本發(fā)明涉及的是一種堿金屬的實驗裝置，具體地說是堿金屬燃燒的實驗裝置。

背景技術(shù)：

液態(tài)堿金屬火災(zāi)有多種形態(tài)，快堆中的鈉火基本上有兩種模式，一種由于管道的破裂以噴霧形式而釋放到安全殼內(nèi)，另一種在地面聚集形成池式鈉火，即噴霧鈉火和池式鈉火。噴霧鈉火是比池式鈉火更嚴重的一種燃燒模式，因為鈉噴霧燃燒有更高的速度，噴霧鈉火燃燒是在一個高度分裂狀態(tài)下進行的，即以鈉滴的形式。鈉滴燃燒是各種形式鈉火研究的基礎(chǔ)，因此對鈉滴燃燒特性的研究具有十分重要的意義。

目前國際上對鈉火事故進行了一些理論和實驗研究，對于鈉滴燃燒的研究大都以單一鈉滴為基礎(chǔ)，而忽略了發(fā)生泄漏后鈉滴之間的相互作用。這種含能液滴間的作用不僅僅限于質(zhì)量和能量的傳遞，還對鈉滴的運動速度、燃燒速率、蒸發(fā)常數(shù)產(chǎn)生影響。因此，實驗主要針對雙鈉滴相互靠近時產(chǎn)生相互作用的條件，即鈉滴間距大小，以及考慮了相互作用影響后的的燃燒速率、熱量變化進行研究，測量鈉滴燃燒傳播速度，從而奠定噴霧鈉火研究的基礎(chǔ)。雙鈉滴燃燒的研究是建立在單一鈉滴的基礎(chǔ)上，考慮了鈉滴間相互作用，同時和單一鈉滴燃燒一樣，考慮了與反應(yīng)空間內(nèi)的氧氣濃度，初始液態(tài)金屬鈉的溫度的因素，這就要求實驗裝置能夠模擬多種情況，并且還能靈活改變實驗條件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供可以進行不同直徑大小以及不同間距的雙液滴金屬鈉火災(zāi)實驗研究的液態(tài)堿金屬燃燒傳播速度測量裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明液態(tài)堿金屬燃燒傳播速度測量裝置，其特征是：包括有機玻璃罩、殼體、接鈉罐，有機玻璃罩和殼體自上而下依次設(shè)置并構(gòu)成封閉的實驗空間，有機玻璃罩里設(shè)置電機，殼體里設(shè)置鉗鍋、混合氣體外殼，鉗鍋里填充堿金屬，鉗鍋外部設(shè)置上部加熱絲，電機連接燃燒桿，燃燒桿伸入至鉗鍋里并擠壓堿金屬，混合氣體外殼的出口位于鉗鍋的堿金屬滴出口正下方，接鈉罐的進口由混合氣體外殼下方伸入至混合氣體外殼出口的下方并與其形成混合氣體通道，混合氣體出氣管伸入混合氣體外殼里，殼體上開設(shè)稀有氣體孔，稀有氣體出氣管連通稀有氣體孔。

本發(fā)明還可以包括：

1、還包括排氣水洗系統(tǒng)，所述的排氣水洗系統(tǒng)包括過濾水箱、循環(huán)管道，過濾水箱包括上箱體、下箱體，上箱體和下箱體之間通過凸起管道相通，循環(huán)管道的一端連通上箱體，循環(huán)管道的另一端連通下箱體，循環(huán)管道上安裝循環(huán)水泵，上箱體里設(shè)置折流板，上箱體上設(shè)置分列折流板兩側(cè)的水洗后氣體出氣口和噴霧頭，噴霧頭連通循環(huán)管道，水洗后氣體出氣口連通水洗后氣體出氣管道，水洗后氣體出氣管道上設(shè)置抽氣泵，殼體上設(shè)置氣溶膠排氣口，氣溶膠排氣口通過氣溶膠排氣管連通上箱體。

2、還包括供氣系統(tǒng)，所述的供氣系統(tǒng)包括氮氣源、氬氣源，氮氣源連通混合氣體出氣管，氬氣源連通稀有氣體出氣管，混合氣體出氣管與稀有氣體出氣管通過氣體混合管相通，氣體混合管上設(shè)置氣體混合閥，在氣體混合管與氮氣源之間的混合氣體出氣管上支出空氣管，空氣管上設(shè)置空氣泵和空氣閥，氮氣源出口設(shè)置氮氣閥，在氣體混合管與空氣管之間的混合氣體出氣管上設(shè)置氣體混合裝置，在氣體混合管后方的混合氣體出氣管上設(shè)置混合氣泵和氧濃度儀，氬氣源出口設(shè)置氬氣閥。

