CN112577996A - 一种测定高温条件下可燃气体爆炸极限的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定高温条件下可燃气体爆炸极限的实验装置，涉及气体燃爆测定设备技术领域。其包括：压缩单元、实验单元及测量单元，其中，压缩单元主要包括压缩段、供气装置及活塞，通过供气装置向压缩段内部提供气源；实验单元主要包括限位段、测试段、气体预混装置、泄压舱、点火器及光学测量与信号收集装置，气体预混装置用于向测试段内提供混合气体，泄压舱用于对测试段内气体进行泄压；限位段位于测试段与活塞之间，用于实现对活塞的减速及固定；测量单元主要包括测量装置，安装在测试段内。本发明实验装置适用范围广，可适用于不同体系，对于精确测定气体燃烧特性、保障化工工艺过程安全运行具有应用推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及气体燃爆测定设备技术领域，具体涉及一种测定可燃气体爆炸极限的实验装置。
背景技术
气体的爆炸极限是指可燃气体和空气组成的混合气遇火源即能发生爆炸的最低和最高浓度，是气体的重要参数之一。掌握可燃气体的爆炸极限对于保障化工安全具有非常重要的意义。
测量气体爆炸极限的实验装置主要有爆炸球、爆轰管等，现有技术有关方面的研究报道主要有：
CN102937603A公开了一种新型的高温高压爆炸极限测试仪，其包括：原料气体供给装置、爆炸测定装置、真空发生装置和控制装置；所述爆炸测定装置主要由压力传感器、温度传感器、点火器组成，用于测定气体或蒸气的爆炸极限、爆炸压力以及爆炸温度；所述真空发生装置用于对爆炸测定装置进行抽真空；控制装置用于测量、控制和收集实验过程中的产生的实验数据。
CN204203148U公开了一种含难挥发物质混合液体的蒸汽爆炸极限简易测试装置，包括进样系统及测试系统，进样系统通过取样管与测试系统相连接，进样系统包括样品室，样品室下部设置有进料口和出料口，所述进料口上设置有第二计量阀，出料口设置有出料阀。所述样品室内设置有热电偶，样品室的下部安装有搅拌器，样品室的顶端连接取样管，取样管上依次配置有隔离阀和第一计量阀，样品室和取样管的外壁包裹有加热套。热电偶上端伸出样品室后连接温度控制器，样品室顶部的压力管上设置有压力控制器，压力管左侧的排气管上设置有排气阀。
然而现有技术中大多数测定爆炸极限的实验设备只适用于400℃以下的温度条件。可燃气体高温条件下快速氧化、自燃、爆炸等行为与中低温条件均具有显著差异，目前400℃以上温度的实验条件由于设备抗压能力、加热能力以及测试手段的制约，目前主要借助数学计算方法进行爆炸极限的预测，如CN108345734A中公开的一种混合可燃气体的爆炸极限计算方法，此外，Chemkin等商用软件也常用于相关计算。
为精确测量可燃气体高温条件下的爆炸极限，须使混合气体在短时间内达到指定的高温与高压条件，否则在气体升温过程中发生的氧化反应及积累的能量对实验具有非常大的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测定高温条件下可燃气体爆炸极限的实验装置，其可实现可燃气体在高温(400℃-1000℃)条件下爆炸极限的测定。
为了实现上述目的，本发明所解决的主要技术问题为：
测定可燃气体高温条件下的爆炸极限，须使混合气体在极短时间内达到指定的高温与高压条件。通过压缩气体推动活塞迅速加热待测气体，然后利用电火花进行点火，同时借助测试系统实现全过程的捕捉与记录，从而实现可燃气体爆炸极限的测定。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种测定气体爆炸极限的实验装置，包括：
压缩单元，主要包括压缩段、供气装置及活塞，通过所述的供气装置向压缩段内部提供气源；
实验单元，主要包括限位段、测试段、气体预混装置、泄压舱、点火器及光学测量与信号收集装置，所述的气体预混装置用于向所述的测试段内提供混合气体，所述的泄压舱用于对所述测试段内气体进行泄压；所述的限位段位于测试段与活塞之间，用于实现对活塞的减速及固定；
测量单元，主要包括测量装置，安装在所述的测试段内。
