CN113655173A - 一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统及方法，系统的悬浮燃烧装置包括燃烧筒，顶端设有出气口，底端为缩径结构并设进气口，中上部筒体外包裹设加热装置，中上部筒体内设加热丝网；悬浮气体供给装置包括压缩空气罐，其出口和进气口连接；金属铝粉悬浮装置包括铝粉腔室、腔室拉杆和若干半球面喷口；铝粉腔室横向设在燃烧筒的缩径结构的顶部，一端与燃烧筒内壁固定，另一端伸出燃烧筒外；铝粉腔室包括固定壳体和与固定壳体下端滑动连接的多孔材料底板；腔室拉杆一端与多孔材料底板连接，另一端伸出固定壳体外；若干半球面喷口设在固定壳体上方，其伞柄端与固定壳体连通，球面端设有若干出气小孔；测量记录装置用于采集金属铝粉悬浮燃烧图像。
Description
技术领域
本发明涉及金属铝燃料储能利用技术领域，具体为一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统及方法。
背景技术
金属燃料作为一种高能燃料，其燃烧热是普通燃料的5～20倍，具有高能量密度等特性。其中，铝粉是一种新型的高能燃料，由于能量密度大，燃烧氧化物无毒，且铝资源储备丰富等诸多优点，将其作为金属燃料转化利用，是近年来金属储能的研究热点之一。
为了研究纳米金属铝粉在不同气氛中的燃烧特性，常规研究方法是在静态环境下对铝粉燃烧特性进行考察。铝粉表面覆盖氧化物，当研究燃烧特性的时候，只有当覆盖在铝粉表面的这层氧化物溶解后，铝粉才能点火燃烧。同时，在静态条件下，铝粉颗粒间呈紧密堆积状态，相互之间无明显运动，使燃烧更为困难。
目前，常用的金属粉尘颗粒燃烧，通常利用压缩空气来冲击粉尘颗粒，将洁净干燥的压缩空气经过减压阀后，吹散颗粒，通过调节减压阀来控制空气流速，使其出现自然悬浮的状态。从而使金属颗粒之间的影响增强，燃烧时热量传递更加迅速，达到加强燃烧的目的。
但其存在的问题在于，金属铝的密度比一般粉尘的密度大，堆积态的燃烧过程极易形成结渣产物，降低铝粉燃烧效率。在燃烧试验中，对颗粒分布的均匀性要求较高，传统的压缩气体冲击粉尘无法达到颗粒分布的均匀性，存在死角等问题，且无法在装置中长时间内保持均匀的铝粉悬浮，降低了火焰在燃烧筒内的连续传播效果，且燃烧位置和燃烧空间体积不可调，不能随时添加燃烧组分。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统及方法，操作方便，结构简单，效果明显，能使铝粉悬浮更均匀，燃烧效率更高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，包括悬浮燃烧装置，以及与悬浮燃烧装置连接的悬浮气体供给装置、金属铝粉悬浮装置和测量记录装置；
所述悬浮燃烧装置包括燃烧筒；所述燃烧筒呈立式圆筒状，顶端设置有出气口，底端为缩径结构并设置有进气口，中上部筒体外包裹设置有加热装置，中上部筒体内设置有加热丝网；
所述悬浮气体供给装置包括压缩空气罐；所述压缩空气罐出口和进气口连接；
所述金属铝粉悬浮装置包括铝粉腔室、腔室拉杆和若干半球面喷口；所述铝粉腔室横向设置在燃烧筒的缩径结构的顶部；所述铝粉腔室一端与燃烧筒内壁固定，另一端伸出燃烧筒外；所述铝粉腔室包括呈中空筒状且下端开口的固定壳体，以及与固定壳体下端滑动连接的多孔材料底板；所述腔室拉杆一端与多孔材料底板连接，另一端伸出固定壳体外；所述若干半球面喷口面向出气口方向设置在铝粉腔室的固定壳体上方，半球面喷口为空心的伞状，伞柄端与固定壳体连通，球面端设置有若干出气小孔；
