CN106442622B

CN106442622B - 一种旋转式慢烤安全性试验装置

Info

Publication number: CN106442622B
Application number: CN201510471423.6A
Authority: CN
Inventors: 徐森; 蔡高文; 钱华; 刘大斌
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2035-08-04
Also published as: CN106442622A

Abstract

本发明公开了一种旋转式慢烤安全性试验装置，该设备主要组成部分包括：绝热加热箱，温度参数控制元，功率输出控制元和调频旋转台，绝热加热箱通过电缆与温度参数控制元连接，该设备可在较宽的范围内实现程序控温。本发明具有以下特点：（1）控温精度高,温度场内的最大温差小于1℃，最低升温速率可达到2℃/h；（2）在高装填比例（78%）条件下，能使样品实现均匀加热，最大温度偏差小于2%；（3）远程控制，安全性好;（4）操作简单，成本低。适用于含能材料在程序升温条件下的安全性评估，特别是大尺寸含能材料慢烤安全性的评估。

Description

一种旋转式慢烤安全性试验装置

技术领域

本发明属于含能材料安全性评估的烤燃装置，具体是一种评估多尺度含能材料安全性的烤燃装置。

背景技术

含能材料在受到外部热刺激作用下，具有自加速热分解并发生燃烧的危险性，如果产生的热量不能被及时导走，会造成含能材料的内部热积累，并导致温度的升高，从而进一步加剧热分解并积累更多的热量，最终有可能导致含能材料的燃烧或者爆炸。

热分解特性是评价含能材料安全性的重要指标。含能材料热分解特性评估方法有差热分析法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)、微热量热法等，由于试验尺度和升温速率的限制，这些常规方法并不能准确评估大尺度条件下含能材料在缓慢受热条件下的热分解特性。在战争环境条件下，由于周围其他可燃材料燃烧而导致环境温度长时间慢速升温是比较常见的一种热刺激模式，在此刺激条件下，由于环境温度变化十分缓慢，含能材料的温度会随之发生缓慢的升高，直到含能材料发生剧烈反应前，含能材料的温度已经达到其临界温度，一旦受到外界刺激极易发生剧烈的整体反应。为了准确评估含能材料在缓慢受热条件下的反应特性，含能材料行业提出了含能材料慢速烤燃评估方法的基本要求：

(1)环境升温速率要足够慢，满足3.3℃/h；

(2)温度场的温度分布要均匀，最大温度偏差小于5％；

(3)为了避免在含能材料周围产生热点，通过气体作为加热介质，来使样品均温升温；

(4)为了满足绝热和环保的要求，保温系统采用非石棉的绝热保温材料；

(5)为了提高安全性，实验系统必须满足远程隔离操作的安全要求。

近年来，人们对烤燃装置进行了大量研究，美国专利US8297270，US7549375和中国专利CN201420311920，CN 2013780241459均为控温加热装置。其中美国US8297270是快速升温系统，采用空气作为传热介质，具有升温速率高的特点；美国US7549375是对温度响应敏感的安全装置，泄压位置采用特殊材料制造而成，在特定温度下就会熔化，提高含能材料的安全性；由于升温速率高，这两个专利都无法满足评估含能材料在慢速升温条件下响应特性的要求。中国专利CN2013780241459种公布了一种由绝热加热箱、筐体、温度检测元件、通电切断元件组成的加热装置，具有自动防止干烧的特点，但加热装置采用端部加热，整个箱体内部温度场分布不均匀；中国专利CN201420311920公布了一种包括绝热加热箱，导轨、加热片和进给机构四个部分的加热装置，具有加热效率高，时间短，能同时加热多组样品的特点，但该加热系统主要用于岩石样品的制备，温度范围窄。由此可见，国内外现有的加热装置品种繁多，但主要是面向快速加热这个方向，对于慢速升温的加热系统，目前没有查到相关专利。现有加热装置通常具有结构简单、加热效率高、升温速率快的特点，但无法满足含能材料在慢速升温条件下的安全性评估的需求。因此，现有技术有待于改进。

