CN114113354A - 一种微小尺度燃烧的碳烟生成与燃烧化学的研究装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在微小尺度燃烧下研究碳烟生成与其相应燃烧化学的装置。该装置包括管状的微小尺度燃烧器、燃料及氧化剂输运管路、采样网栅、集气袋等装置。其中，微小尺度燃烧器的管径可变，设有三根入口管和一根出口管，分别用于通入气体与混合燃烧。该燃烧器可形成一种在小尺度下的正扩散火焰。本发明的采样装置位于燃烧器出口，可收集燃烧之后生成的碳烟颗粒以及燃烧化学组分。本发明装置结构简单、通用性好，可用于研究不同燃料添加剂在微小尺度下以及尺度效应对碳烟生成和燃烧化学的影响。
Description
技术领域
本发明属于微尺度燃烧与碳烟生成的交叉学科研究领域，具体涉及一种微小尺度燃烧下的碳烟生成与燃烧化学的研究装置。
背景技术
随着微加工技术的快速发展，各种微电子机械系统和设备不断涌现，如微小飞行器、微小卫星和微小机器人等便携式电子装置设备。目前这些便携设备大都由传统电池驱动，但传统电池存在能量密度小、体积较大和充电时间较长等缺点，而氢气和碳氢化合物燃料比传统电池的能量密度高出几十倍。因此，基于燃烧的微小动力装置具有取代传统电池的巨大潜力。同时研究在微小尺度下的燃烧现象，对于丰富和完善燃烧学科基础理论也有着非常重要的意义。
众所周知，碳氢燃料的不完全燃烧会导致大量碳烟颗粒和污染物的产生，近年来燃烧污染物已经成为大气环境污染的重要源头，其对环境和人类健康的危害引起了世界各国广泛的重视。燃烧化学与燃烧颗粒物生成控制已经成为国际燃烧领域的研究重点。但是目前对于碳烟颗粒形成机理的研究，还主要集中在传统大尺度下的对冲扩散火焰，正反扩散和预混火焰中。很少有在微尺度燃烧下碳烟生成的相关研究。根据已有的研究表明，燃烧过程中碳烟的生成同样具有尺度效应。所以研究在微小尺度燃烧下的碳烟生成，对于研究碳烟的形成机理，和完善微小尺度燃烧的基础理论，都具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微小尺度燃烧下的碳烟生成与燃烧化学的研究装置。
实现本发明目的提供技术方案：
本发明提供一种微小尺度燃烧下的碳烟生成与燃烧化学的研究装置，该装置包括管状微小尺度燃烧器和碳烟取样微栅组成。管状的微小尺度燃烧器由三根进气管和一根出口管组成，其中两侧的进气管用于通入氧化剂，中间的进气管用于通入燃料。管路可调节各气体流量，进而形成不同燃料、不同流速、不同氧化剂成分的一种在小尺度受限空间下的正扩散火焰。
该装置，包括由燃料进气管、氧化剂进气管、燃烧器出口管组成的管状微小尺度燃烧器，以及燃料输运管路、氧化剂输运管路、以及取样微栅，燃料进气管与燃料输运管路相连，氧化剂进气管与氧化剂输运管路相连，放置在燃烧器出口管尾部。
进一步的，进气管与出口管道构成微小尺度扩散燃烧器且材质均为耐高温的石英玻璃；其中进气管、进气管、出口管的用于通入燃料、氧化剂和混合燃烧。
进一步的，燃料与氧化剂输运管路的材质为304不锈钢，并与石英燃烧器通过真空接头连接。
进一步的，取样微栅通过自锁镊子固定放置在燃烧器出口管尾部，在微小尺度燃器内成功点燃形成火焰之后，采集不同工况下在微小尺度燃烧内生成的碳烟颗粒，同时可通过集气袋将气象产物组分离线采集，再通入气象色谱仪GC进行组分定量分析。
进一步的，管状微小尺度燃烧器可做出不同管径规格的燃烧器，该装置可直观的研究尺度效应对燃烧特征和碳烟生成的影响。
进一步的，通入该管状微小尺度燃烧器的氧化剂与燃料的流量均可调节，可在小尺度受限空间下研究不同配比以及流速对碳烟生成与燃烧化学的影响。
进一步的，管状微小尺度燃烧器通入的燃料可包括甲烷，乙烯或二甲醚，燃烧器通入的氧化剂稀释气体包括二氧化碳，氮气或氦气。
本发明与已有的技术相比，其优势在于，(1)提出了微小尺度燃烧下碳烟生成的研究方向与相应的研究装置，在一定程度上完善了燃料理论体系；(2)在检测方法上提出了对碳烟物理化学性质与其燃烧后尾气化学组分耦合分析的方法，为碳烟生成的研究提供了新的思路及方法。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为微小尺度燃烧下碳烟生成与燃烧化学研究装置示意图。
