CN108375604A - 一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，包括容器主体和分别设在所述容器主体上的物料控温单元、内层容器温控单元、精密电火花点火能量发生单元、气体浓度测试单元、湿度控制单元、压力传感器单元、火焰温度传感器单元和进气及抽真空单元，可对温度、压力、杂质、湿度、泄露口形状、点火位置等多物理场耦合的复杂工况进行模拟，测定气体、液体、粉尘爆炸的精准临界点火能量值并完成相关参数的测量，本实验系统还可对抑爆材料的抑爆性能进行评定并对抑爆方法进行验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种爆炸实验系统，尤其是涉及一种用于多种工况条件下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统。
背景技术
化学品导致的事故灾难的发生往往集中在一些边界条件和工况条件复杂的地区，这些地区的温度场、应力场、湿度场等物理场相互叠加，彼此之间相互影响，形成多物理场耦合关系。
大量案例表明，事故发生过程中的动力学过程与环境之间不断进行着物质和能量的交换，且由于复杂工况形成的物理耦合会产生驱动作用，对事故灾难演变效应的不断放大起着关键作用。
然而，现有技术中的爆炸实验系统多为在常温常压下对气体粉尘的爆炸参数进行测定且测量参数较为单一，未对液体爆炸进行研究且对于诱发爆炸的点火能量发生装置产生的点火能量的测量精度较低。当前市场上的爆炸实验系统也较少能够对用于气体、液体和粉尘爆炸的抑爆材料进行抑爆性能的评定及抑爆方法的验证。因此，这些设备不能完全模拟工厂发生爆炸的真实情况，从而极大地限制了对气体、液体、粉尘爆炸事故的演化机理与规律的深入研究，最终导致不能及时有效地提出抑爆新方法。
因此，有必要建立一套新的实验系统，既能更好的模拟工厂在复杂工况下发生气体、液体和粉尘泄露而诱发爆炸的真实情况，又能精准测量爆炸的临界点火能量。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在建立一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，本实验系统可对温度、压力、杂质、湿度、泄露口形状、点火位置等多物理场耦合的复杂工况进行模拟，测定气体、液体、粉尘爆炸的精准临界点火能量并完成相关参数的测量，能对针对气体、液体、粉尘爆炸的抑爆材料的抑爆性能进行评定并对抑爆方法进行验证。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，包括容器主体和分别设在所述容器主体上的物料控温单元、内层容器温控单元、精密电火花点火能量发生单元、气体浓度测试单元、湿度控制单元、压力传感器单元、火焰温度传感器单元和进气及抽真空单元，所述容器主体包括不锈钢制成的内层容器和外层容器，在所述容器主体顶部设有容器盖，所述容器主体为球形或是罐形，在所述外层容器的外壁上环周等距离设有四个多功能接口，在所述容器主体上还设有综合控制系统。
进一步地，所述物料控温单元包括物料仓和两块铝合金块，两块所述铝合金块将所述物料仓夹持在中间，两块所述铝合金块上分别设有一个温度传感器和三个不锈钢干烧加热器，在所述物料仓进口处设有物料仓盖。
进一步地，所述内层容器控制单元包括外部加热器、内部加热器、内层容器温度传感器和温控开关，所述外部加热器采用中高频电磁方式加热，在所述内层容器外部焊接金属铁层，在所述内层容器的外壁上均匀盘有电磁加热线圈，所述电磁加热线圈由空心的紫铜管绕制，所述内层容器的外壁与所述电磁加热线圈之间通过绝缘保温材料隔离，所述内部加热器为不锈钢干烧加热器二。
进一步地，所述湿度控制单元包括细水雾发生及引入装置和高速雾化装置，所述细水雾发生及引入装置由细水雾引入接口和细水雾发生装置构成，所述细水雾发生装置包括储水箱和安装在储水箱底部的超声波换能器，所述储水箱的左侧上端设有细水雾输出接口、右侧上端设有空气注入接口，所述细水雾发生及引入装置设在所述容器主体的左上方，所述细水雾引入接口与所述细水雾输出接口紧密连接，所述高速雾化装置设在所述内部加热器的上方，所述高速雾化装置由雾化器、电磁阀和物料仓构成，雾化器为空心锥形、实心锥形、扇形、圆柱形中的一种，所述高速雾化装置的喷射口直径可活动调节。
