CN110346506A - 一种气固混合物喷射火装置 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的气固混合物喷射火装置，包括依次连接的可燃气瓶、减压阀、金属软管、转接头、不锈钢管、气体流量控制器和阻火器，燃烧器下部贯穿进料器后通过输气金属软管与阻火器连接；燃烧器顶端设有点火器；电子天平上有固定进料器的支撑装置，燃烧器上部套接沙子收集称重装置。本发明利用文丘里效应，自动将燃烧器侧口堆积的沙子吸入并连同气体一起喷出，气态燃料流量、孔径大小、燃烧器侧口面积和进料器内沙子堆积高度可控制沙子的吸入量，用传送带补充并控制进料器内沙子堆积高度，可形成连续稳定的气固混合物喷射流动；管壁口大小可根据燃烧器具体尺寸进行调整，可适用于微米、毫米等不同量级尺寸固体颗粒的气固喷射实验。
Description
技术领域
本发明属于天然气长距离输送管道安全运行领域，具体涉及一种气固混合物喷射火装置。
背景技术
喷射火也叫高速射流扩散火焰，如化工储罐泄漏引发的喷射火焰、处理废气的火炬系统燃烧火焰、燃气管道破损泄漏引发的喷射燃烧，其产生的热辐射对周围人员建筑造成极大的威胁。埋地的天然气管道在经过沙化地区、林地或者在油气开采过程中，泄漏诱发的喷射火在传播中往往会伴随着大量沙尘夹带现象，此时的火焰热辐射为气态燃料燃烧产物和沙尘共同向外的辐射，同时沙尘会影响喷射火焰形态、温度、速度等燃烧特性。
现有的喷射火实验装置，仅考虑气态燃料的喷射流动，如中国专利CN109682924A公布了一种高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火的试验装置，其通过气源系统、燃烧器、数据采集系统和火焰特征表征扩展模块，来研究气态燃料被点燃形成喷射火的燃烧动力学过程，但该装置仅可研究气态喷射火，未考虑沙尘夹带入火焰的情况，故在此实验装置上无法进行气固混合物喷射火的实验。
目前，气固混合物燃烧现象研究主要涉及煤炭开采中煤尘瓦斯爆炸，以及粉尘云燃烧过程中火焰传播和爆炸。他们所建造的气固两相产生装置，都是针对气固预混火焰，如前人根据螺旋送料原理设计了粉尘云在开放空间连续燃烧的装置，燃烧介质为锆粉和空气，属于气固预混火焰，对于扩散喷射火焰不适用。
现有气固喷射装置的给料方式可分为主动式和被动式。主动式的螺旋振动给料机(参考：王秋红.锆粉云瞬态火焰及连续喷射火焰特性的实验研究[D].中国科学技术大学,2012)，主要由A-01电动机减速器、A-02给料仓、A-03螺旋组成，颗粒在重力和外部螺旋推动力的作用下产生相对位移来进行供料，具体结构如图1所示；主动式的气固注射式给料机(参考：俞伟伟.煤粉颗粒群射流着火特性实验研究[D].清华大学.2013)主要由A-04电机座、A-05步进电机、A-06注射器组成，固体颗粒置于注射器内，在步进电机的推动下进行给料，具体结构如图2所示。这两种主动式给料装置，固体颗粒需在一个混合腔内经气流将气固混合物进行一次混合，再经过二次气流将固体一起携带出燃烧器，显然这些装置的连续进料量无法准确控制，实验测试重复性差，若要精密化经济成本较高。被动式的流化式给料器，主要由A-07给料管、A-08细粉管、A-09供气管组成，给料量主要通过改变给料管高度和气流流量来调节，结构如图3所示所示，显然此装置不能形成持久连续的气固混合物喷射火。
发明内容
针对上述现有喷射火实验装置只能研究气态燃料形成的喷射火，而气固喷射物产生装置存在非连续性、测试重复性差等缺点，本发明提供一种气固混合物喷射火装置，可实现连续的气固混合物喷射流动，用于研究沙化地带埋地天然气管道泄漏伴随沙子夹带情况下喷射火燃烧特性与热灾害。
