一种获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置及方法与流程

本发明涉及一种研究碳烟颗粒破碎特性的装置及方法，尤其涉及一种可以获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置及方法。

背景技术

粒径和数浓度作为碳烟颗粒物排放的重要指标之一，与人体健康和大气环境息息相关。因此在汽车发动机控制颗粒物质量排放的同时，对于粒数浓度排放要求日趋严格，而在燃烧过程中碳烟颗粒的破碎特性是影响碳烟微粒粒径及数浓度的重要原因。碳烟微粒团聚物和碳烟微粒的单个粒子在燃烧过程中由于氧化诱导的作用，会导致碳烟微粒团聚物连接处及碳烟微粒单个粒子发生破碎，产生更小碳烟微粒团聚体和更多的超细碳烟微粒。超细碳烟微粒中不仅含有更多致畸和致癌物质，而且更容易通过人体的呼吸系统进入到血液中，对人类身体健康产生巨大危害。到目前为止，在燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性还鲜为人知，因此开发一种获取燃烧过程中碳烟破碎特性的装置及方法势在必行。

技术实现要素：

针对现有技术，为了开展碳烟破碎机特性研究，本发明提供一种获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置，该装置采用特制的预混燃烧器、气溶胶发生器热处理器和粒径谱仪，可以用于研究碳烟颗粒在火焰燃烧过程中破碎特性。

为了解决上述的技术问题，本发明提出一种获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置，包括电脑控制系统，气溶胶发生器，热处理器，气体混合器，粒径谱仪，毛细管取样系统，预混燃烧器，位移台和恒温水箱；所述预混燃烧器包括圆柱形的主体，所述主体内设有盘管，所述盘管连接至所述恒温水箱；所述主体的外径为65mm，所述主体的上表面自内向外依次同心的布置有金属烧结板i，中心钢管和金属烧结板ii,所述金属烧结板i的直径为30mm，所述金属烧结板i布满有0.5微米的进气孔隙，所述金属烧结板i镶嵌在所述中心钢管内，所述中心钢管的壁厚为0.3mm，所述金属烧结板ii环绕在所述中心钢管的外周，所述金属烧结板ii布满有0.2微米的进气孔隙；所述金属烧结板i与所述中心钢管之间、所述中心钢管与所述金属烧结板ii之间均为过盈配合；所述金属烧结ii的进气孔隙通过连接管路连接至一氩气气瓶，所述连接管路上设有流量计；所述金属烧结板i的进气孔隙与所述气体混合器的出口端相连，所述气体混合器包括第一进气端和第二进气端，所述第一进气端与一进气管路的一端相连，所述进气管路的另一端通过并联的两条支路连接至燃料气体气瓶和氧气气瓶，两条连接支路上均设有流量计；所述第二进气端与所述气溶胶发生器的出口端相连，所述气溶胶发生器的进口端通过连接至氮气气瓶，该连接管路上设有流量计；所述第二进气端与所述气溶胶发生器的出口端相连的管路a上通过一个三通阀门连接有一与所述管路a并联的旁路b，所述热处理器设置在旁路b上；所述预混燃烧器固定在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，实现预混燃烧器水平和竖直方向的移动；所述毛细管取样系统包括液氮钢瓶、冷氮气流量计、毛细管探针、真空泵和控制器，所述毛细管探针布置在所述预混燃烧器的正上方；所述毛细管探针的一端通过液氮管路连接至液氮钢瓶；所述毛细管探针的另一端与通过三通分别与所述粒径谱仪的进口端和所述真空泵的进口端相连；上述位移台、热处理器和粒径谱仪及所有的流量计均与所述电脑控制系统相连，所述电脑控制系统用于控制进入所述预混燃烧器中的所有气体气体的流量和燃烧火焰的取样位置及所述热处理器的温度。

进一步讲，本发明中的所述毛细管探针的材质为304不锈钢，其直径为6.35mm，壁厚为1.12mm，所述毛细管探针中端的取样微孔的直径为0.128mm。

利用上述获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的方法，将平均粒径为65nm的u型碳装进所述气溶胶发生器内，并包括以下步骤：

步骤一、设定参数，至少包括设定：氩气气瓶、燃料气体气瓶、氮气气瓶和氧气气瓶的气瓶压力、气体燃料种类、恒温水箱的温度、毛细管探针在火焰中的高度，打开粒径谱仪；通过调节所述位移台的位置，使所述预混燃烧器的火焰中心的水平投影与所述毛细管探针中端的取样微孔的水平投影重合；