进一步地，所述气体浓度测试单元，包括气体传感器防护体、前端密闭的可移动活塞、气动部件和气体传感器，所述气体传感器防护体焊接于所述内层容器上，所述气体传感器安装在所述可移动活塞内并通过引线连接到外部显示仪表，前端密闭的所述可移动活塞内腔与大气相连通。
进一步地，所述精密电火花点火能量发生单元包括电源、键盘显示模块、控制系统、驱动模块、高频变压器、高压电线、点火电极和箱体，所述高频变压器包括初级线圈、高频磁芯和次级线圈，所述高频变压器设有铝制外壳，所述高频变压器的所述次级线圈通过所述高压电线从所述铝制外壳的前侧引出，所述铝制外壳设在所述容器主体的右侧；所述电源、控制系统、驱动模块和高频变压器安装在所述箱体内，所述键盘显示模块安装在所述箱体上；所述次级线圈通过所述高压电线与所述点火电极连接，所述点火电极设在所述高速雾化装置的上方；所述电源与所述控制系统和驱动模块连接；所述键盘显示模块与所述控制系统连接；所述驱动模块与所述控制系统连接；所述初级线圈与所述驱动模块和电源连接。
进一步地，所述压力传感器单元设在所述容器主体的右上方，包括压力传感器和散热片，所述散热片径向设置在所述压力传感器芯体的前端，所述散热片由不锈钢材料制成。
进一步地，所述进气及抽真空单元设在所述容器主体的右下方，包括气体引入接口和抽真空接口，所述气体引入接口与进气控制系统相连接，所述抽真空接口与真空泵相连。
进一步地，在所述物料仓盖和所述容器盖上设有锁死警报装置。
本发明的有益效果是：
1. 本实验系统在已有实验系统的研究对象为气体和粉尘的基础上引入液体，使研究对象可覆盖石油化工领域的大多数典型危险化学品，可模拟爆炸事故演化过程，建立典型危化品泄露诱发爆炸的相关参数的数据库，完善点火起爆预测技术。
2、本实验系统的精密电火花点火能量发生器的量程分别为0.1 mj-4 j和量程1mj-40 j，量程0.1 mj-4 j的电火花能量精度为0.1 mj，量程0.1 mj-4 j的电火花能量精度为0.1 mj，可以准确测量复杂工况下危险化学品泄露诱发爆炸的最小点火能量值。
3、同时控制物料仓和容器主体的温度及压力，物料仓环境用于模拟化工企业液体及粉尘类危险化学品的初始温度，容器主体环境用于模拟泄露时的环境温度及压力，双重调控更接近现实中危险化学品泄露诱发爆炸的真实情况。
4、高速雾化装置的多种扩散形状可模拟化工企业危险化学品泄露时泄露口形状不同所造成的不同扩散形状。
5、可多角度调节的点火电极可在不同位置点火，更接近实际泄露过程中不同位置点火诱发危险化学品爆炸的实况。
6、杂质添加更为灵活，可模拟泄漏过程中存在杂质的实际情况。在液体、气体爆炸的实验过程中，可同时添加固体杂质和液体杂质，更加接近外界复杂的气体环境和环境湿度。
7、本实验系统也可对抑爆材料的抑爆性能进行评定并对相关抑爆方法进行验证。通过改变物料仓温度，容器主体的温度、压力和湿度，测量危险化学品在复杂工况下的最小点火能，寻求危化品储运过程中的最佳温度及压力，从而抑制爆炸的发生。通过在危险化学品中添加抑爆材料以及改变含水量，测量其在复杂工况下的最小点火能，从而判定抑爆材料的抑爆性能。
附图说明
图1是本发明一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统的整体结构示意图；
图2是本发明一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统的物料温控单元的结构示意图；
图3是本发明一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统的细水雾发生装置的结构示意图；
