一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验装置及方法与流程

本发明涉及研究粉尘爆炸燃烧现象的领域，具体是一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验装置及方法。

背景技术：

随着社会工业化程度的加深，各种粉尘物质也随之产生，各类粉尘燃烧爆炸事故也是接踵而来，如《中国安全生产科学技术》杂志(2015，11(2)，186-190)统计分析了近几年来我国的各类粉尘燃爆事故，大量的粉尘燃爆事故使得国内外研究学者对粉尘爆炸开展大量的研究工作。

现有对粉尘爆炸的测试装置多为哈特曼管(1.2l)、20l球形爆炸容器和1m³爆炸容器。哈特曼管主要用于测试对粉尘的最小点火能(消防科学与技术，2016)；20l球形爆炸测试装置主要用于测试粉尘的爆炸下限、爆炸压力和爆炸压力上升速率；按iso标准，1m³爆炸测试装置也用于粉尘爆炸的测试，但与20l球形爆炸装置对比发现其点火效率较低(journaloflosspreventionintheprocessindustries，2007)。以上测试粉尘燃烧爆炸实验均是在受限或者密闭空间进行的粉尘爆炸实验，而且多是不可视实验，没有任何可见的通道。

对于可视化的粉尘测试装置，研究人员同时进行了大量研究工作。其中专利(cn103940850a)公开了一种粉尘爆炸实验测试装置，通过在爆炸腔上设置透视镜，两侧设置聚焦纹影系统，利用高速摄像和高速纹影图像测试记录内部粉尘爆炸流场影像，并且能够捕捉到单个粉尘粒子的燃烧状态；专利(cn101477094b)公开了一种采用细水雾抑制气体及粉尘爆炸的实验装置，装置器壁上设有透明观察窗口和压贴有防爆片的泄压孔，内置的温度传感器和压力传感器可以检测粉尘爆炸和抑爆过程中的温度和压力变化；专利(cn106248733a)提供了一种多视窗多功能气体、粉尘爆炸抑爆实验系统，设有多个光学诊断视窗，对气体、粉尘爆炸燃烧过程进行同步测试。以上的装置虽设置了观察窗，但是由于尺寸较小或者受限密闭空间，无法较为准确清晰的观测粉尘在等压条件下燃烧火焰传播过程中的火焰结构的变化与失稳机理、湍流形成的本质和已燃区和未燃区界面的不稳定性对火焰加速的影响等燃烧反应的规律。

针对上述现象，本发明提出了一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验装置及方法，该装置是模拟等压条件下利用乳胶气球实现粉尘燃爆可视化的实验测试装置及方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种等压条件下可视化的模拟粉尘燃烧与爆炸的实验装置及方法，通过透明乳胶气球球形罩，可以直接观察粉尘燃烧和爆炸现象，通过高速摄像等辅助设备拍摄记录火焰结构的变化和失稳规律、传播规律和湍流的发展情况等特征。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现。

一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验装置，具体包括配气系统、智能控制系统、装置支架、储粉罐、进气导管、喷头、乳胶气球支架、点火器组合系统、乳胶气球球形罩。所述配气系统包括空气、可燃性气体或惰性气体中的一种或多种组合气体，并且配有气体减压阀；所述智能控制系统包括可编程控制单元和远程控制单元；所述点火组合系统包括可调节高度的点火器支架和可调能高压脉冲点火器。

上述的配气系统通过耐高压软管与智能控制系统相连，智能控制系统固定于装置支架的右侧，利用耐压软管将配气系统与储粉罐以及进气导管连接起来，通过铜质导线与点火组合系统相连，并通过智能控制系统的编程控制通气元件，进而实现对进气、喷粉和点火的控制。

