《Process Safety and Environmental Protection》：Review on Fundamental Combustion Parameters of Cryogenic Fuel Systems: Measurement Techniques and Experimental Challenges
低温系统正随着脱碳战略对低沸点低碳能源载体的推广而获得日益增长的工业相关性。因此，其储存与运输需要低温条件，这带来了独特的安全与材料挑战。极低温度显著改变热物理性质并降低机械完整性，增加了脆性断裂和意外泄漏的敏感性。除了直接的低温冻伤危害外，意外泄漏还可能导致严重的火灾和爆炸情景，包括闪火、喷射火、蒸气云爆炸、池火以及沸腾液体膨胀蒸气爆炸。现有的后果评估关联式主要针对环境条件下的常规燃料开发，由于密度、粘度、扩散系数和热容随温度的强变化，这些关联式可能无法直接适用于低温工况。在此背景下，层流燃烧速度(LBV)、可燃极限和最小点火能(MIE)等基础燃烧参数的实验测定变得至关重要。LBV代表混合物固有反应活性的度量，在评估火焰稳定性、点火敏感性和爆炸严重度方面发挥关键作用。本工作系统综述了已有的LBV测量技术，并评估了其在低温运行条件下的适用性。特别关注了低温边界条件下的热管理策略和方法学限制。在所研究的方法中，热流量燃烧器概念显得尤其有前景。此外，还分析了低温下MIE测定的实验系统。总体而言，本研究强调了需要专门适配的实验方法，以确保低温燃料系统的可靠安全参数。
1. 引言
低温系统在工业层面已变得日益重要，其应用横跨多个领域。当前脱碳趋势支持引入正常沸点较低的低碳物质，从而促进在低温下液化以优化储存和运输系统。低温环境所固有的极端温度可能损害材料完整性、改变热力学行为，并放大与机械故障、泄漏或意外释放相关的风险。具体而言，延展性、韧性和断裂抗力等力学性能显著降低，增加了脆性破坏的敏感性，对意外释放频率产生明显影响。此外，极低温度条件也带来特定危害。暴露于远低于水冰点温度可导致瞬时冻伤，引起细胞破坏和坏死。与传统热烧伤不同，低温烧伤常表现为延迟性疼痛反应，可能掩盖损伤严重程度并阻碍及时干预。然而，这些情景通常涉及有限的影响区域，仅有穿戴适当个人防护装备的授权培训人员才能进入；因此，这类伤害对整体风险的影响通常被认为可忽略。
更可能的是，与火灾相关的情景对局部风险的确定有显著贡献。考虑低温作为初始条件以及所涉及物质和混合物的性质，可预期发生闪火、喷射火、蒸气云爆炸、池火和沸腾液体膨胀蒸气爆炸。用于评估源项、池/云的时间演化以及后果分析的多个关联式是针对传统燃料意外释放情景开发的，并仅基于此类数据进行了验证。热物理参数（包括密度、粘度和热容）发生显著变化，影响源项确定、流体动力学和传热机制。因此，现有关联式的适用性需要基于稳健且全面的实验数据集进行具体的验证分析。此外，低温流体汽化时的挥发性和膨胀特性可能使预测建模复杂化，需要专门的分析。低温蒸气通常比环境空气密度大，可在地面附近积聚，导致缺氧气氛。因此，可预期出现热或化学分层，影响微观尺度的物理化学性质以及宏观尺度的点火可能性和火焰强度。这些改变的条件需要专门的分析框架，以考虑偏离标准假设的温度依赖性，确保后果分析在低温工况下保持稳健可靠。
在此前提下，层流燃烧速度(LBV)的实验测定具有若干潜在优势。LBV代表火焰前沿在层流条件下通过静止预混燃料-空气混合物传播的速率，不仅是燃料固有反应活性的度量，也是火焰稳定性、点火敏感性和火灾爆炸情景潜在严重程度的关键决定因素。此外，LBV可用于验证详细动力学机理，实现反应情景的先进数值模拟，以及估算可燃极限。因此，建立稳健全面的实验数据集对于保证安全和优化工艺至关重要。
