CN109374677B - 一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统及方法，属于气体爆炸科学领域。该实验系统包括圆柱形爆炸容器、加热系统、配气系统、点火系统、水冷系统、热电偶、压力传感器和控制及数据采集系统。测试容积1‑5L，本发明可测试常温～500℃、常压～5MPa，可燃介质爆炸极限测定。装置配备水冷系统可实现快速降温，大幅提高实验效率。通过监测容器内压力、温度变化，判定可燃介质是否达到爆炸状态，同时根据实时监测数据可测量不同气体组份爆炸极限。本装置可为防止工业生产中高温高压可燃介质发生爆炸提供可靠数据。
Description
技术领域
本发明属于气体爆炸研究领域，具体涉及一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统及方法。
背景技术
高温高压可燃气体/蒸汽爆炸较之常温常压可燃气体爆炸，具有更大的破坏性和危害性。多数可燃气体/蒸汽的爆炸特性参数会随着温度、压力的升高而发生变化。诸多参数中，关注较多的爆炸极限，受温度压力影响更为明显。多数可燃气体爆炸极限范围会随着温度压力的升高而变宽。
目前，国内外研究学者使用的可燃气体/蒸汽爆炸极限测试的装置通常体积较大。大体积容器虽然测试准确度较高，但同时具有实验周期较长、实验原料消耗大、拆卸不方便等缺点。因此，急需一种能够在大体积容器实验前，能够快速测试、节省原料，并能够初步测量爆炸极限范围的小型容器。
本专利所发明的快速测试高温高压可燃气体/蒸汽爆炸特性参数的实验平台，具有原材料消耗小、实验速度快，能够快速测量爆炸相关参数的特点。本专利中快速测试高温高压可燃气体/蒸汽爆炸特性参数实验系统，采用快拆点火电极方便更换点火头，同时采用加热带和水冷系统，缩短了每次实验的周期，有效提高了实验效率。
国内专利CN202614707 U所述的爆炸实验装置，无法实现温度采集，无法保证气体混合物均匀混合，完成一次实验周期较长，且只能提供一种点火方式。
发明内容
本发明旨在解决现有技术存在的问题，提供一种快速测试高温高压下可燃介质混合物爆炸极限的实验系统，可测试介质初始温度常温～500℃、初始压力常压～5MPa，符合国内外标准，便于拆卸，升降温效率高，实验周期短，测试参数种类齐全。
本发明的技术方案：
一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，该实验系统包括圆柱形爆炸容器1、加热系统、配气系统、点火系统、水冷系统、热电偶12、压力传感器11和控制及数据采集系统。
所述的圆柱形爆炸容器1体积1-5L，承压16MPa，为高温高压气体混合物提供反应场所；热电偶12和压力传感器11的一端侧向伸入圆柱形爆炸容器1中，另一端与控制及数据采集系统相连，热电偶12用于实时测量圆柱形爆炸容器1内部的温度，压力传感器11用于实时监测圆柱形爆炸容器1内的压力参数变化；腔体法兰2固定于圆柱形爆炸容器1的顶端，腔体法兰2与圆柱形爆炸容器1接触面之间设有石墨缠绕垫片8，腔体法兰2的四周通过螺栓7压紧，确保对圆柱形爆炸容器1实现密封；腔体法兰2的中心开设螺纹孔，便于连接快拆点火电极6；排水装置4和泄爆装置密封设置于圆柱形爆炸容器1的底部，用于安全泄放和排放冷却水，防止圆柱形爆炸容器1内爆炸超压，损伤圆柱形爆炸容器1；
所述的加热系统包括加热带10，用于对圆柱形爆炸容器1中的高温高压气体混合物进行加热；
所述的圆柱形爆炸容器1与配气系统及水冷系统之间通过接管3连接；
