CN108828130A - 一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置及实验方法，属于燃烧实验装置技术领域。本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，包括密封装置、供气机构、点火机构和热电偶推进机构，其中供气机构用于向密封装置供气，点火机构用于燃料的点火操作，所述的热电偶推进机构包括热电偶、推送小车和驱动机构，所述热电偶安装于推送小车上，且其感应端伸出至推送小车外，所述的驱动机构与推送小车驱动相连，用于驱动控制推送小车的运动。本发明适用于研究液滴的蒸发或燃烧过程中的液滴蒸发或火焰变化，装置整体结构简单，方便操作，且实验结果的误差较小，结果较为准确和可靠。

Description

一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置及实验方法

技术领域

本发明属于燃烧实验装置技术领域，更具体地，涉及一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置及实验方法。

背景技术

纳米流体属于一种新兴的替代石油燃料的新型能源，即通过向传统燃料中加入纳米级别的颗粒，对传统的燃料进行改性，从而提高燃料的燃烧效率，降低燃料的点火延迟等，但是燃料燃烧过程分为许多个阶段，为进一步发展纳米流体燃料，需要进一步的了解纳米流体的性质。因此，探究不同纳米颗粒种类、不同纳米颗粒尺寸及不同纳米颗粒浓度等对纳米流体点火延迟、点火温度等燃烧性质的影响十分重要。

单液滴燃烧是对纳米流体研究的普遍手段，而且液滴形式简单，便于观察和研究，但采用现有的单液滴实验台对纳米流体的燃烧特性进行实验研究时，其实验结果的准确性还有待进一步提高，尤其是实验过程中由于受人为因素的干扰控制，实验误差相对较大。此外，现有大部分实验台通常都无法保证腔体内气氛的稳定性，从而会对纳米流体的点火性质造成影响，进而影响实验探究结果。

如，中国专利号为：201610807415.9，申请公布日为：2017.02.22，发明创造名称为：一种液滴燃烧试验装置，该申请案公开了一种液滴燃烧实验装置，其包括高温实验腔体结构、与所述高温实验腔体结构相对设置的液滴传送机构及液滴制作机构。所述高温实验腔体结构包括本体及多个氮化硅加热片，多个所述氮化硅加热片绕所述本体的中心轴均匀排布。所述液滴制作机构包括注射泵底座、设置在所述注射泵底座一端的注射泵步进电机、连接于所述注射泵步进电机的注射泵丝杠、连接于所述注射泵丝杠的注射泵推板、设置在所述注射泵底座与所述注射泵步进电机所在端相背一端的注射泵前挡板、设置在所述注射泵前挡板上的导向管及部分套设在所述导向管内的微升注射器，通过控制所述注射泵步进电机的脉冲数可以控制所述微升注射器注射液体的体积，即液滴的尺寸。

但上述申请案的不足之处在于该装置拍摄和调试较为复杂，不方便实验者观察，不能进行气体组分的混匀，且装置适用性较为单一，不能满足多样性的实验条件，装置本身的成本也过高。此外，现有单液滴实验台绝大多数都会存在火焰受腔体空间大小的影响或者虽然实验台腔体空间足够，但是腔体不方便观察或拍摄的问题。

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纳米流体研究用液滴燃烧实验装置存在的以上不足，提供了一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置及实验方法。本发明基于单液滴蒸发燃烧实验装置的工作特点，针对液滴燃烧实验装置的结构及部件连接关系进行了优化设计，从而能够大大减小人为干预等造成的不确定性和实验误差，进而保证实验结果的准确性和稳定性。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，包括密封装置、供气机构、点火机构和热电偶推进机构，其中供气机构用于向密封装置供气，点火机构用于燃料的点火操作，所述的热电偶推进机构包括热电偶、推送小车和驱动机构，所述热电偶安装于推送小车上，且其感应端伸出至推送小车外，所述的驱动机构与推送小车驱动相连，用于驱动控制推送小车的运动。

更进一步的，所述的驱动机构包括步进电机和供电装置，所述的步进电机分别与推送小车及供电装置相连。

更进一步的，所述密封装置上设有供热电偶进出的热电偶导向管，且热电偶的感应端下方安装有红外光束发射器，热电偶导向管的入口处设有相对应的感光元件，感光元件的控制开关串联安装于步进电机和供电装置之间。

更进一步的，所述的热电偶与数据采集仪相连，且数据采集仪连接至计算机。

更进一步的，所述的点火机构包括点火器和点火线圈，且点火器通过导线与密封装置外的变压器及电源相连。

更进一步的，所述的点火器包括四根呈矩形对称分布的点火柱以及用于安装点火柱的基座，每根点火柱上均设有间隔分布的两个点火丝紧固装置，通过点火丝紧固装置在四根点火柱之间紧固安装有四根对称分布的弧形点火线圈。

