CN209727824U - 气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，包括储液池、第一气瓶、真空泵、瓦斯瓶、第二气瓶、高速摄像机、PC设备、钢制管道、储粉罐、同步控制器和PIV装置，钢制管道顶部设有双流体喷头、依次连接储粉罐和第二气瓶，储液池和第一气瓶与双流体喷头连接，真空泵、瓦斯瓶、温度传感器、压力表、高压脉冲点火器、压力传感器与钢制管道连接，钢制管道上开设有两个视窗，PIV装置和高速摄像机各对准一个视窗，温度传感器、高压脉冲点火器、电磁阀、PIV装置和高速摄像机均与同步控制器连接，同步控制器连接在PC设备上。本装置与矿井下瓦斯煤尘发生爆炸进行抑爆情况基本吻合，适用于煤矿安全开采的防爆控火。

Description

气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸实验装置

技术领域

本实用新型涉及煤矿火灾安全实验装置，特别涉及气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置。

背景技术

矿井下瓦斯发生爆炸，必然将煤矿工作面、巷道等处的浮煤和沉积煤卷入爆炸中，煤粉参与爆炸，爆炸威力会大大增加且煤尘的不完全燃烧会产生大量有毒气体，这样对人身安全和财产安全都造成更大的冲击。抑爆技术的发展不能只停留在对瓦斯爆炸的研究上，更要对瓦斯/煤尘复合体系爆炸进行研究，因此研究瓦斯/煤尘复合体系的爆炸衰减特性迫在眉睫。

目前，气液两相介质抑爆技术及装置应用在灭火器、非常规天然气储罐及矿井下瓦斯抑爆等领域。气液两相介质是以惰性气体为驱动力，将超细水雾带入到未爆炸区域，起到抑爆的作用，许多学者指出，超细水雾由于粒径小、比表面积大，在抑爆方面优于细水雾，而惰性气体扩散性好，能快速稀释爆炸环境中的氧气浓度，降低爆炸强度，从而使超细水雾充分发挥阻止热传递和热辐射的作用，将两者优点结合起来，产生协同抑爆增效作用。而目前尚没有报道对于如何利用气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置。

发明内容

为解决现有技术无法满足气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸研究的问题，本实用新型提供一种气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，可有效解决气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的具体实施问题。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：

气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，包括储液池、第一气瓶、真空泵、瓦斯瓶、第二气瓶、高速摄像机、PC设备，还包括钢制管道、储粉罐、同步控制器和PIV装置，所述钢制管道为全封闭管道，钢制管道的顶部设置有双流体喷头，储液池和第一气瓶分别通过管道与双流体喷头连接，真空泵和瓦斯瓶分别通过管道与钢制管道连接，钢制管道上还设置有温度传感器、压力表、高压脉冲点火器和压力传感器，钢制管道通过管道依次连接储粉罐和第二气瓶，第一气瓶和第二气瓶的出气口设置有电磁阀，钢制管道上开设有两个视窗，PIV装置和高速摄像机各对准一个视窗，温度传感器、高压脉冲点火器、电磁阀、PIV装置和高速摄像机的信号输出端均与同步控制器连接，同步控制器连接在PC设备上。

进一步地，第一气瓶内充有惰性气体或压缩空气，第二气瓶内充有压缩空气，第一气瓶和第二气瓶的出气口均串联设置有电磁阀和减压阀，真空泵和钢制管道之间的管道、储粉罐和钢制管道之间的管道上均设置有球阀，瓦斯瓶和钢制管道之间的管道上设置有逆止阀、质量流量计以及球阀。

进一步地，所述钢制管道为120mm×120mm×840mm的竖向、方形的钢制全封闭管道。

进一步地，所述双流体喷头为虹吸式双流体细水雾喷嘴，其雾滴粒径范围20～40um。

进一步地，所述储粉罐呈圆台状，储粉罐与水平面呈30°角放置，储粉罐用来存放煤尘粉体。

进一步地，所述高压脉冲点火器的点火电压为6KV。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型实现了点火、压力、温度、火焰监测的同步控制；利用PIV装置可以得出瓦斯/煤尘爆炸流场特征，分析抑爆剂作用下爆炸湍流强度衰减。

2、本实用新型采用封闭的钢制管道，结构新颖独特，简单可靠，与矿井下瓦斯煤尘发生爆炸进行抑爆情况基本吻合。采用本实用新型进行的实验方法简单，实验过程稳定，直观。在正在开采的矿井中，可直接利用煤矿现有的惰性气体管道、水路管道，构建煤矿安全开采的防爆控火系统。

