CN111089937A - 一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，包括装置主体，制冷包覆层装置主体包括燃烧腔室、空间环境制冷系统、排气净化系统、供气系统和数据采集系统，制冷包覆层燃烧腔室包括制冷包覆层一，制冷包覆层制冷包覆层一内设有油盆，制冷包覆层油盆一端设有长5cm的点火区，制冷包覆层燃烧腔室一侧设有制冷包覆层空间环境制冷系统，制冷包覆层空间环境制冷系统包括压缩机，制冷包覆层压缩机上方通过管道连接有冷凝器，制冷包覆层冷凝器上方设有风机。本发明与现有技术相比的优点在于：可在不同条件状况下进行测试使用、实时获取液体火参数进行定量评估、整体结构简单精巧、操作便捷、普适性强。
Description
技术领域
本发明涉及液体火蔓延特性研究领域，具体是指一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置。
背景技术
液体表面火蔓延是一种典型的火灾现象，是发展成稳定液池火灾的重要过程，其过程往往涉及大量的传热传质问题，比固体表面火蔓延更加复杂，由于液体固有的流动特性，液体表面火蔓延速度较快，极易形成大面积火灾，造成严重的经济损失和人员伤亡。
如2010年4月20日，墨西哥湾发生漏油事件并引发火灾，造成11人死亡，17人受伤；2014年3月1日，晋济高速岩后隧道内两辆运输甲醇的铰接列车追尾，大量甲醇泄漏并引发火灾，造成40人死亡，12人受伤。根据案例可知，液体表面火蔓延已是火灾领域的典型研究课题。
目前，国内用于测定液体表面火蔓延的实验方法一般仅能在高温初始环境下进行测定，并不能实现低温低压实验环境，更不能实现可燃液体初始低温，实际情况下，液体泄露事故可能发生在低温低压环境条件下，如长距离输油管道跨越了很广的海拔高度，液体泄露事故可能出现在低温低压的高海拔条件下，因此，现有实验测试方法并不能科学、有效地分析低温低压环境条件下液体表面火蔓延特性。
此外，目前并没有用于测定液体表面火蔓延特性的成套实验装置，仅有用于测定液体池火燃烧特性的实验装置，如国网湖南电力有限公司申请的一种可模拟高温热油池火的大型实验装置申请号：201811542226.9，主要包括油盘和电加热管，电加热管有多组沿油盘侧壁均布，每组电加热管有串联的多根，电加热管包括产热段和接线段，产热段位于油盘中，接线段固定于油盘侧壁上，接线段与电源连接给产热段供电，使产热段产热来加热油盘中的液体燃料，油盘中固定有可实时监测加热过程中温度变化的测温器。该实验装置仅能开展高温热油池火燃烧实验，并不能实现低温低压等极端环境，且仅能对池火基本特性进行简单观测，并不能实时监测液体表面火蔓延过程中火蔓延速度、主火焰高度、闪燃火焰脉动波长及频率、表面流长度、表面流热边界层厚度等特性参数。
因此，设计一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前，国内用于测定液体表面火蔓延的实验方法一般仅能在高温初始环境下进行测定，并不能实现低温低压实验环境，更不能实现可燃液体初始低温，实际情况下，液体泄露事故可能发生在低温低压环境条件下，现有技术并不能科学、有效地分析低温低压环境条件下液体表面火蔓延特性，且没有用于测定液体表面火蔓延特性的成套实验装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，包括装置主体，制冷包覆层装置主体包括燃烧腔室、空间环境制冷系统、排气净化系统、供气系统和数据采集系统，制冷包覆层燃烧腔室包括制冷包覆层一，制冷包覆层制冷包覆层一内设有油盆，制冷包覆层油盆一端设有长5cm的点火区，制冷包覆层燃烧腔室一侧设有制冷包覆层空间环境制冷系统，制冷包覆层空间环境制冷系统包括压缩机，制冷包覆层压缩机上方通过管道连接有冷凝器，制冷包覆层冷凝器上方设有风机，制冷包覆层冷凝器下方通过管道连接蒸发器，制冷包覆层蒸发器下方设有PID控制器一，制冷包覆层PID控制器一一侧安装有循环泵，制冷包覆层循环泵通过单向阀一连接制冷包覆层，制冷包覆层制冷包覆层一侧通过单向阀二连接低温介质，制冷包覆层排气净化系统通过压力传感器连接在制冷包覆层装置主体一侧，制冷包覆层压力传感器通过PID控制器二连接变频真空泵，制冷包覆层变频真空泵一侧安装有排气净化装置。
