專利名稱：碳氫燃料結焦量的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測試技術和燃料技術領域，具體而言，涉及一種碳氫燃料結焦量的測
量方法。
背景技術：
在航空航天領域，碳氫燃料以其高密度、高安全性和可操作性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢而被廣泛用作發(fā)動機的燃料和主動冷卻的冷卻劑。但碳氫燃料在高溫下會發(fā)生裂解反應而生成積碳，積碳進一步與金屬壁面反應形成結焦，粘附在金屬壁面上，結焦嚴重時會導致一系列不良后果，如堵塞供應系統(tǒng)，降低熱交換效率，降低結構材料的抗氧化性和穩(wěn)定性，引起催化劑失活等等。結焦正成為碳氫燃料應用于航空航天領域的一個瓶頸。目前對結焦的研究多集中于結焦原因、形態(tài)等方面，研究方法多采用管道或反應器內(nèi)加熱。對于結焦量的研究較少。原因之一是結焦量通常是個mg量級的小量，以至于其他因素很容易對測量造成干擾。比如加熱過程中，試驗段外壁由于高溫而被環(huán)境中的空氣氧化，氧化量就有可能達到mg量級；試驗結束后，殘留在試驗段內(nèi)壁的液滴，單顆液滴的質(zhì)量也可能達到mg量級；微量天平稱量過程中環(huán)境濕度、空氣對流等均會對測量結果造成干擾，甚至操作者手上的汗液粘附到試驗段外壁都會帶來誤差。因此，有必要發(fā)展一種準確測量碳氫燃料結焦量的方法。目前對整個冷卻系統(tǒng)結焦量的測量從實驗上來講是不現(xiàn)實的，也沒有必要?？尚械淖龇ㄊ沁x取其中某一段冷卻通道，研究這一通道內(nèi)的結焦量，然后按照一定的換算原則估算出整個冷卻系統(tǒng)的結焦量。因此，發(fā)展一種準確測量管道內(nèi)碳氫燃料結焦量的方法就顯得更為必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種碳氫燃料結焦量的測量方法，該測量方法可以準確測量出碳氫燃料的結焦量。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種碳氫燃料結焦量的測量方法，包括以下步驟SI，設置試驗管，并稱量試驗管的重量記為Mtl ;S2，將試驗管連入整個測量氣路中，將碳氫燃料通入試驗管內(nèi)并加熱，使試驗管內(nèi)的碳氫燃料達到預定溫度、壓力和流量，保溫15 20分鐘，得到內(nèi)壁結焦的試驗管；以及S3，稱量內(nèi)壁結焦的試驗管，重量記為M1，根據(jù)M1與M0之間的差值計算出碳氫燃料的結焦量。進一步地，試驗管包括依次連接的預熱段和試驗段，在預熱段的兩端加載有第一變壓器，在試驗段的兩端加載有第二變壓器，通過智能控制系統(tǒng)控制第一變壓器的輸出功率進而調(diào)控預熱段的出口處溫度，通過智能控制系統(tǒng)控制第二變壓器的輸出功率。進一步地，通過智能控制系統(tǒng)控制第一變壓器的輸出功率進而調(diào)控預熱段的出口處溫度的步驟包括通過智能控制系統(tǒng)采集預熱段的出口處溫度數(shù)值，將出口處溫度數(shù)值與預定溫度數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果進而調(diào)控第一變壓器的輸出功率，使得預熱段的出口處溫度數(shù)值與預定溫度數(shù)值一致。·
