專利名稱：開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒實驗裝置，特別涉及粉塵_空氣預(yù)混連續(xù)燃燒實驗裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展使得粉末技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，粉末產(chǎn)物種類日益增多。在粉末的加工、運輸、儲存等工藝中不可避免地會產(chǎn)生粉塵，這些有含塵的場所或設(shè)備就存在著發(fā)生粉塵燃燒或爆炸的危險。產(chǎn)生粉塵的行業(yè)涉及到了農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、紡織業(yè)、化工業(yè)等，其中粉塵爆炸事故主要發(fā)生在谷物加工、煤炭開采、紡織及冶金工業(yè)中。研究這些行業(yè)中產(chǎn)生的可燃性粉塵的燃燒性和爆炸性對工業(yè)生產(chǎn)安全起十分重要作用，因為只有了解清楚其各種特性才能夠有效防范粉塵燃燒和爆炸事故的發(fā)生。通?？扇夹苑蹓m分為以下6大類金屬性粉塵，如鐵、鋁、鎂、錫、鉛、錳、鋅、鈹、鋯等金屬及其化合物；礦物性粉塵，如煤粉；植物性粉塵，如棉、亞麻、甘蔗、谷物、木材、茶等的粉狀物；動物性粉塵，如獸毛、羽毛、骨質(zhì)、角質(zhì)等的粉狀物；人工合成有機(jī)粉塵，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、合成纖維、 合成橡膠、合成樹脂、合成藥物等的粉狀物；火炸藥類粉塵，如TNT、黑火藥、氯酸鉀、硝酸銨寸?，F(xiàn)有技術(shù)中，對粉塵燃燒、爆炸方面的研究主要集中在兩個方面其中一方面是對粉塵爆炸現(xiàn)象的研究。目前國際上研究粉塵爆炸的測試裝置有Im3爆炸球試驗裝置、20L爆炸球試驗裝置、粉塵層和粉塵云著火溫度測試裝置、點火能和比電阻測試裝置。另外對粉塵爆炸的研究，不同研究機(jī)構(gòu)的實驗手段和研究的側(cè)重點不同。我國東北大學(xué)建成了我國最大的地上粉塵爆炸試驗場，包括6m3、90m3等大型爆炸試驗裝置，可進(jìn)行爆炸泄壓、爆炸抑制和爆炸阻隔等多種爆炸試驗。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院建立了氣體粉塵爆炸特性試驗室、煤塵爆炸性鑒定中心站、氣體粉塵激波實驗室等。南京理工大學(xué)著重研究粉塵爆炸、凝聚態(tài)物質(zhì)、火炸藥的爆炸。中國礦業(yè)大學(xué)側(cè)重研究煤塵爆炸和煤與瓦斯共混爆炸。另一方面是對粉塵云燃燒過程中火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象的研究。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室在粉塵云瞬間燃燒的火焰?zhèn)鞑パ芯糠较蛘归_了大量的研究工作，研究了 PMMA粉、鋁粉、鎂粉、鐵粉、鋯粉、煤粉與瓦斯共混的粉塵云瞬間燃燒的火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象。粉塵被氣流瞬間吹噴拋撒，在受限空間中形成濃度均勻的粉塵云，高壓電火花點火提供初始能量引燃粉塵云，該套實驗系統(tǒng)側(cè)重于研究粉塵云瞬間燃燒的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，并且是在受限空間中。除了挖掘粉塵云瞬間燃燒的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，對粉塵云連續(xù)燃燒規(guī)律的探索也是粉塵云燃燒的一個重要分支。已有研究粉塵連續(xù)燃燒所用的燃燒器一般都是受限容器，即粉塵懸浮在密閉空間中燃燒，例如鍋爐。這類密閉燃燒器不利于觀察粉塵在氣流中的懸浮狀態(tài)和燃燒時的火焰特征，并且器壁有阻火焰成長，為此有必要對粉塵云在開放空間中的連續(xù)燃燒現(xiàn)象展開研究。