附图说明

图1为本实用新型气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置的结构示意图。

图2为本实用新型钢制管道和钢制管道上视窗的结构示意图。

附图中标记，1为储液池，2为减压阀，3为电磁阀，4a为第一气瓶，4b为第二气瓶，5为双流体喷头，6为球阀，7为真空泵，8为温度传感器，9为压力表，10为质量流量计，11为逆止阀，12为瓦斯瓶，13为高压脉冲点火器，14为压力传感器，15为储粉罐，16为高速摄像机，17为PC设备，18为同步控制器，19为PIV装置，20为视窗，22为钢制管道。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1～2所示，气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，包括储液池1、第一气瓶4a、真空泵7、瓦斯瓶12、第二气瓶4b、高速摄像机16、PC设备17，还包括钢制管道22、储粉罐15、同步控制器18和PIV装置19，所述储液池1内盛装有水。所述钢制管道22为120mm×120mm×840mm的竖向、方形的钢制全封闭管道，有效容积为12.096L；

钢制管道22的顶部设置有双流体喷头5，储液池1和第一气瓶4a分别通过管道与双流体喷头5连接，第一气瓶4a的出气口串联设置有电磁阀3和减压阀2，真空泵7和瓦斯瓶12分别通过管道与钢制管道22连接，真空泵7和钢制管道22之间的管道上设置有球阀6，瓦斯瓶12和钢制管道22之间的管道上设置有逆止阀11、质量流量计10以及球阀6。

钢制管道22上还设置有温度传感器8、压力表9、高压脉冲点火器13和压力传感器14，钢制管道22通过管道依次连接储粉罐15和第二气瓶4b，储粉罐15呈上大下小的圆台状，其底部直径为40mm，顶部直径为70mm，储粉罐15与水平面呈30°角放置（储粉罐15由支架支撑以保持与水平面的角度，支架在图中未示出），有利于其内的煤尘粉体全部进去钢制管道22制成的爆炸腔体中。储粉罐15中喷粉压力设为1MPa，有效容积为0.97 L。储粉罐15和钢制管道22之间的管道上设置有球阀6；第二气瓶4b的出气口串联设置有电磁阀3和减压阀2。

钢制管道22两个相邻的侧面上开设有视窗20，所述视窗20为玻璃视窗，PIV装置19和高速摄像机16各对准一个视窗20，温度传感器8、高压脉冲点火器13、电磁阀3、PIV装置19和高速摄像机16的信号输出端均与同步控制器18连接，同步控制器18连接在PC设备17上。

高速摄像机16为拍摄速度2000帧/s以上的摄像机，以捕捉瓦斯爆炸过程中的火焰形状及火焰锋面位置。

双流体喷头5为市售产品，利用虹吸式双流体细水雾喷嘴，其雾滴粒径范围20～40um。

同步控制器18为市售产品，如吉林市古塔区博源机电五金生产的YS-6型毫秒级同步控制器，能够控制温度传感器8、压力传感器14在抑制瓦斯/煤尘爆炸过程中的温度和压力信号、电磁阀开通和关闭的时间信号、高压脉动点火器13的点火信号以及高速摄像机16采集的图像信号，并通过数据采集卡将数据传输到PC设备。

温度传感器8为市售产品，如美国omega公司生产的R型热电偶。压力传感器14为市售产品，如上海铭控传感技术有限公司生产的MD-HF型高频压力传感器。

高压脉动点火器13为市售产品，如HEI19系列高热能点火器，点火电压为6KV，高压脉冲点火器13设置有两个，相对设置在钢制管道22的两侧。

PIV装置19为市售产品，如Dantec Dynamics A/S公司生产的2D PIV高速粒子成像测速系统。

PC设备17为市售计算机。

利用本实用新型进行气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：组装实验装置。

步骤2：打开高速摄像机16，将压力传感器14、温度传感器8接通电源，将同步控制器18连接计算机，并打开计算机上的Labview 2010数据采集软件，在进行爆炸试验之前，调试好数据采集软件并试运行一次，检查软件是否正常运行，以保证得到的实验数据准确；调整高速摄像机16位置，使其镜头正对全封闭钢制管道22的其中一个玻璃视窗20，调整高速摄像机16镜头焦距，并进行一次抓拍，以保证拍摄的到的图片清晰，以便后期进行图片处理；同时打开PIV装置19发射激光，调节光度，使片光处在全封闭钢制管道22的另一个玻璃视窗20的中轴线上。

步骤3：检查全封闭钢制管道22的气密性。首先关闭钢制管道22的所用阀门，将全封闭钢制管道22抽到真空状态。根据GB/T 12474-2008 4.3.1检查装置的密闭性，将钢制管道22抽到真空不大于667Pa的真空度，然后停泵，5min后压力不大于267Pa即表示钢制管道22气密性良好。

步骤4：将利用分压法进行单一抑爆剂的抑爆实验。

惰性气体抑爆实验：第一气瓶4a内充有惰性气体，第二气瓶4b内充有压缩空气。首先将储液池1中的管道取出；将密闭的钢制管道22抽到设置的负压状态；然后打开瓦斯瓶12和钢制管道22之间的逆止阀11和球阀6，通入瓦斯后关闭；打开同步控制器18，然后打开与第一气瓶4a连接的电磁阀3，惰性气体进入到钢制管道22中；继而再打开与第二气瓶4b连接的电磁阀3、储粉罐15和钢制管道22之间的球阀6，压缩空气进入钢制管道22并使煤尘均匀分布在钢制管道22中，这时钢制管道22内的气压为一个大气压；设置点火延迟时间，同步控制器18通过高压脉冲点火器13电压点火，同时触发高速摄像机16和PIV装置19工作，并采集压力传感器14和温度传感器8的数据，监测爆炸压力和温度变化。

