专利名称：用高压氙灯实现点火的硼颗粒燃烧观测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃烧试验装置，特别涉及高压环境下硼颗粒点火燃烧观测的装置。
背景技术：
由于硼具有较高的质量热值和体积热值，使含硼富燃料推进剂成为固体火箭冲压发动机的首选燃料。但同时硼的熔点和沸点较高，难以熔化和汽化，实际应用中存在点火困难，点火温度高，点火延迟时间长等问题。因此如何实现硼颗粒的顺利点火和燃烧尤为重要。
现有的硼颗粒点火方法有高温管式炉点火、电炉点火、平焰燃烧器点火和激光点火等，各自有相应的优缺点。高温管式炉和电炉点火不便于燃烧现象的观测；平焰燃烧器点火温度较低，且气氛对燃料的干扰大；激光点火难以实现高压的密闭环境，都无法满足要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用高压氙灯实现点火的硼颗粒燃烧观测装置。为解决技术问题，本发明的解决方案是提供一种用高压氙灯实现点火的硼颗粒燃烧观测装置，包括用于硼颗粒燃烧的反应炉，反应炉内设放置硼颗粒样品的托架；该装置还包括一个带有椭球形全反射镜的高压氙灯，其光源位于椭球形的一个焦点，而托架上硼颗粒样品的放置点则位于椭球形的另一个焦点；反应炉是全密闭的，在托架与高压氙灯之间炉体上设有用于通过高压氙灯反射光的石英玻璃；反应炉的炉体上还设有用于观测的石英玻璃窗口 ；所述高压氙灯是指在放电稳定时灯内氙气的压强达到106Pa的氙灯。本发明中，所述炉体上设有进样管，炉体与进样管通过密封端盖隔离；一个热电偶伸入至进样管，且与进样管之间设置动密封，热电偶端部为样品放置点。本发明中，所述进样管外侧设冷却水管，其进水口和出水口接至水泵。本发明中，所述反应炉的炉体外侧设冷却水管，其进水口和出水口接至水泵。本发明中，所述用于观测的石英玻璃窗口外侧设置高速摄影仪、红外热像仪和光纤光谱仪，高速摄影仪、红外热像仪和光纤光谱仪均通过信号线经数据采集系统接至计算机。本发明中，所述炉体上设气体接口，并通过管路接至气瓶组。本发明中，所述炉体内设压力传感器。本发明中，所述炉体放置于升降台上。本发明中，所述反射镜为镍基铑面电铸椭球形全反射镜。相对于现有技术，本发明的有益效果为
I.实现燃料在高压密闭环境中的点燃和观测；2.最高点火温度可达2000K以上，远远超过电热方式，可实现高燃点燃料的点燃；3.点火光源使用可见光波段，解决高压石英玻璃阻挡红外波段的问题，提高了样品的加热速率和能源的利用率；4.本点火方式与燃料的导电性无关，没有电弧、中频点火的局限性；5.点火源与高压燃烧环境隔离，确保安全性；6.本装置属于光学点火方式，干扰小，响应灵敏，可用于瞬间完成燃烧的物质。
图I是用氙灯实现硼颗粒点火的装置结构图；图2是氙灯电路图；图3是高压反应炉的结构图；图4是联用测量仪器的装置图。图中各附图标记为1氣灯，2反射镜,3样品燃烧位置,4电源,5反应炉,6支架，7直流电源模块，8触发器，9发生器，10厚塑料管，11氙灯灯泡，12阳极，13阴极，14气瓶组，15进样管，16石英玻璃窗口，17水冷出口，18用于观测的石英玻璃窗口，19炉膛，20水冷入口，21升降台，22热电偶，23压力传感器，24红外热像仪，25高速摄影仪，26光纤光谱仪，27数据采集系统，28计算机。
具体实施例方式本发明专利是一种新的硼颗粒点火技术。利用大功率氙灯作为光源，经凹面镜反射聚焦热量，加热置于高压反应炉内的燃料，并通过炉体表面的石英玻璃视窗，结合多种仪器进行点火和燃烧过程的观察、测量和分析。下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。本观测装置由加热系统、反应炉、冷却系统和测试系统组成。其中加热系统由电源
4、氙灯I、反射镜2、支架6四部分构成。220V交流电经7只并联的IKW直流电源模块整流后，通过触发器触发点燃氙灯I。氙灯I最大功率7KW，最小功率2KW，通过一个IOV直流电源4进行调节。实验前对氙灯I功率进行标定，实验过程中直接通过设置输入电压调节加热速率和加热温度。反射镜2为镍基铑面电铸椭球形全反射镜，两焦点距离830mm。将氙灯I的光源置于一个焦点，硼颗粒样品置于另一个焦点，氙灯I的热量经全反射镜聚焦在硼颗粒样品上，达到加热和点火的目的。支架6为自行设计加工的普通铁质灯架，主要用于氙灯I和反射镜2放置、焦点调节以及风管布置。反应炉5主体为锻件，并装有用于通过高压氙灯反射光的石英玻璃。反应炉5内作为高温反应区，最高温度2000K以上，最高压力7. OMpa，适合氧气、二氧化碳、水蒸汽等气氛。
(I)实验前炉内由水泵充满水排空，通过升温升压排水并建立水蒸汽环境；并把反应炉5放置在底部的升降台21上，完成位置的调节。(2)实验时，完成反应炉5加热聚焦光源经顶端的石英玻璃窗口 16进入炉体提供高温热源。
