本發(fā)明涉及碳煙測(cè)量，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)燃燒火焰中碳煙連續(xù)取樣的熱泳探針取樣系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、碳煙(soot，別稱碳黑)，是各類碳?xì)浠衔锶紵煌耆傻闹饕：Ξa(chǎn)物之一。碳煙的產(chǎn)生包括后續(xù)的一系列行為如生長(zhǎng)、聚集，是非常復(fù)雜的過(guò)程。并且碳煙顆粒還存在很復(fù)雜的氣相反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。目前在人類生活當(dāng)中的各種動(dòng)力設(shè)備均有碳?xì)浠衔锏膮⑴c，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火力發(fā)電等。碳煙的產(chǎn)生與人類生活是處處相關(guān)的。就目前的情況來(lái)看，碳?xì)浠衔锶匀皇鞘褂脛?dòng)力設(shè)備、燃燒設(shè)備等主流燃料。碳煙的產(chǎn)生危害極大，從工業(yè)的角度來(lái)看，碳煙的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致燃料的利用率降低，并且發(fā)動(dòng)機(jī)中碳煙的產(chǎn)生還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的一些細(xì)密氣孔發(fā)生堵塞甚至是腐蝕的情況從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命降低等問(wèn)題。并且由于碳煙本身具有一定的吸附性，可能會(huì)在空氣中吸附一些有害物質(zhì)比如對(duì)人體造成危害的各種細(xì)菌病毒等，從而會(huì)導(dǎo)致空氣中的有害物質(zhì)水平提高，這對(duì)人體會(huì)造成極大的危害比如癌癥甚至是死亡的情況。因此了解燃燒設(shè)備中碳煙的產(chǎn)生水平是相當(dāng)重要的，碳?xì)浠衔锏娜紵紫葧?huì)生成碳煙的前驅(qū)物即多環(huán)芳烴(pahs)，多環(huán)芳烴存在兩種后續(xù)行為，熱解與氧化，其中熱解會(huì)導(dǎo)致多環(huán)芳烴熱解成為碳煙，而多環(huán)芳烴的氧化程度與后續(xù)碳煙的生成水平成反比。在一些燃燒設(shè)備中盡管大部分pahs與碳煙顆粒都會(huì)被氧化，但是仍然會(huì)有少部分碳煙被排入大氣中，因此需要了解各類燃燒設(shè)備中的碳煙生成水平。監(jiān)測(cè)與降低碳煙排放水平需要了解碳煙的生成氧化機(jī)理，而了解碳煙的生成氧化機(jī)理則需要獲取碳煙的粒徑與碳煙濃度信息。

2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段可以獲取碳煙的信息比如碳煙濃度分布、碳煙顆粒粒徑、碳煙顆粒溫度等，獲取碳煙的信息有助于進(jìn)一步了解碳煙的生成氧化機(jī)理以監(jiān)測(cè)與降低碳煙的生成水平。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量碳煙信息的方法主要分為兩大類：1.直接接觸取樣法；2.非接觸式光學(xué)診斷法。其中非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)包括消光法、光散射法、雙色法、激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)，非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)由于其響應(yīng)快、測(cè)量精度高等而得到了廣泛應(yīng)用。消光法與光散射法只能測(cè)得某一光程內(nèi)的平均值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維碳煙信息的精準(zhǔn)測(cè)量，雙色法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)二維碳煙信息的在線精準(zhǔn)測(cè)量，但是其需要兩套激光系統(tǒng)且需要保證兩束激光在同一個(gè)平面上，操作難度高。激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)操作簡(jiǎn)單、時(shí)間響應(yīng)快、能夠?qū)崿F(xiàn)二維平面內(nèi)碳煙信息的精準(zhǔn)在線測(cè)量，因而已經(jīng)成為非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)測(cè)量碳煙的主流方法。直接接觸取樣法包括纖維取樣法、熱電泳探針取樣法、稀釋取樣法等。直接接觸取樣法具有操作簡(jiǎn)單、成本較低、且能直接獲取碳煙顆粒的優(yōu)點(diǎn)，因此在碳煙粒徑測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而本發(fā)明提供一種基于熱電泳取樣技術(shù)的碳煙直接取樣系統(tǒng)，能夠?yàn)樘紵燁w粒的直接取樣帶來(lái)極大的便利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)燃燒火焰中碳煙連續(xù)取樣的熱泳探針取樣系統(tǒng)，其一方面可以直接對(duì)燃燒場(chǎng)所產(chǎn)生的碳煙進(jìn)行取樣，另一方面能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)在不同火焰高度處多次對(duì)碳煙進(jìn)行取樣。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供的技術(shù)方案如下：

3、一種實(shí)現(xiàn)燃燒火焰中碳煙連續(xù)取樣的熱泳探針取樣系統(tǒng)，其特征在于：包括雙層存放柜、控制系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)；其中，所述雙層存放柜用于集成整套測(cè)量系統(tǒng)，雙層存放柜可移動(dòng)，適配不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所；所述控制系統(tǒng)用于控制探針的伸入、取出及轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)同一火焰高度處的多次取樣；所述取樣系統(tǒng)通過(guò)軌道實(shí)現(xiàn)探針的移動(dòng)，適配不同高度的燃燒環(huán)境中的碳煙取樣。

