液态碱金属燃烧传播速度测量装置的制作方法

本发明涉及的是一种碱金属的实验装置，具体地说是碱金属燃烧的实验装置。

背景技术：

液态碱金属火灾有多种形态，快堆中的钠火基本上有两种模式，一种由于管道的破裂以喷雾形式而释放到安全壳内，另一种在地面聚集形成池式钠火，即喷雾钠火和池式钠火。喷雾钠火是比池式钠火更严重的一种燃烧模式，因为钠喷雾燃烧有更高的速度，喷雾钠火燃烧是在一个高度分裂状态下进行的，即以钠滴的形式。钠滴燃烧是各种形式钠火研究的基础，因此对钠滴燃烧特性的研究具有十分重要的意义。

目前国际上对钠火事故进行了一些理论和实验研究，对于钠滴燃烧的研究大都以单一钠滴为基础，而忽略了发生泄漏后钠滴之间的相互作用。这种含能液滴间的作用不仅仅限于质量和能量的传递，还对钠滴的运动速度、燃烧速率、蒸发常数产生影响。因此，实验主要针对双钠滴相互靠近时产生相互作用的条件，即钠滴间距大小，以及考虑了相互作用影响后的的燃烧速率、热量变化进行研究，测量钠滴燃烧传播速度，从而奠定喷雾钠火研究的基础。双钠滴燃烧的研究是建立在单一钠滴的基础上，考虑了钠滴间相互作用，同时和单一钠滴燃烧一样，考虑了与反应空间内的氧气浓度，初始液态金属钠的温度的因素，这就要求实验装置能够模拟多种情况，并且还能灵活改变实验条件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供可以进行不同直径大小以及不同间距的双液滴金属钠火灾实验研究的液态碱金属燃烧传播速度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明液态碱金属燃烧传播速度测量装置，其特征是：包括有机玻璃罩、壳体、接钠罐，有机玻璃罩和壳体自上而下依次设置并构成封闭的实验空间，有机玻璃罩里设置电机，壳体里设置钳锅、混合气体外壳，钳锅里填充碱金属，钳锅外部设置上部加热丝，电机连接燃烧杆，燃烧杆伸入至钳锅里并挤压碱金属，混合气体外壳的出口位于钳锅的碱金属滴出口正下方，接钠罐的进口由混合气体外壳下方伸入至混合气体外壳出口的下方并与其形成混合气体通道，混合气体出气管伸入混合气体外壳里，壳体上开设稀有气体孔，稀有气体出气管连通稀有气体孔。

本发明还可以包括：

1、还包括排气水洗系统，所述的排气水洗系统包括过滤水箱、循环管道，过滤水箱包括上箱体、下箱体，上箱体和下箱体之间通过凸起管道相通，循环管道的一端连通上箱体，循环管道的另一端连通下箱体，循环管道上安装循环水泵，上箱体里设置折流板，上箱体上设置分列折流板两侧的水洗后气体出气口和喷雾头，喷雾头连通循环管道，水洗后气体出气口连通水洗后气体出气管道，水洗后气体出气管道上设置抽气泵，壳体上设置气溶胶排气口，气溶胶排气口通过气溶胶排气管连通上箱体。

2、还包括供气系统，所述的供气系统包括氮气源、氩气源，氮气源连通混合气体出气管，氩气源连通稀有气体出气管，混合气体出气管与稀有气体出气管通过气体混合管相通，气体混合管上设置气体混合阀，在气体混合管与氮气源之间的混合气体出气管上支出空气管，空气管上设置空气泵和空气阀，氮气源出口设置氮气阀，在气体混合管与空气管之间的混合气体出气管上设置气体混合装置，在气体混合管后方的混合气体出气管上设置混合气泵和氧浓度仪，氩气源出口设置氩气阀。

3、钳锅的内部为上宽下窄的结构，其中钳锅上部内径为12mm，钳锅下部内径为8mm，燃烧杆为上窄下宽的结构，其中燃烧杆上部直径为5mm，燃烧杆下部直径为7mm。

4、混合气体外壳外部套有下部加热丝，上部加热丝和下部加热丝均为螺纹状。

本发明的优势在于：

(1)实验装置结构准确可靠。碱金属双液滴的形成通过不锈钢双喷嘴坩埚形成，替代了传统的目测大小以挂滴形式的燃烧研究，增加了液滴实验的可靠性和实验的准确性，而且通过加热在同一坩埚中含有足够量的液态碱金属可以进行多次重复性实验，以上特点使得整个装置工作更加准确可靠。

(2)实验装置扩展性强。可在同一燃烧装置中完成不同大小以及不同间距的双钠滴实验，不同的实验不用重新设计制造，只需通过简单改动不同尺寸坩埚，就能够实现。这一特点节省了钠火实验研究的成本和实验周期。

(3)实验装置功能多。可在装置中完成不同条件的燃烧实验，燃烧用氧浓度可以任意配比，初始液态金属钠的温度能够预先设定，可以测量不同初始氧浓度，不同初始钠温度下液态碱金属(钠和锂等)的燃烧传播速度，为大型喷雾钠火实验研究奠定基础，为钠火事故的预防和应对提供技术支持。

