CN111157396A - 观测视角可调的固体燃烧反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种观测视角可调的固体燃烧反应器，包括反应器和观测装置；反应器侧壁上设有2个插装有一对侧孔热电偶、引燃剂喷管和电热丝点火器的侧孔，反应器的底板装配有挺柱，挺柱上焊接有燃料支撑台并外接电控装置和重量传感器，挺柱可带动燃料支撑台上下移动；反应器底板上设有分别插装有一对底孔热电偶及用于外接气瓶、气泵、后处理装置和气体成分检测装置的通孔；观测装置包括设置在反应器外周的圆环形滑轨，滑轨上装配有滑块，滑块上通过工作平台安装有高速摄像机。本发明有利于避免外部环境因素的影响，维持稳定的燃烧过程，减少对流影响；可实现一侧通入易燃气体一侧电热点火，点火过程不用开放封闭环境，可优化点火过程。
Description
技术领域
本发明属于只用固体燃料的燃烧方法或设备领域，涉及一种具有推动燃料通过燃烧室的驱动装置的燃烧设备。
背景技术
固体燃烧是燃烧学、燃烧化学的重要研究方向之一，同时与消防科学、能源动力科学、安全科学、环保科学密切相关。煤被认为是最重要的一种固体燃料，它通常以煤粉的形式在火力电站的锅炉中燃烧。固体燃烧的其他领域还包括金属燃烧、垃圾焚烧、木材燃烧、煤焦炭焦燃烧、固相化学药品燃烧、废料(例如核废料)燃烧等。
固体燃料燃烧是一个相对比较复杂的过程，伴随着燃料的燃烧过程，燃料发生气化、升华等物理现象(如六次甲基四胺，燃烧过程中发生升华)，同时发生热解、氧化等复杂的化学变化，燃烧体系从单一均相体系转化为复杂的非均相反应，气-液反应，气-固反应混杂。这导致针对固体燃料燃烧和火焰的研究面临较大的困难。
现阶段的部分研究受限于实验装置，在相对开放的环境下开展研究，无法排除复杂的环境影响，也无法确保实验其他过程(例如点火过程)的可重复性，存在较大的系统误差。部分实验采用的管型反应器无法避免对流的影响，只能通过多次采用不同点火方式对比数据以排除误差。
参考当前针对固体燃料燃烧过程和火焰的研究，用于评价燃烧过程的参数(或指标)包括火焰形态、火焰亮度、燃烧温度和燃烧速率等；同时，针对煤以外众多复杂固体燃料的燃烧，同样重要的还有烟气的成分。火焰形态、火焰亮度主要通过分析高速摄像机的照片得到；燃烧温度主要通过热电偶测量；燃烧速率有不同的测量方式，包括称重法和Canny边界探测方法(需要分析照片中的试样的形态变化)等；烟气成分鉴定有多种方式，包括光谱法、气相色谱法等等。值得注意的是，由于固体燃烧过程的复杂性，即使实验所用试样经过严谨的加工，形态规则，燃料试样的不同位置也可能具有不同的燃烧情况，呈现出不同的火焰形态，传统的固体燃烧火焰研究在定点设置摄像机，不能改变火焰的观测角度，也无法选择合适的位置取得火焰形态的典型照片；同时，称重法并不能完全解决燃料物理变化的问题，而Canny边界法需要精确提取燃料块轮廓，这需要更加精细的多方位照片，现阶段用单方位二维图像来确定燃料体积的变化具有较大的误差；此外，现阶段许多研究是相对分离的，火焰研究和烟气研究不能并联进行，这主要受限于实验装置的结构。
现阶段已有较多固体燃烧反应器的研究，包括多种开放式和封闭式设计，一部分指向于工业应用，直接在燃料应用环境(如火箭燃烧室)中实验，一部分指向于科研应用。但上述反应器均未考虑三维火焰研究，研究过程过于理想化，并未设置多角度观测系统，也未设计多种方法结合的燃烧速率检测体系；此外，上述反应器大多针对对火焰形态或烟气的单独研究，指向于联合检测的反应器很少。
发明内容