步骤二、控制三通阀门，将旁路b关闭，所述气溶胶发生器的气路由管路a直接进入气体混合器；

步骤三、设置各流量计的流速，打开各气瓶的阀门，设置气溶胶发生器的发尘量，同步打开真空泵的阀门和液氮钢瓶的阀门稀释冷氮气；点燃燃料气体，待燃烧工况稳定后，控制粒径谱仪持续1min对碳烟微粒的粒径分布、数浓度进行采样分析；每完成一次碳烟微粒的采样分析后，调整位移台的高度，实现在火焰高度为5mm到25mm范围内不同高度的取样，从而获得一组碳烟微粒的粒径分布及数浓度的数据；

步骤四、控制三通阀门，将旁路b导通，打开热处理器，所述气溶胶发生器的气路通过旁路b进入热处理器，再重复一遍步骤三；最终获得两组碳烟微粒的粒径分布、数浓度数据，其中，将旁路b中断的情况下获得的碳烟微粒的粒径分布及数浓度数据记为第一组数据,将旁路b导通的情况下获得的碳烟微粒的粒径分布及数浓度数据记为第二组数据；

步骤五、用粒径谱仪对碳烟进行在线分析获得的第一组数据和第二组数据进行对比分析，从而获得在燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性以及经过热处理器后碳烟微粒在燃烧过程中碳烟微粒破碎特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)实现了在富氧条件下碳烟微粒破碎特性的研究；

(2)可以实现对火焰中碳烟微粒的粒径分布及数浓度进行实时在线分析，减少了试验误差；

(3)通过热处理器的添加，获得了碳烟微粒中挥发性有机物对其破碎特性的影响；

(4)在气体混合器中实现了各种气体与碳烟微粒的均匀混合，使得预混燃烧器中形成火焰更加稳定。

本发明可实现碳烟颗粒在燃烧过程中破碎特性的研究，该研究可提高模型中对碳烟微粒粒径分布的预测精度，完善和丰富在燃烧过程中碳烟微粒氧化诱导机理，为进一步控制燃烧过程中碳烟排放提供理论依据。

附图说明

图1为本发明获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置的示意框图；

图2为本发明中毛细管取样系统的示意框图；

图3本发明中预混燃烧器的金属烧结板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种获取燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的装置，包括电脑控制系统1，气溶胶发生器2，热处理器3，气体混合器4，粒径谱仪5，毛细管取样系统6，预混燃烧器7，位移台8和恒温水箱9。

所述预混燃烧器7包括圆柱形的主体71，所述主体71内设有盘管，所述盘管连接至所述恒温水箱9，以保持混合气体温度恒定；所述主体71的外径为65mm，如图3所示，所述主体71的上表面自内向外依次同心的布置有金属烧结板i72，中心钢管73和金属烧结板ii74,所述金属烧结板i72的直径为30mm，所述金属烧结板i72布满有0.5微米的进气孔隙，使气溶胶中碳烟颗粒能够通过且燃烧气体流通均匀，以形成稳定的燃烧火焰；所述金属烧结板i72镶嵌在所述中心钢管73内，所述中心钢管73的壁厚为0.3mm，所述金属烧结板ii74环绕在所述中心钢管73的外周，所述金属烧结板ii74布满有0.2微米的进气孔隙，形成稳定的保护气体防止外界环境对火焰造成扰动，减小试验误差；所述金属烧结板i72与所述中心钢管73之间、所述中心钢管73与所述金属烧结板ii74之间均为过盈配合；所述金属烧结ii74的进气孔隙通过连接管路连接至一氩气气瓶13，所述连接管路上设有流量计17；所述金属烧结板i72的进气孔隙与所述气体混合器4的出口端相连。

所述气体混合器4包括第一进气端41和第二进气端42，所述第一进气端41与一进气管路的一端相连，所述进气管路的另一端通过并联的两条支路连接至燃料气体气瓶10和氧气气瓶11，两条连接支路上均设有流量计；所述第二进气端42与所述气溶胶发生器2的出口端相连，通过气溶胶发生器2发出的u型碳与混合气体在气体混合器4中充分混合均匀，形成均质含碳质颗粒物的混合气；所述气溶胶发生器2的进口端通过连接至氮气气瓶12，该连接管路上设有流量计16；所述第二进气端42与所述气溶胶发生器2的出口端相连的管路a上通过一个三通阀门连接有一与所述管路a并联的旁路b，所述热处理器3设置在旁路b上，通过热处理器3加热可以实现碳烟颗粒挥发性有机物的去除，进而可以进一步研究碳烟微粒的挥发性有机物对其破碎特性的影响；控制三通阀门，将旁路b关闭，可实现将含有挥发性有机物的碳烟微粒通入到气体混合气4中；控制三通阀门，将旁路b打开，可实现将去除挥发性有机物的碳烟微粒通入到混合气4中；通过三通阀门的控制，可以简便易行的实现挥发性有机物对碳烟微粒破碎特性的影响。