超细水雾抑爆实验：第一气瓶4a内充有压缩气体，第二气瓶4b内充有压缩空气。将密闭钢制管道22抽到设置的负压状态；然后打开瓦斯瓶12和钢制管道22之间的逆止阀11和球阀6，通入瓦斯后关闭；打开同步控制器18，然后打开与第一气瓶4a连接的电磁阀3，压缩气体使水通过双流体喷头5形成超细水雾进入到钢制管道22中；继而再打开与第二气瓶4b连接的电磁阀3、储粉罐15和钢制管道22之间的球阀6，压缩空气进入钢制管道22并使煤尘均匀分布在钢制管道22中，这时钢制管道22内的气压为一个大气压；设置点火延迟时间，同步控制器18通过高压脉冲点火器13电压点火，同时触发高速摄像机16和PIV装置19工作，并采集压力传感器14和温度传感器8的数据，监测爆炸压力和温度变化。

步骤5：进行气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸实验。第一气瓶4a内充有惰性气体，第二气瓶4b内充有压缩空气。首先将密闭钢制管道22抽到设置的负压状态；然后打开瓦斯瓶12和钢制管道22之间的逆止阀11和球阀6，通入瓦斯后关闭；打开同步控制器18，然后打开与第一气瓶4a连接的电磁阀3，惰性气体和超细水雾进入到钢制管道22中；继而再打开与第二气瓶4b连接的电磁阀3、储粉罐15和钢制管道22之间的球阀6，压缩空气进入钢制管道22并使煤尘均匀分布在钢制管道22中，这时钢制管道22内的气压为一个大气压；设置点火延迟时间，同步控制器18通过高压脉冲点火器13电压点火，同时触发高速摄像机16和PIV装置19工作，并采集压力传感器14和温度传感器8的数据，监测爆炸压力和温度变化。

然后重复步骤3检查本装置的气密性。

步骤6：保存压力数据、摄像机拍摄的爆炸火焰图片。

步骤7：对瓦斯/煤尘复合体系爆炸衰减特性进行分析。

申请人要指出的是，本申请上述指出的仅仅是一种实施例子，并不是用于限制本申请的保护范围，凡是用等同或等同替代手段所做出与本申请技术方案本质上相同的技术方案均属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，包括储液池（1）、第一气瓶（4a）、真空泵（7）、瓦斯瓶（12）、第二气瓶（4b）、高速摄像机（16）、PC设备（17），其特征在于，还包括钢制管道（22）、储粉罐（15）、同步控制器（18）和PIV装置（19），所述钢制管道（22）为全封闭管道，钢制管道（22）的顶部设置有双流体喷头（5），储液池（1）和第一气瓶（4a）分别通过管道与双流体喷头（5）连接，真空泵（7）和瓦斯瓶（12）分别通过管道与钢制管道（22）连接，钢制管道（22）上还设置有温度传感器（8）、压力表（9）、高压脉冲点火器（13）和压力传感器（14），钢制管道（22）通过管道依次连接储粉罐（15）和第二气瓶（4b），第一气瓶（4a）和第二气瓶（4b）的出气口设置有电磁阀（3），钢制管道（22）上开设有两个视窗（20），PIV装置（19）和高速摄像机（16）各对准一个视窗（20），温度传感器（8）、高压脉冲点火器（13）、电磁阀（3）、PIV装置（19）和高速摄像机（16）的信号输出端均与同步控制器（18）连接，同步控制器（18）连接在PC设备（17）上。

2.根据权利要求1所述的气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，其特征在于，第一气瓶（4a）内充有惰性气体或压缩空气，第二气瓶（4b）内充有压缩空气，第一气瓶（4a）和第二气瓶（4b）的出气口均串联设置有电磁阀（3）和减压阀（2），真空泵（7）和钢制管道（22）之间的管道、储粉罐（15）和钢制管道（22）之间的管道上均设置有球阀（6），瓦斯瓶（12）和钢制管道（22）之间的管道上设置有逆止阀（11）、质量流量计（10）以及球阀（6）。

3.根据权利要求1所述的气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，其特征在于，所述钢制管道（22）为120mm×120mm×840mm的竖向、方形的钢制全封闭管道。

4.根据权利要求1所述的气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，其特征在于，所述双流体喷头（5）为虹吸式双流体细水雾喷嘴，其雾滴粒径范围20～40um。

5.根据权利要求1所述的气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，其特征在于，所述储粉罐（15）呈圆台状，储粉罐（15）与水平面呈30°角放置。

6.根据权利要求3所述的气液两相介质抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸的实验装置，其特征在于，所述高压脉冲点火器（13）设置有两个，相对设置在钢制管道（22）的两侧，高压脉冲点火器（13）的点火电压为6KV。