CN110596302A - 一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置 - Google Patents

一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置 Download PDF

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涂煜
史明立
汪绍明
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Abstract

本发明提供一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，该实验装置包括燃油补给部分、燃烧器部分、称重部分以及数据采集部分。通过燃油补给部分控制油池的液面高度，并且此高度在一定范围内连续可调，实现对不同稳定液面高度情况下的油池火燃烧特性及燃烧速率的研究；燃烧器部分可以实现油池火在不同的伴流速度、不同的气氛和不同的液面高度下的燃烧行为研究；称重部分用于测量燃烧过程中的燃油减少量；数据采集部分将采集实验数据，用于油池火燃烧行为的分析和研究。本发明提供了一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，可用于研究不同液面高度油池火稳定燃烧状态下的行为特征，对油类火灾防控技术的开发具有重要意义。

Description

一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置
技术领域
本发明属于燃烧学及火灾安全科学技术领域，具体涉及一种基于连通器的保持液面持续稳定研究油池火行为特性的实验装置，液面的高度可调控，同时能测量出稳定燃烧状态下的燃烧速率。
背景技术
在燃烧学及火灾安全技术领域，油池火燃烧行为一直是一项十分重要的研究内容，油池火灾通常发展迅速且易形成爆炸性火灾，灭火难度大，复燃现象普遍，其造成的危害迫使人们对油池火的燃烧特性、燃烧现象等问题进行深入研究。
对于油池火的燃烧行为，国内外已开展过较多的相关研究。其中燃烧速率被认为是火灾科学研究和火灾危险性分析的重要参数，燃烧速率随时间的变化是火灾发生过程的基本特征之一，同时燃烧速率还决定了火灾热释放速率。通常情况下，燃烧速率要经过实验测量获得，研究表明，燃料的燃烧速率随着油池尺寸的增大而增加，即油池面积决定燃烧速率。而实际上，燃料层的深度也会对燃烧速率产生重要影响。在油池火燃烧开始后，液体表面温度迅速升高并达到沸点，此时高温燃料层逐渐向下层低温燃料层传热，随着燃烧的进行，燃料层内部深度方向上就会形成温度梯度。对于燃料量固定的油池，在燃烧后期，燃料深度会逐渐减少，导致燃料温度不断升高。另一方面，燃料液面下降后，火焰将直接暴露在油池内部，从而导致油池整体的温度上升，加速了燃料的蒸发，这将对燃烧的稳定性造成一定的影响。
因此，维持油池液面高度，对于研究稳定燃烧状态下的油池火燃烧行为及其燃烧速率具有重要意义。本发明提供了一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，不仅能够不间断地向燃烧的油池内补充燃料而持续维持液面高度稳定不变，且能通过测量燃油存储箱质量的方法，较为准确地实时监测和记录实验中油池火的燃烧速率。
发明内容
为了开展燃料层深度对油池火燃烧行为影响的研究，本发明提供了一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其油池液面高度可自由调控，用于研究油池火稳定燃烧时的燃烧特性及规律，并实时测量不同燃料层深度情况下的油池火的燃烧速率。
本发明实现上述目的的技术方案如下：一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，包括燃油补给部分、燃烧器部分、气体供应部分、称重部分以及数据采集部分，其中：