发明内容

本发明的目的在于提供具备以下特点的试验装置：(1)具备慢速升温并保证控制温度场分布均匀的能力；(2)可分离式加热控制，远程操作，安全性好；(3)绝热加热箱结构简单，成本低，可满足含能材料慢烤安全性评估的损耗性实验。

实现本发明目的的技术方案为：

一种旋转式慢烤安全性试验装置，是由下述的组成部分构成：

(1)绝热加热箱由加热电阻丝、鼓风机和绝热保温层构成，绝热保温层采用硅酸铝玻璃棉，提供样品的绝热加热环境。

(2)温度参数控制元，根据输入其内的温升速率得到每一时刻的温度参考值，并将绝热加热箱内温度传感器探测到的实际温度与此参考值进行比较，温度参数控制元根据两者之间差别计算出功率输出数值，将此数值传递至功率输出控制元，可以让温度达到或保持在参考值。

(3)功率输出控制元，接收实时功率输出数值，通过信号转换，调节电流大小来控制绝热加热箱内的温度。

(4)可调频旋转台由动力电机和旋转平台构成，旋转平台嵌合在绝热加热箱的底部平面，通过传动轴与动力电机连接，通过调整电机转速实现试验样品在旋转平台上的匀速转动。旋转加热系统由可调频旋转台和绝热加热箱组成，其示意图见图1。

与现有的程序控温试验装置相比，本发明的优点在于：

(1)控温精度高，能实现慢速程序升温，最低程序升温速率能达到2℃/h。

(2)能在装填比例高达78％条件下，能通过旋转实现对大尺寸样品的均温程序升温，最大温升偏差小于4％。

(3)针对含能材料具有的爆炸危险性，所述装置具有将温度控制系统和旋转加热系统两部分分离工作的功能，实现远程控制，降低试验风险和成本，并且环境适应性强，适用于野外试验。

(4)箱体绝热性能好、结构简单，成本低，适用于含能材料慢烤安全性评估的这类损耗性试验。

附图说明

图1为本发明的旋转加热系统的示意图。

图2为本发明的试验装置的工作原理图。

图3为绝热箱体的升温速率的校准曲线。

图4为不同装填比例下绝热箱体内部的不同位置的升温速率。

具体实施方式

本发明提出的一种旋转式慢烤安全性试验装置，由绝热加热箱，温度参数控制元，输出功率控制元和可调频旋转台组成。本发明的试验装置各组成部分结构简单，温度参数控制元和输出功率控制元均为利用常见工业元器件制造，绝热加热箱和可调频旋转台市售原材料特制而成。

其具体实施原理包括以下四点：

(1)采用PT-100温度传感器作为温度控制系统的信号反馈源，将温度控制系统和旋转加热系统用线缆联接实现分离工作；同时在绝热箱体四个不同位置分别安装4支K型热电偶，用于监测箱体内部温度场的分布；

(2)在温度参数控制元中设定加热程序，含能材料慢烤安全性评估实验的升温速率通常设定为3℃/h；

(3)根据PT-100传感器反馈的温度数据，温度参数控制元内设的软件自动计算和输出相应的功率数值，通过输出功率控制元使绝热加热箱开启，并通过鼓风机实现热交换；

(4)同时开启样品旋转台，根据样品大小和设定温升速率调整旋转速度，使样品匀速旋转，实现各部位温度的均匀受热。调频旋转台根据设定在温度参数控制元中的温升速率，选择合适的旋转速度，实现试验样品各部位的受热均匀；表2为调频旋转台的转速与设定温升速率的对应关系。

表2

设定温升速率(℃/h)	可调频旋转台转速(r/min)
		＜2	10
2-60	30
		60-180	60
180-600	120

本发明装置中的温度控制系统(包括温度参数控制元和功率表输出控制元)与旋转加热系统(包括绝热加热箱和调频旋转台)通过电缆连接实现分离，可以远程控制，安全性好，环境适应性强，适合野外试验。本发明装置通过各部分的协调工作，能实现精确慢速程序升温，最慢程序升温速率能达到。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的旋转式慢烤安全性试验装置参照GB/T14372-2013，对试验装置的升温速率进行了测试，温度曲线见图3；对不同装填尺寸样品模拟弹的温度场分布进行了测试，模拟弹的装填比例(模拟蛋体积与箱体容积的比例)分别为18％、38％、45％、60％和78％，温度场分布曲线见图4，温度参数控制元使用郑州生元仪器有限公司生产的型号为PRD-C3000系列温度控制器，集合了温度参数控制元和功率输出控制元，体积小，控温精度高；

