CN108802270A - 一种甲烷水合物燃烧特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲烷水合物燃烧特性测试装置，包括燃烧室、差重法实验系统、燃烧温度测量系统、火焰拍摄系统。其中的测力传感器一、测力传感器二、火焰热电偶、体表热电偶和高速显微摄像机与数据采集系统连接，使甲烷水合物的燃烧数据得以全方位测量记录，可测甲烷水合物燃烧火焰的温度、甲烷水合物温度和质量，实现甲烷水合物燃烧过程中表面形态特征、火焰特征、气泡的形成及破裂、液态水和冰的形成过程等数据的记录，有助于研究燃烧过程中甲烷水合物的直径、温度场、火焰特征随时间的变化规律，可以定量研究甲烷水合物尺寸、温度、甲烷‑水比例及环境温度对其燃烧特性的影响规律，进而分析水合物自保护效应对传热传质过程的影响。

Description

一种甲烷水合物燃烧特性测试装置

技术领域

本发明涉及燃烧特性测试装置的技术领域，特别是涉及一种甲烷水合物燃烧特性测试装置。

背景技术

甲烷水合物也称“可燃冰”，是甲烷气体和水分子形成的笼状结晶，将二者分离，就能获得普通的天然气。水合物的自保护效应是指在193K-240K和271K-291K时，水合物的分解速率随着温度的升高而单调升高，然而在242K-271K时，水合物的分解速率出现剧烈下降。

我国海域天然气水合物分布广、类型多、资源量大，是我国重要的战略后备资源，其开发利用将为国家能源资源保障提供新的途径和渠道，有利于提高国家能源资源安全保障能力。在甲烷水合物大量利用的将来，水合物在存储和运输过程中发生的燃烧和火焰传播是制约其商业化的重要因素之一。其次，将甲烷水合物直接当做燃料用于燃烧是将来的一个重要发展方向，设计甲烷水合物燃烧器将是未来重点研究课题。甲烷水合物未来利用开发的美好前景的描绘前提在于对甲烷水合物性质的深入研究，掌握其燃烧规律，为将来甲烷水合物大量利用奠定理论基础。

由于甲烷水合物的特殊组成(可燃物甲烷和不可燃物水)，使其燃烧过程不同于普通固体燃料或液体燃料，甲烷燃烧后产生大量热量，促进冰的融化成水，反过来抑制了甲烷燃烧。

现有甲烷水合物燃烧特性测试装置是甲烷水合物球被放置在中心，甲烷水合物支撑杆内设有热电偶，用于测试水合物内部温度，一面是透明的，其他三个侧面是铝板。水合物球下方的金属蜂窝垫子用于整合气流，使得装置内气体运动处于上下运动，减少左右侧向运动，火焰通过气流诱导向上流动。摄像机通过装置透明侧进行拍摄火焰。能够实现水合物内部温度测量和火焰拍摄。

该装置对于火焰特征测试记录数据不够全面，只研究了甲烷水合物中心温度和燃烧过程中甲烷水合物半径的变化，对于研究甲烷水合物燃烧规律有很大的限制，难以揭示其自保护效应对甲烷水合物燃烧影响的内在规律和水的作用机理。

发明内容

本发明的目的是提供一种甲烷水合物燃烧特性测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，使甲烷水合物的燃烧火焰特征得以记录，实现了甲烷水合物燃烧过程中直径、温度场、火焰特征随时间的变化规律的记录，得以定量研究水合物尺寸、水合物中心温度、甲烷-水比例及环境温度对燃烧特性的影响规律，分析甲烷水合物自保护效应对传热传质过程的影响和水的作用机理等功能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种甲烷水合物燃烧特性测试装置，包括温控燃烧室、差重法实验系统、燃烧温度测量系统、火焰拍摄系统；

所述温控燃烧室包括燃烧室和温控装置，所述温控装置设置在所述燃烧室内，所述燃烧室的后壁面上设置有一水合物支撑杆；

所述差重法实验系统包括测力传感器、器皿和滤网，所述测力传感器为两个，测力传感器一设置于所述水合物支撑杆上，测力传感器二设置于所述燃烧室的底板内，所述测力传感器一和所述测力传感器二与所述数据采集系统电连接；所述滤网由滤网支架通过螺钉固定于燃烧室的后壁面上，所述滤网下方设置有一用于收集液态水的器皿，所述器皿设置在所述测力传感器二上；