就当前固体燃烧和火焰研究的需要，有必要设计一套新实验装置，这套装置一方面需要实现封闭化，避免外界环境的影响，尽量减少对流，有稳定的点火燃烧系统；另一方面需要实现多方位的火焰观测，扩大火焰形态、火焰亮度、燃烧速率的数据量，并将火焰研究和烟气研究相结合，充分发挥封闭式反应器的特点。这是本发明要解决的问题。针对上述现有技术，本发明提出一种观测视角可调的固体燃烧反应器，本发明的固体燃烧反应器带有可移动的燃料支撑面，具有可移动组件的燃料支撑面；该固体燃烧反应器包括反应器和观测系统。它能够视角可调地多角度有效观测固体燃烧火焰，丰富火焰形态、火焰亮度、试样形态的数据，并且能有效解决外部条件影响的问题，缓解内部对流问题。本装置安全可靠，便于拆装检修。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种观测视角可调的固体燃烧反应器，包括反应器和观测装置；所述反应器包括底座和钢制反应器盖，所述底座与钢制反应器盖之间设有环形钢化玻璃，所述钢制反应器盖的顶面为上隆的球面，所述底座的内壁为圆柱内表面，所述钢制反应器盖、环形钢化玻璃和底座围成的空间为反应器的内部空间；所述底座的上部侧壁上设有2个同轴的侧孔，所述底座的底板设有中心螺纹孔，所述中心螺纹孔内装配有挺柱，所述挺柱的顶部焊接有燃料支撑台，所述燃料支撑台的高度低于所述侧孔的位置，所述挺柱的底端外接电控装置和重量传感器，所述电控装置控制所述挺柱上下移动，从而调整燃料支撑台的高度，所述重量传感器检测燃料支撑台上试样的质量；一个侧孔中插装有侧孔热电偶和引燃剂喷管，用于检测放置于所述燃料支撑台上试样附近温度和喷射引燃气体，另一个侧孔中插装有另一个侧孔热电偶和电热丝点火器，用于检测试样附近温度和电热点火；所述底座的底板上在同一圆周上均匀的设有4个底板通孔，其中2个底板通孔分别插装有底孔热电偶，用于检测试样附近的空气温度；另外2个底板通孔中，一个用于外接气瓶和气泵，另一个用于外接后处理装置和气体成分检测装置；所述观测装置包括设置在所述反应器外周的钢架，所述钢架包括设置在所述反应器外周的圆环形滑轨和与所述反应器焊接的滑轨支撑架，所述圆环形滑轨上设有滑块，所述滑块上固定有工作平台，所述工作平台上设有用于安装高速摄像机的装配组件。
本发明所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其中，所述底座的上端和钢制反应器盖的下端均设有卡槽，所述环形钢化玻璃卡在卡槽中，所述环形钢化玻璃与卡槽之间设有密封垫。
所述滑轨支撑架包括多根连接直杆、多根横梁及环形支架，多根横梁呈放射状布置，多根横梁的一端与所述反应器焊接，多根横梁的另一端与所述环形支架焊接，所述多根连接直杆焊接在所述环形支架与所述圆环形滑轨之间。
所述圆环形滑轨按照与所述反应器的内部空间同轴设置。
所述侧孔热电偶、底孔热电偶、电热丝点火器和引燃剂喷管的尾部均装有螺塞，螺塞套装有橡胶管，以确保装配侧孔热电偶、底孔热电偶、电热丝点火器和引燃剂喷管后整体不漏气。
根据所述重量传感器测得的燃料支撑台上试样的质量，并配合Canny边界探测方法测定试样体积和质量的变化，进而计算燃烧速率。
用于外接气瓶和气泵的底板通孔和用于外接后处理装置和气体成分检测装置的底板通孔中均设有外接管路，所述外接管路由针阀控制开闭。
所述外接管路上设有流量计以控制通过外接管路的气体流量。
所述外接管路上设有压力传感器以检测反应器内的压力。
所述工作平台上安装有高速摄像机，高速摄像机随工作平台沿圆周自由转动，所述高速摄像机的镜头通过环形钢化玻璃观测到试样变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所设计的多角度火焰观测系统，可实现视角可调地360°观测火焰形态、火焰亮度和试样形态，丰富各项参数对应的照片数据；本发明采用高度可变的支撑面以配合确定最佳的观测角度；本发明所设计的封闭式结构结合侧孔点火系统，有利于避免外部环境因素的影响，同时减少内部流场的影响，避免点火过程中的对流；本发明采用底部开孔进排气，配合封闭式反应器，外接分析装置，可实现烟气检测；本发明采用侧孔、底孔配合热电偶排布，可实现火焰温度的准确测量；本发明采用Canny边界探测方法和称重法结合，可有效避免计算燃烧速率过程中物理变化的影响；本发明整体易于维修维护，可以有效实现固体燃烧火焰实验和观测和燃烧烟气检测的整体流程。
附图说明
图1是本发明固体燃烧反应器的整体结构的立体图；
图2是图1所示固体燃烧反应器的主视剖视图；
图3是图2所示固体燃烧反应器的俯视图。
