CN111521728A - 具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置及方法，包括：爆燃管道、供气装置和点火装置；所述供气装置包括多个进气喷嘴、多个流量控制阀多通阀、电磁阀、减压阀和储气罐；多个所述进气喷嘴布设在爆燃管道的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴连接同一流量控制阀，多个所述流量控制阀经本支路的减压阀连接多通阀，再经总电磁阀和总减压阀连接储气罐；所述点火装置包括点火单元和点火电极，所述点火电极设置在爆燃管道内。其克服了当前仅能做一维浓度梯度相关测试的不足，为现场复杂的多维浓度梯度下的可燃气体燃爆特征测试提供有力帮助。
Description
技术领域
本发明属于气体燃爆管道实验领域，尤其涉及一种具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置及方法。
背景技术
可燃气体在密闭空间中泄漏具有爆炸危险，当其意外泄漏时，通常先在局部聚集，然后逐渐扩散到整个密闭空间，且在扩散期间甲烷-空气并非均匀分布，而是存在浓度梯度，此时若出现点火源亦可能会发生爆炸。掌握可燃气体泄漏过程中浓度梯度演化规律及该条件下的燃爆（燃烧与爆炸）特性（包括火焰行为和压力积累等），并设计合适的保护和缓解措施具有重要现实意义。现有的具有浓度梯度的气体爆炸管道实验方法及装置都是在爆炸管道轴向（走向）上设置的浓度梯度，而在若干单位长度管道内的可燃气体仍然是均匀的，这种理想的浓度梯度与现场复杂的浓度梯度存在一定差异，实验结果仍无法反馈出现场的浓度梯度对气体燃爆行为的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置及方法，即在测试管道上方布置多个喷嘴，通过流量阀、减压阀和电磁阀来联合控制管道内的各喷嘴的差异化注气，在管道内构建具有多维浓度梯度的可燃气体浓度场。测试过程中可使用高速相机机和光电传感器记录燃爆火焰的演化过程。在管道底部可按需求安装若干气体压力传感器，以测量内部超压，并使用数据采集系统记录其产生的信号。测试实验中点火单元、高速相机和数据采集系统由信号同步发生器同时触发。测试结果能构建多维浓度梯度非均匀分布燃爆工况，实验设置更符合现场可燃气体泄漏初期的非均匀浓度场特征，为多维浓度梯度的气体燃爆测试提供有力帮助。
本发明的目的在于提供一种具有多维浓度梯度的气体燃爆测试方案，通过该装置，可实现管道内具有多维浓度梯度场的可燃气体复杂非均匀分布场景构建及燃爆行为测试，测试结果能模拟现场可燃气体泄漏过程初期的多维浓度梯度分布情况，克服了当前只有一维（轴向）浓度梯度构建及燃爆管道测试的不足，为符合现场特征的多维浓度梯度的气体燃爆管道测试提供有力帮助。
本发明具体采用以下技术方案：
一种具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于,包括：爆燃管道、供气装置和点火装置；所述供气装置包括多个进气喷嘴、多个流量控制阀多通阀、电磁阀、减压阀和储气罐；多个所述进气喷嘴布设在爆燃管道的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴连接同一流量控制阀，多个所述流量控制阀经本支路的减压阀连接多通阀，再经总电磁阀和总减压阀连接储气罐；所述点火装置包括点火单元和点火电极，所述点火电极设置在爆燃管道内。
优选地，所述爆燃管道的两端采用盲板或泄爆膜封堵。
优选地，所述进气喷嘴的出气口为多个横向微孔。
优选地，所述进气喷嘴伸入爆燃管道的长度小于3mm，所述横向微孔的孔径为0.8mm。
优选地，所述爆燃管道的顶部设置有上排气阀，底部设置有下排气阀。
优选地，所述爆燃管道的侧部设置有观察窗。
优选地，还包括采集装置，所述采集装置包括：高速相机、超压传感器、光电传感器和数据记录仪；所述高速相机与观察窗相对设置；所述超压传感器和光电传感器设置在爆燃管道的底部；所述高速相机、超压传感器和光电传感器分别连接数据记录仪。
优选地，所述点火单元、高速相机、超压传感器、光电传感器和数据记录仪均与信号同步器连接。
优选地，多根所述爆燃管道采用法兰连接成长爆燃管道；所述长爆燃管道的两端采用盲板或泄爆膜封堵。
以及根据以上优选实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用盲板封堵燃爆管道两端，关闭下排气阀，关闭电磁阀；将真空泵与上排气阀连接，开启真空泵将燃爆管道内负压抽至-100kPa以下后，关闭上排气阀和真空泵；
步骤S2：开启下排气阀，向燃爆管道内注入干燥空气至常压；
步骤S3：按实验需求调整各支路流量控制阀和减压阀以控制各进气喷嘴的可燃气体注入流量及动力；利用真空泵将储气罐抽成真空，然后将可燃气体填充至所需压力P1，通过总减压阀调整进气压力；
