CN109520759A - 一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，属于能源与环境领域，在本生灯燃料进口和空气进口前分别增加两套电加热装置，通过程控燃油电加热器功率将液态的航空煤油完全加热成气态燃料，在本生灯的混合腔体中与被加热的空气充分混合成可燃混气，之后在本生灯出口获得预混预蒸发燃烧火焰，通过设计好的测温热电偶或取样管对火焰温度或燃气成分进行测量。同时，系统由空气泵和程控微量注射泵对空气流量和燃油流量进行精确控制，通过调节两个泵的流速配比，即通过控制灯管出口雷诺数，从而可获得层流火焰或湍流火焰两种不同形态的燃烧火焰，多样性火焰弥补了现有本生灯火焰的单一性的缺点。
Description
技术领域
本发明属于能源与环境领域，涉及一种可以直接燃烧液态航空煤油的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置。
背景技术
在燃烧专业与燃烧火焰特性研究中，本生灯由于操作方便、结构简单、火焰温度高等优点常用作试验演示装置，可以得到不同形状的火焰。目前被广泛使用的本生灯，大多是以甲烷等气态燃料作为可燃气，且无法控制火焰形态，具体是指无法同时获得层流和湍流火焰，对实际直接供给液态燃油燃烧过程的研究缺乏参考依据。此外，利用甲烷等气态燃料作为可燃气的本生灯火焰结构单一。目前的现有技术中利用可直接燃烧液态航空煤油的本生灯还很罕见。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题以及研究空白缺陷，设计一款可直接燃烧液态航空煤油的本生灯，燃油通过程控燃油电加热器加热蒸发与空气形成预混预蒸发的可燃混气，并且可以直接控制程控微量燃油注射泵和空气泵的流量来获得层流火焰或者湍流火焰。
本发明是这样实现的：
本发明公开了一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，该装置包括试验支架平台，所述的试验支架平台分为上中下三层平台。
试验支架平台中层平台上设置有本生灯；本生灯包括本生灯灯座、本生灯灯座上方的本生灯气体混合腔、本生灯气体混合腔上方连通有本生灯灯管；所述的本生灯气体混合腔上方还设置有本生灯可燃气进口、本生灯空气进口；本生灯可燃气进口依次通过管道与试验支架平台上层平台中的程控燃油电加热器、程控微量燃油注射泵连接；本生灯空气进口依次通过管道与试验支架平台下层平台中的程控空气加热器、转子流量计、空气泵连接。
本发明的试验装置可以直接以液体煤油为燃料，为本生灯增加一套辅助的程控煤油电加热器，即程控燃油电加热器。将液态的煤油加热蒸发形成气态煤油，同时空气也需要一套程控空气电加热器，通过程序控制调节两个加热室的最高加热温度，可以获得不同温度的可燃混气。具体为：该试验装置通过空气泵供给空气，通过程控微量燃油注射泵精确控制燃油流量燃油通过可精确控制流量的程控注射泵供给，通过调节空气泵、程控微量燃油注射泵这两个泵不同的流量匹配，可以获得不同工况下稳定燃烧的火焰，为研究相关的火焰特性提供基础平台。
为了研究液态航空煤油真实燃烧的火焰特性，本生灯的火焰处还设置有热电偶测量不同位置火焰温度，测温结束后将热电偶更换成取样管，以便对火焰不同位置的燃气成分进行分析。本发明的系统可直接燃烧液态航空煤油的本生灯试验测量系统，通过测温热电偶对不同火焰位置的温度进行测量、或者通过取样管对不同火焰位置的燃气成分进行分析。
进一步，所述的热电偶或取样管安装在试验支架平台的程控坐标架上，通过控制两个轴的运动可对X-Z平面的所有位置进行测量。
进一步，所述的程控燃油电加热器与本生灯可燃气进口连接处，采用支架倾斜向下安装，倾斜向下安装可以防止加热器内残留煤油；此外考虑的散热和安全，外部采用石棉层保温。利用程控燃油电加热器使得液态煤油充分受热蒸发汽化成气态可燃气。
进一步，所述的程控微量燃油注射泵采用步进电机加滚珠丝杆驱动注射器来实现，丝杆上有螺纹，步进电机带动滚珠丝杆转动，丝杆转动带动与注射器固连的滑块左右移动，从而使注射器做往返活塞运动。通过调节步进电机的推进速度，从而实现微量燃油的流量精确可控。
进一步，注射器的柱塞行程200mm，直径≤40mm；步进电机推进速度0～1m/s，分辨率0.1mm/s。步进电机推进速度与注射器内表面横截面积的乘积即为燃油的体积流量。由于液体航空煤油流量非常小，本发明通过步进电机驱动注射器，步进电机的推进速度可以精确控制，根据步进电机的推进速度来精确控制燃油流量：
其中，为燃油流量、u为步进电机推进速度、A为注射器的横截面面积。
进一步，所述的空气泵采用电磁式气泵，流量≤28L/min，压头为0-20kPa。
进一步，所述的转子流量计采用LZB转子流量计安装在支架上，量程3-30L/min，精度2.5级。