实施例1：采用K型热电偶，在采样频率为12次/分钟的条件下，测量旋转式慢烤安全性试验装置的升温速率校准。测得的温升曲线见图3。

实施例2：采用K型热电偶，在采样频率为12次/分钟的条件下，测量样品模拟弹装填比例在18％时，绝热箱体内部不同位置的温升曲线，测得的温升曲线见图4，结果见表3。

实施例3：采用K型热电偶，在采样频率为12次/分钟的条件下，测量样品模拟弹装填比例在38％时，绝热箱体内部不同位置的温升曲线，测得的温升曲线见图4，结果见表3。

实施例4：采用K型热电偶，在采样频率为12次/分钟的条件下，测量样品模拟弹装填比例在45％时，绝热箱体内部不同位置的温升曲线，测得的温升曲线见图4，结果见表3。

实施例5：采用K型热电偶，在采样频率为12次/分钟的条件下，测量样品模拟弹装填比例在60％时，绝热箱体内部不同位置的温升曲线，测得的温升曲线见图4，结果见表3。

实施例6：采用K型热电偶，在采样频率为12次/分钟的条件下，测量样品模拟弹装填比例在78％时，绝热箱体内部不同位置的温升曲线，测得的温升曲线见图4，结果见表3。

本发明的一种旋转式慢烤安全性试验装置通过6个具体实施例可以得出以下结论：

(1)对某一装填比例，温升速率设定在60℃/h以下最大偏差偏差均小于4％，可实现慢速升温控制下的温度场分布的均匀性。

(2)装填比例在78％以下范围，模拟弹同一位置的最大偏差没有明显变化，可实现大尺度样品的慢烤试验过程中温度场分布的均匀性。

表3不同装填比例下的绝热加热箱内的温度场分布

表3。

Claims

1.一种旋转式慢烤安全性试验装置，其特征在于：包括绝热加热箱、温度参数控制单元、功率输出控制单元和调频旋转台，其中：

绝热加热箱，为内置样品提供绝热加热环境；

温度参数控制单元，通过电缆与绝热加热箱连接，以实现将温度控制系统和旋转加热系统两部分分离工作的功能，根据输入的温升速率得到每一时刻的温度参考值，并将绝热加热箱内温度传感器探测到的实际温度与参考值进行比较，根据两者之间差别计算出功率输出数值，将此数值传递至功率输出控制单元，让温度达到或保持在温度参考值；

功率输出控制单元，接收实时功率输出数值，通过信号转换，调节电流大小来控制绝热加热箱内的温度；

所述调频旋转台根据样品大小和设定温升速率调整旋转速度，使样品匀速旋转，实现各部位温度的均匀受热，所述调频旋转台根据设定在温度参数控制单元中的温升速率，选择合适的旋转速度，实现试验样品各部位的受热均匀；

调频旋转台由动力电机和旋转平台构成，旋转平台嵌合在绝热加热箱的底部平面，通过传动轴与动力电机连接，通过调整动力电机转速实现试验样品在旋转平台上的匀速转动。

2.根据权利要求1所述的旋转式慢烤安全性试验装置，其特征在于：所述绝热加热箱由加热电阻丝、鼓风机和绝热保温层构成，绝热保温层采用硅酸铝玻璃棉。

3.根据权利要求1所述的旋转式慢烤安全性试验装置，其特征在于：所述调频旋转台的转速与设定温升速率的对应关系如表1所示

表1

设定温升速率/(℃/h) 可调频旋转台转速/(r/min) ＜2 10 2-60 30 60-180 60 180-600 120

。