CN109270208A - 液体燃料点火试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体燃料点火试验系统,包括燃料供给装置,其通过管道连接至雾化器,雾化器的喷嘴处设有点火器,雾化器喷嘴的出口一侧下方还设有回收池,该系统还设有测量装置,包括温度测量装置和雾化测量装置。本发明能够提高燃料燃烧质量和燃烧效率,采用燃料雾化点火燃烧模式,通过采集雾化粒径、燃烧温度等参数,分析混合燃料的雾化效果和燃烧特性。
Description
技术领域
本发明属于液体燃料技术领域,具体涉及一种液体燃料点火试验系统。
背景技术
液体燃料燃烧是一种非均相扩散燃烧现象,通常包括液面燃烧、预蒸发燃烧和液雾燃烧等方式。液体燃料燃烧是一个复杂的物理化学过程。由于液体沸点低于其燃点,因此,液体总是先蒸发成气体,并以气态方式进行燃烧。蒸发过程是一个表面过程,为了保证燃烧质量,必须增大液体表面积。当前,在内燃机、液体火箭发动机等交通运输、军事等动力系统中,为了提高燃烧强度和燃烧效率,广泛应用喷雾燃烧技术进行燃料化学能与机械能的转换。首先用雾化器将燃油分裂成许多细小而分散的油滴,以增加燃料单位质量的表面积,使其能和周围空间的氧化剂更好地混合,在空间达到迅速和完全的燃烧。
目前液体燃料雾化方法一般包括机械式雾化和介质式雾化。如图1所示,机械式雾化是指液体燃料在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化,通过喷油嘴喷出,一般包括直流式、离心式、和转杯式。介质式雾化是指靠附加的雾化介质(蒸汽或压缩空气)的能力来雾化,一般分为高压雾化、中压雾化、低压雾化。雾化原理如图2所示。
为了提高液体燃料的能量,通常在燃料中添加超细型金属或非金属含能粒子,这种含能粒子悬浮于液体中形成悬浊液。由于固相粒子的添加,其粒径、质量分数、粒子对比密度等会改变雾化粒子平均粒径,影响雾化效果和燃烧效率。因此,如何改善添加超细型金属或非金属含能粒子的液体燃料雾化质量,提高燃料燃烧质量,分析和判别不同工况下液体燃料的燃烧效果成为一个难题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种液体燃料点火试验系统,能够提高燃料燃烧质量和燃烧效率,采用燃料雾化点火燃烧模式,通过采集雾化粒径、燃烧温度等参数,分析混合燃料的雾化效果和燃烧特性。
本发明所采取的技术方案是,一种液体燃料点火试验系统,包括燃料供给装置,其通过管道连接至雾化器,雾化器的喷嘴处设有点火器,雾化器喷嘴的出口下方还设有回收池,该系统还设有测量装置,包括温度测量装置和雾化测量装置;所述燃料供给装置与雾化器之间的管道上设有和恒流泵,燃料供给装置与雾化器之间还设有回油阀门,其与恒流泵并联连接到燃料供给装置与雾化器之间的管道上;所述燃料供给装置与恒流泵之间的管道上还安装有过滤器;所述燃料的供给压力为0.8-12MPa,流量为5-10mg/s,空压机连接管道的供气压力为0.96-24MPa,雾化器包括喷嘴入口气液压力比为1.2-2;韦伯准则数We>14。
进一步地,所述雾化器包括喷嘴主管路,其通过管道与燃料供给装置连接;喷嘴主管路外侧设有环隙管路,环隙管路连接介质气进口,其通过管道与空压机连接。
进一步地,所述恒流泵与雾化器之间的管道及空压机与雾化器之间的管道上均安装有压力表、流量计和逆止阀。
进一步地,所述燃料供给装置与恒流泵之间的管道上还安装有过滤器。
进一步地,所述燃料供给装置为球形,其上部设有加注口,底部设有排泄口,该装置还设有输油孔,输油孔通过管道连接雾化器。
进一步地,所述点火器为火花塞点火器,点火电压为10-20KV。
一种液体燃料点火试验测试方法,包括以下步骤:
首先进行燃料加注,将容器中的燃料通过管路压至雾化器喷嘴,雾化剂在空压机的作用下压缩至雾化器的喷嘴,燃料射流与雾化剂射流喷出后产生机械撞击,形成油雾喷出;采用激光粒子采集分析系统采集雾化数据;然后打开温度测试装置,用于对点火过程进行数据采集;再进行点火,使油雾点火燃烧,燃油燃烧后,点火器停止供电;燃料在燃烧过程,生成的燃烧产物在重力作用下沉降至回收池,回收池中装有水;待燃烧完毕后,关闭泵和空压机,对燃烧产物进行采集,分析燃烧特性。
