CN111323343B - 一种粉末燃烧实验平台 - Google Patents

Abstract

发明提出一种粉末燃烧实验平台，主要包括燃气输送系统、水冷循环系统、氮气系统、试验台、以及平焰燃烧器，燃气输送系统包括空气系统、甲烷系统以及混合燃气管路。利用本发明的粉末燃烧实验平台，能够更好的观察粉末燃烧的性能。

Description

一种粉末燃烧实验平台

技术领域

本发明属于航空航天燃烧测试技术领域，具体涉及一种粉末燃烧实验平台。

背景技术

粉末燃料冲压发动机是一种以高能非金属粉末或金属粉末为燃料、以冲压空气作为氧化剂和工质的新型冲压发动机。由于采用高能量密度的金属粉末燃料，该发动机具有比冲高、安全性好、成本低及推力可调等优点。

美国NASA、法国ONERA都先后对该种发动机的相关技术开展了研究，主要包括：粉末燃料燃烧理论与实验；粉末燃料流化供应系统设计与实验；发动机理论性能计算分析及实验等。

硼颗粒具有高质量、高体积热值的特点，是理想的粉末燃料冲压发动机推进剂燃料添加剂。然而硼的高熔点、高沸点以及表面覆盖氧化层，使得硼颗粒的点火燃烧不同于轻金属的气相燃烧。目前研究猜测：硼颗粒的燃烧过程包括两个阶段，第一阶段为氧化层包覆下的燃烧阶段，此阶段主要为颗粒氧化层的消耗与颗粒的增温，当氧化层被完全消耗时，第一阶段结束，这一阶段又称为点火过程；第二阶段则是“洁净”硼颗粒燃烧，即颗粒表面无氧化层包覆条件下的燃烧，在这一阶段，硼颗粒与环境中的氧化性气体直接反应，直到硼颗粒燃尽，这一阶段又称为燃烧过程。这两个过程需要在可观察、可调控、可观测的条件下进行燃烧实验。

纳米铝金属颗粒的潜在优势除了高能量密度、高燃烧温度外，还具有高燃烧速率，而且由于纳米颗粒具有非均相燃烧的特性，通过结构设计来控制燃烧特性比气体和液体燃料更容易实现。现阶段燃烧研究的一大发展趋势是从被动利用向主动控制转变。事实上关于纳米含能材料的研究，早在2004年美国就提出了国防部多学科大学研究创新计划，从纳米含能材料的合成、燃烧反应理论模拟及建模分析、实验测量和表征三大方面进行探究。2012年又启动了功能型纳米含能材料的研究项目，希望能从纳米尺度进行结构设计，实现可控的燃烧特性，为实际应用提供多样的燃料选择。不过现在针对纳米尺度金属燃料的研究还处于初级探索阶段，许多基础问题，比如纳米铝颗粒着火的控制机制、燃烧机理、燃烧动力学模型及参数等都还远未达成共识，需要进一步深入研究。进一步的研究通过平焰燃烧器的可视化实现燃烧可控、可观察、可操作、可测量等，进而研究纳米铝粉末燃烧特性。

研究金属颗粒的燃烧器有很多，由于平焰燃烧器是利用燃气燃烧产生的后火焰瞬间加热颗粒到火焰温度，为粉末颗粒点火燃烧提供了所需要的高温/富氧条件，并且具有开放可视的高温区，易进行光学诊断以及添加各种条件进行实验，如环境压强、颗粒直径、气相氧化剂浓度以及环境温度，是研究作用于粉末颗粒的最理想的实验装置。因此，设计一款搭载平焰燃烧器的具有多功能的粉末燃烧实验平台具有迫切的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种粉末燃烧实验平台，以解决如何更好的观察粉末燃烧性能的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种粉末燃烧实验平台，该实验平台包括燃气输送系统、水冷循环系统、氮气系统、试验台、以及平焰燃烧器；其中，

燃气输送系统包括空气系统、甲烷系统以及混合燃气管路；其中，空气系统包括空气气瓶和空气输送管路，空气输送管路上设置有空气用质量流量控制器和单向阀；甲烷系统包括甲烷气瓶和甲烷输送管路，甲烷输送管路上设置有回火防止器和甲烷用质量流量控制器；空气输送管路和甲烷输送管路通过卡套三通进入混合燃气管路；