(4)实验装置安全性高。燃烧容器和坩埚分离，通过加热丝对坩埚加热。这种设计可以将燃烧容器远离人员放置，即使在实验中燃烧容器发生泄漏或者破坏，也不会对操作人员安全造成威胁。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为供气系统示意图；

图3为燃烧装置燃烧室俯视图；

图4为燃烧装置燃烧室剖视图；

图5a为坩埚的主剖视图，图5b为钳锅的侧剖视图，图5c为钳锅的俯视图；

图6为燃烧杆的结构示意图；

图7为燃烧装置下部通气设备剖视图；

图8为排气水洗系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-8，本发明包括燃烧容器、燃烧坩埚、燃烧杆、加热装置、电控制箱。实验中所用的燃烧容器分为上，中，下三部分。上部是加热燃烧装置，上腔室中放置一个带有双喷嘴的坩埚1-16，周围有电热丝1-17对其进行加热。正对坩埚1-16开口的上方有一个用于挤压液态钠1-1的燃烧杆1-14，燃烧杆1-14通过位于其上方的电机1-11推动上下运动。容器上部的有机玻璃罩1-9使坩埚内的液态钠1-1处于保护气体中，避免氧化。燃烧容器中间部分是钠滴氧化燃烧实验的燃烧室和观察室，观察孔1-4被设在和喷嘴同样高度的位置方便观察液态钠滴1-2。燃烧室中以钠滴1-2为中心，在多个角度不同距离上设置了多个热电偶，以便记录燃烧室中空间温度数据，并且在坩埚喷嘴下方设置一个直径为0.5mm热电偶1-3，可以水平微调移动，测量钠滴温度。容器下部也设置电加热丝和热电偶，对通入燃烧室的混合气体进行加热，下部同时设有接钠装置1-7用于容纳实验前掉落的钠滴，防止其四处流动影响实验。为了研究在不同直径尺寸以及不同间距的双钠滴间的相互作用，将喷嘴大小进行调整，实验用坩埚喷嘴外径为2mm，喷嘴内径分别为1.0mm、0.8mm、0.5mm以及0.1mm，每一种喷嘴尺寸的间距都有4mm、8mm。用于挤压钠滴的杆外径为7mm和6mm两种。

双钠滴燃烧坩埚1-16的设计考虑了液态钠滴的性质，将坩埚1-16设计成上部内径为12mm下部内径为8mm，之间通过弧形的光滑界面过度，上宽下窄的设计一方面可以促进对钠滴的稳定性加热，另一方面也通过实验验证了其有利于液态双钠滴的形成。为了和双钠滴坩埚1-16对应，促使双钠滴顺利的形成，燃烧杆1-14设计成上部为5mm下部为7mm的上窄下宽的部件。

加热装置是由两个独立的单元组成，一部分的螺纹状铠装加热丝1-17套在坩埚1-16固定环外侧，用来加热坩埚里的金属钠1-1；另一部分的螺纹状铠装加热丝1-19套在下部通气道外侧，用来加热通入的混合气体以及控制燃烧室的温度。加热丝加热功率改变都由电压控制箱来完成。

排气水洗系统由软管将燃烧容器和该系统连接，实验中会产生大量气溶胶8-1，燃烧过程中可以启动系统将燃烧容器内部的气溶胶8-1排出并且通过水洗净化，从而减少杂质对设备的损坏，整个系统的运行主要由排气泵8-8以及排水泵8-2的开关控制。

供气系统包括：氩气瓶2-2、氮气瓶2-1、空气泵2-3，混合管道，通气管道以及阀门，系统可以通过几个阀门的配合实现独立向手套箱以及燃烧室供气，还可以将空气和氩气以一定比例配合送入燃烧容器内。

电压控制箱是整个试验装置电气设备的控制系统，可以控制加热装置、燃烧杆1-14的上下移动。

出钠坩埚1-16可以方便更换，并设计有多个口径以及口径间距，可根据实验所需的不同流量进行更换。

透明视窗可用于架设摄相机1-5用于实验现象的记录。

燃烧容器下部具有接钠罐1-7，可以接收完全燃烧以及未完全燃烧的金属钠以及其氧化物。

如图2所示，供气系统包括，高纯氮气2-1、高纯氩气2-2、空气泵2-3、气体混合装置2-4、混合气泵2-5、氧浓度仪2-6，a-p为阀门。环境气体控制系统由99.999％高纯氩，99％普氮以及空气组成。首先通过高纯氩控制整个实验环境保护钠滴的顺利形成从而避免被氧化。由于燃烧容器放在手套箱内，通过不断通入高纯氩手套箱里面的氧含量可以控制在4％以下。通过混合氮气和标准空气(氧气：20％体积，氮气：80％体积)可以提供实验用的任何氧气浓度的气体。其中混合气体的氧浓度可以通过氧浓度仪6进行测量,此时关闭阀门e，打开上部阀门c,d,n(其中阀门n通向室内空气),以及空气泵(70l/min，85w)和氮气,通过调节b和a的大小使混合气体通过混合器混合均匀之后通过氧浓度仪6得到想要的氧浓度。当达到理想氧浓度时，关闭阀门n打开通向燃烧室的阀门p就可以将氧送进燃烧室。调节阀j,k,m分别通向有机玻璃罩，燃烧室以及手套箱。