进一步地,所述装燃料的容器与雾化器之间的管路上设有恒流泵和回油阀,恒流泵和回油阀并联设置在该管路上;燃烧完毕后,关闭泵和空压机,开启回油阀。
本发明具有以下有益效果:
1、传统常规液体燃料点火测试系统主要针对单相液体或含惰性固体粒子的液体,多采用齿轮泵、柱塞泵等输送燃料,输送压力一般不大于1.5MPa,且燃料安全系数高。而针对含有金属含能粒子的液体燃料如采用以上方式则会对金属离子产生损伤,破坏燃料原有的理化特性。本结构创新点在于由于燃料粘度大、燃料输送压力高,采用新的输送方式,可用于不同配方固-液混合悬浊液体燃料的点火与测试。
2、本液体燃料点火测试系统采用介质式雾化方式,雾化喷嘴克服了传统介质雾化喷嘴气耗大的缺点,雾化后的燃料可与空气充分混合,燃烧效率高。
3、本发明采用燃料雾化点火燃烧模式,引入空气与燃料进行充分混合雾化,使得燃料能够顺利点火燃烧,提高燃料的燃烧质量及燃烧效率;并且能实现燃料流量、压力及空气压力控制调节,点火燃烧后的Al2O3等燃烧残渣可以回收,通过测试燃料油滴粒径、燃烧温度等分析燃料的雾化效果、燃烧特性。
附图说明
图1为背景技术中机械式燃油雾化原理图。
图2是背景技术中介质式燃油雾化原理。
图3为本发明系统的结构示意图。
图4为恒流泵工作原理图。
图5为雾化器喷嘴的结构示意图。
图6为点火器点火电路图。
图7为回收池的布局图。
图8为温度测量装置硬件组成框图。
图9为温度测量装置的火焰温度测试软件原理框图。
图10为雾化测量装置的工作原理图。
图11为雾化测量装置的软件原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明,但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图3-10所示,一种液体燃料点火试验系统,包括燃料供给装置1,其通过管道连接至雾化器2,雾化器的喷嘴处设有点火器,雾化器喷嘴的出口一侧下方还设有回收池3,该系统还设有测量装置4,包括温度测量装置和雾化测量装置。
优选地,所述燃料供给装置1与雾化器2之间的管道上设有和恒流泵5,燃料供给装置1与雾化器2之间还设有回油阀门,其与恒流泵5并联连接到燃料供给装置1与雾化器2之间的管道上。燃料供给主要依据泵的流体增压功能实现。恒流泵作为一种流体增压装置,广泛应用于高校、科研院所实验室。恒流泵一般采用双柱塞结构,压力脉动小,精准、耐用、输送流量稳定,连续可调,输送液体与外界隔离,可有效避免污染等。其工作原理如图4所示。将软管装装卡在转子和定子之间,在工作中,两个滚轮之间的一段泵管形成泵室,转子上的转轮依次碾过泵管,将管中的流体向前推挤。转轮碾过后的泵管因自身弹性恢复原形、在泵管吸入端形成真空,液体因为真空而被吸入。转轮与转轮之间的距离因为转动而形成泵室,泵室的容积大小与泵管内径及转轮的回转直径与轮距有关,流速取决于泵头上转轮的速度与泵室的容积。
优选地,所述雾化器包括喷嘴主管路,其通过管道与燃料供给装置连接;喷嘴主管路外侧设有环隙管路,环隙管路连接介质气进口,其通过管道与空压机连接。影响喷嘴雾化效果的因素一般包括喷嘴结构参数、流体物性、喷嘴运行工况参数。喷嘴结构是影响喷雾效果的关键因素。在相同的气液质量流量比值下,气孔直径越大,雾化粒子直径越大;液孔直径越大,粒子直径减小。本发明设计的雾化器喷嘴结构如图5所示,喷嘴材质为45号钢,喷嘴前端设计为锥形。这种喷嘴结构相对简单,在空气和燃料供给压力不高的情况下能保证良好的雾化质量,同时油雾与空间的氧化剂混合充分,提高燃烧质量。雾化质量与孔表面光洁度的关系较小,与机械式雾化喷嘴比较,使用期限较长。同时兼顾机械雾化喷嘴的特点,气耗量不高。喷嘴工作时燃料进入喷嘴主管路,空气通过气管进入喷嘴环隙管路,在喷孔的作用下,空气与燃料一同喷出形成油雾。
喷雾效果与流体物性有关主要是指液滴上的气动力和表面张力。燃料雾化是一种物理过程。燃料从喷嘴喷出时形成油流,由于初始湍流和空气对油流作用,使油流表面发生波动,在外力作用下,油粒开始变为薄膜并被碎裂成细油滴。根据作用在液滴上的气动力与表面张力的关系:
定义韦伯准则数:
式中:Cd是与液体物理性质有关的系数,UR是气体与液体之间的相对速度,ρa是液体密度,σ是液体的表面张力系数,d是液滴直径。
We越大,油雾平均直径越小。为了确保雾化质量,We应大于14。
燃油雾化效果除了与喷嘴结构、流体物性有关之外,还与喷嘴工作时的入口压力有关。在相同的气相压力下,随着液相压力的增加,平均雾化粒径增大,当液相压力相对较高时,甚至并不出现喷雾而是产生射流现象。在相同的液相压力下,随着气相压力的不断增大,平均雾化粒径减小。当气相压力增大到一定程度后,再增大气相压力,对喷雾效果的影响不再显著。为了达到良好的雾化效果,本方案气液入口压力比值选择在1.25-2之间。
优选地,所述恒流泵5与雾化器2之间的管道及空压机与雾化器之间的管道上均安装有压力表、流量计和逆止阀。所述燃料的供给压力为0.8-12MPa,流量为5-10mg/s,空压机连接管道的供气压力为0.96-24MPa。
优选地,所述燃料供给装置1与恒流泵5之间的管道上还安装有过滤器6。滤去结块固体粒子及杂质,确保燃料组分均匀性,防止杂质对喷嘴输油管路的堵塞。
优选地,所述燃料供给装置上部设有加注口,底部设有排泄口,该装置还设有输油孔,输油孔通过管道连接雾化器。燃料供给装置可选用不锈钢材料,最大容积2L,在确保容积的前提下,为减轻质量优先选用球形。通过设计加注口、排泄口、输油孔,方便燃油的加注、贮箱的清洗维护。
优选地,所述点火器为火花塞点火器,点火电压为10-20KV。点火器点火电路图如图6所示,当断电器中触点受凸轮控制而处于闭合状态时,点火系统低压电路接通,初级电路在点火线圈心中产生磁场。当断电器被分电器凸轮顶开,初级电路被切断,初级电流迅速减小,铁心中的磁通迅速变化,根据电磁感应原理,铁心上的次级绕组感应出高压电,高压电传至火花塞,击穿火花塞两电极间空气,产生电火花以此引燃油雾。
回收池是指对Al2O3等固体燃烧残渣的回收采集,通过水池+水进行回收,回收池的布局如图7所示。燃烧过程中,纳米铝粉生成Al2O3在重力作用下发生沉降进入水池。待试验完毕后,对固体残渣进行回收。水池容积为2000×2000×200mm,材质为不锈钢。水池的最佳放置位置根据喷嘴气液入口压力而定。
本发明利用非接触方式进行油雾燃烧温度测量。采用辐射温场测量技术,并与图像处理技术相结合的方式,构建油雾燃烧温度测试系统,实现燃烧温度测试。温度测量装置硬件部分主要包括:成像系统、图像传感系统和图像处理系统等,硬件组成框图如图8所示。摄像机镜头把火焰发出的光信号聚集在镜头上,CCD摄像机完成光电转换过程,输出包含亮度信息的信号,并将其转换成标准信号。图像处理系统对CCD输出的标准视频信号进行实施采集和模/数转换,使模拟视频信号转换成数字图像信号,便于计算机存储和处理。图像测温软件完成对数字图像信号的存储、测温计算和温度场处理。
软件系统包含火焰温度数据采集软件、火焰温度数据处理软件。主要功能是完成图像采集、目标识别、标定、计算温度、显示伪彩色图、等温线(面)图、温度场计算并保存处理结果。火焰温度测试软件的原理如图9所示。
温度测试指标:
温度测试范围:900-2000K;
标定误差:≤2%。
本发明中的温度测量装置可选型号:mini52,厂家:日本尼康。
雾化测量装置采用激光法测量雾化效果。激光法相对于筛分法、沉降法,其适用性广,准确性高,重复性好,既可测量粉末状颗粒,也可测量悬浮液和乳浊液中的颗粒,测量范围广,其应用范围为0.1~3000um。激光粒度分析工作原理如图10所示。为了准确测量喷雾效果,试验时,点火器不工作,燃料不燃烧,当雾化测量装置工作时,激光器产生单色相干性极好的激光,经滤波扩束后,得到一个扩展的、照明散射颗粒理想化的光束,雾化颗粒在样品窗内被激光光束照射产生衍射,并形成一定的空间光强分布,设在探测区的非均匀交叉排列扇形主检测器,附加大面积辅助检测器和大角度向前、背向检测器,将光信号转变为电信号并送入计算机,根据衍射理论进行数据处理,把衍射谱的空间分布反演为颗粒大小的分布。具体软件原理框图如图11所示。