作为本发明的一个优选方案，上述的压缩单元还包括气路控制装置，通过上述的气路控制装置控制上述的供气装置向压缩段内提供气源，上述的气路控制装置包括进气管路、压力显示器、驱动气瓶及压缩机，上述的压缩段的前端通过进气管路连接上述的压缩机，上述的压缩机连接上述的驱动气瓶，上述的压力显示器设置在上述的压缩段上，用于实时监测气体压力，上述的压缩段的后端连接上述活塞。
作为本发明的另一个优选方案，上述的压缩段为内部中空的圆管状结构，其材质为金属，其直径大于100mm。
进一步优选，上述的活塞表面采用O型圈与上述压缩段的管壁之间实现径向密封，上述的活塞为分体式结构，位于后段的活塞表面设置有导向带。
进一步优选，上述的测试段为内部中空的圆管状结构，其材质为金属，其直径大于80mm，上述的测试段表面设置有加热带和隔热层。
进一步优选，上述的测试段上设置有石英玻璃窗口，上述的光学测量与信号收集装置通过上述的石英玻璃窗口实现光学信号的输入及输出。
进一步优选，上述的气体预混装置包括待测气瓶、助燃气瓶及混合罐，上述的待测气瓶和助燃气瓶的气体经上述混合罐混后进入上述的测试段。
进一步优选，上述的泄压舱与上述的测试段通过爆破片或者安全阀连接在一起。
进一步优选，上述的测量装置为可选择接触式测量器或非接触式测量器。
进一步优选，上述的可选择接触式测量器为温度传感器或压力传感器。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
相对于传统测量装置，本发明实验装置能够更加快速、准确地为待测气体的升温提压缩量，加热过程短，大幅降低了加热环节对反应过程的干扰。本发明实验装置具有稳定可靠、安全性能高等优点，无复杂内构件，使用方便，实验完成后清理简单；适用范围广，可适用于不同体系，对于精确测定气体燃烧特性、保障化工工艺过程安全运行具有应用推广价值。
利用不涉及化学反应的等熵压缩方法实现待测气体的升温是测量爆炸极限的新思路，该方法的原理是采用压缩气体推动活塞迅速压缩待测气体，进而进行点火测定，其优点是该过程为近似等熵压缩的物理过程，温度和压力易于控制，具有可观的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明实验装置的结构示意图；
图中：1、压缩段，2、活塞，3、限位段，4、电火花点火器、5、光学测量与信号收集装置，6、测试段，7、泄压舱，8、信号发生与传输装置，9、待测气瓶，10、助燃气瓶，11、驱动气瓶，12、压缩机。
具体实施方式
本发明提出了一种测定高温条件下可燃气体爆炸极限的实验装置，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明中述及的“可燃气体高温条件下”中的“高温”是指400℃-1000℃。
如图1所示，本发明，一种测定高温条件下可燃气体爆炸极限的实验装置，具体包括压缩段1、活塞2、限位段3、电火花点火器4、光学测量与信号收集装置5、测试段6、泄压舱7、信号发生与传输装置8、待测气瓶9、助燃气瓶10、驱动气瓶11、压缩机12。
压缩段1、供气装置、活塞2及气路控制装置构成压缩单元，其中，压缩段1为内部中空的圆管状结构，其材质为金属，其直径大于100mm。通过气路控制装置控制供气装置向压缩段内提供气源，主要是由压缩机提供5MPa的气源，配备相应功率的动力电源、冷却水等；上述的气路控制装置包括进气管路、压力显示器、驱动气瓶11及压缩机12，上述的压缩段的前端通过进气管路连接上述的压缩机，压缩机连接驱动气瓶11，压力显示器设置在上述的压缩段上，用于实时监测气体压力，上述的压缩段的后端连接上述活塞2。
进一步优选，上述的活塞表面采用O型圈与上述压缩段的管壁之间实现径向密封，上述的活塞为分体式结构，位于后段的活塞表面设置有导向带，上述活塞材质为金属，其功能是将高压气体内能转换为活塞动能，再转换为待测气体内能，活塞质量越大，其运动过程中的速度就越小，其能量转换效率就越高；活塞表面采用O型圈和压缩管内壁构成径向密封，阻止实验气体经O型圈方式泄漏至活塞下游；活塞为分体式，由前段(被止退)和后段(主要质量)组成；后段活塞表面布有导向带，用于支撑重活塞和压缩管尽可能同心。
限位段3、测试段6、气体预混装置、泄压舱7、点火器及光学测量与信号收集装置5构成实验单元，气体预混装置用于向测试段6内提供混合气体，泄压舱7用于对测试段内气体进行泄压；限位段3位于测试段与活塞之间，用于实现对活塞的减速及固定；