本发明与现有技术相比的优点在于：1本发明可在不同液体初始温度(-20℃～0℃)、不同环境温度(-15℃～0℃)、不同环境压力、不同气体组分等实验条件下对液体火蔓延行为进行测试，对不同条件下液体火蔓延过程中主火焰形态及高度、闪燃火焰脉动波长及频率、表面流长度、表面流预热时间、火蔓延速度等液体火蔓延特性参数进行获取，定量评估低温低压极端环境条件下液体火灾的危险性；
(2)利用空间环境制冷系统有效控制燃烧腔室内环境温度(-15℃～0℃)及燃烧器油盆内液体温度(-20℃～0℃)；
(3)利用排气净化系统有效控制燃烧腔室内环境压力；
(4)利用供气系统，有效调控进入气体组分氧/氮比。
(5)利用PID技术有效控制低温介质的温度；
(6)利用循环泵使低温介质在制冷包覆层一的铜管内循环流动，从而实现燃烧腔室内温度、燃烧器油盆内液体温度的精准控制。
(7)整体结构简单精巧，设计思路清晰，整体架构设置完整。
作为改进，供气系统4包括安装在钢瓶固定支架23上的氮气供给瓶24和氧气供给瓶46，氮气供给瓶24通过导管连接有球阀25，球阀25一侧连接有压力控制器26，压力控制器26通过气控单向阀29连接比例混合阀30，比例混合阀30一侧管道上设有平衡阀28，另一侧通过电磁阀31连接有压力调节器32，压力调节器32一侧通过节流阀34连接燃烧腔室1，氧气供给瓶46连接方式与氮气供给瓶24相同。
作为改进，压力控制器一侧管道上设有压力表一，节流阀一侧管道上设有压力表二。
作为改进，数据采集系统包括温度采集设备、红外热成像仪、纹影系统、点光源、热电偶树、高清摄像机一和高清摄像机二，油盆一侧依次设有温度采集设备和红外热成像仪，另一侧依次设有高清摄像机一和高清摄像机二，油盆上方设有纹影系统，纹影系统一端设有点光源，热电偶树安装在油盆一侧。
作为改进，冷凝器和蒸发器间的连接管道上设有节流结构。
作为改进，燃烧腔室主体为可密闭腔室，其尺寸规格为2×2×2m，燃烧腔室外侧包裹有一层制冷包覆层二，制冷包覆层二与制冷包覆层一工作原理相同，通过空间环境制冷系统与燃烧腔室的制冷系统技术相同，但是选用的制冷压缩机及循环泵等设备型号不同有效控制液体初始温度-20℃～0℃。
作为改进，制冷包覆层内设有铜管。
作为改进，油盆侧面及底部覆盖设有一侧制冷包覆层一，油盆尺寸规格为80×10×6cm。
作为改进，供气系统外设有一侧多孔外壳，多孔外壳主体为采用多孔介质构成的外壳模板，供气系统产生的氮氧混合气体通过多孔外壳均匀进入燃烧腔室内。
作为改进，高清摄像机一垂直于油盆布置。
附图说明
图1是一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置的结构示意图。
图2是一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置的空间环境制冷系统的结构示意图。
图3是一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置的排气净化系统的结构示意图。
图4是一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置的供气系统的结构示意图。
图5是一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置的数据采集系统的结构示意图。