图中：
1-滑轨 2-连接直杆 3-钢制反应器盖 4-环形钢化玻璃
5-侧孔热电偶 6-侧孔 7-电热丝点火器 8-底座
9-横梁和环形支架 10-试样 11-燃料支撑台 12-挺柱
13-中心螺纹孔 14-底板通孔 15-底孔热电偶 16-引燃剂喷管
17-滑块 18-工作平面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1、图2和图3所示，本发明提出的一种观测视角可调的固体燃烧反应器，包括反应器和观测装置。
所述反应器包括底座8和钢制反应器盖3，所述底座8与钢制反应器盖3之间设有环形钢化玻璃4，所述钢制反应器盖3的顶面为上隆的球面，所述底座8的内壁为圆柱内表面，所述钢制反应器盖3、环形钢化玻璃4和底座8围成的空间为反应器的内部空间；所述底座8的上端和钢制反应器盖3的下端均设有卡槽，所述环形钢化玻璃4卡在卡槽中，所述环形钢化玻璃4与卡槽之间设有密封垫。
所述底座8的上部侧壁上设有2个同轴的侧孔6，所述底座8的底板设有中心螺纹孔13，所述中心螺纹孔8内装配有挺柱12，所述挺柱12的顶部焊接有燃料支撑台11，所述燃料支撑台11的高度低于所述侧孔6的位置，所述挺柱12的底端外接电控装置和重量传感器，所述电控装置控制所述挺柱12上下移动，从而调整燃料支撑台11的高度，所述重量传感器检测燃料支撑台11上试样10的质量。
一个侧孔6中插装有侧孔热电偶5(该侧孔热电偶是一对)和引燃剂喷管16，用于检测放置于所述燃料支撑台11上试样10附近温度和喷射引燃气体，另一个侧孔6中插装有一对侧孔热电偶中的另一个和电热丝点火器7，用于检测试样10附近温度和电热点火。所述底座8的底板上在同一圆周上均匀的设有4个底板通孔14，其中2个底板通孔14分别插装有底孔热电偶15(底孔热电偶是一对)，用于检测试样10附近的空气温度；另外2个底板通孔14中，一个用于外接气瓶和气泵，另一个用于外接后处理装置和气体成分检测装置。用于外接气瓶和气泵的底板通孔和用于外接后处理装置和气体成分检测装置的底板通孔中均设有外接管路，所述外接管路由针阀控制开闭。所述外接管路上设有流量计以控制通过外接管路的气体流量。所述外接管路上设有压力传感器以检测反应器内的压力。所述侧孔热电偶5、底孔热电偶15、电热丝点火器11和引燃剂喷管16的尾部均装有螺塞，螺塞套装有橡胶管，以确保装配侧孔热电偶5、底孔热电偶15、电热丝点火器11和引燃剂喷管16后整体不漏气。
所述观测装置包括设置在所述反应器外周的钢架，所述钢架包括设置在所述反应器外周的圆环形滑轨1和与所述反应器焊接的滑轨支撑架，所述滑轨支撑架包括多根连接直杆2、多根横梁及环形支架9，多根横梁呈放射状布置，多根横梁的一端与所述反应器焊接，多根横梁的另一端与所述环形支架9焊接，所述多根连接直杆2焊接在所述环形支架与所述圆环形滑轨1之间。所述圆环形滑轨1按照与所述反应器的内部空间同轴设置。所述圆环形滑轨1上设有滑块17，所述滑块17上固定有工作平台18，所述工作平台18上设有用于安装高速摄像机的装配组件。所述工作平台18上安装有高速摄像机，高速摄像机随工作平台18沿圆周自由转动，所述高速摄像机的镜头通过环形钢化玻璃4观测到试样10变化。所述观测装置根据所述重量传感器测得的燃料支撑台11上试样10的质量，并配合Canny边界探测方法测定试样体积和质量的变化，进而计算燃烧速率，可有效避免物理变化的影响。
本发明固体燃烧反应器可实现快速摄像机绕反应器360°观测火焰形态，拍摄多角度火焰照片。本发明中的观测装置基于固体燃烧过程非均相反应的实质，考虑到了试样不同位置可能存在不同的燃烧情况，形成不同的火焰形态，改单角度观测为多角度观测，提升了观测的代表性和可信度，丰富了火焰形态、火焰亮度的数据量；并针对采用Canny边界探测方法等借助于摄像机轮廓观察的方法来测定试样体积的变化，以此来计算燃烧速率的手段，本发明中的观测装置将单一角度的观测的二维化问题升级为三维问题，减少了系统误差，补充了数据量。同时，采用钢架、滑轨结构，技术成熟，易于实现电控，易于拆卸和维修。
