一种用于低压环境下的碳烟特性研究的燃烧装置

技术领域

本发明属于碳氢燃料碳烟颗粒特性测定技术领域，具体来说，本发明涉及一种用于低压 环境下的碳烟特性研究的燃烧装置。

背景技术

西藏等高原地区的低压低氧的环境不可避免对现有的消防技术手段和建筑设计规范形 成一个挑战。目前关于高海拔环境对火灾的发生发展产生何种影响等依然缺少深入研究。一 方面，随着海拔高度的升高，环境压力和氧浓度会降低，这将影响可燃物的燃烧速率、火焰 及烟气温度、烟气浓度等燃烧特性，而这些参数对建筑消防安全设计十分重要。其中一个极 为重要的参数即为碳烟颗粒。火焰中的碳颗粒是影响火焰辐射的重要因素，同时烟气中的碳 颗粒对感烟探测系统有直接的影响，因此，研究碳颗粒的浓度和尺寸分布随海拔高度的变化 对高原环境下的感烟探测器的应用及火灾机理均具有重要意义。

光学手段被广泛应用于碳烟颗粒的研究中，用于碳烟特性研究的光学装置常常由多个组 件对光路按照需要进行多次反射、折射及分光而得到需要结果。由于光学器件对于环境要求 极为苛刻，对震动较为敏感，震动易使光路出现偏差，从而影响实验的结果。因此，若需要 实现低压环境下，碳烟颗粒特性的测量，如果直接将整套光学仪器小型燃烧器，操作起来不 易实现。因此，为开展特殊环境下的燃烧机理，设计一种能够控制燃料流量及舱室压力的可 燃燃料碳烟颗粒特性测量的燃烧舱是很好的选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于低压环境下的碳烟特性研究的燃烧装置，该装置不仅 结构简单、适用性广、操作方便，而且还可以推广进行测量不同压力条件下的碳烟颗粒特 性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于低压环境下的碳烟特性研究的燃烧装置，其特征在于，该装置包括低压舱室， 舱体采用SUS不锈钢制成，其舱室内腔空间的内直径为24cm，高为60cm，腔室承压范围 30.0-101.3kPa，可以模拟低压环境；通过快卸式上法兰盘及压盖式下法兰盘进行密封。在 舱体的压盖式下法兰盘的中心处焊接气体燃烧器；燃烧器由两层套管及填塞烧结金属组成， 内层为不锈钢材质的燃料进气管，其内径为3mm，燃烧器外层为不锈钢材质的伴流空气进气 管，其内径为25mm；两路进气处均安有管螺纹，并同专用气体输运管与气体质量流量控制器 连接：开启燃料气瓶及压力控制阀后，燃料通过燃料质量流量控制器，输入燃料进气管；开 启伴流空气气瓶及压力控制阀后，空气通过伴流空气质量流量控制器，输入伴流空气进气管； 受舱室体积限制，在不进行伴流时，需要从压盖式下法兰盘设计的平衡气源进气管输入空气 从而保证舱室内的压力达到动态稳定平衡的状态，在进行伴流时，则可以将预留的管螺纹封 堵；进入舱室内部的燃料采用高压电弧点火装置点燃；水环泵及止回控制装置抽取低压舱室 内腔内的气体，可以实现舱室内的低压环境，同时有压力探头探测舱内压力并反馈给PLC面 板中的压力控制，实现动态平衡；为了操作时的安全在快卸式上法兰盘处焊接了安全阀，并 且集成了相应的控制按钮在PLC控制面板上，可以在火焰非正常情况熄灭时自动断气。在低 压舱室内腔的中间，距离压盖式下法兰盘25cm处，安装有三个直径为10cm的石英观察窗， 均为镶嵌在凸起法兰盘上的石英玻璃，观察窗的中心位置与低压舱中心轴的连线两两夹角为 90°，垂直放置的石英观察窗与下边缘与中心处的燃烧器喷口的上边缘齐平；在每个观察窗 凸出的环形不锈钢体上，有一个用于清洗吸附在石英观察窗的清洗用的N₂管路，与燃料进气 部分相似，N₂由专用气体输运管与N₂气瓶及压力控制阀连接、和N₂气瓶及压力控制阀；所有 的压力控制，流量控制等均整合在PLC操作面板上，整个实施过程中可以通过PLC面板实现 实时的操控。