如图所示：1、燃烧腔室，2、空间环境制冷系统，3、排气净化系统，4、供气系统，5、数据采集系统，6、压缩机，7、节流结构，8、冷凝器，9、风机，10、蒸发器，11、PID控制器一，12、温度传感器，13、循环泵，14、单向阀一，15、制冷包覆层，16、铜管，17、低温介质，18、单向阀二，19、压力传感器，20、PID控制器二，21、变频真空泵，22、排气净化装置，23、钢瓶固定支架，24、氮气供给瓶，25、球阀，26、压力控制器，27、压力表一，28、平衡阀，29、气控单向阀，30、比例混合阀，31、电磁阀，32、压力调节器，33、压力表二，34、节流阀，35、制冷包覆层一，36、油盆，37、温度采集设备，38、红外热成像仪，39、纹影系统，40、点光源，41、点火区，42、热电偶树，43、高清摄像机一，44、高清摄像机二，45、制冷包覆层二，46、氧气供给瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明在具体实施时，一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，包括装置主体，所述的装置主体包括燃烧腔室1、空间环境制冷系统2、排气净化系统3、供气系统4和数据采集系统5，所述的燃烧腔室1包括制冷包覆层一35，所述的制冷包覆层一35内设有油盆36，所述的油盆36一端设有长5cm的点火区41，所述的燃烧腔室1一侧设有所述的空间环境制冷系统2，所述的空间环境制冷系统2包括压缩机6，所述的压缩机6上方通过管道连接有冷凝器8，所述的冷凝器8上方设有风机9，所述的冷凝器8下方通过管道连接蒸发器10，所述的蒸发器10下方设有PID控制器一11，所述的PID控制器一11一侧安装有循环泵13，所述的循环泵13通过单向阀一14连接制冷包覆层15，所述的制冷包覆层15一侧通过单向阀二18连接低温介质17，所述的排气净化系统3通过压力传感器19连接在所述的装置主体一侧，所述的压力传感器19通过PID控制器二20连接变频真空泵21，所述的变频真空泵21一侧安装有排气净化装置22。
所述的供气系统4包括安装在钢瓶固定支架23上的氮气供给瓶24和氧气供给瓶46，所述的氮气供给瓶24通过导管连接有球阀25，所述的球阀25一侧连接有压力控制器26，所述的压力控制器26通过气控单向阀29连接比例混合阀30，所述的比例混合阀30一侧管道上设有平衡阀28，另一侧通过电磁阀31连接有压力调节器32，所述的压力调节器32一侧通过节流阀34连接所述的燃烧腔室1，所述的氧气供给瓶46连接方式与所述的氮气供给瓶24相同。
所述的压力控制器26一侧管道上设有压力表一27，所述的节流阀34一侧管道上设有压力表二33。
所述的数据采集系统5包括温度采集设备37、红外热成像仪38、纹影系统39、点光源40、热电偶树42、高清摄像机一43和高清摄像机二44，所述的油盆36一侧依次设有所述的温度采集设备37和红外热成像仪38，另一侧依次设有所述的高清摄像机一43和高清摄像机二44，所述的油盆36上方设有所述的纹影系统39，所述的纹影系统39一端设有所述的点光源40，所述的热电偶树42安装在所述的油盆36一侧。
所述的冷凝器8和蒸发器10间的连接管道上设有节流结构7。
所述的燃烧腔室1主体为可密闭腔室，其尺寸规格为2×2×2m，所述的燃烧腔室1外侧包裹有一层所述的制冷包覆层二45，所述的制冷包覆层二45与所述的制冷包覆层一35工作原理相同，通过所述的空间环境制冷系统2与燃烧腔室的制冷系统技术相同，但是选用的制冷压缩机及循环泵等设备型号不同有效控制液体初始温度-20℃～0℃。
所述的制冷包覆层15内设有铜管16。
所述的油盆36侧面及底部覆盖设有一侧制冷包覆层一35，所述的油盆36尺寸规格为80×10×6cm。
所述的供气系统4外设有一侧多孔外壳，所述的多孔外壳主体为采用多孔介质构成的外壳模板，所述的供气系统4产生的氮氧混合气体通过多孔外壳均匀进入所述的燃烧腔室1内。
所述的高清摄像机一43垂直于所述的油盆36布置。
本发明的工作原理：燃烧腔室为可密闭腔室，尺寸是2×2×2m，可为液体火蔓延提供稳定环境条件，其外部覆盖一层制冷包覆层，通过空间环境制冷系统，有效控制燃烧腔室内环境温度(-15℃～0℃)，通过排气净化系统，有效控制燃烧腔室内环境压力，通过供气系统，有效调控进入气体组分氧/氮比。
油盆尺寸为80×10×6cm，一侧末端留有长5cm的点火区，油盆侧面及底部覆盖制冷包覆层，通过空间环境制冷系统与燃烧腔室的制冷系统技术相同，但是选用的制冷压缩机及循环泵等设备型号不同，有效控制液体初始温度(-20℃～0℃)。