進一步地，通過智能控制系統(tǒng)控制第二變壓器的輸出功率的步驟包括通過智能控制系統(tǒng)控制第二變壓器的輸出功率，使第二變壓器的輸出功率與第一變壓器的輸出功率一致進而保證試驗段的溫度與預熱段出口處的溫度一致。進一步地，通過在測量氣路上設置壓力控制裝置對試驗管內(nèi)的壓力進行調(diào)節(jié)使試驗管內(nèi)的壓力達到預定壓力值。 進一步地，步驟SI中在稱量試驗管的重量Mtl之前，還包括對試驗管的外壁進行加熱預處理的步驟。進一步地，步驟S2中將碳氫燃料通入試驗管內(nèi)進行加熱之前，還包括向試驗管內(nèi)通入氮氣的步驟。進一步地，還包括對進入預熱段前的碳氫燃料氣體的溫度和壓力進行測量的步驟。進一步地，采用微量天平對步驟SI中的試驗管和步驟S3中內(nèi)壁結焦的試驗管進行稱量，稱量在濕度和溫度恒定且無空氣對流的超凈間中進行。進一步地，還包括對試驗段出口逸出的氣體進行冷卻和回收的步驟。進一步地，S3步驟中還包括測量結束后用氮氣對試驗管的內(nèi)壁進行吹掃的步驟，氮氣的壓力為IMPa，溫度為100°C。應用本發(fā)明的測量方法，通過稱量碳氫燃料結焦前的試驗管和碳氫燃料在特定溫度、壓力和流量下結焦后的試驗管，在充分考慮了測量結果帶來干擾的各種因素的情況下，在預定溫度、壓力和流量下對試驗管內(nèi)的碳氫燃料結焦量進行準確測量，避免了客觀因素對測量結果所帶來的誤差干擾，保證了測量的準確性，為碳氫燃料的篩選、評測、改良和應用等提供了定量依據(jù)。該測量方法通過研究碳氫燃料在特定溫度和壓力下的結焦特性，避免了以往研究從室溫到高溫結焦的籠統(tǒng)性，有利于對碳氫燃料結焦特性的深入了解。本發(fā)明的測量原理簡單且方案可行，無需昂貴精密的儀器，節(jié)約了實驗成本。


構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明一種典型實施例的測量碳氫燃料結焦量的工藝流程圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一種典型實施例的測量碳氫燃料結焦時采用的系統(tǒng)裝置結構示意圖；以及圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一種典型實施例的碳氫燃料在預定壓力和氣體流量的條件在不同溫度下的結焦量的變化趨勢示意具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的一種典型實施方式，如圖I所示，碳氫燃料結焦量的測量方法包括以下步驟S1，設置試驗管，并稱量試驗管的重量計為Mtl ；S2,將試驗管連入整個測量氣路中，將碳氫燃料通入試驗管內(nèi)并加熱，使試驗管內(nèi)的碳氫燃料達到預定溫度、壓力和流量，保溫15 20分鐘，得到內(nèi)壁結焦的試驗管；S3，稱量內(nèi)壁結焦的試驗管，重量記為M1，根據(jù)M1與M0之間的差值計算出碳氫燃料的結焦量。通過稱量碳氫燃料結焦前的試驗管和碳氫燃料在特定溫度、壓力和流量下結焦后的試驗管，充分考慮了測量結果帶來干擾的各種因素，在預定的溫度、壓力和流量下對試驗管內(nèi)的碳氫燃料結焦量進行準確測量，避免了客觀因素對測量結果所帶來的誤差干擾，保證了測量的準確性，為碳氫燃料的篩選、評測、改良和應用等提供了定量依據(jù)。該測量方法通過研究碳氫燃料在特定溫度和壓力下的結焦特性，避免了以往研究從室溫到高溫結焦的籠統(tǒng)性，有利于對碳氫燃料結焦特性的深入了解。本發(fā)明的測量原理簡單且方案可行，無需昂貴精密的儀器，節(jié)約了實驗成本。優(yōu)選地，試驗管包括依次連接的預熱段11和試驗段12，在預熱段11的兩端加載有第一變壓器，在試驗段12的兩端加載有第二變壓器，通過智能控制系統(tǒng)控制第一變壓器的輸出功率進而調(diào)控預熱段11的出口處溫度，通過智能控制系統(tǒng)控制第二變壓器的輸出功 率。