本发明所述的一种气固混合物喷射火装置，其采用的技术方案为：包括气固混合物喷射火模拟装置、沙子收集称重装置、传送装置、支撑装置、燃气报警器、电子天平和电脑；
其中，气固混合物喷射火模拟装置包括可燃气瓶、减压阀、金属软管、转接头、不锈钢管、气体质量流量控制器、阻火器、燃烧器、进料器和点火器；
可燃气瓶的出口端安装有减压阀，其通过金属软管及转接头与不锈钢管进气端连接；所述不锈钢管中间段安装有气体质量流量控制器，所述不锈钢管的末端安装有阻火器；
所述燃烧器的下部竖直穿过进料器后通过输气金属软管与所述阻火器连接；
所述进料器的上端入口处设有用于传送沙子的传送装置；
所述燃烧器顶端设有点火器；
所述支撑装置安装在进料器的下方并位于所述电子天平上，燃烧器的上部套接有沙子收集称重装置；
所述可燃气瓶出口处还放置有用于检测气密性的燃气报警器；
气体质量流量控制器、电子天平、沙子收集称重装置分别通过数据线与电脑连接。
通过传送装置为进料器不停的进料，从而保证进料器内沙子堆积高度维持相对稳定，减少进料器内沙子堆积量变化对沙子卷吸速率的影响。对进料器进行补充沙子，同时也保证气固喷射流动的连续性。
进一步的，所述燃烧器呈竖直的管状结构，其包括燃烧器主体、外螺纹管和孔板，所述燃烧器主体的下端连接有外螺纹管，所述输气金属软管与所述外螺纹管螺纹连接，所述孔板设在燃烧器主体内部下段且与其中轴线垂直，所述孔板中心开设有中心孔，所述孔板上方的燃烧器主体的管壁上围绕其中心轴开设有三个以上管壁口。
进一步的，所述燃烧器的长度为L，其内径为D，外径为D1，所述孔板底部至燃烧器主体顶端的距离为所述孔板顶端至所述管壁口顶部的距离为D，所述孔板的厚度及孔板中心孔的直径均为所述矩形管壁开口长为
进一步的，所述进料器为平截头漏斗状结构，其底部为水平状，进料器底部中心开设有漏嘴，所述漏嘴竖直向下延伸有连接部，所述燃烧器从进料器上部穿过下方的漏嘴并使所述孔板的中心孔底端与进料器的底部齐平，连接部的侧壁上设有通透的螺纹孔，通过与螺纹孔螺纹连接的螺栓底部顶住燃烧器主体的管壁，从而使漏嘴压紧燃烧器或与燃烧器分离。
进一步的，所述进料器的高度为6D1，其上部入口直径为10D1，底部直径为3D1，漏嘴直径为D1。
进一步的，所述支撑装置包括横杆、伸缩竖直杆、加固圆盘，所述进料器两侧对称固设有横杆，所述加固圆盘上对称安装两根长度可调的伸缩竖直杆，两根横杆分别通过螺栓与两根伸缩竖直杆对应连接固定。
进一步的，所述沙子收集称重装置包括托盘、竖直支座和压力传感器，所述托盘套接在所述燃烧器上部且与所述燃烧器外壁之间留有间隙无接触，所述托盘通过其下方长度可调节的伸缩杆支座支撑，所述伸缩杆支座底部安装有压力传感器，所述压力传感器连接电脑。
使用上述装置进行实验的步骤为：
1)用沙子填满进料器；
2)打开燃气报警器对装置进行气体气密性检测，并调节好气体质量流量控制器；
3)打开可燃气瓶的减压阀，使可燃气体流经装置管道从燃烧器顶部喷出，待气体质量流量控制器稳定时，立即用点火器对燃烧器顶部点火。
本发明基于文丘里原理，提出了一种利用气态燃料流经收缩断面形成高速气流，使固体颗粒在“负压”下从燃烧器侧孔自动卷吸入气流中，并且可通过改变气态燃料流量、孔径大小、燃烧器侧孔开口面积和进料器内沙子堆积高度实现对沙子进料速率的控制，同时通过传送带进行连续给料，最终实现连续的气固混合物喷射流动，其被点燃即为气固混合物喷射火。
与现有喷射火实验装置和气固喷射产生装置相比较，本发明的有益效果为：
