CN111521720A - 一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置，包括混合腔，混合腔的进口端分别连接有高压液相进样泵和气瓶，混合腔出口端连接电阻炉进口端，电阻炉的出口端连接除水器；除水器再分别连接有气相色谱仪和排放测试仪，气相色谱仪和排放测试仪都连接到电脑；设置有压力稳定器，压力稳定器通过控制电阻炉的进气流量和排气流量调控压力；电阻炉和混合腔外部包裹有加热套；电阻炉的炉管外壁为不锈钢管，炉管内为一根石英管，石英管的外径与不锈钢管的内径相同。本发明装置便于在常压乃至高压条件下对燃料反应过程的中间组分进行测量，可靠性高，实时性好，能够满足实验所需精度。

Description

一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置

技术领域

本发明涉及燃料的燃烧特性测试领域，具体为一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置。

背景技术

随着能源危机以及人类的环保意识不断提高，尤其是对于内燃机污染排放（NOx、温室气体CO2等）的管控越来越严格，随着国Ⅵ的提出，各个部门加强了对于内燃机效率的提高和污染排放降低等方面的研究。其中，提高传统化石能源和新型可再生能源的燃烧效率和降低污染物的排放一直以来受到广泛关注。从小分子碳氢化合物CH4（天然气的主要成分）到大分子碳烃燃料（如汽油，柴油等）在燃烧领域得到了充分的研究。BP能源2019年鉴中指出，在未来的20年里，全球对于石油和天然气这两种传统化石能源的需求依旧逐年递增。生物质等新型可再生能源的占比也是逐步提升。燃烧仍将是未来一段时间内为社会提供能源的最重要的手段之一，对于交通运输行业来说也是如此，所以对能源的燃烧特性的研究至关重要。通过对燃料的反应动力学进行研究，可以进而开发出一系列反应动力学模型，这些模型可以通过数值模拟来预测不同燃料在不同工况下的燃烧特性，进而对发动机燃烧技术的改进以及开发新的低碳燃料等方面提供指导以降低实验成本。

为了开发对应燃料的动力学模型，至今为止人们已经发明出了许多不同种类的实验装置。例如定容燃烧弹、快速压缩机、激波管、射流搅拌反应器、流动反应器等等。这些装置各自有着自己的长处，也有着不足。对于已开发的反应动力学模型，为了拓展其适用范围，需要使用大量的实验数据对模型本身进行修正，这就要求数据点不仅要丰富，还要覆盖更大的工况范围。现存的实验设备如快速压缩机和激波管等能够实现测量变压力下的燃料着火延迟时间等数据，而当需要测量燃料在反应过程中的中间组分及其浓度时，可用的实验台架则较为稀少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置，便于在常压乃至高压条件下对燃料反应过程的中间组分进行测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置，包括高压液相进样泵、混合腔、电阻炉、除水器、气相色谱仪、排放测试仪、电脑、压力稳定器、质量流量计和气瓶；

所述混合腔的进口端分别连接有高压液相进样泵和气瓶，所述混合腔出口端连接电阻炉进口端，所述电阻炉的出口端连接除水器；所述除水器再分别连接有气相色谱仪和排放测试仪，所述气相色谱仪和排放测试仪都连接到电脑；

设置有压力稳定器，所述压力稳定器通过控制电阻炉的进气流量和排气流量调控压力；所述电阻炉和混合腔外部包裹有加热套；所述电阻炉的炉管外壁为不锈钢管，炉管内为一根石英管，石英管的外径与不锈钢管的内径相同。

进一步地，在所述气瓶与混合腔之间还连接有质量流量计。

进一步地，所述压力稳定器具有排气质量流量计、进气质量流量计、控制电路板和压力传感器；进气质量流量计、排气质量流量计均采用能耐高压的质量流量计；在工作时，流经进气质量流量计的气体流量根据实验需求人为设定，气流经进气质量流量计的出口进入炉管内，此时插入炉管内的压力传感器便可以实时监测炉管内压力并反馈给控制电路板，控制电路板根据实验所需压力设定值，结合压力传感器的反馈信号，对排气质量流量计的排气流量进行动态调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）通过高压进样装置、压力稳定装置以及耐高压反应装置和检测装置的结合，实现了常规台架所无法实现的在极端工况下进行燃料氧化分解特性研究。本发明可以在压力范围1-100bar，温度不超过1300K的范围内对燃料进行研究。