智能控制系統(tǒng)控制第一變壓器和第二變壓器進而調(diào)控第一變壓器和第二變壓器的輸出功率，通過第一變壓器和第二變壓器提供低電壓大電流對預熱段11和試驗段12進行加熱，使得預熱段11和試驗段12達到預定溫度。其中預熱段11的控制方式為溫度反饋，即通過智能控制系統(tǒng)控制第一變壓器的輸出功率進而調(diào)控預熱段11的出口處溫度，該步驟包括通過智能控制系統(tǒng)采集預熱段11的出口處溫度數(shù)值，將出口處溫度數(shù)值與預定溫度數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果調(diào)控第一變壓器的輸出功率，進而調(diào)控預熱段11的出口處溫度數(shù)值使與預定溫度數(shù)值一致。這樣做的目的在于保證從預熱段11的出口流入試驗段12的碳氫燃料的狀態(tài)為該測量方法所需的預定狀態(tài)，因為該測量方法是在預定的溫度、壓力和流量下進行的，所以必須保證溫度達到預先預定溫度。通過在試驗段12的兩端設置第二變壓器，以便通過智能控制系統(tǒng)控制第二變壓器對試驗段的輸出功率進行調(diào)控，該調(diào)控步驟包括通過智能控制系統(tǒng)控制第二變壓器的輸出功率。使第二變壓器的輸出功率與第一變壓器的輸出功率一致進而保證試驗段12的溫度與預熱段11出口處的溫度一致，這樣就保證了在整個試驗段12內(nèi)的溫度與預定溫度—致。本發(fā)明所采用的試驗管中的預熱段11和試驗段12均為321不銹鋼管，該型號的不銹鋼結構強度大，耐高溫性能好。試驗管既是碳氫燃料的流經(jīng)通道，又是碳氫燃料的加熱載體。本發(fā)明通過采用低電壓大電流直接作用于預熱段和試驗段的兩端，不銹鋼管由于本身的電阻將管道加熱，進而對流經(jīng)管道的碳氫燃料加熱。為了進一步觀測碳氫燃料在進入預熱段11和流出試驗段12時的狀態(tài)，除了測量預熱段11的出口處(也即試驗段12的入口處)的溫度和壓力外，本發(fā)明優(yōu)選對進入預熱段11前的碳氫燃料氣體的溫度和壓力進行測量。通過在預熱段11的入口處以及試驗段12的出口處設置溫度壓力測量裝置30，以觀測液態(tài)碳氫燃料進入預熱段11時的溫度和壓力，以及從試驗段12出口處逸出的氣態(tài)的碳氫燃料的溫度和壓力。根據(jù)本發(fā)明的一種典型實施方式，通過在測量氣路上設置壓力控制裝置對試驗管內(nèi)的壓力進行調(diào)節(jié)使試驗管內(nèi)的壓力達到預定壓力值。本發(fā)明的壓力控制裝置優(yōu)選為背壓調(diào)節(jié)閥50。優(yōu)選地，本發(fā)明的測量方法還包括對從試驗段12出口處逸出的氣體進行冷卻和回收的步驟。從試驗段12的出口處逸出的加熱后的碳氫燃料如高溫煤油及裂解產(chǎn)物經(jīng)過冷卻器后降到室溫，再經(jīng)過背壓調(diào)節(jié)閥50進入收集系統(tǒng)40，其中背壓調(diào)節(jié)閥50對整個氣路中的壓力包括預熱段11和試驗段12處的壓力進行調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，為了進一步準確測量碳氫燃料的結焦量，排除環(huán)境因素的干擾，步驟SI中在稱量試驗管的重量Mtl之前，還包括對試驗管的外壁進行加熱預處理的步驟。在對試驗管的外壁進行加熱預處理時，需要先向試驗管內(nèi)通入惰性氣體以排除試驗管內(nèi)的空氣，以免試驗管內(nèi)存有空氣導致加熱試驗管時試驗管的內(nèi)壁被氧化。通過評估氧化影響的實驗發(fā)現(xiàn)，當試驗段的外壁加熱到800°C并持續(xù)30分鐘后，試驗管外壁的氧化量在10分鐘內(nèi)增加了不到lmg，說明試驗管的外壁已被充分氧化，空氣中的氧氣很難再與金屬壁接觸發(fā)生氧化作用。因此，在每次結焦實驗前將試驗管的外壁進行30分鐘的加熱預氧化可以將氧化對結焦的影響降到最小。
