CN114609187A - 耦合环境因素影响的多相体系燃爆测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种耦合环境因素影响的多相体系燃爆测试装置，包括集成点火控制装置、数据采集装置、静电场加载装置、壁面加热装置、湿度控制装置以及梯度光学成像装置，用以完成静电与高温高湿复杂环境下气粉两相混合物的预混静置、环境参数控制、点火起爆、流场演化、清洁除尘的全过程；本装置可以实现初始温度范围常温至85℃，加载电压范围0～30kV，湿度范围10～100％的多环境因素耦合下的爆炸极限范围内任意当量比的可燃气体和可燃粉尘/可燃液雾两相体系的爆特性参数测试，为防控工业燃爆事故及完善多相爆炸理论提供科学依据，能够促进生物质能源的进一步利用。
Description
技术领域
本发明属于燃爆动力学宏观特性参数测试技术领域，具体涉及耦合环境因素影响的多相体系燃爆测试装置。
背景技术
随着工业化进程的深入推进，大规模的自动化和连续化生产不仅使得可燃性粉体的用量快速增加，同时也逐渐引入高温、高湿、高速(静电)等极端条件。因此，研究耦合环境因素影响下多相体系燃爆特性及演化规律，对保障工业安全生产、促进物质能源利用等方面具有重要意义。多相体系内的相间热-质扩散作用、不同环境因素导致的流场非均匀分布、以及火焰与冲击波传播的耦合机制，均给复杂环境下多相混合体系爆炸特性参数的测试带来了困难。
目前，针对复杂环境条件下燃爆特性参数的测试装置主要有1m3爆炸罐、20L爆炸球、多相爆炸加速管道、G-G炉、哈特曼管等。实验获得的燃爆特性参数主要包括最小点火能MIE、最低爆炸浓度MEC、爆炸峰值超压Pex、最大压力上升速率(dP/dT)max，以及爆炸指数Kst等。现有的实验装置和平台存在诸多限制和不足，例如：不能实现静电场加载电压、环境温度和湿度的精准控制；无冲击波压力和火焰安全泄放装置；不能实现火焰温度、冲击波压力和火焰结构的同步采集和测试。中国发明公开文本CN105136855A公开了一种粉尘燃爆测试装置，中国发明公开文本CN109557277A公开了一种气体和粉尘燃爆特性测试装置，但是这些研究都没有对多环境因素耦合的情况进行研究，因此，对于多环境因素(高温、湿度、静电场)耦合的多相体系燃爆压力、压力上升速率、燃爆温度及火焰面结构的测试是亟待需要进行研究的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，可以实现多种环境因素的初始状态耦合(温度范围常温至85℃，加载电压范围0～30kV，湿度范围10～100％)。
一种耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，包括球形多相燃爆主体反应装置、点火控制装置、壁面加热装置、湿度控制装置、静电场加载装置、数据采集装置和梯度光学成像装置。
所述球形多相燃爆主体反应装置包括爆炸罐(1)、储粉室或储液室(2)、电磁阀(4)、气包(5)、空气压缩机(6)、配气柜(7)、真空泵(8)、废气管(9)和产物处理器(10)；多个所述储粉室或储液室(2)均匀分布在爆炸罐(1)的周围，其内用于装填爆炸粉尘或易挥发可燃液体；所述气包(5)用于填充高压空气，所述储粉室或储液室(2)经过电磁阀(4)与气包(5)相连；爆炸罐(1)为密封防爆结构，所述爆炸罐(1)与预混可燃气体的配气柜(7)相连；爆炸罐(1)的上端通过废气管(9)连接所述产物处理器(10)，所述产物处理器(10)用于回收和净化爆炸产物；爆炸罐(1)的外壳均匀安装有多个压力传感器(11)和温度传感器(12)，所述空气压缩机(6)用于对空气进行压缩之后将高压空气充入到气包(5)内，所述真空泵(8)通过管道与爆炸罐(1)连接，用于对爆炸罐(1)内进行抽真空处理。
所述点火控制装置包括点火电极(3)和高能点火控制器(13)，所述高能点火控制器(13)用于精确控制点火能量，所述点火电极(3)设置于爆炸罐(1)的中心位置，用于对爆炸罐(1)内的多相混合物进行点火操作，所述点火电极(3)与所述高能点火控制器(13)电连接。
所述壁面加热装置包括智能温度控制器(14)、加热套(15)和高精度小量程热电偶(16)；所述加热套(15)紧密包覆在爆炸罐(1)外壁，所述智能温度控制器(14)的一端连接加热套(15)，另一端与高精度小量程热电偶(16)相连接，所述高精度小量程热电偶(16)设置于爆炸罐(1)的内部，用于显示爆炸罐(1)内的初始温度，加热套(15)内设置有加热部件。