1、燃料进气管；2、氧化剂进气管；3、燃烧器出口管；4、燃料输运管路；5、氧化剂输运管路；6、取样微栅。
具体实施方式
结合图1，本发明微小尺度燃烧碳烟生成的研究装置，包括微小尺度器进气管1、进气管2、出口管3，自锁镊子控制的取样微栅6，微小尺度燃烧器设置三个进气口，其中中间端进气口1用于通入燃料，两侧进气口2用于通入氧化剂，可形成微小尺度受限空间下的正扩散火焰。燃烧器出口管尾部设置由电缸控制自锁镊子固定的取样微栅6。
本发明提供一种在微小尺度下研究碳烟生成的装置，可以进行燃烧化学的研究和燃烧颗粒物的研究。在形成稳定的微小尺度正扩散火焰之后，通过微栅采样的方式，对该火焰生成的碳烟颗粒进行研究。将由电缸控制的取样微栅放置在燃烧器出口管尾部，设置一定的停留时间，采集在微小尺度燃烧下生成的碳烟颗粒，用于后续的表征分析。除此之外，还可以通过集气袋或采样探针离线或在线收集火焰中燃烧气态产物组分，通过气相质谱仪，检测燃烧产物成分，进行定性分析；通过气象色谱仪，检测燃烧产物的浓度，进行定量分析。最后进行碳烟生成与其对应燃烧化学成分的耦合分析。
在进行微小尺度燃烧下碳烟生成和燃烧化学研究时，氧化剂经过进气口2通入燃烧器，燃料经过进气口1通入燃烧器，在燃烧器出口管底部形成微小尺度受限空间下的正扩散火焰。此时通过取样微栅6和集气袋放置在燃烧器出口管尾部取样，可收集到同种工况燃烧时产生的碳烟颗粒与尾气。通过改变燃料与氧化剂的组分，进而研究多种耦合效应下对微小尺度燃烧下碳烟生成与燃烧化学的影响。集气袋将采集到的气态燃烧产物通入气象质谱仪和气象色谱仪，通过气象质谱仪确定气态燃烧产物中的气体成分，通过气象色谱仪确定气态燃烧产物中各气体成分的浓度。燃烧产生的碳烟颗粒会沉积在取样微栅上，后续使用透射电镜和高分辨率透射电镜对铜网上的碳烟颗粒物进行分析。
Claims (7)
1.一种微小尺度燃烧下的碳烟生成与燃烧化学的研究装置，其特征在于，包括由燃料进气管(1)、氧化剂进气管(2)、燃烧器出口管(3)组成的管状微小尺度燃烧器，以及燃料输运管路(4)、氧化剂输运管路(5)、以及取样微栅(6)，燃料进气管(1)与燃料输运管路(4)相连，氧化剂进气管(2)与氧化剂输运管路(5)相连，取样微栅(6)放置在燃烧器出口管尾部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于燃料进气管(1)、氧化剂进气管(2)与出口管道(3)构成微小尺度扩散燃烧器且材质均为耐高温的石英玻璃；其中燃料进气管(1)、氧化剂进气管(2)、燃烧器出口管(3)的分别用于通入燃料、氧化剂和混合燃烧。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，燃料与氧化剂输运管路的材质为304不锈钢，并与石英燃烧器通过真空接头连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，取样微栅(6)通过自锁镊子固定放置在燃烧器出口管尾部，在微小尺度燃器内成功点燃形成火焰之后，采集不同工况下在微小尺度燃烧内生成的碳烟颗粒，同时可通过集气袋将气象产物组分离线采集，再通入气象色谱仪GC进行组分定量分析。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，管状微小尺度燃烧器可做出不同管径规格的燃烧器，该装置可直观的研究尺度效应对燃烧特征和碳烟生成的影响。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，通入该管状微小尺度燃烧器的氧化剂与燃料的流量均可调节，可在小尺度受限空间下研究不同配比以及流速对碳烟生成与燃烧化学的影响。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，管状微小尺度燃烧器通入的燃料可包括甲烷，乙烯或二甲醚，燃烧器通入的氧化剂稀释气体包括二氧化碳，氮气或氦气。
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