步骤S4：开启电磁阀，储气罐内初始压力P1的可燃气体将通过进气喷嘴进入燃爆管道中；在上端进气过程中，燃爆管道底部的下排气阀处于开启状态；在配气完成后，同时关闭总电磁阀和下排气阀，并关闭各支路流量控制阀和减压阀；
步骤S5：通过信号同步器实现点火、图像采集和数据采集的同步触发；
步骤S6：实验完成后，打开上排气阀和流量控制阀，开启真空泵，将管道负压内抽至-100kPa，开启下排气阀，注入空气清洗管道。
与现有技术相比，本发明及其优选方案有如下有益效果：
其一，可在管道内构建具有多维浓度梯度的可燃气体浓度场，测试结果能反应多维浓度梯度分布特征下的气体燃爆特征，克服了当前仅能做一维浓度梯度相关测试的不足，为现场复杂的多维浓度梯度下的可燃气体燃爆特征测试提供有力帮助。
因本装置较好的火焰行为及超压捕捉能力，因此可用于对多维非均匀工况下可燃气体燃爆特性的教学、科研性探究。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例的系统整体结构主视示意图；
图2为本发明实施例的燃爆管道俯视（顶部）示意图；
图3为本发明实施例的燃爆管道仰视（底部）示意图；
图4为本发明实施例的进气喷嘴结构示意图；
图中：1-压力表；2-减压阀；3-电磁阀；4-多通阀；5-输气管；6-流量控制阀；7-进气喷嘴；8-上排气阀；9-点火电极；10-光电传感器；11-超压传感器；12-下排气阀；13-盲板；14-燃爆管道；15-总减压阀；16-总压力表。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1-图3所示，本实施例提供的实验装置采用可拼接可视化燃爆管道，其单节尺寸为100cm*30cm*30cm（长*宽*高）；每节矩形管道侧面中心位置均有一个75 cm（长度）×30 cm（宽度）的观察窗，该窗口用透明亚力克板封堵；管道两端均可用盲板13封堵以模拟定容爆炸，也可利用泄爆膜封堵以模拟泄爆工况，说明书附图图例是采用盲板13进行封堵的；管道顶部预留大量进气喷嘴7安装孔，底部预留超压传感器11和光电传感器10安装孔；每节管道设置有上排气阀8和下排气阀12，以及压力表1。在本实施例中，每节爆燃管道14顶部有27个直径20mm的进气喷嘴7安装孔，这些孔分三排等间距布置；每节管道底部有3个超压传感器11安装孔和4个光电传感器10安装孔；每节爆燃管道14底部和顶部均设置有1个排气球阀；爆燃管道14盲板13中心位置开设有直径为20mm的点火电极9安装孔。观察窗利用30mm厚透明的亚克力板封堵，并用配套法兰固定在管道主体上，爆燃管道14与亚克力板的接触位置开设有4mm宽、3mm深的密封圈安装槽，亚克力板安装时利用密封圈保证气密性。
两节或者更多节的燃爆管道可利用两端的法兰按实验需求拼接成一定长度。
在此基础上，每节燃爆管道顶部安装有大量外径20mm、内径10mm的进气喷嘴7、进气喷嘴7由输气管5按需求连接并由若干流量控制阀6和减压阀2实现差异化进气流量级及动力，配气管通过多通阀4与电磁阀3连接连接后再与总减压阀15连接最后接入带有总压力表16的储气罐，系统可以通过前置电磁阀3实现自动化控制。
为了实现数据采集和点火的同步触发，本实施例将一高速相机、超压传感器11和光电传感器10及其数据记录仪与点火单元同信号同步器进行连接。在测试中点火单元、高速相机和数据采集系统由信号同步发生器同时触发。基于前述管道全尺寸高度透明观察窗，可利用高速相机捕捉全景模式下的气体燃爆火焰行为，同时也可利用光电传感器10在爆燃管道14全尺寸长度上捕捉火焰传播特性。利用超压传感器11捕捉多维浓度场特征的气体燃爆超压特征。且超压传感器11和光电传感器10的数量及位置可依据测试要求调整。实验测试中点火单元、高速相机和超压、火焰数据采集系统由信号同步发生器同时触发，燃爆火焰及超压数据具有很好的同步记录性，有利用后期对多维浓度梯度气体燃爆行为及机理的分析。
在本实施例中，采用的超压传感器11是测量范围为-100至+ 1000 kPa（PS）的压阻压力传感器，并使用数据记录仪记录其产生的信号。
点火单元的单次点火能量可调范围50-5000mJ，能量控制精度为±5mJ；点火电极9伸入长度为132.5mm。
如图4所示，进一步地，在本实施例中，爆燃管道14顶部预留的进气孔直径为20mm，每个进气孔安装一个带有12个横向微孔（孔径0.8mm）的进气喷嘴7，进气喷嘴7突出管壁长度小于3mm，以减小其对气体燃爆行为的扰动影响；进气微孔的设计有利于限制燃爆火焰进入配气管线；进气微孔的横向设计可减弱进气动力对径向浓度场的影响，延长径向浓度梯度的保留时间。
基于以上装置方案，本实施例提供的具体使用方式如下（以甲烷气体为例）：
一、使用前的准备
利用干燥的空气彻底清洁燃爆管道、储气罐、输气管5等，安装并校准超压传感器11、光电传感器10，调整高速相机焦距、频率等，根据需求安装进气喷嘴7并将其组网与相应流量控制阀6、减压阀2连接，安装点火电极9等。连接并调试信号同步器、点火单元、高速相机、超压及光电传感器10、信号采集系统等。