更进一步的，所述的点火线圈缠绕安装于圆弧状绝缘中轴上，且圆弧状绝缘中轴的两个端部通过点火丝紧固装置对应紧固安装于点火柱上；所述的点火丝紧固装置包括相互配合的上旋片和下旋片。

更进一步的，所述的密封装置包括下部的底座及上部的透明密封罩，底座与透明密封罩之间为螺纹连接，且均选用石英材质。

更进一步的，所述密封装置的侧壁上设有进气导向管和排气导向管，其中进气导向管通过气管与气体混合罐相连。

更进一步的，所述的气管上设有手动阀门，气体混合罐分别与氧气储气瓶及氮气储气瓶相连，且其连接管道上均设有气体流量计。

本发明的一种液滴蒸发和燃烧的实验方法，采用本发明的实验装置，包括以下过程：打开供气机构及排气导向管的控制阀门，向密封装置内预通入气体将装置内的原有空气通过排气导向管排出，待空气排出且密封装置内的气氛达到设定值并稳定后，关闭供气机构及排气导向管的控制阀门；吸取一定的流体挂在热电偶头上，然后打开数据采集仪和步进电机，设定推动速度，通过推送小车将热电偶推送至密封装置内的指定位置，通过点火机构对流体液滴进行点火，观察液滴蒸发和燃烧的实验现象，并利用数据采集仪对其温度变化进行实时采集。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，包括密封装置、供气机构、点火机构和热电偶推进机构，热电偶推进机构包括热电偶、推送小车和驱动机构，所述热电偶安装于推送小车上，且其感应端伸出至推送小车外，通过步进电机驱动推送小车向前移动，从而运送热电偶进入密封装置内对液滴蒸发和燃烧过程中的温度进行实时监测，可以对热电偶伸入密封装置的深度及时间进行有效控制，进而保证每次试验时热电偶伸入指定位置的时间相同，排除人为因素对实验结果的影响，有利于保证实验结果的准确性和稳定性。

(2)本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，热电偶的感应端下方安装有红外光束发射器，热电偶导向管的入口处设有相对应的感光元件，从而可以对进入密封装置内液滴的大小进行有效控制，当液滴形状符合要求或偏差不大时，感光元件感光发出信号，使得电路通路，进而保证进入装置的液滴大小尽可能减小对实验结果的影响。

(3)本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，通过对点火机构的结构，尤其是点火线圈的结构进行优化设计，从而可以有效提高液滴点火燃烧过程中其周围环境温度的均匀稳定性，减小因液滴周围环境的温度差异对其燃烧过程所造成的影响，进而有利于保证实验结果的准确性；同时，采用该装置进行液滴燃烧试验的可重复性较高，且每次重复试验时能够有效保持较高的稳定性。

(4)本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，所述的点火线圈缠绕安装于圆弧状绝缘中轴上，通过绝缘中轴对点火线圈进行支撑安装，从而有利于保证点火过程中点火线圈结构的稳定性，防止因点火丝形状、结构发生变化对实验结果的影响。同时，通过调节外界电压可以改变点火线圈对应的发热量，进而营造不同的温度。

(5)本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，整体采用石英玻璃材质，整个装置可以密封，同时满足液滴蒸发燃烧实验的实验条件，方便实验人员观察和拍摄；且装置结构较为简单，方便操作，可拆卸，方便运输。

(6)本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，可以通过气体混合罐混合不同的气氛，混合均匀后再通入密封罩内，既可以维持腔体内部气氛的稳定，同时可以测试不同气氛对液滴蒸发的影响。

(7)本发明的一种液滴蒸发和燃烧的实验方法，采用本发明的装置进行实验，可以有效保证实验结果的准确性，减小人为干预造成的误差，且实验装置结构简单，成本低，便于观察。

附图说明

图1为本发明的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置的结构示意图；

图2为本发明的点火机构的结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、透明密封罩；2、底座；3、热电偶导向管；4、排气导向管；5、进气导向管；6、排线导向管；7、点火器；701、点火柱；702、上旋片；703、下旋片；8、点火线圈；9、变压器；10、导线；11、电源；12、氧气储气瓶；13、氮气储气瓶；14、气体混合罐；15、气体流量计；16、手动阀门；17、气管；18、热电偶；19、推送小车；20、步进电机；21、供电装置；22、数据采集仪；23、计算机；25、红外光束发射器；26、感光元件；27、开关