如图7所示，燃烧装置下部通气设备有加热套管7-1，混合气通气孔7-2，混合气室7-3，在该空间混合气体被加热，有助于金属钠滴的燃烧，混合气通气管7-4，接钠管道7-5，当接钠罐打开后能将剩余的废钠取出。

如图8所示，排气水洗系统包括，循环水泵8-2、喷雾头8-3、折流板8-5、抽气泵8-8、管道8-7，其中8-1，8-4以及8-6分别代表钠滴燃烧气溶胶，水洗后的气体以及过滤水。由于钠燃烧后会产生气溶胶对人体有害，所以在燃烧系统中加有废气排放管道，管道接到一个喷淋装置中，喷淋装置分为上下箱体它们通过凸起的管道相连，上箱体的上部是喷雾头下部是循环水，其中的折流板可以使废气充分接触过滤水，当循环水高过凸起管道时上箱体的水将会流入下箱体。同时上下箱体的水通过一个循环水泵能够得以循环。喷淋装置外接一个空气泵使喷淋装置中保持负压从而使燃烧室中的气溶胶等废气可以顺利完全的进入喷淋装置使其与水充分接触从而反应，过滤后的气体将不含有害物质。

针对双钠滴燃烧实验的基本实验过程如下：

1)检查电路，管道的开闭状态确保阀门都处于关闭状态，手套箱中的设备是否齐全。手套箱中应该放有：坩埚，坩埚钩，钠块(足够)，切钠刀，垫板，胶皮手套，镊子，照明灯，螺丝刀。

2)将手套箱的手套装上，关闭手套箱的进口门，关闭废气阀，打开通氩气的阀门包括通向手套箱阀门m，有机玻璃罩j，燃烧室的调节阀k以及燃烧室下面的进气口，向手套箱中以25l/min流量通入氩气大约50s。关闭氩气以及通往手套箱的总阀门i，打开真空泵按钮对手套箱进行抽气大约20s，cerlikon牌真空泵的功率为750w(手套箱中不应为负压)，期间应打开燃烧室下部的阀门以保证将燃烧室的气体抽尽。若手套箱的箱体出现漏气，应当首先检查手套口和过渡舱室门是否关紧和是否破损。如还有漏气应检查手套箱与外部接触的管道阀门以及外门上的“o”型圈及真空橡皮。

3)通过手套箱自动程序将氧浓度控制在4％以下。达到规定氧浓度之后打开氩气阀门以1l/min的小流量通入。

4)在手套箱中进行切钠，将钠块表面的氧化物以及煤油层切除，切钠大约6克，装入坩埚并用杆压实。将坩埚放入加热系统后通过关闭有机玻璃罩的前门的卡子使坩埚与手套箱环境隔绝。

5)将通往燃烧室的调节阀k关小，手套箱和有机玻璃罩中的调节阀m，j开大，燃烧室下部气体调节阀门关闭之后打开氩气阀门使氩气在加热过程中始终保持以1l/min的小流量通向燃烧系统以及手套箱。

6)通过调压器对上部的坩埚和下部燃烧室进行缓慢加热,加热速度大约为0.2℃/0.5s，下部调压盒控制在50v左右使燃烧室的温度加热到180℃左右(随着实验条件可以略微提高温度但不应高于钠滴的初始温度)同时也可以使通入的混合气体经过下部的加热达到一定温度而避免钠滴被混合气冷却。钠滴的初始温度控制加热到150℃(200℃，250℃,300℃,350℃)。

7)打开电动机将杆缓慢向下移动直到坩埚下部有钠滴出现，钠滴的水平直径控制在5mm左右，然后调节热电偶的尖端使它刚好紧挨钠滴表面。此时打开高速摄像机对钠滴开始高速拍摄，一般设为100帧/s，在钠滴的温度稳定后向燃烧室通入已经调整好的一定氧浓度的氧气21％(16％，12％，8％，4％)并使气体以一定的流速通过管道进入燃烧室，观察并记录实验现象和数据。

8)为了防止氧化反应产生的气溶胶堵塞观察孔，在钠滴燃烧过程中可以将排气泵根据条件以调节大小打开，将燃烧室燃烧的废气排进废气喷淋装置。

9)待钠滴燃烧结束后将调压器关掉,观察燃烧室是否还有废气。如果有则继续通过排气泵使废气进入喷淋系统，确定没有废气后打开有机玻璃罩的前门使坩埚热量速度散发。当坩埚温度降到常温时通过镊子将坩埚以及杆从燃烧室取出，同时将下部的接钠阀取出。通过手套箱的工具舱取出后放入装有99.7％的无水乙醇的不锈钢罐中进行浸泡清洗，待残留在坩埚中的钠消失后取出坩埚进行干燥处理。