[发明专利]研究碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置及其实验方法

说明书

本发明提供了一种碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置，包括实验腔体组件、加热系统、高压电系统和供气系统，实验腔体组件提供密闭环境以及满足液滴蒸发的实验和观测条件，加热系统提供微小壁面的加热以及为实验腔体环境提供稳定辐射热源，高压电系统为液滴在高压电充电情况下的蒸发结焦提供实验能力，供气系统则模拟微小壁面喷嘴孔吹除以及对实验腔体供气、抽气的作用。本发明解决了目前还没有一种专门及系统的用于碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置的问题，本发明具有多种综合实验环境、变量参数多，以及结构简单、易于实现及更换零部件简单等优点，同时工艺上也易于实现。

技术领域

本发明涉及一种研究碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置及其实验方法，属于金属催化碳氢燃料的能源及材料化学技术领域。

背景技术

目前常用的以碳氢化合物为燃料的发动机等，均是利用燃料燃烧释放的化学能转化为机械能供人类使用。而为了易于携带和储藏，一般民用的燃料在常温常压下为液态，为了提高燃烧效率，通常使用喷嘴将燃料雾化，使其尽可能充分的与氧化剂接触。在燃烧的过程中，容易产生高温高压的工作环境，这种苛刻的环境下必然涉及热壁面和燃油之间的化学反应，热壁面或喷嘴等部位易于产生焦体，危害发动机的正常运行。

在发动机停车等工况，由于燃烧室的火焰熄灭，燃烧室壁面的余热仍会以热辐射的方式向外传热。在这种情况下，燃油会以某种形式黏附在金属壁面上而产生蒸发、裂解或氧化反应，氧化结焦物也是化学反应的一种产物，因此避免不了的，由于时间的累积，结焦产物会显著的危害发动机的性能及安全。

燃油主要以两种形式黏附在金属壁面，第一种是由于喷嘴雾化的燃油在气体中未完全蒸发而黏附在燃烧室热壁面上，第二种是由于喷嘴的喷口通常很小，因此不可忽略毛细力等作用，使得燃油黏附在喷嘴通道及喷口处。这两种形式均涉及燃油的蒸发及壁面材料与燃油间的化学反应。

为了解决燃油黏附热壁面的问题，例如在航空发动机熄火后，使用氮气对喷嘴进行进行吹除；在燃烧室壁面或喷嘴的表面等部位采用涂层的方式抑制结焦反应；提高喷嘴的雾化效率等技术来避免结焦，可仍然存在燃烧室壁面结焦和喷嘴结焦堵塞的问题，因此仍然需要系统综合的研究，尤其是液滴在不同形式热壁面的蒸发和结焦的起始和发展过程的研究。

电场具有连续可调和易于控制的特征，且成本较低，是解决结焦问题的一种重要选择。由于电场作用，使得在发生结焦过程中的化学反应路径发生改变，同时，由于电场的作用，使得壁面的液滴电荷分布发生变化，增加的电荷力改变液滴的蒸发特性，进而达到减少结焦的目的。因此引入电场对与结焦的改善或解决是一种重要的手段。

发明内容

本发明为了解决目前还没有一种专门及系统的用于碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置的问题，提出一种研究碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置及其实验方法，模拟热壁面对液滴的蒸发及对燃料的催化化学反应过程，本装置可以提供不同的温度和压力、不同气体成分、不同材料和不同种类的燃油进行系统的实验，可以满足显微变焦高速相机等可视化线上的方式进行测试，同时模拟在吹除后的工况以及增加电场情况下的液滴的蒸发及对燃料的催化化学反应过程的影响。

本发明提出一种研究碳氢燃料液滴在微小尺度热壁面蒸发结焦的实验装置，包括实验腔体组件、加热系统、高压电系统和供气系统，其中，实验腔体组件提供密闭环境以及满足液滴蒸发的实验观测条件，加热系统提供微小壁面的加热以及为实验腔体环境提供稳定辐射热源，高压电系统为液滴在高压电充电情况下的蒸发结焦提供实验能力，供气系统则模拟微小壁面喷嘴孔吹除以及对实验腔体供气、抽气的作用。

优选地，所述实验腔体组件包括实验腔腔体、实验腔底盖、热壁面台以及热壁面台支柱，所述实验腔腔体安装在实验腔底盖上，所述热壁面台固定在实验腔腔体内。

优选地，所述实验腔腔体与实验腔底盖采用螺纹连接，连接端面采用高温端面密封的方式。