最小点火能(MIE)是以规定方式释放时足以点燃燃料-氧化剂混合物中最易点燃组成的电能最小值。它表征混合物对火花点燃的敏感性，通常定义为储存在电容器中并通过固定电极间隙放电的能量。实测MIE值取决于浓度、氧含量、压力、温度、湿度和电极构型等参数。在实验上，通过在变化的火花能量下重复试验确定点火概率，MIE通常定义为最易点燃混合物组成对应的50%点火概率能量。在降低的温度和压力下，由于反应动力学减慢和自由基形成减少，MIE通常增加。低温测试需要受控热条件以确保稳定的混合物制备和放电特性。
基于这些原因，以下段落描述了目前可用于MIE和LBV测定的现有实验装置和协议，强调了其在低温条件下可能使用的优势和局限性。
2. 适用于层流燃烧速度测量的实验系统概述
为了确定绝热层流燃烧速度的特征值，随着时间发展已开发了多种实验方法。测量方法可分为两大类：静止和非静止燃烧系统，并进一步区分为容器法和燃烧器法。目前已开发的所有测量方法均可归入这四组。
2.1. 锥形火焰/本生灯法
2.1.1. 锥形火焰/本生灯法概念
该方法是最早用于研究绝热层流燃烧速度的方法之一，于1867年首次提出。它分析燃烧器出口处预混锥形火焰形成的火焰前沿之间的角度。该装置产生旋转对称火焰，可使用纹影摄影、化学发光或激光诱导荧光(LIF)进行可视化。通过检测CH或OH等自由基来确定火焰前沿位置。绝热层流燃烧速度(S
L)由夹角(α)、已知流量和流入速度(u
g)计算。这种相当简单的技术存在一些局限性，包括燃烧器口附近流动的影响和火焰曲率效应，在LBV计算中需要进行修正。
2.1.2. 锥形火焰/本生灯法的冷却方法
近几十年来，研究表明该技术可适用于各种燃料和混合物，并扩展到湍流火焰。Gosh等人最近证明了在低温下使用的可行性。然而，受控温度调节是不可能的，特别是在长时间维持高体积流量时。尽管如此，将系统引入冷却环境（如超低温冷冻箱或液氮低温冷却器）对于气体混合管线是可以想象的。火焰的曲率和伸长仍导致测量方法的不确定性。Gosh的实验研究考察了低温对层流燃烧速度的影响，并将实验结果与基于已建立化学动力学机理的数值模拟进行了比较。具体而言，研究了近低温温度和大气压下完全预混的氢-空气、甲烷-空气、乙烷-空气、乙烯-空气和丙烷-空气火焰，测量低至约160 K。实验装置包括配备液氮冷却和光学成像系统的本生灯。燃烧器设计为在喷嘴出口产生平顶速度分布以确保明确的边界条件。温度控制通过将燃烧器浸入液氮中实现。进入燃烧器前，预混燃料-空气混合物通过同样浸入液氮中的90厘米长螺旋铜管。混合物的温度通过实验期间调节液氮的量来控制。他们指出数据仅从静止且稳定的火焰获取。对于每组实验条件，通过调节主体流速直到建立具有明确锥角的稳定轴对称火焰来实现火焰稳定。与Gosh等人的研究相比，Michaux等人的研究提供了几项关键改进。首先，可达到的温度范围得到扩展，H
2-空气达到100 K，CH
4-空气达到150 K。最重要的方法论进展是对热平衡的明确控制。只有当气体和喷嘴热电偶指示相同温度时才进行测量，在最低温度下该步骤需要约45分钟。对于CH
4-空气混合物，还使用了不同的冷却方法。最后，该研究实现了更低的实验不确定性和与环境温度下文献数据更好的一致性。
2.2. 球形燃烧室法
2.2.1. 燃烧室法概念
球形燃烧室法包括在密闭室中心点燃预混燃料-空气混合物，使火焰前沿球形传播。此过程可在恒压或恒容条件下进行，以火焰半径为特征。恒压法通过在整个过程中维持恒定压力来分析燃烧，挑战包括考虑点火能量、辐射效应和非线性外推，需要修正以准确确定层流燃烧速度。恒容法则通过压力-时间关系而非光学方法进行评估。早期方法因忽略火焰拉伸效应而不准确。近期方法考虑了这些效应，使得一旦压力超过初始值的20%即可估算无拉伸LBV。尽管有这些改进，不同装置间LBV数据的差异持续存在，使直接比较复杂化。
2.2.2. 燃烧室法的冷却方法
