一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，包括外部恒温槽、主体容器、燃烧室、导流筒、斜桨式搅拌器、测温元件、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元，燃气燃烧释放的热量在主体容器内被吸热介质吸收而得到精确测量，热值测量不确定度优于0.3%（k=2）。本实用新型的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置通过设置电功率模拟燃气燃烧放热过程，精确测量系统等效热容量；通过燃烧的方法直接测量燃气热值，保证热值测量不确定度优于0.3%（k=2）。
【专利说明】
一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置
技术领域
[0001] 本发明属于计量测试领域，涉及基于燃烧法测定燃气热值的实验装置，尤其涉及 不确定度0.3%)的燃气热值计量系统。
【背景技术】
[0002] 目前，气体燃料在我国能源结构中所占比重快速提高，燃气热值作为天然气国际 贸易的结算单位，其准确度对燃气的公平贸易具有十分重要的意义。但是我国现有燃气热 值计量体系不完善，远落后于欧洲国家。
[0003] 燃气热值指一定体积或质量的燃气完全燃烧所放出的热量，当所生成的水蒸气完 全冷凝成水而释放的热量称为高位热值。气体燃料热值测试仪主要基于开放火焰燃烧法， 即燃气样品在等温环境下定压燃烧。开放火焰燃烧法又分为两类:定流量法和定质量法。 GB/T12206-2006中采用"容克式水流式热量计"就是定流量法开放火焰燃烧法热值测量装 置，其热值不确定度只能达到1%。定质量法最早由Rossini提出，欧洲燃气测试联盟和法国 国家计量院对Rossini法改进后，研制出热值不确定度达到0.05%的燃气热值测量装置。国 内技术远不如国际技术。
[0004] 基于Rossini法直接测试燃气热值的基本原理是：一定质量的燃气送入燃烧室中 缓慢定压燃烧，释放的热量全部由容器内的吸热介质吸收，通过测试吸热介质的温升，可得 到总发热量，则燃气热值可由下式计算得到：
[0005]
[0006] 式中ceq为容器内吸热介质与燃烧室、搅拌器等的当量比热，ΔΤ为吸热介质的温 升，mgas为燃气质量，K为考虑系统散热等引起的热量修正。
[0007] 获得高准确度燃气热值测试结果的前提是准确测试得到系统当量比热、吸热介质 的温升、燃气质量以及系统散热引起的热量修正。
[0008] 因此，一种高准确度的燃气热值测量系统要求实现系统当量比热和吸热介质温升 的准确测量。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高准确度的燃气热值测量系统 的燃烧测试装置，为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0010] -种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，包括外部恒温槽、主体容器 单元、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元，所述外部恒温槽，包括外部恒温槽主体 和其上的外部恒温槽上盖;所述主体容器单元，包括主体容器、燃烧室、导流筒、斜桨式搅拌 器、搅拌轴、电机、测温元件，主体容器制成双层结构，包括主体容器外壳体，主体容器内壳 体，中间注入保温材料，主体容器内设置的吸热介质为纯净水。
[0011] 进一步的，所述燃烧室内设置燃气进气管、氧、氩混合气体进气管，点火腔、燃烧 腔，出气盘管，水平储液管，所述燃气进气管从所述点火腔的底部伸入到点火腔的中上部； 所述氧、氩混合气体进气管，分别通过点火腔侧壁面的下部与点火腔连通。
[0012] 进一步的，所述出气盘管从所述燃烧腔顶部伸出后环绕在燃烧腔周围，其下部与 水平储液管连通。
[0013] 进一步的，还包括点火线，所述点火线分别从所述氧、氩混合气体进气管中伸入点 火腔中燃气进气管的上部。
[0014] 进一步的，还包括圆环管，所述圆环管套在燃气进气管上并设有两个通孔，点火线 通过该两个通孔保持点火距离。
[0015] 进一步的，还包括感温元件，感温元件置于点火腔的上端。
[0016] 进一步的，所述斜桨式搅拌器置于吸热介质中间水位高度。
[0017] 进一步的，所述等效热容测试电加热单元由电加热带、参考电阻、恒定电源串联而 成，数字万用表分别实时采集记录电加热带和参考电阻的电压。
[0018] 进一步的，所述半导体预冷单元包括半导体制冷片、水冷散热翅片、散热风扇、两 个水冷散热器、水箱、水栗及连接管道，其中一个水冷散热器设置于主体容器单元外部，另 一水冷散热器设置于吸热介质，两个水冷散热器通过水栗和管道连接，管道上设有水箱。
[0019] 本发明的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置通过设置电功率模拟燃 气燃烧放热过程，精确测量系统等效热容量;通过燃烧的方法直接测量燃气热值，保证热值 测量不确定度优于〇. 3%(k=2)。