所述的燃油补给部分，包括铁架上层的燃油存储箱和下层的燃油供应箱，二者之间由两根不锈钢管即左侧不锈钢管和右侧不锈钢管连接；处于上方的上层燃油存储箱另配有一个漏斗口；实验开始前通过该漏斗口加注燃料，实验过程中用橡胶塞塞住漏斗口，使上层燃油存储箱保持密闭；实验过程中，当下层燃油供应箱内的燃油减少到左侧不锈钢管的下端口露出油面时，上层燃油存储箱中的燃油会通过右侧不锈钢管流入下层燃油供应箱内，使得燃料通过不锈钢软管补给油池，从而使油池和下层燃油供应箱之间液面高度大致保持一致；升降台则可以控制铁架整体的上升下降从而实现下层燃油供应箱的燃油油位控制，进而改变油池的液面高度，并且此高度在一定范围内连续可调，实现对不同稳定液面高度情况下的油池火燃烧特性及燃烧速率的研究；另外，在燃油燃烧和补给过程中，要求燃油从上层燃油存储箱流入下层燃油供应箱的补给速率略大于油池内燃油的燃烧速率，直至不锈钢管的下端口浸入油面以下停止，从而保证实验能够达到稳定燃烧状态并长时间的持续进行下去；连通油池和燃油供应箱之间的不锈钢软管中间设置有用于控制燃油通断的燃油通断阀门，随时控制燃油的通断；
所述的称重部分，作用为测量实验燃烧过程中燃油存储箱的燃油减少量，该部分主要为铁架上层的电子天平；
所述的燃烧器部分，包括油池、伴流环、连接油池与下层燃油供应箱的不锈钢软管、整流蜂窝以及伴流环上方非密封的网状物；
所述气体供应装置部分，包括N2和O2钢瓶、减压阀、质量流量计和混合腔室；整个装置为伴流环提供混合气体，支持燃烧；气体的通断由气体通断阀门控制；
所述的数据采集部分，包括数码摄像机、R型热电偶、7018数据采集模块和数据采集电脑；数码摄像机用于拍摄整个燃烧过程的现象，R型热电偶用于测量火焰温度，数据采集电脑用于采集实时温度数据和电子天平的质量损失数据。
所述的燃油补给部分和燃烧器部分之间通过不锈钢软管连通，保证了油池的液面始终保持与下层燃油供应箱的液面高度相同；同时，管道中间设置有用于控制其内部燃油通断的燃油通断阀门，随时控制燃油的通断。
所述的燃油补给部分，仅需要两个燃油存储箱。
所述的电子天平可高精度实时测量油池火焰稳定燃烧状态时燃油损失的质量，稳定燃烧阶段燃油存储箱的质量减少速率即油池的燃烧速率，解决了定量油池液面不稳定导致的无法准确测量油池火充分发展期燃烧速率的问题。
所述的气体供应装置可以改变伴流气体N2和O2的配比和速度，研究不同伴流速度和气氛作用下的油池火燃烧行为。
所述的气体供应装置中所述的伴流环内装有过滤网和蜂窝状管道，对通过的混合气体具有高效的过滤净化和稳定气流的作用，伴流环上方放有非密封的网状物，可以有效过滤掉一些燃烧产生的碳烟颗粒等污染物，降低环境污染。
本发明的优点和有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明提供了一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，解决了油池液面高度随着燃烧的进行逐渐降低而导致燃油温度不断升高和壁面热损不断增加的问题，同时能够解决定量油池液面不稳定导致的无法准确测量油池火充分发展期燃烧速率的问题；
2.在油池液面高度调节方面，油池和下层燃油供应箱通过一条“U”型不锈钢软管连通，保证了油池液面高度与燃料供应箱中液面高度始终一致，其工作方式为：当油池的燃油减少时，燃油供应箱内的燃油随之减少，当燃油供应箱内左侧的不锈钢管露出燃油液面时，燃油存储箱中的燃油会通过右侧不锈钢管流入供应箱内，且补给速率略大于燃烧速率，直至燃油供应箱内的燃油液面淹没左侧不锈钢管的底端，燃油补给过程停止；
3.在燃油深度的影响方面，通过调节升降台的高度，可以控制铁架整体的上升下降从而实现燃油供应箱的燃油油位控制，进而改变油池的液面高度，并且此高度在一定范围内连续可调，实现对不同稳定液面高度情况下的油池火燃烧特性及燃烧速率的研究；
4.在燃烧速率的测量方面，由于实验要求油池液面保持恒定并一直稳定持续燃烧，因此电子天平测量的是燃油存储箱的质量，稳定燃烧阶段燃油存储箱质量的减少速率即为油池火实验的燃烧速率，测量数据的误差小，精度高。
附图说明
图1为本发明所述一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置示意图；
图2为本发明所述燃料补给结构示意图；
图3为本发明所述燃料补给部分和油池之间的“U”型不锈钢软管连通结构示意图；