2）对于其他能够在高压下研究燃料氧化分解特性的装置而言，本发明在高压炉管反应段的设计更加简洁，通过使用内径与石英管外径相符的不锈钢管来避免压力不均衡导致的石英管炸裂，省去了复杂的石英管气压平衡装置，因此系统整体的可靠性有着明显提高，同时还能够满足实验所需精度。

3）通过在检测系统内额外加装加州排放仪，能够实时地监控排气中的某些组分浓度，进而提高了检测的实时性，避免了在高压工况下仅凭经验判断稳定时间导致的不确定性以及频繁使用气相色谱仪检测产物来判断平衡所导致的时间浪费。对于不同工况和不同燃料，本发明在判断反应平衡时间的实时性上有着更明显的优势。

附图说明

图1是本发明一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置整体结构示意图。

图2是本发明装置中高压液相进样泵结构示意图。

图3是本发明中高压液相进样泵内部图。

图4是本发明装置中压力稳定器结构示意图。

图中：高压液相进样泵1；混合腔2；电阻炉3；除水器4；气相色谱仪5；排放测试仪6；电脑7；压力稳定器8；质量流量计9；气瓶10；泵头11；管路过滤器12；蠕动泵3；进口单向阀14；旁路阀旋钮15；旁路放空阀16；步进电机17；主凸轮18；副凸轮19；副柱塞泵20；出口单向阀21；主柱塞泵22；进口单向阀23；排气质量流量计24；进气质量流量计25；控制电路板26；压力传感器27。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明装置包括三个系统，分别是进样系统、反应系统和检测系统，进样系统包括部件高压液相进样泵1、混合腔2、质量流量计9、气瓶10；反应系统包括部件电阻炉3、除水器4、压力稳定器8；检测系统包括部件气相色谱仪5、排放测试仪6、电脑7。所述混合腔2的进口端分别连接有高压液相进样泵1和气瓶10，所述混合腔2出口端连接电阻炉3进口端，所述电阻炉3的出口端连接除水器4；所述除水器4再分别连接有气相色谱仪5和排放测试仪6，所述气相色谱仪5和排放测试仪6都连接到电脑7；设置有压力稳定器8，所述压力稳定器8通过控制电阻炉3的进气流量和排气流量调控压力；所述电阻炉3和混合腔2外部包裹有加热套；所述电阻炉3的炉管外壁为不锈钢管，炉管内为一根石英管，石英管的外径与不锈钢管的内径相同。

在实验开始前，电阻炉3以及混合腔2外包裹的加热套会进行预热，同时，气瓶10提供一股气流为电阻炉3内的炉管提供压力，炉管内的压力靠压力稳定器8来调节和维持，压力稳定器8主要通过控制进、排气流量来实现对压力的调控。待测液体燃料会通过高压液相进样泵1来泵入混合腔2中，同时质量流量计9能够定量地将气瓶10中的气体通入混合腔2，液态燃料在混合腔2中受热气化并与来自气瓶10的气体发生混合，混合均匀的气体会进入电阻炉3的炉管内被进一步加热进而发生化学反应。电阻炉3的炉管外壁是不锈钢管，可以承受内部的气体压力，炉管内是一根石英管，混合气在石英管内流动并发生化学反应，这样便避免了不锈钢管对混合气的反应造成潜在影响。石英管的外径与不锈钢管的内径相同，这样便可以避免石英管在高压下发生炸裂。反应后的气体首先会通过除水器4除去反应过程中生成的水，这样可以避免冷凝水对检测装置以及压力稳定器造成影响，除水后的反应物被通入气相色谱仪5和排放测试仪6中。其中排放测试仪6能够实时检测排气中的氧气、一氧化碳和二氧化碳浓度，这些反应物浓度可以当作炉管末端排气达到稳态的判据，在反应达到稳态后，可以通过气相色谱仪5来对排气中的组分及相应组分浓度进行测量，测量结果会反馈在电脑7中。通过上述三个系统的串联使用，便可以得到切实有效可行的在极端条件下研究物质氧化分解特性的技术方式。

