[发明专利]一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备

说明书

通过对国内外关于颗粒物采样方法的分析，尤其是对航空发动机尾气颗粒物采样的理论方法的分析，使用稀释采样技术设计出一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备用来研究燃油的燃烧冒烟性能，整个设备由稀释采样系统和燃烧器构成，其中稀释采样系统分为烟气采集系统、清洁空气发生系统、文丘里混合器、停留室、采样系统五个分系统。该设备不需关注烟气的各项参数对采样仪器的影响，简化了试验路径；模拟了高温烟气进入大气环境后的真实变化过程，具有全面性的特点；此外，国内目前还没有像国外一样利用这种技术对航空发动机排放中的非挥发性颗粒物进行过排放测试。

技术领域

本发明是一种涉及排气冒烟样领域及稀释采样领域的设备，特别是一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备。

背景技术

早期，颗粒物采样主要通过直接采样，即烟气直接通过滤膜的方法，例如：美国环境保护署(EPA)的EPA Method 5，EPA Method 17，EPA Method 201/201A，EPA Method 202等方法；国际民航组织附件16中所规定的测试方法；国家标准GB/T16157-1996固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法。这种测量方法只适用于使用燃煤或木材等不易形成过高温度且排气速度较低的场合；对于使用液体燃料航空发动机而言，燃烧烟气排放速度快、成分复杂、温度较高，高温烟气中的气态物质无法迅速转变为固态，导致直接损失一次凝结颗粒物，另外，直接采样使用的滤筒集尘装置也不利于颗粒物的搜集。

为了解决以上缺点，20世纪八、九十年代，美国研究人员发展起来一种全新的稀释采样方法，它的主要原理是：在烟气通过过滤装置之前，先与纯净空气按一定比例进行稀释混合，冷却到环境温度，通入停留室中停留一段时间，模拟一次凝结颗粒物的生成条件，从而完整采集到一次颗粒物。稀释采样使采样温度降低后，放宽了对采样装置材料的使用限制，不再关注烟气的温度、湿度等参数，因为只需要让其尽可能的接近自然变化过程，简化了整个采样流程。再加上此方法同样适用于在线颗粒物测量仪器对颗粒物进行源解析的测量，国外研究人员根据此方法开发了多种稀释采样系统。

国内对稀释采样技术的研究成果较少：北京大学周楠等和清华大学李兴华等相继研制出应用于燃煤锅炉的颗粒物排放稀释采样系统；上海市计量测试研究院杨伟浩等应用此技术研制了柴油机颗粒物排放分析系统，该系统研发中主要的特点有：首先稀释比的计算是根据稀释前后烟气中的二氧化碳浓度、稀释气体的二氧化碳浓度以及混合气体的二氧化碳浓度计算的，而且该系统未采用等速采样，因为是否采用等速采样取决于斯托克斯数(Stk)，当斯托克斯数小于0.01时，是否采用等速采样对颗粒物的质量浓度影响不大，而斯托克斯数的大小主要取决于颗粒物的大小，一般来说，颗粒物直径小于1000nm，斯托克斯数均小于0.01。对于航空煤油的燃烧，其排气中的颗粒物直径基本在1000nm以下。

国外针对航空发动机颗粒物排放测试的研究主要有：2004年四月，美国航空航天局(NASA)在位于爱德华空军基地的德莱顿飞行研究中心开展了飞机颗粒物排放试验；2009年一月至二月，该机构又专门针对航空替代燃料开展了航空替代燃料试验，该实验所使用的的燃料为三种：JP-8、FT-煤和JP-8 1:1掺混、FT-天然气和JP-8 1:1掺混；测试条件为：使用处于开放区域的DC-8飞机，发动机型号为CFM56，采样系统布置在发动机尾喷口排放下游1m和30m处，这个测试的主要特点是：混合燃料为右侧的发动机供油，JP-8为左侧的发动机供油，对比不同推力条件下发动机排气中的颗粒物状况；以上这两个试验使用的采样方法都是直接采样方法；Rye和Lobo等在涡喷发动机细小颗粒物采集的试验中，使用了以纯净氮气为稀释气体的采样方法，目的是为了减少颗粒物在采样系统中的凝结；Schmid和Hagen等在对涡喷发动机气溶胶类物质的采样中，使用了干燥的稀释空气以结束进一步的化学反应，包括：颗粒物-颗粒物(例如凝固)，气体-颗粒物(例如成核、凝结)。