本发明中雾化效果粒径测试指标:
可测粒径范围:0.1-2000μm
数据采集速率:>8KHz
重复测量精度:≤5%
典型测量时间:≤10s。
本发明中雾化测量装置可选型号:Mastersizer2000,厂家:英国马尔文仪器有限公司。
具体点火试验系统操作时,首先进行燃料加注。启动恒流泵,在恒流泵的作用下,容器中的混合燃料通过管路压至雾化器。为了提高雾化质量,将空气作为雾化剂。雾化剂在空压机的作用下压缩至喷嘴,燃料射流与空气射流喷出后产生机械撞击,最终形成油雾喷出。启动点火器供电,在火花塞中央电级和侧电极产生正时高压电脉冲,形成火花,使油雾点火燃烧。燃油燃烧后,点火器停止供电。混合燃料在燃烧过程,生成的等燃烧产物在重力作用下沉降至回收水池。待燃烧完毕后,对燃烧产物进行采集,分析燃烧特性。当采集雾化数据时,点火器不点火,启动激光粒子采集分析系统,采集雾化效果参数。启动点火器前,打开温度测试系统,对混合燃料点火过程进行数据采集。采集结束后,关闭恒流泵和空压机,关闭油路和气路的电磁阀,同时开启恒流泵的回油阀门,关闭恒流泵和空压机,点火试验系统停止工作。
上述的实施例仅为本发明优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种液体燃料点火试验系统,其特征在于,包括燃料供给装置(1),其通过管道连接至雾化器(2),雾化器的喷嘴处设有点火器,雾化器喷嘴的出口下方还设有回收池(3),该系统还设有测量装置(4),包括温度测量装置和雾化测量装置;所述燃料供给装置(1)与雾化器(2)之间的管道上设有和恒流泵(5),燃料供给装置(1)与雾化器(2)之间还设有回油阀门,其与恒流泵(5)并联连接到燃料供给装置(1)与雾化器(2)之间的管道上;所述燃料供给装置(1)与恒流泵(5)之间的管道上还安装有过滤器(6);所述燃料的供给压力为0.8-12MPa,流量为5-10mg/s,空压机连接管道的供气压力为0.96-24MPa,雾化器包括喷嘴入口气液压力比为1.2-2;韦伯准则数We>14。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述雾化器包括喷嘴主管路,其通过管道与燃料供给装置连接;喷嘴主管路外侧设有环隙管路,环隙管路连接介质气进口,其通过管道与空压机连接。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述恒流泵(5)与雾化器(2)之间的管道及空压机与雾化器之间的管道上均安装有压力表、流量计和逆止阀。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述燃料供给装置上部设有加注口,底部设有排泄口,该装置还设有输油孔,输油孔通过管道连接雾化器。
5.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述点火器为火花塞点火器,点火电压为10-20KV。
6.一种液体燃料点火试验测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
首先进行燃料加注,将容器中的燃料通过管路压至雾化器喷嘴,雾化剂在空压机的作用下压缩至雾化器的喷嘴,燃料射流与雾化剂射流喷出后产生机械撞击,形成油雾喷出;采用激光粒子采集分析系统采集雾化数据;然后打开温度测试装置,用于对点火过程进行数据采集;再进行点火,使油雾点火燃烧,燃油燃烧后,点火器停止供电;燃料在燃烧过程,生成的燃烧产物在重力作用下沉降至回收池,回收池中装有水;待燃烧完毕后,关闭泵和空压机,对燃烧产物进行采集,分析燃烧特性。
7.根据权利要求6所述的工艺,其特征在于:所述装燃料的容器与雾化器之间的管路上设有恒流泵和回油阀,恒流泵和回油阀并联设置在该管路上;燃烧完毕后,关闭泵和空压机,开启回油阀。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190125 |
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