进一步，所述的程控空气加热器内部为热风枪结构，在程控空气加热器的内部，空气通过电热丝陶瓷套管和外管的间隙，经过本生灯空气进口后再进入本生灯气体混合腔；所述的程控空气加热器的外部采用石棉层保温。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明试验装置的整套系统以本生灯为主体，可以直接以航空煤油为燃料，航空煤油通过加热蒸发形成气态燃料；在本发明的试验装置中，燃料和空气燃烧前必经过本生灯气体混合腔进行混合，因此，本生灯灯管出口处获得的是预混预蒸发的燃烧火焰；
利用本发明装置可以通过热电偶测温点实现对不同火焰位置的温度测量，测温结束后将热电偶替换成取样管，以便对不同火焰位置的燃气成分进行分析，不同的灯管进口雷诺数和不同油气比会形成不同长度和形状的火焰，将热电偶或取样管安装在程控坐标架上，即设置在一个程控二维坐标架上，通过控制两个轴的运动可对X-Z平面的所有位置进行测量，还能够测量所有工况下的火焰温度和燃气成分；
利用本发明装置还可以通过控制器控制空气泵可以控制空气流量，通过程控微量燃油注射泵可以控制燃油流量，从而获得不同油气比工况下的燃烧火焰，通过控制灯管出口可燃混气进口雷诺数，从而获得层流火焰形态或湍流火焰形态。
附图说明
图1为本发明以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置的结构示意图；
图2为本发明的本生灯的结构示意图；
图3为本发明测温结束后将热电偶更换成取样管的试验装置示意图；
其中，1-程控坐标架，2-热电偶，3-本生灯，4-程控燃油电加热器，5-程控微量燃油注射泵，6-空气泵，7-转子流量计，8-程控空气加热器，9-试验支架平台，10-本生灯灯管，11-本生灯可燃气进口，12-本生灯灯座，13-本生灯气体混合腔，14-本生灯空气进口，15-取样管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1为本发明的试验装置的结构示意图，该试验装置包括程控坐标架1、热电偶或取样管2、本生灯3、程控燃油电加热器4、程控燃油注射泵5、空气泵6、转子流量计7、程控空气加热器8、试验支架平台9。
试验支架平台9分为上中下三层平台，试验支架平台9的中层平台上设置有本生灯3，本生灯3上方设置的本生灯可燃气进口11依次通过管道与试验支架平台9上层平台中的程控燃油电加热器4、程控微量燃油注射泵5连接；本生灯3上方设置的本生灯空气进口14依次通过管道与试验支架平台9的下层平台中的程控空气加热器8、转子流量计7、空气泵6连接。
如图2所示，本生灯3包括本生灯灯座12、本生灯灯座12上方的本生灯气体混合腔13、本生灯气体混合腔13上方连通有本生灯灯管10；所述的本生灯气体混合腔13上方还设置有本生灯可燃气进口11、本生灯空气进口14；本生灯3的火焰处还设置有热电偶2测量不同位置火焰温度，测温结束后将热电偶更换成取样管15，对火焰不同位置的燃气成分进行分析。。热电偶15或取样管2安装在试验支架平台9的程控坐标架1上。
本发明中本生灯3作为整个试验系统的核心，为了实现液体燃料的燃烧，此装置采用加热蒸发的方法，在程控燃油电加热器中将液体燃油完全加热蒸发成气态，液体燃油的流量由程控注射泵精确控制；空气由空气泵提供，气态燃油和空气在本生灯灯座12上方的本生灯气体混合腔13中充分混合，在压力的推动下沿本生灯灯管10方向向上流动，通过调节燃油流量和空气流量获得不同油气比；在灯管出口由程控点火器点燃可燃混气进行燃烧。
通过热电偶2测温点实现对不同火焰位置的温度测量，测温结束后，将热电偶替换成取样管15对不同火焰位置的燃气成分进行分析，不同的灯管进口雷诺数和不同油气比会形成不同长度和形状的火焰，为了让测温点和取样管能测量所有工况下的火焰温度和燃气成分，将测温点或取样管安装在程控坐标架1上，通过控制两个轴的运动可对X-Z平面的所有位置进行测量。
本发明的空气泵6采用电磁式气泵，最大流量28L/min，压头20kPa；流量计量采用LZB转子流量计7安装在支架上，量程3-30L/min，精度2.5级；程控空气加热器8采用热风枪结构，空气通过电热丝陶瓷套管和外管的间隙，此外考虑的散热和安全，外部采用石棉层保温。空气由空气泵6压缩，流经转子流量计7测量空气流量，再沿管道流向最高加热温度可达到300℃的程控空气加热器8中，高温空气经过本生灯3的本生灯空气进口14流入本生灯气体混合腔13中。
程控微量煤油注射泵5采用步进电机加滚珠丝杆驱动普通注射器来实现，注射器的柱塞行程200mm，最大直径40mm；步进电机推进速度0～1m/s连续可调，分辨率0.1mm/s，通过调节步进电机的推进速度，从而实现微量燃油的流量精确可控；程控煤油加热器4采用陶瓷电热绝缘套管内通过煤油管路的方法，保证液体煤油完全加热气化。为防止加热器内残留煤油，加热器采用支架倾斜向下安装；此外考虑的散热和安全，外部采用石棉层保温。燃油在程控微量煤油注射泵5的压力驱动下流入最高加热温度可达到400℃的程控煤油加热器4中，使得液态煤油充分受热蒸发汽化成气态可燃气，再经过本生灯3的本生灯可燃气进口11流入本生灯气体混合腔13中。由于程控微量注射泵5是由步进电机驱动，所以可从步进电机的转速获得燃油流量。由于液体航空煤油流量非常小，本发明通过步进电机驱动注射器，步进电机的推进速度可以精确控制，根据步进电机的推进速度来精确控制燃油流量：