所述预混燃烧器7固定在所述位移台8上，所述位移台8由两个步进电机控制，实现预混燃烧器7水平和竖直方向的移动，达到毛细管探针精准取样的要求。

如图2所示，所述毛细管取样系统6包括液氮钢瓶61、冷氮气流量计62、毛细管探针63、真空泵64和控制器65，所述毛细管探针63布置在所述预混燃烧器7的正上方；所述毛细管探针63的一端通过液氮管路连接至液氮钢瓶61；所述毛细管探针63的另一端与通过三通分别与所述粒径谱仪5的进口端和所述真空泵64的进口端相连；所述毛细管探针63的材质为304不锈钢，其直径为6.35mm，壁厚为1.12mm，所述毛细管探针63中端的取样微孔的直径为0.128mm。在打开真空泵64后在所述的毛细管探针63中端上的取样微孔会形成负压，将火焰中的碳烟微粒吸允到所述的毛细管探针中。

上述位移台8、热处理器3和粒径谱仪5及所有的流量计均与所述电脑控制系统1相连，所述电脑控制系统1用于控制进入所述预混燃烧器7中的所有气体的流量和燃烧火焰的取样位置及所述热处理器3的温度。

下面以一实施例详细说明利用上述装置获得燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性的过程。

将平均粒径为65nm的u型碳装进所述气溶胶发生器2内，其工况条件包括：本发明中选择甲烷作为气体燃料，由于甲烷燃料具有较高的氢碳比值，在燃空当量比小于1的条件下不生成碳烟微粒，进而避免了对u型碳在火焰中破碎特性的影响；氩气气瓶13、燃料气体气瓶10、氮气气瓶12和氧气气瓶11的气瓶压力均设为0.3mpa,恒温水箱9的温度为25℃，毛细管探针63在火焰中的高度为5mm，打开粒径谱仪5的热机；通过调节所述位移台8的位置使预混燃烧器7火焰中心的水平投影与毛细管探针63中端的取样微孔的水平投影重合。

接下来控制三通阀门，将旁路b关闭，气溶胶发生器2发出的u型碳由管路a直接进入气体混合器4；打开各气瓶阀门，设置甲烷流量计、氧气流量计、氮气流量计、冷氮气流量计和氩气流量计的流速分别为0.6l/min、1.5l/min、5.6l/min、25l/min和30l/min；气溶胶发生器2的供给速度为2mm/min,供给钢刷的旋转速度为1000r/min(气溶胶发生器2的供给速度和钢刷的旋转速度决定了气溶胶发生器2的发尘量)，同步打开真空泵64和液氮钢瓶61的阀门稀释冷氮气，点燃燃烧气体，待燃烧工况稳定后，控制粒径谱仪持续1min对碳烟微粒的粒径分布、数浓度进行采样分析；每完成一次碳烟微粒的采样分析后，调整位移台8的高度依次实现在5mm、10mm、15mm、20mm和25mm火焰高度处取样，从而获得一组碳烟微粒的粒径分布及数浓度的数据；

接下来控制三通阀门，将旁路b导通，打开热处理器3，热处理温度设置为350℃，然后按照上述相同的方法依次完成在火焰高度在5mm、10mm、15mm、20mm和25mm处的取样分析；最终获得两组碳烟微粒的粒径分布、数浓度数据，其中，将旁路b中断情况下获得的碳烟微粒的粒径分布及数浓度数据记为第一组数据,将旁路b导通情况下获得的碳烟微粒的粒径分布及数浓度数据记为第二组数据；

步骤五、用粒径谱仪5对碳烟进行在线分析获得的第一组数据和第二组数据进行对比分析，从而获得在燃烧过程中碳烟颗粒破碎特性以及经过热处理器后碳烟微粒在燃烧过程中碳烟微粒破碎特性。

对第一组数据进行分析，分析结果发现在火焰高度为10mm和15mm处，其平均粒径要小于其他火焰高度(5mm、20mm和25mm)，而其小于20nm粒径的数浓度要明显大于其他火焰高度，说明在火焰高度为10mm和15mm处碳烟发生破碎；将第二组数据的火焰高度为10mm和15mm的粒径分布和数浓度数据与第一组数据进行对比分析，结果发现第二组数据中火焰高度为10mm和15mm处要比第一组数据中相同火焰高度处的平均粒径要小，而其小于20nm粒径的数浓度要大，说明经过热处理方法去除u型碳的挥发性有机物后更加有益于其破碎特性的发生。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。