在此方法中，主动冷却是原则上可行的，可通过双壁室设计集成冷却回路或将整个燃烧室置于温控制冷环境中实现。然而，每次点火事件都会向室壁和光学元件引入大量热负荷。燃烧过程中化学能的快速释放导致周围材料温度显著升高。由于这些组件相对较高的热质量和有限的传热系数，后续冷却阶段固有地缓慢。因此，连续测量之间需要很长的等待时间以恢复明确且可重现的初始条件。此外，初始温度的降低直接影响混合物的基本燃烧特性。较低温度降低反应速率和分子扩散率，进而减小层流燃烧速度。火焰前沿的这种减速可能变得显著，特别是在固有反应活性已较低的混合物中。在这种条件下，火焰传播对外部扰动越来越敏感，浮力效应可能开始主导火焰动力学，使火焰形状、拉伸速率和表观传播速度发生改变。
2.3. 对向流燃烧器
2.3.1. 对向流燃烧器概念
滞止或对向流火焰构型由Simmons和Wolfhard提出，广泛用于实验研究预混和非预混火焰的结构、稳定性和熄灭行为。Law等人开发了滞止方法以实验确定丙烷-空气混合物的熄灭极限。Wu和Law以及Egolfopoulos等人随后设计了一种从对向流构型提取层流燃烧速度的方法，假设中心为一维层流火焰。滞止流场通过影响两股相同的射流或将产生的流动引导到壁上而形成。对于预混燃料-空气混合物，两个相同的火焰在距滞止平面等距处稳定，由于火焰对称性消除了下游热损失。非线性拉伸修正的引入导致LBV值降低，当前甲烷比较测量中的偏差减小。与甲烷相比，较高碳氢化合物由于较低的扩散速率而表现出更大的不确定性。路易斯数(Le，定义为热扩散率与质量扩散率之比的无量纲数)对火焰结构和LBV的影响已被研究，揭示了富含碳氢化合物的混合物中的火焰行为受扩散影响。测量方法的不确定性主要来源于流量测量和混合物制备的控制与管理。
2.3.2. 对向流燃烧器的冷却方法
在此方法中，不仅反应射流而且屏蔽流（通常为氮气或氩气）必须在进入燃烧区之前冷却。吹扫气体和反应物射流在排出前在燃烧器主体内停留较长时间，这促进了与周围硬件的热平衡。因此，燃烧器结构本身必须进行主动温度控制，以防止进入气体的意外预热。基于腔室的解决方案在原理上似乎是有利的。然而，在这种特定构型中，火焰在两个相对喷嘴之间的开放空间中稳定。燃烧产物自由膨胀到周围环境，大部分释放的热能被废气带走。这种向环境中的连续热释放导致强烈的局部温度梯度，可能干扰在腔室内维持空间均匀冷却条件的尝试。在目前构型下，该装置不易适应低温运行。有效实施需要在入口段直接进行快速且良好控制的冷却，类似于高温气体应用中加热筒或预热元件的使用。
2.4. 壁面相互作用效应：环形阶梯管法和外部加热发散通道
2.4.1. 环形阶梯管法和外部加热发散通道概念
在环形阶梯管法和外部加热发散通道法中，均报道了显著的壁面效应。在这些构型中，火焰前沿在接近限制壁面的地方传播，显著影响火焰结构、传播速度和熄灭行为。火焰与壁面之间的相互作用导致从反应区到周围材料的传热增强。因此，测量的火焰特性偏离理想的自由传播火焰。在低温条件下，这种壁面效应变得更加关键。在降低的初始温度下，火焰通常更弱且对外部扰动更敏感。更大的淬熄距离和火焰与壁面的直接接触加剧了传导热损失，可能抑制或 destabilize 火焰。
2.4.2. 环形阶梯管法和外部加热发散通道的冷却方法
基于这些原因，所述方法在低温环境中的应用对于精确测定LBV似乎不合适。放大的壁面效应、增加的热损失和火焰不稳定性将损害测量精度和可重复性。因此，需要替代的实验方法或专门适配的装置来可靠地测量低温条件下的LBV。
2.5. 热流量燃烧器
2.5.1. 热流量燃烧器概念