其中，为燃油流量、u为步进电机推进速度、A为注射器的横截面面积。
高温空气和高温的可燃气在本生灯的灯座本生灯气体混合腔13中进行充分混合成预混预蒸发的可燃混气，沿本生灯灯管10方向向上的出口流动，在出口处被点火器点燃形成燃烧火焰。通过程序控制使得安装在程控坐标架1上测温热电偶2或取样管15可到达本生灯火焰的不同位置，可以进一步测量火焰的温度分布或燃气成分。如图1以及图1所示，图3为测温结束后将热电偶更换成取样管的试验装置示意图。在本生灯出口获得预混预蒸发燃烧火焰，在本生灯的火焰处设置的热电偶测量不同位置火焰温度，测温结束后将热电偶更换成取样管，以便对火焰不同位置的燃气成分进行分析。
综上，液态燃油经过程控燃油电加热器4加热变成气态燃料，高温的燃气和通过程控空气加热器8加热后的高温空气混合形成一定油气比的混合气，由程控微量燃油注射泵5以及空气泵6分别控制，当空气泵6功率和程控微量燃油注射泵转速达到某种平衡时，就能在本生灯出口获得预混预蒸发的燃烧火焰。由空气泵6和程控微量燃油注射泵5对空气流量和燃油流量进行控制，通过调节两个泵的流速配比，即通过控制灯管出口雷诺数，从而可获得层流火焰或湍流火焰两种不同形态的燃烧火焰，多样性火焰弥补了现有本生灯火焰的单一性的缺点。同时，本发明的试验装置是可以直接燃烧液态燃料的本生灯。
本发明的专用控制软件采用C++语言开发，热电偶2或取样管15测得的温度信号由计算机采集；程控燃油电加热器4、程控空气加热器8的温度均由计算机设定；程控坐标架控制、程控微量燃油注射泵5、空气泵6的控制、点火控制均由软件实现，测量数据曲线的实时在线显示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的装置包括试验支架平台（9），所述的试验支架平台（9）分为上中下三层平台；所述的试验支架平台（9）中层平台上设置有本生灯（3）；所述的本生灯（3）包括本生灯灯座（12）、本生灯灯座（12）上方的本生灯气体混合腔（13）、本生灯气体混合腔（13）上方连通有本生灯灯管（10）；所述的本生灯气体混合腔（13）上方还设置有本生灯可燃气进口（11）、本生灯空气进口（14）；所述的本生灯可燃气进口（11）依次通过管道与试验支架平台（9）上层平台中的程控燃油电加热器（4）、程控微量燃油注射泵（5）连接；所述的本生灯空气进口（14）依次通过管道与试验支架平台（9）下层平台中的程控空气加热器（8）、转子流量计（7）、空气泵（6）连接；所述的本生灯（3）的火焰处还设置有热电偶（2）测量不同位置火焰温度，测温结束后将热电偶（2）更换成取样管（15），对火焰不同位置的燃气成分进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的热电偶或取样管（2）安装在试验支架平台（9）的程控坐标架（1）上。
3.根据权利要求1所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的程控燃油电加热器（4）与本生灯可燃气进口（11）连接处，采用支架倾斜向下安装；所述的程控燃油电加热器（4）外部采用石棉层保温。
4.根据权利要求1所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的程控微量燃油注射泵（5）采用步进电机加滚珠丝杆驱动注射器来实现，丝杆上有螺纹，步进电机带动滚珠丝杆转动，丝杆转动带动与注射器固连的滑块左右移动，从而使注射器做往返活塞运动。
5.根据权利要求4所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的注射器的柱塞行程200mm，直径≤40mm；步进电机推进速度0~1m/s，分辨率 0.1mm/s；步进电机推进速度与注射器内表面横截面积的乘积即为燃油的体积流量。
6.根据权利要求1所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的空气泵（6）采用电磁式气泵，流量≤28L/min，压头为0-20kPa。
7.根据权利要求1所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的转子流量计（7）采用LZB转子流量计安装在支架上，量程3-30L/min，精度2.5级。
8.根据权利要求1所述的一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，其特征在于，所述的程控空气加热器（8）内部为热风枪结构，在程控空气加热器的内部，空气通过电热丝陶瓷套管和外管的间隙，经过本生灯空气进口（14）后再进入本生灯气体混合腔（13）；所述的程控空气加热器（8）的外部采用石棉层保温。
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