所述湿度控制装置包括超声雾化器(17)、除湿机(19)、智能湿度控制器(18)和湿度传感器(20)，所述湿度控制装置用于控制爆炸罐内流场的湿度范围；所述智能湿度控制器(18)的一端连接超声雾化器(17)，另一端连接除湿机(19)和湿度传感器(20)，所述智能湿度控制器(18)用于对超声雾化器(17)和除湿机(19)进行输出功率的控制，所述超声雾化器(17)用于增加爆炸罐(1)内的流体相对湿度，所述除湿机(19)用于对爆炸罐(1)内的流体进行除湿操作，所述湿度传感器(20)置于爆炸罐(1)的内部，用于显示内部流场的湿度，所述超声雾化器(17)和除湿机(19)均直接与爆炸罐(1)相连接。
所述静电场加载装置包括高压塔(21)、高压直流发生器(22)和电晕电极棒(23)；所述电晕电极棒(23)设置于爆炸罐(1)的中心位置，高压直流发生器(22)通过高压塔(21)连接电晕电极棒(23)，用于在爆炸罐(1)中心形成高压电晕静电场。
所述数据采集装置包括压力适配器(24)、温度适配器(25)、多通道数据采集仪(26)、时序控制器(27)和计算机(28)；所述压力适配器(24)与压力传感器(11)电连接，所述温度适配器(25)与温度传感器(12)电连接，所述多通道数据采集仪(26)用于采集压力和温度信号；所述多通道数据采集仪(26)一端与压力适配器(24)和温度适配器(25)连接，另一端与时序控制器(27)连接，所述时序控制器(27)用于控制计算机(28)和高速摄影仪(34)记录实验数据。
所述梯度光学成像装置包括光源(29)、狭缝(30)、反射镜(31)、凹面镜(32)、切光片(33)和高速摄影仪(34)；所述梯度光学成像装置将光源(29)产生的光束经过狭缝(30)放大后，经过所述反射镜(31)反射到所述凹面镜(32)上，光束穿过爆炸罐(1)的观察窗位置后，继续反射到设置于爆炸罐(1)另一端的另一个反射镜(31)上，然后再反射到另一个凹面镜(32)上，继而通过该凹面镜(32)反射到切光片(33)上，切光片(33)遮挡部分偏折的光线后，最终投射至所述高速摄影仪(34)中。
所述时序控制器(27)分别与空气压缩机(6)、高能点火控制器(13)、多通道数据采集仪(26)、高速摄影仪(34)以及计算机(28)相连接。
作为优选，所述高能点火控制器(13)的能量输出范围为1mJ～10kJ。
作为优选，所述高压直流发生器(22)的输出电信号为直流负高压，工作模式为断续工作，不稳定度≤1％。
作为优选，最终投射至所述高速摄影仪(34)中的所得图像各像素点的亮度ΔI与流场折射率梯度
满足如下关系式：
式中：f2为凹面镜(32)的焦距，ak为未被切光片(33)遮挡的光源图像宽度，ΔIk为图像背景的灰度变化，y和z分别为图像长度和宽度方向的位置坐标，L为光程。
作为优选，所述储粉室或储液室(2)设置有4～12中的双数个(为了保证粉尘分散的均匀性，设置为双数个，最优选设置有8个)。
作为优选，所述温度传感器(12)为大量程快速响应的温度传感器。
作为优选，加热套(15)内设置的加热部件为高效金属电热丝。
作为优选，加热套(15)内设置的加热部件用于利用热传导和热辐射的加热方式使得爆炸罐(1)的流场最高温度达到85℃。
作为优选，所述静电场加载装置最高能够加载30kV的高压静电。
作为优选，所述电晕电极棒(23)由陶瓷杆和铜制小球组成，所述铜制小球的表面采用压花的工艺进行处理，在铜制小球的表面形成大量的曲率半径很小的尖端电极，所述陶瓷杆的顶端设置所述铜制小球。
作为优选，所述湿度控制装置用于控制爆炸罐内流场的湿度范围为10～100％。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过合理设置各部件，从而实现了初始流场温度范围常温至85℃、湿度范围10～100％、静电场加载电压0～30kV耦合环境因素的精准可控。通过对壁面加热装置、湿度控制装置、静电场加载装置的设置，从而实现了可燃气体和可燃粉尘、可燃气体和可燃液雾等多相混合体系的瞬态燃爆特性参数测试。通过数据采集装置和梯度光学成像装置的合理配置，能够同时获得燃爆压力、压力上升速率、燃爆温度及火焰面结构特征参数，继而可以实现冲击波压力和火焰的安全泄放，整体系统的安全性能和自动化水平高。