優(yōu)選地，在S3中還包括測量結束后用氮氣對試驗管的內(nèi)壁進行吹掃的步驟，其中氮氣的壓力為IMPa，溫度為100°C。每次實驗結束后，由高壓氮氣對整個實驗管路進行吹除，以排除管道內(nèi)剩余的煤油殘液和裂解產(chǎn)物。本發(fā)明提供的測量方法其目的是研究某一特定狀態(tài)的煤油在特定實驗條件下的結焦特性。如以研究溫度500°C、壓力3MPa和氣體流量為2g/s (lMW/m2的熱流密度下)的煤油在保溫20分鐘內(nèi)的結焦量，其操作方法是首先在煤油經(jīng)過預熱段11時將煤油加熱到500°C，使預熱段11出口處的溫度達到500°C，調(diào)整背壓閥使得試驗段12內(nèi)的煤油壓力為3Mpa。煤油在流經(jīng)試驗段12時由于對流和輻射，熱流會散失，導致煤油流經(jīng)試驗段12后溫度會降到500°C以下，所以本發(fā)明通過設置第二變壓器對試驗段進行很小功率的加熱，以平衡掉散失的熱量，進而保證了試驗段12內(nèi)的煤油溫度為500°C。經(jīng)過20分鐘后從整個氣路中卸下試驗管12，為了消除周圍環(huán)境對微量天平稱量的影響，將微量天平置于濕度、溫度恒定，且無空氣對流的超凈間中去稱。通過和實驗前稱得的質(zhì)量進行比較，就能知道500°C、3MPa和氣體流量為2g/s狀態(tài)下的煤油在20分鐘里形成的結焦量。下面結合圖2說明具體的實驗過程。將碳氫燃料如煤油儲存于儲罐20中，由高壓氮氣(如8MPa)增壓，儲存在儲罐20中的碳氫燃料經(jīng)高壓氮氣增壓后流經(jīng)針型閥，然后經(jīng)過濾器后由科氏力流量計測量流量，科氏力流量計測量流量后流經(jīng)試驗管的預熱段11和試驗段12。其中液態(tài)煤油流量的調(diào)節(jié)通過針型閥實現(xiàn)，煤油供應管路的開啟和關閉由氣動和電磁閥完成。在預熱段11和試驗段12的兩端，均加載有低電壓大電流的第一變壓器和第二變壓器對其進行加熱，兩個變壓器共同由一套智能控制系統(tǒng)控制。預熱段11用于將煤油加熱到預定溫度，試驗段12用于評估煤油在一定溫度、壓力和流量下一定時間段內(nèi)的結焦量。本發(fā)明通過設置第二變壓器還有助于進一步研究碳氫燃料在一定熱流密度下的結焦量。比如要測定溫度為500°C、壓力為3MPa以及流量為2g/s的煤油在lMW/m2的熱流密度下的結焦量，此時第一變壓器能夠?qū)⒘鹘?jīng)預熱段11的碳氫燃料加熱到測量所需的溫度500°C，調(diào)整背壓閥使測量氣路的壓力為3MPa，流量為2g/s。第二變壓器提供所需的熱流密度。假設第二個加熱器的輸出功率是Q，那么試驗段的熱流密度就是q= (Q-Qloss) /A, A為試驗段的內(nèi)表面面積，Qloss為散失掉的熱量，散失掉的熱量可以通過提前標定得到，具體標定方法為在不通煤油情況下，由電加熱器對試驗段12進行加熱，待試驗段12外壁的溫度不再上升并在較長時間內(nèi)均維持恒定時，可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時的電加熱器輸入功率即等于試驗段12在該外壁溫度下的散失熱量。