热流量燃烧器方法稳定准绝热平面火焰并测量其层流燃烧速度。该技术涉及从加热的燃烧器板加热未燃气体混合物，在火焰前沿和板之间产生准绝热体积。使用嵌入高穿孔导电燃烧器板中的热电偶进行径向温度测量。为维持绝热条件，加热夹套围绕板以补偿热损失，而额外的加热回路将预混室保持在与气体混合物相同的温度。广泛的误差分析显示测量变异性极小，主要归因于质量流量控制器和热电偶。热流量方法对气态和液态燃料均产生可重复结果，并已扩展到高压条件。研究表明稳定火焰与燃烧器板之间无显著相互作用。基于这些见解，Han等人开发了一种外推特定进料气体温度下燃烧速度的方法，可实现高达498 K温度的测量，也可在一定范围内用于较低温度。
2.5.2. 热流量燃烧器的冷却方法
该方法被认为是在低温或低于环境温度条件下运行的最具技术可行性的策略之一，特别是与传统的本生灯系统相比。其可行性源于相对简单的几何构型和平面火焰燃烧器良好的热与流体动力学行为特征。为实现低温运行，燃烧器组件的整个入口段（包括气体供应管线、混合室和上游流动调理元件）都需要主动温度控制。与主加热元件稳定反应物混合物的传统构型相比，改进系统将包含围绕燃烧器和混合室的主动冷却夹套。该冷却室将通过循环低温或制冷传热介质运行。目标是在燃烧前均匀地提取预混气体的热能，从而实现明确的初始温度条件而不引入强烈的空间梯度。此外，混合室内集成内部热交换器可进一步增强热均匀性。总体而言，所提出的构型保留了准绝热平面火焰的基本工作原理，同时将其适用性扩展到低温边界条件。由于全面的热管理策略，预计该系统将提供优越的可重复性、明确的边界条件和所考虑方法中最高可达到的测量精度。
2.6. 层流燃烧速度的系统边界与局限性
低温下层流燃烧速度的测定面临几个关键实验限制。维持均匀温度场是困难的，即使小梯度也能改变局部气体密度和反应活性，因此标称温度可能不反映火焰处的实际条件。混合物组分在冷表面上的冷凝可进一步改变有效组成，挑战均匀预混假设。冷壁或燃烧器硬件充当热汇，增强淬熄效应并可能降低测得的LBV，超出单独化学预测的值，而低温下降低的反应活性增加了对浮力驱动畸变的敏感性。仪器必须在低温条件下保持可靠，并且需要足够的热平衡时间以确保报告的温度与实际气体条件匹配。总之，热不均匀性、相变效应、增强的热损失和诊断限制构成了低温LBV测量的主要局限性。
3. 适用于最小点火能测量的实验系统概述
最小点火能(MIE)通常通过用能量受控的源点燃明确限定的燃料-空气混合物，然后系统地降低能量直至刚好不再可能点燃来确定。使用了多种实验装置，大多数在几何形状、点火源以及燃料是气体、蒸气还是粉尘方面有所不同。常用于MIE测量的三种主要实验方法是：(1)标准化气体/蒸气系统中的电容火花，(2)用于粉尘云的哈特曼管，和(3)用于粉尘的20 L球形爆炸容器。每种方法以不同方式控制点火能量和混合物条件，但都通过包围仍能导致自持点火的最低能量来确定MIE。
3.1. 燃烧器法：实验/冷却方法
3.1.1. 燃烧器法概念
在大气压力下，在很宽的浓度和温度范围内（包括低至约-140 °C的低温条件）测定了氢-空气混合物的最小点火能(MIE)。实验装置设计为确保混合物组成、温度和火花能量的精确控制，同时最小化传统点火系统典型的系统不确定性。氢气与合成空气从气瓶供应，使用校准的质量流量控制器计量。点火实验在垂直圆柱形燃烧器中进行，该燃烧器内径40 mm，高400 mm，填充玻璃珠并绝热。混合物从底部进入，向上流过多孔床。点火在珠床上方开始。对于低温测量，珠床通过添加约2 L液氮预冷，使混合物温度在约30分钟测试持续时间内达到-120 °C至-140 °C。点火由专门开发的两级火花系统产生，包括高压击穿阶段和低压电弧阶段。使用钨电极(直径0.3 mm)，固定间隙0.5 mm。高压电路产生电击穿，而基于电容的低压电路提供受控点火能量。记录火花间隙处的电压和电流，通过两个信号乘积的时间积分确定耗散的火花能量。MIE使用降能量法确定。对于每个浓度和温度，火花能量从可靠点火的水平逐渐降低直至不再发生点火。在环境温度下，最小MIE出现在约20%氢气浓度处，约为18-20 μJ。在-100 °C时，最小值保持在同一浓度但增加到约50 μJ。在20%氢气下的系统温度研究表明，MIE随温度降低呈单调非线性增加。