所述燃烧温度测量系统包括热电偶、升降支架和推进支架，所述热电偶包括火焰热电偶和体表热电偶，所述升降支架设置于所述燃烧室一侧，所述火焰热电偶设置于所述升降支架上，所述火焰热电偶的检测端穿过所述燃烧室位于所述甲烷水合物的燃烧火焰中；所述推进支架设置在所述燃烧室另一侧，所述体表热电偶设置于所述推进支架上，所述体表热电偶的检测端穿过所述燃烧室位于甲烷水合物表面，所述火焰热电偶和体表热电偶与所述数据采集系统连接；

所述火焰拍摄系统包括高速显微摄像机，所述高速显微摄像机设置于所述燃烧室外，且位于所述甲烷水合物正前方，所述高速显微摄像机与所述数据采集系统连接。

优选的，所述燃烧室为长方体结构，所述燃烧室的前面设置为透明板，所述长方体的顶面和侧面均为不锈钢板，所述燃烧室的底板向左右两端凸出，所述升降支架和所述推进支架设置在所述底板上，所述燃烧室内的底板上铺有硅胶，所述器皿与所述测力传感器二之间设置有亚克力板。

优选的，所述透明板插接与所述燃烧室上，所述透明板为有机玻璃或者钢化玻璃，所述不锈钢板上均刷有黑色涂料。

优选的，所述升降支架包括升降电机、纵向螺杆、纵向滑块和纵向导杆，所述纵向螺杆和所述升降电机设置在所述底板上，所述升降电机连接所述纵向螺杆，所述纵向滑块通过螺纹连接于所述纵向螺杆上，所述纵向滑块上套接于所述纵向导杆上，所述纵向滑块与所述火焰热电偶连接。

优选的，所述推进支架包括推进电机、电机支架、横向螺杆、横向滑块和横向导杆，所述电机支架设置于所述底板上，所述推进电机和所述横向导杆设置在所述底板上，所述推进电机连接所述横向螺杆，所述横向滑块通过螺纹连接于所述横向螺杆上，所述横向滑块套接于所述横向导杆上，所述横向滑块与所述体表热电偶连接。

优选的，所述温控装置的温度控制范围为-80℃至60℃，且控制精度为±0.2℃。

优选的，所述火焰热电偶为B型热电偶，热电偶丝直径为0.127mm，响应时间为4ms，测量温度范围0℃～1700℃，长度为160mm，所述体表热电偶为T型热电偶，热电偶丝直径为0.127mm，响应时间为4ms，测量温度范围-200℃～350℃，长度为160mm。

优选的，所述测力传感器一和所述测力传感器二均为量程200g、精度0.001g的测力传感器；所述高速显微摄像机的放大倍数为30-50倍，最大拍摄帧数为10000fps。

优选的，所述滤网呈漏斗状。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明甲烷水合物的燃烧数据得以全方位测量记录，可以测量甲烷水合物燃烧火焰的温度、甲烷水合物温度和质量，实现了拍摄甲烷水合物燃烧过程中表面形态特征、火焰特征、气泡的形成及破裂、液态水和冰的形成过程等数据，有助于研究燃烧过程中甲烷水合物的直径、温度场、火焰特征随时间的变化规律，可以定量研究甲烷水合物尺寸、温度、甲烷-水比例及环境温度对其燃烧特性的影响规律，进而分析水合物自保护效应对传热传质过程的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为甲烷水合物燃烧特性测试装置的结构示意图一；

图2为甲烷水合物燃烧特性测试装置的结构示意图二；

图3为甲烷水合物燃烧特性测试装置的结构示意图三；

其中：1-升降电机，2-纵向导杆，3-纵向滑块，4-火焰热电偶支架，5-火焰热电偶，6-水合物放置槽，7-体表热电偶，8-体表热电偶支架，9-横向滑块，10-横向导杆，11-推进电机，12-电机支架，13-底板，14-测力传感器二，15-亚克力板，16-器皿，17-滤网，18-滤网支架，19-螺钉，20-测力传感器一，21-水合物支撑杆，22-纵向螺杆，23-燃烧室，24-透明板，25-温控装置，26-数据采集模块，27-高速显微摄像机，28-计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种甲烷水合物燃烧特性测试装置，以解决现有技术存在的问题，使甲烷水合物的燃烧火焰特征测试得以记录，实现了甲烷水合物燃烧过程中直径、温度场、火焰特征随时间的变化规律的记录，得以定量研究水合物尺寸、水合物中心温度、甲烷-水比例及环境温度对燃烧特性的影响规律，分析甲烷水合物自保护效应对传热传质过程的影响和水的作用机理等功能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示：本实施例提供了一种甲烷水合物燃烧特性测试装置，包括温控燃烧室、差重法实验系统、燃烧温度测量系统、火焰拍摄系统。