确定要进行的非均匀燃爆测试实验的甲烷宏观浓度，根据道尔顿分压定律计算确定需要的甲烷注气量。
二、具体操作
1、利用盲板13封堵燃爆管道两端，关闭下排气阀12，关闭电磁阀3。将真空泵与上排气阀8连接，开启真空泵将燃爆管道内负压抽至-100kPa以下后，关闭上排气阀8和真空泵。
2、开启下排气阀12，向燃爆管道内注入干燥空气至常压。
3、按实验需求调整各流量控制阀6和减压阀2以控制各进气喷嘴7的甲烷注入流量及动力；利用真空泵将90L的储气罐抽成真空，然后将甲烷填充至所需压力P1，通过总减压阀15调整进气压力。
4、开启电磁阀3，储气罐内初始压力P1的甲烷气体将通过大量带有12个孔（孔径0.8mm）的进气喷嘴7缓慢水平进入燃爆管道中，进气时间持续30s。在上端进气过程中，燃爆管道底部的下排气阀12一直处于开启状态，燃爆管道内原有的部分空气将从底部被上方甲烷挤替出；在配气完成后，同时关闭电磁阀3和下排气阀12，并关闭流量控制阀6和减压阀2。
5、通过信号同步器实现点火、火焰及超压数据的同步触发。
6、本组实验测试完成，得到同步的火焰、超压数据。
7、打开上排气阀8和流量控制阀6，开启真空泵，将燃爆管道负压内抽至-100kPa，开启下排气阀12，注入新鲜干燥空气清洗燃爆管道。
8、重复以上步骤，开始下一组实验。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于,包括：爆燃管道、供气装置和点火装置；所述供气装置包括多个进气喷嘴、多个流量控制阀多通阀、电磁阀、减压阀和储气罐；多个所述进气喷嘴布设在爆燃管道的顶部并分为若干组，每组进气喷嘴连接同一流量控制阀，多个所述流量控制阀经本支路的减压阀连接多通阀，再经总电磁阀和总减压阀连接储气罐；所述点火装置包括点火单元和点火电极，所述点火电极设置在爆燃管道内。
2.根据权利要求1所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：所述爆燃管道的两端采用盲板或泄爆膜封堵。
3.根据权利要求1所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：所述进气喷嘴的出气口为多个横向微孔。
4.根据权利要求3所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：所述进气喷嘴伸入爆燃管道的长度小于3mm，所述横向微孔的孔径为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：所述爆燃管道的顶部设置有上排气阀，底部设置有下排气阀。
6.根据权利要求5所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：所述爆燃管道的侧部设置有观察窗。
7.根据权利要求6所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：还包括采集装置，所述采集装置包括：高速相机、超压传感器、光电传感器和数据记录仪；所述高速相机与观察窗相对设置；所述超压传感器和光电传感器设置在爆燃管道的底部；所述高速相机、超压传感器和光电传感器分别连接数据记录仪。
8.根据权利要求7所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：所述点火单元、高速相机、超压传感器、光电传感器和数据记录仪均与信号同步器连接。
9.根据权利要求1所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置，其特征在于：多根所述爆燃管道采用法兰连接成长爆燃管道；所述长爆燃管道的两端采用盲板或泄爆膜封堵。
10.根据权利要求8所述的具有多维浓度梯度的气体燃爆管道实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用盲板封堵燃爆管道两端，关闭下排气阀，关闭电磁阀；将真空泵与上排气阀连接，开启真空泵将燃爆管道内负压抽至-100kPa以下后，关闭上排气阀和真空泵；
步骤S2：开启下排气阀，向燃爆管道内注入干燥空气至常压；
步骤S3：按实验需求调整各支路流量控制阀和减压阀以控制各进气喷嘴的可燃气体注入流量及动力；利用真空泵将储气罐抽成真空，然后将可燃气体填充至所需压力P1，通过总减压阀调整进气压力；
步骤S4：开启电磁阀，储气罐内初始压力P1的可燃气体将通过进气喷嘴进入燃爆管道中；在上端进气过程中，燃爆管道底部的下排气阀处于开启状态；在配气完成后，同时关闭总电磁阀和下排气阀，并关闭各支路流量控制阀和减压阀；
步骤S5：通过信号同步器实现点火、图像采集和数据采集的同步触发；
步骤S6：实验完成后，打开上排气阀和流量控制阀，开启真空泵，将管道负压内抽至-100kPa，开启下排气阀，注入空气清洗管道。
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