进一步的，舱室内的低压环境通过控制装置同时控制水环泵抽气及平衡压力气源进气口 输入的空气从而使舱室达到目标压力。燃烧器的两路气体及平衡压力气源的进气量均由气体 流量控制器控制，每次重新连接管路后，均要检查整个系统气体运输管路各连接口处的气密 性。压力计设在快卸上法兰盘上。PLC控制界面可以进行工作压力的设置并对压力进行实时 动态监控，同时还可以设置燃料气体、伴流空气及平衡气源的进气量的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本装置将燃烧器集成在低压舱室内；

(2)在压力控制方面，实现了小体积的舱室的压力控制；

(3)本装置确保了进行可燃燃料的碳烟颗粒特性测量及火焰形态测量的可行性；

(4)本装置操作方便、容易实现；

(5)本装置设计精细，方便读取；

(6)本装置推广性高，不仅能够测量多种可燃气体及气化液体，同时可以进行不同压 力下的测定；

(7)本装置安全性好，不会产生回火爆炸、爆燃现象，同时设置有急停装置。

附图说明

图1为本发明一种用于低压环境下的碳烟特性研究的燃烧装置的结构示意图。图中1-1 为低压舱室内腔；1-2为气体燃烧器喷嘴；1-3为燃料进气管；1-4为燃料质量流量控制器； 1-5为燃料气瓶及压力控制阀；1-6为伴流空气进气管；1-7为伴流空气质量流量控制器；1-8 为燃料气瓶及压力控制阀；1-9为调压气体进气管；1-10为调压气体气瓶及压力调节阀；1-11 为安全阀；1-12为压力计；1-13为水环泵及止回控制装置；1-14为石英观察窗；1-15为清 洗用的N₂进入管路；1-16为N₂气瓶及压力控制阀；1-17为高压电弧点火装置；1-18为PLC 控制面板；1-19为快卸式上法兰盘；1-20为压盖式下法兰盘。

图2低压舱室侧视图；图中：2-1、低压舱室内腔；2-2、安全阀；2-3、观察窗；2-4、 气体燃烧器喷嘴；2-5、调压气体进气管路；2-6、快卸式上法兰盘；2-7、压盖式下 法兰盘；2-8、；伴流空气进气管口；2-9、燃料气体进气管口；