本发明通过对各个装置的连接关系和选用进行具体设置，能够用于大多数可燃气粉/气液多相混合体系燃爆特性参数的测试，能够为不同环境条件下可燃气体和可燃粉尘/可燃液雾共存的生产场所安全设计及事故预防提供技术支持，从而使得燃爆特性参数测试装置的适用性得到大大的提升。
附图说明
图1是本发明的耦合环境因素影响的多相体系燃爆测试装置示意图；
图2是本发明的实施例的结果图像。
其中：1-爆炸罐，2-储粉室/储液室，3-点火电极，4-电磁阀，5-气包，6-空气压缩机，7-配气柜，8-真空泵，9-废气管，10-产物处理器，11-压力传感器，12-温度传感器，13-高能点火控制器，14-智能温度控制器，15-加热套，16-高精度小量程热电偶，17-超声雾化器，18-智能湿度控制器，19-除湿机，20-湿度传感器，21-高压塔，22-高压直流发生器，23-电晕电极棒，24-压力适配器，25-温度适配器，26-多通道数据采集仪，27-时序控制器，28-计算机，29-光源，30-狭缝，31-反射镜，32-凹面镜，33-切光片，34-高速摄影仪。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明主要解决的技术问题是提供一种耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，可以测试可燃气体和粉尘/液体燃料在不同初始配比、不同环境温度和湿度、不同静电场强度等初始状态下的多相体系燃爆压力、压力上升速率、燃爆温度、层流火焰速度、等效火焰拉伸率及火焰面微观结构等特征参数。
本发明提供的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置如图1所示，该装置主要由七部分组成，分别为球形多相燃爆主体反应装置、点火控制装置、壁面加热装置、湿度控制装置、静电场加载装置、数据采集装置、梯度光学成像装置。
每次测试进行之前，首先用所述真空泵8对所述爆炸罐1进行抽真空处理，保证主体反应装置及连接管路中无任何杂质气体；采用所述空气压缩机6压缩洁净的空气，并存储在所述气包5中，所述气包5上方装有压力表用以显示容器内的压力变化；所述电磁阀4启动后，可使所述储粉室/储液室2内储存的粉尘/液体通过气动阀进入爆炸罐内。
所述配气柜7直接连接所述爆炸罐1，用以配制一定混合比例的可燃气体混合物，其附属零件包括可燃气瓶、压力阀、真空泵、压力表、混气瓶和燃气管路等；采用道尔顿分压定律，控制每种气体进入混气瓶的流量，且保证可燃气体以匀速进入。
所述球形多相燃爆主体反应装置是本发明的核心，罐内主要完成可燃性混合气体的充入、爆炸性粉尘/液体的分散和静置预混、电点火、瞬态燃爆反应、火焰温度和瞬态压力信号的采集，及罐体内废气废粉的排出和清洁等过程。所述球形多相燃爆主体反应装置中共设计8个储粉室/储液室2，均匀分布在爆炸罐1的周围，其内装有爆炸性粉尘或易挥发性可燃液体；储粉室/储液室2经过电磁阀4与暂存空气的气包5相连，可实现腔体粉尘/液雾的均匀分散；爆炸罐1为密封防爆结构，除连接粉尘/液体燃料管路外，还直接与可燃气体的配气柜7相连；爆炸罐1下端通过废气管9连接产物处理器10，用以排出实验产生的废物；爆炸罐1的四周装有压力传感器11和温度传感器12。
所述壁面加热装置为自动控温装置，智能温度控制器14一端连接加热套15，一端连接热电偶16且热电偶置于容器内部显示内部流场温度，形成闭环反馈控制，加热套内置高效金属加热丝，利用辐射加热可使容器内流场温度达到85℃。
所述湿度控制装置为智能湿度控制装置，智能湿度控制器18一端连接超声雾化器17，一端连接除湿机19和湿度传感器20，湿度传感器20置于容器内部显示内部流场湿度，超声雾化器17和连接除湿机19都直接连接爆炸罐1，可实现爆炸罐内流场湿度范围10～100％。
所述电晕电极棒23位于腔体的中心，高压直流发生器22通过高压塔21连接电晕电极棒23，可在腔体中心形成一定范围的静电场，最高可加载30kV的高压静电。
所述电晕电极棒23由陶瓷杆和铜制小球组成，铜制小球采用压花的处理工艺，形成大量的曲率半径很小的尖端电极。
所述梯度光学成像装置将光束经过所述反射镜31反射到所述凹面镜32上，经所述切光片33切除后，最终投入所述高速摄影仪34中。
所述高能点火控制器13的能量输出范围1mJ～10kJ。
考虑到负电晕在工业应用中的稳定性更强，所述高压直流发生器22输出的为直流负高压。