所述测量记录装置用于采集金属铝粉悬浮燃烧图像。
进一步的，所述出气小孔直径范围为1.0～1.5mm，沿着半球面喷口的球面均匀布置。
进一步的，所述加热丝网截面形状与燃烧筒截面相同，且垂直于燃烧筒中轴线设置在铝粉腔室上方的燃烧筒内部，其中部设置有伸出燃烧筒的丝网拉杆。
进一步的，所述测量记录装置包括热电偶、温控显示器、数据采集仪、计算机和高速摄像机；所述热电偶探测端与加热装置连接，输出端与温控显示器的输入端连接；所述温控显示器的输出端通过数据采集仪与计算机连接；所述高速摄像机用于采集金属铝粉悬浮燃烧的火焰图像，输出端连接计算机。
进一步的，所述悬浮气体供给装置还包括依次设置在压缩空气罐出口和进气口之间的减压阀、压力表和压缩空气缓冲室。
更进一步的，所述压缩空气缓冲室的出口依次经电磁阀、单向阀和气体流量计连接进气口。
进一步的，所述腔室拉杆上设置有与固定壳体端面密封配合的密封挡板。
进一步的，所述燃烧筒、铝粉腔室、半球面喷口和压缩空气缓冲室均由不锈钢材质制成。
一种金属铝粉悬浮燃烧的试验方法，包括，
称取铝粉混合物并将其放置在多孔材料底板上，通过腔室拉杆送入铝粉腔室的固定壳体内；
开启加热装置和压缩空气罐，将压缩空气缓冲室内的高压气流通过进气口送入燃烧筒的底部；
高压气流经过燃烧筒底部的缩径结构进入铝粉腔室，上升的气流穿过多孔材料底板携带铝粉混合物经过半球面喷口，从各个方向的出气小孔进入燃烧筒，控制气速使铝粉混合物在燃烧筒内各个方向均匀分布，呈现均匀的悬浮状态后准备燃烧；
当铝粉混合物随气速稳定后，均匀的悬浮状态的铝粉混合物随着气流运动到加热丝网，其热量达到铝粉混合物点火温度时，铝粉混合物发生燃烧；当铝粉混合物燃烧殆尽，试验结束。
进一步的，
试验过程中，内部燃烧的温度由热电偶和温控显示器获得，并经过数据采集仪送入计算机进行数据处理；
试验过程中，内部燃烧的过程图像由高速摄像机记录，并传输到计算机进行数据处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明系统通过在燃烧筒内设置带有半球面喷口的铝粉腔室，通过半球面喷口上的若干出气小孔，配合压缩空气罐中的压缩气体，将铝粉混合物从各个方向送入燃烧筒内，使处于静态堆积的铝粉混合物随着压缩气体发生松动悬浮，从而配合加热装置和加热丝网发生悬浮状态下的金属铝粉燃烧，解决了堆积态燃烧过程极易形成结渣产物，而降低铝粉燃烧效率的问题；同时配合测量记录装置可研究金属铝粉在不同气氛下的燃烧特性，悬浮状态使气体和金属粉末得到充分的接触，从而更好的发生化学反应；通过出气小孔的设置可保证未燃粉尘悬浮流在火焰阵面到来之前保持良好的悬浮状态，使火焰可在燃烧筒内连续传播，优化了金属铝粉的燃烧效果；而且，采用滑动设置的多孔材料底板与腔室拉杆连接，形成推拉式的腔室拉杆将铝粉混合物送入铝粉腔室的固定壳体内的设计，可自由调配金属铝粉混合原料的组成，以及不同添加剂的加入，使燃烧位置和燃烧空间视情况可调，设计合理，操作简单容易。
进一步，本发明系统中采用的出气小孔布置方式，能有效的将铝粉混合物从各个方向送入燃烧筒内，从而保证燃烧筒内的金属铝粉混合物浓度沿着轴向和径向分布均匀，燃烧更加充分，提高燃烧效率。
进一步，本发明系统通过在加热丝网上设置丝网拉杆的方式，自由调节加热丝网的具体位置，可以更方便的根据燃烧在燃烧筒内发生的具体位置进行调整，操作灵活，反应更加充分。
进一步，本发明系统采用热电偶通过温控显示器和数据采集仪将燃烧筒内的温度数据实时输入计算机，并通过高速摄像机将具体燃烧的火焰情况记录后输入计算机，记录准确，分析结果更可靠。