对于能够在高压下进行燃料氧化分解特性研究的系统来说，该装置内各部件都需要经过定制以使其能够满足在高压下仍能正常运转的需求，这与常规实验台相比存在着更高的要求和难度。

对于现存的常规实验台架，其进样装置通常由微量注射泵（由泵体和注射器组成）、气瓶和普通的无耐压要求的质量流量计组成。对于本装置的进样系统来说，为了能够在高背压条件下依旧能够向反应炉内稳定且均匀地注入燃料，需要使用比常规台架更加复杂的进样泵和能耐高压的质量流量计。本装置所使用的高压液相进样泵1结构如图2、图3所示。该高压液相进样泵1为了满足高压进样需求，采用了主柱塞泵22和副柱塞泵20的设计，主柱塞泵22和副柱塞泵20由同一个步进电机17驱动，且两个柱塞泵的柱塞运动相位相反。当主泵的柱塞头向后运动时，柱塞腔内形成真空，进而可以将液态燃料先吸入主柱塞泵22腔体内，同时进口单向阀23的设计能够使吸入柱塞泵的燃料不会在高压下回流至燃料瓶中。之后，主泵的柱塞头向前运动，此时副泵的柱塞头向后运动，主泵柱塞腔内的燃料便被吸入副泵的柱塞腔内，由此循环往复，燃料便通过主泵到达副泵，进而在最后通过被泵入高压混合腔内。

为了能够提供背压并实时调节炉管内压力使其保持恒定，与常规台架相比，本发明额外加装了一个压力稳定器8，压力稳定器8内部核心部件如图4所示，包括排气质量流量计24、进气质量流量计25、控制电路板26和压力传感器27。其中，进气质量流量计25和排气质量流量计24均采用能耐高压的质量流量计，在本发明中二者均能耐受100bar气压。在工作时，流经进气质量流量计25的气体流量可以根据实验需求人为设定，气流经进气质量流量计25的出口进入炉管内，此时插入炉管内的压力传感器27便可以实时监测炉管内压力并反馈给控制电路板26，控制电路板26根据实验所需压力设定值，结合压力传感器27的反馈信号，对排气流量计24的排气流量进行自动的动态调节，并最终能实现炉管内压力基本恒定不变。

Claims (3)

1.一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置，其特征在于，包括高压液相进样泵（1）、混合腔（2）、电阻炉（3）、除水器（4）、气相色谱仪（5）、排放测试仪（6）、电脑（7）、压力稳定器（8）、质量流量计（9）和气瓶（10）；

所述混合腔（2）的进口端分别连接有高压液相进样泵（1）和气瓶（10），所述混合腔（2）出口端连接电阻炉（3）进口端，所述电阻炉（3）的出口端连接除水器（4）；所述除水器（4）再分别连接有气相色谱仪（5）和排放测试仪（6），所述气相色谱仪（5）和排放测试仪（6）都连接到电脑（7）；

设置有压力稳定器（8），所述压力稳定器（8）通过控制电阻炉（3）的进气流量和排气流量调控压力；所述电阻炉（3）和混合腔（2）外部包裹有加热套；所述电阻炉（3）的炉管外壁为不锈钢管，炉管内为一根石英管，石英管的外径与不锈钢管的内径相同。

2.根据权利要求1所述的一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置，其特征在于，在所述气瓶（10）与混合腔（2）之间还连接有质量流量计（9）。

3.根据权利要求1所述的一种在极端条件下燃料氧化分解特性的测试装置，其特征在于，所述压力稳定器（8）具有排气质量流量计（24）、进气质量流量计（25）、控制电路板（26）和压力传感器（27）；进气质量流量计（25）、排气质量流量计（24）均采用能耐高压的质量流量计；在工作时，流经进气质量流量计（25）的气体流量根据实验需求人为设定，气流经进气质量流量计（25）的出口进入炉管内，此时插入炉管内的压力传感器（27）便可以实时监测炉管内压力并反馈给控制电路板（26），控制电路板（26）根据实验所需压力设定值，结合压力传感器（27）的反馈信号，对排气质量流量计（24）的排气流量进行动态调节。

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