目前國內(nèi)外對粉塵云在開放空間中連續(xù)燃燒的研究很少。從報道的情況看，國外少數(shù)機(jī)構(gòu)為研究開放空間粉塵云連續(xù)燃燒而建造的氣固兩相自由射流裝置的設(shè)計原理和方法也不相同。Shoshin，Dreizin根據(jù)粒子靜電原理設(shè)計了產(chǎn)生金屬氣溶膠的實驗裝置，燃燒介質(zhì)為粉塵顆粒和空氣，燃燒方式屬于氣固預(yù)混燃燒(Aerosol Science and Technology，2002)。Goroshin，Risha等根據(jù)電動推桿送料原理建立了產(chǎn)生本生燈型預(yù)混粉塵火焰的裝置，燃燒介質(zhì)為粉塵顆粒和空氣，燃燒方式屬于氣固預(yù)混燃燒(Combustion and Flame, 1996 ；43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2005)。這兩種氣固預(yù)混燃燒實驗裝置均為粉塵顆粒和空氣一次混合，燃燒裝置出口僅為一個單管，火焰形狀和火焰面積單一，不能深入研究大面積粉塵云在開放空間連續(xù)燃燒時的火焰特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種開放空間粉塵連續(xù)吹噴燃燒實驗系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提出的一種開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)，它由進(jìn)料系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣-粉混合系統(tǒng)、燃燒器和點火系統(tǒng)構(gòu)成；所述燃燒器包括一個漏斗狀混合腔、輸運燃燒混合物的管束陣列和支架；所述支架包括支架面板、側(cè)板和底板，側(cè)板的兩端分別與支架面板和底板固定連接，支架面板上設(shè)置有通孔，底板上設(shè)置有螺孔；所述漏斗狀混合腔的上開口處與支架底板密封連接，其下頸部與連接氣-粉混合系統(tǒng)的管道密封連接；所述管束陣列是由多根圓柱形金屬管組成，金屬管的下端部設(shè)置有與底板上的螺孔相配合的外螺紋，每根金屬管均穿過支架面板上的孔并由底板上的螺孔固定，其軸線與漏斗狀混合腔中軸線平行，每根金屬管的下端口與漏斗狀混合腔連通、上端口與外部環(huán)境空間連通；所述點火系統(tǒng)的噴火口能伸入到金屬管上端口的有效點火區(qū)域內(nèi)。在實際使用中，可以在金屬管的頂部設(shè)置內(nèi)螺紋，用相同口徑的外螺紋堵頭進(jìn)行封堵，或者在外螺紋堵頭上加工有小直徑孔，用來改變出風(fēng)口管束陣列的布局及出口的大小，以滿足不同實驗的需要。為使用的需要，可以在支架面板上設(shè)置一個接塵托盤，在該接塵托盤上設(shè)置有能穿過金屬管的孔，使金屬管上端伸入到該孔中，燃燒區(qū)域在接塵托盤的上方，以方便承接落下的粉塵燃燒產(chǎn)物。本發(fā)明所述的四個子系統(tǒng)進(jìn)料系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣-粉混合系統(tǒng)和點火系統(tǒng)均來自現(xiàn)有技術(shù)。其中進(jìn)料系統(tǒng)包括變頻器、電動機(jī)、減速機(jī)、粉倉、微型螺旋。進(jìn)氣系統(tǒng)包括壓縮空氣瓶、輸風(fēng)管道、控制閥門和流量計。在實際使用中，為實現(xiàn)風(fēng)速穩(wěn)定，在進(jìn)氣系統(tǒng)的壓縮空氣瓶和控制閥門之間設(shè)置儲氣罐，確保向氣固噴射器提供壓力穩(wěn)定的進(jìn)氣風(fēng)流。儲氣罐前設(shè)置增加氧氣瓶管路，在儲氣罐內(nèi)配比氧氣來改變進(jìn)氣風(fēng)流的含氧量。控制閥門為刻度盤球閥，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度定量標(biāo)定閥門開啟的大小。氣-粉混合系統(tǒng)由氣固噴射器構(gòu)成。點火系統(tǒng)包括液化氣罐、減壓閥、噴火槍和高壓軟管。它們和燃燒器共同配合實現(xiàn)粉塵云的連續(xù)燃燒。