本发明的观测装置中设有一个高度可调的燃料支撑台，用于控制试样的高度位置，实验过程中燃料支撑台的高度可以由外部电控，通过选取合适的观测高度和角度取得最佳的观测效果。
本发明的观测装置的支撑采用钢架结构，不会影响反应器的环形钢化玻璃和顶盖的拆卸，另外，底座与环形支架和横撑的焊接位置和环形支架和连接直杆的焊接位置最好不同，从而可以避免应力集中。横撑和连接直杆最好在圆周上均匀排布，以减少应力和加工难度。
本发明的反应器为封闭式并采用侧孔点火。一方面，有利于避免外部环境因素的影响，维持稳定的燃烧过程，减少对流影响。另一方面，可实现一侧通入易燃气体一侧电热点火，点火过程不用开放封闭环境，有利于减少对流，优化点火过程。
所述反应器的底座、环形钢化玻璃和顶盖三部分之间采用卡槽配合，易于拆卸维修和设备结构紧凑。
所述反应器的底座底板上开有四个沿圆周均匀排布的底板通孔，通过底板通孔可以分别安设惰性气体进气、排气和两个底面热电偶的安插。所设排气孔外接后处理装置和检测装置，可实现检测燃烧后的烟气成分；所述反应器的两个侧孔分别安设一对侧孔热电偶，与底孔热电偶配合检测燃烧温度，可实现燃烧温度的准确检测。
使用本发明进行固体燃料燃烧实验和燃烧火焰观测的过程如下：
首先，通过电控装置调高挺柱12，燃料支撑台11上移，打开钢制反应器盖3，从上部放入切割规则的试样10；盖上钢制反应器盖3并确保其和环形钢化玻璃4配合良好，并在两个反应器侧孔6内插入一对侧孔热电偶5、电热丝点火器7和引燃剂喷管16，在2个底板通孔14中插入一对底孔热电偶15，确保上述有关器件尾部柱塞封闭孔隙，引燃剂喷管16关闭；开启气瓶向反应器内通入空气，进排气稳定后，观测进排气底面孔14外接流量计的流量值，数值接近即证明容器不漏气，可以进行实验；如漏气，按实验室规章检漏；之后，通过电控装置调低挺柱12，让燃料支撑台11下移至与反应器侧孔6平齐，通过电控装置调整滑块17位置，确保高速摄像机可以通过环形钢化玻璃4观测到试样10；按照实验要求通过一个进气的底板通孔14向反应器的内部空间通入气体空气、氧气或惰性气体，进气稳定后，封闭排气管，打开引燃剂喷管16，喷入适量引燃剂之后立刻关闭，再通过电热丝点火器7点燃试样10；此后，立刻通过电控装置调整滑块17位置，并适当调整燃料支撑台11的高度，找到火焰观测的最佳位置，使滑块17和工作平台18带动高速摄像机在滑轨1上沿圆周转动，拍摄360°的火焰照片；燃烧基本完成后，终止实验进气，打开排气管，泵入高压惰性气体，将烟气泵入排气管，导入后处理装置或检测、分析装置；最后，终止向检测、分析装置中的进气，将尾气通入后处理装置，等待装置完全冷却，有害气体基本排空，打开钢制反应器盖3，收集燃烧灰渣。以上全过程的压力由进排气的底板通孔14监测，全过程试样的温度由底孔热电偶15和侧孔热电偶5监测。固体燃料燃烧各方位的火焰形态、火焰亮度由高速摄像机拍摄的照片分析，燃烧速率由基于拍摄照片的Canny边界探测方法结合连接于燃料支撑台11的重量传感器联合分析得到。
综上，本发明的观测视角可调的固体燃烧反应器主要通过在反应器中点燃固体燃料试样，借助电控装置和滑轨机构，配合燃料支撑平台调整火焰观测角度和高度，多角度拍摄火焰照片，得到有丰富数据支撑的火焰参数和多角度的火焰状态照片；同时泵出燃烧烟气加以监测分析，得到固体燃料燃烧烟气成分，并结合照片分析和重量传感器数据分析的方法得到燃烧速率，侧面和底面热电偶检测燃烧温度。最终得到固体燃料燃烧完整、可信的火焰形态、火焰亮度、燃烧速率、燃烧温度、烟气成分等数据。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种观测视角可调的固体燃烧反应器，包括反应器和观测装置；其特征在于，