如先前对层流燃烧速度测量所述，Ghosh等人采用了锥形火焰/本生灯方法。该实验构型随后被扩展用于测量温度低至200 K的预混甲烷-空气和氢-空气混合物的最小点火能。适配装置结合了氮冷却本生灯与受控火花点火系统，能够精确控制混合物温度、组成和沉积火花能量。点火系统由脉冲/延迟发生器、高压放大器、1 kΩ电阻和两个铜引脚电极组成。电极直径100 μm，间隔1 mm。电极间隙中心位于燃烧器对称轴上，喷嘴出口上方2 mm处。火花持续时间固定为100 μs。使用高压探头和电流监测器测量电压和电流信号，并用示波器记录。沉积火花能量通过对整个放电持续时间内电压和电流乘积的积分确定。该系统允许在0.1 mJ至1.6 mJ之间变化火花能量，估计不确定度为±10%。由于火花持续时间短，电极和周围流体的热损失被认为是可忽略的。点火检测取决于燃料。甲烷火焰通过直接目视观察识别。相反，主要在紫外光谱范围内发射的氢火焰也使用T型热电偶检测，该热电偶位于电极上方15 mm处沿燃烧器轴线。
3.2. 20 L球(西维克室)/冷却方法
3.2.1. 20 L球概念
20 L球通常称为西维克室，是用于表征可燃粉尘、气体和雾状物的可燃性和爆炸严重度的标准化球形爆炸容器。它广泛应用于根据既定标准确定最大爆炸压力、最大压力上升速率和最低爆炸浓度等参数。经过适当修改，同一装置也可用于确定最小点火能。系统由20 L不锈钢球形容器、中心点火源、高速压力传感器以及真空抽取和压缩空气供应的连接件组成。测试前，容器被抽空至定义的低于大气压的压力。然后将精确称量的可燃气体、液体或材料分散到容器中。在定义的点火延迟后，激活点火源并记录压力-时间历程。对于爆炸测试，使用高能烟火点火器、火花或热丝以确保在宽范围内可靠点火。相比之下，MIE测定需要校准的低能点火系统，如电容火花装置，允许系统变化和量化点火能量。点火能量在接近最佳浓度下逐渐减少直至点火刚好失败。MIE定义为仍能产生超过指定超压标准的特征性快速压力上升的最低能量。与较小规模装置相比，20 L球提供更大体积，提高了结果与工业应用的相关性。然而，点火源附近的局部浓度不均匀性可能引入不确定性，特别是对于高敏感性可燃物。
3.2.2. 20 L球的冷却方法
低温20 L爆炸室是标准20 L球形气体爆炸容器的改进版本，旨在研究低初始温度对气体爆炸行为的影响。基本几何形状保持不变以确保与环境温度测试的可比性。关键修改涉及热控制和材料兼容性。安装外部冷却系统，如制冷剂夹套或冷却盘管，以将容器和气体混合物降至约-60 °C的温度。关键部件，包括密封件、法兰、观察窗和电气馈通件，必须由耐低温材料制成，以防止热循环期间的脆化和泄漏。使用放置在气相和容器壁处的附加传感器实现精确温度控制。冷却分级进行，在点火前有稳定期以确保明确的初始条件。然而，使用该装置的科研文献来源稀少或不存在。
3.3. Cui等人的爆炸容器
3.3.1. Cui等人的爆炸容器概念
Cui等人的实验在不锈钢爆炸容器中进行，以研究宽范围热力学条件下的点火行为。根据目标不同，初始温度范围为123-273 K(使用冷却系统的低温操作)或30-150 °C(温控加热室)，而初始压力在0.1至0.9 MPa之间变化。在低温构型中，容器高300 mm，内径100 mm，壁厚25 mm，对应于45 MPa的计算耐压能力。容器安装在冷却室(低至123 K)或温控加热室(高达150 °C)中。初始气体温度使用快响应热电偶在容器中心附近测量，初始压力用精密压力表记录。爆炸压力由具有微秒响应时间的压电压力传感器测量。