一、可以研究气固混合物喷射火燃烧特性；
二、气固喷射产生装置利用燃烧器内部孔板产生文丘里效应，其产生的负压自动将燃烧器侧口堆积的沙子吸入并连同气体一起喷出，孔板大小、燃烧器侧口(即管壁口)面积和进料器内沙子堆积高度可以控制沙子的进料量，简单便捷且成本低，用传送装置对进料器补料以控制沙子堆积高度，可形成连续稳定的气固混合物喷射流动；
三、燃烧器侧边开口大小可根据燃烧器具体尺寸进行调整，可适用于微米、毫米等不同量级固体颗粒的气固喷射实验。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为主动式的螺旋振动给料机结构示意图；
图2为主动式的气固注射式给料机结构示意图；
图3为被动式的流化式给料器结构示意图；
图4为本发明主视结构示意图；
图5为所述燃烧器结构示意图；
图6为所述进料器进沙结构示意图；
图7为气固混合物喷射火效果图。
其中，A-01电动机减速器，A-02给料仓，A-03螺旋，A-04电机座，A-05步进电机,A-06注射器，A-07给料管,A-08细粉管,A-09供气管；
1-气固混合物喷射火模拟装置，101-可燃气瓶，102-减压阀，103-金属软管，104-不锈钢管，105-气体质量流量控制器，106-阻火器，107-燃烧器，1071-燃烧器主体，1072-外螺纹管，1073-孔板，1074-管壁口，108-进料器，1081连接部，1082-沙子，1083-螺栓，109-点火器，110-输气金属软管，111-转接头，2-沙子收集称重装置，21-托盘，22-伸缩杆支座，23-压力传感器，3-传送装置，4-支撑装置，41-横杆，42-伸缩竖直杆，43-加固圆盘，5-电子天平，6-电脑，7-燃气报警器。
具体实施方式
如图4所示，一种气固混合物喷射火的结构装置，包括气固混合物喷射火模拟装置1、沙子收集称重装置2、传送装置3、支撑装置4、电子天平5、电脑6和燃气报警器7；其中，气固混合物喷射火模拟装置1包括可燃气瓶101、减压阀102、金属软管103、不锈钢管104、气体质量流量控制器105、阻火器106、燃烧器107、进料器108、点火器109，可燃气瓶101的出口设有减压阀102，金属软管103一端连接减压阀102，另一端通过转接头连接不锈钢管104的进气端，所述不锈钢管104的中间段安装有气体质量流量控制器105，所述不锈钢管104的末端安装有阻火器106；所述燃烧器107的下部竖直贯穿所述进料器108后通过输气金属软管110与阻火器106连接；所述燃烧器107的顶端设有点火器109；所述进料器的上端入口处设有用于传送沙子的传送装置3；所述进料器108的下方安装有固定支撑进料器108的支撑装置4，所述支撑装置4包括横杆41、伸缩竖直杆42和加固圆盘43，所述进料器108两侧对称端设有横杆41，两根横杆与进料器连接方式优选焊接，并通过螺栓分别与其下方的两根伸缩竖直杆42对应连接，两根伸缩竖直杆的下部固定在加固圆盘43上，其可防止实验过程中进料器晃动而影响实验结果，将整个支撑装置4一起放置在电子天平5上进行称重，所述燃烧器107的上部套接有沙子收集称重装置2；所述气体质量流量控制105、电子天平5、沙子收集称重装置2分别通过数据线与电脑6连接；所述可燃气瓶出口处还放置有用于检测气密性的燃气报警器7。