3、鉗鍋的內(nèi)部為上寬下窄的結(jié)構(gòu)，其中鉗鍋上部內(nèi)徑為12mm，鉗鍋下部內(nèi)徑為8mm，燃燒桿為上窄下寬的結(jié)構(gòu)，其中燃燒桿上部直徑為5mm，燃燒桿下部直徑為7mm。

4、混合氣體外殼外部套有下部加熱絲，上部加熱絲和下部加熱絲均為螺紋狀。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

(1)實驗裝置結(jié)構(gòu)準確可靠。堿金屬雙液滴的形成通過不銹鋼雙噴嘴坩堝形成，替代了傳統(tǒng)的目測大小以掛滴形式的燃燒研究，增加了液滴實驗的可靠性和實驗的準確性，而且通過加熱在同一坩堝中含有足夠量的液態(tài)堿金屬可以進行多次重復(fù)性實驗，以上特點使得整個裝置工作更加準確可靠。

(2)實驗裝置擴展性強?？稍谕蝗紵b置中完成不同大小以及不同間距的雙鈉滴實驗，不同的實驗不用重新設(shè)計制造，只需通過簡單改動不同尺寸坩堝，就能夠?qū)崿F(xiàn)。這一特點節(jié)省了鈉火實驗研究的成本和實驗周期。

(3)實驗裝置功能多?？稍谘b置中完成不同條件的燃燒實驗，燃燒用氧濃度可以任意配比，初始液態(tài)金屬鈉的溫度能夠預(yù)先設(shè)定，可以測量不同初始氧濃度，不同初始鈉溫度下液態(tài)堿金屬(鈉和鋰等)的燃燒傳播速度，為大型噴霧鈉火實驗研究奠定基礎(chǔ)，為鈉火事故的預(yù)防和應(yīng)對提供技術(shù)支持。

(4)實驗裝置安全性高。燃燒容器和坩堝分離，通過加熱絲對坩堝加熱。這種設(shè)計可以將燃燒容器遠離人員放置，即使在實驗中燃燒容器發(fā)生泄漏或者破壞，也不會對操作人員安全造成威脅。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為供氣系統(tǒng)示意圖；

圖3為燃燒裝置燃燒室俯視圖；

圖4為燃燒裝置燃燒室剖視圖；

圖5a為坩堝的主剖視圖，圖5b為鉗鍋的側(cè)剖視圖，圖5c為鉗鍋的俯視圖；

圖6為燃燒桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為燃燒裝置下部通氣設(shè)備剖視圖；

圖8為排氣水洗系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：

結(jié)合圖1-8，本發(fā)明包括燃燒容器、燃燒坩堝、燃燒桿、加熱裝置、電控制箱。實驗中所用的燃燒容器分為上，中，下三部分。上部是加熱燃燒裝置，上腔室中放置一個帶有雙噴嘴的坩堝1-16，周圍有電熱絲1-17對其進行加熱。正對坩堝1-16開口的上方有一個用于擠壓液態(tài)鈉1-1的燃燒桿1-14，燃燒桿1-14通過位于其上方的電機1-11推動上下運動。容器上部的有機玻璃罩1-9使坩堝內(nèi)的液態(tài)鈉1-1處于保護氣體中，避免氧化。燃燒容器中間部分是鈉滴氧化燃燒實驗的燃燒室和觀察室，觀察孔1-4被設(shè)在和噴嘴同樣高度的位置方便觀察液態(tài)鈉滴1-2。燃燒室中以鈉滴1-2為中心，在多個角度不同距離上設(shè)置了多個熱電偶，以便記錄燃燒室中空間溫度數(shù)據(jù)，并且在坩堝噴嘴下方設(shè)置一個直徑為0.5mm熱電偶1-3，可以水平微調(diào)移動，測量鈉滴溫度。容器下部也設(shè)置電加熱絲和熱電偶，對通入燃燒室的混合氣體進行加熱，下部同時設(shè)有接鈉裝置1-7用于容納實驗前掉落的鈉滴，防止其四處流動影響實驗。為了研究在不同直徑尺寸以及不同間距的雙鈉滴間的相互作用，將噴嘴大小進行調(diào)整，實驗用坩堝噴嘴外徑為2mm，噴嘴內(nèi)徑分別為1.0mm、0.8mm、0.5mm以及0.1mm，每一種噴嘴尺寸的間距都有4mm、8mm。用于擠壓鈉滴的桿外徑為7mm和6mm兩種。