图中附图标记含义为：1为铁架；2为上层燃油存储箱；3为下层燃油供应箱；4为左侧不锈钢管；5为右侧不锈钢管；6为漏斗口；7为不锈钢软管；8为油池；9为升降台；10为燃油通断阀门；11为电子天平；12为伴流环；13为整流蜂窝；14为伴流环上方的非密封的网状物；15为N2和O2钢瓶；16为减压阀；17为质量流量计；18为混合腔室；19为气体通断阀门；20为数码摄像机；21为R型热电偶；22为7018数据采集模块；23为数据采集电脑。
具体实施方式
结合附图，本发明的具体实施例如下：
参照图1，一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，包括燃油补给部分、燃烧器部分、气体供应部分、称重部分以及数据采集部分。
燃油补给部分由铁架1上层燃油存储箱2和下层燃油供应箱3组成，二者之间由两根不锈钢管即左侧不锈钢管4和右侧不锈钢管5连接；处于上层燃油存储箱2另配有一个漏斗口6，实验开始前通过该漏斗口6加注燃料，实验过程中用橡胶塞塞住漏斗口6，使上层燃油存储箱2保持密闭；实验过程中，当下层燃油供应箱3内的燃油减少到左侧不锈钢管4的下端口露出油面时，上层燃油存储箱2中的燃油会通过右侧不锈钢管5流入下层燃油供应箱3内，使得燃料通过不锈钢软管7补给油池8，保证了油池8和下层燃油供应箱3之间液面高度始终一致，升降台9则可以控制铁架1整体的上升下降从而实现下层燃油供应箱3的燃油油位控制，进而改变油池8的液面高度，并且此高度在一定范围内连续可调，实现对不同稳定液面高度情况下的油池火燃烧特性及燃烧速率的研究；另外，在燃油燃烧和补给过程中，要求燃油从上层燃油存储箱2流入下层燃油供应箱3的补给速率略大于油池8内燃油的燃烧速率，直至不锈钢管4的下端口浸入油面以下停止，从而保证实验能够达到稳定燃烧状态并长时间的持续进行下去；连通油池8和下层燃油供应箱3之间的不锈钢软管7中间设置有用于控制燃油通断的燃油通断阀门10，随时控制燃油的通断。
称重部分作用在于测量实验燃烧过程中燃油存储箱的燃油减少量，该部分主要包括铁架1上层的电子天平11以及置于电子天平11上的上层燃油存储箱2，其中电子天平11的量程和精度须满足实验数据处理的要求，铁架1内部结构设计应当足够放置相应的实验装置；
燃烧器部分包括油池8、半流环12、连接油池8与下层燃油供应箱3的不锈钢软管7、整流蜂窝13以及伴流环上方的非密封的网状物14；
气体供应装置部分包括N2和O2钢瓶15、减压阀16、质量流量计17和混合腔室18；整个装置为伴流环12提供混合气体，支持燃烧；气体的通断由气体通断阀门19控制；
数据采集部分包括数码摄像机20、R型热电偶21、7018数据采集模块22和数据采集电脑23；数码摄像机20用于拍摄整个燃烧过程的现象，R型热电偶21用于测量火焰温度，数据采集电脑23用于采集实时温度数据和电子天平11的质量损失数据，最终分析得出油池火的燃烧特性。
参照图2，燃料补给部分为简单紧凑的连通装置，包括两个由不锈钢管4和5连接的上层燃油存储箱2和下层燃油供应箱3，处于上层燃油存储箱2另配有一个漏斗口6，方便加注燃料，实验过程中用橡胶塞塞住漏斗口6，使上层燃油存储箱2保持密闭；根据实验特征，不锈钢管4和5的材料设计及尺寸大小应当符合实验要求。实验开始后，下层燃油供应箱3的燃油逐渐减少，当下层燃油供应箱3内的燃油减少到左侧不锈钢管4的下端口露出油面时，上层燃油存储箱2中燃油会通过右侧不锈钢管5流入下层燃油供应箱3内。为了使实验持续稳定进行，要求燃油补给速率略大于燃烧速率。
参照图3，连接油池8与下层燃油供应箱3的不锈钢软管7为“U”型不锈钢软管连通结构，保证了油池8的液面始终保持与下层燃油供应箱3的液面高度相同，并且下层燃油供应箱3的高度决定油池8的液面高度，可以根据实验要求在一定范围内调整。其中不锈钢软管7中间设置有燃油通断阀门10用于控制内部燃油的通断；整流蜂窝13包括过滤网和蜂窝状管道，对气体具有高效的过滤净化和稳定气流的作用。
以上说明为本发明实施例的简单描述，仅说明相关技术方案而并非任何范围限定，本发明领域所有普通技术人员根据以上内容所进行的更改或修饰，都将属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其特征在于：包括燃油补给部分、燃烧器部分、气体供应部分、称重部分以及数据采集部分，其中：
