一种液氢喷射燃烧测试系统

本发明涉及液氢燃烧测试，尤其是一种液氢喷射燃烧测试系统。

背景技术：

1、氢气分子由于不含碳，燃烧不会产生co、co2、颗粒物等污染大气环境的物质，而且由于其燃烧释放的热值高，燃烧的速度快、来源广，已经成为新兴能源研究领域的热潮。

2、氢能源在具备环境友好、无污染、燃烧热值高、燃烧速度快和来源广等优点的同时，其带来的安全问题不容忽视，尤其是加氢站、氢能运输车辆及利用氢能作为燃料的车辆，一旦发生泄漏、火灾、爆炸事故，产生的危害是巨大的。氢气由于其气体分子小，同体积储存条件下储存质量小，所以在实际使用过程中常常将氢气进行冷却、高压压缩甚至深度冷却至液态氢来获得更大的储存量。液态氢储存情况下，液氢储罐一旦发生破裂使得液氢泄露、喷射/泼溅，会在地面聚集形成液氢池或者液氢吸收环境热量蒸发迅速形成低温的氢-空气云团，与空气混合产生爆炸性混合气体环境，液氢喷射遇火花会产生射流火焰甚至爆炸，造成严重危害；此外，由于液氢气化时体积剧烈膨胀，在密闭或受限空间，少量液氢泄露产生的低温氢气聚集可能导致氧气不足而引起窒息。因此，研究液氢泄漏后的燃烧特性并制定相关的安全标准，对液氢的安全利用意义重大。

3、然而，一个标准大气压下液氢的沸点约为20k（-253℃），过低的温度导致液氢难以被直接点燃。目前对于液氢的研究主要集中在液氢泄漏扩散特性以及液氢泄漏形成的氢-空气云团分布特性的研究，而有关液氢喷射燃烧特性的研究甚少。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种液氢喷射燃烧测试系统，能够实现液氢射流的点火，用于研究液氢喷射燃烧特性。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

3、一种液氢喷射燃烧测试系统，包括：用于提供氢气的供气单元，缓冲单元，用于提供液氢的液氢单元，喷射单元和点火单元；

4、所述供气单元将氢气输送至缓冲单元中进行稳压，所述缓冲单元将稳压后的氢气提供给喷射单元；所述液氢单元向喷射单元提供液氢；所述喷射单元将氢气和液氢共同喷射出，且喷射出的氢气环绕在喷射出的液氢外部；所述点火单元用于对喷射出的氢气和液氢进行点燃，其中，环绕在外部的氢气点燃形成环形的氢气燃烧火焰将喷射出的液氢环绕包裹，从而将喷射出的液氢焰点燃。

5、优选的，所述喷射单元包括：由外至内依次套设的四层腔室即第一隔热腔、氢气腔、氢气分散腔和第二隔热腔，以及液氢管路，氢气输入口，氢气输出口，液氢输入口和液氢输出口；

6、所述液氢管路贯穿四层腔室，液氢管路的液氢输入口用于输入液氢，液氢管路的液氢输出口用于喷射液氢；

7、所述氢气输入口贯穿第一隔热腔并与氢气腔相连通，所述第一隔热腔与氢气腔之间相隔绝；所述氢气腔与氢气分散腔之间通过隔板隔开，隔板上开设有均匀分布的若干通孔，即氢气腔与氢气分散腔之间相连通；氢气先经氢气输入口进入氢气腔中，再经隔板上的通孔分散进入氢气分散腔中；

8、所述氢气分散腔上设有氢气输出口，且氢气输出口套设在液氢输出口的外部；所述氢气分散腔与第二隔热腔之间相隔绝，第二隔热腔与液氢管路之间相隔绝。

9、优选的，所述第一隔热腔和第二隔热腔之间相连通，且在第一隔热腔上设有真空抽气口，通过所述真空抽气口对第一隔热腔和第二隔热腔进行抽真空。

10、优选的，所述供气单元包括：高压氢气瓶组，与高压氢气瓶组输出端连接的氢气供气管路，以及在氢气供气管路上沿氢气传输方向依次设置的第一流量调节阀和单向阀。

11、优选的，所述供气单元还向液氢单元提供氢气，所述液氢单元利用氢气制取液氢。

12、优选的，所述缓冲单元包括：缓冲罐，设置在缓冲罐的输入端和输出端处的调压阀以及三通管路；所述三通管路包括第一路管路和第二路管路；所述缓冲罐的输入端与供气单元的输出端连接，通过调节缓冲罐输入端和输出端处的两个调压阀调节缓冲罐中的氢气压力；所述缓冲罐的输出端通过三通管路的第一路管路和第二路管路分别向液氢单元和喷射单元提供氢气。

13、优选的，所述第一路管路和第二路管路上分别设有第二流量调节阀和第三流量调节阀。

14、优选的，所述液氢单元包括：制液氢设备、液氢输送管路、真空腔和设置于液氢输送管路上的第四流量调节阀；所述制液氢设备用于制取液氢，并将液氢通过液氢输送管路输送给喷射单元；所述真空腔沿液氢输送管路套设在液氢输送管路外。