进一步，本发明系统通过设置压缩空气缓冲室存储每次试验需要的空气体积，更加方便可控，而且设置减压阀，提高安全可靠性，并通过配置压力表实时监测压缩空气缓冲室内的压力；同时设置的单向阀起到止回的作用，能有效避免气体倒回，并通过气体流量计记录气体流量，精确可靠。
进一步，本发明系统采用在腔室拉杆上设置密封挡板，密封挡板与固定壳体端面密封配合，保证在进行铝粉混合物燃烧时铝粉腔室的密闭性，防止悬浮的铝粉混合物外散，有效保证系统气密性。
进一步，本发明系统通过将燃烧筒、铝粉腔室、半球面喷口和压缩空气缓冲室使用不锈钢材质制成，能有效确保安全可靠性，提高使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中所述系统的示意图。
图2为本发明实施例中所述半球面喷口的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例中所述半球面喷口上出气小孔的分布示意图。
图中：1-压缩空气罐，2-减压阀，3-压缩空气缓冲室，4-电磁阀，5-单向阀，6-气体流量计，7-燃烧筒，8-铝粉腔室，9-腔室拉杆，10-半球面喷口，11-加热装置，12-加热丝网，13-丝网拉杆，14-出气口，15-热电偶，16-温控显示器，17-数据采集仪，18-计算机，19-高速摄像机，20-进气口，21-气体进入路线，22-球面气体路径，23-出气小孔。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，如图1所示，包括由压缩空气罐1、压缩空气缓冲室3、电磁阀4、单向阀5和气体流量计6等组成的悬浮气体供给装置，由铝粉腔室8、腔室拉杆9、半球面喷口10和出气小孔23等组成的金属铝粉悬浮装置，由燃烧筒7、加热装置11、加热丝网12和丝网拉杆13等组成的悬浮燃烧装置，以及由热电偶15、温控显示器16、数据采集仪17、计算机18和高速摄像机19组成的测量记录装置；
所述的悬浮气体供给装置用于提供压缩气体，包括压缩空气罐1、压缩空气缓冲室3、电磁阀4、单向阀5和气体流量计6；
所述压缩空气罐1内存储干燥的洁净空气，配置减压阀2；
所述压缩空气缓冲室3由不锈钢气瓶构成，存储每次试验需要的空气体积，空气由压缩空气罐1来；
所述压缩空气缓冲室3的出口依次经电磁阀4、单向阀5和气体流量计6连接进气口20，压缩空气由电磁阀4经单向阀5，送到燃烧筒7，由气体流量计6计算流量，单向阀5起到止回的作用，避免气体倒回。
所述的金属铝粉悬浮装置用于将铝粉混合物配合压缩气体送入悬浮燃烧系统内，包括铝粉腔室8、腔室拉杆9、半球面喷口10和出气小孔23；
所述铝粉腔室8为呈中空筒状，包括固定壳体和多孔材料底板；所述的固定壳体的下端开口且伸出燃烧筒7外，另一端与燃烧筒7内壁固定设置；所述的多孔材料底板采用多孔不锈钢材质制成，其与腔室拉杆9的一端连接，由腔室拉杆9抽出伸入固定壳体，使用时可根据具体情况随时添加或调整金属粉体和添加剂；所述腔室拉杆9上还设置有与固定壳体端面密封配合的密封挡板，腔室拉杆9带动多孔材料底板送入固定壳体后，密封挡板与固定壳体端面密封配合；所述铝粉腔室8固定壳体的顶部向上(即面向出气口14方向)布置多个半球面喷口10，铝粉腔室8设置在燃烧筒7内，不可随着腔室拉杆9拉出，为进入铝粉腔室8的气体路径设置通道；
所述半球面喷口10采用不锈钢材质，为空心的伞状，如图2所示，伞柄端与固定壳体连通，球面端均匀布置若干出气小孔23；出气小孔23直径约1.0-1.5mm，出气小孔23沿着球面交错或均匀布置6-10圈，或者可视情况布满球面，从而保证燃烧筒7内的金属铝粉浓度沿着轴向和径向分布均匀。