1-外部加热器接口一，2-压力传感器，3-散热片，4-火焰温度传感器单元，5-点火电极，6-高速雾化装置，7-内部加热器，8-铝制外壳，9-高压电线，10-次级线圈，11-多功能接口，12-外部加热器，13-气体引入接口，14-抽真空接口，15-外部加热器接口二，16-内层容器温度传感器，17-外层容器，18-内层容器，19-细水雾注入接口，20-气体传感器接口，21-物料仓，22-物料温控单元，23-空气注入接口，24-超声波换能器，25-细水雾输出接口，221-不锈钢干烧加热器，222-温度传感器， 224-铝合金块。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明公开一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，包括容器主体和分别设在所述容器主体上的物料控温单元、内层容器温控单元、精密电火花点火能量发生单元、气体浓度测试单元、湿度控制单元、压力传感器单元、火焰温度传感器单元和进气及抽真空单元，所述容器主体包括采用316不锈钢制成的内层容器和采用304或者316不锈钢材料制成的外层容器，所述内层容器的壁厚为5-15mm，所述外层容器的壁厚1-3mm，在所述容器主体顶部设有容器盖，所述容器主体为球形或是罐形，在所述外层容器的外壁上环周等距离设有四个多功能接口，所述多功能接口既可以外接50-130mm视窗，又可以与法兰和爆破片相接，在所述容器主体上还设有综合控制系统。
所述物料控温单元包括物料仓和两块铝合金块，两块所述铝合金块将所述物料仓夹持在中间，两块所述铝合金块上分别设有一个温度传感器和三个不锈钢干烧加热器，在所述物料仓进口处设有物料仓盖，所述综合控制系统根据所述温度传感器反馈的信号来控制所述不锈钢干烧加热器的加热速率，利用这种金属预加热的方式调节物料仓中的物料温度，可实现25-200℃范围内的温度调节，控温精度达到0.1℃，在所述物料仓盖和所述容器盖上设有锁死警报装置进行及时预警。
所述内层容器控制单元包括外部加热器、内部加热器、内层容器温度传感器和温控开关，所述外部加热器采用中高频电磁方式加热，在所述内层容器外部焊接金属铁层，在所述内层容器的外壁上均匀盘有电磁加热线圈，所述电磁加热线圈由空心的紫铜管绕制，所述内层容器的外壁与所述电磁加热线圈之间通过绝缘保温材料隔离，所述内部加热器为不锈钢干烧加热器二。通过所述外部加热器和所述内部加热器相结合的方式实现所述内层容器内部的精准控温，控温精度可达0.1℃，调控范围在25-200℃，所述综合控制系统根据所述内层容器温度传感器传递的信号数据实时控制容器的温度，当温度超过设定范围时所述温控开关会自动起跳切断所述内层容器温控单元的电源。
本实验系统同时控制物料仓和容器主体的温度及压力，物料仓环境用于模拟化工企业液体及粉尘类危险化学品的初始温度，容器主体环境用于模拟泄露时的环境温度及压力，双重调控更接近现实中危险化学品泄露诱发爆炸的情况。
，所述湿度控制单元包括细水雾发生及引入装置和高速雾化装置，所述细水雾发生及引入装置由细水雾引入接口和细水雾发生装置构成，所述细水雾发生装置包括储水箱和安装在储水箱底部的超声波换能器，所述储水箱的左侧上端设有细水雾输出接口、右侧上端设有空气注入接口，所述细水雾发生及引入装置设在所述容器主体的左上方，所述细水雾引入接口与所述细水雾输出接口紧密连接，所述高速雾化装置设在所述内部加热器的上方，使用时，所述综合控制系统控制所述超声波换能器振动的频率将水雾化，形成水雾后，在容器内抽真空形成负压，打开所述细水雾注入接口，通过高压压缩空气将细水雾注入所述内层容器内，在细水雾全部注入所述内层容器后，同时关闭所述细水雾注入接口和空气注入接口；所述高速雾化装置由雾化器、电磁阀和物料仓构成，雾化器为空心锥形、实心锥形、扇形、圆柱形中的一种，通过改变所述高速雾化装置的形状可以实现均匀扩散，所述高速雾化装置的喷射口直径可调，可以改变喷射的粒径，改变雾化装置的形状可以模拟工厂发生泄漏时泄露口的不同形状。所述综合控制系统控制气动阀打开后，高压压缩空气将所述物料仓的物料快速喷入所述高速雾化装置的一个反射面，液体经过撞击到另一个反射面，经过多次反射可以形成粒径较细的喷雾。