水冷循环系统包括水冷循环管路、水瓶、以及设于水瓶内的驱动装置；其中，水冷循环管路与驱动装置相连接，在驱动装置的作用下，水经过水冷循环管路，对平焰燃烧器的上部进行冷却，冷却以后水再经过水冷循环管路返回至水瓶内，如此形成循环；

氮气系统包括氮气瓶和氮气总路，氮气总路经过卡套三通分为氮气输送管路和氮气保护管路，在氮气输送管路上设置有氮气用质量流量控制器和雾化器，通过氮气将雾化器内的粉末燃料吹送至平焰燃烧器的平焰燃烧处；

平焰燃烧器设于试验台上，水冷循环管路、混合燃气管路、氮气输送管路以及氮气保护管路的一部分插入平焰燃烧器内。

进一步地，平焰燃烧器内设置有混合室以及环形的保护气腔，平焰燃烧器上部设置有多孔介质层；保护气腔与氮气保护管路相联通；混合燃气管路与混合室相联通；氮气输送管路贯穿混合室并延伸至多孔介质层上表面；水冷循环管路贯穿混合室并经过多孔介质层内部。

进一步地，试验台包括实验桌和设于实验桌上的支架，实验桌和支架均设置有孔，以使水冷循环管路、混合燃气管路、氮气输送管路以及氮气保护管路穿过。

进一步地，水冷循环系统在多孔介质层形成水冷壁面。

进一步地，水冷循环管路在多孔介质层内部设置为螺旋布置。

进一步地，空气输送管路上设置有空气减压阀和卡套气源球阀；甲烷输送管路上设置有甲烷减压阀和卡套气源球阀；氮气总路上设置有氮气减压阀，氮气输送管路和氮气保护管路上均置有卡套气源球阀。

进一步地，多孔介质层上表面中心位置处形成平焰燃烧处，用于粉末燃烧。

进一步地，雾化器用以盛装粉末燃料，或粉末燃料与酒精充分混合的两相物质。

进一步地，驱动装置采用水泵。

进一步地，管路的直角转弯处设置有直角卡套弯头。

(三)有益效果

本发明提出一种粉末燃烧实验平台，主要包括燃气输送系统、水冷循环系统、氮气系统、试验台、以及平焰燃烧器，燃气输送系统包括空气系统、甲烷系统以及混合燃气管路。利用本发明的粉末燃烧实验平台，能够更好的观察粉末燃烧的性能。

本发明的有益效果具体包括：

1、本发明的实验平台能够更好的观察粉末燃烧的性能。

2、本发明的实验平台搭载平焰燃烧器，具有多功能、具体压力可调、流量可调等特点；采用减压阀、质量流量控制器用以调节甲烷、空气、氮气等的压力和流量。

3、本发明中氮气分两路，一路为氮气输送管路，设置氮气用质量流量控制器，该路主要是为了将雾化器内的粉末燃料吹送至平焰燃烧处进行燃烧，氮气用质量流量控制器可以通过控制流量，用以调节吹送的速度，可以用于研究粉末喷出的速度对粉末颗粒燃烧的效果。另一路为氮气保护管路，该路的氮气作为保护气，在环形的保护气腔内形成保护气体，让平焰燃烧器壁面保持充满氮气，保护壁面，使其不因热传导被烧毁。

4、本发明中甲烷和空气先是分为两路，而后汇集到一路，混合后的气体进入混合燃气管路，然后至混合室进行充分混合，燃烧经多孔介质层，至平焰燃烧处，经点燃燃烧，然后在该甲烷和空气燃烧的火焰作用下，粉末也进行燃烧，从而观察粉末燃烧的性能。