第一個電加熱器采用溫度控制，這樣能夠保證進入試驗段11的碳氫燃料達到預定狀態(tài)，第二個電加熱器采用功率反饋控制，使得試驗段12所接受的電功率保持在預定值，便于對試驗段12上的氣體的熱流密度進行計算，通過這樣的組合，可以根據(jù)輸出 功率進而計算出試驗段12的熱流密度，就能研究特定狀態(tài)下的碳氫燃料在特定實驗工況下的結焦特性。本發(fā)明的由智能控制系統(tǒng)和兩個變壓器所組成的電加熱系統(tǒng)可將(Tl5g/s流量的煤油迅速加熱到1000K，并能研究煤油在特定狀態(tài)如超臨界態(tài)、裂解態(tài)的傳熱、積碳結焦等特性。下面結合具體實施例進一步說明本發(fā)明的有益效果。實施例I以中國3號航空煤油為例，本發(fā)明所用的電加熱系統(tǒng)選用最大功率分別為28KW和6KW的第一變壓器和第二變壓器，智能控制系統(tǒng)為可控硅儀表控制，采用這套電加熱系統(tǒng)可將(Tl5g/s流量范圍內(nèi)的中國3號航空煤油快速升溫至1000K。預熱段和試驗段選用內(nèi)徑為I. 6mm,外徑為3mm和長度為60cm的321型號的不銹鋼管。將中國3號航空煤油通入試驗管內(nèi)，并在試驗管的試驗段內(nèi)達到預定溫度670°C、壓力3. 5MPa和氣體流量120g/min的預定狀態(tài)，并保持20分鐘，記錄通入航空煤油之前的試驗管的重量Mtl以及結焦后的試驗管的重量M1，其結焦量=M1-Mc^為了檢測試驗方法的可重復性，分別在不同日期內(nèi)以相同測試條件下測量其結焦量，數(shù)據(jù)結果見表I。表I不同日期內(nèi)測量的結焦量
HI溫度I壓力 pSl
2012. 6. 21 120g/min 670~ 3. 5MPa~14. Img2012. 6. 25 120g/min 670~ 3. 5MPa~14. 8mg2012. 6. 27 120g/min 670~ 3. 5MPa~14. 6mg
2012.6.28 Il20g/min |670~13. 5MPa~114. 4mg從表I的數(shù)據(jù)中可以看出，采用本發(fā)明的碳氫燃料結焦量的測量方法，分批次對相同預定狀態(tài)(在相同預定溫度、壓力和流量)下的碳氫燃料的結焦量進行測量，數(shù)據(jù)表面不同日期內(nèi)測量的結焦量相差甚微，說明測量結果準確且可重復性較好。本發(fā)明的測量方法綜合考慮各種影響因素，排除了各種影響誤差對測量結果的影響，為碳氫燃料的篩選、評測、改良以及應用等提供了定量依據(jù)。本發(fā)明進一步研究了中國3號航空煤油在預定壓力和氣體流量的條件在不同溫度下的結焦量的變化趨勢，見圖3。圖3示出了 3. 5MPa和120g/min的氣體流量下的3號航空煤油在保溫20分鐘的結焦量隨溫度的變化趨勢圖。從圖3中可以看出結焦量隨著溫度的升高而增加，當溫度僅增加80°C時，3號航空煤油的結焦量卻增長5倍之多，可見溫度對
結焦量有著巨大的影響。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包 含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種碳氫燃料結焦量的測量方法，其特征在于，包括以下步驟 SI,設置試驗管,并稱量所述試驗管的重量記為Mci ； S2，將所述試驗管連入整個測量氣路中，將所述碳氫燃料通入所述試驗管內(nèi)并加熱，使所述試驗管內(nèi)的所述碳氫燃料達到預定溫度、壓力和流量，保溫15 20分鐘，得到內(nèi)壁結焦的試驗管；以及 S3，稱量所述內(nèi)壁結焦的試驗管，重量記為M1，根據(jù)M1與Mtl之間的差值計算出所述碳氫燃料的結焦量。