测试段为内部中空的圆管状结构(内部中空即形成腔体)，腔体外缠绕加热带与隔热层，直径一般应大于80mm，厚度须满足实验过程最大耐压需求；测试段开有一个或多个石英玻璃窗口，用于光学信号的输入及输出；在设计时，测试段右侧可以为体积改变段，连接不同长度的体积调节段，就可以改变测试段的剩余体积，以达到不同的体积压缩比。限位段为气缸式重活塞止退装置，利用卡止装置与气缸实现活塞的减速及固定。
上述的气体预混装置包括待测气瓶9、助燃气瓶10、混合罐及气路控制装置，实验前将待测气与助燃气(氧气、空气或不同浓度的富氧空气)按照需要的当量比通入混合罐进行混合，混合完成后通入测试段。
上述的泄压舱为大容积金属腔体，泄压舱与测试段通过爆破片或者安全阀连接，其目的是防止或减少爆炸能量过大时对外界造成的影响。
测量装置：根据不同待测体系特点可选择接触式测量设备(温度传感器、压力传感器)或非接触式测量设备(TDLAS系统、纹影、高速摄像、原子吸收光谱等)，其中接触式测量设备安装于测试段腔体，非接触式测量设备通过测试段的石英玻璃窗口传输及接收相关信号；压缩系统与测量系统通过同步器进行控制。
通过等熵压缩对待测气体进行迅速加热升温，利用电火花点火器4进行点火，同时开启测量系统测定待测气体的爆炸极限。
具体实施方式如下：
(1)根据实验具体要求确定所需活塞质量与压缩速度，确定方法可采用理论计算或实验验证，其中实验验证时测试段通入气体须为不可燃体系，实验测定指定压缩过程温度与压力变化，从而确定活塞及压缩比。
(2)根据实验压力条件选择并安装活塞于正确位置。实验前，重活塞位于充气腔位置，活塞两端O型密封圈将预先进入充气腔的高压空气和压缩管内气体隔开；重活塞外径小于压缩管内径，当重活塞在压缩管内运动时，重活塞与压缩管不同心，重活塞会稍微重心向下，需采用导向带。
(3)根据实验设置或安装测量系统，若采用接触式测量设备需确认测试元件满足实验可能的最大温度或压力条件。
(4)检查压缩单元、实验单元所有相关阀门、法兰等是否处于完好或正确状态。进行气体置换，检查压缩单元、实验单元气密性。
(5)对待测气体及助燃气进行混合，混合完成后通入测试段，通过加热带与真空泵调节测试体系至指定温度压力条件。
(6)开启压缩机，准备驱动气体。
(7)开启阀门，利用驱动气体推动活塞进行实验，利用同步器控制电火花点火。
(8)记录并整理实验数据，排气后进行气体置换，取出活塞，清理实验设备。
下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1：
采用本发明实验装置测定450℃甲烷-纯氧体系的爆炸极限，其中压缩段材料为不锈钢304，内径200mm、厚度22mm、长度8m；高压气罐材料Q345，直径约418mm，厚度20mm，带有压力表、安全阀、支架等；测试段为锻造不锈钢304，直径内径80mm，厚度50mm、外径200mm，带一个石英测量窗口；限位段包括气缸式止推板；活塞材质为Q345钢和不锈钢304，头部为不锈钢，本体为碳钢，泄压舱与测试段通过爆破片连接。
首先通入氮气置换，然后将装置与气体控制管路抽真空，真空度小于20Pa，从而降低残余气体的干扰。按实验所需化学计量配比将单次实验所需的气体通入测试段，然后利用压缩气体驱动活塞开始试验，同时利用同步器控制点火及测量设备。结果表明，待测气在450℃及0.5MPa压力条件下的爆炸上限为80％，与文献数据非常接近，验证了本发明实验装置的可靠性。
实施例2：
采用本发明实验装置测定450℃甲烷-纯氧体系的爆炸极限，其中压缩段材料为不锈钢304，内径200mm、厚度22mm、长度8m；高压气罐材料Q345，直径约418mm，厚度20mm，带有压力表、安全阀、支架等；测试段为锻造不锈钢304，直径内径80mm，厚度50mm、外径200mm，带三个石英测量窗口；限位段包括气缸式止推板；活塞材质为Q345钢和不锈钢304，头部为不锈钢，本体为碳钢，泄压舱与测试段通过爆破片连接。
首先通入氮气置换，然后将装置与气体控制管路抽真空，真空度小于20Pa，从而降低残余气体的干扰。按实验所需化学计量配比将单次实验所需的气体通入测试段，然后利用压缩气体驱动活塞开始试验，同时利用同步器控制点火及测量设备。结果表明，待测气在450℃及0.5MPa压力条件下的爆炸上限为80％，与文献数据非常接近，验证了本发明实验装置的可靠性。
