CN110514696A - 一种预混气体可燃极限测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种预混气体可燃极限测量装置与方法，其属于气体可燃极限研究领域。该测量装置包括球形燃烧弹、真空泵、油泵、点火电极、耐温压力传感器、温度传感器、工控机及配气系统。测量容积为5L的小型球形燃烧弹，球形燃烧弹外层具有保温层，该球形燃烧弹为一空腔的双层结构，空腔内充满加热油。工控机可实时监测内腔里气体温度、压力的变化情况。本发明是测量常、高温下，并利用压升7％来判断着火上极限和下极限。只采集混合气体的压力和温度减小了试验的繁杂性，提高实验效率，还可实现非常压下混合气体可燃极限的测量。本装置可为防止可燃气体运输爆炸、气体突然熄火等情况提供可靠参考数据。

Description

一种预混气体可燃极限测量装置与方法

技术领域

本发明属于气体可燃极限研究领域，涉及一种预混气体可燃极限测量装置与方法。

背景技术

可燃气体在爆炸范围内，遇到热源形成火焰并瞬间传播至可燃气散布空间，同时释放大量热，产生高温和爆燃超压导致破坏效应的现象。可燃气体易燃，且在其浓度达到爆炸极限时，在一定的条件下会发生爆炸。可燃气体的可燃性和爆炸极限在生活中的例子很多，其中一些给人类带来了巨大的灾难，譬如煤矿瓦斯(甲烷)爆炸，譬如天然气管路泄漏爆炸等。

可燃极限是衡量可燃气燃烧特性的重要指标，对实验来说有着极其重要的作用，它直接关系到燃料的储存运输的安全性，也直接影响燃烧器的设计和运行。在设计燃烧装置时，既希望燃料能够及时着火、稳定燃烧，同时还要避免不必要的着火工况，如过早或者过晚的着火、突然发生爆炸熄火等。为此，必须了解不同条件下可燃混合物的着火范围，即可燃极限。

目前，国内关于可燃极限的研究历史没有国外长久，关于火焰极限的测量方法的研究也很少，国内很多研究人员致力于加压条件下气体着火和熄灭特性的研究。国内外对于可燃气体可燃极限的测量装置通常体积较大。虽然准确度较高，但有着实验周期较长，消耗原料多，拆卸不方便等缺点。因此，本发明提供一种预混气体可燃极限测量装置与方法。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提出一种预混气体可燃极限测量装置，该装置包括球形燃烧弹、点火电极、电柜、工控机、真空泵、油泵、混气罐、进气管路、出气管路、配气系统，所述球形燃烧弹由内腔层、外腔层、进油口、出油口、进气口、出气口组成，所述外腔层内腔同球心安装有内腔层，且内腔层与外腔层围成的空腔内填充导热油，外腔层上分别设置有进油口和出油口，进油口通过管路与油泵出口端相连，油泵进口端通过管路与出油口相连，所述球形燃烧弹上分别开设有进气口、出气口、压力测量口及温度测量口，所述工控机分别与温度传感器、耐温压力传感器、采集电磁阀及电柜相连，温度传感器的采集端穿过球形燃烧弹的温度测量口进入球形燃烧弹内腔，耐温压力传感器采集端穿过球形燃烧弹的压力测量口进入球形燃烧弹内腔，进气管路一端穿过球形燃烧弹的进气口进入球形燃烧弹内腔，进气管路另一端与采集电磁阀的出口端相连，采集电磁阀进口端通过管路及三通一分别与泄气管路及配气系统相连，所述出气管路一端穿过球形燃烧弹出气口进入球形燃烧弹内腔，出气管路另一端通过三通二分别与通气管路和真空泵相连，所述电柜输出端通过导线与点火电极相连，点火电极一端设置在球形燃烧弹外壁的法兰盘上，另一端贯穿球形燃烧弹后进入球体内腔。

所述配气系统包括气瓶A、气瓶B、气瓶C、气压表、伴热带、混气罐、止回阀及连接管路，所述气瓶A、气瓶B、气瓶C通过连接管路与气压表一端相连，气压表另一端通过连接管路与混气罐进口相连，混气罐出口通过连接管路与止回阀一端相连，止回阀另一端通过管路及三通一与采集电磁阀三相连，所述连接管路上包裹有伴热带。