所述精密电火花点火能量发生单元包括电源、键盘显示模块、控制系统、驱动模块、高频变压器、高压电线、点火电极和箱体，所述高频变压器包括初级线圈、高频磁芯和次级线圈；所述高频变压器设有铝制外壳，所述高频变压器的所述次级线圈通过所述高压电线从所述铝制外壳的前侧引出，所述铝制外壳设在所述容器主体的右侧；所述电源、控制系统、驱动模块和高频变压器安装在所述箱体内，所述键盘显示模块安装在所述箱体上；所述次级线圈通过所述高压电线与所述点火电极连接，所述点火电极设在所述高速雾化装置的上方；所述电源与所述控制系统和驱动模块连接；所述键盘显示模块与所述控制系统连接；所述的驱动模块与所述控制系统连接；所述初级线圈与所述驱动模块和电源连接，所述点火电极可上下左右多角度调节以实现在所述容器主体的不同位置进行点火，产生精密电火花能量的量程分别为0.1 mj-4 j和量程1 mj-40 j，量程0.1 mj-4 j的电火花能量精度为0.1 mj，量程0.1 mj-4 j的电火花能量精度为0.1 mj，同时可以控制延时点火时间，控制范围0-1000ms，可以准确测量复杂工况下危险化学品泄露诱发爆炸的最小点火能量，且本实验系统可多角度调节点火电极以实现在不同位置进行点火，更加接近实际泄露过程中不同位置点火诱发危险化学品爆炸的实况。
所述精密电火花点火能量发生单元的使用方法具体包括以下步骤：
第一步，将点火电极安装在需要的点火位置后打开电源，进行装置自检，自检正常，触摸彩色液晶显示器的触摸屏显示主菜单。
第二歩，通过操作键盘显示模块，设定能量值，控制系统经计算产生固定数目(N)经校准的固定占空比脉冲信号并输出到驱动模块，每个脉冲信号在高频变压器的初级线圈产生电流I，电流最大值I与驱动模块的导通时间关联，初级线圈的电感量为L，单个脉冲信号在驱动模块导通期间在高频变压器初级线圈储存的能量为E=1/2I 2 L，驱动模块截止期间，高频变压器的初级线圈储存的能量E通过高频磁芯在次级线圈形成极高的感应电压，通过高压线击穿点火电极间的空气，形成能量为E的电火花。点火期间的总的电火花能量为E×N，高频变压器的初级线圈制作完成后，初级线圈的电感量L为固定值，通过调整脉冲信号的占空比即可调整单个脉冲信号在高频变压器的初级线圈产生的电流最大值I，进而调整单个脉冲的能量值，可将单个脉冲的能量值校准为0.1mj或1mj。控制系统产生的脉冲信号的频率可达40KHz,每秒放电次数能达到40000次。
所述气体浓度测试单元，包括气体传感器防护体、前端密闭的可移动活塞、气动部件和气体传感器，所述气体传感器防护体焊接于所述内层容器上，所述气体传感器安装在所述可移动活塞内并通过引线连接到外部显示仪表，前端密闭的所述可移动活塞内腔与大气相连通，点火前通过综合控制系统将所述气体传感器推进所述内层容器，测试完毕后通过所述综合控制系统将所述气体传感器推回所述气体传感器接口的腔内，此时所述气体传感器与外界大气相连，与内部完全封闭。
所述压力传感器单元设在所述容器主体的右上方，所述压力传感器单元包括压力传感器和散热片，爆炸压力的检测范围是-0.1-4 MPa；分辨率：0.001 MPa；精度：0.1%FS；采样频率：5KHZ；所述散热片径向设置在所述压力传感器芯体前端，所述散热片由不锈钢材料制成，可以增大散热面积，保证传感器芯体温度不超过其工作温度的80度。
所述火焰温度传感器单元单元的检测范围是：0-1200℃；分辨率：1℃；精度：0.1%FS；采样频率：5KHZ。
所述进气及抽真空单元设在所述容器主体的右下方，所述进气及抽真空单元包括气体引入接口和抽真空接口，所述气体引入接口与进气控制系统相连接，所述抽真空接口与真空泵相连。利用该单元可对容器内在实验前的初始压力进行控制，模拟工厂储罐发生泄漏时储罐内的超压。同时在容器内精确配比复杂的气体环境，模拟工厂发生泄漏时外部的气体环境。
本实验系统在已有实验系统的研究对象为气体和粉尘的基础上引入液体，使研究对象可覆盖石油化工领域的大多数典型危险化学品，可模拟爆炸事故演化过程，建立典型危险化学品泄露诱发爆炸的相关参数的数据库并完善点火起爆预测技术。通过改变物料仓温度，容器主体的温度、压力和湿度，测量危险化学品在复杂工况下的最小点火能，寻求危化品储运过程中的最佳温度及压力，从而抑制爆炸的发生。通过在危险化学品中添加抑爆材料以及改变含水量，测量其在复杂工况下的最小点火能，从而判定抑爆材料的抑爆性能。实现对抑爆材料的抑爆性能的评定和对相关抑爆方法的行验证。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (9)