以500 kHz采样率采集压力和温度数据。点火事件定义为压力上升超过初始压力的5%，符合BS EN 1839:2003标准。使用分压法制备甲烷、氧气和氮气的气体混合物。排气后，将甲烷引入所需分压，随后加入氮气和氧气。使用电容放电系统实现点火，电容从4 pF开始，充电电压在1000至9000 V之间，对应约0.002 mJ的最小储存能量。两根不锈钢针电极(直径1 mm，60°针尖角，1 mm间隙)安装在容器中心。实际火花能量由同时的电压和电流测量确定。MIE测定中，在成功点火后逐渐减小电容，随后逐步降低充电电压。在25次连续试验中未发生点火的最小能量被定义为MIE。两次放电之间等待15-20秒以确保残余能量耗散。每个操作条件进行三次重复测试以确保可重复性。
3.3.2. Cui等人的爆炸容器的冷却方法
使用现有实验装置可以成功进行低温条件下的测量。然而，这些测量是在这种条件下使用该构型进行的唯一实验。据我们所知，没有该装置在特定低温条件下运行的实景图像文档。本研究遇到的主要挑战源于低温高压条件下可燃气体混合物的热力学行为。可燃气体由甲烷、氮气和氧气组成。在非常低的初始温度(低至123 K)下，气体混合物不再表现为理想气体。在这种条件下，理想气体状态方程不适用，使用分压法计算的浓度与实际值显著偏离。为确保可燃气体组成的准确测定，在点火前从容器的容器中提取气体样品并使用气相色谱(GC)分析。GC测量的浓度被视为真实初始浓度。然而，当初始温度足够低且初始压力高时，例如在143 K和0.9 MPa下，甲烷可能液化，导致爆炸容器内存在液相。在这种条件下，气体组成随温度和压力的变化而变化，使准确浓度测量更加困难。此外，由于快速压力波动，液相的显著蒸发可能对实验装置构成安全风险。因此，必须避免高压和极低温度组合的实验条件，以确保测量精度和操作安全。
3.4. 7 L透明圆柱形室：装置与实验/冷却方法
3.4.1. 7 L透明圆柱形室概念
在Jordan等人的研究中，用于确定最小点火能的实验装置基于体积为7 L的透明圆柱形爆炸室，额定静压高达100 bar。透明设计能够使用高速成像(高达10,000 fps)对火焰核发展进行光学诊断，点火事件还可通过压阻传感器获得的压力测量来识别。可燃混合物在外部0.1 L不锈钢混合容器中制备，配备质量流量控制器以确保各组分的精确计量。通过安装在爆炸室上游和下游的顺磁氧分析仪验证混合物组成。点火由两根位于中心位置的钨电极产生，直径0.3 mm。使用钨减少了电极侵蚀和相关的能量损失。为最小化传导热损失和淬熄效应，电极支架放置在距火花间隙数厘米处。电极间距可根据所研究的混合物调整。研究中强调的关键创新是两级火花产生系统的实现。第一阶段采用高压高阻抗电路(高达约6 kV)产生低电流流注放电，电离气体并在电极之间建立导电通路。第二阶段，单独的低压低阻抗电路以电弧放电形式提供主要点火能量。点火能量储存在20 nF电容器中，最高充电至400 V，对应约10-2000 μJ的可调能量范围。每次放电期间监测电流和电容电压，能够估算传递到火花间隙的有效能量。对于MIE测定，逐渐降低充电电压并在每个能量水平进行多次点火试验。通过压力上升和火焰发展的光学观察确认点火。MIE定义为观察到混合物可重现点火的最低能量。
3.4.2. 7 L透明圆柱形室的冷却方法
为使所述MIE装置适应低温运行，爆炸室必须配备适当的冷却系统，如液氮供应的低温夹套或基于低温冷却器的冷板。可能需要热绝缘或真空夹套以最小化热流入并确保温度稳定性，但这会降低光学可能性。分布在室内的多个温度传感器，特别是火花间隙附近，是保证温度均匀性所必需的。金属密封系统应替代传统弹性体密封以在低温下保持密封性。点火电极可保持在冷却室内，而敏感电子元件如高压发生和储能元件最好保持在外，通过密封低温馈通件连接。两级火花概念仍然有利，因为它允许在低温下改变的击穿条件下实现受控放电行为。可使用受控热交换器在室上游实施气体预冷阶段，确保混合物以接近目标温度进入室内。必须注意防止混合物组分冷凝，因为相变会改变组成并损害可重复性。必须通过吹扫和气体干燥严格消除水分，以避免电极和光学窗口上的霜冻形成。