所述的燃油补给部分，包括铁架(1)上层的燃油存储箱(2)和下层的燃油供应箱(3)，二者之间由两根不锈钢管即左侧不锈钢管(4)和右侧不锈钢管(5)连接；处于上方的上层燃油存储箱(2)另配有一个漏斗口(6)；实验开始前通过该漏斗口(6)加注燃料，实验过程中用橡胶塞塞住漏斗口(6)，使上层燃油存储箱(2)保持密闭；实验过程中，当下层燃油供应箱(3)内的燃油减少到左侧不锈钢管(4)的下端口露出油面时，上层燃油存储箱(2)中的燃油会通过右侧不锈钢管(5)流入下层燃油供应箱(3)内，使得燃料通过不锈钢软管(7)补给油池(8)，从而使油池(8)和下层燃油供应箱(3)之间液面高度大致保持一致；升降台(9)则可以控制铁架(1)整体的上升下降从而实现下层燃油供应箱(3)的燃油油位控制，进而改变油池(8)的液面高度，并且此高度在一定范围内连续可调，实现对不同稳定液面高度情况下的油池火燃烧特性及燃烧速率的研究；另外，在燃油燃烧和补给过程中，要求燃油从上层燃油存储箱(2)流入下层燃油供应箱(3)的补给速率略大于油池(8)内燃油的燃烧速率，直至不锈钢管(4)的下端口浸入油面以下停止，从而保证实验能够达到稳定燃烧状态并长时间的持续进行下去；连通油池(8)和燃油供应箱(3)之间的不锈钢软管(7)中间设置有用于控制燃油通断的燃油通断阀门(10)，随时控制燃油的通断；
所述的称重部分，作用为测量实验燃烧过程中燃油存储箱的燃油减少量，该部分主要为铁架(1)上层的电子天平(11)；
所述的燃烧器部分，包括油池(8)、伴流环(12)、连接油池(8)与下层燃油供应箱(3)的不锈钢软管(7)、整流蜂窝(13)以及伴流环上方非密封的网状物(14)；
所述气体供应装置部分，包括N2和O2钢瓶(15)、减压阀(16)、质量流量计(17)和混合腔室(18)；整个装置为伴流环(12)提供混合气体，支持燃烧；气体的通断由气体通断阀门(19)控制；
所述的数据采集部分，包括数码摄像机(20)、R型热电偶(21)、7018数据采集模块(22)和数据采集电脑(23)；数码摄像机(20)用于拍摄整个燃烧过程的现象，R型热电偶用于测量火焰温度，数据采集电脑(23)用于采集实时温度数据和电子天平(11)的质量损失数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其特征在于：所述的燃油补给部分和燃烧器部分之间通过不锈钢软管(7)连通，保证了油池(8)的液面始终保持与下层燃油供应箱(3)的液面高度相同；同时，管道中间设置有用于控制其内部燃油通断的燃油通断阀门(10)，随时控制燃油的通断。
3.根据权利要求1所述的一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其特征在于：燃油补给部分，仅需要两个燃油存储箱。
4.根据权利要求1所述的一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其特征在于：所述的电子天平(11)可高精度实时测量油池(8)火焰稳定燃烧状态时燃油损失的质量，稳定燃烧阶段燃油存储箱的质量减少速率即油池的燃烧速率，解决了定量油池液面不稳定导致的无法准确测量油池火充分发展期燃烧速率的问题。
5.根据权利要求1所述的一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其特征在于：所述气体供应装置可以改变伴流气体N2和O2的配比和速度，研究不同伴流速度和气氛作用下的油池火燃烧行为。
6.根据权利要求5所述的一种基于连通器的液面稳定伴流燃烧实验装置，其特征在于：所述的气体供应装置中所述的伴流环(12)内装有过滤网和蜂窝状管道(13)，对通过的混合气体具有高效的过滤净化和稳定气流的作用，伴流环上方放有非密封的网状物(14)，可以有效过滤掉一些燃烧产生的碳烟颗粒等污染物，降低环境污染。
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