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，包括密封装置、供气机构、点火机构和热电偶推进机构，其中供气机构用于向密封装置供气，点火机构用于燃料的点火操作，所述的热电偶推进机构包括热电偶18、推送小车19和驱动机构，所述热电偶18安装于推送小车19上，且其感应端伸出至推送小车19外，所述的驱动机构与推送小车19驱动相连，用于驱动控制推送小车19的运动。本实施例的驱动机构包括步进电机20和供电装置21，所述的步进电机20分别与推送小车19及供电装置21相连。通过步进电机20驱动推送小车19向前移动，从而运送热电偶18进入密封装置内对液滴蒸发和燃烧过程中的温度进行实时监测，可以对热电偶18伸入密封装置的深度及时间进行有效控制，进而保证每次试验时热电偶伸入指定位置的时间相同，排除人为因素对实验结果的影响，有利于保证实验结果的准确性和稳定性。

实施例2

本实施例的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例的密封装置上设有供热电偶18进出的热电偶导向管3，且热电偶18的感应端下方安装有红外光束发射器25，热电偶导向管3的入口处设有相对应的感光元件26，感光元件26的控制开关27串联安装于步进电机20和供电装置21之间，且所述的热电偶18与数据采集仪22相连，数据采集仪22连接至计算机23。通过红外光束发射器25与感光元件26的配合使用，可以对进入密封装置内液滴的大小进行有效控制，当液滴形状符合要求或偏差不大时，感光元件26感光发出信号，使得电路通路，进而保证进入装置的液滴大小尽可能减小对实验结果的影响。热电偶18所测得的实验数据传送至数据采集仪22和计算机23进行分析处理。本实施例中利用橡皮塞将热电偶导向管3密封，热电处导向管3的橡皮塞上有与热电偶18形状相匹配的孔，方便热电偶18进出，同时保证密封。

实施例3

本实施例的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其结构基本同实施例2，其区别主要在于：本实施例的点火机构包括点火器7和点火线圈8，且点火器7通过导线10与密封装置外的变压器9及电源11相连，通过调节外界电压可以改变点火线圈对应的发热量，进而营造不同的点火温度，同时还可根据实验要求改变点火线圈8的材料和匝数，从而达到实验要求。具体的，结合图2，本实施例的点火器7包括四根呈矩形对称分布的点火柱701(分别位于矩形的四个顶点)以及用于安装点火柱701的基座，每根点火柱上均设有间隔分布的两个点火丝紧固装置，通过点火丝紧固装置在四根点火柱之间紧固安装有四根对称分布的弧形点火线圈8。通过对点火机构的结构进行上述优化设计可以有效提高液滴点火燃烧过程中其周围环境温度的均匀稳定性，减小因液滴周围环境的温度差异对其燃烧过程所造成的影响，进而有利于保证实验结果的准确性。

同时，本实施例的点火线圈8缠绕安装于圆弧状绝缘中轴上，且圆弧状绝缘中轴的两个端部通过点火丝紧固装置对应紧固安装于点火柱701上，通过绝缘中轴对点火线圈8进行支撑安装，从而有利于保证点火过程中点火线圈8结构的稳定性，防止因点火丝形状、结构发生变化对实验结果的影响。所述的点火丝紧固装置包括相互配合的上旋片702和下旋片703。此外，密封装置的侧壁还设有排线导向管6，目的是将内部点火装置的电源线引出。

实施例4

本实施例的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其结构基本同实施例3，其区别主要在于：本实施例的密封装置包括下部的底座2及上部的透明密封罩1，底座2与透明密封罩1之间为螺纹连接，且均选用石英材质，从而便于观察和拍摄。所述密封装置的侧壁上设有进气导向管5和排气导向管4，其中进气导向管5通过气管17与气体混合罐14相连，当使用两种或两种以上气体时通过气体混合罐14混合不同的气氛，混合均匀后再通入密封罩内，既可以维持腔体内部气氛的稳定，同时可以测试不同气氛对液滴蒸发的影响，上述气管17上还设有手动阀门16，从而便于对流量进行控制。当只使用一种气体时则可以拆除气体混合罐14，直接使气管17于气罐相连。

本实施例中气体混合罐14分别与氧气储气瓶12及氮气储气瓶13相连，且其连接管道上均设有气体流量计15，通过氧气储气瓶12与氮气储气瓶13分别向气体混合罐14内供应氧气和氮气，混合均匀后再通过进气导向管5输送至密封装置内。实验开始之前打开进气机构的阀门进行保持通气，将密封装置内的空气通过排气导向管4排出，使所需的气氛充满密封装置，然后关闭进气机构的控制阀门。然后打开数据采集仪和步进电机，设定推动速度，吸取一定量的流体挂在热电偶头上。小车将热电偶送入密封罩内的指定位置，数据采集仪收集液滴变化过程中的温度变化。也可在密封装置外架设高速摄像机，拍摄整个过程，从而更加详细的进行分析。