温控燃烧室包括燃烧室23和温控装置25，温控装置25设置在燃烧室23内，燃烧室23的后壁面上设置有一水合物支撑杆21。其中，数据采集系统包括数据采集模块26和计算机，数据采集模块26和计算机28电连接，各温度、质量测量装置和图像处理设备均与数据采集模块26相连。水合物支撑杆21上设置有水合物放置槽6。本实施例中水合物放置槽6处于燃烧室23的中心位置。

具体的，甲烷水合物的燃烧室23为长方体结构，燃烧室23体积与甲烷水合物的体积比要大于3200：1，使甲烷水合物燃烧分解后，燃烧室23内甲烷浓度低于爆炸下限(5％)。燃烧室23的前面设置为透明板24，长方体的顶面和侧面均为不锈钢板，燃烧室23的底板13向左右两端凸出，燃烧室23内的底板13上铺有硅胶，硅胶可以吸收空气中水分；器皿16与测力传感器二14之间设置有亚克力板15。

甲烷水合物的透明板24插接与燃烧室23上，透明板24为有机玻璃或者钢化玻璃，不锈钢板上均刷有黑色涂料，黑色背景有利于对火焰的拍摄。甲烷水合物的温控装置25的温度控制范围为-80℃至60℃，且控制精度为±0.2℃。

火焰拍摄系统包括高速显微摄像机27，高速显微摄像机27设置于燃烧室23外，且位于甲烷水合物正前方，高速显微摄像机27与数据采集系统连接。具体的，高速显微摄像机27的放大倍数为30-50倍，最大拍摄帧数为10000fps。

差重法实验系统包括测力传感器、器皿16和滤网17，测力传感器为两个，测力传感器一20设置于水合物支撑杆21上，测力传感器二14设置于燃烧室23的底板13内，测力传感器一20和测力传感器二14与数据采集系统电连接；滤网17由滤网支架18通过螺钉19固定于燃烧室23的后壁面上，滤网17下方设置有一用于收集液态水的器皿16，器皿16设置在测力传感器二14上。本实施的器皿16优选为玻璃器皿。

其中，甲烷水合物的滤网17呈漏斗状，便于收集液态水，同时防止水合物燃烧过程中脱落至玻璃器皿中。本实施例中的滤网17优选为不锈钢滤网。

燃烧温度测量系统包括热电偶、升降支架和推进支架，热电偶包括火焰热电偶5和体表热电偶7，升降支架设置于燃烧室23一侧的底板13上，火焰热电偶5设置于升降支架上，火焰热电偶5的检测端穿过燃烧室23位于甲烷水合物的燃烧火焰中；推进支架设置在燃烧室23另一侧的底板13上，体表热电偶7设置于推进支架上，体表热电偶7的检测端穿过燃烧室23位于甲烷水合物表面，火焰热电偶5和体表热电偶7与数据采集系统连接。

具体的，位于升降支架这一侧的燃烧室23侧壁上开有一竖直长孔，升降支架可以带动火焰热电偶5上下移动，甲烷水合物的升降支架包括升降电机1、纵向螺杆22、纵向滑块3和纵向导杆2，纵向螺杆22和升降电机1设置在底板13上，升降电机1连接纵向螺杆22，纵向滑块3通过螺纹连接于纵向螺杆22上，纵向滑块3上套接于纵向导杆2上，纵向滑块3上设置有火焰热电偶支架4，火焰热电偶支架4与火焰热电偶5套接。

甲烷水合物的推进支架包括推进电机11、电机支架12、横向螺杆、横向滑块9和横向导杆10，电机支架12设置于底板13上，推进电机11和横向导杆10设置在底板13上，推进电机11连接横向螺杆，横向滑块9通过螺纹连接于横向螺杆上，横向滑块9套接于横向导杆10上，横向滑块9上设置有体表热电偶支架8，体表热电偶支架8与体表热电偶7套接，推进支架可以带动体表热电偶7随甲烷水合物燃烧半径的减小而平行移动。

甲烷水合物的火焰热电偶5为B型热电偶，热电偶丝直径为0.127mm，响应时间为4ms，测量温度范围0℃～1700℃，长度为160mm，体表热电偶7为T型热电偶，热电偶丝直径为0.127mm，响应时间为4ms，测量温度范围-200℃～350℃，长度为160mm。甲烷水合物的测力传感器一20和测力传感器二14均为量程200g、精度0.001g的测力传感器。