【附图说明】
[0020] 图1是发明的总体结构示意图；
[0021] 图2是燃烧室的结构示意图；
[0022]图3a是主体容器示意图，图3b是F-F剖视图，图3c是G-G剖视图；
[0023]图4是主体容器的外观示意图；
[0024]图5是半导体预冷单元示意图。
[0025]图中各附图标记含义：
[0026] 1-外部恒温槽主体，2-主体容器外壳体，3-主体容器内壳体，4-导流筒，5-斜桨 式搅拌器，6-搅拌轴，7-主体容器内壳盖板，8-主体容器外壳盖板，9-外部恒温槽上盖，10-电机，11 -恒定电源，12、14-数字万用表，13-参考电阻，15-水栗，16-水箱，17、21 -水冷散热 器，18-半导体制冷片，19-水冷散热翅片，20-散热风扇，22、25-隔热垫脚，23-电加热带，24-燃烧室，26-测温元件，27-燃气进气管，28、38-氧、氩混合气体进气管，29-点火腔，30-圆环 管，31-燃烧腔，32-出气盘管，33-感温元件，34、35-点火线，36-水平储液管，37-磨砂连接 件，39-密封圈，40-紧固件。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图进一步阐述本发明的【具体实施方式】。这些附图均为简化的示意图， 仅以示意的方式说明本发明的基本结构。
[0028]如图1所示，本发明的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，主要包括外 部恒温槽、主体容器单元、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元等四部分。
[0029] 如图1所示，所述外部恒温槽，包括外部恒温槽主体1和外部恒温槽上盖9。进一步 的，所述外部恒温槽主体内的恒温水浴的温度为25°C ±2mK。
[0030] 如图3a、3b所述，所述主体容器单元，包括主体容器外壳体2，主体容器内壳体3，主 体容器内壳盖板7，主体容器外壳盖板8，燃烧室24、导流筒4、斜桨式搅拌器5、搅拌轴6、电机 10、测温元件26等。
[0031 ] 进一步的，所述主体容器外壳体2、主体容器内壳体3，体容器内壳盖板7，主体容器 外壳盖板8由不锈钢制成。主体容器制成双层结构，中间可注入保温材料减小燃烧热量向外 散失。主体容器内吸热介质为纯净水。
[0032] 如图4所示所述主体容器盖板7、8的开孔通过如紧固件38、40与密封圈39所示的组 合配合完成。
[0033]如图2所示，所述燃烧室24的燃气进气管27、氧、氩混合气体进气管28、38,点火腔 29、燃烧腔31，出气盘管32，水平储液管36都由石英玻璃制成，其透光率高，有助于将燃气的 燃烧热以辐射换热的形式快速高效的传递到吸热介质中。
[0034]所述出气盘管32自所述燃烧腔31顶部连出后环绕在燃烧腔31周围，其下部与水平 储液管36连通，防止燃烧产物水蒸气冷凝后堵住出气盘管而不利排放。
[0035]所述燃气进气管27,自所述点火腔29的底部伸入到点火腔29的中上部;所述氧、氩 混合气体进气管28、38,分别通过点火腔29侧壁面的下部与点火腔29连通。如此，保证所述 点火腔内的燃气周围均匀分布预混好的氧气、氩气混合气体，为燃气的连续稳定的燃烧提 供有利的条件。
[0036]点火线34、35分别从所述氧、氩混合气体进气管28、38中伸入点火腔29中燃气进气 管27的上部。圆环管30套在燃气进气管27上并设有两个通孔，点火线通过这两个通孔保持 最佳点火距离，有利于电弧的产生并为燃气的燃烧提供足够的点火温度。
[0037]感温元件33置于点火腔29的上端，燃气点燃时，感温元件所在位置的温度从吸热 介质的初始温度开始急剧升高逐渐接近火焰温度;燃气火焰熄灭时，感温元件所在位置的 温度即刻降低逐渐接近吸热介质温度。通过点火腔29内感温元件33温度的骤升点和骤降点 来判断燃气燃烧的初始时刻和终止时刻。
[0038]斜桨式搅拌器5置于吸热介质中间水位高度。所述测温元件26的放置点必须精确 代表吸热介质水浴的平均温度，测温元件26的最佳测温点在燃烧腔31轴心与搅拌轴6轴心 的中线上，离壳体底部15cm处。
[0039]如图1所示，等效热容测试电加热单元由电加热带23、参考电阻13、恒定电源11串 联而成，数字万用表12、14实时采集记录电加热带23和参考电阻13电压。所述电加热带23由 聚酰亚胺加热膜制成，贴附在燃烧腔31的外壁面，可提供快速高效的热传输，加热面温度均 匀，能高效模拟燃气在燃烧腔燃烧的加热功率，提高系统当量比热测试结果的准确性。
[0040] 如图5所示，半导体预冷装置包括半导体制冷片18,水冷散热翅片19,散热风扇20， 水冷散热器17、21，水箱16、水栗15及连接管道。所述水冷散热器17、21由铜制成并包裹保温 材料，防止冷量散失。
[0041] 半导体预冷装置工作时，半导体制冷片18通电、水栗15通电后，水经过水冷散热器 17时从半导体制冷片冷端吸收冷量，再经过水冷散热器21时释放给吸热介质，不断循环以 降低吸热介质的温度;半导体制冷片18断电后，半导体预冷装置停止工作，吸热介质不再获 得冷量。