2.根據(jù)權利要求I所述的測量方法，其特征在于，所述試驗管包括依次連接的預熱段(11)和試驗段(12)，在所述預熱段(11)的兩端加載有第一變壓器，在所述試驗段(12)的兩端加載有第二變壓器，通過智能控制系統(tǒng)控制所述第一變壓器的輸出功率進而調(diào)控所述預熱段(11)的出口處溫度，通過智能控制系統(tǒng)控制所述第二變壓器的輸出功率。
3.根據(jù)權利要求2所述的測量方法，其特征在于，通過智能控制系統(tǒng)控制所述第一變壓器的輸出功率進而調(diào)控所述預熱段(11)的出口處溫度的步驟包括 通過所述智能控制系統(tǒng)采集所述預熱段(11)的出口處溫度數(shù)值，將所述出口處溫度數(shù)值與預定溫度數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果進而調(diào)控所述第一變壓器的輸出功率，使得所述預熱段(11)的出口處溫度數(shù)值與所述預定溫度數(shù)值一致。
4.根據(jù)權利要求2所述的測量方法，其特征在于，通過智能控制系統(tǒng)控制所述第二變壓器的輸出功率的步驟包括 通過所述智能控制系統(tǒng)控制所述第二變壓器的輸出功率，使所述第二變壓器的輸出功率與所述第一變壓器的輸出功率一致進而保證所述試驗段(12)的溫度與所述預熱段(11)出口處的溫度一致。
5.根據(jù)權利要求I所述的測量方法，其特征在于，通過在測量氣路上設置壓力控制裝置對所述試驗管內(nèi)的壓力進行調(diào)節(jié)使所述試驗管內(nèi)的壓力達到預定壓力值。
6.根據(jù)權利要求I所述的測量方法，其特征在于，所述步驟SI中在稱量所述試驗管的重量M0之前，還包括對所述試驗管的外壁進行加熱預處理的步驟。
7.根據(jù)權利要求I所述的測量方法，其特征在于，所述步驟S2中將所述碳氫燃料通入所述試驗管內(nèi)進行加熱之前，還包括向所述試驗管內(nèi)通入氮氣的步驟。
8.根據(jù)權利要求2所述的測量方法，其特征在于，還包括對進入所述預熱段(11)前的碳氫燃料氣體的溫度和壓力進行測量的步驟。
9.根據(jù)權利要求I所述的測量方法，其特征在于，采用微量天平對所述步驟SI中的所述試驗管和所述步驟S3中所述內(nèi)壁結焦的試驗管進行稱量，所述稱量在濕度和溫度恒定且無空氣對流的超凈間中進行。
10.根據(jù)權利要求2所述的測量方法，其特征在于，還包括對所述試驗段(12)出口逸出的氣體進行冷卻和回收的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種碳氫燃料結焦量的測量方法。包括步驟S1，設置試驗管并稱量試驗管的重量記為M0；S2，將試驗管連入測量氣路中，將碳氫燃料通入試驗管內(nèi)并加熱，使試驗管內(nèi)的碳氫燃料達到預定溫度、壓力和流量，保溫15～20分鐘，得到內(nèi)壁結焦的試驗管；以及S3，稱量內(nèi)壁結焦的試驗管，重量記為M1，根據(jù)M1與M0之間的差值計算出碳氫燃料的結焦量。通過稱量結焦前以及碳氫燃料在預定溫度、壓力和流量下結焦后的試驗管重量，避免了各種因素干擾的情況下對試驗管內(nèi)的碳氫燃料結焦量進行測量，避免了影響測量結果的干擾因素和以往研究結焦的籠統(tǒng)性，保證了測量的準確性，為碳氫燃料的篩選、評測、改良和應用等提供了定量依據(jù)。
文檔編號G01G17/00GK102928056SQ201210479049
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者潘余, 周進, 王輝, 王寧 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學