5、本发明中甲烷输送管路设置回火防止器和甲烷用质量流量控制器，回火防止器用以防止甲烷因为回流而爆炸，甲烷用质量流量控制器可以避免影响甲烷的精度。

6、本发明中空气输送管路设置单向阀，防止空气回流，避免影响精度。

附图说明

图1为本发明实施例粉末燃烧实验平台立体结构示意图；

图2为本发明实施例粉末燃烧实验平台第二种视角立体结构示意图；

图3为图2中A处局部放大示意图；

图4为本发明实施例粉末燃烧实验平台剖视结构示意图；

图5为本发明实施例中平焰燃烧器中心位置处剖视结构示意图；

图6为本发明实施例中平焰燃烧器在水冷循环管路位置处剖视结构示意图；

图7为本发明实施例粉末燃烧实验平台侧视结构示意图；

图8为图7中B处局部放大示意图。

图中，1-空气系统；10-空气气瓶；11-空气减压阀；12-空气输送管路；15-空气用质量流量控制器；16-单向阀；

2-甲烷系统；20-甲烷气瓶；21-甲烷减压阀；22-回火防止器；23-甲烷用质量流量控制器；24-甲烷输送管路；

3-混合燃气管路；

4-水冷循环系统；40-水冷循环管路；41-驱动装置；42-水瓶；

5-氮气系统；50-氮气瓶；51-氮气减压阀；52-氮气总路；520-氮气输送管路；521-氮气保护管路；53-氮气用质量流量控制器；54-雾化器；

7-试验台；70-实验桌；71-支架；

8-平焰燃烧器；80-保护气腔；81-混合室；82-多孔介质层；820-水冷壁面；83-平焰燃烧处；

9-卡套三通；13-直角卡套弯头；14-卡套气源球阀；17-控制面板。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种粉末燃烧实验平台，其结构如图1～8所示，包括燃气输送系统、氮气系统5、水冷循环系统4、试验台7，以及平焰燃烧器8。

燃气输送系统包括空气系统1、甲烷系统2以及混合燃气管路3。其中，空气系统1包括空气气瓶10和空气输送管路12，空气输送管路12上设置有空气用质量流量控制器15、单向阀16、空气减压阀11和卡套气源球阀14。空气气瓶10用以盛装空气，与空气输送管路12首端相连，空气从空气气瓶10出发，沿空气输送管路12，依次经过空气减压阀11、卡套气源球阀14、空气用质量流量控制器15、单向阀16，然后经过卡套三通9，与甲烷汇合，进入到混合燃气管路3。

空气减压阀11用以调节空气的压力，空气用质量流量控制器15用以调节空气的流量，单向阀16用以防止空气回流，避免气体回流影响空气用质量流量控制器15的精度。

甲烷系统2包括甲烷气瓶20和甲烷输送管路24，甲烷气瓶20用以盛装甲烷，与甲烷输送管路24首端相连。甲烷输送管路24上设置有回火防止器22、甲烷用质量流量控制器23、甲烷减压阀21和卡套气源球阀14。甲烷从甲烷气瓶20出发，沿甲烷输送管路24，依次经过甲烷减压阀21、回火防止器22、甲烷用质量流量控制器23，然后经过卡套三通9，与空气汇合，进入到混合燃气管路3。

甲烷减压阀21用以调节甲烷的压力，回火防止器22用以防止甲烷回流引起爆炸，同时也避免气体回流影响精度，甲烷用质量流量控制器23用以控制甲烷的流量。

水冷循环系统4包括水冷循环管路40、用于盛水的水瓶42、以及设于水瓶42内的驱动装置41。驱动装置41采用水泵。水冷循环管路40与水泵41相连接，在水泵41的作用下，水经过水冷循环管路40，对平焰燃烧器8的上部进行冷却。冷却以后，水再经过水冷循环管路40，返回至水瓶42内。如此形成循环。

氮气系统5包括氮气瓶50和氮气总路52，氮气总路52经过卡套三通9分为氮气输送管路520和氮气保护管路521，在氮气输送管路520上设置有氮气用质量流量控制器53和雾化器54。氮气总路52上设置有氮气减压阀51，氮气输送管路520和氮气保护管路521上均置有卡套气源球阀14。氮气从氮气瓶50出发，依次经过氮气减压阀51、氮气总路52，然后经过卡套三通9，分为氮气输送管路520和氮气保护管路521，在氮气输送管路520上依次经过卡套气源球阀14、氮气用质量流量控制器53、雾化器54，将雾化器54内的粉末燃料吹送至平焰燃烧器8的平焰燃烧处83，即多孔介质层82的上表面中心位置，从而在平焰燃烧处83燃烧，观察燃烧性能。