1.一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，包括容器主体和分别设在所述容器主体上的物料控温单元、内层容器温控单元、精密电火花点火能量发生单元、气体浓度测试单元、湿度控制单元、压力传感器单元、火焰温度传感器单元和进气及抽真空单元，所述容器主体包括不锈钢制成的内层容器和外层容器，在所述容器主体顶部设有容器盖，所述容器主体为球形或是罐形，在所述外层容器的外壁上环周等距离设有四个多功能接口，在所述容器主体上还设有综合控制系统。
2.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述物料控温单元包括物料仓和两块铝合金块，两块所述铝合金块将所述物料仓夹持在中间，两块所述铝合金块上分别设有一个温度传感器和三个不锈钢干烧加热器，在所述物料仓进口处设有物料仓盖。
3.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述内层容器控制单元包括外部加热器、内部加热器、内层容器温度传感器和温控开关，所述外部加热器采用中高频电磁方式加热，在所述内层容器外部焊接金属铁层，在所述内层容器的外壁上均匀盘有电磁加热线圈，所述电磁加热线圈由空心的紫铜管绕制，所述内层容器的外壁与所述电磁加热线圈之间通过绝缘保温材料隔离，所述内部加热器为不锈钢干烧加热器二。
4.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述湿度控制单元包括细水雾发生及引入装置和高速雾化装置，所述细水雾发生及引入装置由细水雾引入接口和细水雾发生装置构成，所述细水雾发生装置包括储水箱和安装在储水箱底部的超声波换能器，所述储水箱的左侧上端设有细水雾输出接口、右侧上端设有空气注入接口，所述细水雾发生及引入装置设在所述容器主体的左上方，所述细水雾引入接口与所述细水雾输出接口紧密连接，所述高速雾化装置设在所述内部加热器的上方，所述高速雾化装置由雾化器、电磁阀和物料仓构成，雾化器为空心锥形、实心锥形、扇形、圆柱形中的一种，所述高速雾化装置的喷射口直径可活动调节。
5.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述气体浓度测试单元，包括气体传感器防护体、前端密闭的可移动活塞、气动部件和气体传感器，所述气体传感器防护体焊接于所述内层容器上，所述气体传感器安装在所述可移动活塞内并通过引线连接到外部显示仪表，前端密闭的所述可移动活塞内腔与大气相连通。
6.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述精密电火花点火能量发生单元包括电源、键盘显示模块、控制系统、驱动模块、高频变压器、高压电线、点火电极和箱体，所述高频变压器包括初级线圈、高频磁芯和次级线圈，所述高频变压器设有铝制外壳，所述高频变压器的所述次级线圈通过所述高压电线从所述铝制外壳的前侧引出，所述铝制外壳设在所述容器主体的右侧；所述电源、控制系统、驱动模块和高频变压器安装在所述箱体内，所述键盘显示模块安装在所述箱体上；所述次级线圈通过所述高压电线与所述点火电极连接，所述点火电极设在所述高速雾化装置的上方；所述电源与所述控制系统和驱动模块连接；所述键盘显示模块与所述控制系统连接；所述驱动模块与所述控制系统连接；所述初级线圈与所述驱动模块和电源连接。
7.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述压力传感器单元设在所述容器主体的右上方，包括压力传感器和散热片，所述散热片径向设置在所述压力传感器芯体的前端，所述散热片由不锈钢材料制成。
8.如权利要求1所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，所述进气及抽真空单元设在所述容器主体的右下方，包括气体引入接口和抽真空接口，所述气体引入接口与进气控制系统相连接，所述抽真空接口与真空泵相连。
9.如权利要求2所述的一种用于多种工况下的气体、液体和粉尘爆炸实验系统，其特征在于，在所述物料仓盖和所述容器盖上设有锁死警报装置。
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