图3燃烧器局部放大图；图中：3-1、燃烧器喷嘴；3-2、燃料进气口及管路；3-3、 伴流空气进气口及管路；3-4、烧结金属；3-5、伴流空气套管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种用于低压环境下的碳烟特性研究的燃烧装置，其特征在于，该装置包括低压舱室， 舱体采用SUS不锈钢制成，其舱室内腔(1-1)，空间的内直径为24cm，高为60cm，腔室承 压范围30.0-101.3kPa，可以模拟低压环境；通过快卸式上法兰盘(1-19)及压盖式下法兰 盘(1-20)进行密封。在舱体的压盖式下法兰盘(1-19)的中心处焊接气体燃烧器(1-2)； 燃烧器由两层套管及填塞烧结金属(3-4)组成，内层为不锈钢材质的燃料进气管(1-3)， 其内径为3mm，燃烧器外层为不锈钢材质的伴流空气进气管(1-7)，其内径为25mm；两路进 气处均安有管螺纹，并同专用气体输运管与气体质量流量控制器连接：开启燃料气瓶及压力 控制阀(1-5)后，燃料通过燃料质量流量控制器(1-4)，输入燃料进气管(1-3)；开启伴 流空气气瓶及压力控制阀(1-8)后，空气通过伴流空气质量流量控制器(1-7)，输入伴流 空气进气管(1-6)；受舱室体积限制，在不进行伴流时，需要从压盖式下法兰盘(1-20)设 计的平衡气源进气管(1-9)输入空气从而保证舱室内的压力达到动态稳定平衡的状态，在 进行伴流时，则可以将预留的管螺纹封堵；进入舱室内部的燃料采用高压电弧点火装置 (1-17)点燃；水环泵及止回控制装置(1-13)抽取低压舱室内腔(1-1)内的气体，可以 实现舱室内的低压环境，同时有压力探头(1-12)探测舱内压力并反馈给PLC面板中的压力 控制，实现动态平衡；为了操作时的安全在快卸式上法兰盘(1-19)处焊接了安全阀(1-11)， 并且集成了相应的控制按钮在PLC控制面板上，可以在火焰非正常情况熄灭时自动断气。在 低压舱室内腔(1-1)的中间，距离压盖式下法兰盘(1-20)25cm处，安装有三个直径为10cm 的石英观察窗(1-14)，均为镶嵌在凸起法兰盘上的石英玻璃，观察窗的中心位置与低压舱 中心轴的连线两两夹角为90°，垂直放置的石英观察窗与下边缘与中心处的燃烧器喷口的上 边缘齐平；在每个观察窗凸出的环形不锈钢体上，有一个用于清洗吸附在石英观察窗的清洗 用的N₂管路(1-15)，与燃料进气部分相似，N₂由专用气体输运管与N₂气瓶及压力控制阀(1-16) 连接、和N₂气瓶及压力控制阀(1-16)；所有的压力控制，流量控制等均整合在PLC操作面 板(1-18)上，整个实施过程中可以通过PLC面板实现实时的操控。

如图2所示，为低压舱主体舱室部分剖面图，此图不包含燃料、空气等的气瓶及质量流 量控制器。其中在低压舱室内腔2-1的快卸式上法兰盘2-6距离中心点2cm处设置有安全阀 2-2；在舱身距离压盖式下法兰盘2-7的位置镶嵌有三个直径为10cm的观察窗2-3；气体燃 烧器包含了气体燃烧器喷嘴2-4、伴流空气进气管口2-8及燃料气体进气管口2-9，两套管 路套装而成；在压盖式下法兰盘2-7中心点距离3cm处有一调压气体进气口2-5，通过此进 气口，平衡舱内气压的气源可以输入；

如图3所示，为燃烧器内部剖面图，燃烧器为两层套管，中心处为燃料进气口及管路3-2， 外层为伴流空气进气口及管路3-3，为了使气体流出喷口时匀速，在管路中填塞了烧结金属 屑。

使用本装置时，采取以下步骤：

(1)首先打开顶部快卸法兰盘，将校准工装卡在燃烧器口；将外加光学校准板卡放在 工装上，进行光学校准；

(2)校准后，取下校准工装，并将法兰盘还原，然后检查舱室的密封性；

(3)利用PLC控制面板设置目标压力后，开启水环真空泵，抽取低气压；

(4)到达目标压力并稳持一段稳定压力后，旋开燃料气瓶，同时开启流量控制器，使 燃料随管路进入仓内腔，打开高压电弧点火器，出现小而稳的层流射流火焰；

(5)根据燃料流量，旋开伴流空气气瓶及空气流量控制器，调节至对应的空气流量， 火焰稳定；

(6)光学仪器发射出的片光源透过0°观察窗，并由科研级高速摄像机通过90°观察 窗捕捉不同流量的火焰图像。

整个过程的压力，由PLC控制及显示系统监控。管路均设有安全保护，可以防止回流， 如发生紧急情况，可以将急停按钮按下。保证操作人员的安全。