本实施例中，可燃气瓶选用30kg标准高纯(＞99.9％)罐装丙烷，减压阀与气瓶连接，保持燃气在使用时有稳定的压力。在不锈钢管的中间段安装气体质量流量控制器，用于调节气体流量，并可准确测量管道内的气体体积流量、压力和温度。本实施例中采用的阻火器为卡套式阻火器，安装在不锈钢管的末端可防止回火在管道内蔓延；点火器为电子脉冲点火枪，可产生连续性的电火花，点火枪的长度可调并可弯曲，保证点火的安全性；电子天平型号QuinTIXQ5102，最大承重5Kg，精度0.01g。每秒记录一个数据点，满载的进料器、燃烧器、支撑架一并放在电子天平上，测量实验开始后漏斗里沙子剩余质量实时数据值。
实施例中采用的传送装置为现有技术中的直线型送料器，其放置在工作台上，直线型送料器主要包括直线轨道、电磁铁、弹簧片和控制器，其原理是将电磁铁接入220v交流电使其震动，电磁铁通过弹簧片带动直接轨道运动，从而达到直线送料的目的。开启送料器的控制器，通过调节半波、全波或电压，频率可以实现直振器的快慢和稳定传送。直线轨道末端在进料器中心的正上方，人工从送料器轨道的另一端进行加料，经调试可使得传送速度与人工加料速度达到最佳匹配，从而保证进料器内沙子堆积高度维持相对稳定，减少进料器内沙子堆积量变化对沙子卷吸速率的影响。对进料器进行补充沙子，同时也保证气固喷射流动的连续性。也可采用其他结构的传送装置，只要能达到传送沙子的目的即可。不同的实验中，可用煤粉、金属粉尘、面粉等代替沙子。
如图5所示，所述燃烧器107优选为竖直的管状结构，其包括燃烧器主体1071、外螺纹管1072和孔板1073，优选的，燃烧器主体1071与其下端的外螺纹管1072一体成型，通过外螺纹管与所述输气金属软管111实现无缝连接；所述孔板1073设在燃烧器主体1071内部并位于其下段，孔板1073中心开设有中心孔，且孔板与燃烧器主体的中轴线垂直；孔板上方的燃烧器主体1071的管壁上围绕其中心轴对称开设有至少三个管壁口1074。
优选的，所述燃烧器107的长度为L，其内径为D，外径为D1；所述孔板底部距燃烧器主体顶端距离为孔板1073底端至所述管壁口1074顶部的距离为D，为减小孔板厚度带来的阻力，孔板的厚度及孔板中心孔的直径均为则管壁口的长度为管壁口的宽度由燃烧器内径D以及管壁口的个数决定；在高速气流经过孔板中心产生的负压下，使堆积的固体颗粒从侧面的管壁口自动吸入燃烧器内部高速气流中。
其中，受燃烧器形状尺寸限制，管壁口设计为矩形状，其面积相比其他形状可达最优化，当然，管壁口也可为其他形状；当每个管壁口1074的开口面积均相同时，沿燃烧器中心轴等距开设3个管壁口，局部阻力最优；燃烧器、孔板和孔板的中心孔横截面也可由圆形变形为其他多边形结构；燃烧器管壁口与孔板的相对位置也可发生变化。
如图6所述，所述进料器108为平截头漏斗状结构，其底部为水平状，底部中心开设有漏嘴，所述漏嘴竖直向下延伸有连接部1081，燃烧器从漏斗上部穿过下方的漏嘴并使孔板1073的中心孔底端与进料器108的底部齐平，连接部1081的侧壁上设有通透的螺纹孔，与所述螺纹孔配合的螺栓1083穿过所述螺纹孔后顶住燃烧器主体的管壁，向内拧紧螺栓使漏嘴压紧燃烧器，向外拧松螺栓则可使燃烧器上下移动，方便实验过程中沙子的填充与收集。
所述进料器的高度为6D1，其上部入口直径为10D1，底部直径为3D1，漏嘴直径为D1，。进料器采用304不锈钢，焊接处进行抛光处理，保证内壁光滑减少摩擦。
所述沙子收集称重装置2包括托盘21、伸缩杆支座22和压力传感器23，所述托盘套接在所述燃烧器的上部且与所述燃烧器外壁之间无接触，防止托盘21与燃烧器接触而影响称重，托盘通过其下方3根长度可调节的伸缩杆支座进行固定支撑，每个伸缩杆支座的下方分别放置三个与电脑连接的压力传感器，用于测量实验过程中从燃烧器喷出的沙子质量实时数据值。
本发明所述装置的设计原理是：根据连续性方程和伯努利方程