所述的配气系统包括空气压缩机13、气体循环泵14、真空泵15、压力表16、气瓶17、蒸汽发生器和阀门18；其中，气体循环泵14、真空泵15和气瓶17分别通过管道与接管3相连；真空泵15用于抽空圆柱形爆炸容器1内的气体，便于配制精确浓度的高温高压气体混合物；空气压缩机13与气体循环泵14连接，用于驱动气体循环泵14运转，进而搅拌圆柱形爆炸容器1内高温高压气体混合物，使其混合均匀；气瓶17连接多种气体源，通过压力表16和阀门18的配合，控制输入圆柱形爆炸容器1的混合气体流量；当需要配制蒸汽时，蒸汽发生器替换气瓶17，为圆柱形爆炸容器1中输送蒸汽；
所述的水冷系统包括接水管19和冷水箱，圆柱形爆炸容器1进行升温实验后，冷水箱通过接水管19向圆柱形爆炸容器1腔体内注入冷却水，快速降低腔体温度，便于尽快开展下次升温实验，冷却水由圆柱形爆炸容器1底部排水装置4排出。
所述的点火系统用于点燃圆柱形爆炸容器1内的高温高压气体混合物，包括点火头9和两个快拆点火电极6；所述快拆点火电极6与腔体法兰2之间采用螺纹连接，两个快拆点火电极6伸入圆柱形爆炸容器1的腔体中，点火头9设置于两个快拆点火电极6的端部；快拆点火电极6的外端通过高温导线连接至控制及数据采集系统，控制及数据采集系统用于发出点火指令；
控制及数据采集系统用于实时监测并记录圆柱形爆炸容器1内的压力、温度变化，控制点火时间，并根据不同点火头9改变点火时长，以提供不同点火能量。
所述气瓶17连接多种气体源，多种气体包括可燃气、助燃气、惰性气体及废气泄放口的废气。
所述的点火头9为电热丝、化学点火头或电火花放电充当点火源。
所述圆柱形爆炸容器1的体积为1-5L；所述底部支架5设置于圆柱形爆炸容器1下方，用于支撑圆柱形爆炸容器1。
一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试方法，包括以下步骤：
S1：开启真空泵15，将圆柱形爆炸容器1抽至真空；关闭真空泵15，由气瓶17配制混合气体，并向圆柱形爆炸容器1中输送不同压力下的气体组分，通过压力表16监测控制圆柱形爆炸容器1内的压强；
S2：圆柱形爆炸容器1中的高压气体组份配制完成后，关闭气瓶17的阀门18，由空气压缩机13驱动气体循环泵14混合圆柱形爆炸容器1内的高压气体混合物，混合均匀后关闭空气压缩机13和气体循环泵14；
S3：利用加热带10对圆柱形爆炸容器1进行加热，热电偶12对圆柱形爆炸容器1内的温度进行实时测量，当加热至测试需求温度后停止加热并保温；当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，将气瓶17换成蒸汽发生器，圆柱形爆炸容器1中配制蒸汽；
S4：待圆柱形爆炸容器1内温度、压强稳定后，由控制及数据采集系统控制快拆点火电极6，对点火头9进行点火，圆柱形爆炸容器1内气体混合物发生爆炸时，压力传感器11测量圆柱形爆炸容器1内的压力，热电偶12测量圆柱形爆炸容器1内的温度，并将测量的数据传输至控制及数据采集系统。
S5：实验完成后，打开接水管19的阀门，向圆柱形爆炸容器1内注水，进行快速降温，并打开排水装置4形成水循环，降温完成后利用空气压缩机13吹干扫圆柱形爆炸容器1，以备下次实验。
本发明的有益效果：本发明通过将高压混合气体/蒸汽充入圆柱形爆炸容器，经由气体循环泵混合均匀，再由加热带加热至实验所需温度，实现高温高压均匀混合物环境。测试介质可达初始温度500℃、初始压力5MPa。由控制系统控制点火，并采集高温高压介质混合物发生爆炸时，温度、压力、升压速率等爆炸参数，判断气体/蒸汽混合物是否发生爆炸，以及爆炸强度。容器外连接水冷系统，可实现快速降温，以便进行下组实验，提高实验效率。通过配制不同种类、不同含量惰性气体，可判断惰性气体抑制可燃物爆炸效果。
附图说明