所述油泵与进油口之间的管路上安装有电磁阀一；所述油泵与出油口之间的管路上安装有电磁阀二。

所述泄气管路上安装有球阀一；所述通气管路上安装有球阀二；所述真空泵与三通二之间的管路上安装有球阀三；所述止回阀与混气罐的连接管路上安装有球阀四。

所述导热油的温度为25-200℃。

所述气瓶A、气瓶B、气瓶C内分别存放有可燃气、助燃气及惰性气体。

所述球形燃烧弹的外腔层的外表面包裹有保温层。

所述球形燃烧弹的体积为5-30L。

一种预混气体可燃极限测量方法，采用一种预混气体可燃极限测量装置，包括以下步骤：

步骤1，打开球阀三，启动真空泵对内腔层围成的空间进行抽真空，多次重复抽真空，至内腔层内的压力小于-0.1Mpa时，抽真空完成，关闭真空泵及球阀三；

步骤2，打开电磁阀一和电磁阀二，启动油泵，将导热油流经管路通过进油口输送至外腔层与内腔层形成的空腔内，然后空腔内的导热油通过出油口及管路流回至油泵中的导油管内，多次循环，并通过温度传感器实时监测内腔层的温度，并反馈至工控机，使内腔层满足初始设定条件，关闭电磁阀一和电磁阀二；

步骤3，配气预混，通过混合气体的体积分数之比，利用分压法依次在气压表上调整压力值，将气瓶A、气瓶B及气瓶C内的气体通入混气罐内，静置5-10min；

步骤4，打开球阀四、止回阀及采集电磁阀，混合气体流经进气管路后进入内腔层围成的空间内，通过电柜对点火电极进行控制点火，通过耐温压力传感器和温度传感器实时监测球形燃烧弹内的压力及温度变化情况，并反馈给工控机，记录压力及温度数据，确定装置内可燃气体的可燃极限实验的着火的判断标准；当球形燃烧弹内的反应气体的压力大于6Mpa小于10.5Mpa，温度大于300℃时，通过泄气管路4上的球阀一进行防爆泄气处理。

本发明的有益效果为：

1、本发明的优势在于利用油泵油浴对球形燃烧弹的内腔均匀加热并达到可控性，并通过气压表控制气体均匀混合，通过控制系统控制点火。

2、利用压升7％来判断着火上极限和下极限。只采集混合气体的压力和温度减小了试验的繁杂性，提高实验效率，还可实现非常压下混合气体可燃极限的测量。

3、对于油泵油浴还可用来进行反应后冷却气体，实现快速降温，进行下组试验。

4、本发明装置通过增加气瓶的个数，可实现多组分燃烧气可燃极限的测量；本发明装置还可用于测量非常温常压下的气体可燃极限。

5、本发明预混气体可燃极限测量方法，丰富了可燃极限的相应测量方法，为以后测量不同混合气体，不同温度和非常压下提供一定的参考，并弥补了国内某些专利无法实现气体预混、温度的控制与加热均匀等方面的缺点，并能节省原料。

附图说明

图1为本发明预混气体可燃极限测量装置结构示意图；

图2为本发明电火花点火原理示意图；

1、内腔层；2、外腔层；3、进油口；4、泄气管路；5、油泵；6、真空泵；7、通气管路；8、气瓶A；9、混气罐；10、气压表；11、止回阀；12、采集电磁阀；13、电柜；14、出油口；15、耐温压力传感器；16、温度传感器；17、点火电极；18、工控机；19、气瓶B；20、气瓶C，21、进气管路；22、出气管路；23、保温层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种预混气体可燃极限测量装置，该装置包括球形燃烧弹、点火电极17、电柜13、工控机18、真空泵6、油泵5、混气罐9、进气管路21、出气管路22、配气系统，所述球形燃烧弹体积为5L，为预混气体高温下反应场所，球形燃烧弹由内腔层1、外腔层2、进油口3、出油口14、进气口13、出气口组成，所述外腔层2内腔同球心安装有内腔层1，且内腔层1与外腔层2围成的空腔内填充导热油，用于加热球形燃烧弹内的混合气体，外腔层2上分别设置有进油口3和出油口14，进油口3通过管路及电磁阀一与油泵5出口端相连，油泵5采用Ry20微型风冷式导热油泵，油泵5进口端通过管路及电磁阀二与出油口14相连，所述球形燃烧弹的内腔层1与外腔层2上分别开设有进气口13、出气口、压力测量口及温度测量口，所述工控机18分别与温度传感器16、耐温压力传感器15、采集电磁阀12及电柜13相连，温度传感器16的采集端穿过球形燃烧弹的外腔层2侧壁的温度测量口通过内腔层1侧壁的温度测量口进入球形燃烧弹的内腔用于监测内腔层1内的温度，耐温压力传感器15采集端穿过球形燃烧弹的外腔层2侧壁的压力测量口通过内腔层1侧壁的压力测量口进入球形燃烧弹的内腔用于监测内腔层1的压力，进气管路21一端穿过球形燃烧弹的外腔层2侧壁的进气口通过内腔层1侧壁的进气口进入球形燃烧弹的内腔，用于将预混气体通入球形燃烧弹内，进气管路21另一端与采集电磁阀12的出口端相连，采集电磁阀12的入口端通过管路及三通一分别与泄气管路4及配气系统相连，所述泄气管路4上安装有球阀一，所述出气管路22一端穿过球形燃烧弹的外腔层2侧壁的出气口通过内腔层1侧壁的出气口进入球形燃烧弹内腔，出气管路22另一端通过三通二分别与通气管路7和真空泵6相连，所述电柜13输出端通过导线与点火电极17相连，点火电极17一端设置在球形燃烧弹外壁的法兰盘上，另一端贯穿球形燃烧弹的外腔层2及内腔层1进入球体内，点火电极17一端固定在法兰上主要是保证球形燃烧弹的气密性。