S1V1＝S2V2＝Q (1)
其中，S1、V1、P1、Z1分别是燃烧器入口的横截面积、风速，压力和所在高度；S2、V2、P2、Z2分别是孔板中心孔出口的横截面积、风速，压力和所在高度；g是气体常数，ρ是气体密度，假设不变，Q是流过燃烧器内部气体体积流量。
丙烷密度较小且燃烧器入口到孔板距离小，位压忽略不计，由等式(1)可知，同一流量气体在经过一个横截面很小的孔板中心S2，其速度V2会增加，再根据等式(2)，可推导出P2变小，此时会在孔板中心出口产生一个真空度。
气固混合物喷射火装置就是利用上述文丘里效应。燃烧器内部设有一个孔板，孔板中心有一个中心孔用来充当产生文丘里效应，中心孔与燃烧器喷口直径比为1/10。文丘里效应是指流动气体从文丘里管的入口进入，在经过一个横截面很小的断面后，气体的流速变大，压强会突然减小，这时就在吸附腔的进口内产生一个真空度，致使堆积在进料器周围的沙子被吸入燃烧器内，随着高速流动气体一起从燃烧器出口喷出，形成气固混合物一起向上喷出的效果。若气体可燃，遇到点火源后便形成气固混合物喷射火。
本发明所述的一种气固混合物喷射火的结构装置在运行时，先用沙子1082填满进料器，打开燃气报警器进行装置的气体检测，根据实验所需要求调节气体质量流量控制器，然后打开丙烷气瓶的减压阀，使丙烷依次从金属软管103、不锈钢管104、气体质量流量控制器105、阻火器106、输气金属软111流过，再经孔板后到达燃烧器顶部出口，丙烷在孔板的中心孔内形成负压，沙子在负压的卷吸作用下从侧边的管壁口处进入燃烧器主体内，并随着丙烷气流一起被携带处燃烧器顶部出口，待气体质量流量控制器稳定时，立即用点火器对燃烧器的出口进行点火；开启传送装置3对进料器里的沙子1082进行补充，确保形成稳定连续的气固混合物喷射火。燃烧器上开设的管壁口可根据实验工况改变面积、个数，以形成不同的进沙速度。
沙子喷出质量的测量方法如下：
把进料器填满沙后，调整好托盘位置(使其与燃烧器无接触)，将此刻电子天平和压力传感器上读数归零。
传送带传送质量记为m1，将电子天平上显示的读数记为m2，压力传感器上显示读数记为m3。
①不启动传送带，电子天平读数为负值，此时-m2＝m3；
②启动传送带，若传送带传送质量＝沙子喷出质量，m2为零，则m1＝m3。(保证漏斗里沙子处于一个相对稳定情况)，将传感器上读数作为沙子喷出质量。
以下应用实例为气固混合物喷射火的产生，实验过程中，参数设置如下：
燃烧器总长为250mm，内径为10mm，孔板厚度为1mm，中心孔直径为1mm，孔板距燃烧器顶部120mm，燃烧器侧面3个轴对称矩形开口(长9mm，宽7mm)。图7(a)采用的丙烷气体流量为13slpm，沙子为120目白色石英砂；图7(b)采用的丙烷气体流量为15slpm，沙子为80目白色石英砂。
图7(a)和图7(b)是丙烷气体携带沙子喷出燃烧器，再用电子脉冲点火枪点燃后的喷射火焰图，即表明此装置可以产生气固混合物喷射火。不同流量的丙烷气和不同沙子目数使火焰形态发生相应变化，图7(a)选用丙烷气体流量13slpm，沙子粒径为120目(125微米)的白色石英砂，可以清楚看见燃烧器上方出现一段条带状的沙柱，沙柱上方为颜色偏红的火焰，此工况下沙子粒径小，卷吸量大则沙子浓度大，受重力影响喷射距离小，沙柱段高浓度沙子隔绝了丙烷气体与空气的接触，所以此段无火焰，沙柱上方无沙子影响后火焰主体呈现红色；图7(b)选用丙烷气体流量15slpm，沙子粒径为80目(175微米)的白色石英砂，燃烧器上方出现一段蓝色火焰，此工况下，流量大沙子喷射距离大，沙子粒径大，卷吸量小则浓度较低，丙烷浓度大，沙子又隔绝了部分空气，丙烷燃烧不充分，出现蓝色火焰，上部燃烧充分，火焰主体呈现黄色。