[0042] 燃气热值测试过程中，外部恒温槽内水浴温度始终恒定为25°C ±2mK，斜桨式搅拌 器5始终保持以一定转速(300rpm)转动，测温元件26和感温元件33始终保持工作状态。通过 半导体预冷装置工作将吸热介质温度降低至23.5°C时，燃气开始点火燃烧。首先将按比例 预混好的氧气、氩气从氧、氩混合气体进气管28、38通入点火腔29中，然后点火线34、35通电 产生电弧，再将lg燃气从燃气进气管27送入点火腔29中，感温元件33通过温度骤升判断燃 气点燃后，点火线34、35停止产生电弧。燃气连续缓慢稳定燃烧，不断释放热量，测温元件26 实时采集存储吸热介质温度。待燃气燃烧完全，感温元件33检测到火焰熄灭后，测温元件26 继续采集测量数据20min。
[0043] 系统等效热容测试过程:如图1所示，用电加热模拟燃烧放热，设置电加热带23的 电功率与燃烧实验的放热功率一致，电加热时间也与燃烧时间保持一致，通过测温元件26 获得电加热绝热温升，数字万用表12、14实时测量电加热带23、参考电阻14的电压，系统等 效热容量可由下式计算得到：
[0044]
[0045]
[0046] 式中为系统等效热容量，E m为电加热能量，△ 7^^为电加热温升，5^为参考 电阻，为电加热带的电压，为参考电阻的电压，ii为时间。
[0047] 上述实例仅仅是为说明所做的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的技 术人员，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这些由此所引伸出 的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，包括外部恒温槽、主体容器单 元、等效热容测试电加热单元、半导体预冷单元，其特征在于:所述外部恒温槽，包括外部恒 温槽主体（1)和其上的外部恒温槽上盖（9);所述主体容器单元，包括主体容器、燃烧室 (24)、导流筒(4)、斜桨式搅拌器(5)、搅拌轴(6)、电机（10)、测温元件(26)，主体容器制成双 层结构，包括主体容器外壳体(2)，主体容器内壳体(3)，中间注入保温材料，主体容器内设 置的吸热介质为纯净水。2. 如权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:所 述燃烧室(24)内设置燃气进气管(27)、氧、氩混合气体进气管(28、38)，点火腔(29)、燃烧腔 (31)、出气盘管(32)、水平储液管(36)，所述燃气进气管(27)从所述点火腔(29)的底部伸入 到点火腔（29)的中上部;所述氧、氩混合气体进气管（28、38)，分别通过点火腔（29)侧壁面 的下部与点火腔(29)连通。3. 如权利要求2所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:所 述出气盘管(32)从所述燃烧腔(31)顶部伸出后环绕在燃烧腔(31)周围，其下部与水平储液 管(36)连通。4. 如权利要求2所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:还 包括点火线(34、35)，所述点火线(34、35)分别从所述氧、氩混合气体进气管(28、38)中伸入 点火腔(29)中燃气进气管(27)的上部。5. 如权利要求4所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:还 包括圆环管(30)，所述圆环管(30)套在燃气进气管(27)上并设有两个通孔，点火线（34、35) 通过该两个通孔保持点火距离。6. 如权利要求2所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:还 包括感温元件(33)，感温元件(33)置于点火腔(29)的上端。7. 如权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:所 述斜桨式搅拌器(5)置于吸热介质中间水位高度。8. 如权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:所 述等效热容测试电加热单元由电加热带(23)、参考电阻（13)、恒定电源（11)串联而成，数字 万用表(12、14)分别实时采集记录电加热带(23)和参考电阻（13)的电压。9. 如权利要求1所述的高准确度的燃气热值测量系统的燃烧测试装置，其特征在于:所 述半导体预冷单元包括半导体制冷片（18)、水冷散热翅片（19)、散热风扇(20)、两个水冷散 热器（17、21 )、水箱（16 )、水栗（15 )及连接管道，其中一个水冷散热器（17 )设置于主体容器 单元外部，另一水冷散热器(21)设置于吸热介质，两个水冷散热器（17、21)通过水栗（15)和 管道连接，管道上设有水箱（16)。
【文档编号】G01N25/44GK205607904SQ201620266623
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】杜军燕, 王玉刚, 潘江, 秦宇, 孙喜荣, 周秉直
【申请人】中国计量学院, 陕西省计量科学研究院