氮气用质量流量控制器53用以调节氮气输送管路520上氮气的流量。雾化器54用以盛装粉末燃料，还可以采用将粉末燃料(硼、铝颗粒等)与酒精充分混合，放在超声波震荡机里震荡大约三小时取上层悬浊液即粉末与酒精充分混合的两相物质，将其放在雾化器54中，酒精的混合有助于粉末在输运过程中的流动，酒精不会防止试验过程中粉末的燃烧过程。在氮气输送管路520，氮气作为流化气为粉末提供运输力管路。

平焰燃烧器8设于试验台7上，并且水冷循环管路40、混合燃气管路3、氮气输送管路520以及氮气保护管路521的一部分插入平焰燃烧器8内。

焰燃烧器8内设置有混合室81以及环形的保护气腔80，平焰燃烧器8上部设置有多孔介质层82；氮气输送管路520贯穿混合室81并延伸至多孔介质层82上表面。保护气腔80与氮气保护管路521相联通；在氮气保护管路521上，氮气经过卡套气源球阀14，然后经氮气保护管路521，最后至保护气腔80内，形成保护气，让平焰燃烧器8壁面充满氮气，保护壁面，防止其因热传导被烧坏。混合燃气管路3与混合室81相联通。

空气输送管路12和甲烷输送管路24通过卡套三通9进入混合燃气管路3。多孔介质层82上表面中心位置处称为平焰燃烧处83，即粉末燃烧位置。空气与甲烷经过卡套三通9汇合以后，进入混合燃气管路3，然后经过混合燃气管路3至混合室81，在混合室81内进行充分混合，然后经过多孔介质层82，至平焰燃烧处83，然后点燃，从而甲烷和空气中氧气反应进行燃烧，形成火焰。

本实施例中，首先通过甲烷和空气燃烧形成火焰，然后粉末燃料在氮气的吹送下，吹至平焰燃烧处83，粉末燃料在甲烷和空气燃烧的火焰作用下进行燃烧，从而观察粉末燃烧的性能。

水冷循环管路40贯穿混合室81并经过多孔介质层82内部。水冷循环系统4用以在多孔介质层82形成水冷壁面820。水冷循环管路40在多孔介质层82内部设置为螺旋布置。在水泵41的作用下，水经过水冷循环管路40，然后在多孔介质层82内部进行冷却，从而在多孔介质层82壁面形成螺旋式水冷壁面820。这种螺旋式水冷壁面可以减少甲烷燃烧时产生的高温对平焰燃烧器8上壁面(多孔介质层82)的影响，防止烧蚀，从而可以多次使用。水冷以后，经过热交换的水再经过水冷循环管路40，返回至水瓶42。

试验台7包括实验桌70和设于实验桌70上的支架71，实验桌70和支架71均设置有孔，以使水冷循环管路40、混合燃气管路3、氮气输送管路520以及氮气保护管路521穿过。

本实施例中的管道均采用不锈钢管，管路直角转弯处设置有直角卡套弯头13。

在本实施例中，三个气瓶(氮气瓶50、空气气瓶10、甲烷气瓶20)位于实验桌70的同一侧，并与实验桌70间隔设置；实验桌70与三个气瓶相背的另一侧设置有控制面板17，控制面板17布置有各路管道和控制按钮。本实施例中的电器件采用电性连接的方式，进行控制，为本领域技术人员公知技术，在此不再赘述。

本实施例粉末燃烧实验平台的具体工作原理为：

在进行粉末燃烧实验之前，先对所有的管路进行密闭性检查，操作为：以空气输送管路12为例，用氮气分别接入空气输送管路12(因为氮气为安全气体价格也较为便宜)，将空气输送管路12终端用卡套堵头进行封闭，将检漏液滴在各连接部位观察有无气泡产生。甲烷输送管路24、氮气保护管路521、氮气输送管路520等都采用这种方式。

密闭性检查完成后首先进行水冷循环管路40的工作，水循环的工作原理主要是通过水泵41将冷水通过管路泵入平焰燃烧器8平焰周围壁面的管路里，该管路通过螺旋状排列在平焰燃烧器8上壁面(多孔介质层82)内部，这种螺旋式水冷壁面可以减少甲烷燃烧时产生的高温对平焰燃烧器上壁面的影响，防止烧蚀，可以多次使用。当然，排布方式并不局限于螺旋排布，其他的排布方式也适用。