实施例3：
采用本发明实验装置测定450℃甲烷-纯氧体系的爆炸极限，其中压缩段材料为不锈钢304，内径200mm、厚度22mm、长度8m；高压气罐材料Q345，直径约418mm，厚度20mm，带有压力表、安全阀、支架等；测试段为锻造不锈钢304，直径内径80mm，厚度50mm、外径200mm，带一个石英测量窗口；限位段包括气缸式止推板；活塞材质为Q345钢和不锈钢304，头部为不锈钢，本体为碳钢，泄压舱与测试段通过安全阀连接。
首先通入氮气置换，然后将装置与气体控制管路抽真空，真空度小于20Pa，从而降低残余气体的干扰。按实验所需化学计量配比将单次实验所需的气体通入测试段，然后利用压缩气体驱动活塞开始试验，同时利用同步器控制点火及测量设备。结果表明，待测气在450℃及0.5MPa压力条件下的爆炸上限为80％，与文献数据非常接近，验证了本发明实验装置的可靠性。
本发明实验装置适用范围广，可适用于不同体系，对于精确测定气体燃烧特性、保障化工工艺过程安全运行具有应用推广价值。
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于，包括：
压缩单元，主要包括压缩段、供气装置及活塞，通过所述的供气装置向压缩段内部提供气源；
实验单元，主要包括限位段、测试段、气体预混装置、泄压舱、点火器及光学测量与信号收集装置，所述的气体预混装置用于向所述的测试段内提供混合气体，所述的泄压舱用于对所述测试段内气体进行泄压；所述的限位段位于测试段与活塞之间，用于实现对活塞的减速及固定；
测量单元，主要包括测量装置，安装在所述的测试段内。
2.根据权利要求1所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的压缩单元还包括气路控制装置，通过所述的气路控制装置控制所述的供气装置向压缩段内提供气源，所述的气路控制装置包括进气管路、压力显示器、驱动气瓶及压缩机，所述的压缩段的前端通过进气管路连接所述的压缩机，所述的压缩机连接所述的驱动气瓶，所述的压力显示器设置在所述的压缩段上，用于实时监测气体压力，所述的压缩段的后端连接所述活塞。
3.根据权利要求2所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的压缩段为内部中空的圆管状结构，其材质为金属，其直径大于100mm。
4.根据权利要求3所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的活塞表面采用O型圈与所述压缩段的管壁之间实现径向密封，所述的活塞为分体式结构，位于后段的活塞表面设置有导向带。
5.根据权利要求1所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的测试段为内部中空的圆管状结构，其材质为金属，其直径大于80mm，所述的测试段表面设置有加热带和隔热层。
6.根据权利要求5所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的测试段上设置有石英玻璃窗口，所述的光学测量与信号收集装置通过所述的石英玻璃窗口实现光学信号的输入及输出。
7.根据权利要求1所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的气体预混装置包括待测气瓶、助燃气瓶及混合罐，所述的待测气瓶和助燃气瓶的气体经所述混合罐混后进入所述的测试段。
8.根据权利要求1所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的泄压舱与所述的测试段通过爆破片或者安全阀连接在一起。
9.根据权利要求1所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的测量装置为可选择接触式测量器或非接触式测量器。
10.根据权利要求1所述的一种测定气体爆炸极限的实验装置，其特征在于：所述的可选择接触式测量器为温度传感器或压力传感器。
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