空间环境制冷系统，利用制冷技术和PID控制技术，精准控制低温介质温度，循环系统使低温介质在制冷包覆层的铜管内循环流动，进而有效控制燃烧腔室、燃烧器油盆内液体的温度，压缩机将气体制冷剂压缩为高温高压气态制冷剂，通过冷凝器变为常温高压液体制冷剂，经毛细管作用进入蒸发器，进而汽化吸收大量热量，低温介质温度降低，利用PID技术有效控制低温介质的温度，利用循环泵使低温介质在制冷包覆层一的铜管内循环流动，从而实现燃烧腔室内温度、燃烧器油盆内液体温度的精准控制。
排气净化系统，利用变频真空泵和PID技术，有效控制燃烧腔室内环境压力，排出的烟气经过净化系统排入大气，具体工作原理是利用压力传感器探测燃烧腔室内环境压力，根据压力信息，利用PID技术发出控制信号，有效控制变频真空泵输出频率，进而有效控制燃烧腔室内压力，排出的烟气经过净化装置排入大气。
供气系统，利用比例混合阀有效控制氧气/氮气的混合比例，混合气体通过多孔介质较均匀进入燃烧腔室，具体工作原理是利用压力控制器调控氧气/氮气流量，通过比例混合阀使氧/氮按比例混合，混合气体通过多孔介质较均匀进入燃烧腔室。
数据采集系统，主要包括温度采集设备、红外热成像仪、纹影系统、点光源、热电偶树、高清摄像机一和高清摄像机二，其中，高清摄像仪一平行于燃烧器油盆布置，实时记录主火焰形态、主火焰高度及火蔓延速度，高清摄像仪二垂直于燃烧器油盆布置，实时记录闪燃火焰脉动波长及频率，利用红外热像仪及热电偶树，实时记录液面表面温度、表面流长度、表面流预热时间，利用纹影系统由点光源、弧面反射器及高速摄像仪组成，可以实时记录表面流热边界层厚度。
在供气系统中，氮气和氧气分别储存在对应的氮气供给瓶和氧气供给瓶中，利用压力控制器调控氧气/氮气流量，通过比例混合阀使氧/氮按比例混合，形成的混合气体通过多孔介质较均匀进入燃烧腔室。
实施例：
本发明的具体实验操作步骤如下：1调试数据采集系统，确保数据采集系统正常运行；
(2)在燃烧器油盆中倒入定量实验液体，分别开启燃烧腔室制冷系统、燃烧器油盆制冷系统，直到空间环境、液体环境达到指定温度；
(3)打开氮气和氧气气瓶，调节氮气、氧气输入压力旋钮至指定输入压力，调节比例混合阀控制氮气、氧气的输入比例，混合气体通过多孔介质以较低流速均匀进入燃烧腔室内，直到燃烧腔室内气体达到指定氧/氮比例。
(4)开启排气净化系统，根据压力传感器信号，利用PID技术有效控制变频真空泵输出频率，确保燃烧腔室内压力达到指定环境压力。
(5)开启计算机，打开与该设备相配套的分析软件，分析软件主要用于记录实验过程中火焰形态及高度、闪燃火焰脉动波长及频率、表面流长度、表面流预热时间、火蔓延速度等液体火蔓延特性参数数据。
(6)在点火区倒入适量引火燃料，实施点火，确保形成稳定火焰，以引燃待测液体。
(7)实验过程中确保空间环境制冷系统、排气净化系统、供气系统、数据采集系统等正常运行；
(8)待火焰从引火端蔓延至燃烧器油盆另一侧末端，可视为实验成功完成。
(9)关闭空间环境制冷系统、排气净化系统、供气系统等系统；待腔室内温度恢复至室温后，打开燃烧腔室，清理油盆燃烧器残余液体；待整理完毕后，重复以上步骤，开展另一组实验。
(10)实验数据分析，定量分析液体初始温度(-20℃～0℃)、环境温度(-15℃～0℃)、环境压力、气体组分对液体火蔓延行为的影响，评估液体火蔓延的火灾危险性。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具本的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，包括装置主体，其特征在于：所述的装置主体包括燃烧腔室(1)、空间环境制冷系统(2)、排气净化系统(3)、供气系统(4)和数据采集系统(5)，所述的燃烧腔室(1)包括制冷包覆层一(35)，所述的制冷包覆层一(35)内设有油盆(36)，所述的油盆(36)一端设有长5cm的点火区(41)，所述的燃烧腔室(1)一侧设有所述的空间环境制冷系统(2)，所述的空间环境制冷系统(2)包括压缩机(6)，所述的压缩机(6)上方通过管道连接有冷