所述配气系统包括气瓶A8、气瓶B19、气瓶C20、气压表10、伴热带、混气罐9、球阀四、止回阀11及连接管路，所述气瓶A8、气瓶B19、气瓶C20通过连接管路与气压表10一端相连，气压表10另一端通过连接管路与混气罐9进口相连，由于可燃气体具有一定的危险性，进而通过混气罐9使混合气体充分混合，然后进入球形燃烧弹内，使其充分燃烧，混气罐9出口通过连接管路与球阀四一端相连，球阀四另一端通过连接管路与止回阀11一端相连，止回阀11另一端通过连接管路、三通一与电磁阀三相连，止回阀11用于防止预混气体出现倒流的现象，所述连接管路上包裹有伴热带。

所述导热油的温度为25-200℃，通过油泵5可调节导热油的温度，为混合气体的反应提供温度保障。

所述气瓶A8、气瓶B19、气瓶C20内分别存放有可燃气、助燃气及惰性气体。

所述球形燃烧弹的外腔层2的外表面包裹有保温层23，保持燃烧爆炸时内部温度的恒定，还可预防试验中高温烫伤、炸伤实验人员。

实施例1

本实施例中气瓶A8中为氧气、气瓶B19中为氮气、气瓶C20中为甲烷。

一种预混气体可燃极限测量方法，采用一种预混气体可燃极限测量装置，包括以下步骤：

步骤1，打开球阀三，启动真空泵6对内腔层1围成的空间进行抽真空，多次重复抽真空，至内腔层1内的压力小于-0.1Mpa时，抽真空完成，关闭真空泵6及球阀三；

步骤2，打开电磁阀一和电磁阀二，启动油泵5，将导热油流经管路通过进油口3输送至外腔层2与内腔层1形成的空腔内，然后空腔内的导热油通过出油口14及管路流回至油泵5中的导油管内，多次循环，并通过温度传感器16实时监测内腔层1的温度，并反馈至工控机18，使内腔层1满足初始设定条件，关闭电磁阀一和电磁阀二；

步骤3，配气预混，通过混合气体的体积分数之比，利用分压法依次在气压表10上调整压力值，将气瓶A8中的氧气、气瓶B19中的氮气及气瓶C20中的甲烷通入混气罐9内，静置8min；

步骤4，打开球阀四、止回阀11及电磁阀三，混合气体流经进气管路21后进入球形燃烧弹的内腔层1围成的空间内，通过工控机18控制电柜13对点火电极17进行点火，本发明采用电火花点火，原理如图2所示，所述高压电源U1一端与高压充电开关S1一端相连，高压充电开关S1另一端分别与放电开关S2一端、高压电容C1一端、电压表一V1一端相连，所述放电开关S2另一端分别与电极一端、续弧放电电感L1一端相连，续弧放电电感L1另一端分别与电流表A一端、续弧电容C2一端及电压表二V2一点相连，电流表A另一端通过开关S3与直流可调电源U2一端相连，直流可调电源U2另一端、续弧电容C2另一端、电压表二V2另一端、电极另一端、电压表一V1另一端及高压电容C1另一端均与高压电源S1另一端相连；采用低压续弧充电、高压放电击穿的原理，首先闭合高压充电开关S1、开关S3，高压电源U1给高压电容C1充电，直流可调电源U2给续弧电容C2充电，之后闭合放电开关S2，高压电容C1放电击穿电极间空隙形成的弧，使电极间的电阻变小，进而续弧电容C2放电，释放出能量；通过耐温压力传感器15和温度传感器16实时监测球形燃烧弹内的压力及温度变化情况，并反馈给工控机18，记录压力及温度数据，利用国际标准压升7％作为参考；采用如下判断标准，用甲烷气体进行实验，将甲烷压力的升高值作为火焰可以稳定传播的判断标准，然后验证实验测得可燃极限在14.5～15.5时是否存在压力升高值突然变大的情况，若存在，则认为该实验所得数值合理，并通过5次标定，保证实验的可靠性，确定本发明装置甲烷可燃极限实验的着火的判断标准；最后根据气压表10设定的甲烷气体的体积分数得出甲烷在空气中高温下燃烧的可燃上极限与下极限的值，可燃上极限指允许火焰传播的燃料含量最高的混合气体，即富可燃极限；可燃下极限指允许稳态火焰传播的燃料含量最低的混合气体，即贫可燃极限；当球形燃烧弹内的反应气体的压力为7Mpa，温度为301℃时，通过泄气管路4上的球阀一进行防爆泄气处理。