(3)样品放置样品预先放置在进样管15内与反应区隔离，炉体与进样管15通过密封端盖隔离，密封端盖在两边的压差作用下紧压在进样管出口断面上，进样管15内充氩气排空。热电偶22伸入至进样管15，且与进样管15之间设置动密封，热电偶22的端部为样品放置点。炉体内在氙灯I加热下升温升压，达到反应条件后，进样管15通过高压气瓶升压至密封盖两边压力平衡，密封盖打开，热电偶22从进样管15伸出，端头的样品进入高温反应区，并置于样品燃烧位置3。由于反应炉5内温度最高可达2000K以上，为了防止温度过高损坏设备，需要安装冷却系统。反射镜2、氙灯I和石英玻璃窗口 16由小型风机提供风源。风机提供的冷却风通过管路分为四路，三路呈对称形式冷却氙灯I的球泡和反射镜2，另一路冷却石英玻璃窗口 16，氙灯I的正负极端子采用交流电源轴流风扇冷却。反应炉5壁上下端面焊接有水冷管，在实验中和实验结束后根据壁温冷却，进样管15和压力传感器23在整个实验过程中均由冷却水管冷却。测试系统主要包括高速摄影仪25、红外热像仪24、光纤光谱仪26、热电偶22、压力·传感器23等仪器装置，可完成反应进程、表面温度、发射光谱、反应温度、炉内压力等重要参数的实时捕集和测量记录。电源4的原理见图2 :电源4通入220V交流电后，点燃氙灯。根据实验要求,输入相应的电压控制氙灯I的开关，调节氙灯I的加热速率和加热温度。图I中的氙灯I作为光源产生的热量通过反射镜2的聚焦作用，把热量集中到反应炉5中的样品燃烧位置3。最高加热温度达2000K以上，可实现硼颗粒的加热、点火和燃烧。如图3所示，气瓶组14 一方面为燃料提供所需的反应气氛(如空气、氧气、二氧化碳等气氛)，另一方面可往炉体内部冲压，通过调节充气压力设定炉体内的实验压力，最高可设定为反应炉5的压力承受极限7. OMpa0另外反应炉5顶部是石英玻璃窗口 16,能量可以很好的透过；还配有水冷却装置，实现炉体的降温；升降台21可调节反应炉5与氙灯I的相对位置，完成调焦。按图4所示，实验前安装好所需测量仪器，实验时，透过反应炉5上的石英玻璃窗口 18，联合高速摄影仪25、红外热像仪24、光纤光谱仪26等仪器装置可以很好地观测到燃料的点火和燃烧现象。
权利要求
1.一种用高压氙灯实现点火的硼颗粒燃烧观测装置，包括用于硼颗粒燃烧的反应炉，反应炉内设放置硼颗粒样品的托架；其特征在于，该装置还包括一个带有椭球形全反射镜的高压氙灯，其光源位于椭球形的一个焦点，而托架上硼颗粒样品的放置点则位于椭球形的另一个焦点；反应炉是全密闭的，在托架与高压氙灯之间炉体上设有用于通过高压氙灯反射光的石英玻璃；反应炉的炉体上还设有用于观测的石英玻璃窗口 ；所述高压氙灯是指在放电稳定时灯内氣气的压强达到106Pa的氣灯。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述炉体上设有进样管，炉体与进样管通过密封端盖隔离；一个热电偶伸入至进样管，且与进样管之间设置动密封，热电偶端部为样品放置点。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述进样管外侧设冷却水管，其进水口和出水口接至水泵。
4.根据权利要求I至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述反应炉的炉体外侧设冷却水管，其进水口和出水口接至水泵。
5.根据权利要求I至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述用于观测的石英玻璃窗口外侧设置高速摄影仪、红外热像仪和光纤光谱仪，高速摄影仪、红外热像仪和光纤光谱仪均通过信号线经数据采集系统接至计算机。
6.根据权利要求I至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述炉体上设气体接口，并通过管路接至气瓶组。
7.根据权利要求I至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述炉体内设压力传感器。
8.根据权利要求I至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述炉体放置于升降台上。
9.根据权利要求I至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述反射镜为镍基铑面电铸椭球形全反射镜。
全文摘要
本发明涉及燃烧试验装置，旨在提供一种用高压氙灯实现点火的硼颗粒燃烧观测装置。该装置包括用于硼颗粒燃烧的反应炉，反应炉内设托架；还包括带有椭球形全反射镜的高压氙灯，其光源位于椭球形的一个焦点，而样品的放置点则位于椭球形的另一个焦点；反应炉是全密闭的，在托架与高压氙灯之间炉体上设有石英玻璃窗口，炉体上还设有用于观测的石英玻璃窗口。本发明能够实现燃料在高压密闭环境中的点燃和观测，最高点火温度远超电热方式；解决高压石英玻璃阻挡红外波段的问题，提高了样品的加热速率和能源的利用率；点火方式与燃料的导电性无关；点火源与高压燃烧环境隔离，确保安全性；干扰小，响应灵敏，可用于瞬间完成燃烧的物质。
文档编号G01N25/38GK102866175SQ201210332448
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者周俊虎, 刘建忠, 汪洋, 张彦威, 杨卫娟, 王智化, 程军, 黄镇宇, 周志军, 岑可法 申请人:浙江大学