括对信号发生器的波形、周期、占空比的调节。
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|---|---|
| CN (1) | CN108760589A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110363725A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-22 | 安徽工业大学 | 一种碳氢燃料同轴扩散火焰碳烟微纳结构的分析方法 |
| CN112082824A (zh) * | 2020-09-16 | 2020-12-15 | 安徽工业大学 | 一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法 |
| CN113758840A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-07 | 安徽工业大学 | 一种基于Image J的碳烟颗粒粒径及面积的测量方法 |
| CN114113354A (zh) * | 2020-08-31 | 2022-03-01 | 南京理工大学 | 一种微小尺度燃烧的碳烟生成与燃烧化学的研究装置 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1122212A2 (en) * | 1999-11-11 | 2001-08-08 | Degussa AG | Composite carbon clack-fumed silica nanostructured particles |
| ATE244682T1 (de) * | 2000-03-22 | 2003-07-15 | Degussa | Nanostrukturierte teilchen bestehend aus russ und pyrogene kieselsäure enthaltendem kompositmaterial |
| CN101196442A (zh) * | 2007-12-27 | 2008-06-11 | 中国科学技术大学 | 一种试验火烟颗粒高速采样方法及装置 |
| CN201184855Y (zh) * | 2007-12-27 | 2009-01-21 | 中国科学技术大学 | 一种试验火烟颗粒高速采样装置 |
| US20120009118A1 (en) * | 2010-07-12 | 2012-01-12 | Tata Consultancy Services Limited | System for Optimizing and Controlling Particle Size Distribution And For Scale-Up Of Nanoparticle Production In An Aerosol Flame Reactor |
| CN103592196A (zh) * | 2013-03-22 | 2014-02-19 | 华北电力大学（保定） | 一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法 |
| CN105092885A (zh) * | 2015-07-27 | 2015-11-25 | 华中科技大学 | 一种火焰气溶胶流速的测量装置和方法 |
| CN106092588A (zh) * | 2016-08-09 | 2016-11-09 | 天津大学 | 可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统及方法 |
| CN106442854A (zh) * | 2016-09-08 | 2017-02-22 | 安徽工业大学 | 一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法 |
| CN107014436A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-08-04 | 华北电力大学 | 基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置及方法 |
| CN206531677U (zh) * | 2017-01-19 | 2017-09-29 | 衢州峥嵘环保科技有限公司 | 一种燃烧碳烟颗粒取样装置 |
-
2018
- 2018-05-31 CN CN201810547516.6A patent/CN108760589A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1122212A2 (en) * | 1999-11-11 | 2001-08-08 | Degussa AG | Composite carbon clack-fumed silica nanostructured particles |
| ATE244682T1 (de) * | 2000-03-22 | 2003-07-15 | Degussa | Nanostrukturierte teilchen bestehend aus russ und pyrogene kieselsäure enthaltendem kompositmaterial |
| CN101196442A (zh) * | 2007-12-27 | 2008-06-11 | 中国科学技术大学 | 一种试验火烟颗粒高速采样方法及装置 |
| CN201184855Y (zh) * | 2007-12-27 | 2009-01-21 | 中国科学技术大学 | 一种试验火烟颗粒高速采样装置 |
| US20120009118A1 (en) * | 2010-07-12 | 2012-01-12 | Tata Consultancy Services Limited | System for Optimizing and Controlling Particle Size Distribution And For Scale-Up Of Nanoparticle Production In An Aerosol Flame Reactor |
| CN103592196A (zh) * | 2013-03-22 | 2014-02-19 | 华北电力大学（保定） | 一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法 |
| CN105092885A (zh) * | 2015-07-27 | 2015-11-25 | 华中科技大学 | 一种火焰气溶胶流速的测量装置和方法 |
| CN106092588A (zh) * | 2016-08-09 | 2016-11-09 | 天津大学 | 可再现发动机后喷策略下碳烟演变特性的模拟系统及方法 |
| CN106442854A (zh) * | 2016-09-08 | 2017-02-22 | 安徽工业大学 | 一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法 |
| CN206531677U (zh) * | 2017-01-19 | 2017-09-29 | 衢州峥嵘环保科技有限公司 | 一种燃烧碳烟颗粒取样装置 |
| CN107014436A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-08-04 | 华北电力大学 | 基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李朝: ""基于热泳取样的乙烯/富氧扩散火焰中碳黑生成及形貌检测"", 《CNKI硕士电子期刊-工程科技Ⅱ辑》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110363725A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-22 | 安徽工业大学 | 一种碳氢燃料同轴扩散火焰碳烟微纳结构的分析方法 |
| CN110363725B (zh) * | 2019-07-24 | 2022-09-13 | 安徽工业大学 | 一种碳氢燃料同轴扩散火焰碳烟微纳结构的分析方法 |
| CN114113354A (zh) * | 2020-08-31 | 2022-03-01 | 南京理工大学 | 一种微小尺度燃烧的碳烟生成与燃烧化学的研究装置 |
| CN112082824A (zh) * | 2020-09-16 | 2020-12-15 | 安徽工业大学 | 一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法 |
| CN113758840A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-07 | 安徽工业大学 | 一种基于Image J的碳烟颗粒粒径及面积的测量方法 |
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