本發(fā)明的管束陣列，可以形成大面積出口粉塵，管束陣列的每根金屬管的管徑小對粉塵火焰有阻燃作用，不會發(fā)生回火現(xiàn)象，因此，既能產(chǎn)生大面積火焰又能保證安全性。所述的混合腔，它按風(fēng)流流動方向漸擴(kuò)，一方面減少了因管道的截面驟然由小變大引起的阻力損失，另一方面風(fēng)流在混合腔內(nèi)高速流動，使得粉塵和氣體在氣_粉混合系統(tǒng)中完成一次混合后，又在混合腔中進(jìn)行二次混合，能更好地保證燃燒器出口粉塵云濃度均勻。所述堵頭的設(shè)計，使得在同一燃燒器上可以得到多種火焰形狀和火焰面積。管束陣列的金屬管螺紋安裝，既保證了燃燒器的密封性，又便于拆卸更換。管束陣列可以在幾十秒內(nèi)承受 2600°C以下的高溫，更高的溫度還有待測試。本發(fā)明的實驗系統(tǒng)規(guī)模小，屬于小尺寸裝置， 故粉體燃料用量少，即使測試高能粉狀固體燃料的燃燒，在正確操作下，不會有發(fā)生爆炸的危險，運轉(zhuǎn)安全可靠。本發(fā)明不僅可用于低熱值可燃粉塵燃燒，還可用于質(zhì)量熱值和體積熱值比較高的可燃粉塵燃燒。本發(fā)明可用以研究微米級和納米級的可燃性粉塵云連續(xù)預(yù)混燃燒，包括谷物粉塵；煤塵；煙花工業(yè)中的閃光頂粉末、閃光頂信號、焰火粉狀燃料；軍事工業(yè)中的炮彈、導(dǎo)火管、炸彈的信管粉狀燃料；航空工業(yè)中的固體火箭發(fā)動機(jī)里的高能固體推進(jìn)劑粉狀燃料。本發(fā)明實現(xiàn)了開放空間可燃性粉塵云連續(xù)預(yù)混燃燒，提供了探索開放空間粉塵云連續(xù)氣固兩相流場的火焰?zhèn)鞑ゼ拜d粒流燃燒的研究平臺。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2是燃燒器的管束陣列和支架結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是燃燒器的銅管與底座的連接示意圖； 圖4是燃燒器的管束陣列和支架結(jié)構(gòu)示意圖立體圖。圖5是燃燒器的管束陣列示意圖俯視圖； 圖6是燃燒器的混合腔結(jié)構(gòu)示意圖側(cè)視圖； 圖7是燃燒器的混合腔結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖； 圖8是燃燒器的混合腔結(jié)構(gòu)示意圖立體圖； 圖9是燃燒器的接塵托盤結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖； 圖10是燃燒器的接塵托盤結(jié)構(gòu)示意圖側(cè)視圖； 圖11是燃燒器的接塵托盤結(jié)構(gòu)示意圖立體圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1為本發(fā)明開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)，由進(jìn)料系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、 氣_粉混合系統(tǒng)、燃燒器和點火系統(tǒng)構(gòu)成。參見圖1，進(jìn)料系統(tǒng)包括變頻器1、電動機(jī)2、減速機(jī)3、粉倉4、微型螺旋5。電動機(jī) 2的輸入端連接變頻器1，輸出端連接減速機(jī)3的輸入端。減速機(jī)3的輸出端連接微型螺旋 5的進(jìn)口端。微型螺旋5進(jìn)口端上部連接粉倉4，微型螺旋5的出料口 31與氣固噴射器的落料管6法蘭密封連接。在變頻器1的控制下微型螺旋5的螺桿轉(zhuǎn)速范圍5-49 r/min,實際給粉量范圍0. 57-4. 95 g/s，能實現(xiàn)均勻連續(xù)供料，具有流量穩(wěn)定、密封性好的特點。毫米級和微米級的微粒均可在本裝置輸送。參見圖1，進(jìn)氣系統(tǒng)包括壓縮空氣瓶7、儲氣罐8、控制閥門9、流量計10和輸風(fēng)管道11。壓縮空氣瓶7通過耐壓軟管連接儲氣罐8，儲氣罐8通過輸風(fēng)管道11連接氣固噴射器的噴嘴13。輸風(fēng)管道11上設(shè)置有控制閥門9和流量計10。