所述测量记录装置用于采集金属铝粉悬浮燃烧图像，包括热电偶15、温控显示器16、数据采集仪17、计算机18和高速摄像机19；所述高速摄像机用于采集金属铝粉悬浮燃烧的火焰图像，输出端连接计算机18，计算机18通过数据采集仪17连接温控显示器16的输出端，温控显示器16的输入端连接热电偶15的输出端，热电偶15的探测端连接加热装置11。
所述的悬浮燃烧装置为铝粉混合物提供燃烧反应场所，包括燃烧筒7、加热装置11、加热丝网12和丝网拉杆13；
所述燃烧筒7为立式圆筒状，不锈钢材质，顶部设置有出气口14，底部设置有进气口20，底端为缩径结构，保证进入的气体通道；缩径结构顶端布置抽拉式的铝粉腔室8，为金属粉体提供储存空间；所述进气口20燃烧筒7的上部外包裹绝热材料的加热装置11，为燃烧筒7内的金属铝粉燃烧段提供足够的热量；
所述加热丝网12布置在燃烧筒7内部，其截面形状与燃烧筒7截面一致，加热丝网12中部设置一根较长的丝网拉杆13，可以根据燃烧在燃烧筒7内发生的具体位置进行调整，操作灵活；
所述燃烧筒7内部燃烧温度由热电偶15通过温控显示器16、数据采集仪17实时输入计算机18，具体燃烧的火焰情况由高速摄像机19记录。
在使用本发明进行试验时，操作步骤如下，
开启压缩空气罐1的减压阀2，让储存于内的干燥洁净空气充满压缩空气缓冲室3，由其配置的压力表实时监测压缩空气缓冲室3内的压力，开启电磁阀4和止回阀5，气体经气体流量计6调节后通过进气口20进入燃烧筒7；
由腔室拉杆9将与铝粉腔室8固定壳体滑动连接的多孔材料底板拉出铝粉腔室8的固定壳体，该过程中固定壳体固定不动，再将预先计量的金属铝粉和添加剂等燃料均匀的铺在多孔材料底板上，然后把多孔材料底板推入铝粉腔室8的固定壳体内，使其归位，与铝粉腔室8的固定壳体合并；
气体携带铝粉燃料经过半球面喷口10散布到燃烧筒7内，待悬浮状态稳定后，开启加热装置11给燃烧筒7中上部补充热量，给加热丝网12提供热量；可根据铝粉燃料的悬浮位置，由燃烧筒7顶端的丝网拉杆13自由调节加热丝网12的具体位置，使燃烧发生在设定位置，反应更加充分；
内部燃烧的温度由热电偶15、温控显示器16获得，经过数据采集仪17送入计算机处理；燃烧过程可由高速摄像机19记录。
其中，压缩空气进入燃烧筒7后，垂直路径从铝粉腔室8的多孔材料底板面穿过，如图2所示，携带置于铝粉腔室8底部多孔材料底板上的纳米级铝粉颗粒，进入半球面喷口10的伞柄端，呈上升趋势沿着半球面喷口10伞柄端的气体进入路线21，达到半球面喷口10上部，沿着球面气体路径22，从半球面喷口10球面端表面分布的出气小孔23从不同方向，携带金属铝粉均匀的散布在燃烧筒7中上部，呈悬浮状态。
其中，半球面喷口10设置在铝粉腔室8的腔室顶部，燃烧筒7内部，均匀分布，如图3所示，从半球面喷口10的俯视图上看到，沿着球面均匀或交错布置若干出气小孔23，所述出气小孔23直径约1.0-1.5mm，或者视情况布满球面，保证燃烧筒7内的金属铝粉浓度沿着轴向和径向分布均匀。
下面以添加了1％的KNO3的铝粉混合物悬浮燃烧为例，具体的试验步骤如下，
步骤1：根据试验要求选择不同配比，准备不同实验粒径的铝粉或添加剂，如添加1％的KNO3，分别计量并记录，研磨混合均匀后，置于干燥器中备用；
步骤2：称取混合铝粉约0.02g，置于多孔金属托盘上，由多孔金属托盘上的腔室拉杆9控制铝粉距离进气口的位置，并记录，将该铝粉混合物置于铝粉腔室8。
步骤3：开启加热装置11，使流过加热丝网12的电流稳定；
