CN112082824A - 一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法 - Google Patents

一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法，属于碳烟采集领域。本发明的采集系统包括高压腔及内部的层流燃烧器和采集机构，层流燃烧器下方设置有升降机构，采集机构包括位于层流燃烧器顶部上方的旋转盘，旋转盘下方设置有动力组件，旋转盘上间隔设置有多组采样臂，采样臂的采样端放置有采样铜网。本发明的采集系统，所占空间位置相对集中，可以更好地应用于有限空间的高压腔内燃烧火焰的碳烟采集；本发明的采集方法，利用该采集系统，可以对火焰上任意一点进行碳烟采集，达到全面性研究的目的，且能够一次性采集多个，极大地减少高压腔开合的次数，节约了时间，提高了效率，减小了误差。

Description

一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法
技术领域
本发明涉及碳烟采集技术领域，更具体地说，涉及一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法。
背景技术
随着经济的飞速发展和人们生活水平的日益提高，汽车成为家家户户出行必不可少的交通工具，汽车的尾气排放是产生碳烟的主要来源之一。碳烟颗粒是在燃料受热分解和不完全燃烧的条件下生成的，其是大气中总悬浮物的主要来源，而总悬浮颗粒物则是导致雾霾产生的元凶。
碳烟颗粒不仅污染环境，也会危害人类健康。碳烟颗粒会侵入人体的呼吸系统进而对肺部造成损伤。有相关数据表明，长期处于碳烟颗粒污染区域的人，患肺癌的几率会明显升高。碳烟颗粒也有有益的作用。它可以作为汽车轮胎的添加剂，可以有效提高轮胎的耐磨性。综上所述，碳烟颗粒有其有害的一面，也有其有益的一面，因此，研究碳烟的生成具有重要的意义，然而，碳烟的采集技术又是研究的前提与难点。
目前，虽然有部分装置可以对层流火焰中碳烟进行采样，但是，大部分装置采集的碳烟只能分析其形貌和火焰不同位置碳烟的特性。尽管有很少部分装置采集的碳烟可以观测碳烟颗粒的初始形成过程，但是，它们采集效率低，且操作要求高。
如授权公告号CN106442854B公开了一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及其检测方法，该申请案通过安装在采样机构中的SIC纤维对火焰中的碳烟进行采样。该方案的优点是可以采集不同高度和不同角度的碳烟颗粒，但是所采集的碳烟只能观测到碳烟的形貌，不能实现对碳烟的生成机理进行研究。
再如申请公布号CN108760589A公开了一种碳烟燃料层流火焰中碳烟采集系统及其粒径分析方法，该申请案通过热泳探针前端的自锁镊子夹持铜网，快速地进出火焰，完成对火焰中碳烟的采集。该方案采用传统的气缸控制采集装置，创新点在于在进行碳烟采集时可将时间精准控制在毫秒级，从而实现在碳烟形成过程中进行碳烟收集，为生长机理的研究提供基础。但是，该申请案中热泳探针每次只能夹持一枚铜网，进行一次采样后，更换铜网步骤复杂且耗时较长；其次，该系统只能对火焰中心位置进行碳烟采集。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中碳烟采集效率低、采集难以全面的不足，拟提供一种层流火焰中碳烟高效采集系统及其采集方法，本发明的采集系统，所占空间位置相对集中，相对表面积较小，可以更好地应用于有限空间的高压腔内燃烧火焰的碳烟采集；本发明的采集方法，利用该采集系统，可以对火焰上任意一点进行碳烟采集，达到全面性研究的目的，且能够一次性采集多个，极大地减少高压腔开合的次数，节约了时间，提高了效率，较小了误差。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，包括高压腔，以及设置在高压腔内的层流燃烧器和采集机构，层流燃烧器下方设置有用于驱动其升降的升降机构，采集机构设置于层流燃烧器一侧，包括位于层流燃烧器顶部上方的旋转盘，旋转盘下方设置有用于驱动旋转盘旋转的动力组件，旋转盘上沿周向均匀间隔活动设置有多组采样臂，每组采样臂的采样端均放置有采样铜网。
