[發明專利]一種可視化的加壓離散顆粒反應動力學實驗系統

有效

• 申請號: 201910186902.1
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN109991228B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 栗晶;陳前云;王昱升;張泰;柳朝暉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N25/12;G01N25/22;G01N25/28;G01N25/38;G01N33/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 尚威;李智

本發明公開了一種可視化的加壓離散顆粒反應動力學實驗系統，屬于固體燃料顆粒著火、燃燒和氣化等反應動力學特性研究的領域。該系統通過在壓力容器上開設光學視窗，并采取配有雙層方形石英管的平面火焰燃燒器作為熱源，可實現在高溫高壓環境下對固體燃料顆粒反應過程的可視化監測。通過連續激光與高速攝像的配合，可以對顆粒從冷態加熱到熱態著火發光到反應殆盡的整個過程的細觀形貌及亮度演變進行連續在線觀測，有利于后續通過數據處理得到著火延遲時間、著火溫度、顆粒溫度變化和顆粒反應速率等特性參數。

技術領域

本發明屬于固體燃料顆粒的著火、燃燒和氣化等反應動力學特性研究領域，涉及一種可視化的加壓實驗系統，更具體地，涉及一種可視化的加壓離散顆粒反應動力學實驗系統。

背景技術

微米、納米粉體燃料的著火、燃燒和氣化等反應動力學特性，對于燃燒裝置的設計具有重要的參考意義。在實際應用中，粉體反應往往處在比較極端的高溫高壓環境中，這些環境是目前大多數實驗室設備難以達到的。因此，亟需一種可以模擬燃料顆粒在極端的高溫高壓環境下著火燃燒，并能對其過程進行準確有效的監測的實驗系統。

目前已有多種不同類型的加壓實驗系統，如加壓熱重分析儀、加壓滴管爐、加壓固定床和加壓平面火焰攜帶流式反應器等，但這些系統均存在局限性：加壓熱重只能研究靜止狀態下的顆粒燃燒，且加熱溫度低(一般低于1273K)，加熱速率慢(3-200K/min)；加壓滴管爐可達到高溫高壓的環境，但其加熱速率最高只能達到10³-10⁴K/s；加壓固定床反應物多為大顆粒或堆積粉層，且溫度一般也在723-1273K之間，與實際應用有較大差距。

加壓平面火焰攜帶流式反應器利用燃氣燃燒產生的高溫煙氣加熱顆粒，其溫度可達1800-2000K，加熱速率可達10⁵-10⁶K/s,最接近于顆粒燃燒的實際環境，但現有的加壓平焰燃燒器設備基本沒有配備可視化觀測的系統。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種可視化的加壓離散顆粒反應動力學實驗系統，其目的在于，通過在離散顆粒反應設備中添加可視化監測裝置，通過激光、高速攝像機實時獲取反應過程中的顆粒圖像，由此解決現有技術中缺乏高溫高壓下可視化觀測手段的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種可視化的加壓離散顆粒反應動力學實驗系統，包括：加壓反應單元和光學測量單元；

加壓反應單元包括壓力容器、保溫套、平面火焰燃燒器、內層方形石英管、外層方形石英管、點火電熱塞；

壓力容器的上端和下端分別用上法蘭盤和下法蘭盤密封；保溫套設于壓力容器內壁；平面火焰燃燒器從下法蘭盤穿入壓力容器內部；外層方形石英管套在平面火焰燃燒器的外部且下端置于下法蘭盤上；內層方形石英管位于外層方形石英管內部且下端置于平面火焰燃燒器的上表面上，并可隨平面火焰燃燒器一起上下移動；

壓力容器上設置有光學視窗、點火電熱塞、觀火口和補氣氣路接口；四個光學視窗沿壓力容器側壁周向均勻分布，且正對內層方形石英管；點火電熱塞置于外層方形石英管頂端，觀火口與點火電熱塞處于相同高度，以便觀察點火情況；

光學測量單元包括正交布置的連續激光片光和高速攝像機，連續激光片光和高速攝像機的光路分別通過兩個相對的光學視窗。

進一步地，還包括加壓供氣給粉單元和加壓煙氣處理單元；

加壓煙氣處理單元包括依次通過管路相連接的取樣槍、顆粒過濾器、冷凝罐、背壓閥以及煙氣分析儀；取樣槍從上法蘭盤插入壓力容器內部，且其下端置于內層石英管的上端，取樣槍中心設有可拆卸的S型中心測溫熱電偶，使用時，S型中心測溫熱電偶從取樣槍下端部伸出并可上下移動，以得到不同高度的中心氣溫；

加壓供氣給粉單元用于平面火焰燃燒器給粉供氣、取樣槍冷卻氣供氣以及壓力容器補氣供氣。