控制閥門9為刻度盤球閥， 閥門開啟大小可根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度定量標(biāo)定，以確保同樣工況下閥門開啟角度準(zhǔn)確。當(dāng)閥門全部開啟，進(jìn)氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，風(fēng)量范圍4. 4-12. 4 m3/h，對應(yīng)燃燒器管束19出口風(fēng)速為 0.494-2. 197 m/s。儲氣罐8前可以增加氧氣瓶及相應(yīng)管路，在儲氣罐8內(nèi)配比氧氣來改變進(jìn)氣風(fēng)流中的含氧量。參見圖1、圖6，氣-粉混合系統(tǒng)是由氣固噴射器來實現(xiàn)固體顆粒與氣流的充分混合。氣固噴射器包括接受室12、噴嘴13、收縮管段14、喉管15、擴(kuò)散管段16和落料管6。接受室12的上壁密封焊接有落料管6，接受室12相對的兩側(cè)壁上分別密封焊接有噴嘴13和收縮管段14，噴嘴13的出口置于落料管6縱向中心線之后，距收縮管段14的入口一定距離。收縮管段14、喉管15和擴(kuò)散管段16加工焊接成一體，擴(kuò)散管段16出口與連接燃燒器的管道17入口密封焊接，焊接處拋光處理，保證內(nèi)壁光滑。連接燃燒器的管道17出口與混合腔底板四法蘭密封連接。參見圖1至圖11，燃燒器由混合腔18、管束陣列19、支架和接塵托盤20組成。支架包括支架面板23、側(cè)板M和底板25，側(cè)板M的兩端分別與支架面板23和底板25焊接， 支架面板23上設(shè)置有孔，底板25上設(shè)置有螺孔。接塵托盤20固定在支架面板23上，底盤上設(shè)置有孔30?；旌锨?8由支架面板沈、側(cè)板27、斜板觀和底板四密封焊接構(gòu)成，其腔體為漏斗狀，上開口處支架面板26與支架底板25法蘭連接，下頸部處底板四與氣-粉混合系統(tǒng)的管道17法蘭密封連接。管束陣列19由225個內(nèi)徑4mm，壁厚2mm，長350mm的圓柱形銅管組成。225個銅管按15行15列布置成正方形。銅管的下端部設(shè)置有與支架底板 25上的螺孔相配合的外螺紋。每根銅管均穿過接塵托盤20和支架面板23上的孔并由支架底板25上的螺孔固定，其軸線與漏斗狀混合腔18中軸線平行。螺旋安裝起到了固定和密封的雙重作用。每根銅管的下端口與漏斗狀混合腔18連通、上端口與外部環(huán)境空間連通， 所述點火系統(tǒng)的噴火口能伸入到銅管上端口的有效點火區(qū)域內(nèi)。銅管頂部設(shè)置有內(nèi)螺紋， 用相同口徑的外螺紋堵頭進(jìn)行封堵，可以改變出風(fēng)口管束的布局及出口的大小。接塵托盤 20用于承接落下的粉塵燃燒產(chǎn)物。參見圖1，點火系統(tǒng)包括液化氣罐21、噴火槍22和高壓軟管。液化氣罐21與噴火槍22通過高壓軟管相連。噴火時依次打開液化氣罐21的總閥門、減壓閥和噴火槍22上的微調(diào)閥，用打火機(jī)火焰引燃噴火槍22上噴火口處溢出的液化氣，形成穩(wěn)定的液化氣擴(kuò)散火焰。噴火槍22的槍管的設(shè)計長度應(yīng)能保證避免操作人員距火源過近的危險。液化氣擴(kuò)散火焰大小可通過微調(diào)閥調(diào)整。進(jìn)料系統(tǒng)與進(jìn)氣系統(tǒng)垂直布置以便于安裝和實驗操作。本發(fā)明運行時，通過改變變頻器1的頻率來控制電動機(jī)2的轉(zhuǎn)速，由減速機(jī)3來帶動微型螺旋5運轉(zhuǎn)。微型螺旋5運轉(zhuǎn)時，粉倉4中的粉體通過轉(zhuǎn)動的螺旋被連續(xù)旋轉(zhuǎn)送至螺桿末端，并通過出料口 31落入落料管6中。壓縮空氣7經(jīng)儲氣罐8和輸風(fēng)管道11將高速氣流送入氣固噴射器，通過改變儲氣罐8的初始壓力和球閥9開啟狀態(tài)來改變管束19 的出口風(fēng)速。從噴嘴13高速噴射出來的空氣在接受室12內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，固體粉料在自重力和負(fù)壓引力的作用下進(jìn)入噴射器接受室12，并在氣體射流的卷吸和攜帶作用下進(jìn)入收縮管段14和喉管15。