4、優(yōu)選的，所述雙層存放柜分為兩層，下層放置氣瓶，上層放置控制系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)。

5、優(yōu)選的，所述控制系統(tǒng)包括空氣壓縮系統(tǒng)，所述空氣壓縮系統(tǒng)包括兩個(gè)氮?dú)馄?、空氣壓縮機(jī)和氣缸，通過(guò)時(shí)間繼電器精準(zhǔn)控制探針的取樣時(shí)間。

6、優(yōu)選的，所述取樣系統(tǒng)采用冷探針，探針長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)以獲取整個(gè)火焰橫向上的碳煙顆粒。

7、優(yōu)選的，所述取樣系統(tǒng)通過(guò)齒輪、直齒條和轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)同一火焰高度處的多次取樣。

8、優(yōu)選的，所述取樣系統(tǒng)利用熱泳現(xiàn)象，冷探針伸入燃燒環(huán)境時(shí)，高溫碳煙顆粒因溫度梯度附著在探針表面，完成取樣后通過(guò)掃描電鏡柵格收集碳煙顆粒。

9、優(yōu)選的，所述雙層存放柜四個(gè)角設(shè)有剛性連接結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)探針的影響。

10、優(yōu)選的，所述熱泳探針取樣系統(tǒng)通過(guò)掃描電鏡分析碳煙顆粒的分布和形狀，實(shí)現(xiàn)火焰區(qū)域碳煙粒徑分布的反演。

11、所述熱泳探針的原理在于：當(dāng)冷探針伸入燃燒環(huán)境時(shí)，高溫碳煙顆粒會(huì)隨著溫度梯度而附著在探針表面，在探針完成一次碳煙顆粒獲取之后利用掃描電鏡柵格收集碳煙顆粒，最后基于掃描電鏡獲取碳煙顆粒的粒徑信息。

12、本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)燃燒火焰中碳煙連續(xù)取樣的熱泳探針取樣系統(tǒng)的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：

13、步驟一：將搭載了取樣系統(tǒng)的雙層存放柜移動(dòng)至預(yù)定位置，具體為：將承載了取樣系統(tǒng)的雙層存放柜移動(dòng)至適合測(cè)量的具體位置處，此操作可以保證取樣系統(tǒng)能夠在有效位置對(duì)燃燒環(huán)境中的碳煙顆粒進(jìn)行取樣，且能夠保證取樣的有效性；

14、步驟二：檢查系統(tǒng)各組成部分的安置，具體為：檢查氣瓶、空氣壓縮系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)的放置是否合理與穩(wěn)定，此操作可以避免在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中測(cè)量系統(tǒng)本身發(fā)生振動(dòng)時(shí)導(dǎo)致取樣過(guò)程受到影響；

15、步驟三：檢查氣瓶氣壓是否正常，氣壓是否穩(wěn)定；

16、步驟四：在取樣系統(tǒng)各部分檢查完畢之后將雙層存放柜四個(gè)角與地面剛性連接，完成剛性連接之后再次檢查系統(tǒng)是否穩(wěn)定；

17、步驟五：完成系統(tǒng)檢查與剛性連接之后檢查空氣壓縮系統(tǒng)與時(shí)間繼電器是否能夠正常工作，檢查方法為：在燃燒裝置未點(diǎn)火的情況下，設(shè)置時(shí)間繼電器的參數(shù)，其中控制探針的取送的時(shí)間可以設(shè)置為1-10s以檢查時(shí)間繼電器與空氣壓縮系統(tǒng)能否正常工作；兩套空氣壓縮系統(tǒng)的控制均做以上空運(yùn)行狀態(tài)檢查工作；

18、步驟六：確定空氣壓縮系統(tǒng)能夠正常工作之后移動(dòng)取樣系統(tǒng)至合適位置即冷探針的長(zhǎng)度足夠在取送的過(guò)程當(dāng)中穿過(guò)整個(gè)火焰區(qū)域；

19、步驟七：若取樣環(huán)境為穩(wěn)定層流擴(kuò)散燃燒器，則首先檢查燃燒器所用氣瓶如燃料氣瓶、伴流氣體氣瓶等氣壓是否穩(wěn)定，電子流量計(jì)是否能夠正常實(shí)現(xiàn)火焰當(dāng)量比的控制；

20、步驟八：燃燒器空燃一段時(shí)間，在燃燒器空燃時(shí)間內(nèi)觀察火焰燃燒器所產(chǎn)生火焰是否穩(wěn)定，燃燒器表面是否存在堵塞情況；