更进一步地，旋转盘下方的动力组件包括步进电机，步进电机通过联轴器与减速箱相连，减速箱的输出轴端部与旋转盘相连；步进电机还与信号发生器相连，信号发生器用于控制步进电机转动与停止。
更进一步地，升降机构与层流燃烧器之间还设有相配合的导向柱和导向套筒。
更进一步地，旋转盘上表面上还紧固有固定法兰。
更进一步地，旋转盘的边缘沿周向均匀间隔开设有多个安装凹槽，安装凹槽由旋转盘边缘向其中心方向延伸，每个安装凹槽内设置有一组采样臂，采样臂的安装端开设有调节槽，通过螺栓穿过调节槽并紧固，从而将采样臂安装在旋转盘上。
更进一步地，每个安装凹槽的一侧均设置有刻度标尺。
更进一步地，采样臂的采样端上开设有用于放置采样铜网的铜网放置腔，铜网放置腔设置为U形，且铜网放置腔的内壁上设置有与采样铜网边缘相嵌合的嵌置槽。
更进一步地，采样铜网为碳支持膜铜网。
本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集方法，包括以下步骤：
S1、打开高压腔，将采样铜网装在采样臂上，调节旋转盘上采样臂的伸出长度，使其采样端采样铜网的中心到达层流燃烧器燃料口的中心；合上高压腔；
S2、调节升降机构，使采样铜网距离层流燃烧器燃料口的高度满足初始要求；控制动力组件使旋转盘旋转，采样铜网偏离燃料口；
S3、层流燃烧器点火，火焰稳定后，通过动力组件控制旋转盘转动，使采样铜网进入火焰中，采样铜网与层流燃烧器燃料口共轴线，旋转盘暂停转动，使采样铜网在火焰中停留采样；然后动力组件控制旋转盘继续转动，使采样铜网退出火焰，完成一次碳烟采集；
S4、通过升降机构的调节，重复采样过程，完成对不同高度火焰中碳烟的采集；通过调节槽调节采样铜网偏离层流燃烧器燃料口中心的不同位置，重复采样过程，完成对不同径向火焰中碳烟的采集，即可实现对火焰任意位置的碳烟采集。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，旋转盘上沿周向均匀间隔活动设置有多组采样臂，每组采样臂的采样端均放置有采样铜网，一次可以采集多个碳烟样品，大大提升了采集效率。
(2)本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，一方面可以通过调节采样臂的伸出长度实现对不同径向位置火焰中碳烟的采集，一方面可以通过升降机构实现对不同高度火焰中碳烟的采集，两者相结合即可实现对火焰中任意一点进行碳烟采集，达到全面性研究的目的。
(3)本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，步进电机受信号发生器控制，可以设置采样臂上采样铜网的进出火焰的时间周期以及在火焰内的停留时间，实现对某一点的连续多次碳烟采集，达到重复实验，减小实验误差的目的。
(4)本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，具有所占空间位置相对集中，相对表面积小的优点，可以更好的应用于有限空间的高压腔内燃烧火焰的碳烟采集。
(5)本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集方法，能够一次性采集多个，极大地减少高压腔开合的次数，节约了时间，提高了效率，减小了误差。
附图说明
图1为本发明的一种层流火焰中碳烟高效采集系统的结构示意图；
图2为本发明中旋转盘与采样臂的组合结构示意图。
示意图中的标号说明：
100、高压腔；110、层流燃烧器；120、导向柱；130、升降机构；200、采集机构；210、旋转盘；211、固定法兰；212、采样臂；213、调节槽；214、刻度标尺；215、铜网放置腔；220、输出轴；230、减速箱；240、联轴器；250、步进电机；260、信号发生器。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，包括高压腔100，以及设置在高压腔100内的层流燃烧器110和采集机构200，层流燃烧器110下方设置有用于驱动其升降的升降机构130，采集机构200设置于层流燃烧器110一侧，包括位于层流燃烧器110顶部上方的旋转盘210，旋转盘210下方设置有用于驱动旋转盘210旋转的动力组件，旋转盘210上沿周向均匀间隔活动设置有多组采样臂212，每组采样臂212的采样端均放置有采样铜网。具体地，采样铜网为碳支持膜铜网，本实施例中采用的为目数为200目，直径为3.05mm的铜网，实践应用中，可根据实际需求对应调整。