图1是一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统的结构示意图。
图中：1圆柱形爆炸容器；2腔体法兰；3接管；4排水装置；5底部支架；6快拆点火电极；7螺栓；8石墨缠绕垫片；9点火头；10加热带；11压力传感器；12热电偶；13空气压缩机；14气体循环泵；15真空泵；16压力表；17气瓶；18阀门；19接水管。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
如图1所示；一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，该实验系统包括：圆柱形爆炸容器1、加热系统、配气系统、点火系统、水冷系统、热电偶12、压力传感器11和控制及数据采集系统。
所述的圆柱形爆炸容器1体积为1.5L，为高温高压气体混合物提供反应场所；热电偶12和压力传感器11的一端侧向伸入圆柱形爆炸容器1中，另一端与控制及数据采集系统相连，热电偶12用于实时测量圆柱形爆炸容器1内部的温度，压力传感器11用于实时监测圆柱形爆炸容器1内的压力参数变化；腔体法兰2固定于圆柱形爆炸容器1的顶端，腔体法兰2与圆柱形爆炸容器1接触面之间设有石墨缠绕垫片8，腔体法兰2的四周通过螺栓7压紧，确保对圆柱形爆炸容器1实现密封；腔体法兰2的中心开设螺纹孔，便于连接快拆点火电极6；排水装置4和泄爆装置密封设置于圆柱形爆炸容器1的底部，用于安全泄放和排放冷却水，防止圆柱形爆炸容器1内爆炸超压，损伤圆柱形爆炸容器1；底部支架5设置于圆柱形爆炸容器1下方，用于支撑圆柱形爆炸容器1。
所述的加热系统包括加热带10，用于对圆柱形爆炸容器1中的高温高压气体混合物进行加热；
所述的圆柱形爆炸容器1与配气系统及水冷系统之间通过接管3连接；
所述的配气系统包括空气压缩机13、气体循环泵14、真空泵15、压力表16、气瓶17、蒸汽发生器和阀门18；其中，气体循环泵14、真空泵15和气瓶17分别通过管道与接管3相连；真空泵15用于抽空圆柱形爆炸容器1内的气体，便于配制精确浓度的高温高压气体混合物；空气压缩机13与气体循环泵14连接，用于驱动气体循环泵14运转，进而搅拌圆柱形爆炸容器1内高温高压气体混合物，使其混合均匀；气瓶17连接多种气体源，通过压力表16和阀门18的配合，控制输入圆柱形爆炸容器1的混合气体流量；当需要配制蒸汽时，蒸汽发生器替换气瓶17，为圆柱形爆炸容器1中输送蒸汽；
所述的水冷系统包括接水管19和冷水箱，圆柱形爆炸容器1进行升温实验后，冷水箱通过接水管19向圆柱形爆炸容器1腔体内注入冷却水，快速降低腔体温度，便于尽快开展下次升温实验，冷却水由圆柱形爆炸容器1底部排水装置4排出。
所述的点火系统用于点燃圆柱形爆炸容器1内的高温高压气体混合物，包括点火头9和两个快拆点火电极6；所述快拆点火电极6与腔体法兰2之间采用螺纹连接，两个快拆点火电极6伸入圆柱形爆炸容器1的腔体中，点火头9设置于两个快拆点火电极6的端部；快拆点火电极6的外端通过高温导线连接至控制及数据采集系统，控制及数据采集系统用于发出点火指令；
控制及数据采集系统用于实时监测并记录圆柱形爆炸容器1内的压力、温度变化，控制点火时间，并根据不同点火头9改变点火时长，以提供不同点火能量。
所述气瓶17连接多种气体源，多种气体包括可燃气、蒸汽、助燃气、惰性气体及废气泄放口的废气。
所述的点火头9为电热丝、化学点火头或电火花放电充当点火源。
一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试方法，包括以下步骤：