在這兩個管段中，含粉氣流進(jìn)一步混合均勻，而后經(jīng)擴(kuò)散管段16增壓之后經(jīng)過輸風(fēng)管道17進(jìn)入混合腔18，在混合腔18內(nèi)進(jìn)行二次充分混合后進(jìn)入管束陣列19中，含粉氣流從管束陣列19噴出后形成一定濃度的粉塵云，在外部火源點燃下形成穩(wěn)定的粉塵云火焰。管束陣列19的銅管可根據(jù)實驗工況進(jìn)行封堵，以形成不同的火焰形狀和火焰面積。利用組建的高速和紋影攝像系統(tǒng)拍攝粉塵云連續(xù)燃燒過程的高速圖片(自發(fā)光和紋影圖片)的同時，結(jié)合熱電偶探測技術(shù)、高溫紅外熱像儀，總輻射熱流計探測火焰的最高溫度、溫度分布特性、輻射熱流密度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于燃燒學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)理論，研究分析粉塵云連續(xù)燃燒的基本特性(燃燒反應(yīng)區(qū)的特性、最高火焰溫度以及火焰附近的溫度分布規(guī)律、輻射熱流密度分布規(guī)律等)，研究火焰精細(xì)結(jié)構(gòu)及探索粒子在氣流中的運動和燃燒。
權(quán)利要求
1.一種開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)，它由進(jìn)料系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣-粉混合系統(tǒng)、燃燒器和點火系統(tǒng)構(gòu)成；其特征在于所述燃燒器包括一個漏斗狀混合腔、輸運燃燒混合物的管束陣列和支架；所述支架包括支架面板、側(cè)板和底板，側(cè)板的兩端分別與支架面板和底板固定連接，支架面板上設(shè)置有通孔，底板上設(shè)置有螺孔；所述漏斗狀混合腔的上開口處與支架底板密封連接，其下頸部與連接氣-粉混合系統(tǒng)的管道密封連接；所述管束陣列是由多根圓柱形金屬管組成，金屬管的下端部設(shè)置有與底板上的螺孔相配合的外螺紋，每根金屬管均穿過支架面板上的孔并由底板上的螺孔固定，其軸線與漏斗狀混合腔中軸線平行，每根金屬管的下端口與漏斗狀混合腔連通、上端口與外部環(huán)境空間連通。
2.如權(quán)利要求1所述的開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬管的頂部設(shè)置內(nèi)螺紋，用相同口徑的外螺紋堵頭進(jìn)行封堵，或者在外螺紋堵頭上加工有小直徑孔。
3.如權(quán)利要求1所述的開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述支架面板上設(shè)置有一個接塵托盤，在該接塵托盤上設(shè)置有能穿過金屬管的孔，使金屬管上端伸入到該孔中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種開放空間粉塵連續(xù)吹噴預(yù)混燃燒實驗系統(tǒng)。它由進(jìn)料系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣-粉混合系統(tǒng)、燃燒器和點火系統(tǒng)構(gòu)成。所述燃燒器包括一個漏斗狀混合腔、輸運燃燒混合物的管束陣列和支架。漏斗狀混合腔的上開口處與支架底板密封連接，其下頸部與連接氣-粉混合系統(tǒng)的管道法蘭密封連接；管束陣列是由多根圓柱形金屬管組成，每根管的下端口與漏斗狀混合腔連通、上端口與外部環(huán)境空間連通。本發(fā)明粉塵和氣體的兩次混合，保證了燃燒器出口粉塵濃度均勻；實現(xiàn)了在同一燃燒器上得到多種火焰形狀和火焰面積，提供了深入研究開放空間粉塵云連續(xù)氣固兩相流場的火焰?zhèn)鞑ゼ拜d粒流燃燒的實驗平臺。
文檔編號G01N31/12GK102323374SQ201110153130
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者孫金華, 王秋紅 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)