15、优选的，还包括数据测量单元；

16、所述数据测量单元包括：

17、设置于喷射单元的液氢输出口处的液氢温度传感器和液氢压力传感器，用于采集液氢喷射时的温度和压力；

18、设置于液氢射流中心区的氢气浓度传感器、热电偶和辐射热流计，分别用于采集液氢燃烧时的氢气浓度、燃烧火焰温度和燃烧火焰热辐射；

19、设置于缓冲单元中的氢气压力传感器，用于采集缓冲单元中的氢气压力；

20、以及用于拍摄液氢燃烧火焰图像的摄像机。

21、优选的，所述喷射单元安装在防爆实验舱中，防爆实验舱顶部安装有水喷淋单元。

22、本发明的优点在于：

23、（1）本发明用于开展液氢射流火焰特性的研究，为氢能安全利用领域提供了一种能实现液氢射流点火的系统，实现液氢射流的点火，研究液氢喷射燃烧特性，为液氢的安全利用提供实验支撑。

24、（2）本发明的喷射单元将氢气和液氢共同喷射出，且喷射出的氢气环绕在喷射出的液氢外部，通过点火单元进行点火时，环绕在外部的氢气先点燃形成环形的氢气燃烧火焰，环形的氢气燃烧火焰将喷射出的液氢环绕包裹，从而将喷射出的液氢点燃，实现液氢射流的点火，本发明利用氢气燃烧时的高温特性点燃液氢。

25、（3）本发明所设计的喷射单元包括两层隔热腔，用于保证液氢的低温输送。

26、（4）本发明的氢气腔和氢气分散腔之间采用均匀部分有若干通孔的隔板隔开，多筛孔的扩散结构，保证氢气均匀连续输送至氢气输出口处。

27、（5）本发明喷射单元所设计的两层隔热腔结构，一次抽真空可保证喷射单元中具备两层真空隔热保温结构，保证液氢的低温输送。

28、（6）本发明供气单元的氢气供气管路上的第一流量调节阀用于调节氢气的输送量，单向阀用于防止氢气逆向流动。

29、（7）本发明在液氢输送管路外布置真空腔，为液氢的输送保温隔热。

30、（8）本发明能够实现液氢喷射的点火燃烧试验，并且可以测量液氢液喷射燃烧时氢气浓度、液氢温度、液氢压力、燃烧火焰特性等参数，为液氢的安全利用提供实验支撑及技术参数。

31、（9）本发明系统结构易于安装，复杂结构件可采用3d打印、cnc加工等多种方式实现。

技术特征：

1.一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，包括：用于提供氢气的供气单元（1），缓冲单元（2），用于提供液氢的液氢单元（3），喷射单元（4）和点火单元（5）；

2.根据权利要求1所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述喷射单元（4）包括：由外至内依次套设的四层腔室即第一隔热腔（41）、氢气腔（42）、氢气分散腔（43）和第二隔热腔（44），以及液氢管路（45），氢气输入口（461），氢气输出口（462），液氢输入口（491）和液氢输出口（492）；

3.根据权利要求2所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述第一隔热腔（41）和第二隔热腔（44）之间相连通，且在第一隔热腔（41）上设有真空抽气口（47），通过所述真空抽气口（47）对第一隔热腔（41）和第二隔热腔（44）进行抽真空。

4.根据权利要求1所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述供气单元（1）包括：高压氢气瓶组（11），与高压氢气瓶组（11）输出端连接的氢气供气管路（12），以及在氢气供气管路（12）上沿氢气传输方向依次设置的第一流量调节阀（13）和单向阀（14）。

5.根据权利要求1所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述供气单元（1）还向液氢单元（3）提供氢气，所述液氢单元（3）利用氢气制取液氢。

6.根据权利要求5所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述缓冲单元（2）包括：缓冲罐（22），设置在缓冲罐（22）的输入端和输出端处的调压阀（21）以及三通管路；所述三通管路包括第一路管路（23）和第二路管路（24）；所述缓冲罐（22）的输入端与供气单元（1）的输出端连接，通过调节缓冲罐（22）输入端和输出端处的两个调压阀（21）调节缓冲罐（22）中的氢气压力；所述缓冲罐（22）的输出端通过三通管路的第一路管路（23）和第二路管路（24）分别向液氢单元（3）和喷射单元（4）提供氢气。

7.根据权利要求6所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述第一路管路（23）和第二路管路（24）上分别设有第二流量调节阀（25）和第三流量调节阀（26）。

8.根据权利要求1所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述液氢单元（3）包括：制液氢设备（31）、液氢输送管路（32）、真空腔和设置于液氢输送管路（32）上的第四流量调节阀（33）；所述制液氢设备（31）用于制取液氢，并将液氢通过液氢输送管路（32）输送给喷射单元（4）；所述真空腔沿液氢输送管路（32）套设在液氢输送管路（32）外。

9.根据权利要求1所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，还包括数据测量单元；

10.根据权利要求1所述的一种液氢喷射燃烧测试系统，其特征在于，所述喷射单元（4）安装在防爆实验舱（410）中，防爆实验舱（410）顶部安装有水喷淋单元（411）。

技术总结
本发明公开了一种液氢喷射燃烧测试系统，涉及液氢燃烧测试技术领域，其中，供气单元向喷射单元提供氢气；液氢单元向喷射单元提供液氢；喷射单元将氢气和液氢共同喷射出，且喷射出的氢气环绕在喷射出的液氢外部；点火单元用于对喷射出的氢气和液氢进行点燃，环绕在外部的氢气点燃形成环形的氢气燃烧火焰将喷射出的液氢环绕包裹，从而将喷射出的液氢焰点燃，本发明利用氢气燃烧时的高温特性点燃液氢，能够实现液氢射流的点火，用于研究液氢喷射燃烧特性，并且可以测量液氢液喷射燃烧时氢气浓度、液氢温度、液氢压力、燃烧火焰特性等参数，为液氢的安全利用提供实验支撑及技术参数。

技术研发人员：王昌建,方井,马鸿盛,於星,杨策
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16