如图2所示，本实施例中旋转盘210的边缘沿周向均匀间隔开设有多个安装凹槽，安装凹槽由旋转盘210边缘向其中心方向延伸，每个安装凹槽内设置有一组采样臂212，本实施例中具体设置有10组采样臂212；采样臂212的安装端开设有调节槽213，螺栓穿过调节槽213并通过蝴蝶螺母紧固，从而将采样臂212安装在旋转盘210上，防止旋转盘210转动时，采样臂212与其发生相对移动。调节槽213的设置，也可以方便灵活调整采样臂212伸出旋转盘210的距离，从而实现对不同径向位置的采样控制。每个安装凹槽的一侧均设置有刻度标尺214，方便精确控制采样臂212的伸出长度。
本实施例中采样臂212的采样端上开设有用于放置采样铜网的铜网放置腔215，具体地，铜网放置腔215设置为U形，且铜网放置腔215的内壁上设置有与采样铜网边缘相嵌合的嵌置槽。采样铜网的边缘对应嵌入该嵌置槽内进行定位安装，并通过耐高温胶带边缘裹附进一步固定采样铜网。
本实施例的采集系统，一方面可以通过调节采样臂212的伸出长度实现对不同径向位置火焰中碳烟的采集，一方面可以通过升降机构130实现对不同高度火焰中碳烟的采集，两者相结合即可实现对火焰中任意一点进行碳烟采集，达到了全面性研究的目的，且通过设置圆形的旋转盘210和多组采样臂212，一次可以采集多个碳烟样品，大大提升了采集效率；整体系统所占空间位置相对集中，相对表面积较小，利用本实施例的采样系统进行采样时，可以更好的应用于有限空间的高压腔100内燃烧火焰的碳烟采集，且在高压腔100内一次采集多个样品，极大地减少了高压腔100开合的次数，节约了采样时间，提高了采样效率，减少了采样误差。
实施例2
本实施例的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，基本同实施例1，更进一步地，本实施例中旋转盘210下方的动力组件包括步进电机250，步进电机250通过联轴器240与减速箱230相连，减速箱230的输出轴端部与旋转盘210相连；步进电机250还与信号发生器260相连，信号发生器260用于控制步进电机250转动与停止。
本实施例中升降机构130与层流燃烧器110之间还设有相配合的导向柱120和导向套筒，导向柱120设置于层流燃烧器110底部向下延伸，导向套筒对应设置在升降机构130上并固定，升降机构130驱动层流燃烧器110进行升降时，导向柱120即对应在导向套筒中移动。本实施例的升降机构130可采用行业内多种常见的升降结构设计，如采用螺杆控制升降，或直接采用升降气缸等，升降气缸的伸缩杆端部与层流燃烧器110底部相连，升降气缸的固定座上设置与导向柱120相配合的导向套筒，升降气缸直接驱动层流燃烧器110进行升降，并通过导向柱120与导向套筒的配合实现升降过程的平稳控制。
本实施例中旋转盘210上表面上还紧固有固定法兰211，减速箱230的输出轴220顶部端面上开设有多个螺纹孔，通过多个螺栓配合依次穿过固定法兰211、旋转盘210和输出轴220并紧固，从而将旋转盘210与输出轴220稳定连接。
本实施例的一种层流火焰中碳烟高效采集方法，利用上述采集系统，包括以下步骤：
S1、打开高压腔100，将采样铜网装在采样臂212上，调节旋转盘210上采样臂212的伸出长度，使其采样端采样铜网的中心到达层流燃烧器110燃料口的中心，即两者不同高度但共轴；合上高压腔100；
S2、调节升降机构130，使采样铜网距离层流燃烧器110燃料口的高度满足初始采样要求；控制动力组件使旋转盘210旋转一定角度，采样铜网偏离燃料口；
S3、检查一切设置无误后，层流燃烧器110点火，火焰稳定后，通过动力组件控制旋转盘210转动，使采样铜网进入火焰中，采样铜网与层流燃烧器110燃料口共轴线，旋转盘210暂停转动，使采样铜网在火焰中停留一段时间采样；然后动力组件控制旋转盘210继续转动，使采样铜网退出火焰，完成一次碳烟采集；旋转盘210每次的转动角度，以及采样铜网在火焰中的每次停留采样时间均可根据实际采样需求进行灵活调整；