接下来进行保护气的通入，保护气由氮气保护管路521进行供给，该操作的目的主要是保护平焰燃烧器8周围壁面，避免因为甲烷与空气燃烧产生的高温热传导对平焰燃烧器8周围壁面的影响。

最后进行空气和甲烷的通入，空气路、甲烷路的开通顺序为先打开空气输送管路12，由于甲烷属于易燃易爆燃气，先通入空气能够极大提高实验的安全性。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述实验平台包括燃气输送系统、水冷循环系统(4)、氮气系统(5)、试验台(7)、以及平焰燃烧器(8)；其中，

所述燃气输送系统包括空气系统(1)、甲烷系统(2)以及混合燃气管路(3)；其中，所述空气系统(1)包括空气气瓶(10)和空气输送管路(12)，所述空气输送管路(12)上设置有空气用质量流量控制器(15)和单向阀(16)；所述甲烷系统(2)包括甲烷气瓶(20)和甲烷输送管路(24)，所述甲烷输送管路(24)上设置有回火防止器(22)和甲烷用质量流量控制器(23)；所述空气输送管路(12)和甲烷输送管路(24)通过卡套三通(9)进入混合燃气管路(3)；

所述水冷循环系统(4)包括水冷循环管路(40)、水瓶(42)、以及设于水瓶(42)内的驱动装置(41)；其中，所述水冷循环管路(40)与驱动装置(41)相连接，在驱动装置(41)的作用下，水经过水冷循环管路(40)，对平焰燃烧器(8)的上部进行冷却，冷却以后水再经过水冷循环管路(40)返回至水瓶(42)内，如此形成循环；

所述氮气系统(5)包括氮气瓶(50)和氮气总路(52)，所述氮气总路(52)经过卡套三通(9)分为氮气输送管路(520)和氮气保护管路(521)，在所述氮气输送管路(520)上设置有氮气用质量流量控制器(53)和雾化器(54)，通过氮气将雾化器(54)内的粉末燃料吹送至平焰燃烧器(8)的平焰燃烧处；

所述平焰燃烧器(8)设于所述试验台(7)上，所述水冷循环管路(40)、混合燃气管路(3)、氮气输送管路(520)以及氮气保护管路(521)的一部分插入所述平焰燃烧器(8)内；其中，所述平焰燃烧器(8)内设置有混合室(81)以及环形的保护气腔(80)，所述平焰燃烧器(8)上部设置有多孔介质层(82)；所述保护气腔(80)与氮气保护管路(521)相联通；所述混合燃气管路(3)与混合室(81)相联通；所述氮气输送管路(520)贯穿混合室(81)并延伸至多孔介质层(82)上表面；所述水冷循环管路(40)贯穿混合室(81)并经过多孔介质层(82)内部。

2.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述试验台(7)包括实验桌(70)和设于所述实验桌(70)上的支架(71)，所述实验桌(70)和支架(71)均设置有孔，以使水冷循环管路(40)、混合燃气管路(3)、氮气输送管路(520)以及氮气保护管路(521)穿过。

3.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述水冷循环系统(4)在多孔介质层(82)形成水冷壁面(820)。

4.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述水冷循环管路(40)在多孔介质层(82)内部设置为螺旋布置。

5.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述空气输送管路(12)上设置有空气减压阀(11)和卡套气源球阀(14)；所述甲烷输送管路(24)上设置有甲烷减压阀(21)和卡套气源球阀(14)；所述氮气总路(52)上设置有氮气减压阀(51)，所述氮气输送管路(520)和氮气保护管路(521)上均置有卡套气源球阀(14)。

6.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述多孔介质层(82)上表面中心位置处形成平焰燃烧处(83)，用于粉末燃烧。

7.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述雾化器用以盛装粉末燃料，或粉末燃料与酒精充分混合的两相物质。

8.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述驱动装置(41)采用水泵。

9.如权利要求1所述的粉末燃烧实验平台，其特征在于，所述管路的直角转弯处设置有直角卡套弯头(13)。

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