本实施的具体测试方法步骤如下：

首先调整好燃烧室23内的温度，将甲烷水合物球体快速放置于燃烧室23内的甲烷水合物放置槽6上，点燃甲烷水合物。测力传感器一20用于实时测量剩余甲烷水合物质量，测力传感器二14用于实时测量收集到的液态水质量，通过计算确定甲烷水合物的蒸发水的质量，蒸发水的质量＝(原甲烷水合物质量-剩余甲烷水合物质量)×(1-甲烷含量)-液态水质量。利用高速显微摄像机27进行实时的图像处理，利用火焰热电偶5和体表热电偶7进行实时的温度测量，实现实时、全方位测量记录甲烷水合物燃烧火焰特征数据，构建出甲烷水合物瞬态燃烧模型。改变燃烧条件，重复上述步骤的工作，得到不同因素对水合物燃烧特性的影响规律。利用计算机28构建的甲烷水合物瞬态燃烧模型，分析水合物自保护效应对传热传质过程的影响，结合上述的实验研究结果，最终揭示自保护效应对水合物燃烧影响的内在规律。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：包括温控燃烧室、差重法实验系统、燃烧温度测量系统、火焰拍摄系统；

所述温控燃烧室包括燃烧室和温控装置，所述温控装置设置在所述燃烧室内，所述燃烧室的后壁面上设置有一水合物支撑杆；

所述差重法实验系统包括测力传感器、器皿和滤网，所述测力传感器为两个，测力传感器一设置于所述水合物支撑杆上，测力传感器二设置于所述燃烧室的底板内，所述测力传感器一和所述测力传感器二与所述数据采集系统电连接；所述滤网由滤网支架通过螺钉固定于燃烧室的后壁面上，所述滤网下方设置有一用于收集液态水的器皿，所述器皿设置在所述测力传感器二上；

所述燃烧温度测量系统包括热电偶、升降支架和推进支架，所述热电偶包括火焰热电偶和体表热电偶，所述升降支架设置于所述燃烧室一侧，所述火焰热电偶设置于所述升降支架上，所述火焰热电偶的检测端穿过所述燃烧室且位于所述甲烷水合物的燃烧火焰中；所述推进支架设置在所述燃烧室另一侧，所述体表热电偶设置于所述推进支架上，所述体表热电偶的检测端穿过所述燃烧室且位于甲烷水合物表面，所述火焰热电偶和体表热电偶与所述数据采集系统连接；

所述火焰拍摄系统包括高速显微摄像机，所述高速显微摄像机设置于所述燃烧室外，且位于所述甲烷水合物正前方，所述高速显微摄像机与所述数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述燃烧室为长方体结构，所述燃烧室的前面设置为透明板，所述长方体的顶面和侧面均为不锈钢板，所述燃烧室的底板向左右两端凸出，所述升降支架和所述推进支架设置在所述底板上，所述燃烧室内的底板上铺有硅胶，所述器皿与所述测力传感器二之间设置有亚克力板。

3.根据权利要求2所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述透明板插接与所述燃烧室上，所述透明板为有机玻璃或者钢化玻璃，所述不锈钢板上均刷有黑色涂料。

4.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述升降支架包括升降电机、纵向螺杆、纵向滑块和纵向导杆，所述纵向导杆和所述升降电机设置在所述底板上，所述升降电机连接所述纵向螺杆，所述纵向滑块通过螺纹连接于所述纵向螺杆上，所述纵向滑块套接于所述纵向导杆上，所述纵向滑块与所述火焰热电偶连接。

5.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述推进支架包括推进电机、电机支架、横向螺杆、横向滑块和横向导杆，所述电机支架设置于所述底板上，所述推进电机和所述横向导杆设置在所述电机支架上，所述推进电机连接所述横向螺杆，所述横向滑块通过螺纹连接于所述横向螺杆上，所述横向滑块套接于所述横向导杆上，所述横向滑块与所述体表热电偶连接。

6.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述温控装置的温度控制范围为-80℃至60℃，且控制精度为±0.2℃。

7.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述火焰热电偶为B型热电偶，热电偶丝直径为0.127mm，响应时间为4ms，测量温度范围0℃～1700℃，长度为160mm，所述体表热电偶为T型热电偶，热电偶丝直径为0.127mm，响应时间为4ms，测量温度范围-200℃～350℃，长度为160mm。

8.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述测力传感器一和所述测力传感器二均为量程200g、精度0.001g的测力传感器；所述高速显微摄像机的放大倍数为30-50倍，最大拍摄帧数为10000fps。

9.根据权利要求1所述的甲烷水合物燃烧特性测试装置，其特征在于：所述滤网呈漏斗状。