此处列举实施例详述本发明一种耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置的应用方法。
实施例1：温度、湿度、静电场加载环境中乙醚/铝粉两相混合物爆炸特性参数测试。
应用本发明进行乙醚/铝粉两相混合物爆炸特性参数测试，燃料混合比例：乙醚0.76％，铝粉250g/m3；初始环境参数：温度T＝50℃，湿度H0＝60％，静电场中心加载电压U0＝10kV。按照如下具体步骤操作：
1、实验准备：实验前的准备工作主要包括四个方面。第一是电路检查，检查控制箱的电源线、控制电缆以及传感器信号传输线是否连接正常；第二是气路检查，检查高压气瓶、减压阀的连接，检查实验用气气路和气动控制气路的连接，确保连接紧固；第三是对这个装置进行气密性检查，然后将爆炸罐抽至真空；第四是采集软件准备，提前启动测试软件，配置好参数文件，进入数据采集杰米阿尼等待触发信号。
2、配置可燃气体和粉尘：首先称取250g/m3铝粉对应的质量置于储粉室内；然后计算气包中空气的储存量，根据道尔顿分压定律计算0.76％乙醚的分压P1，空气的分压则为P2(P0＝P1+P2)；将定量的乙醚充入爆炸罐内，至压力表示数达到P1关闭电磁阀，让乙醚在爆炸罐内充分弥散。
3、启动环境参数加载装置：启动壁面加热装置，等待爆炸罐内热电偶温度到达50℃，保持温度不变；启动湿度控制装置，使用除湿机和超声雾化器联合控制爆炸罐内的湿度，保证容器内湿度恒定在60％；启动静电场加载装置，中心加载电压为10kV，并保证高压塔稳定接地。
4、点火测试：架设纹影装置并检查各装置可靠性，调整光学成像装置光路。设定点火延迟时间及点火能量、点火持续时间，启动同步触发，电极点火并记录采集的数据和火焰图像。
5、清洁装置：实验结束后，保存实验数据。启动产物处理器，通过废气管排出实验产生的废气和废粉。
6、结果分析：该实施例的实验结果如图2所示，可分析其燃爆温度、燃爆压力、火焰结构、层流火焰速度、层流火焰拉伸率、火焰不稳定性临界条件以及冲击波和火焰的传播过程。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于，包括球形多相燃爆主体反应装置、点火控制装置、壁面加热装置、湿度控制装置、静电场加载装置、数据采集装置和梯度光学成像装置；
所述球形多相燃爆主体反应装置包括爆炸罐(1)、储粉室或储液室(2)、电磁阀(4)、气包(5)、空气压缩机(6)、配气柜(7)、真空泵(8)、废气管(9)和产物处理器(10)；多个所述储粉室或储液室(2)均匀分布在爆炸罐(1)的周围，其内用于装填爆炸粉尘或易挥发可燃液体；所述气包(5)用于填充高压空气，所述储粉室或储液室(2)经过电磁阀(4)与气包(5)相连；爆炸罐(1)为密封防爆结构，所述爆炸罐(1)与预混可燃气体的配气柜(7)相连；爆炸罐(1)的上端通过废气管(9)连接所述产物处理器(10)，所述产物处理器(10)用于回收和净化爆炸产物；爆炸罐(1)的外壳均匀安装有多个压力传感器(11)和温度传感器(12)，所述空气压缩机(6)用于对空气进行压缩之后将高压空气充入到气包(5)内，所述真空泵(8)通过管道与爆炸罐(1)连接，用于对爆炸罐(1)内进行抽真空处理；
所述点火控制装置包括点火电极(3)和高能点火控制器(13)，所述高能点火控制器(13)用于精确控制点火能量，所述点火电极(3)设置于爆炸罐(1)的中心位置，用于对爆炸罐(1)内的多相混合物进行点火操作，所述点火电极(3)与所述高能点火控制器(13)电连接；
所述壁面加热装置包括智能温度控制器(14)、加热套(15)和高精度小量程热电偶(16)；所述加热套(15)紧密包覆在爆炸罐(1)外壁，所述智能温度控制器(14)的一端连接加热套(15)，另一端与高精度小量程热电偶(16)相连接，所述高精度小量程热电偶(16)设置于爆炸罐(1)的内部，用于显示爆炸罐(1)内的初始温度，加热套(15)内设置有加热部件；
所述湿度控制装置包括超声雾化器(17)、除湿机(19)、智能湿度控制器(18)和湿度传感器(20)，所述湿度控制装置用于控制爆炸罐内流场的湿度范围；所述智能湿度控制器(18)的一端连接超声雾化器(17)，另一端连接除湿机(19)和湿度传感器(20)，所述智能湿度控制器(18)用于对超声雾化器(17)和除湿机(19)进行输出功率的控制，所述超声雾化器(17)用于增加爆炸罐(1)内的流体相对湿度，所述除湿机(19)用于对爆炸罐(1)内的流体进行除湿操作，所述湿度传感器(20)置于爆炸罐(1)的内部，用于显示内部流场的湿度，所述超声雾化器(17)和除湿机(19)均直接与爆炸罐(1)相连接；