21、步驟九：待燃燒器穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間之后，設(shè)置時(shí)間繼電器的參數(shù)，其中設(shè)置時(shí)間參數(shù)為10ms，完成時(shí)間繼電器參數(shù)之后啟動(dòng)空氣壓縮系統(tǒng)，按照實(shí)際需求對(duì)燃燒環(huán)境中的碳煙顆粒進(jìn)行取樣；

22、步驟十：在探針完成取樣之后利用電鏡柵格收集碳煙顆粒。

23、其中步驟七—步驟十為取樣環(huán)境為穩(wěn)定層流擴(kuò)散燃燒器的操作步驟，但在一些實(shí)際工程臺(tái)架應(yīng)用中操作步驟略有不同。在一些具有開孔光學(xué)視窗的湍流燃燒環(huán)境中如航發(fā)的燃燒室、燃燒室出口等燃燒環(huán)境中的取樣步驟如下：

24、如上文中所示，步驟一—步驟六保持一致，其中在湍流燃燒環(huán)境中：

25、步驟七：檢查工程臺(tái)架是否安全穩(wěn)定，比如航發(fā)燃燒室各部件是否安裝穩(wěn)定，隨后檢查是否能夠正常點(diǎn)火；

26、步驟八：將取樣探針在光學(xué)視窗開孔位置穩(wěn)定放置；

27、步驟九：設(shè)置時(shí)間繼電器參數(shù)，僅使用控制探針取送的空氣壓縮系統(tǒng)，取樣時(shí)間設(shè)置在15ms；

28、步驟十：完成參數(shù)設(shè)置之后點(diǎn)火，獲取碳煙顆粒，隨后利用柵格收集碳煙顆粒，通過(guò)多次取樣即重復(fù)步驟九可以獲得湍流燃燒環(huán)境中不同燃燒階段的碳煙顆粒。

29、本發(fā)明的有益效果在于：

30、1、本發(fā)明所涉及到的系統(tǒng)各組成部分均操作簡(jiǎn)單、成本較低，其中存放柜、氣瓶、空氣壓縮機(jī)、氣缸、時(shí)間繼電器、冷探針、剛性連接結(jié)構(gòu)以及所需要的直齒條、齒輪、滑軌、鋼板結(jié)構(gòu)等均在市面上可以購(gòu)買或者可以通過(guò)購(gòu)買材料后續(xù)加工，這也極大地降低了本發(fā)明所涉及的取樣系統(tǒng)的搭建成本。另外，本發(fā)明旨在基于熱電泳探針的取樣原理，提供一套較傳統(tǒng)取樣方法更為高效、更加便利的直接取樣系統(tǒng)。本發(fā)明中所提及到的取樣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)多次取樣，這對(duì)于研究穩(wěn)定層流燃燒環(huán)境中以及高速湍流燃燒環(huán)境中火焰碳煙的行為過(guò)程具有重要意義，即能夠?yàn)榻沂咎紵煹纳裳趸瘷C(jī)理提供一定的技術(shù)與數(shù)據(jù)支持。

31、2、本發(fā)明與傳統(tǒng)熱電泳探針取樣系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，在碳煙濃度、粒徑測(cè)量的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中直接取樣存在一些技術(shù)方面的問(wèn)題。對(duì)于碳煙顆粒的獲取來(lái)說(shuō)，冷探針取樣時(shí)間十分關(guān)鍵，包括冷探針伸入和取出火焰的時(shí)間。傳統(tǒng)的取樣系統(tǒng)通過(guò)控制時(shí)間繼電器的時(shí)間參數(shù)對(duì)碳煙顆粒進(jìn)行取樣，可能會(huì)出現(xiàn)如下情況：1.取樣顆粒不完整；2.探針上的碳煙顆粒出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象，導(dǎo)致在后期利用電鏡觀察碳煙顆粒形態(tài)時(shí)出現(xiàn)無(wú)法將碳煙顆粒進(jìn)行分離的情況；3.無(wú)法實(shí)現(xiàn)獲取清晰可見的碳煙顆粒。此外，在實(shí)際分析火焰中的碳煙粒徑時(shí)，傳統(tǒng)取樣方法只能單次獲取火焰某一位置、某一時(shí)刻所產(chǎn)生的碳煙顆粒，這對(duì)于揭示以及了解碳煙的生成氧化機(jī)理來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此本發(fā)明針對(duì)碳煙顆粒的直接取樣，瞄準(zhǔn)提升燃燒火焰中碳煙顆粒取樣的效率。實(shí)現(xiàn)各燃燒環(huán)境中火焰不同高度處碳煙顆粒的多次取樣，尤其實(shí)現(xiàn)火焰中同一高度處碳煙顆粒的多次取樣對(duì)于揭示該燃燒環(huán)境中的碳煙生成具有極大意義。不論是穩(wěn)定層流擴(kuò)散燃燒器還是不穩(wěn)定的湍流燃燒環(huán)境，本發(fā)明所提出的碳煙取樣系統(tǒng)對(duì)于揭示碳煙的生成氧化機(jī)理以及燃燒環(huán)境碳煙生成水平都具有一定意義。