3.5. MIE的系统边界与局限性
低温下最小点火能的测定受到显著实验约束的影响，影响准确性和可重复性。与环境条件下的测量不同，低温实验涉及复杂的热、物理和计量学挑战。主要限制是热管理，在容器内建立和维持均匀温度场是困难的，即使小梯度也会导致气体密度和可燃性的局部变化。密切相关的是温度测量本身的准确性，这仍然是一个经常被低估的系统不确定性来源。热电偶作为LBV和MIE装置中的标准传感器，易与不同温度的周围表面发生辐射热交换，除非明确校正，否则可能导致与真实气体温度的显著偏差。进一步的不确定性来源包括有限传感器响应时间、引线传导损失和低温循环下的校准漂移。关于混合物均匀性和相变的进一步挑战：在低温下，氧气和氮气等组分可能在冷表面冷凝，改变剩余气相的组成，电极附近的局部氧富集或贫化可显著影响点火行为。点火过程本身受低温环境影响强烈，火焰核形成需要化学热释放超过对周围环境的热损失，冷电极充当热汇，增强淬熄并可能抑制点火。点火时的流动状态对解释MIE数据同样关键。容器法假设名义上静止的混合物，尽管填充产生的残余湍流难以验证。燃烧器法在入流条件下供应混合物，层流状态由燃烧器设计维持，然而，温度降低改变气体密度、粘度和流速，从而改变局部雷诺数，必须对每种情况验证层流条件而非假设。最后，仪器和诊断不确定性增加了整体限制，传感器必须适用于低温操作，且传递的有效火花能量总是低于标称储存电能。
4. 结论与展望
本综述评估了确定层流燃烧速度(LBV)和最小点火能(MIE)的既有实验方法，重点强调其在降低温度和低温条件下的适用性。开发适用于在目标条件下生成可靠LBV和MIE数据集的稳健且严格的方法，对于过程安全具有多方面相关性：(i)层流燃烧速度是评估易燃蒸气在大气中意外释放严重程度的直接参数；(ii)通过LBV和MIE数据的组合，支持识别组成(如可燃下限、可燃上限和最低氧浓度)、温度(如闪点)和所需能量方面的可燃区域；(iii)指导容纳和缓解系统的合理设计；(iv)支持数据驱动的先进模型(无论是流体动力学还是动力学)的生成和验证。
鉴于所讨论数值方法的理论性质，验证步骤是非常可取的。然而，验证仍然是主要限制，因为低温下的实验数据极其稀缺且难以获得，促进了适合所研究条件的实验系统和协议的实现。除了现有实验系统的主要概念和工作原理外，还讨论了温度控制系统的要素，以考虑其在极低温度下用于准确分析低温过程和流体的可能性。虽然众多技术可在环境条件下提供可靠数据，但其向低温运行的转移性受到热损失增加、热不均匀性、浮力效应、火焰拉伸敏感性和冷凝风险的限制。对于LBV测量，经典本生灯和球形火焰方法在低温下对曲率、壁面相互作用和稳定效应越来越敏感。对向流燃烧器提供明确限定的火焰结构，但需要复杂的热控制以确保可重现的入口条件。壁面主导构型因放大的淬熄和传导损失而不适用。在所评估的系统中，热流量燃烧器对低温适应似乎最有前景，因其准绝热平面火焰构型允许受控热边界条件和系统冷却集成。然而，现有方法均无法适当考虑低温下相关的特殊物理化学现象(如非理想气体行为、冷凝、非均匀速度场)，需要设计修改和材料适配。
对于MIE测定，受控燃烧器几何中的电容火花系统已证明在低至低温的温度下具有可行性，而大型爆炸容器和透明室需要在热管理和密封技术方面进行重大修改。在所有方法中，准确能量量化、防止相变和严格温度均匀性是关键的。总之，低温条件下的LBV和MIE测量在技术上是可行的，但实验要求很高。可靠数据需要集成热管理、精确混合物调理和系统不确定性的严格控制。