S1：开启真空泵15，将圆柱形爆炸容器1抽至真空；关闭真空泵15，由气瓶17配制混合气体，并向圆柱形爆炸容器1中输送不同压力下的气体组分，通过压力表16监测控制圆柱形爆炸容器1内的压强；
S2：圆柱形爆炸容器1中的高压气体组份配制完成后，关闭气瓶17的阀门18，由空气压缩机13驱动气体循环泵14混合圆柱形爆炸容器1内的高压气体混合物，混合均匀后关闭空气压缩机13和气体循环泵14；
S3：利用加热带10对圆柱形爆炸容器1进行加热，热电偶12对圆柱形爆炸容器1内的温度进行实时测量，当加热至测试需求温度后停止加热并保温；当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，将气瓶17换成蒸汽发生器，圆柱形爆炸容器1中配制蒸汽；
S4：待圆柱形爆炸容器1内温度、压强稳定后，由控制及数据采集系统控制快拆点火电极6，对点火头9进行点火，圆柱形爆炸容器1内气体混合物发生爆炸时，压力传感器11测量圆柱形爆炸容器1内的压力，热电偶12测量圆柱形爆炸容器1内的温度，并将测量的数据传输至控制及数据采集系统。
S5：实验完成后，打开接水管19的阀门，向圆柱形爆炸容器1内注水，进行快速降温，并打开排水装置4形成水循环，降温完成后利用空气压缩机13吹干扫圆柱形爆炸容器1，以备下次实验。
Claims (6)
1.一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，其特征在于，该测试系统包括圆柱形爆炸容器(1)、加热系统、配气系统、点火系统、水冷系统、热电偶(12)、压力传感器(11)和控制及数据采集系统；
所述的圆柱形爆炸容器(1)体积为1-5L，承压16MPa，为高温高压气体混合物提供反应场所；热电偶(12)和压力传感器(11)的一端侧向伸入圆柱形爆炸容器(1)中，另一端与控制及数据采集系统相连，热电偶(12)用于实时测量圆柱形爆炸容器(1)内部的温度，压力传感器(11)用于实时监测圆柱形爆炸容器(1)内的压力参数变化；腔体法兰(2)固定于圆柱形爆炸容器(1)的顶端，腔体法兰(2)与圆柱形爆炸容器(1)接触面之间设有石墨缠绕垫片(8)，腔体法兰(2)的四周通过螺栓(7)压紧，确保对圆柱形爆炸容器(1)实现密封；腔体法兰(2)的中心开设螺纹孔，便于连接快拆点火电极(6)；排水装置(4)和泄爆装置密封设置于圆柱形爆炸容器(1)的底部，用于安全泄放和排放冷却水，防止圆柱形爆炸容器(1)内爆炸超压，损伤圆柱形爆炸容器(1)；
所述的加热系统包括加热带(10)，用于对圆柱形爆炸容器(1)中的高温高压气体混合物进行加热；
所述的圆柱形爆炸容器(1)与配气系统及水冷系统之间通过接管(3)连接；
所述的配气系统包括空气压缩机(13)、气体循环泵(14)、真空泵(15)、压力表(16)、气瓶(17)、蒸汽发生器和阀门(18)；其中，气体循环泵(14)、真空泵(15)和气瓶(17)分别通过管道与接管(3)相连；真空泵(15)用于抽空圆柱形爆炸容器(1)内的气体，便于配制精确浓度的高温高压气体混合物；空气压缩机(13)与气体循环泵(14)连接，用于驱动气体循环泵(14)运转，进而搅拌圆柱形爆炸容器(1)内高温高压气体混合物，使其混合均匀；气瓶(17)连接多种气体源，通过压力表(16)和阀门(18)的配合，控制输入圆柱形爆炸容器(1)的混合气体流量；当需要配制蒸汽时，蒸汽发生器替换气瓶(17)，为圆柱形爆炸容器(1)中输送蒸汽；
所述的水冷系统包括接水管(19)和冷水箱，圆柱形爆炸容器(1)进行升温实验后，冷水箱通过接水管(19)向圆柱形爆炸容器(1)腔体内注入冷却水，快速降低腔体温度，便于尽快开展下次升温实验，冷却水由圆柱形爆炸容器(1)底部排水装置(4)排出；