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，包括气固混合物喷射火模拟装置、沙子收集称重装置、传送装置、支撑装置、燃气报警器、电子天平和电脑；
其中，气固混合物喷射火模拟装置包括可燃气瓶、减压阀、金属软管、不锈钢管、气体质量流量控制器、阻火器、燃烧器、进料器和点火器；
可燃气瓶的出口端安装有减压阀，其依次通过金属软管及转接头与不锈钢管进气端连接；所述不锈钢管中间段安装有气体质量流量控制器，所述不锈钢管的末端安装有阻火器；
所述燃烧器的下部竖直穿过进料器后通过输气金属软管与所述阻火器连接；
所述进料器的上端入口处设有用于传送沙子的传送装置；
所述燃烧器顶端设有点火器；
所述支撑装置安装在进料器的下方并位于所述电子天平上，燃烧器的上部套接有沙子收集称重装置；
所述可燃气瓶出口处还放置有用于检测气密性的燃气报警器；
气体质量流量控制器、电子天平、沙子收集称重装置分别通过数据线与电脑连接。
2.根据权利要求1所述的一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，所述燃烧器呈竖直的管状结构，其包括燃烧器主体、外螺纹管和孔板，所述燃烧器主体的下端固设有外螺纹管，所述输气金属软管与所述外螺纹管螺纹连接，所述孔板设在燃烧器主体内部下段且与其中轴线垂直，所述孔板中心开设有中心孔，所述孔板上方的燃烧器主体的管壁上围绕其中心轴开设有三个以上管壁口。
3.根据权利要求2所述的一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，所述燃烧器的长度为L，其内径为D，外径为D1，所述孔板底部至燃烧器主体顶端的距离为所述孔板顶端至所述管壁口顶部的距离为D，所述孔板的厚度及孔板中心孔的直径均为所述管壁口长为
4.根据权利要求2所述的一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，所述进料器为平截头漏斗状结构，其底部为水平状，进料器底部中心开设有漏嘴，所述漏嘴竖直向下延伸有连接部，所述燃烧器从进料器上部穿过下方的漏嘴并使所述孔板的中心孔底端与进料器的底部齐平，连接部的侧壁上设有通透的螺纹孔，通过与所述螺纹孔螺纹连接的螺栓底部顶住燃烧器主体的管壁，从而使漏嘴压紧燃烧器或与燃烧器分离。
5.根据权利要求4所述的一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，所述进料器的高度为6D1，其上部入口直径为10D1，底部直径为3D1，漏嘴直径为D1。
6.根据权利要求1所述的一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，所述支撑装置包括横杆、伸缩竖直杆、加固圆盘，所述进料器两侧对称固设有横杆，所述加固圆盘上对称安装两根伸缩竖直杆，两根横杆分别通过螺栓与两根伸缩竖直杆对应连接固定。
7.根据权利要求1所述的一种气固混合物喷射火装置，其特征在于，所述沙子收集称重装置包括托盘、伸缩杆支座和压力传感器，所述托盘套接在所述燃烧器上部且与所述燃烧器外壁之间留有间隙，所述托盘通过其下方伸缩杆支座支撑，所述伸缩杆支座底部安装有压力传感器，所述压力传感器连接电脑。
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