雙鈉滴燃燒坩堝1-16的設(shè)計考慮了液態(tài)鈉滴的性質(zhì)，將坩堝1-16設(shè)計成上部內(nèi)徑為12mm下部內(nèi)徑為8mm，之間通過弧形的光滑界面過度，上寬下窄的設(shè)計一方面可以促進對鈉滴的穩(wěn)定性加熱，另一方面也通過實驗驗證了其有利于液態(tài)雙鈉滴的形成。為了和雙鈉滴坩堝1-16對應(yīng)，促使雙鈉滴順利的形成，燃燒桿1-14設(shè)計成上部為5mm下部為7mm的上窄下寬的部件。

加熱裝置是由兩個獨立的單元組成，一部分的螺紋狀鎧裝加熱絲1-17套在坩堝1-16固定環(huán)外側(cè)，用來加熱坩堝里的金屬鈉1-1；另一部分的螺紋狀鎧裝加熱絲1-19套在下部通氣道外側(cè)，用來加熱通入的混合氣體以及控制燃燒室的溫度。加熱絲加熱功率改變都由電壓控制箱來完成。

排氣水洗系統(tǒng)由軟管將燃燒容器和該系統(tǒng)連接，實驗中會產(chǎn)生大量氣溶膠8-1，燃燒過程中可以啟動系統(tǒng)將燃燒容器內(nèi)部的氣溶膠8-1排出并且通過水洗凈化，從而減少雜質(zhì)對設(shè)備的損壞，整個系統(tǒng)的運行主要由排氣泵8-8以及排水泵8-2的開關(guān)控制。

供氣系統(tǒng)包括：氬氣瓶2-2、氮氣瓶2-1、空氣泵2-3，混合管道，通氣管道以及閥門，系統(tǒng)可以通過幾個閥門的配合實現(xiàn)獨立向手套箱以及燃燒室供氣，還可以將空氣和氬氣以一定比例配合送入燃燒容器內(nèi)。

電壓控制箱是整個試驗裝置電氣設(shè)備的控制系統(tǒng)，可以控制加熱裝置、燃燒桿1-14的上下移動。

出鈉坩堝1-16可以方便更換，并設(shè)計有多個口徑以及口徑間距，可根據(jù)實驗所需的不同流量進行更換。

透明視窗可用于架設(shè)攝相機1-5用于實驗現(xiàn)象的記錄。

燃燒容器下部具有接鈉罐1-7，可以接收完全燃燒以及未完全燃燒的金屬鈉以及其氧化物。

如圖2所示，供氣系統(tǒng)包括，高純氮氣2-1、高純氬氣2-2、空氣泵2-3、氣體混合裝置2-4、混合氣泵2-5、氧濃度儀2-6，a-p為閥門。環(huán)境氣體控制系統(tǒng)由99.999％高純氬，99％普氮以及空氣組成。首先通過高純氬控制整個實驗環(huán)境保護鈉滴的順利形成從而避免被氧化。由于燃燒容器放在手套箱內(nèi)，通過不斷通入高純氬手套箱里面的氧含量可以控制在4％以下。通過混合氮氣和標準空氣(氧氣：20％體積，氮氣：80％體積)可以提供實驗用的任何氧氣濃度的氣體。其中混合氣體的氧濃度可以通過氧濃度儀6進行測量,此時關(guān)閉閥門e，打開上部閥門c,d,n(其中閥門n通向室內(nèi)空氣),以及空氣泵(70l/min，85w)和氮氣,通過調(diào)節(jié)b和a的大小使混合氣體通過混合器混合均勻之后通過氧濃度儀6得到想要的氧濃度。當(dāng)達到理想氧濃度時，關(guān)閉閥門n打開通向燃燒室的閥門p就可以將氧送進燃燒室。調(diào)節(jié)閥j,k,m分別通向有機玻璃罩，燃燒室以及手套箱。

如圖7所示，燃燒裝置下部通氣設(shè)備有加熱套管7-1，混合氣通氣孔7-2，混合氣室7-3，在該空間混合氣體被加熱，有助于金屬鈉滴的燃燒，混合氣通氣管7-4，接鈉管道7-5，當(dāng)接鈉罐打開后能將剩余的廢鈉取出。

如圖8所示，排氣水洗系統(tǒng)包括，循環(huán)水泵8-2、噴霧頭8-3、折流板8-5、抽氣泵8-8、管道8-7，其中8-1，8-4以及8-6分別代表鈉滴燃燒氣溶膠，水洗后的氣體以及過濾水。由于鈉燃燒后會產(chǎn)生氣溶膠對人體有害，所以在燃燒系統(tǒng)中加有廢氣排放管道，管道接到一個噴淋裝置中，噴淋裝置分為上下箱體它們通過凸起的管道相連，上箱體的上部是噴霧頭下部是循環(huán)水，其中的折流板可以使廢氣充分接觸過濾水，當(dāng)循環(huán)水高過凸起管道時上箱體的水將會流入下箱體。同時上下箱體的水通過一個循環(huán)水泵能夠得以循環(huán)。噴淋裝置外接一個空氣泵使噴淋裝置中保持負壓從而使燃燒室中的氣溶膠等廢氣可以順利完全的進入噴淋裝置使其與水充分接觸從而反應(yīng)，過濾后的氣體將不含有害物質(zhì)。