实施例5

本实施例的液滴蒸发和燃烧装置，其结构基本同实施例4，其区别主要在于：储气罐瓶数增加，在特定的实验条件下，需要将氮气、氧气和二氧化碳混合，因此本实施例将这三种气体储罐通过三通进行逐级连接，最终与气体混合罐进行连接。

实施例6

本实施例的液滴蒸发和燃烧装置，其结构基本同实施例4，其区别主要在于：本实施例的气体仅采用氩气，因此将氩气储气罐与进气导向管直接连接，向密封罐中单独通入氩气，可以观察液滴的蒸发情况。使用时，提前同入氩气，排除密封腔内的空气，吸取10ul流体挂在热电偶头上，打开数据采集仪，打开步进电机，设定推动速度。小车将热电偶送入密封罩内的指定位置，数据采集仪收集也地变化过程中的温度变化。本实施案例可以研究液滴的蒸发变化情况，为后面研究纳米流体的液滴蒸发和燃烧提供基础。

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)

1.一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，包括密封装置，其特征在于：还包括供气机构、点火机构和热电偶推进机构，其中供气机构用于向密封装置供气，点火机构用于燃料的点火操作，所述的热电偶推进机构包括热电偶(18)、推送小车(19)和驱动机构，所述热电偶(18)安装于推送小车(19)上，且其感应端伸出至推送小车(19)外，所述的驱动机构与推送小车(19)驱动相连，用于驱动控制推送小车(19)的运动。

2.根据权利要求1所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述的驱动机构包括步进电机(20)和供电装置(21)，所述的步进电机(20)分别与推送小车(19)及供电装置(21)相连。

3.根据权利要求1所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述密封装置上设有供热电偶(18)进出的热电偶导向管(3)，且热电偶(18)的感应端下方安装有红外光束发射器(25)，热电偶导向管(3)的入口处设有相对应的感光元件(26)，感光元件(26)的控制开关(27)串联安装于步进电机(20)和供电装置(21)之间。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述的热电偶(18)与数据采集仪(22)相连，且数据采集仪(22)连接至计算机(23)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述的点火机构包括点火器(7)和点火线圈(8)，且点火器(7)通过导线(10)与密封装置外的变压器(9)及电源(11)相连。

6.根据权利要求5所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述的点火器(7)包括四根呈矩形对称分布的点火柱(701)以及用于安装点火柱(701)的基座，每根点火柱上均设有间隔分布的两个点火丝紧固装置，通过点火丝紧固装置在四根点火柱之间紧固安装有四根对称分布的弧形点火线圈(8)。

7.根据权利要求6所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述的点火线圈(8)缠绕安装于圆弧状绝缘中轴上，且圆弧状绝缘中轴的两个端部通过点火丝紧固装置对应紧固安装于点火柱(701)上；所述的点火丝紧固装置包括相互配合的上旋片(702)和下旋片(703)。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述的密封装置包括下部的底座(2)及上部的透明密封罩(1)，底座(2)与透明密封罩(1)之间为螺纹连接，且均选用石英材质。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的一种便于观察和拍摄的液滴蒸发和燃烧装置，其特征在于：所述密封装置的侧壁上设有进气导向管(5)和排气导向管(4)，其中进气导向管(5)通过气管(17)与气体混合罐(14)相连；所述的气管(17)上设有手动阀门(16)，气体混合罐(14)分别与氧气储气瓶(12)及氮气储气瓶(13)相连，且其连接管道上均设有气体流量计(15)。

10.一种液滴蒸发和燃烧的实验方法，其特征在于：采用权利要求1-9中任一项所述的实验装置，包括以下过程：打开供气机构及排气导向管的控制阀门，向密封装置内预通入气体将装置内的原有空气通过排气导向管排出，待空气排出且密封装置内的气氛达到设定值并稳定后，关闭供气机构及排气导向管的控制阀门；吸取一定的流体挂在热电偶(18)头上，然后打开数据采集仪(22)和步进电机(20)，设定推动速度，通过推送小车(19)将热电偶(18)推送至密封装置内的指定位置，通过点火机构对流体液滴进行点火，观察液滴蒸发和燃烧的实验现象，并利用数据采集仪(22)对其温度变化进行实时采集。