所述反应器包括底座(8)和钢制反应器盖(3)，所述底座(8)与钢制反应器盖(3)之间设有环形钢化玻璃(4)，所述钢制反应器盖(3)的顶面为上隆的球面，所述底座(8)的内壁为圆柱内表面，所述钢制反应器盖(3)、环形钢化玻璃(4)和底座(8)围成的空间为反应器的内部空间；所述底座(8)的上部侧壁上设有2个同轴的侧孔(6)，所述底座(8)的底板设有中心螺纹孔(13)，所述中心螺纹孔(8)内装配有挺柱(12)，所述挺柱(12)的顶部焊接有燃料支撑台(11)，所述燃料支撑台(11)的高度低于所述侧孔(6)的位置，所述挺柱(12)的底端外接电控装置和重量传感器，所述电控装置控制所述挺柱(12)上下移动，从而调整燃料支撑台(11)的高度，所述重量传感器检测燃料支撑台(11)上试样(10)的质量；
一个侧孔(6)中插装有侧孔热电偶(5)和引燃剂喷管(16)，用于检测放置于所述燃料支撑台(11)上试样(10)附近温度和喷射引燃气体，另一个侧孔(6)中插装有另一个侧孔热电偶和电热丝点火器(7)，用于检测试样(10)附近温度和电热点火；
所述底座(8)的底板上在同一圆周上均匀的设有4个底板通孔(14)，其中2个底板通孔(14)分别插装有底孔热电偶(15)，用于检测试样(10)附近的空气温度；另外2个底板通孔(14)中，一个用于外接气瓶和气泵，另一个用于外接后处理装置和气体成分检测装置；
所述观测装置包括设置在所述反应器外周的钢架，所述钢架包括设置在所述反应器外周的圆环形滑轨(1)和与所述反应器焊接的滑轨支撑架，所述圆环形滑轨(1)上设有滑块(17)，所述滑块(17)上固定有工作平台(18)，所述工作平台(18)上设有用于安装高速摄像机的装配组件。
2.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述底座(8)的上端和钢制反应器盖(3)的下端均设有卡槽，所述环形钢化玻璃(4)卡在卡槽中，所述环形钢化玻璃(4)与卡槽之间设有密封垫。
3.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述滑轨支撑架包括多根连接直杆(2)、多根横梁及环形支架(9)，多根横梁呈放射状布置，多根横梁的一端与所述反应器焊接，多根横梁的另一端与所述环形支架(9)焊接，所述多根连接直杆(2)焊接在所述环形支架与所述圆环形滑轨(1)之间。
4.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述圆环形滑轨(1)按照与所述反应器的内部空间同轴设置。
5.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述侧孔热电偶(5)、底孔热电偶(15)、电热丝点火器(11)和引燃剂喷管(16)的尾部均装有螺塞，螺塞套装有橡胶管，以确保装配侧孔热电偶(5)、底孔热电偶(15)、电热丝点火器(11)和引燃剂喷管(16)后整体不漏气。
6.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，根据所述重量传感器测得的燃料支撑台(11)上试样(10)的质量，并配合Canny边界探测方法测定试样体积和质量的变化，进而计算燃烧速率。
7.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，用于外接气瓶和气泵的底板通孔和用于外接后处理装置和气体成分检测装置的底板通孔中均设有外接管路，所述外接管路由针阀控制开闭。
8.根据权利要求7所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述外接管路上设有流量计以控制通过外接管路的气体流量。
9.根据权利要求7所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述外接管路上设有压力传感器以检测反应器内的压力。
10.根据权利要求1所述的观测视角可调的固体燃烧反应器，其特征在于，所述工作平台(18)上安装有高速摄像机，高速摄像机随工作平台(18)沿圆周自由转动，所述高速摄像机的镜头通过环形钢化玻璃(4)观测到试样(10)变化。
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