所述的点火系统用于点燃圆柱形爆炸容器(1)内的高温高压气体混合物，包括点火头(9)和两个快拆点火电极(6)；所述快拆点火电极(6)与腔体法兰(2)之间采用螺纹连接，两个快拆点火电极(6)伸入圆柱形爆炸容器(1)的腔体中，点火头(9)设置于两个快拆点火电极(6)的端部；快拆点火电极(6)的外端通过高温导线连接至控制及数据采集系统，控制及数据采集系统用于发出点火指令；
控制及数据采集系统用于实时监测并记录圆柱形爆炸容器(1)内的压力、温度变化，控制点火时间，并根据不同点火头(9)改变点火时长，以提供不同点火能量。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，其特征在于，所述气瓶(17)连接多种气体源，多种气体包括可燃气、蒸汽、助燃气、惰性气体及废气泄放口的废气。
3.根据权利要求1或2所述的一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，其特征在于，所述的点火头(9)为电热丝、化学点火头或电火花放电充当点火源。
4.根据权利要求1或2所述的一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，其特征在于，所述圆柱形爆炸容器(1)的体积为1-5L；所述底部支架(5)设置于圆柱形爆炸容器(1)下方，用于支撑圆柱形爆炸容器(1)。
5.根据权利要求3所述的一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统，其特征在于，所述圆柱形爆炸容器(1)的体积为1-5L；所述底部支架(5)设置于圆柱形爆炸容器(1)下方，用于支撑圆柱形爆炸容器(1)。
6.采用权利要求1-5任一所述的一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试系统的一种高温高压下可燃介质爆炸极限快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：开启真空泵(15)，将圆柱形爆炸容器(1)抽至真空；关闭真空泵(15)，由气瓶(17)配制混合气体，并向圆柱形爆炸容器(1)中输送不同压力下的气体组分，通过压力表(16)监测控制圆柱形爆炸容器(1)内的压强；
S2：圆柱形爆炸容器(1)中的高压气体组份配制完成后，关闭气瓶(17)的阀门(18)，由空气压缩机(13)驱动气体循环泵(14)混合圆柱形爆炸容器(1)内的高压气体混合物，混合均匀后关闭空气压缩机(13)和气体循环泵(14)；
S3：利用加热带(10)对圆柱形爆炸容器(1)进行加热，热电偶(12)对圆柱形爆炸容器(1)内的温度进行实时测量，当加热至测试需求温度后停止加热并保温；当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，将气瓶(17)换成蒸汽发生器，圆柱形爆炸容器(1)中配制蒸汽；
S4：待圆柱形爆炸容器(1)内温度、压强稳定后，由控制及数据采集系统控制快拆点火电极(6)，对点火头(9)进行点火，圆柱形爆炸容器(1)内气体混合物发生爆炸时，压力传感器(11)测量圆柱形爆炸容器(1)内的压力，热电偶(12)测量圆柱形爆炸容器(1)内的温度，并将测量的数据传输至控制及数据采集系统；
S5：实验完成后，打开接水管(19)的阀门，向圆柱形爆炸容器(1)内注水，进行快速降温，并打开排水装置(4)形成水循环，降温完成后利用空气压缩机(13)吹干扫圆柱形爆炸容器(1)，以备下次实验。
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