S4、通过升降机构130的调节，重复采样过程，完成对不同高度火焰中碳烟的采集；通过调节槽213调节采样铜网偏离层流燃烧器110燃料口中心的不同位置，重复采样过程，完成对不同径向火焰中碳烟的采集，两者结合即可实现对火焰任意位置的碳烟采集。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：包括高压腔(100)，以及设置在高压腔(100)内的层流燃烧器(110)和采集机构(200)，层流燃烧器(110)下方设置有用于驱动其升降的升降机构(130)，采集机构(200)设置于层流燃烧器(110)一侧，包括位于层流燃烧器(110)顶部上方的旋转盘(210)，旋转盘(210)下方设置有用于驱动旋转盘(210)旋转的动力组件，旋转盘(210)上沿周向均匀间隔活动设置有多组采样臂(212)，每组采样臂(212)的采样端均放置有采样铜网。
2.根据权利要求1所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：旋转盘(210)下方的动力组件包括步进电机(250)，步进电机(250)通过联轴器(240)与减速箱(230)相连，减速箱(230)的输出轴(220)端部与旋转盘(210)相连；步进电机(250)还与信号发生器(260)相连，信号发生器(260)用于控制步进电机(250)转动与停止。
3.根据权利要求1所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：升降机构(130)与层流燃烧器(110)之间还设有相配合的导向柱(120)和导向套筒。
4.根据权利要求1所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：旋转盘(210)上表面上还紧固有固定法兰(211)。
5.根据权利要求1所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：旋转盘(210)的边缘沿周向均匀间隔开设有多个安装凹槽，安装凹槽由旋转盘(210)边缘向其中心方向延伸，每个安装凹槽内设置有一组采样臂(212)，采样臂(212)的安装端开设有调节槽(213)，通过螺栓穿过调节槽(213)并紧固，从而将采样臂(212)安装在旋转盘(210)上。
6.根据权利要求5所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：每个安装凹槽的一侧均设置有刻度标尺(214)。
7.根据权利要求5所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：采样臂(212)的采样端上开设有用于放置采样铜网的铜网放置腔(215)，铜网放置腔(215)设置为U形，且铜网放置腔(215)的内壁上设置有与采样铜网边缘相嵌合的嵌置槽。
8.根据权利要求5所述的一种层流火焰中碳烟高效采集系统，其特征在于：采样铜网为碳支持膜铜网。
9.一种层流火焰中碳烟高效采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、打开高压腔(100)，将采样铜网装在采样臂(212)上，调节旋转盘(210)上采样臂(212)的伸出长度，使其采样端采样铜网的中心到达层流燃烧器(110)燃料口的中心；合上高压腔(100)；
S2、调节升降机构(130)，使采样铜网距离层流燃烧器(110)燃料口的高度满足初始要求；控制动力组件使旋转盘(210)旋转，采样铜网偏离燃料口；
S3、层流燃烧器(110)点火，火焰稳定后，通过动力组件控制旋转盘(210)转动，使采样铜网进入火焰中，采样铜网与层流燃烧器(110)燃料口共轴线，旋转盘(210)暂停转动，使采样铜网在火焰中停留采样；然后动力组件控制旋转盘(210)继续转动，使采样铜网退出火焰，完成一次碳烟采集；
S4、通过升降机构(130)的调节，重复采样过程，完成对不同高度火焰中碳烟的采集；通过调节槽(213)调节采样铜网偏离层流燃烧器(110)燃料口中心的不同位置，重复采样过程，完成对不同径向火焰中碳烟的采集，即可实现对火焰任意位置的碳烟采集。
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