步骤4：开启压缩空气罐1的气体流量计6开关，使压缩空气缓冲室3的气体压力达到一定值；开启电磁阀4，将压缩空气缓冲3室内的高压气流，经过单向阀5，送入燃烧筒7的底端；高压气流经过燃烧筒7底部的缩径部分，进入铝粉腔室8，使铝粉混合物随着气流而相应松动、悬浮等运动；上升的气流携带铝粉经过半球面喷口10，从各个方向的出气小孔23进入燃烧筒7，控制气速，使铝粉混合物在燃烧筒7内各个方向均匀分布，呈现均匀的悬浮状态，准备燃烧；
步骤5：当铝粉混合物随气速稳定后，均匀悬浮的铝粉混合物随着气流运动到加热丝网12，其热量达到铝粉混合物点火温度时，铝粉混合物发生燃烧；由高速摄像机19记录上述过程，即铝粉混合物发生燃烧的过程，并传输到计算机18进行进一步数据处理。
步骤6：铝粉混合物燃烧殆尽，实验结束。
基于上述任意一项系统，本发明还提供一种金属铝粉悬浮燃烧的试验方法，包括，
称取铝粉混合物并将其放置在多孔材料底板上，通过腔室拉杆9送入铝粉腔室8的固定壳体内；
开启加热装置11和压缩空气罐1，将压缩空气缓冲3室内的高压气流通过进气口20送入燃烧筒7的底部；
高压气流经过燃烧筒7底部的缩径结构进入铝粉腔室8，上升的气流穿过多孔材料底板携带铝粉混合物经过半球面喷口10，从各个方向的出气小孔23进入燃烧筒7，控制气速使铝粉混合物在燃烧筒7内各个方向均匀分布，呈现均匀的悬浮状态后准备燃烧；
当铝粉混合物随气速稳定后，均匀的悬浮状态的铝粉混合物随着气流运动到加热丝网12，其热量达到铝粉混合物点火温度时，铝粉混合物发生燃烧；当铝粉混合物燃烧殆尽，试验结束。
其中，
试验过程中，内部燃烧的温度由热电偶15和温控显示器16获得，并经过数据采集仪17送入计算机18进行数据处理；
试验过程中，内部燃烧的过程图像由高速摄像机19记录，并传输到计算机18进行数据处理。
Claims (10)
1.一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，包括悬浮燃烧装置，以及与悬浮燃烧装置连接的悬浮气体供给装置、金属铝粉悬浮装置和测量记录装置；
所述悬浮燃烧装置包括燃烧筒(7)；所述燃烧筒(7)呈立式圆筒状，顶端设置有出气口(14)，底端为缩径结构并设置有进气口(20)，中上部筒体外包裹设置有加热装置(11)，中上部筒体内设置有加热丝网(12)；
所述悬浮气体供给装置包括压缩空气罐(1)；所述压缩空气罐(1)出口和进气口(20)连接；
所述金属铝粉悬浮装置包括铝粉腔室(8)、腔室拉杆(9)和若干半球面喷口(10)；所述铝粉腔室(8)横向设置在燃烧筒(7)的缩径结构的顶部；所述铝粉腔室(8)一端与燃烧筒(7)内壁固定，另一端伸出燃烧筒(7)外；所述铝粉腔室(8)包括呈中空筒状且下端开口的固定壳体，以及与固定壳体下端滑动连接的多孔材料底板；所述腔室拉杆(9)一端与多孔材料底板连接，另一端伸出固定壳体外；所述若干半球面喷口(10)面向出气口(14)方向设置在铝粉腔室(8)的固定壳体上方，半球面喷口(10)为空心的伞状，伞柄端与固定壳体连通，球面端设置有若干出气小孔(23)；
所述测量记录装置用于采集金属铝粉悬浮燃烧图像。
2.根据权利要求1所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述出气小孔(23)直径范围为1.0-1.5mm，沿着半球面喷口(10)的球面均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述加热丝网(12)截面形状与燃烧筒(7)截面相同，且垂直于燃烧筒(7)中轴线设置在铝粉腔室(8)上方的燃烧筒(7)内部，其中部设置有伸出燃烧筒(7)的丝网拉杆(13)。