上述装置中，所述智能控制系统作为整个装置的连接中枢，连通配气系统、储粉罐、进气导管和点火组合系统，同时可设定程序来实现粉尘的喷出、分散和点火过程。

上述装置中，所述储粉罐为可拆金属罐体，内部设有高压气体进入孔(喷粉使用)，上部连接有粉尘分散喷射孔。

上述装置中，所述喷头为椭球与圆柱组合体，喷头通过中间开孔接入进气导管、粉尘喷射导管、点火器和相应传感器。

上述装置中，所述球形罩为透明乳胶气球，且乳胶气球由乳胶气球支架支撑起来，其体积大小可根据需要调节。

一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验方法，包括以下步骤：

st1：编写智能控制系统的运行程序，设置进气、喷粉和点火的时间；

st2：调节配气系统的混合气体输出压力；

st3：称量一定质量的粉尘，放置在储粉罐内；

st4：将透明乳胶气球固定在喷头上；

st5：远程开启智能控制系统，使其逐步控制管路中各部件，首先给乳胶气球充气，接着高压混合气体进入储粉罐，使预置的粉尘从喷头处喷出；

st6：经过一定的延迟时间后，智能控制系统自动给控制点火组合系统通电点火；

st7：实验人员在远处操作高速摄像系统，记录下粉尘喷出和点火燃烧的过程。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本装置利用透明乳胶气球充当粉尘燃爆反应的主体容器，实现喷粉、点火和燃爆全过程的可视化，同时实验在等压条件下进行，消除了壁面效应对实验结果的影响。本装置采用智能控制系统，有效合理控制通气与延迟点火时间，减小涡流对实验结果的影响，粉尘分布均匀。同时可实现远程操作，提高实验的安全性。通过喷头中接入的各种传感器和外部实验设备，实验人员能够获得各种实验参数。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，具体结构如下：

1－配气系统，2－智能控制系统，3－装置支架，4－储粉罐，5－进气导管，6－喷头，7－乳胶气球支架，8－点火器组合系统，9－乳胶气球球形罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1：

一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验装置如图1所示，配气系统1是由空气、可燃性气体和惰性气体中的一种或几种组合气体系统，并且配有相应地减压阀，可以控制气体输送的压力大小；智能控制系统2，固定安装在喷粉装置支架3的右侧，它作为整个配气进入和输出的控制中枢，通过设置程序控制配气进入和粉尘喷出的时间；储粉罐4为可拆金属组合罐体，在其一侧底端附近设有高压气体进入孔，喷粉气管由该孔伸入储粉罐中间，其上部的粉尘分散喷射孔固定连接在喷头6上；喷头6固定焊接在装置支架上，其中心开有多个小孔，可分别接入进气导管5、点火组合系统8以及各类传感器(根据需要)；点火组合系统8通过喷头6中心位置的开孔伸入到透明乳胶气球球形罩9中心部位，点火器使用可调能高压脉冲点火器；乳胶气球球形罩9在实验前先固定在喷头6上，再经进气导管5的高压气体充气后，可由乳胶气球支架7支撑起来。

实施例2：

本实例中配气采用氢气－空气混合气体，粉尘采用铝粉，以此来说明一种可视化等压条件下测量粉尘燃爆特性的实验方法的操作步骤：

st1：进行实验时，先编写智能控制系统2的运行程序，设置进气、喷粉和点火的时间；

st2：配置一定体积比(1:9)的氢气－空气混合气体，调节配气系统1的减压阀，使混合气体输出压力达到要求(2mpa)；

st3：称量一定质量(10g)的铝粉，放置在储粉罐4内；

st4：将透明乳胶气球9固定在喷头6上；

st5：远程启动，开启控制智能控制系统2，使其逐步控制管路中通气元件，首先打开进气导管5处的通气元件，给乳胶气球9充气(14l)，紧接着打开储粉罐4处的通气元件，高压混合气体使铝粉在喷头6处喷射分散出来，并使乳胶气球9得体积达到20l；

st6：铝粉喷出，经过一定的延迟时间后(60ms)，铝粉弥漫呈云雾状，并和混合气体预混均匀，此时开启智能控制系统2控制点火组合系统8通电点火，完成对铝粉整个燃爆过程的实验；

st7：实验人员在远处操作高速摄像系统，可直接观察和全程记录整个铝粉喷出和点火燃烧的过程。