凝器(8)，所述的冷凝器(8)上方设有风机(9)，所述的冷凝器(8)下方通过管道连接蒸发器(10)，所述的蒸发器(10)下方设有PID控制器一(11)，所述的PID控制器一(11)一侧安装有循环泵(13)，所述的循环泵(13)通过单向阀一(14)连接制冷包覆层(15)，所述的制冷包覆层(15)一侧通过单向阀二(18)连接低温介质(17)，所述的排气净化系统(3)通过压力传感器(19)连接在所述的装置主体一侧，所述的压力传感器(19)通过PID控制器二(20)连接变频真空泵(21)，所述的变频真空泵(21)一侧安装有排气净化装置(22)。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的供气系统(4)包括安装在钢瓶固定支架(23)上的氮气供给瓶(24)和氧气供给瓶(46)，所述的氮气供给瓶(24)通过导管连接有球阀(25)，所述的球阀(25)一侧连接有压力控制器(26)，所述的压力控制器(26)通过气控单向阀(29)连接比例混合阀(30)，所述的比例混合阀(30)一侧管道上设有平衡阀(28)，另一侧通过电磁阀(31)连接有压力调节器(32)，所述的压力调节器(32)一侧通过节流阀(34)连接所述的燃烧腔室(1)，所述的氧气供给瓶(46)连接方式与所述的氮气供给瓶(24)相同。
3.根据权利要求2所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的压力控制器(26)一侧管道上设有压力表一(27)，所述的节流阀(34)一侧管道上设有压力表二(33)。
4.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的数据采集系统(5)包括温度采集设备(37)、红外热成像仪(38)、纹影系统(39)、点光源(40)、热电偶树(42)、高清摄像机一(43)和高清摄像机二(44)，所述的油盆(36)一侧依次设有所述的温度采集设备(37)和红外热成像仪(38)，另一侧依次设有所述的高清摄像机一(43)和高清摄像机二(44)，所述的油盆(36)上方设有所述的纹影系统(39)，所述的纹影系统(39)一端设有所述的点光源(40)，所述的热电偶树(42)安装在所述的油盆(36)一侧。
5.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的冷凝器(8)和蒸发器(10)间的连接管道上设有节流结构(7)。
6.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的燃烧腔室(1)主体为可密闭腔室，其尺寸规格为2×2×2m，所述的燃烧腔室(1)外侧包裹有一层所述的制冷包覆层二(45)，所述的制冷包覆层二(45)与所述的制冷包覆层一(35)工作原理相同，通过所述的空间环境制冷系统(2)(与燃烧腔室的制冷系统技术相同，但是选用的制冷压缩机及循环泵等设备型号不同)有效控制液体初始温度(-20℃～0℃)。
7.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的制冷包覆层(15)内设有铜管(16)。
8.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的油盆(36)侧面及底部覆盖设有一侧制冷包覆层一(35)，所述的油盆(36)尺寸规格为80×10×6cm。
9.根据权利要求1所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的供气系统(4)外设有一侧多孔外壳，所述的多孔外壳主体为采用多孔介质构成的外壳模板，所述的供气系统(4)产生的氮氧混合气体通过多孔外壳均匀进入所述的燃烧腔室(1)内。
10.根据权利要求4所述的一种可模拟低温低压环境的液体火蔓延测试装置，其特征在于：所述的高清摄像机一(43)垂直于所述的油盆(36)布置。
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