針對雙鈉滴燃燒實驗的基本實驗過程如下：

1)檢查電路，管道的開閉狀態(tài)確保閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)，手套箱中的設(shè)備是否齊全。手套箱中應(yīng)該放有：坩堝，坩堝鉤，鈉塊(足夠)，切鈉刀，墊板，膠皮手套，鑷子，照明燈，螺絲刀。

2)將手套箱的手套裝上，關(guān)閉手套箱的進口門，關(guān)閉廢氣閥，打開通氬氣的閥門包括通向手套箱閥門m，有機玻璃罩j，燃燒室的調(diào)節(jié)閥k以及燃燒室下面的進氣口，向手套箱中以25l/min流量通入氬氣大約50s。關(guān)閉氬氣以及通往手套箱的總閥門i，打開真空泵按鈕對手套箱進行抽氣大約20s，cerlikon牌真空泵的功率為750w(手套箱中不應(yīng)為負壓)，期間應(yīng)打開燃燒室下部的閥門以保證將燃燒室的氣體抽盡。若手套箱的箱體出現(xiàn)漏氣，應(yīng)當(dāng)首先檢查手套口和過渡艙室門是否關(guān)緊和是否破損。如還有漏氣應(yīng)檢查手套箱與外部接觸的管道閥門以及外門上的“o”型圈及真空橡皮。

3)通過手套箱自動程序?qū)⒀鯘舛瓤刂圃?％以下。達到規(guī)定氧濃度之后打開氬氣閥門以1l/min的小流量通入。

4)在手套箱中進行切鈉，將鈉塊表面的氧化物以及煤油層切除，切鈉大約6克，裝入坩堝并用桿壓實。將坩堝放入加熱系統(tǒng)后通過關(guān)閉有機玻璃罩的前門的卡子使坩堝與手套箱環(huán)境隔絕。

5)將通往燃燒室的調(diào)節(jié)閥k關(guān)小，手套箱和有機玻璃罩中的調(diào)節(jié)閥m，j開大，燃燒室下部氣體調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉之后打開氬氣閥門使氬氣在加熱過程中始終保持以1l/min的小流量通向燃燒系統(tǒng)以及手套箱。

6)通過調(diào)壓器對上部的坩堝和下部燃燒室進行緩慢加熱,加熱速度大約為0.2℃/0.5s，下部調(diào)壓盒控制在50v左右使燃燒室的溫度加熱到180℃左右(隨著實驗條件可以略微提高溫度但不應(yīng)高于鈉滴的初始溫度)同時也可以使通入的混合氣體經(jīng)過下部的加熱達到一定溫度而避免鈉滴被混合氣冷卻。鈉滴的初始溫度控制加熱到150℃(200℃，250℃,300℃,350℃)。

7)打開電動機將桿緩慢向下移動直到坩堝下部有鈉滴出現(xiàn)，鈉滴的水平直徑控制在5mm左右，然后調(diào)節(jié)熱電偶的尖端使它剛好緊挨鈉滴表面。此時打開高速攝像機對鈉滴開始高速拍攝，一般設(shè)為100幀/s，在鈉滴的溫度穩(wěn)定后向燃燒室通入已經(jīng)調(diào)整好的一定氧濃度的氧氣21％(16％，12％，8％，4％)并使氣體以一定的流速通過管道進入燃燒室，觀察并記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。

8)為了防止氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣溶膠堵塞觀察孔，在鈉滴燃燒過程中可以將排氣泵根據(jù)條件以調(diào)節(jié)大小打開，將燃燒室燃燒的廢氣排進廢氣噴淋裝置。

9)待鈉滴燃燒結(jié)束后將調(diào)壓器關(guān)掉,觀察燃燒室是否還有廢氣。如果有則繼續(xù)通過排氣泵使廢氣進入噴淋系統(tǒng)，確定沒有廢氣后打開有機玻璃罩的前門使坩堝熱量速度散發(fā)。當(dāng)坩堝溫度降到常溫時通過鑷子將坩堝以及桿從燃燒室取出，同時將下部的接鈉閥取出。通過手套箱的工具艙取出后放入裝有99.7％的無水乙醇的不銹鋼罐中進行浸泡清洗，待殘留在坩堝中的鈉消失后取出坩堝進行干燥處理。