所述静电场加载装置包括高压塔(21)、高压直流发生器(22)和电晕电极棒(23)；所述电晕电极棒(23)设置于爆炸罐(1)的中心位置，高压直流发生器(22)通过高压塔(21)连接电晕电极棒(23)，用于在爆炸罐(1)中心形成高压电晕静电场；
所述数据采集装置包括压力适配器(24)、温度适配器(25)、多通道数据采集仪(26)、时序控制器(27)和计算机(28)；所述压力适配器(24)与压力传感器(11)电连接，所述温度适配器(25)与温度传感器(12)电连接，所述多通道数据采集仪(26)用于采集压力和温度信号；所述多通道数据采集仪(26)一端与压力适配器(24)和温度适配器(25)连接，另一端与时序控制器(27)连接，所述时序控制器(27)用于控制计算机(28)和高速摄影仪(34)记录实验数据；
所述梯度光学成像装置包括光源(29)、狭缝(30)、反射镜(31)、凹面镜(32)、切光片(33)和高速摄影仪(34)；所述梯度光学成像装置将光源(29)产生的光束经过狭缝(30)放大后，经过所述反射镜(31)反射到所述凹面镜(32)上，光束穿过爆炸罐(1)的观察窗位置后，继续反射到设置于爆炸罐(1)另一端的另一个反射镜(31)上，然后再反射到另一个凹面镜(32)上，继而通过该凹面镜(32)反射到切光片(33)上，切光片(33)遮挡部分偏折的光线后，最终投射至所述高速摄影仪(34)中；
所述时序控制器(27)分别与空气压缩机(6)、高能点火控制器(13)、多通道数据采集仪(26)、高速摄影仪(34)以及计算机(28)相连接。
2.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：所述高能点火控制器(13)的能量输出范围为1mJ～10kJ；
所述高压直流发生器(22)的输出电信号为直流负高压，工作模式为断续工作，不稳定度≤1％。
3.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：最终投射至所述高速摄影仪(34)中的所得图像各像素点的亮度ΔI与流场折射率梯度
满足如下关系式：
式中：f2为凹面镜(32)的焦距，ak为未被切光片(33)遮挡的光源图像宽度，ΔIk为图像背景的灰度变化，y和z分别为图像长度和宽度方向的位置坐标，L为光程。
4.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：所述储粉室或储液室(2)设置有4～12中的双数个。
5.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：所述温度传感器(12)为大量程快速响应的温度传感器。
6.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：加热套(15)内设置的加热部件为高效金属电热丝。
7.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：加热套(15)内设置的加热部件用于利用热传导和热辐射的加热方式使得爆炸罐(1)的流场最高温度达到85℃。
8.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：所述静电场加载装置最高能够加载约30kV的高压静电。
9.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：所述电晕电极棒(23)由陶瓷杆和铜制小球组成，所述铜制小球的表面采用压花的工艺进行处理，在铜制小球的表面形成大量的曲率半径很小的尖端电极，所述陶瓷杆的顶端设置所述铜制小球。
10.如权利要求1所述的耦合环境因素影响的多相体系燃爆特性参数测试装置，其特征在于：所述湿度控制装置用于控制爆炸罐内流场的湿度范围为约10～100％。
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| CN114609187B (zh) | 2023-03-03 |
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