Claims (10)

1.一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于，包括球形燃烧弹、点火电极、电柜、工控机、真空泵、油泵、混气罐、进气管路、出气管路、配气系统，所述球形燃烧弹由内腔层、外腔层、进油口、出油口、进气口、出气口组成，所述外腔层内腔同球心安装有内腔层，且内腔层与外腔层围成的空腔内填充导热油，外腔层上分别设置有进油口和出油口，进油口通过管路与油泵出口端相连，油泵进口端通过管路与出油口相连，所述球形燃烧弹上分别开设有进气口、出气口、压力测量口及温度测量口，所述工控机分别与温度传感器、耐温压力传感器、采集电磁阀及电柜相连，温度传感器的采集端穿过球形燃烧弹的温度测量口进入球形燃烧弹内腔，耐温压力传感器采集端穿过球形燃烧弹的压力测量口进入球形燃烧弹内腔，进气管路一端穿过球形燃烧弹的进气口进入球形燃烧弹内腔，进气管路另一端与采集电磁阀的出口端相连，采集电磁阀进口端通过管路及三通一分别与泄气管路及配气系统相连，所述出气管路一端穿过球形燃烧弹出气口进入球形燃烧弹内腔，出气管路另一端通过三通二分别与通气管路和真空泵相连，所述电柜输出端通过导线与点火电极相连，点火电极一端设置在球形燃烧弹外壁的法兰盘上，另一端贯穿球形燃烧弹后进入球体内腔。

2.根据权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述配气系统包括气瓶A、气瓶B、气瓶C、气压表、伴热带、混气罐、止回阀及连接管路，所述气瓶A、气瓶B、气瓶C通过连接管路与气压表一端相连，气压表另一端通过连接管路与混气罐进口相连，混气罐出口通过连接管路与止回阀一端相连，止回阀另一端通过管路及三通一与采集电磁阀三相连，所述连接管路上包裹有伴热带。

3.根据权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述油泵与进油口之间的管路上安装有电磁阀一；所述油泵与出油口之间的管路上安装有电磁阀二。

4.根据权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述泄气管路上安装有球阀一；所述通气管路上安装有球阀二；所述真空泵与三通二之间的管路上安装有球阀三。

5.根据权利要求2所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述止回阀与混气罐的连接管路上安装有球阀四。

6.根据权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述导热油的温度为25-200℃。

7.根据权利要求2所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述气瓶A、气瓶B、气瓶C内分别存放有可燃气、助燃气及惰性气体。

8.根据权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述球形燃烧弹的外腔层的外表面包裹有保温层。

9.根据权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于：所述球形燃烧弹的体积为5-30L。

10.一种预混气体可燃极限测量方法，采用权利要求1所述的一种预混气体可燃极限测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，打开球阀三，启动真空泵对内腔层围成的空间进行抽真空，多次重复抽真空，至内腔层内的压力小于-0.1Mpa时，抽真空完成，关闭真空泵及球阀三；

步骤2，打开电磁阀一和电磁阀二，启动油泵，将导热油流经管路通过进油口输送至外腔层与内腔层形成的空腔内，然后空腔内的导热油通过出油口及管路流回至油泵中的导油管内，多次循环，并通过温度传感器实时监测内腔层的温度，并反馈至工控机，使内腔层满足初始设定条件，关闭电磁阀一和电磁阀二；

步骤3，配气预混，通过混合气体的体积分数之比，利用分压法依次在气压表上调整压力值，将气瓶A、气瓶B及气瓶C内的气体通入混气罐内，静置5-10min；

步骤4，打开球阀四、止回阀及采集电磁阀，混合气体流经进气管路后进入内腔层围成的空间内，通过电柜对点火电极进行控制点火，通过耐温压力传感器和温度传感器实时监测球形燃烧弹内的压力及温度变化情况，并反馈给工控机，记录压力及温度数据，确定装置内可燃气体的可燃极限实验的着火的判断标准；当球形燃烧弹内的反应气体的压力大于6Mpa小于10.5Mpa，温度大于300℃时，通过泄气管路4上的球阀一进行防爆泄气处理。