4.根据权利要求1所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述测量记录装置包括热电偶(15)、温控显示器(16)、数据采集仪(17)、计算机(18)和高速摄像机(19)；所述热电偶(15)探测端与加热装置(11)连接，输出端与温控显示器(16)的输入端连接；所述温控显示器(16)的输出端通过数据采集仪(17)与计算机(18)连接；所述高速摄像机用于采集金属铝粉悬浮燃烧的火焰图像，输出端连接计算机(18)。
5.根据权利要求1所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述悬浮气体供给装置还包括依次设置在压缩空气罐(1)出口和进气口(20)之间的减压阀(2)、压力表和压缩空气缓冲室(3)。
6.根据权利要求5所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述压缩空气缓冲室(3)的出口依次经电磁阀(4)、单向阀(5)和气体流量计(6)连接进气口(20)。
7.根据权利要求1所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述腔室拉杆(9)上设置有与固定壳体端面密封配合的密封挡板。
8.根据权利要求1所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统，其特征在于，所述燃烧筒(7)、铝粉腔室(8)、半球面喷口(10)和压缩空气缓冲室(3)均由不锈钢材质制成。
9.一种金属铝粉悬浮燃烧的试验方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述的任意一项系统，包括，
称取铝粉混合物并将其放置在多孔材料底板上，通过腔室拉杆(9)送入铝粉腔室(8)的固定壳体内；
开启加热装置(11)和压缩空气罐(1)，将压缩空气缓冲(3)室内的高压气流通过进气口(20)送入燃烧筒(7)的底部；
高压气流经过燃烧筒(7)底部的缩径结构进入铝粉腔室(8)，上升的气流穿过多孔材料底板携带铝粉混合物经过半球面喷口(10)，从各个方向的出气小孔(23)进入燃烧筒(7)，控制气速使铝粉混合物在燃烧筒(7)内各个方向均匀分布，呈现均匀的悬浮状态后准备燃烧；
当铝粉混合物随气速稳定后，均匀的悬浮状态的铝粉混合物随着气流运动到加热丝网(12)，其热量达到铝粉混合物点火温度时，铝粉混合物发生燃烧；当铝粉混合物燃烧殆尽，试验结束。
10.根据权利要求9所述的一种金属铝粉悬浮燃烧的试验方法，其特征在于，
试验过程中，内部燃烧的温度由热电偶(15)和温控显示器(16)获得，并经过数据采集仪(17)送入计算机(18)进行数据处理；
试验过程中，内部燃烧的过程图像由高速摄像机(19)记录，并传输到计算机(18)进行数据处理。
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| CN202111058183.9A CN113655173A (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种金属铝粉悬浮燃烧的试验系统及方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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2021
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